Egyre inkább elmosódnak a határok a fizika és a biológia, az elemi részecskék világa és a mi élővilágunk között, amióta az emberi elme képes a világot összefüggő rendszerbe foglalni. Az első atomi felbontású röntgendiffrakciós kutatási eredmények az 1960-as években születtek meg, s ezzel például lehetővé vált a biológiai makromolekulák – közöttük a fehérjék – térszerkezetének meghatározása. Egyszerűnek tűnt a dolog: ha van pontos atomi szerkezet, akkor gyerekjáték a funkció levezetése és megértése. Vagy mégsem?
Az alakra, felszíni tagoltságra nézve nagyon változatos fehérjéket kémiai szempontból akár unalmasnak is nevezhetnénk: húsz aminosavból felépülő hosszú szénláncok viszonylag rövid, el nem ágazó oldalláncokkal. Nagyon hasonló például a nejlon molekulája. Ám míg az utóbbi szálából legfeljebb harisnyát, fehérjékből akár karcsú női lábat is lehet formázni. De mitől lesz ugyanazokból az atomokból – azonos elvek alapján, nagyjából azonos kölcsönhatások révén – élő, mozgó, önreprodukáló, izgalmas rendszer vagy élettelen használati tárgy? A kutatók, amit csak lehet, vágnak, homogenizálnak, elválasztanak, feloldanak, kristályosítanak, majd a részletekben keresik a lényeget. S fordítva? Vajon összerakhatók-e atomokból – fizikai elvek és kölcsönhatások alapján – működőképes fehérjék, majd sejtek, azokból pedig teljes értékű élő egyedek?
Ehhez a kirakójátékhoz sok kellékre van szükség, mindenekelőtt a már felsorolt elemeken kívül folyékony vízre. Mai ismereteink szerint ott lehetséges élet, ahol van cseppfolyós víz. Ez a feltétel a nyomás- és hőmérsékletviszonyokat is szigorúan behatárolja. A vízmolekula legfőbb sajátsága, hogy poláros molekula, vagyis a pozitív és negatív töltések súlypontja nem esik egybe. Ennek következménye, hogy önmagával és más poláros molekulákkal képes viszonylag gyenge, könnyen felhasítható – de nem elhanyagolható – kötéseket képezni, ez a hidrogénkötés. Jellemző rá a kapilláris jelenség, a nedvesítő hatás és a felületi feszültség. A természet fehérjéi között akad kicsi és nagy, töltött és semleges, gyűrűs és lineáris, poláros és víztaszító. A laboratóriumban képesek vagyunk aminosavakat mesterségesen létrehozni, azokat polipeptidlánccá egyesíteni. Ez – az esetek többségében – vízben oldható. Ha jól tervezzük meg a láncot, akkor vizes közegben egyetlen tömör gombolyaggá tekeredik fel: a fizika törvényei alapján az energetikailag legstabilabb szerkezetet veszi fel, a víztaszító oldalláncok egymással, a polárosak a vízzel keresnek kapcsolatot. Nem könnyű ilyen aminosavsorrendet tervezni, nem is nagyon tudunk – egyelőre.
Az élővilág egyik lenyűgöző képessége az önszerveződés, amely megjelenik molekuláris szinten is. A fehérjék természetes környezetükben azonnal, általában a másodperc ezredrésze alatt felveszik azt az egyetlen szerkezetet, konformációt, amely képes a szóban forgó fehérjéhez rendelt funkció betöltésére. Az atomok spontán rendeződése nem ismeretlen az élettelen világban sem, gondoljunk csak a kristályképződésre. A különbség és a különlegesség abban rejlik, hogy a fehérjék esetében heterogén, elemeiben különböző rendszer szerveződéséről van szó, s az bonyolultsága miatt a fizika eszközeivel, egzakt módon nem tárgyalható. Még ha egy kisméretű, száz aminosavból álló fehérje esetét tekintjük is, ha egy oldallánc például csak ötféle helyzetet vehet fel, s a lehetséges leggyorsabb konformációs mozgásokat tételezve fel a szerkezet kipróbálásának időszükséglete messze meghaladja a világmindenség valószínűsített tizenötmilliárd éves korát. Vagyis ez az út járhatatlan.
Kísérleti munkák és elméleti megfontolások eredményeként ma már van vázlatos képünk a fehérjék autonóm felgombolyodási mechanizmusáról. A folyamat első lépéseként a polipeptidlánc apoláros (szénhidrogén jellegű) oldalláncai arra törekednek, hogy a vizes közegben egymás közvetlen közelébe kerüljenek. Hasonló jelenség ez ahhoz, mint amikor a salátához az ecetet olajjal keverjük össze, s az olaj finom cseppecskéket formál. A laza gombolyagban azután az oldalláncok – a hőmozgás okozta „nyüzsgés” révén – könnyen megtalálják szterokémiailag lehetséges és energetikailag optimális végleges pozíciójukat. A lényeget tehát már értjük, de a részleteket még nem ismerjük. Mivel a folyamatokat több tízezer atom elektronfelhőjének bonyolult kölcsönhatásrendszere vezérli, a rendszer komplexitása olyan mértékű, amelyet számítógépes modellezéssel és számításokkal sem tudunk követni. Ezért van az, hogy ma még nem tudunk ab initio fehérjét létrehozni, vagyis olyan polipeptidláncot, amely képes előre eltervezett térbeli szerkezetbe rendeződni.
Azért a fehérjetervezésben nem vagyunk teljesen tehetetlenek. A modern biotechnológia sokat tanult a természettől, tudunk már kedvünk szerint fehérjéket gyártani a génsebészet segítségével. Ilyenkor a DNS-ben kódolt tervrajzokat használjuk, s a természetben előforduló fehérjéket – a tervrajz szintjén – kisebb-nagyobb módosításoknak vethetjük alá. Főként ott, ahol a felszínen vagy felszíni üregekben lévő oldalláncokat változtatjuk meg, például a kötőfelszín átalakításával alkalmassá tesszük a fehérjét egy kívánt anyag felismerésére. Érdekes példa a medúzákban zölden fluoreszkáló fehérje, amelyen egy kötőhelyet kialakítva az specifikusan megköti a kiválasztott célmolekulát. Ez lehetőséget ad – egyebek között – kis mennyiségű mérgező anyag vagy környezetszennyező vegyület látványos és egyszerű kimutatására.
A fehérjék világában, miként a gyáriparban, általános a moduláris építkezés. Fehérjecsaládok fejlődtek ki, amelyek már bevált szerkezeti egységeket alkalmaznak különböző kombinációkban, ilyenek például a moduláris szerinproteázok. Ezeknek általában az a dolguk, hogy az immunrendszerben vagy a vérben – jól megválasztott helyen – elhasítsanak egy kiszemelt célfehérjét. A fehérjetervezésnek az is bevált útja, ha különböző fehérjékből származó modulokat a DNS szintjén sorba rendezünk, majd például baktériumsejtekkel termeltetjük az új kimérafehérjét. Ezzel az általunk megválasztott enzimfunkciót a kiszemelt helyre „vihetjük”: az efféle rendszer alkalmas lehet gyógyszerek célba juttatására.
A felgombolyodással nem ér véget a fehérjék önszerveződésének lehetősége. A kész fehérjék – éppen egyedi, tervezett és bonyolult felszíni mintázatuk révén – képesek egymással és más molekulákkal komplexeket, sőt bonyolult szerkezetű egységeket, végső soron egy élő sejtet képezni. A polaritás segítségével minden fehérje megtalálja a helyét a sejtben, az egyik lehorgonyoz a riboszómában, a másik a membránban, a harmadik úszkál a citoplazmában. Az egyik legfontosabb szerkezeti fehérje, a kollagén hosszú, rugalmas szálakat alkot, amelyeknek szakítószilárdsága az acéléval vetekszik. S a kiváló mechanikai tulajdonságok egyenesen következnek a molekula kénhidakkal megerősített, hármas spirál szerkezetéből. A kollagén az emberi test fehérjéinek 30 százalékát teszi ki. Ezek a szálak rugalmasak és hajlékonyak, de a nyújtásnak ellenállnak. Szöveteink mechanikai ellenálló képességét szintén a kollagénnek köszönhetjük, ám a rugalmasságot már egy másik fonalas fehérjéből, az elasztinból felépülő szálak biztosítják. A természetben eleve sokféle szerkezeti fehérje található. Ilyen a hajat alkotó keratin, de fehérjemolekulákból áll a gyapjú, a pókháló, a páva tollazata vagy a selyem is. Mindegyiknek különleges mechanikai tulajdonsága van, amely a polimerláncot egyetemes építőanyaggá teszi.
A fehérjék esetében a legcsodálatosabb a sokoldalúságuk. A fehérjealapú szerkezetek lehetnek rugalmasak és szilárdak, lemezesek és fonalasak, átjárhatók és elválasztók. A titok nyitja azokban a fizikai kölcsönhatásokban van, amelyek vizes környezetben térbeli szerkezetbe rendezik a lineáris láncot. Ha belegondolunk, nem egyszerű feladat egy hosszú, elágazó láncot úgy felgombolyítani, hogy annak minden ága-boga illeszkedjék a többihez, jól kitöltse a teret, és még energetikailag is kedvező stabilis állapotot eredményezzen. E kérdés elemzéséért az amerikai Paul John Flory 1974-ben kémiai Nobel-díjat kapott. A feladat olyan nehéz, hogy véletlenszerűen szintetizált, kisebb fehérje méretű, száz aminosavból álló polipeptidlánc esetén a siker valószínűsége közel áll a nullához. Nyilvánvaló, hogy a láncot tervezni kell. Ez történik az élővilágban: a tervrajz a génekben, a DNS-ben van rögzítve. A „gondos” tervezés eredményeként jelentkeznek a fehérjék olyan tulajdonságai, amelyekkel az anyag semmilyen más megjelenési formája nem rendelkezik. Kialakul az a bonyolult felszíni mintázat és töltéseloszlás, amely lehetővé teszi, hogy a sejt beilleszkedjen komplex, funkcionális környezetébe.
Mai értelmezésünk szerint a komplex biológiai rendszerek – például egy sejt alkotóelemei – sokrétű, bonyolult és dinamikus kölcsönhatásban vannak egymással, s ezek a kapcsolatok elektromágneses természetűek. A fehérjék – láthattuk – mindig vizes közegben működnek, s felszínükön és üregeikben maguk is tetemes mennyiségű kötött vizet tartalmaznak. A hidrátburok vízmolekulái fontos részét képezik a térszerkezetnek, elengedhetetlenek a működéshez. A fehérjék különleges képessége, szerkezeti és funkcionális sokoldalúsága elsősorban annak tulajdonítható, hogy szemben a szilárd anyagokkal, amelyeket főként erős kovalens és ionos kötések tartanak egyben, és a folyadékokkal, amelyeknek részecskéi között gyenge másodlagos kötések hatnak, a fehérjékben e két kötéstípus kombinációja váltakozik. A fehérjék az élettel összeegyeztethető hőmérsékleten könnyen felhasadnak, de nagy számuk és együttműködő természetük miatt együttesen jelentős szerkezetrögzítő, stabilizáló hatásuk van. Az ilyen – részben kovalens, részben másodlagos kötésekkel stabilizált – fehérjeszerkezetek sok különleges, az élettelen világban ritka tulajdonsággal bírnak. Legfontosabb sajátságuk, hogy miközben jól definiált szerkezetűek, az óriásmolekulát alkotó atomhalmaz a hőmozgás által hajtott állandó, dinamikus ingadozásban, fluktuációban van. Ennek folytán a térszerkezet könnyen képez komplexet egy másik, bonyolult makromolekulával.
Két fehérje specifikus összekapcsolódása sokkal inkább hasonlít egy kézfogásra, mint a kulcs zárba helyezésére. Ez a tulajdonság az alapja annak, hogy egy-egy fehérje felszínének szinte végtelen változatosságú mintázata hatékonyan felismeri és szorosan, de visszafordíthatóan megköti a célmolekulákat. Jó példa erre az immunrendszer működése: az úgynevezett komplementrendszerben több mint harminc fehérje, illetve enzim összehangolt akciója vezet a támadó sejt perforálására, elpusztítására. A fehérjék szoros együttműködésére sok példa hozható fel az anyagcsere-folyamatokat katalizáló enzimek köréből. Az élő szervezet egyik legfontosabb energiatermelő folyamatában, a glikolízis esetében tíz enzim sorozatos együttműködésével vándorol molekuláról molekulára, s köt ki végül a piruváton; mindeközben a sejt energiavalutájából, az ATP-ből elfogyaszt négyet, illetve termel hatot.
S itt elérkeztünk a fehérjék egyik leglátványosabb funkciójához, az enzimatikus katalízishez. A sejtek 37 Celsius-fokon sok apró lépésben hasznosítják a szénhidrátban lévő szabad energiát. Ezt a feladatot enzimek sorozatával végeztetik – nagyon gyorsan és kitűnő hatásfokkal. Egy kémiai reakció akkor megy végbe spontán módon, ha energianyereséggel jár, és a reagensek elegendő úgynevezett aktiválási energiával rendelkeznek. Az enzimek éppen az aktiválási energia küszöbét csökkentik: specifikusan megkötik a reagenseket, és belső mozgásuk révén olyan térbeli helyzetet és töltésviszonyokat teremtenek, hogy a kívánt reakció szobahőmérsékleten is pillanatszerűen bekövetkezzék. Csodálatos összehangolt koreográfia szükséges ehhez az enzim, a közeg (például a citoplazma) és a célfehérje atomjai között, s mindez a másodperc milliomodrésze alatt. Az enzimatikus katalízis nehezen érthető meg a mi megszokott makrovilágunkban tapasztalt összefüggések alapján, ez már a kémia, a statisztikus fizika és a kvantummechanika határterülete. A szervezetben végbemenő makroszkopikus kémiai reakciók meghatározott sorrendben épülnek fel elemi reakciók sokaságából. Ez utóbbiak során többnyire elemi részecskék: proton, illetve elektron átadása megy végbe egyik reakciópartnerről a másikra. Ezek a részecskék kettős természetűek, azaz felfoghatók anyagként, de hullámként is; ekkor kerül előtérbe a kvantummechanika, amely képes e különös tulajdonságú részecskék leírására.
A fenti szöveg Závodszky Péter április 18-án elhangzott előadásának rövidített, szerkesztett változata, amelyet anyagtorlódás miatt közlünk csak most.
origo.hu
Kiszáradt egy népszerű tó a Balaton mellett
