fehérjemintázat a fehérjék szerkezeti elemeiből keletkező jellegzetes, törzsökös alakulat sajátszerű feladat ellátására; a fehérjéket sokszor ennek alapján ismerik fel. Többé-kevésbé önálló elemként viselkedik, amely elveszhet, többszöröződhet vagy változhat. Létrejöhet a fehérjék elsődleges és másodlagos szerkezetéből is. A fehérjék bonyolult felépítése a szerkezeti elemeknek szinte végtelen formálódási, társulási változatát teszi lehetővé, vagyis megszámlálhatatlan mintázat jön létre. A molekulák kizárólag ezeket azonosítva kapcsolódnak; ez a biológiai folyamatok fajlagosságának kulcsa. Néhány nagyon gyakori, sajátos mintázatot külön elnevezéssel illetnek, gyakorlati jelentőségük miatt.

elsődleges szerkezeti mintázatok (vonalas mintázatok) sajátos feladatra (kötés, felismeréshely) összeállt 3–10 aminosav. Egysíkú mintázatok; innen a vonalas elnevezés. A nemzetközi irodalomban sokféle nevük van: sequence motif (szerkezetmintázat*), core motif, ligand-binding surfaces, ligand recognition pockets és linear motifs. Gyakoribb elsődleges szerkezeti mintázatok:

▪ A cinkujj mintázat két ciszteinből és két hisztidinből álló aminosavszakasza, ameliy a szerkezetet összetartó cinkiont köti.

▪ A foszforilezési mintázat (linear phosphorylation motif), amely a foszforilezés helyét (phosphosite) kijelölő aminosavsor.

▪ Walker-mintázatok az ATP-t kötő fehérjék jellegzetes törzsökös mintázatai. Kétfélét: Walker-A- és Walker-B-mintázatot különbözttünk meg. (→Walker-mintázat)

▪ Az RGG/RG mintázat argininben (R) és glicinben (G) gazdag (RGG [arginin–glicin–glicin]). Ezernél is többféle fehérjében van jelen, számos sejtbiológiai folyamatban (génátírás, elő-mRNS kivágása, DNS-hiba jelzése, átfordítás, sejtvégzet szabályozása stb.) vesz részt. Ismert három és két RGG-s formája, és azoknak is számos változata; az RG-tag különáll.

Az ábrán az RGG/RG mintázatoknak a FUS (fused in sarcoma) RNS-t kötő fehérjében lévő három RGG-s formája (tri-RGG, kékkel jelölve) látható. A feltüntetett RGGRG mintázat RG- (arginin–glicin) tagja a sor végén van.

másodlagos szerkezeti mintázatok secondary structural motifs a másodlagos szerkezeti elemek (α-csavarulat, β-lemez stb.) kapcsolódásából létrejövő, jellegzetes szerkezeti formák; törzsökös térszerkezeti egységek, többé-kevésbé önálló feladattal (kapcsolódás, felismerési hely stb.). Nevezik super secondary structuresnek is, utalva arra, hogy ezek a szerkezetek a másodlagos szerkezeti elemeknek már magasabb fokú szerveződései, de még nem harmadlagosak. A legegyszerűbbek 2–3 szomszédos másodlagos szerkezeti elemből formálódnak, a bonyolultabbak pedig ezekből tevődnek össze. Az ilyen mintázatok gyakran ismétlődnek egy-egy fehérje valamelyik részében, illetve más fehérjékben is hasonlóan fordulnak elő. Jellegzetességük, hasonlóságuk ellenére az aminosav-összetételük nagyon eltérő is lehet. A másodlagos elemekből alakult mintázatok állhatnak α-elemekből (α-mintázatok); β-elemekből (β-mintázatok), pl. a görög mintázat (Greek-key motif), amelyet ellentétesen futó β-lemezek és az ezeket osszekötő β-fordulások alkotnak; legtöbbjükben azonban mindkettő előfordul (αβ-mintázatok), pl.az αβ-hordók (αβ barrels), amelyek nyolc α-csavarmenetből és nyolc β-lemezből tevődnek össze.

Néhány α-csavarodási alapmintázat:

▪ α-csavarodás–fordulás–α-csavarodás* mintázat (helix-turn-helix motif, HTH) rövid, visszaforduló kapcsolóval (aminosavakkal) összekötött két α-csavarodás. Az egyik leggyakribb DNS-hez kapcsolódó mintázat: a C-végi α-csavarodás illeszkedik a DNS nagygörbületébe, az oldalágai pedig bázisfajlagosan kapcsolatba lépnek a nukleotidokkal. A génműködést szabályozó fehérjék legtöbbjében megtalálható.

Sokféle változata ismert (dihelical, trihelical, winged helix-turn-helix motif stb.).

▪ α-csavarodás–hurok–α-csavarodás* (egyszerűen: csavarodás–hurok–csavarodás*) mintázat (basic helix-loop-helix motif, bHLH) hurokkal lazán összekötött két α-csavarodás; az egyik rövidebb. Rugalmas mintázat, amely lehetővé teszi, hogy két ilyen mintázatot hordozó fehérje összekapcsolódjék, kettőst képezzen: a két rövid α-csavarodás fonódik össze. A hosszabbikon vannak a DNS-sel kölcsönhatásba lépő törzsaminosavak. Az átírásfehérjék egyik törzsmintázata, a kettős fehérjék szokásos keletkezési eleme.

Néhány α-csavarodás–hurok–α-csavarodás mintázat:

▪ cinkujj mintázat* (zinc finger motif, nevezik zinc-finger domainnak is) RNS-hez, DNS-hez kötődő mintázat; a nukleinsavakhoz kapcsolódó fehérjékben általános. Egy α-csavarodásból és két ellentétes lefutású β-lemezből áll, amelyeket négy aminosav (két cisztein, két hisztidin) segítségével cinkion köt össze. Van olyan is, amelyben négy cisztein van. Ezek a mintázatok ismétlődnek egymás után, jellegzetes ujjszerű kitüremkedésekkel. Az α-csavarodás aminosavai kapcsolódnak a DNS-sel a nagygörbületen. Ez az egyik leggyakoribb mintázat; a fehérjeállomány ~3%-át teszi ki,

▪ leucinos zármintázat* (leucine zipper motif) két azonos α-csavarodásból áll, amely rövid szakaszon fonadékot (coiled coil) képezve társul, hasonlóan az ollóhoz. Az α-csavarmenet minden hetedik aminosava leucin. A leucinok a C-végen összerendeződnek, és víztaszító hatással hidrogénkötések jönnek létre. Az N-vég pozitív töltésű, ez a kötőgomoly, fajlagosan kapcsolódik a DNS ACGT bázissorával – az indítóhoz kötődve serkenti az átíródást. Az átírásfehérjék jellegzetes mintázata. Kialakulhat egyetlen polipeptidben, de két polipeptid között is.

▪ EF-kéz mintázat (EF hand), amelyik Ca²⁺-t kötő mintázat; a kalmodulin E- és F-csavarodása és összekötő szakasza alapján kapta a nevét.

fehérjeszerkezet A fehérjék szerkezetében négyféle szerkezeti szintet (elsődleges, másodlagos, harmadlagos és negyedleges) különböztetünk meg. Ez kiegészül a második és a harmadik szint közötti két másodfeletti elemmel (gomoly, mintázat). Mindegyik szintet az aminosavak sora határozza meg.

elsődleges szerkezet a peptidkötéssel kapcsolt aminosavmaradék-sor. Voltaképpen a polipeptid. Az átlagos fehérje 300–400 aminosav-maradékból áll, tömege: ~40 kDa. Van 50 és 2000 aminosav-maradékból összetevődő is, a fehérjék aminosav-maradék tartománya tehát: 50–2000 aminosav-maradék.

másodlagos szerkezet az aminosavsor elfordulásaiból keletkező alakzat, amelyet az egymáshoz közel kerülő atomok közt kialakuló hidrogénkötések rögzítenek. Hidrogénhíd keletkezik a peptidkötés O- és N-atomja között; ez könnyen kialakul az oxigén és a nitrogén részleges ellentétes töltése miatt. A másodlagos kapcsolódások tehát a polipeptid gerincében jönnek létre, az aminosavak oldalláncai nem vesznek részt benne.

Elfordulás az aminosavak oldalláncainak különbözősége (kiegyensúlyozatlan állapot) révén következik be, és a peptidkötés elektroneltolódása miatt csak az α-szénatom kétoldali kötésében lehetséges, ezek szigma-kötések. Az N–C_α kötés elfordulásának szöge a φ-szög, C_α–C kötésé a ψ-szög (→peptidkötés). A φ–ψ szögpárok által létrehozott térhelyzetben az N–C_α–C–N atomsorból szabályosan ismétlődő szerkezetek jönnek létre; ezek a másodlagos szerkezetek. Kialakulásuk a szögpárok értékeitől függ; azokat az értékeket, amelyeknél kialakulhatnak, a Ramachandra-leképezés mutatja. A szögpár nagysága azonban a peptidkötések atomjai és az oldalláncok helyzete miatt behatárolt; a másodlagos szerkezetek létrejöttéhez szükséges értékek a polipeptidnek csak egyes részein (elfordulási sziget) jönnek létre, függően az aminosavsortól: attól, hogy milyen aminosavak kapcsolódnak egymással.

A legjellegzetesebb másodlagos szerkezeti elemek az α-csavar, a β-lemez és a β-fordulat.

■ α-csavarodás (α-helix) a peptidlánc csavarvonalszerű elfordulásával keletkezik. Egy menetben 3,6 aminosav-maradék van. A peptidkötések közötti hidrogénhidak szabályos távolságonként ismétlődnek – minden negyedik peptidkötést kapcsolják a karbonil- és az NH-csoport között (CO…NH) –, és a molekula hossztengelyével csaknem párhuzamosan helyezkednek el; ezért keletkezik a csavarvonal szerkezet. Az aminosavak oldalláncai a hossztengelyre merőlegesen, a csavarmenet külső felszínén találhatók, a víztaszító gerinc pedig a belsejében. Az órajárás irányában haladó elfordulások hozzák létre az α-csavarodást, amely állandósult szerkezet. Ez az aminosavak L-téralakzatából következik. A csavarodás végbemehet ellenkező irányban is, de az ilyen szerkezetek ingatagok: az oldalláncok térben nehezen férnek el, ezért nem is maradnak meg.

Az α-csavarodás a polipeptidnek csak hosszabb-rövidebb szakaszain alakul ki: egyes helyeken megszakad, mert a hidrogénhíd nem jön létre. Ennek több oka lehet:

• A prolin gyűrűs szerkezetében a nitrogénatomnál nem áll rendelkezésre hidrogénatom, és a fordulása is korlátozott; ezért nincs gyűrűs aminosav az α-csavarvonal szerkezetben.

• Egymást taszító aminosavak között, például két arginin között (negatív töltésű az oldallánc).

• Túl nagy az oldallánc; a társulás térben nem lehetséges, ilyen a fenilalanin.

Az α-csavarodás elhelyezkedhet a fehérje bármely részén; átlagosan 12 aminosav-maradék hosszúságú, az N-vége részpozitív, a C-vég résznegatív, vagyis kétsarkú (dipole) szerkezet.

■ β-lemez (β sheet). Megnyúltan csavarodó peptidláncból alakul ki a lánc visszakanyarodásaival (β-fordulás). A peptidlánc ebben is csavarvonalszerű, de egy kanyarulatban csak két aminosav van, ezért lapos. A visszakanyarodás következtében néhány aminosavnyi peptidszakasz (β-redő, β strand) párhuzamosan helyezkedik el – egy irányban vagy ellentétesen (az egyiknek az N-vége és a másiknak a C-vége van egymás mellett) –, közöttük pedig hidrogénkötések képződnek, amelyek itt is a peptidkötések karbonil- és NH-csoportja között (CO…NH) jönnek létre.

Az első ábrán a két β-szál egymással ellentétes irányú (antiparallel). A közöttük keletkező hidrogénhíd a szemben lévő peptidkötések mindegyikében kialakul, éspedig a hossztengelyére merőlegesen, mivel a CO- és NH-csoportok szemben vannak egymással. Az oldalláncok kívül helyezkednek el. A második ábrán a megnyúlt polipeptidlánc (β-szál) visszakanyarodik (β-fordulás, β-turn), és az előző szakaszával azonos irányú (parallel). A hidrogénhidak itt is keresztezik a hossztengelyt, de nem merőlegesek. Egy aminosav két szemközti aminosavval kapcsolódik.

A többszörösen egymáshoz kötődött β-szálak alakítják ki a β-lemezt, amelyből az oldalláncok kilógnak: felettük és alattuk helyezkednek el. Az egymáshoz kapcsolódó β-szálak származhatnak egyetlen polipeptidből, de kapcsolódhat hozzájuk másik polipeptid β-szála is (ábra). A β-szálak különbözősége miatt a β-lemez nem sík, hanem redőzött (pleated β sheet).

Az aminosavak oldalláncai a lemez síkja felett vagy alatt nyúlnak ki úgy, hogy a sorban egymást követő aminosavak oldalláncai ellentétes kinyúlásúak, ezért redőszerű, hajtogatott. A párhuzamos β-redőket hosszabb-rövidebb aminosavszakaszok kapcsolják össze; nemegyszer úgy, hogy a β-lemez síkja felett/alatt α-csavar szerkezeteket alakítanak ki. Az ellentétesen futó β-redőket néhány helyen aminosavas visszafordulások kötik össze; ilyen pl a hajtűfordulás* (hairpin turn), amely két ellentétes irányú β-szál között keletkezik; összesen két aminosav-maradékból áll. A β-lemez lapszerű, gyakorta hajtékolt, nagyritkán hengeres formájú, és szokásosan a fehérje belsejében van: a víztaszító peptidgerinc ugyanis szabadon van.

■ β-fordulás* (β-turn, β-reverse turn, β-bend). A polipeptid egyirányú, ezért gömbalakot csak úgy hozhat létre, hogy visszafordul. Az ilyen visszafordulás a β-fordulás, amely nagyon rövid szakasz, hajtűszerű. Ezek kapcsolnak össze két α-csavart vagy két β-szálat. A β-fordulat négy aminosav-maradékból áll. A hidrogénhíd a polipeptid visszafordulását kezdő és a harmadik aminosavát köti; ezzel rögzíti a szerkezetet (az ábrán pirossal jelölve; R = oldallánc). I-es és II-es formáját különböztetik meg. A β-fordulás sokszor a fehérje felszínén van, részt vesz a jelközvetítésekben kapcsolódási vagy felismerési helyként.

■ Rendezetlen fehérjeszakaszok. Ezek a fenti mintázatok egyikét sem tartalmazó részei a fehérjéknek, általában a fehérjék zömét alkotják. A fehérjék alkalmazkodó képességét (kapcsolódás más molekulával, térszerkezeti változás stb.) biztosítják, lehetővé téve a fehérjék tevékenységének szabályozását. Talán idevehető a kapocsrész (hinge region), amely változó hosszúságú hajlékony aminosavmaradék-sor, szokásosan két gomoly között. Lehetővé teszi, hogy a gomolyok elmozduljanak egymáshoz viszonyítva feladatuk ellátására. Nincs mindegyik fehérjében. A korábbi irodalomban találkozunk a Ω-hurok (Ω loop) elnevezéssel, amely rendszertelen, ismétlődő részek nélküli bonyolult szerkezetű fehérjealakzat. Megkülönböztetése nem megalapozott.

másodfeletti elemek a →fehérjegomolyok és a →fehérjemintázatok.

harmadlagos szerkezet tertiary protein structure a fehérje (egyetlen polipeptid) háromirányú (3D) elrendeződése, működőképessé válása; a hatócsoportok a felszínre kerülnek, lehetővé téve, hogy kapcsolatba lépjenek más molekulákkal. A harmadlagos szerkezet az egymástól távoli aminosavak közötti kölcsönhatások, alapvetően az aminosavak oldalláncai között létrejövő kötések (leginkább hidrogénkötések, ritkábban S–S- és ionos kötések), valamint a víztaszító hatás következménye. A harmadlagos szerkezetet tehát a peptidkötések mellett kialakuló más elektron- és nem elektronkötések hozzák létre, tartják fenn. A harmadlagos szerkezet elsősorban a gombolyagfehérjékben alakul ki, a szálas fehérjékben (→keratin, kollagén, fibroin) kevéssé kifejezett, nem különül el élesen; térszerkezetüket valamelyik másodlagos szerkezeti elem uralja. A fehérjék a harmadlagos szerkezeti formában állandók, az energia szempontjából ez a leggazdaságosabb helyzetük (native state).

A harmadlagos térszerkezetet is alapvetően az aminosavak sorrendje határozza meg, és önmagától is kialakul. A dajkafehérjék (chaperonok) elősegítik a harmadlagos szerkezet formálódását: megakadályozzák, hogy a sejtplazmában állandóan keletkező fehérjék – a harmadlagos szerkezet lassú formálódása miatt – egymással összekapaszkodjanak fehérjehalmazokká.

Lényeges, hogy a fehérjék harmadlagos szerkezete környezeti és más hatásokra (más fehérje társulása, foszforilezés stb.) felszakadhat, tehát nem állandó. Ennek biológiai jelentősége van, hiszen a térszerkezet változása, változtatása a fehérjék ki-be kapcsolásának a leggyakoribb módja, a fehérjeműködés alapvető szabályozója.

negyedleges szerkezet quaternary protein structure két vagy több harmadlagos szerkezetű polipeptid kapcsolódásából létrejövő nagymolekula (többes fehérje). Az egyes polipeptideket alegységeknek nevezzük. A negyedleges szerkezet az alegységek egymáshoz viszonyított térhelyzetét jellemzi. A polipeptidek közötti kölcsönhatásban ugyanazok a kötések (London-erők, hidrogénkötések, ionkötések és S–S híd) vesznek részt – vagyis alapvetően gyenge kötések.

A polipeptidek száma szerint megkülönböztetünk kéttagú (dimer, kettős), háromtagú (trimer, hármas), négytagú (tetramer, négyes) stb., pártagú (oligomeric proteins) és soktagú (polymer) fehérjéket. Ezek ekként, tehát kéttagúként, háromtagúként stb. hatásosak. Kapcsolódhat azonos (homo-…mer) vagy különböző polipeptidlánc (hetero-…mer).

Az összekapcsolódott polipeptidek szétválhatnak, majd újra egyesülhetnek, függően a működésüktől. A szétválást, újra egyesülést az teszi lehetővé, hogy azokon a felületeken, ahol a kötődés létrejön, egymást kiegészítő molekulák vannak – a kiegészítő láncok egymást felismerik –, és hogy a nem kiegészítő láncok között nem képződik erős kapcsolódás. A polipeptidek között tehát egy sajátságos kölcsönhatás van, amely a fehérjék működését is meghatározza, szabályozza – ez a fehérjék önrendelkező képessége.

Negyedleges szerkezetűnek tartjuk a más molekulát (hem, szénhidrát, RNS, lipid stb.) tartalmazó fehérjét is.