Egészséges rendezetlenség, egészségtelen rend: fehérjék térszerkezet-vizsgálata – Perczel András rendes tag székfoglaló előadása

Christian B. Anfinsen 1972-es Nobel-díja óta ismert és széles körben elfogadott tény, hogy a fehérjék, ha elveszítik natív, leggyakrabban globuláris téralkatukat (F-állapot), és bármely okból denaturálódnak (U-állapot), akkor annak biológiai funkciójuk és végeredményben sejtes környezetük is kárvallottja lesz. Figyelembe véve, hogy a polipeptidek és fehérjék mintegy 13-16 nagyságrendet átölelő időskálán (fs→s→h) végeznek belső mozgást, ezért nemcsak az U-, hanem a biológiai szempontból aktív s ezért funkcionálisnak („egészségesnek”) aposztrofált formájukra is nagyfokú dinamika (szerkezeti sokszínűség) jellemző.

Perczel András Fotó: mta.hu/Szigeti Tamás

A székfoglaló előadáson készült fotók galériájaDinamikus téralkatukból fakadóan oldatfázisban az F-állapot kimerítő jellemzése sem könnyű feladat, míg a „trilliónál is számosabb” U-állapot(ok) egyedi leírása kifejezetten reménytelen vállalkozásnak tűnik éppen a nagyfokú molekuláris „rendetlenség” miatt. Nem könnyű feladat tehát sem az atomi felbontású „képalkotás”, sem a fehérjék minor formáinak meghatározása, sem pedig az aminosavszintű (dinamikus) paraméterek megadása. Pedig a fehérje feltekeredettségére vonatkozó adatok és stabilitásértékek ismerete ma már nemcsak alapkutatás, hanem a gyógyszeripar piacvezető fehérjemolekulái miatt komoly ipari kihívás is. A modern szerkezeti kémia és biológia további kulcsfeladata egy-egy fehérje fel- és letekeredési útvonalának egyre pontosabb meghatározása, az F- és az U- állapotokat összekötő I- (intermedier) formák sokaságának jellemzése, az [U]↔[I]₁↔[I]₂↔…↔[I]_n↔[F] folyamat termodinamikai és kinetikai részleteinek és a biológiai szerepre gyakorolt hatásának meghatározása. Ennek kapcsán spektroszkópiai (NMR, CD, IR), diffrakciós és elméleti módszerek alkalmazásával lehet rendre megkísérelni az adatgyűjtést, a modellépítést.

Még nincs két évtizede sem annak, hogy Christopher Dobson és mások először leírták azt a mára már általánosnak gondolt jelenséget, amely szerint a fehérjék többségére igaz, hogy egyes I-állapotok kivezetnek az [U]↔[I_1,2,3,…n]↔[F] egyensúlyi rendszerekből, és egy új, szuper-strukturált, oldhatatlan amiloid [Amy] aggregátum kialakulását eredményezik. Az amiloid állapot nagyfokú rendezettséget, a szabályos geometriai elrendeződések csökkentette belső mozgékonyság miatt megnövekedett strukturális komplexitást mutat. A kapott nano- és mezostruktúrák leggyakrabban annyira kompaktak, hogy a szokásos kémiai eszközökkel fel nem oldhatóak, enzimatikus úton le nem bonthatók. Szerkezeti kémikus szemmel nézve az amiloidok kompakt és stabil 2D- (3D-) rácsok, melyeket a felépítő polipeptidek és fehérjék hidrogénkötésekkel és hidrofób kölcsönhatásokkal összetartott, nyújtott konformációjú alegységei alkotnak. A szabályos (transzlációs szimmetriát mutató) struktúrát felépítő szabad β-élekből, β-redőzött rétegek alakulnak ki, melyek spontán asszociálódnak, s létrejön az igen kompakt és rendezett amiloidállapotú aggregátum. Lebontás hiányában a fehérjék tehát ezen állapotukban felhalmozódnak, az egészséges körforgás folyamata zsákutcába torkollik. Kiderült az évek során, hogy az amiloidok számos rettegett kórképpel (pl. Creutzfeldt–Jakob-szindróma, Parkinson- és Alzheimer-kór) hozhatók összefüggésbe. Jól mutatja az aggregáció lehetőségének általános voltát az a tény is, hogy az E. coli baktérium mintegy 3000 fehérjéjének kétharmadáról ma már bebizonyított, hogy amiloidképzésre sarkallhatók. Az aggregáció kiemelkedő orvosbiológiai jelentőségére utal Blumbergnek és Gajduseknek a Kuru-betegség (1976), majd Prusinernek a prionöröklődési mechanizmus (1997) megértéséért adott orvosi Nobel-díj. Az érdeklődés azóta is folyamatos, és az akadémiai székfoglaló előadás készítésével egy időben (2016. szeptember) került a Nature címlapjára a „Targeting Amyloid” szalagcím is.

Perczel András előadásában a fehérjék állapotainak jellemzése mellett két olyan új módszerről is beszámolt, amelyet fehérje-konformerkeverékek kvantitatív jellemzésére dolgoztak ki, s amely munkáik Európa vezető kémiai újságának – Chemistry – A European Journal – címlapjára kerültek. Míg az egyik módszerük NMR-adatok alapján aminosav-specifikus, a másik – kiroptikai elektron-spektroszkópiai (közeli-UV ECD) eljárásuk – globális információt ad a fehérjék esetenként akár „láthatatlan” intermedier vagy röviden I-állapotairól. Perczel András a módszerfejlesztések mellett a 2-es típusú cukorbetegség (DM-II) gyógyításának élvonalába tartozó Exendin 4 (röviden Ex-4) minifehérje és analógjainak (H5, H19, H19-CC, EDR stb.) átalakíthatóságáról, szerkezeti és farmakodinámiai optimálásáról, valamint amiloidképzési potenciáljáról is beszámolt.