Строение и функции шаперонов

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Санкт - Петербургский Государственный Университет

Медицинский факультет

Контрольная работа по биохимии

Строение и функции шаперонов

Выполнила студентка

2 курс 205 группа

Хан Петра

Проверил

Астратенкова И.В

Санкт-Петербург 2016

Введение

Было доказано, что в клетке есть белки, которые обеспечивают правильное сворачивание полипептидных цепей в нативную структуру. Они обеспечивают оптимальный фолдинг белков клетки, стабилизируют их нативную конформацию при функционировании и поддерживают структуру и функции внутриклеточных белков при нарушении гомеостаза. Эти белки получили название шапероны. Они выполняют очень важные функции. В этой работе, мы подробнее рассмотрим различные классы шаперонов и функции, которые они выполняют.

1. Шапероны

В процессе синтеза полипептидных цепей, их транспорта через мембраны в соответствующие отделы клетки, в процессе фолдинга (формирования нативной конформации) и при сборке олигомерных белков, а также в период их функционирования в структуре белков возникают промежуточные, склонные к агрегации, нестабильные конформации. Гидрофобные радикалы, в нативной конформации обычно спрятанные внутри белковой молекулы, в нестабильной конформации оказываются на поверхности и стремятся к объединению с такими же плохо растворимыми в воде группами других белков. Доказано, что в клетке существует особая категория белков, основной функцией которых является обеспечение правильного сворачивания полипептидных цепей в нативную структуру. Они обеспечивают оптимальный фолдинг белков клетки, стабилизируют их нативную конформацию при функционировании и, что особенно важно, поддерживают структуру и функции внутриклеточных белков при нарушении гомеостаза. Эти белки получили название «шапероны», что в переводе с французского обозначает «няня».

Шапероны - ремоделирующие белки, участвующие во многих внутриклеточных событиях и вовлеченные в процессы коррекции структуры белков, предотвращения агрегации неправильно свернутых белков, разрушения белковых агрегатов, а также разворачивания нативных белков-мишеней для транслокации их через мембраны. Также они участвуют в разборке олигомерных структур до мономеров для их дальнейшей протеолитической деградации, и в формировании специфических комплексов и белковых ансамблей.

2. Классы шаперонов

К настоящему времени описано несколько классов шаперонов, которые различаются по структуре и специфическим функциям. Все шапероны являются "белками теплового шока" (heat shock proteins, hsp), синтез которых резко увеличивается во время клеточного стресса.

Шапероны (Ш) классифицируются по массе субъединиц. По характеру выполняемых этими белками функций их можно разделить на два больших семейства - шапероны, или hsp70, и шаперонины, к которым относятся hsp60 и hsp10. Высокомолекулярные шапероны имеют массу от 60 до 110 кД. Среди них наиболее изучены три класса: hsp60, hsp70 и hsp 90. Каждый класс включает семейство родственных белков. Так, в состав hsp70 входят белки с молекулярной массой от 66 до 78 кД. Низкомолекулярные шапероны имеют молекулярную массу от 40 до 15 кД.

Молекулярные шапероны обеспечивают фолдинг примерно половины синтезирующихся внутриклеточных белков. Роль шапероновой системы в сохранности клеточного протеома особенно возрастает в условиях стресса.

Среди шаперонов различают конститутивные белки, высокий базальный синтез которых не зависит от стрессовых воздействий на клетки организма, и индуцибельные, синтез которых в нормальных условиях идет слабо, но резко возрастает при стрессовых воздействиях. Индуцибельные шапероны называют также «белками теплового шока», так как впервые они были обнаружены в клетках, подвергавшихся воздействию высоких температур. В клетках из-за высокой концентрации белков самопроизвольная ренативация частично денатурированных белков затруднена. hsp70 могут предотвращать начавшийся процесс денатурации и способствовать восстановлению нативной конформации белков.

Молекулярные шапероны-70 - высококонсервативный класс белков, находящихся во всех отделах клетки: цитоплазме, ядре, эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях. На карбоксильном конце единственной полипептидной цепи Ш-70 имеется участок, который представляет собой бороздку, способный взаимодействовать с пептидами длиной от 7 до 9 аминокислотных остатков, обогащенных гидрофобными радикалами. Такие участки в глобулярных белках встречаются примерно через каждые 16 аминокислот. Ш-70 способны защищать белки от температурной инактивации и восстанавливать конформацию и активность частично денатурированных белков.

3. Роль шаперонов в фолдинге белков

"Процесс формирования вторичной и высокоспецифической пространственной структуры белка в ходе его рибосомного синтеза, называемый сворачиванием, или фолдингом (folding), необходим для образования активных и жизнеспособных белков". Некоторые белки в силу особенностей своей аминокислотной последовательности, топологии, размера или функции не способны самопроизвольно организовываться в функциональные трехмерные структуры и проявляют склонность к формированию искаженных (misfolded) структур и к агрегации.

Правильному сворачиванию таких белков обычно способствуют ферменты-фолдазы (например, протеиндисульфиддиизомераза или пептидилпролил-цис-транс-изомераза), катализирующие сборку полипептидной цепи путем образования ковалентных промежуточных комплексов, либо молекулярные шапероны - группа вспомогательных специализированных белков, предохраняющих растущую цепь от ошибочных внутренних и внешних контактов. Белок проявляет стабильность и способность взаимодействовать с другими веществами только если он правильно сложен. Утрата нативной конформации может привести к ряду патологических изменений в организме. Белок, свернутый в нативную структуру более компактный, имеет гидрофобное ядро и гидрофильную поверхность, имеет множество взаимодействий между боковыми группами АК остатков по сравнению с белком в развернутой конформации. Во время синтеза белков, N-концевая область полипептида синтезируется раньше чем С-концевая. Для формирования нативной конформации необходима полная аминокислотная последовательность белка. Правильное сворачивание вновь синтезируемых белков в клетке и белков с частично нарушенной структурой, а также сохранение структуры белков в условиях стресса обусловлено функционированием шаперонов семейств Hsp70, Hsp60 и Hsp90. Фолдинг растущего в процессе трансляции полипептида обеспечивается его взаимодействием сначала с фактором TF, а затем, при достаточном удлинении полипептидной цепи - с системой шаперона Hsp70. В процессе синтеза белков hsp70, благодаря строению их активного центра, способны закрывать склонные к агрегации участки полипептида, обогащенные гидрофобными радикалами аминокислот до завершения синтеза (рис 1А). Синтезированные белки, имеющие на поверхности элементы, характерные для несвернутых молекул, в частности гидрофобные радикалы, попадают в полость шапероновых колец. В специфической среде этих полостей происходит перебор возможных конформаций, пока не будет найдена единственная, энергетически наиболее выгодная (рис. 1Б). Формирование конформаций и высвобождение белка сопровождается гидролизом АТФ в экваториальной области. Обычно такой шаперонозависимый фолдинг требует затрат значительного количества энергии.

Рис. 1

4. Шапероны 70

По современным представлениям, шапероны Hsp70 состоят из трех доменов (рис. 2): высококонсервативный N-концевой нуклеотидсвязывающий домен (NB, около 450 а.о.) объединен чувствительным к действию протеиназ линкерным участком с вариабельным субстратсвязывающим доменом (SB, около 200 а.о.). Короткий С-концевой домен (CT, около 100 а.о.) способен к взаимодействию с различными партнерными белками и модулированию шапероновой функции Hsp70. АТР-форма Hsp70 обладает низким сродством к белкам-мишеням и высокой скоростью обмена субстратов, в то время как его ADP-форма проявляет высокую аффинность к субстратам и демонстрирует низкую скорость их обмена. Двудоменные кошапероны Hsp40 (рис. 2) служат регуляторами АТР-азной и шапероновой активностей Hsp70. Связывание полипептидных субстратов-мишеней с Hsp70 опосредовано предварительным образованием комплексов мишень-кошаперон с участием С-концевого домена Hsp40 (а). На следующей стадии N-концевой J-домен Hsp40 взаимодействует с NB-доменом шаперона, а находящийся в вытянутой конформации специфический фрагмент белка-мишени (4-5 гидрофобных остатков, ограниченных основными аминокислотами) - с его SB-доменом (б). Связывание и высвобождение субстрата контролируется особым б-спиральным фрагментом Hsp70, функционирующим как «крышка» или «колпак». Положение крышки зависит от конформационных изменений в NB-домене шаперона, вызываемых связыванием и гидролизом АТР. Кошаперон Hsp40 влияет на этот цикл, стимулируя гидролиз нуклеотида шапероном Hsp70, в то время как взаимодействие фактора NEF с NB-доменом шаперона (в) способствует высвобождению ADP (г) и последующему связыванию АТР, что приводит к диссоциации белка-мишени и возобновлению цикла (д). Считается, что от 10 до 20% вновь синтезирующихся белков как в прокариотах, так и в эукариотах подвергаются правильному фолдингу с участием системы Hsp70-Hsp40-NEF.

Рис. 2

5. Шапероны 60

Многие высокомолекулярные белки, имеющие сложную конформацию, например доменное строение, осуществляют фолдинг в специальном пространстве, сформированном hsp60. Шаперонины (hsp60) - это двухкамерные бочкообразные структуры, сформированные двумя состыкованными олигомерными (обычно - гептамерными) кольцами Hsp60, которые способны на своих противоположных поверхностях попеременно связывать и инкапсулировать белки, подлежащие рефолдингу. При этом шаперонины узнают гидрофобные кластеры белковых мишеней, находящихся в состоянии «расплавленной глобулы» (molten globule) - промежуточном между нативным и развернутым состояниями белка, характеризующимся ослаблением взаимодействий между боковыми группами в аминокислотной цепи. Каждая субъединица hsp60 состоит из трех доменов: апикального (верхушечного, Ap), обогащенного гидрофобными радикалами, обращенными в полость кольца, содержащий общий центр связывания ненативных белков и кошаперонина; промежуточного (In) и экваториального (Eq), несущего АТФ-азный центр (Рис.3). Экваториальные домены обеспечивают большую часть межсубъединичных контактов как внутри гептамерного кольца, так и между кольцами шаперона. Взаимодействие экваториальных доменов двух колец приводит к образованию зеркально симметричного тороида с двумя изолированными гидрофобными полостями (транс-состояние колец), входные отверстия которых сформированы апикальными доменами. Субъединицы кошаперонина (М 10 кДа) также образуют циклический гептамерный куполообразный комплекс, способный прикрывать один из торцов тороида. Это приводит к значительным конформационным изменениям шаперонина, увеличению размеров полости и ее гидрофилизации (цис-состояние кольца).

Рис. 3 А- вид сбоку; Б - вид сверху

6. Шапероны 90

Hsp90 обеспечивает сохранение в условиях стресса структуры и свойств ряда белков, участвующих в различных сигнальных путях в клетке. Они являются основными компонентами комплексных систем, включающих как другие шапероны, так и многочисленную сеть разнообразных кошаперонов. Шапероны Hsp90, необходимые для выживаемости клеток, широко распространены в бактериях и эукариотах, но не обнаружены до сих пор в архебактериях. При нормальных условиях они играют основную роль в секреторных путях и внутриклеточном транспорте; в условиях стресса белки Hsp90 вовлекаются в клеточный цикл, мейоз и цитокинез. Hsp90-система участвует в конформационной регуляции и поддержании активности так называемых «клиентных» белков, которые подразделяются на три основные группы. Наибольшая группа включает протеинкиназы, другая представляет факторы транскрипции и ядерные рецепторы стероидных гормонов, в то время как последняя группа объединяет структурно неродственные белки, в том числе белки вирусной репликации (viral-replication) и внутриклеточные рецепторы, связанные с врожденным иммунитетом. Также вместе с Hsp70, шапероны Hsp90 стабилизируют вновь синтезированные белки, пребывающие в метастабильном состоянии, а также участвуют в сборке/разборке 8мультибелковых комплексов. Вместе с тем, полный объем клеточных функций и механизм действия Hsp90 до сих пор до конца не установлены. Субъединица шаперона Hsp90 построена из трех последовательно связанных доменов (рис. 4): N-концевого АТФ-связывающего (N-домен, ~25 кДа), центрального (М-домен, ~35 кДа), включающего каталитическую петлю с остатком аргинина, важным для гидролиза АТФ, и С-концевого (С-домен, ~20 кДа). Hsp90-белки в апоформе образуют «раскрытые» V-образные димеры за счет межсубъединичных контактов С-доменов. Связывание АТФ приводит к сближению субъединиц и возникновению контакта между N-доменами с образованием закрытой формы шаперона. AДФ-форма Hsp90 представляет собой «полураскрытый» V-димер. В аллостерические междоменные взаимодействия в шапероне вовлечены специфические куполоподобные фрагменты структуры - «крышки», локализованные в N-доменах и прикрывающие центры связывания АТФ, а также каталитические петли М-доменов. Регуляция функциональной активности Hsp90 осуществляется с помощью набора кошаперонов, которые могут связываться с разными доменами Hsp90.

Рис. 4

7. Шапероны Hsp100 и дезагрегация белков

Изменение условий среды (например, увеличение температуры или окислительный стресс) может приводить к такому изменению конформации клеточных белков, при котором гидрофобные аминокислотные остатки, погруженные внутрь белков в их нативных конформациях, экспонируются в клеточную среду, способствуя внутриклеточной агрегации белков. Выживание клетки обеспечивается повышением уровня синтеза белков группы Hsp100-шаперонов, участвующих в разрушении белковых агрегатов. Установлено, что в большинстве случаев дезагрегация белков осуществляется кооперативно действующей бишапероновой системой Hsp70-Hsp100, причем, конформационные свойства полипептидных мишеней, формирующих агрегаты, служат важнейшим фактором, определяющим необходимость участия шаперонов Hsp100 в процессе дезагрегации. Шапероны Hsp100 принадлежат к суперсемейству ААА+-белков (АТФ-аз, ассоциированных с различными клеточными активностями) - ферментов, использующих энергию гидролиза АТФ для конформационного ремоделирования связанных белковых мишеней, опосредованного их разворачиванием («анфолдазная» активность шаперонов Hsp100). ААА+-белки характеризуются наличием одного или двух специфических доменов (ААА+-модули) размером около 250 а.о., содержащих ряд областей высокой консервативности, а также структурно независимого экстрадомена, локализованного либо в N-концевой области белка, либо внутри его ААА+-модуля. Межсубъединичные взаимодействия ААА+-модулей приводят к образованию характерных для ААА+-белков кольцевых гексамерных, а иногда и гептамерных структур.

8. Малые Hsp-белки

Малые белки семейства Hsp (sHsps) широко представлены в клетках всех известных организмов. sHsps-шапероны не содержат нуклеотидсвязывающих центров. Они с высокой эффективностью связывают широкий набор клеточных белков в их ненативных конформациях, предотвращая тем самым агрегацию субстратов. В противоположность шаперонам других семейств каждый олигомер sHsp способен удерживать по нескольку ненативных белковых субстратов. Высвобождение белков-мишеней из комплексов с sHsps происходит в кооперации с АТР-зависимыми шаперонами, что позволяет рассматривать sHsp-белки в качестве «резервуаров» ненативных белков для их последующего рефолдинга. Среди всех групп молекулярных шаперонов sHsp-белки выделяются своим структурным разнообразием, но их общими отличительными признаками служат наличие в центральной части последовательности домена размером около 100 а.о. со структурой, характерной для б-кристаллина хрусталика глаза животных, а также существование в форме крупных олигомеров (от 12 до 24 субъединиц), построенных из димеров и имеющих консервативную структурную организацию, в виде сферического или дискообразного комплекса с пронизывающим его центральным каналом.

Олигомеры sHsps зачастую проявляют полидисперсность по степени олигомеризации и обладают способностью к быстрому обмену субъединиц, особенно выраженной при повышенных температурах, что рассматривается в качестве ключевого фактора в предотвращении агрегации белка в процессе тепловой денатурации. Недавние исследования показали, что sHsp-белки возможно вносят вклад и в поддержание целостности мембран, особенно, в условиях стресса.

9. Шапероны разных семейств в фолдинге белка

Функционирование шаперонов в клетках прокариот и эукариот не имеет принципиальных отличий. Совокупные пути шаперонзависимого фолдинга белка-мишени в клетке E. coli схематически представлены на рис. 5.

белок клетка полипептидный шаперон

Рис. 5

Высвобождающаяся из рибосомного туннеля полипептидная цепь встречается с TF-шапероном, а затем - с системой Hsp70 (DnaK-DnaJ-GrpE) (1), промотирующей фолдинг либо до нативного состояния (NP) (2), либо до белка в частично свернутой конформации (промежуточная форма IP) (3). Завершение фолдинга ненативного полипептида IP может происходить по двум направлениям: путем повторного взаимодействия с системой Hsp70 (4), которое может включать стадию стабилизации белка IP связыванием его с малыми белками теплового шока sHsps (4', 4”), или путем взаимодействия с системой шаперонина Hsp60 (GroEL-GroES) (5). Кроме того, белок IP может агрегировать (6) с образованием формы AgP (эта же форма может образоваться из нативного белка в условиях теплового стресса (7)-(6)) или подвергнуться энергозависимому протеолизу (8). Дезагрегация белка AgP Hsp100-шапероном ClpB в кооперации с системой Hsp70 (9) и последующий рефолдинг развернутого белка (UfP) завершает сворачивание мишени. Считается, что сворачивание белков небольших размеров может осуществляться котрансляционно с участием только фактора TF. Для фолдинга белков среднего размера (25-60 кДа) помимо фактора TF необходима система Hsp70 и, в ряде случаев, шаперонины Hsp60, функционирующие по цис-механизму. В формировании структуры крупных мультидоменных белков участвуют шапероны всех семейств, при этом взаимодействие 12шаперонинов Hsp60 с белком-мишенью происходит по транс-механизму.

Крайне важно подчеркнуть, что кооперация шаперонов разных семейств позволяет не только ремоделировать белки разного размера, но и преодолеть эффектКроме участия в формировании трехмерной структуры белков и ренативации частично денатурированных белков, шапероны также необходимы для протекания таких фундаментальных процессов, как сборка олигомерных белков, узнавание и транспорт в лизосомы денатурированных белков, транспорт белков через мембраны, участие в регуляции активности белковых комплексов.

Заключение

Механизм сворачивания полипептидных цепей в клетке с образованием функционально активных белков остается одной из центральных проблем молекулярной биологии. В настоящее время стало очевидным, что формирование уникальных пространственных структур значительной части вновь синтезированных полипептидных цепей и функциональных ассоциатов белков требует помощи шаперонов разных семейств. Однако степень интеграции между различными компонентами шапероновых ансамблей остается не до конца выясненной. Поэтому эта тема является актуальной для каждого из нас. Необходимо полностью изучить шапероны, для дальнейшей работы с ними.

Список литературы

1.Гришков М.В //Структурные и функциональные особенности шаперона GroEL.

2.Марченков В. В., Марченко Н. Ю., Марченкова С. Ю., Семисотнов Г. В. // Успехи биологической химии. - 2006.

3.Мельников Э.Э., Ротанова Т.В."Молекулярные шапероны" 2010г.

4.Северина Е.С."Биохимия" 2004

5.Fenton W. A., Horwich A. L., GroEL-mediated protein folding // Protein Sci. - 1997.

6.Lindquist S., Craig E.A., The heat-shock proteins // Annu. Rev. Genet. - 1988.

Размещено на Аllbest.ru