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Molekulare Chaperone und Protein-Faltung
Die native Konformation eines Proteins entsteht durch Interaktionen zwischen den Seitenketten seiner Aminosäuren. Wenn die Aminosäuren diese Interakti…
Da sie in der Zelle synthetisiert werden, falten sich die meisten Proteine nicht spontan in ihre natürliche Konformation, sondern benötigen eine spezielle Klasse von Proteinen, die Chaperone, um sie zu falten.
Von den verschiedenen Arten von molekularen Chaperonen, die in Prokaryoten und Eukaryoten vorkommen, sind die beiden Hauptfamilien die Hitzeschockproteine hsp70 und hsp60.
In einem korrekt gefalteten Protein sind hydrophobe Flecken im Inneren vergraben.
In fehlgefalteten Proteinen sind hydrophobe Flecken freigelegt. Solche Flecken auf verschiedenen Proteinmolekülen können sich aneinander binden, was zu einer irreversiblen Proteinaggregation führt.
Chaperone erkennen diese freiliegenden hydrophoben Flecken und verhindern die Proteinaggregation, wodurch die Faltung der Proteine erleichtert wird.
Die hsp70-Maschinerie wirkt oft, bevor das Protein das Ribosom verlässt, wobei jedes ATP-gebundene Monomer einen kleinen Abschnitt hydrophober Aminosäuren auf der Oberfläche eines Proteins erkennt.
Eine Reihe kleinerer hsp40-Proteine interagiert mit diesem Komplex und löst die ATP-Hydrolyse aus. Infolgedessen kommen Teile von hsp70 wie Kiefer zusammen und schließen das entfaltete Protein im Inneren ein.
Als nächstes bindet ATP den Komplex erneut, induziert die Dissoziation von hsp70 und setzt das gebundene Polypeptid frei, wodurch es die Möglichkeit hat, sich wieder zu falten. Wenn die Faltung nicht schnell genug erfolgt, kann das Polypeptid erneut binden, und der Vorgang wird wiederholt, bis das Protein in seine native Konformation gefaltet ist.
Alternativ kann ein vollständig synthetisiertes und teilweise gefaltetes Polypeptid an ein Chaperonin abgegeben werden.
Chaperonine sind große, tonnenförmige Proteinkomplexe, die eine isolierte Kammer für die Proteinfaltung bieten, wobei jeweils eine Hälfte des symmetrischen Zylinders auf ein Client-Protein wirkt.
In E. coli wird das Chaperonin-System GroEL/GroES genannt, während sein eukaryotisches Analogon Hsp60 genannt wird.
Ein fehlgefaltetes Protein wird durch hydrophobe Wechselwirkungen mit der freiliegenden Oberfläche der Öffnung eingefangen. Diese anfängliche Bindung hilft oft, ein falsch gefaltetes Protein zu entfalten.
Sobald sich das Protein im Inneren befindet, versiegelt die ATP-Bindung die Kammer mit einer Kappe.
Das Innere der Kammer ist mit hydrophilen Oberflächen ausgekleidet, auf denen sich das Protein isoliert falten kann.
Die ATP-Hydrolyse schwächt die Bindung der Kappe und die Bindung zusätzlicher ATP-Moleküle stößt die Kappe aus.
Das Substratprotein, ob gefaltet oder nicht, wird aus der Kammer freigesetzt.
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Q1: Why do proteins need molecular chaperones to fold correctly?
Most proteins cannot fold spontaneously into their native conformation as they are synthesized. Chaperones recognize exposed hydrophobic patches on unfolded proteins that would otherwise bind to other protein molecules, causing irreversible aggregation. By stabilizing unfolded or partially folded polypeptides, chaperones prevent misfolding and aggregation, allowing proteins to reach their correct three-dimensional structure.
Q2: What are the two major families of molecular chaperones?
The two major families of molecular chaperones are heat shock proteins hsp70 and hsp60. Hsp70 often acts while the protein is still being synthesized on the ribosome, recognizing hydrophobic amino acid stretches and trapping unfolded proteins. Hsp60, also called chaperonins, are large barrel-shaped complexes that provide an isolated chamber where proteins can fold in a protected environment away from other cellular proteins.
Q3: How does the hsp70 chaperone system work during protein synthesis?
The hsp70 machinery recognizes small stretches of hydrophobic amino acids on a protein's surface while it remains attached to the ribosome. Hsp40 proteins trigger ATP hydrolysis, causing hsp70 to clamp around the unfolded protein like jaws. When ATP rebinds, hsp70 releases the polypeptide, allowing it to attempt folding. If folding fails, the cycle repeats until the protein achieves its native conformation.
Q4: What happens inside a chaperonin barrel during protein folding?
A misfolded protein enters the chaperonin barrel through hydrophobic interactions at the opening, which often helps unfold the protein further. ATP binding seals the chamber with a cap, creating an isolated environment lined with hydrophilic surfaces. The protein folds in this protected space away from other cellular proteins. ATP hydrolysis and additional ATP binding eventually eject the cap and release the substrate protein.
Q5: How do chaperones assist with multi-subunit protein assembly?
Chaperones play a critical role in assembling complex proteins comprising multiple polypeptide chains. Each subunit must be correctly folded individually, then assembled in a specific manner. Chaperones stabilize unassociated components while other parts of the protein undergo assembly, ensuring proper folding and correct spatial arrangement of all subunits in the final protein complex.
Q6: Can chaperones help proteins cross cellular membranes?
Yes, chaperones stabilize partially unfolded polypeptides during transport across subcellular membranes, such as during mitochondrial protein import from the cytosol. Partially unfolded conformations are easier to transport across membranes than fully folded proteins. Chaperones maintain these unfolded states during transit, then facilitate proper refolding once the protein reaches its destination organelle.
Q7: Does a protein's amino acid sequence determine its final folded structure?
Yes, the native conformation of a protein is determined solely by its amino acid sequence through interactions between side chains of constituent amino acids. Chaperones do not provide additional folding information; they catalyze the folding process without becoming part of the final protein. The amino acid sequence contains all the information needed for correct folding, and chaperones simply stabilize intermediates to prevent misfolding or aggregation.