9.8:

9.8: Molekulare Chaperone und Proteinfaltung

Molecular Chaperones and Protein Folding

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Molecular Biology

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Molecular Chaperones and Protein Folding

9.7: Nonsense-mediated mRNA Decay

9.9: The Proteasome

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03:00 min

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November 23, 2020

Overview

The native conformation of a protein is formed by interactions between the side chains of its constituent amino acids. When the amino acids cannot form these interactions, the protein cannot fold by itself and needs chaperones. Notably, chaperones do not relay any additional information required for the folding of polypeptides; the native conformation of a protein is determined solely by its amino acid sequence. Chaperones catalyze protein folding without being a part of the folded protein.

The unfolded or partially folded polypeptides, which are often intermediates in the folding pathway, are stabilized by chaperones, leading to the final correctly folded state. Without chaperones, the unfolded or partially folded polypeptides may misfold or form insoluble aggregates. This is particularly observed in proteins in which the carboxy or C-terminus is required for the correct folding of the amino or N-terminus. In such cases, a chaperone can bind and stabilize the N-terminal part of the polypeptide in an unfolded conformation until the rest of the peptide chain is synthesized and the whole protein can fold correctly.

Chaperones can also stabilize unfolded polypeptide chains as they are transported into subcellular organelles. For instance, during the transfer of proteins into the mitochondria from the cytosol, it is easier for partially unfolded conformations to be transported across the mitochondrial membrane. During the transport, the partially unfolded polypeptides are stabilized by chaperones.

Additionally, chaperones play an important role in the assembly of proteins that have a complex structure, such as multi-subunit proteins. These proteins comprise multiple polypeptide chains – each of which needs to be correctly folded and then assembled in a specific manner. In the processes involved, chaperones assist in protein folding and the stabilization of unassociated components while other parts of the protein are undergoing assembly.

Transcript

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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Tags

Molekulare Chaperone Proteinfaltung Hitzeschockproteine Hsp70 Hsp60 Hydrophobe Pflaster Proteinaggregation ATP-gebundenes Monomer Hsp40-Proteine ATP-Hydrolyse entfaltetes Protein Polypeptid Native Konformation