9.8
Accompagnatori molecolari e ripiegamento delle proteine
La conformazione nativa di una proteina è formata dalle interazioni tra le catene laterali degli amminoacidi che la costituiscono. Quando gli amminoac…
Poiché sono sintetizzati nella cellula, la maggior parte delle proteine non si ripiegano spontaneamente nella loro conformazione nativa, ma richiedono una classe speciale di proteine chiamate chaperones per aiutarle a ripiegarsi. Dei diversi tipi di chaperones molecolari, trovati nei procarioti e negli eucarioti, le due famiglie principali sono le proteine di shock termico Hsp70 e Hsp60. In una proteina correttamente ripiegata, i patches idrofobi sono nascosti all'interno.
In proteine malripiegate, i patches idrofobi sono esposti. Tali patches su diverse molecole proteiche possono legarsi l'uno all'altro portando ad un'aggregazione irreversibile di proteine. I chaperones riconoscono questi patches idrofobi esposti, e prevengono l'aggregazione proteica, facilitando il ripiegamento delle proteine.
Il meccanismo Hsp70 agisce spesso prima che la proteina lasci il ribosoma, con ogni monomero legato all'ATP, riconoscendo il più piccolo tratto di aminoacidi idrofobi sulla superficie proteica. Un insieme di proteine Hsp40 più piccole interagisce con questo complesso e innesca l'idrolisi dell'ATP. Di conseguenza, parti di Hsp70 si uniscono come morse, intrappolando la proteina dispiegata all'interno.
Successivamente, l'ATP lega di nuovo il complesso, inducendo la dissociazione di Hsp70 e rilasciando il polipeptide legato, lasciandogli una possibilità di ripiegare. Se la ripiegatura non avviene abbastanza rapidamente, il polipeptide può legarsi di nuovo, e il processo viene ripetuto fino a quando la proteina viene ripiegata nella sua conformazione nativa. In alternativa, un polipeptide completamente sintetizzato e parzialmente ripiegato può essere consegnato ad una chaperonina.
Le chaperonine sono grandi complessi proteici, a forma di barile che forniscono una camera isolata per la ripiegatura delle proteine, con una metà del barile simmetrico che opera su una proteina alla volta. In E.coli, il sistema di chaperonine è chiamato GroEL/GroES, mentre l'analogo eucariotico è chiamato Hsp60. Una proteina dispiegata viene catturata dalle interazioni idrofobiche alla superficie esposta dell'apertura.
Questo legame iniziale spesso aiuta a distendere una proteina malripiegata, una volta che la proteina è all'interno, il legame di ATP sigilla la camera con un cap. L'interno della camera è rivestito con superfici idrofile, dove la proteina può ripiegarsi in isolamento. L'idrolisi dell'ATP indebolisce il legame del cap, e il legame di ulteriori molecole di ATP, espelle il cap.
La proteina di substrato, che sia ripiegata o no, viene rilasciata dalla camera.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.