9.8
Białka opiekuńcze i zwijanie białek
Konformacja białka powstaje w wyniku interakcji pomiędzy łańcuchami bocznymi wchodzących w jej skład aminokwasów. Kiedy aminokwasy nie mogą tworzyć ta…
Ponieważ są one syntetyzowane w komórce, większość białek nie składa się spontanicznie do swojej natywnej konformacji, ale wymaga specjalnej klasy białek zwanych białkami opiekuńczymi, aby pomóc je w ich składaniu.
Spośród kilku typów molekularnych białek opiekuńczych występujących u prokariontów i eukariontów, dwie główne rodziny to białka szoku cieplnego - hsp70 i hsp60.
W prawidłowo sfałdowanym białku hydrofobowe plamy są zakopane we wnętrzu.
W nieprawidłowo sfałdowanych białkach odsłaniają się plamy hydrofobowe. Takie łaty na różnych cząsteczkach białka mogą wiązać się ze sobą, prowadząc do nieodwracalnej agregacji białek.
Białka opiekuńcze rozpoznają te odsłonięte hydrofobowe plamy i zapobiegają agregacji białek, ułatwiając fałdowanie białek.
Maszyneria hsp70 często działa, zanim białko opuści rybosom, przy czym każdy monomer związany z ATP rozpoznaje niewielki odcinek hydrofobowych aminokwasów na powierzchni białka.
Zestaw mniejszych białek hsp40 oddziałuje z tym kompleksem i wyzwala hydrolizę ATP. W rezultacie, części hsp70 łączą się jak szczęki, zatrzymując w środku niesfałdowane białko.
Następnie ATP ponownie wiąże kompleks, indukując dysocjację hsp70 i uwalniając związany polipeptyd, dając mu szansę na ponowne fałdowanie. Jeśli fałdowanie nie nastąpi wystarczająco szybko, polipeptyd może ponownie się związać, a proces jest powtarzany, aż białko zostanie złożone do swojej natywnej konformacji.
Alternatywnie, w pełni zsyntetyzowany i częściowo sfałdowany polipeptyd może zostać dostarczony do chaperoniny.
Białka opiekuńcze to duże kompleksy białkowe w kształcie beczki, które zapewniają izolowaną komorę do fałdowania białek, przy czym jedna połowa symetrycznej beczki działa na białko klienta na raz.
U E. coli układ opiekuńczy nazywa się GroEL/GroES, podczas gdy jego eukariotyczny analog nazywa się Hsp60.
Nieprawidłowo sfałdowane białko jest wychwytywane przez oddziaływania hydrofobowe z odsłoniętą powierzchnią otworu. To początkowe wiązanie często pomaga w rozwinięciu nieprawidłowo sfałdowanego białka.
Gdy białko znajdzie się w środku, wiązanie ATP uszczelnia komorę za pomocą czapeczki.
Wnętrze komory wyłożone jest powierzchniami hydrofilowymi, na których białko może się składać w izolacji.
Hydroliza ATP osłabia wiązanie czapeczki, a wiązanie dodatkowych cząsteczek ATP powoduje wyrzucenie czapeczki.
Białko substratu, pofałdowane lub nie, jest uwalniane z komory.
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.