Белки - шапероны

ГБОУ ВПО Уральская  государственная медицинская академия

Министерство здравоохранения  и социального развития Российской Федерации

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

«Белки - шапероны»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                              Выполнила: студентка группы ОП  – 110

                                                        Беляева П. А.

                                              Преподаватель: Каминская Л. А.

 

Екатеринбург, 2013

Содержание:

1. Введение
2. История открытия
3. Свойства
4. Функции
5. Применение в медицине
6. Заключение
7. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Шапероны (англ. chaperones) —  класс белков, основная функция которых состоит в восстановлении правильной третичной структуры повреждённых белков, а также образование и диссоциация белковых комплексов. Термин «молекулярный шаперон» впервые был использован в 1978 году в работе Рона Ласкей, профессора эмбриологии из Кембриджского Университета при описании ядерного белка - нуклеоплазмина, способного предотвращать агрегирование белков - гистонов с ДНК при образовании нуклеосом. Шапероны есть во всех живых организмах, и механизм их действия, нековалентное присоединение к белкам и их «расплетение» с использованием энергии гидролиза АТФ также консервативен.

Термин шаперон используется в клеточной биологии применительно  к группе белков, предотвращающих  нежелательные контакты между другими  белками. Такие контакты могут оказаться  особенно опасными во время синтеза  белка – процесса, происходящего  в рибосомах клетки. Образующаяся в рибосоме цепочка из 20 различных  аминокислот находится в туннеле  и не появляется оттуда, пока не достигнет  определенной длины.

 

 

 

 

 

 

 

История открытия

В 1974 году Тиссиерес и соавт. впервые обнаружили, что в ответ на повышение температуры среды у личинок дрозофилы происходит активация синтеза специфической группы белков. Эта группа белков получила название белков теплового шока (heat shock proteins, Hsp). Позже было установлено, что синтез Hsp индуцируется не только при повышении температуры, но и при многих других неблагоприятных воздействиях, таких как добавление к клеткам органических растворителей, тяжелых металлов, сильных оксидантов, а также под влиянием некоторых гормонов и ростовых факторов. В связи с этим некоторые авторы называют Hsp стресс-белками.

Исследовательская группа во главе с профессором биохимии доктором Сабиной Росперт из Фрайбургского университета Альберта-Людвига изучает, как шапероны в конце туннеля рибосомы влияют на судьбу вновь синтезированных белков и как их функционирование координируется во времени и пространстве. В 2005 году группа профессора Росперт открыла шаперон ZRF1 в конце туннеля рибосом клеток человека. ZRF1 демонстрирует структурные характеристики, типичные только для белков, влияющих на структуру хроматина.

 

 

 

 

 

 

 

 

Классификация шаперонов

В соответствии с молекулярной массой все шапероны можно разделить на 6 основных групп:

- высокомолекулярные, с молекулярной массой от 100 до 110 кДа*;

- HsP-90 – с молекулярной массой от 83 до 90 кДа;

- HsP -70 – с молекулярной массой от 66 до 78 кДа;

- HsP -60;

- HsP -40;

- Низкомолекулярные шапероны с молекулярной массой от 15 до 30 кДа.

Среди шаперонов различают: конститутивные белки (высокий базальный синтез которых не зависит от стрессовых воздействий на клетки организма), и индуцибельные, синтез которых в нормальных условиях идёт слабо, но при стрессовых воздействиях на клетку резко увеличивается. Индуцибельные шапероны относятся к «белкам теплового шока», быстрый синтез которых отмечают практически во всех клетках, которые подвергаются любым стрессовым воздействиям. Название «белки теплового шока» возникло в результате того, что впервые эти белки были обнаружены в клетках, которые подвергались воздействию высокой температуры.

* кДа — атомная единица массы (обозначение а. е. м.), она же дальтон, внесистемная единица массы, применяемая для масс молекул, атомов, атомных ядер и элементарных частиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Свойства 

Шапероны  были обнаружены в клетках млекопитающих  и других организмов. Но что самое  удивительное — оказалось, что они  играют ключевую роль в функционировании биологическ их систем всех уровней — от отдельных клеток до организмов и даже целых популяций. Эти вездесущие белки являются самыми древними и консервативными среди всех белков. Считается даже, что они в какой-то степени руководят эволюционными процессами. Образуясь в условиях стресса (в частности при повышении температуры), HSP помогают клеткам поддерживать в рабочем состоянии все механизмы и избегать гибели. Десять лет назад биологи обнаружили, что у высших организмов, в том числе у человека, HSP выполняют и другие важные функции. Они участвуют в работе иммунной системы, защищая организм от патогенов, и в то же время предотвращают апоптоз раковых клеток. Для того чтобы понять, как можно использовать все многообразие свойств шаперонов на практике, следует разобраться в деталях их основной деятельности, которая заключается в «контроле качества» клеточных белков.

Такая деятельность имеет две стороны:

• предотвращение нежелательных белковых взаимодействий
• поощрение полезных, что обеспечивает образование прочных связей как между самими белками, так и между белка ми и их партнерами.

 

Молекулярными шаперонами сегодня называют группу белков, которые взаимодействуют  с развернутыми белками, стабилизируют  их или способствуют ненативным белкам принять нативную конформацию, однако не входят в состав конечной функционирующей структуры. Известно большое количество различных шаперонов, но все они обладают следующими свойствами:

• Все молекулярные шапероны способны связываться с развернутыми или частично развернутыми полипептидами. Связывание шаперонов с гидрофобными участками развернутых белков эффективно предотвращает агрегацию белков в клетке.
• Шапероны изменяют конформацию своих белковых субстратов. Одним из примеров этого является контролируемое разворачивание белка, которое, во-первых, создает связь между системой сворачивания белков в клетке и системой их деградации, а также может являться важным этапом сворачивания белка.
• Все шапероны способны к контролируемому высвобождению субстратов. Согласно законам термодинамики, связывание шаперона с гидрофобными участками молекулы субстрата стабилизирует состояние шаперона, характеризующееся высоким сродством к субстрату. Поэтому для высвобождения субстрата необходима энергия, которая, как правило, получается путем гидролиза ATP или при взаимодействии шаперонов с другими компонентами системы сворачивания белков в клетке.

 

 

 

 

 

 

 

 

Функции белков –  шаперонов

Шапероны разных семейств могут функционировать в разных компартментах клетки. Например, существуют различные члены семейства Hsp70, работающие в цитоплазме, митохондриях, хлоропластах и в эндоплазматическом ретикулуме. Для функционирования всех шаперонов требуется гидролиз ATP .

В эволюционном отношении Hsp относятся к высококонсервативным белкам и обнаруживаются во всех организмах от бактерий до человека. Это свидетельствует о том, что они выполняют фундаментальные клеточные функции. Как цитопротекторные свойства стресс - белков, так и их роль в процессах нормальной жизнедеятельности клетки во многом определяется тем, что эти белки являются шаперонами. Шапероны – это белки, которые облегчают формирование вторичной и третичной структуры других белков. Hsp также участвуют в процессах репарации или элиминации неправильно свернутых или денатурированных белков. Согласно современной классификации выделяют семь (в последнее время говорится даже о восьми) типов sHsp, которые разделяют либо по м.м., либо по выполняемым в клетке функциям. Различают малые Hsp (small Hsp, sHsp), а также высокомолекулярные Hsp110, 100, 90, 70, 60, 40. По характеру синтеза Hsp (подобно NO-синтазе) подразделяются на коститутивные и индуцибельные. Конститутивные Hsp синтезируются в клетке постоянно, и для их активации не требуется воздействия на клетку повреждающего фактора, т.е. синтез их при стрессе не увеличивается.

Синтез индуцибельных Hsp начинается вскоре после воздействия на клетку повреждающего агента. Данные, полученные in vivo, свидетельстствуют о том, что разделение Hsp на конститутивные и индуцибельные в человеческом организме достаточно условно, т.к. их синтез зависит от специализации и функциональной активности клеток. Каждый из охарактеризованных Hsp выполняет специфические функции. Так, белки семейства Hsp70 взаимодействуют с вновь синтезируемой на рибосомах полипептидной цепью, предотвращают преждевременное неправильное сворачивание незрелой полипептидной цепи и участвуют в транспорте белка к определенным органеллам (митохондриям, ЭПР и т.д.). Hsp100 очень близок Hsp70 и выполняет защитную функцию, предохраняя организм в условиях стресса. Hsp90 образуют сложный комплекс с несколькими вспомогательными белками - кошаперонами. Такой комплекс взаимодействует с рецепторами стероидных гормонов, обеспечивает их эффективное связывание с рецепторами и последующий перенос гормонрецепторного комплекса в ядро. Помимо этого, Hsp90 участвуют в направленном переносе нескольких типов протеинкиназ к участкам их функционирования. Hsp60 могут участвовать в фолдинге сложно устроенных многодоменных белков (таких как актин или тубулин), а также в АТФ - зависимом исправлении ошибок в структуре частично денатурированных белков. К последней группе белков теплового шока относятся sHsp, выполняющие множество разных функций в клетке. Известно, что накопление белковых агрегатов, являющееся результатом их неправильного сворачивания, сопровождает ряд заболеваний, таких как катаракта, цирроз печени, некоторые виды миопатий, губчатые энцефалопатии (болезнь Куру, болезнь Крейцфельда-Якоба), нейродегенеративные болезни и др. При болезни Паркинсона в клетках обнаруживаются так называемые тельца Леви, состоящие из sHsp и нейрофиламентов, а цирроз печени сопровождается накоплением телец Маллори, образованных кератиновыми филаментами и sHsp. Зачастую агрегаты неправильно свернутых белков образуют β-амилоидные структуры, которые очень устойчивы к протеолизу и не могут быть удалены из клетки. Агрегаты белков, накапливающиеся внутри клетки или в межклеточном пространстве, невыясненным пока механизмом оказывают повреждающее влияние и приводят к гибели клеток. Детальное исследование взаимодействия sHsp с белками промежуточных филаментов может дать ключ к пониманию молекулярных механизмов развития вышеперечисленных заболеваний. Повышенный синтез sHsp наблюдается не только в клетках, в которых происходит накопление нерастворимых белковых агрегатов, но и в клетках, подвергшихся воздействию различных неблагоприятных факторов.Особое внимание уделяется проблеме неспецифического ответа клетки на повреждение, так как предполагается, что между стресс-контролем и контролем роста и дифференцировки клеток существуют тесные взаимосвязи. Hsp участвуют в формировании явления перекрестной резистентности и феномена адаптационной стабилизации структур, в восстановлении нативной конформации белковых молекул, в восстановлении активности ферментов и, наконец, они взаимодействуют с антиоксидантной системой и системой генерации оксида азота. Система Hsp является одним из обязательных звеньев неспецифического ответа клетки на повреждение, и в организме человека эта система находится под нейрогуморальным контролем. Было доказано, что Hsp опосредуют действие глюкоминералокортикоидов и половых гормонов. В настоящее время кортикостероидам придается решающее значение в координации взаимодействия эндокринной и иммунной систем при стрессе. Поэтому участие отдельных Hsp в рецепции кортикостероидов и стероидогенезе может предопределять связь между внутриклеточной эндогенной системой защиты, к которой относится система Hsp и центральным звеном общего адаптационного синдрома при стрессе.• Hsp, как шапероны, участвуют в синтезе гликопротеинов, к которым относится тиреоглобулин, причем механизмы стрессорной активации синтеза белков теплового шока характеризуются высокой тканевой специфичностью.

Шапероны, кроме своей основной функции - укладки белков, осуществляют и много других важных функций, связанных с изменением конформации белков, а именно:

 

- Транспорт многих белков  из одного компартмента в другой, например, перенос субъеденицы фермента Rubisco из цитоплазмы в хлоропласт происходит при участии шаперона Hsp70, который находится с ним в комплексе

- Участие в сигнальных  путях. Например, присутствие Hsp70 необходимо для активации фосфатазы,  которая путем дефосфорилирования ингибирует протеинкиназу JNK , компонент сигнала стресс-индуцированного апоптоза , т.е. Hsp70 является частью антиапоптозного сигнального пути

 

- Регуляция функций различных  молекул. Например, стероидный рецептор , находящийся в цитоплазме, связан с Hsp90;  лиганд, попадающий в цитоплазму, присоединяется к рецептору и вытесняет шаперон из комплекса. После этого комплекс рецептор-лиганд приобретает способность связываться с ДНК, мигрирует в ядро и осуществляет функцию транскрипционного фактора

 

Способность белка изменять свою конформацию с "нормальной" на "прионную", и в результате этого участвовать в образовании упорядоченных белковых агрегатов - ключевой момент в прионообразовании. Исходя из этого, можно предполагать влияние клеточных шаперонов ( белков теплового шока ) на кинетику данного процесса.

Шапероны представлены семействами, состоящими из гомологичных по строению и функциям белков, которые отличаются по характеру экспрессии и присутствию в разных компартментах клетки. Например, Hsp70, Hsp60, Hsp90, Hsp100 и их кошапероны (белки, помогающие шаперонам осуществлять свою функцию более эффективно), а также гомологичные им белки, например белок, связывающийся с тяжелой цепью иммуноглобулинов ( BiP). Шапероном является также ядерный нуклеоплазмин , обеспечивающий сборку нуклеосом .

Основные шапероны млекопитающих и дрожжей структурно и функционально очень похожи между собой.

 

У дрожжей имеется шаперон, который не встречается у млекопитающих, - Hsp104 , относящийся к семейству Hsp100. Этот шаперон особо важен для прионных белков дрожжей, поскольку осуществляет расщепление прионных полимеров и, в конце концов, их частичную конверсию в мономерную форму.

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение в  медицине

Несмотря на многочисленные исследования и несомненные успехи, проблема молекулярных аспектов формирования плацентарной недостаточности (ПН) остается весьма актуальной. Появляются новые сведения о роли дискретных изменений экспрессии плацентарных белков различных категорий в развитии функциональной недостаточности плаценты. В последнее время большое внимание в молекулярной биологии и медицине уделяется белкам-шаперонам, обеспечивающим правильное сворачивание (фолдинг) белка в клетке, формирование и поддержание его нативной структуры, рефолдинг в случае «неправильного» фолдинга, транспорт синтезированного белка к месту его функционирования, а также предотвращение агрегации белков. Нарушение функции шаперонов может приводить к развитию патологических состояний, поэтому изучение их динамики, состава и роли в биохимических процессах клетки важно для понимания молекулярных основ патогенеза и методов диагностики осложненной беременности.