Инфекционно-аутоиммунно-воспалительная гипотеза патогенеза атеросклероза Белки теплового шока Белки теплового шока (или шапероны) являются олигомерными белками, которые помогают сворачиванию нативных или денатурированных. Потому что белки теплового шока уже не первое десятилетие изучаются учеными во всем мире. Инфекционно-аутоиммунно-воспалительная гипотеза патогенеза атеросклероза Белки теплового шока Белки теплового шока (или шапероны) являются олигомерными белками, которые помогают сворачиванию нативных или денатурированных. Белки теплового шока утилизируют старые белки в составепротеасомыи помогат корректно свернуться заново синтезированным белкам. Малые белки теплового шока – очень большая и гетерогенная группа, объединяющая в своем составе белки с молекулярными мас сами от 12 до 43 кДа.
БЕЛКИ́ ТЕПЛОВО́ГО ШО́КА
| Белок теплового шока - Heat shock protein | Hsp70 относится к классу белков теплового шока, которые есть в клетках всех живых организмов. |
| Тепловой шок и старение - | Тепловой шок и другие стрессорные воздействия наполняют клетку аномальными белками, на что шапероны реагируют связыванием этих белков и высвобождением фактора транскрипции теплового шока-1 (Hsf1). |
«Это не то лекарство, которое поднимет Лазаря»: правда о разработке «от всех видов рака»
Таким образом, неспособность нейронов регулировать собственную систему протеома вследствие ослабления молекулярных механизмов конформационного контроля белков и дисфункции системы утилизации белков, лежит в основе патогенеза конформационных заболеваний. Это открывает перспективу выяснения нейропротективных свойств шаперонов при протеасомной дисфункции, типичной для патогенеза конформационных заболеваний. К настоящему моменту накопилось достаточно фактов, что члены семейств HSP70 и sHSPs способны проявлять защитные эффекты в моделях нейродегенеративных патологий [ 38 , 39 ]. Рассмотрим основных представителей этих семейств. Данное семейство включает в себя несколько членов, различных по функциям и локализации в клетке: конститутивно экспрессируемый Hsс70, индуцируемый Hsp70, митохондриальный mtHsp70, глюкозо-регулируемый белок ЭПР Grp78. Основной функцией HSP70 в клетке является осуществление конформационного контроля на всех этапах жизни белка-клиента. HSP70 участвуют в фолдинге новосинтезированных полипептидов, рефолдинге белков с неверной структурой, разрушении старых или мутантных белков в УПС и лизосомах, растворении белковых олигомеров и агрегатов [ 40 ]. Все эти функции связаны со способностью HSP70 узнавать гидрофобные участки, экспонированные на поверхности поврежденных белков, и подвергать белки-клиенты АТФ-зависимому циклу связывания и высвобождения.
Такие циклы позволяют коротким молекулам с высокой скоростью фолдинга принять правильную конформацию. Более длинные молекулы могут повторно связываться с HSP70, что предотвращает их агрегацию [ 9 ]. Кошапероны модулируют активность шаперонов, регулируя их АТФазную активность и влияя на взаимодействие с белками-мишенями. Так, кошаперон с J-доменом Hsp40 первым узнает неправильно сложенные полипептиды, передает их Hsp70 и запускает гидролиз АТФ [ 42 ]. TRP-содержащий кошаперон CHIP является убиквитин-лигазой и метит для протеолиза в протеасоме субстраты, эффективный фолдинг которых невозможен [ 44 ]. Индуцируемый белок теплового шока Hsp70, находящийся в цитоплазме, является одним из наиболее распространенных белков в клетке. О его важной роли в поддержании нормальной жизнедеятельности клеток и целого организма говорит эволюционная консервативность его аминокислотной последовательности и обнаружение практически во всех живых организмах на Земле [ 45 ].
Hsp70 является классическим шапероном, способным связывать неправильно свернутые белковые молекулы и придавать им правильную конформацию с использованием энергии АТФ. Многочисленные исследования показывают, что Hsp70 способен связывать разнообразные патологические белки с нарушенной конформацией, возникающие при развитии нейродегенеративных заболеваний, и облегчать их рефолдинг. Кроме этого, Hsp70 вступает в белок-белковое взаимодействие с некоторыми везикулярными белками и ферментами, а также способен модулировать ГАМК- и аденозин-связанные процессы в головном мозге [ 49 — 51 ]. Являясь полифункциональным белком, Hsp70 вовлекается в молекулярные механизмы регуляции сна и температурного гомеостазиса, судорожной активности, воспалительных и иммунных реакций, эмоционального поведения [ 49 , 52 — 56 ]. Конститутивный цитоплазматический член семейства HSP70 — белок Hsc70 — выполняет множество функций, связанных с поддержанием нормальной жизни клетки. Hsc70 осуществляет фолдинг новосинтезированных полипептидов в цитоплазме, помогая принять функционально-активную структуру огромному разнообразию белков [ 57 ]. Hsc70 способен выступать челноком между цитоплазмой и ядром и с помощью АТФ транспортировать белки между этими компартментами [ 58 ].
Недостаточное содержание Hsc70 в цитоплазме останавливает процесс убиквитинирования белков с нарушенной структурой и затрудняет их последующую протеасомную деградацию [ 59 ]. Немаловажную роль Hsc70 играет в процессах шаперон-опосредованной аутофагии, ведь именно он направляет неправильно свернутые белки в лизосомы для деградации. В случае если в клетке присутствуют белковые агрегаты или поврежденные органеллы, Hsc70 запускает процесс их селективной макроаутофагии в фагосомах [ 60 ]. Помимо участия в процессах фолдинга и деградации белков, Hsc70 играет роль в процессах клатрин-опосредованного эндоцитоза, презентации антигена, регуляции гематопоэза и других физиологических функций клетки и целого организма [ 45 ]. Grp78 отвечает за фолдинг и рефолдинг белков, поступающих в ЭПР, контролирует кальциевый баланс клетки. Важной функцией Grp78 является его участие в запуске реакции, известной как стресс ЭПР unfolded protein response , вызываемой накоплением в клетке поврежденных белков с открытыми гидрофобными сайтами в результате действия различных стрессорных факторов [ 61 ]. Развитие стресса ЭПР характеризуется увеличением экспрессии Grp78 и Grp94 член семейства HSP90 , участвующих в ремонте поврежденных белков, подавлении процесса трансляции и запуске деградации поврежденных белков при участии УПС [ 62 ].
Таким образом, стресс ЭПР может рассматриваться как защитная реакция, направленная на восстановление нормальных функций белков, работающих в ЭПР. Сигналами для активации шаперона-резидента митохондрий mtHsp70 или морталина являются недостаток глюкозы, нарушение баланса кальция и тиреоидных гормонов. Функции морталина не ограничиваются его вовлечением в разнообразные базовые процессы, происходящие в митохондриях, в частности, фолдингом новосинтезированных митохондриальных пре-протеинов, а включают также импорт и экспорт белковых молекул в различных клеточных компартментах, процессинг антигенов, интернализацию рецепторов, ингибирование процесса апоптоза. В условиях клеточного стресса морталин способен взаимодействовать с белком-активатором апоптоза p53 и инактивировать его [ 63 ]. Функционально активная форма mtHsp70 должна быть фосфорилирована по определенным сайтам, и нарушения процесса правильного фосфорилирования этого шаперона связывают с развитием БА и других конформационных заболеваний [ 64 ]. В человеческом геноме идентифицировано 10 членов этого семейства, которые разделены на два класса в соответствии с их свойствами и функциями. Эти белки являются стресс-индуцируемыми и играют большую роль в выживании клеток при действии стрессорных стимулов [ 65 ].
Так, Hsp27 образует стабильные димеры, которые, в свою очередь, могут агрегировать и формировать нестабильные олигомеры с большой молекулярной массой [ 67 ]. Эффективность олигомеризации зависит от физиологических условий, в которых находится клетка: стресс например, тепловой шок приводит к увеличению степени фосфорилирования Hsp27, что активирует процесс его олигомеризации. Вероятно, степень олигомеризации определяет шаперонную активность: крупные олигомеры обладают высокой шаперонной активностью, в то время как димеры совсем ее не имеют [ 68 ]. Шаперонная активность малых белков теплового шока увеличивается при возрастании температуры окружающей среды [ 69 ]. Существует два типа взаимодействия этих шаперонов с неправильно свернутыми белками — обратимая относительно слабая связь, помогающая субстрату принять нативную конформацию, и необратимое взаимодействие, позволяющее сохранить предшественники белковых агрегатов в растворимом состоянии [ 70 ]. Взаимодействие sHSPs с белком-клиентом определяет судьбу последнего — фолдинг или протеолиз посредством аутофагии или протеасомной деградации.
Это бесплатно. Также можете поискать нужную информацию в похожих вопросах на этой странице или через страницу поиска по сайту. Мы будем очень благодарны, если Вы порекомендуете нас своим друзьям в социальных сетях.
Эти данные, в основном, получены при изучении стрессовых воздействий на клетки [2], а также при ряде заболеваний и травматических повреждениях клеток и тканей [5, 6].
Механизм секреции БТШ70 является недостаточно изученным на сегодняшний момент. Известно, что БТШ не способны использовать классический путь секреции белков. БТШ70, например, не содержит N-концевого лидерного пептида, необходимого для котрансляционного транспорта секреторных белков в ЭПР и далее — в аппарат Гольджи. Hsp96 БТШ 90-го семейства , являющийся резидентным белком ЭПР, содержит лидерный пептид, необходимый для транслокации белка в ЭПР, однако наличие «заякоривающей» аминокислотной последовательности предотвращает его секрецию в экстраклеточное пространство [8]. В литературе встречаются противоречивые данные, касающиеся механизмов секреции БТШ70. Показано, что некоторые клеточные линии секретируют БТШ70 по неклассическому пути в составе секреторных везикул. Анализируя литературные данные, можно заключить, что конкретные механизмы неклассической секреции могут быть видо- или ткане-специфическими. В работе, проведенной на одноядерных клетках крови человека, показано, что секреция БТШ70 осуществляется в составе экзосом [10]. Другой исследовательской группой продемонстрировано, что перевиваемые клетки аденокарциномы простаты секретируют БТШ70 посредством лизосом, но не экзосом [2]. О секреции hsp96 в литературе практически нет данных.
Ранее мы показали, что клетки фибробластов ВНК-21 секретируют hsp96 в обход классического пути [11]. Цель настоящей работы заключалась в исследовании механизмов секреции hsc73, hsp72 конститутивная и индуцибельная изоформа БТШ70, соответственно и hsp96 опухолевыми клетками перевиваемых клеточных линий А172 глиобластома человека и НТ1080 фибросаркома человека. После этого клетки отмывали и культивировали в среде DMEM без сыворотки. По истечению инкубационного периода культуральную среду отбирали, центрифугировали 400 g в течение 5 мин и затем при 10000 g в течение 30 мин и концентрировали с использованием центрифужных концентрирующих систем Amicon Amicon Ultra-4 mL, 30 kDa. Содержание БТШ определяли в образцах сконцентрированных сред методом иммуноблоттинга.
Поскольку речь идёт о получении белка для особого класса нейропротекторных препаратов, учёные рассчитали, что достаточно ограничиться его получением от кролика. В этом объёме может содержаться от 1,5 до 3 граммов белка на литр, соответственно до 15 граммов с кролика. В случае масштабирования такого биореактора мы можем выйти на достаточное количество белка для индустриального партнёра на кроличьем стаде в несколько сотен голов. А проект предполагает создание экспериментального стада в 20 голов, на котором мы можем показать эффективность технологии, — констатировал Алексей Васильевич. Немаловажным при выборе животного стал и тот факт, что индустриальный партнёр научно-образовательного центра «Инновационные решения в АПК» — опытно-экспериментальный завод «ВладМиВа» — за два года сотрудничества с НОЦ освоил полный цикл переработки кроличьего молока, включая процесс дойки, и, как заявил технический директор АО «ОЭЗ «ВладМиВа» Андрей Бузов, в случае достойной разработки и эффективного результата предприятие готово принять материал на своей площадке.
Подводя итоги, руководитель НПП «Селекционно-генетические исследования, клеточные технологии и генная инженерия» Ирина Донник, опираясь на собственный опыт по геномному редактированию крупного рогатого скота, рекомендовала команде разработчиков учесть все риски и пересмотреть заявленные сроки реализации второго этапа проекта в сторону увеличения по времени.
«Это не то лекарство, которое поднимет Лазаря»: правда о разработке «от всех видов рака»
Белки теплового шока в этой ситуации выступают не только как шапероны, но и как потенциальные антиоксиданты. ность и сложность состава низкомолекулярных (15—30 кДа) полипептидов, негомологичных соответствующим БТШ других организмов. Ключевые слова: белки теплового шока, метаболический синдром, сахарный диабет 2-го типа, малые белки теплового шока, полиморфизм, сердечно-сосудистые заболевания.
Антитела к белку теплового шока Chlamydia trachomatis (Anti-cHSP60), IgG
Hromadnikova I. Indian J. Kim Y. Molecular chaperone functions in protein folding and proteostasis. Mardan-Nik M.
Association of heat shock protein70-2 HSP70-2 gene polymorphism with obesity. Mian M. Innate immunity in hypertension. Park K.
Endothelial dysfunction: Clinical implications in cardiovascular disease and therapeutic approaches. Korean Med. Pockley A. Circulating heat shock protein and heat shock protein antibody levels in established hypertension.
Serum heat shock protein 70 levels predict the development of atherosclerosis in subjects with established hypertension. Hypertension, 2003, Vol. Poon P. Pryshchep O.
Vessel-specific toll-like receptor profiles in human medium and large arteries. Circulation, 2008, Vol. Schlesinger M. Heat shock proteins.
Влияние бани на продолжительность жизни усиливается применением бани в дни голода, так как аутофагия переваривание организмом внутриклеточного мусора это тоже сильнейший инструмент, для востановления, оздоровления и омоложения организма. Посещать парную нужно минимум в 3 подхода по 15 минут между ними должен быть интервал в 30 минут Еще пост про баню Для посещения бани есть противопоказания.
Препарат «Белок теплового шока» был разработан на основе уникальной молекулы, которую «вырастили» в космосе. Андрей Симбирцев: «Дело в том, что для рентгеноструктурного анализа действия белка необходимо сформировать из него сверхчистый кристалл, однако в условиях земного притяжения получить его невозможно — белковые кристаллы растут неравномерно. Мы упаковали сверхчистый белок в капиллярные трубочки и отправили их на МКС. За шесть месяцев полета в трубочках сформировались идеальные кристаллы, которые были спущены на землю и проанализированы в России и Японии». По словам Уйбы, в мире «давно бьются вокруг этого белка, но мы первыми получили кристалл в космосе, и нужно воспользоваться этим преимуществом».
В ответ на тепловой шок или другой стресс, Hsp70 отсоединяется от HSF и начинает укладывать денатурированные белки. HSF собирается в тримеры, у него появляется ДНК связывающая активность, он аккумулируется в ядре и связывается с промотором. При этом транскрипция шаперонов в клетке возрастает во много раз.
После того, как стресс прошел, освободившийся Hsp70 опять присоединяется к HSF, который при этом теряет ДНК-связывающую активность и все возвращается в нормальное состояние. Аналогичным образом все происходит и при других стрессах. Согласно современной классификации, в основу которой положены различия в молекулярных массах, выделяют пять основных классов шаперонов Hsp : Hsp100, 90, 70, 60 и малые Hsp small Hsp, sHsp.
Каждый из этих классов белков теплового шока выполняет характерные функции. Белки семейства Hsp60 могут участвовать в фолдинге сложно устроенных много доменных белков таких как актин или тубулин , а также в АТР-зависимом исправлении ошибок в структуре частично денатурированных белков [8]. Hsp90 образуют сложный комплекс с шаперонами.
Такой комплекс взаимодействует с рецепторами стероидных гормонов, обеспечивает эффективное связывание гормона с рецепторами и последующий перенос гормон-рецепторного комплекса в ядро. Помимо этого, белки класса Hsp90 участвуют в направленном переносе нескольких типов протеинкиназ к участкам их функционирования [5]. К последней группе белков теплового шока относятся Hsp с малыми молекулярными массами sHsp — small heat shock proteins — малые белки теплового шока, выполняющие множество разных функций в клетке.
По данным ряда авторов окислительный стресс сопровождается усиленным синтезом sHsp [9]. В настоящее время большая часть исследователей склоняется к заключению, что sHsp защищают клетку от окислительного шока, хотя в литературе высказывается и противоположная точка зрения.
В ожидании чуда
Инфекционно-аутоиммунно-воспалительная гипотеза патогенеза атеросклероза Белки теплового шока Белки теплового шока (или шапероны) являются олигомерными белками, которые помогают сворачиванию нативных или денатурированных. Белки теплового шока также синтезируются у D. melanogaster во время восстановления после длительного воздействия холода в отсутствие теплового шока. Шаперонная функция белков теплового шока осуществляется не только в процессе биогенеза других белков, но и при иммунном ответе на антигены. Белки теплового шока способны эффективно стимулировать врожденный и адаптивный противоопухолевый иммунный ответ организма. Патогенетические механизмы формирования хгрс, реализуемые белком теплового шока HSP-70 и аутоантителами к нему. В результате была подтверждена эффективность уже известных геропротекторов, включая иммунодепрессант рапамицин, а также двух новых, монордена и танеспимицина, принадлежащих к группе ингибиторов белка теплового шока 90 (Hsp90).
Использование инфракрасной сауны и белков теплового шока
| EMFace: влияние белков теплового шока на ремоделирование миофасциального каркаса | Белки теплового шока (англ. HSP, Heat shock proteins) — это класс функционально сходных белков, экспрессия которых усиливается при повышении температуры или при других стрессирующих клетку условиях.[1] Повышение экспрессии генов. |
| Белок теплового шока ХЛАМИДИЯ — 14 ответов | форум Babyblog | Ген DNAJC7 кодирует белок теплового шока, который вовлечен в процессы фолдинга и деградации белков. |
EMFace: влияние белков теплового шока на ремоделирование миофасциального каркаса
Малые белки теплового шока в поддержании большого протеома. Многие белки нуждаются в конформационной поддержке на протяжении всего срока их работы, ведь в клетке им приходится не сладко. Капсульные посылки с одним из белков теплового шока помогают иммунным клеткам выстоять в борьбе с бактериальными ядами. Если стрессорным фактором является тепловой шок, такие белки называют белками теплового шока (БТШ, англ.
Новые методы лечения рака: белки теплового шока
Серологическая диагностика хламидийной инфекции Chlamydia trachomatis хламидия — патогенные микроорганизмы для человека, поражающие главным образом мочеполовую систему человека и являются причиной урогенитального хламидиоза. Пройдите онлайн-тест, чтобы узнать есть ли у вас аллергия Пути передачи инфекции, клинические проявления заболевания и осложнения Инфекция передаётся чаще половым или контактно-бытовым путём. Chlamydia trachomatis вызывает хламидиоз как у мужчин, так и у женщин. Неосложненный хламидиоз у женщин наблюдается в виде слизисто-гнойного цервицита.
В частности, директор объединённого центра генетических технологий НИУ «БелГУ» Алексей Дейкин отметил, что выбор животного-продуцента рекомбинантного белка зависит от потребностей в его объёме. Поскольку речь идёт о получении белка для особого класса нейропротекторных препаратов, учёные рассчитали, что достаточно ограничиться его получением от кролика. В этом объёме может содержаться от 1,5 до 3 граммов белка на литр, соответственно до 15 граммов с кролика.
В случае масштабирования такого биореактора мы можем выйти на достаточное количество белка для индустриального партнёра на кроличьем стаде в несколько сотен голов. А проект предполагает создание экспериментального стада в 20 голов, на котором мы можем показать эффективность технологии, — констатировал Алексей Васильевич. Немаловажным при выборе животного стал и тот факт, что индустриальный партнёр научно-образовательного центра «Инновационные решения в АПК» — опытно-экспериментальный завод «ВладМиВа» — за два года сотрудничества с НОЦ освоил полный цикл переработки кроличьего молока, включая процесс дойки, и, как заявил технический директор АО «ОЭЗ «ВладМиВа» Андрей Бузов, в случае достойной разработки и эффективного результата предприятие готово принять материал на своей площадке.
Эта повышенная пластичность наделяет такие белки выдающейся многофункциональностью. Почему как вишенка? Да потому, что для большинства белков такая роскошь неприемлема. Излишняя неструктурированность или неправильное сворачивание могут быть действительно вредными для клетки.
Сейчас разберемся, почему. Зачастую неправильная структура ведет к тому, что белок неправильно выполняет свои функции или неадекватно отвечает на регулирующие его работу сигналы. Также при неправильных конформациях у белков часто открываются «уязвимые места» — гидрофобные области рис. Эти зоны очень плохо взаимодействуют с окружающим водным раствором, поэтому обычно они вынуждены прятаться внутри белка, избегая контакта с водой. Рисунок 3. Гидрофобный эффект. Так уж устроено, что материя стремится к состоянию с минимальной свободной энергией.
Энергия химических связей в молекуле воды распределена неравномерно, она сконцентрирована на кислороде таким образом, молекула полярна. Благодаря этому молекулы воды образуют между собой сеть водородных связей, снижая свободную энергию системы. Участки с большим содержанием таких аминокислот в белке составляют гидрофобные области. Если ввести эти недружелюбные к воде области в водный раствор, это приведет к искажению сети водородных связей. Гидрофобные участки в данном случае выступают в роли физической преграды, мешающей полярным молекулам свободно связываться друг с другом. Это событие неблагоприятно с точки зрения свободной энергии в системе [4]. Агрегируя вместе, неполярные участки уменьшают площадь поверхности, подверженной воздействию воды, и сводят к минимуму ее разрушительный эффект.
Подробнее о гидрофобном эффекте можно прочесть в статье « Физическая водобоязнь » [165]. Таким образом, они укрывают друг друга от недружелюбной окружающей среды [5] , [6]. Такое слипание белков агрегация ведет к образованию неких структур разной степени упорядоченности: почти неструктурированных аморфных агрегатов, олигомеров и нитчатых амилоидов рис. Рисунок 4. Белковые состояния очень динамичны. Если белок теряет значительную часть нативной структуры, то он может начать образовывать различные сложные агрегаты. Выявлено большое разнообразие биохимических, физиологических и цитологических нарушений, которые происходят в результате неправильных взаимодействий белковых агрегатов с клеточными компонентами, включая другие белки, белковые рецепторы, РНК, небольшие органические молекулы и даже липидные мембраны.
Эти взаимодействия ведут к сбоям в работе клетки, что в конечном итоге может приводить к тяжелым заболеваниям [9]. Окончательно все механизмы токсичности белковых агрегатов еще предстоит выяснить. Особенно человечество беспокоят белковые агрегации в нервных клетках, поскольку они сопровождают некоторые нейродегенеративные заболевания — болезни Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона [10—12]. Также белковые агрегации связаны с цитотоксичностью и процессами старения [13]. Передовое общество Мирная стабильная белковая жизнь именуется научным термином « протеостаз ». Мы знаем, что несанкционированные белковые агрегаты — это опасные и недопустимые образования. Для этого в клетке есть своя «белковая полиция» — сеть протеостаза proteostasis network, PN , которая контролирует жизнь белков, противодействует возникновениям белковых агрегатов, ну а если агрегат уже назрел, то компоненты PN пытаются оперативно его разогнать.
Некоторые авторы также называют эту сеть «системой контроля качества белка» [166]. Чтобы понять, насколько сильно клетка дорожит протеостазом, можно оценить объем инвестиций, который вкладывается в его поддержание. Так, по современным оценкам, PN содержит около 2000 факторов, действующих совместно для поддержания белкового порядка [14]. Это внушительные показатели! Такое большое число компонентов объясняется сложностью эукариотических протеомов, включающих широчайший ассортимент белков. В динамичной клеточной среде эти белки постоянно сталкиваются с проблемами, связанными с их структурой. На ее стабильность влияет много факторов: посттрансляционные модификации фосфорилирование, ацетилирование и т.
Они могут принимать определенные трехмерные конформации только после связывания со своими партнерами. Такие белки нуждаются в помощи, чтобы избежать неправильных взаимодействий и агрегации [16]. Эти соображения помогают понять, почему клетки инвестируют в обширную сеть протеостаза, ведь она поддерживает целостность протеома и обеспечивает адаптацию к изменениям в окружающей среде. В соответствии с жизненным циклом белка, можно выделить те задачи, которые должна выполнять сеть протеостаза: регулировать уровни производства белков; строго контролировать процесс укладки белка в нативную конформацию; обеспечивать поддержку на протяжении срока службы белка; контролировать численность и локализацию белков; оперативно утилизировать неправильно свернутые белки и токсичные агрегаты. Всю сеть протеостаза можно условно поделить на три ветви: отдел контроля синтеза белка и поддержания конформации; отдел деградации и агрегации; а также сигнальная группа. Производство белков жестко регулируется Повторим центральную догму молекулярной биологии. Аминокислотные последовательности белков закодированы в ДНК.
Эта информация передается на РНК в ходе процесса транскрипции в ядре. Затем эта РНК становится матрицей для сборки аминокислотной цепочки будущего белка. Этот процесс называется трансляцией , он происходит на рибосомах в цитоплазме или на мембране эндоплазматического ретикулума ЭПР. Производство каждого белка жестко регламентировано и регулируется с учетом окружающих условий и потребностей в этом конкретном белке. Однако общие уровни синтеза белка должны быть дополнительно скорректированы с учетом способности белков принимать нативную конформацию. Ведь если условия неблагоприятны, то высокие темпы синтеза приведут к накоплению развернутых или неправильно свернутых белков, что вызовет повсеместную агрегацию и токсичность. Поэтому эволюцией выработаны механизмы регуляции общих темпов синтеза белка.
В клетке есть несколько сигнальных систем, которые контролируют конформационную обстановку с ними мы познакомимся позже. В результате их работы, помимо прочего, изменяются общие темпы трансляции. Эта довольно «топорная» и неселективная мера в действительности очень важна при белковом стрессе. Общее ингибирование трансляции хоть и частично, но увеличивает способность поддерживать белковую стабильность и имеет решающее значение для снятия перегрузки с PN после конформационного стресса [17]. Фолдинг В аминокислотной последовательности эволюцией заложен путь, согласно которому линейный полипептид должен свернуться в свою нативную конформацию. Пептид прячет углеводородные группы гидрофобных аминокислот и формирует стабилизирующие внутримолекулярные взаимодействия. Таким образом, говоря языком термодинамики, аминокислотная цепочка пытается достичь состояния с низкой свободной энергией.
Процесс сборки белка в свою трехмерную структуру называется фолдингом от англ. Реакции фолдинга невероятно сложны. Это объясняется тем астрономически большим числом конформаций, которые потенциально может принять белковая цепь. Процесс фолдинга почти полностью обеспечивается слабыми нековалентными взаимодействиями [2] , [18] , [19]. Заложенный путь сворачивания нужен для того, чтобы аминокислотная цепь не перебирала все возможные состояния сворачивания, и процесс фолдинга не занимал большого количества времени это называют парадоксом Левинталя. Полипептиды приходят к своей нативной структуре, формируя локальные и дальние контакты между аминокислотными остатками, тем самым постепенно сужая пространство доступных конформаций [20]. Процесс фолдинга можно визуализировать на энергетической диаграмме как путь к самой глубокой «ямке», соответствующей минимуму энергии рис.
При этом аминокислотная цепь преодолевает путь из промежуточных «ямок», перепрыгивая через «кочки» кинетические барьеры. Иногда это бывает довольно трудно, из-за чего она может некоторое время оставаться в промежуточных «ямах», то есть в частично сложенных состояниях. Долго оставаться в таком положении не очень хорошо, ведь частично сложенные белковые цепи склонны к агрегации. Рисунок 5. Развернутый полипептид обладает избыточной энергией. По ходу фолдинга энергия молекулы снижается за счет налаживания внутримолекулярных взаимодействий. Белок стремится принять нативную конформацию, которая соответствует локальному минимуму энергии.
Однако есть сопоставимые по энергии состояния, например аморфные агрегаты и амилоиды [21]. Во-первых, насыщенностью клеточной среды, так как в таких условиях макромолекулярные взаимодействия усиливаются, что ставит белки в очень неудобное положение для фолдинга [23]. Во-вторых, поскольку на рибосоме полипептид собирается постепенно, закодированная информация о пути сворачивания также становится доступной только по частям, а не вся сразу рис. Этот фактор особенно важен ввиду того, что скорость трансляции меньше скорости фолдинга белка. Из-за неполноты информации на некоторых этапах сворачивания у полипептида появляется возможность принять частично неправильную структуру или уйти с верного пути сборки до завершения синтеза [24]. Рисунок 6. Рибосома и ее выходной канал в увеличении.
Часть полипептида еще не вышла из канала, следовательно, закодированная в нем информация о пути фолдинга пока не доступна. Например, для большинства белков основная часть выходного канала рибосомы слишком узка, чтобы обеспечить формирование пространственной структуры [25]. Таким образом, зарождающиеся аминокислотные цепи крупных белков должны сначала выйти из рибосомы, прежде чем они смогут правильно сложиться [26] , [27]. Это подвергает их риску неправильной укладки и вредных взаимодействий. В-четвертых, трансляция обычно протекает в форме «полисомы», когда много рибосом работают на одной молекуле мРНК. Такое тесное сближение рибосом может негативно сказываться на фолдинге. Чтобы облегчить жизнь свежим аминокислотным цепям, рибосомы выстраиваются вдоль молекулы мРНК ступенчато по спирали.
Благодаря такому расположению сайты выхода полипептидов находятся на максимальном расстоянии друг от друга, что снижает риск вредных взаимодействий [28]. Молекулярные шапероны — центральные организаторы протеостаза И вот, наконец, мы добрались до самых известных действующих лиц сети протеостаза — молекулярных шаперонов. Они были созданы эволюцией, чтобы преодолевать описанные выше проблемы с укладкой белка. Молекулярный шаперон — это белок, который помогает другим белкам принимать их нативную конформацию, параллельно защищая их «ахилесовы пятки» от неправильных взаимодействий и агрегации рис. Повышенная выработка шаперонов наблюдается в тканях, подвергающихся воздействию различных неблагоприятных факторов тепло, тяжелые металлы, нехватка кислорода, повышенная кислотность и др. Это адаптивный ответ, повышающий выживаемость клеток. Рисунок 7.
Шаперон может помочь исправить изъян в пространственной структуре ненативного белка рисунок автора статьи В клетках есть несколько различных по структуре классов шаперонов. Многие из них активируются в условиях белкового стресса, вызванного повышением температуры, поэтому эти шапероны известны как белки теплового шока Heat shock protein, Hsp. Для удобства, ученые классифицировали их в соответствии с примерной средней молекулярной массой Hsp40, Hsp60, Hsp70, Hsp90, Hsp100 и малые sHsp. Эти ребята возложили на себя обязанности по поддержанию протеома, включая фолдинг синтезированных белков, рефолдинг развернутых белков, помощь в сборке мультибелковых комплексов, трафик белков и помощь в их деградации. Шапероны, работающие с самым свежим белком Разные шапероны могут работать с белком на разных этапах его жизни рис. В начале синтеза первых 35—40 аминокислот зарождающиеся цепи выходят из рибосомного туннеля. На этой стадии с будущим белком начинает взаимодействовать первый уровень шаперонов [29].
К нему относят «комплекс, связанный с рибосомой» RAC , контролирующий ранние стадии фолдинга во время трансляции, и «комплекс, связанный с формирующейся цепью» NAC , который действует ниже по цепи синтезируемого белка [30]. Они взаимодействуют с открытыми гидрофобными последовательностями возникающей цепи и предотвращают преждевременный неправильный фолдинг. Таким образом эти комплексы поддерживают полипептид до тех пор, пока не появятся достаточные структурные элементы для протекания продуктивного фолдинга. Рисунок 8. Шаперонный путь в цитозоле. Об основных этапах будет рассказано далее. Оставшиеся белки загружаются в комплекс TRiC 4.
Однако в клетках есть белки со сложной организацией доменов, которые нуждаются в дополнительных классах шаперонов. Такие белки до или после полного выхода из рибосомы начинают взаимодействовать с АТФ-зависимыми шаперонами класса Hsp70. Шапероны Hsp70 состоят из трех основных доменов: субстрат-связывающего, крышки и регуляторного рис. Желобок получается достаточно длинный, чтобы взаимодействовать с участками размером до семи аминокислот. Рисунок 9. Этот процесс называется АТФ-зависимой регуляцией. В итоге, когда регуляторный домен связан с АТФ, крышка открыта, а белки-клиенты связываются и высвобождаются относительно быстро.
Такие циклы связывания-высвобождения во многих случаях будут энергетически смещать субстрат к более простым конформациям — по сравнению с теми, что были до взаимодействия с шапероном. Затем, после высвобождения, субстрат может повторно включиться в процесс фолдинга или начать взаимодействовать с нужным партнером. Молекулы, которым для сворачивания требуется побольше времени, будут повторно связываться с Hsp70, что поможет защитить их от агрегации. Повторное связывание может также привести к структурной перестройке и, возможно, устранению кинетических барьеров в процессе фолдинга [34]. Белки Hsp70 при поиске субстрата полагаются на помощников — кошаперонов класса Hsp40, которые сначала связываются с открытыми гидрофобными участками на ненативных белках и затем привлекают к этому месту Hsp70 [35]. Помимо этого, с Hsp70 может взаимодействовать множество других кошаперонов, например Hsp110 и sHsp. Все они наделяют систему Hsp70 широкими функциональными возможностями, позволяя участвовать не только в первоначальном сворачивании зарождающихся цепей, но и в поддержании белковой конформации, борьбе с агрегатами и нацеливании белков на деградацию [36—38].
В действительности, текущие знания о механизме работы Hsp70 сильно ограничены. Из-за сложности работы с не полностью свернутыми белками существует сравнительно мало структурных данных о характере взаимодействия Hsp70 со своими клиентами. Помимо этого, большая часть современного понимания работы Hsp70 основана на моделях с очищенными компонентами, изолированными от остального клеточного содержимого, в том числе от партнерских шаперонов. Таким образом, существует настоятельная необходимость в дальнейшем углублении знаний о работе Hsp70. Самых непослушных — в клетку! Для перевоспитания Однако в клетке есть белки, которым и такой заботы недостаточно. Например, это компоненты клеточного скелета — актины и тубулины, а также регуляторы клеточного цикла, такие как Cdc20 и p53 [39—42].
Подобные белки не могут достигнуть своих функциональных состояний на Hsp70 и после нескольких циклов на нем они переносятся в специальные бочкообразные супершапероны — шаперонины. Все они немного отличаются по структуре друг от друга, но при этом поразительно похожи по общей сути. Это мультимерные состоящие из большого числа простых мономеров цилиндрические комплексы, похожие на большие бочки рис. Такая замысловатая структура полностью определяется принципом их работы — временной изоляции отдельных белков внутри полости шаперонина, чтобы они могли складываться, не поддаваясь агрегации [43] , [44]. Рисунок 10. Структура шаперонина TRiC в открытом состоянии два рисунка справа. Разные цвета показывают 16 отдельных мономеров.
Слева показана структура такого мономера.
PMID 17980980. EMBO Rep. PMID 18451878. Cell 130 6 : 1005—18.
PMID 17889646. PMID 17684010. Expert Rev Vaccines 7 3 : 383—93. PMID 18393608. PMID 18045130.
Curr Top Med Chem 6 11 : 1205—14. PMID 16842157. Current opinion in biotechnology 16 2 : 123—32.