分子伴侣对蛋白折叠的贡献BIOX.CN2005-7-9134751来源生命经纬

分子伴侣对蛋白折叠的贡献BIOX.CN2005-7-9134751来源生命经纬 分子伴侣对蛋白折叠的贡献 BIOX.CN 2005-7-9 13:47:51 来源:生命经纬 蛋白质的折叠是通过反应表面的相互作用来实现的。这些表面一般包括暴露的疏水侧链。它们的相互作用形成一个疏水内核。这些表面固有的反应活性说明这个过程一定处于某种作用的控制之下，否则会发生不正确的相互作用。 一些蛋白质能自发的获得其成熟的构型。将一种蛋白质变性，根据它是否能复性为活性形式可检验这种蛋白质是否具有这种能力。这种能力被称为自我装配(Self-assemby)。一种具有自我装配能力的蛋白质能从其它的构型包括在合成起始的条件下折叠或重新折叠为活性形式。这表明内部的相互作用与正确的构型密切相关。 在另一些情况下，蛋白质可能会采取一种与最终构型不同的稳定构型。这种蛋白质不能进行自我装配。它们形成正确的结构需要分子伴侣(Chaperone)协助。 分子伴侣是一种能介导蛋白质进行正确地折叠的蛋白质，它能使蛋白质获得正确的构型。这种过程是通过结合在靶蛋白质在装配过程中暴露的反应表面，并阻止这些反应表面与其它区域作用产生不正确的构型来完成的。分子伴侣的作用与其说是通过帮助蛋白质正确折叠完成，还不如说是通过防止蛋白质错误折叠完成的。 我们不清楚哪些特点使蛋白质不需要分子伴侣的协助就能进行自我装配(能在体外进行自我装配的蛋白质在体内并不一定能进行自我装配，因为在这两种条件下可能会有速率上的差别，而且在体内还涉及到分子伴侣。但能进行自我装配的蛋白质和必须靠分子伴侣协助获得正确结构的蛋白质还需要划分)。 分子伴侣能识别不正确蛋白质结构的能力使它在蛋白质结构中行使两种相关的功能: ?当蛋白质刚开始合成时，即离开核糖体进入胞质时，它以未折叠的形式存在。当产生的序列与已合成蛋白质中的区域相互作用时会发生自发的折叠。分子伴侣通过控制活性表面的可接近性(Accessibility)来影响折叠的过程。这一过程与最初正确的构型的获得有关。 ?当蛋白质变性时，新的区域会被暴露并获得相互作用的能力。这些相互作用与 蛋白质起始合成时发生错误折叠时的相互作用相同。分子伴侣会识别这些错误折叠的蛋白质。识别变性的蛋白质，并且帮助其复性或介导其降解都涉及到这一过程。 分子伴侣对寡聚结构的形成和蛋白质跨膜转运可能都有作用。对蛋白质折叠的控制(或延迟)是跨膜运输的重要特点。图8.4表明了在进入膜之前蛋白质保持未折叠状态可能是必要的，这可能是由于跨膜的几何特点决定的:成熟的蛋白质对于进入通道来说太大。分子伴侣可能会阻止形成不利于跨膜运输的构型;从这种能力来说，它的作用主要是保持蛋白质未折叠的柔性结构。一旦蛋白质通过了膜，它就需要另一种分子伴侣协助其形成成熟的构型，这与胞质蛋白质刚从核糖体上合成时需要分子伴侣的帮助相同。蛋白质到达膜上时采取的形式可能与在核糖体上时采取的形式相同。 分子伴侣的两个主要的特点: ?Hsp70 系统包括Hsp70、Hsp40 和GrpE。它们能作用于新合成的蛋白质、跨膜运输的蛋白质和在胁迫下变性的蛋白质。这个系统的名字反应了Hsp70蛋白质最初是通过热激(Heatshock)作用的诱导发现的。Hsp70 和Hsp40 蛋白质都能独立地与其结合底物。 ?分子伴侣系统由一个很大的寡聚复合体组成。这种寡聚复合体形成的结构可使未折叠的蛋白质插入(温度升高会使热激蛋白质的产生增加，这些蛋白质的作用是减小蛋白质在热变性中被破坏的程度;很多热激蛋白质都是分子伴侣)。 Hsp70 蛋白质家族是普遍存在的。在细菌、真核生物胞质中，内质网、叶绿体中和线粒体中都有发现。Hsp70 同另两种成分结合行使其功能，在细菌中称为DnaJ 和GrpE。Hsp40 包括一个J 结构域(根据DnaJ 命名)，这一结构域与Hsp70 相互作用。Hsp70(DnaK)既与Hsp40 结合又与未折叠的蛋白质结合。事实上，有两种相互作用的分子伴侣与蛋白质结合。J 结构域决定相互作用的专一性并使一种特定的Hsp40 蛋白质在Hsp70 家族中挑选出对应分子。 Hsp70(DnaK)与Hsp40(DnaJ)之间的相互作用激活了Hsp70 的ATPase 活性。与ADP结合的复合物与蛋白质底物结合，并且一直持续到到GrpE将ADP 替换。这种替换造成复合物的解体，可能是一系列的事件引起，包括Hsp40(DnaJ)解离，ATP 与Hsp70(DnaK)结合，然后Hsp70 解离。 蛋白质的折叠是经过几轮的结合与解离完成的。当蛋白质的链延长时，Hsp70(DnaK)可能从一个结合位点上解离接着又重新结合到其它位点，使底物蛋白质的一部分有序地正确折叠。最后，整个蛋白质从核糖体上释放，并折叠为成熟的构型。 Hsp70 中的不同成员对不同的靶蛋白质起作用。胞质蛋白质(上皮Hsp70和一种相关的蛋白质叫做Hsc70)作用于核糖体上的新生蛋白质。ER 中的变种(在高等真核生物中称为Bip或Grp78，在酿酒酵母中称为Kar2)或在线粒体、叶绿体中都以相同的方式作用，即在跨膜运输过程中当蛋白质出现在细胞器内部时作用。 Hsp60 家族分子伴侣组成一个大的包括两中类型亚基的结构。Hsp60 本身(在E. coli中称为GroEL)形成具有14 个亚基的结构，以相反的方向互相堆叠成两个七聚体环。就是说，这两个环的顶部及底部的表面是完全相同的。中心的空洞贯穿这两个环，所以这个结构像是一个中空的圆柱体。 这个结构与Hsp10(在E. coli为GroES)亚基构成的七聚体结合。一个GroES七聚体形成的隆起的钟罩结构与双环中的一个表面结合。这个隆起位于活性中心的上方，覆盖圆柱体的一个开口。两个GroEL 环一个是近端环(与GroES 结合)一个是远端环(未与GroES 结合)。整个GroEL/GroES 的分子量为~106 道尔顿，与核糖体小亚基相近。GroEL有时被称为分子伴侣，而GroES被称为辅分子伴侣(Co-chaperonin)，因为GroEL在指导折叠的过程中起到了重要的作用，而GroES 辅助它的活性功能。 GroEL 能同许多未折叠的蛋白质结合，很可能是通过识别浓缩的“熔球(Moltenglobule)”状态来完成的。与底物的相互作用是以底物表面和GroEL 暴露在活性空洞中残基之间的疏水相互作用为基础的。底物可能是已变性的蛋白质;可能在其它分子伴侣的作用下将它们转运到GroEL 上——例如Hsp70 可能帮助一个新生蛋白质折叠，但随后将其传递到GroEL上，这一过程直到它被核糖体释放才结束。 对于底物结合及折叠的一系列事件的顺序还不清楚。当GroES 和底物结合在同一个环上时，就发生折叠(有可能是底物先结合在GroEL/GroES复合物的远端环上，GroES解离下来再与另一个环结合)。当GroES与GroEL结合后，它诱导近端GroEL的一个构型变化，增加中心空洞的体积。这也改变了底物所处的环境。以前与底物结合的疏水残基也涉及到与GroES的结合。结果使底物处在一个使其构型发生改变的疏水环境中。 ATP在GroEL行使功能中起重要作用。每个GroEL的亚基都含有一个ATP分子。近端环上亚基上的ATP对于折叠是必要的。在这一步骤不需要水解。但底物的释放需要水解，近端环上的ATP只起到间接的作用。近端环上ATP的水解降低了GroEL和GroES之间的亲和性。GroES 和底物的释放需要远端环的ATP 的水解。 对于这种(和其它大分子)分子伴侣的作用方式，一个重要问题是其作用是否为连续的。一个底物进入中心空洞，发生多个循环的折叠最终以成熟的形式释放,还是发生一个循环的折叠然后被释放;它还含有尚未正确折叠的区域，所以还要开始另一个 折叠的循环，这一过程一直持续到蛋白质获得成熟的构型, 这些模型可以通过使用一个能与未折叠蛋白质结合但不能使其释放的突变GroEL 来检验。当这种GroEL 加到对某种底物有活性的野生型GroEL 时，会阻止成熟蛋白质的产生。这表示底物在折叠完成前就被释放。最简单的解释就是底物蛋白质在每个循环后都被释放。折叠循环一次，ATP 水解，在体外释放需要15 秒。