En biología molecular , las chaperonas moleculares son proteínas que ayudan al plegamiento o desplegamiento conformacional de proteínas grandes o complejos proteicos macromoleculares. Existen varias clases de chaperonas moleculares, todas las cuales funcionan para ayudar a las proteínas grandes a plegarse adecuadamente durante o después de la síntesis, y después de la desnaturalización parcial. Las chaperonas también participan en la translocación de proteínas para la proteólisis .
Las primeras chaperonas moleculares descubiertas fueron un tipo de chaperonas de ensamblaje que ayudan en el ensamblaje de nucleosomas a partir de histonas plegadas y ADN . [1] [2] Una función principal de las chaperonas moleculares es prevenir la agregación de proteínas mal plegadas, por lo que muchas proteínas chaperonas se clasifican como proteínas de choque térmico , ya que la tendencia a la agregación de proteínas aumenta con el estrés térmico.
La mayoría de las chaperonas moleculares no transmiten ninguna información estérica para el plegamiento de proteínas y, en cambio, ayudan en el plegamiento de proteínas uniéndose a los intermediarios de plegamiento y estabilizándolos hasta que la cadena polipeptídica se traduce completamente . El modo específico de función de las chaperonas difiere según sus proteínas objetivo y su ubicación. Se han aplicado varios enfoques para estudiar la estructura, la dinámica y el funcionamiento de las chaperonas. Las mediciones bioquímicas a granel nos han informado sobre la eficiencia del plegamiento de proteínas y la prevención de la agregación cuando las chaperonas están presentes durante el plegamiento de proteínas. Los avances recientes en el análisis de moléculas individuales [3] han aportado conocimientos sobre la heterogeneidad estructural de las chaperonas, los intermediarios de plegamiento y la afinidad de las chaperonas por las cadenas de proteínas estructuradas y no estructuradas.
Muchas chaperonas son proteínas de choque térmico , es decir, proteínas expresadas en respuesta a temperaturas elevadas u otros estreses celulares. [4] Las chaperonas de proteínas de choque térmico se clasifican según sus pesos moleculares observados en Hsp60, Hsp70 , Hsp90, Hsp104 y pequeñas Hsp. [5] La familia Hsp60 de chaperonas proteicas se denomina chaperoninas y se caracterizan por una estructura de doble anillo apilado y se encuentran en procariotas, en el citosol de eucariotas y en mitocondrias.
Algunos sistemas de chaperonas funcionan como foldasas : apoyan el plegamiento de proteínas de una manera dependiente de ATP (por ejemplo, el sistema GroEL / GroES o el sistema DnaK / DnaJ / GrpE ). Aunque la mayoría de las proteínas recién sintetizadas pueden plegarse en ausencia de chaperonas, una minoría las requiere estrictamente para ello. Otras chaperonas funcionan como holdasas : se unen a intermediarios de plegamiento para evitar su agregación, por ejemplo DnaJ o Hsp33 . [6] Las chaperonas también pueden funcionar como desagregasas, que interactúan con ensambles de proteínas aberrantes y los revierten a monómeros. [7] Algunas chaperonas pueden ayudar en la degradación de proteínas , llevando proteínas a sistemas de proteasas , como el sistema ubiquitina-proteasoma en eucariotas . [8] Las proteínas chaperonas participan en el plegamiento de más de la mitad de todas las proteínas de los mamíferos. [ cita requerida ]
El hacinamiento macromolecular puede ser importante en la función de la chaperona. El entorno abarrotado del citosol puede acelerar el proceso de plegamiento, ya que una proteína plegada compacta ocupará menos volumen que una cadena proteica desplegada. [9] Sin embargo, el hacinamiento puede reducir el rendimiento de la proteína correctamente plegada al aumentar la agregación proteica . [10] [11] El hacinamiento también puede aumentar la eficacia de las proteínas chaperonas como GroEL , [12] lo que podría contrarrestar esta reducción en la eficiencia del plegamiento. [13] Algunas "chaperonas estéricas" altamente específicas transmiten información estructural única a las proteínas, que no se pueden plegar espontáneamente. Tales proteínas violan el dogma de Anfinsen , [14] que requiere dinámica proteica para plegarse correctamente.
Otros tipos de chaperonas participan en el transporte a través de membranas , por ejemplo, las membranas de las mitocondrias y el retículo endoplasmático (RE) en eucariotas . Una chaperona bacteriana específica de translocación SecB mantiene las cadenas polipeptídicas precursoras recién sintetizadas en un estado competente para la translocación ( generalmente desplegado ) y las guía al translocón . [15]
Se siguen descubriendo nuevas funciones para las chaperonas, como la actividad de adhesina bacteriana , la inducción de agregación hacia agregados no amiloides, [16] la supresión de oligómeros proteicos tóxicos a través de su agrupamiento, [17] [18] y en la respuesta a enfermedades vinculadas a la agregación proteica [19] y el mantenimiento del cáncer. [20]
En las líneas celulares humanas, se descubrió que las proteínas chaperonas componen aproximadamente el 10 % de la masa bruta del proteoma, [21] y se expresan de manera ubicua y elevada en los tejidos humanos.
Las chaperonas se encuentran ampliamente distribuidas en el retículo endoplásmico (RE), ya que la síntesis de proteínas a menudo ocurre en esta área.
En el retículo endoplasmático (RE) existen chaperonas moleculares generales, lectinas y no clásicas que moderan el plegamiento de proteínas.
Existen muchas familias diferentes de chaperonas; cada familia actúa para ayudar al plegamiento de proteínas de una manera diferente. En bacterias como E. coli , muchas de estas proteínas se expresan en gran medida en condiciones de alto estrés, por ejemplo, cuando la bacteria se expone a altas temperaturas, por lo que las chaperonas de proteínas de choque térmico son las más numerosas.
Se utilizan diversas nomenclaturas para las chaperonas. Como proteínas de choque térmico, los nombres se forman clásicamente con "Hsp" seguido de la masa molecular aproximada en kilodaltons ; estos nombres se utilizan comúnmente para eucariotas como la levadura. Los nombres bacterianos tienen formas más variadas y se refieren directamente a su función aparente en el momento del descubrimiento. Por ejemplo, "GroEL" originalmente significa "defecto de crecimiento del fago, superado por mutación en el gen del fago E, subunidad grande". [25]
El complejo de chaperona grande (~1 MDa) mejor caracterizado es el Hsp10/60 (complejo GroEL/GroES en E. coli ). GroEL (Hsp60) es un 14mer de doble anillo con un parche hidrofóbico en su apertura; es tan grande que puede acomodar el plegamiento nativo de GFP de 54 kDa en su lumen. GroES (Hsp10) es un heptámero de un solo anillo que se une a GroEL en presencia de ATP o ADP. GroEL/GroES puede no ser capaz de deshacer la agregación previa, pero sí compite en la vía de plegamiento incorrecto y agregación. [26] También actúa en la matriz mitocondrial como chaperona molecular.
La Hsp70 (DnaK en E. coli ) es quizás la chaperona pequeña (~70 kDa) mejor caracterizada. Las proteínas Hsp70 son ayudadas por las proteínas Hsp40 (DnaJ en E. coli ), que aumentan la tasa de consumo de ATP y la actividad de las Hsp70. Las dos proteínas se denominan "Dna" en las bacterias porque inicialmente se las identificó como necesarias para la replicación del ADN de E. coli . [27]
Se ha observado que el aumento de la expresión de las proteínas Hsp70 en la célula produce una menor tendencia a la apoptosis . Aunque todavía no se ha determinado con precisión el mecanismo, se sabe que las Hsp70 tienen un estado de unión de alta afinidad a las proteínas desplegadas cuando se unen a ADP y un estado de baja afinidad cuando se unen a ATP .
Se cree que muchas Hsp70 se agrupan alrededor de un sustrato desplegado, estabilizándolo y evitando la agregación hasta que la molécula desplegada se pliega correctamente, momento en el que las Hsp70 pierden afinidad por la molécula y se difunden. [28] La Hsp70 también actúa como chaperona molecular mitocondrial y cloroplástica en eucariotas.
La Hsp90 (HtpG en E. coli [a] ) es quizás la chaperona menos comprendida. Su peso molecular es de aproximadamente 90 kDa y es necesaria para la viabilidad en eucariotas (posiblemente también en procariotas). La proteína de choque térmico 90 (Hsp90) es una chaperona molecular esencial para activar muchas proteínas de señalización en la célula eucariota.
Cada Hsp90 tiene un dominio de unión a ATP, un dominio intermedio y un dominio de dimerización . Originalmente se pensaba que se unían a su proteína sustrato (también conocida como proteína cliente) al unirse a ATP, pero las estructuras publicadas recientemente por Vaughan et al. y Ali et al. indican que las proteínas cliente pueden unirse externamente tanto al dominio N-terminal como al dominio intermedio de Hsp90. [29] [30]
La Hsp90 también puede requerir co-chaperonas , como inmunofilinas , Sti1 , p50 (Cdc37) y Aha1 , y también coopera con el sistema de chaperonas Hsp70. [31] [32]
Las proteínas Hsp100 (familia Clp en E. coli ) se han estudiado in vivo e in vitro por su capacidad para atacar y desplegar proteínas marcadas y mal plegadas.
Las proteínas de la familia Hsp100/Clp forman grandes estructuras hexaméricas con actividad desdobladora en presencia de ATP. Se cree que estas proteínas funcionan como chaperonas al enhebrar de forma procesiva las proteínas cliente a través de un pequeño poro de 20 Å (2 nm ), lo que le da a cada proteína cliente una segunda oportunidad de plegarse.
Algunas de estas chaperonas Hsp100, como ClpA y ClpX, se asocian con la serina proteasa tetradecamérica de doble anillo ClpP; en lugar de catalizar el plegamiento de las proteínas cliente, estos complejos son responsables de la destrucción dirigida de proteínas marcadas y mal plegadas.
La Hsp104 , la Hsp100 de Saccharomyces cerevisiae , es esencial para la propagación de muchos priones de levadura . La eliminación del gen HSP104 da como resultado células que no pueden propagar ciertos priones .
Los genes del bacteriófago (fago) T4 que codifican proteínas con un papel en la determinación de la estructura del fago T4 se identificaron utilizando mutantes letales condicionales . [33] La mayoría de estas proteínas demostraron ser componentes estructurales mayores o menores de la partícula de fago completa. Sin embargo, entre los productos genéticos (gps) necesarios para el ensamblaje del fago, Snustad [34] identificó un grupo de gps que actúan catalíticamente en lugar de incorporarse a la estructura del fago. Estos gps fueron gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 y gp4 [el gen 4 es sinónimo de los genes 50 y 65, y por lo tanto el gp puede designarse gp4(50)(65)]. Los primeros cuatro de estos seis productos genéticos han sido reconocidos desde entonces como proteínas chaperonas. Además, gp40, gp57A, gp63 y gpwac también han sido identificados como chaperonas.
La morfogénesis del fago T4 se divide en tres vías independientes: la vía de la cabeza, la vía de la cola y la vía de las fibras largas de la cola, como detallan Yap y Rossman. [35] Con respecto a la morfogénesis de la cabeza, la chaperona gp31 interactúa con la chaperona bacteriana del huésped GroEL para promover el plegamiento adecuado de la proteína principal de la cápside de la cabeza, gp23. [36] [35] La chaperona gp40 participa en el ensamblaje de gp20, ayudando así a la formación del complejo conector que inicia el ensamblaje de la procápside de la cabeza. [36] [35] Gp4(50)(65), aunque no se menciona específicamente como chaperona, actúa catalíticamente como una nucleasa que parece ser esencial para la morfogénesis al escindir el ADN empaquetado para permitir la unión de las cabezas a las colas. [37]
Durante el ensamblaje general de la cola, las proteínas chaperonas gp26 y gp51 son necesarias para el ensamblaje del eje de la placa base. [38] La gp57A es necesaria para el correcto plegamiento de gp12, un componente estructural de las fibras de la cola corta de la placa base. [38]
La síntesis de las fibras de la cola larga depende de la proteína chaperona gp57A, que es necesaria para la trimerización de gp34 y gp37, las principales proteínas estructurales de las fibras de la cola. [36] [35] La proteína chaperona gp38 también es necesaria para el plegamiento adecuado de gp37. [38] [39] Las proteínas chaperona gp63 y gpwac se emplean en la unión de las fibras de la cola larga a la placa base de la cola. [38]
La investigación de las chaperonas tiene una larga historia. [40] El término "chaperona molecular" apareció por primera vez en la literatura en 1978, y fue inventado por Ron Laskey para describir la capacidad de una proteína nuclear llamada nucleoplasmina para prevenir la agregación de proteínas histonas plegadas con ADN durante el ensamblaje de nucleosomas. [41] El término fue ampliado posteriormente por R. John Ellis en 1987 para describir las proteínas que mediaban el ensamblaje postraduccional de complejos proteicos. [42] En 1988, se descubrió que proteínas similares mediaban este proceso tanto en procariotas como en eucariotas. [43] Los detalles de este proceso se determinaron en 1989, cuando se demostró in vitro el plegamiento de proteínas dependiente de ATP . [44]
Existen muchos trastornos asociados con mutaciones en genes que codifican chaperonas (es decir, proteinopatía multisistémica ) que pueden afectar los músculos, los huesos y/o el sistema nervioso central. [45]
Medios relacionados con Proteínas chaperonas en Wikimedia Commons