En biología molecular , las chaperonas moleculares son proteínas que ayudan al plegamiento o despliegue conformacional de proteínas grandes o complejos de proteínas macromoleculares. Hay 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 y ADN plegados . [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 por calor.
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 y estabilizando los intermediarios de plegamiento hasta que la cadena polipeptídica se traduce por completo . El modo de función específico de las chaperonas difiere según sus proteínas diana y su ubicación. Se han aplicado varios enfoques para estudiar la estructura, dinámica y funcionamiento de los acompañantes. Las mediciones bioquímicas masivas nos han informado sobre la eficiencia del plegamiento de proteínas y la prevención de la agregación cuando hay chaperonas presentes durante el plegamiento de proteínas. Los avances recientes en el análisis de una sola molécula [3] han aportado conocimientos sobre la heterogeneidad estructural de las chaperonas, los intermediarios de plegado 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 otras tensiones celulares. [4] Las chaperonas de proteínas de choque térmico se clasifican según sus pesos moleculares observados en Hsp60, Hsp70 , Hsp90, Hsp104 y Hsp pequeñas. [5] La familia Hsp60 de chaperonas proteicas se denomina chaperoninas y se caracteriza por una estructura de doble anillo apilado y se encuentra en procariotas, en el citosol de eucariotas y en mitocondrias.
Algunos sistemas chaperonas funcionan como foldasas : apoyan el plegamiento de proteínas de forma 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 lo mismo. Otras chaperonas funcionan como holasas : 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 conjuntos de proteínas aberrantes y las revierten en monómeros. [7] Algunas chaperonas pueden ayudar en la degradación de proteínas , llevando las proteínas a sistemas de proteasa , como el sistema ubiquitina-proteosoma en eucariotas . [8] Las proteínas chaperonas participan en el plegamiento de más de la mitad de todas las proteínas de los mamíferos. [ cita necesaria ]
El apiñamiento macromolecular puede ser importante en la función de acompañante. 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 proteínas correctamente plegadas al aumentar la agregación de proteínas . [10] [11] El hacinamiento también puede aumentar la eficacia de las proteínas chaperonas como GroEL , [12] 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 pueden plegarse espontáneamente. Estas proteínas violan el dogma de Anfinsen , [14] que requiere que la dinámica de las proteínas se pliegue correctamente.
Otros tipos de chaperonas participan en el transporte a través de membranas , por ejemplo, las membranas de las mitocondrias y el retículo endoplásmico (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 desplegada ) y las guía hacia el 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 de proteínas tóxicas a través de su agrupación, [17] [18] y en la respuesta a enfermedades relacionadas con las proteínas. agregación [19] y mantenimiento del cáncer. [20]
En líneas celulares humanas, se encontró que las proteínas chaperonas componen aproximadamente el 10% de la masa bruta del proteoma [21] y se expresan de manera ubicua y altamente en los tejidos humanos.
Las chaperonas se encuentran ampliamente en el retículo endoplásmico (RE), ya que la síntesis de proteínas a menudo ocurre en esta área.
En el retículo endoplásmico (RE) hay chaperonas moleculares generales, de lectina y no clásicas que moderan el plegamiento de proteínas.
Hay muchas familias diferentes de acompañantes; Cada familia actúa para ayudar al plegamiento de proteínas de una manera diferente. En bacterias como E. coli , muchas de estas proteínas se expresan altamente 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 extensas.
Se utilizan una variedad de nomenclaturas para los acompañantes. Como proteínas de choque térmico, los nombres se forman clásicamente por "Hsp" seguido de la masa molecular aproximada en kilodaltons ; Estos nombres se utilizan comúnmente para eucariotas como la levadura. Los nombres de las bacterias 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 una mutación en el gen del fago E, subunidad grande". [25]
Hsp10/60 (complejo GroEL/GroES en E. coli ) es el complejo chaperona grande (~ 1 MDa) mejor caracterizado. GroEL (Hsp60) es un 14mero de doble anillo con un parche hidrofóbico en su apertura; es tan grande que puede acomodar el plegado nativo de GFP de 54 kDa en su luz. GroES (Hsp10) es un heptámero de anillo único que se une a GroEL en presencia de ATP o ADP. Es posible que GroEL/GroES no pueda deshacer la agregación anterior, pero sí compite en el camino del plegado incorrecto y la agregación. [26] También actúa en la matriz mitocondrial como acompañante molecular.
Hsp70 (DnaK en E. coli ) es quizás la chaperona pequeña (~ 70 kDa) mejor caracterizada. Las proteínas Hsp70 cuentan con la ayuda de 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 "ADN" en las bacterias porque inicialmente se identificaron como necesarias para la replicación del ADN de E. coli . [27]
Se ha observado que una mayor expresión de las proteínas Hsp70 en la célula da como resultado una menor tendencia hacia la apoptosis . Aunque aún no se ha determinado una comprensión mecanística precisa, 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 agolpan alrededor de un sustrato desplegado, estabilizándolo y evitando la agregación hasta que la molécula desplegada se pliega adecuadamente, momento en el que las Hsp70 pierden afinidad por la molécula y se difunden. [28] Hsp70 también actúa como chaperona molecular mitocondrial y cloroplástica en eucariotas.
Hsp90 (HtpG en E. coli [a] ) puede ser la acompañante menos comprendida. Su peso molecular es de aproximadamente 90 kDa y es necesario 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 medio y un dominio de dimerización . Originalmente se pensaba que se sujetaba a su proteína sustrato (también conocida como proteína cliente) al unirse al ATP, las estructuras recientemente publicadas por Vaughan et al. y Ali et al. indican que las proteínas cliente pueden unirse externamente a los dominios N-terminal y medio de Hsp90. [29] [30]
Hsp90 también puede requerir inmunofilinas similares a co-chaperonas , 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 apuntar y desplegar proteínas etiquetadas y mal plegadas.
Las proteínas de la familia Hsp100/Clp forman grandes estructuras hexaméricas con actividad desplegable en presencia de ATP. Se cree que estas proteínas funcionan como chaperonas al enhebrar procesivamente proteínas cliente a través de un pequeño poro de 20 Å (2 nm ), dando así 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 replegamiento de proteínas cliente, estos complejos son responsables de la destrucción dirigida de proteínas etiquetadas y mal plegadas.
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 del fago completada. Sin embargo, entre los productos genéticos (gps) necesarios para el ensamblaje de fagos, Snustad [34] identificó un grupo de gps que actúan catalíticamente en lugar de incorporarse ellos mismos a la estructura del fago. Estos gps eran gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 y gp4 [el gen 4 es sinónimo de los genes 50 y 65 y, por tanto, el gp puede denominarse gp4(50)(65)]. Desde entonces, los primeros cuatro de estos seis productos genéticos han sido reconocidos como proteínas chaperonas. Además, gp40, gp57A, gp63 y gpwac ahora también han sido identificados como acompañantes.
La morfogénesis del fago T4 se divide en tres vías independientes: las vías de las fibras de la cabeza, la cola y la cola larga, como lo detallan Yap y Rossman. [35] Con respecto a la morfogénesis de la cabeza, la chaperona gp31 interactúa con la chaperona bacteriana GroEL para promover el plegamiento adecuado de la proteína principal de la cápside de la cabeza , gp23. [36] [35] Chaperone gp40 participa en el ensamblaje de gp20, ayudando así en la formación del complejo conector que inicia el ensamblaje de la procápsida de la cabeza. [36] [35] Gp4(50)(65), aunque no figura 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 cabezas con colas. [37]
Durante el ensamblaje general de la cola, las proteínas chaperonas gp26 y gp51 son necesarias para el ensamblaje del centro de la placa base. [38] Se requiere Gp57A para el plegado correcto de gp12, un componente estructural de las fibras de cola corta de la placa base. [38]
La síntesis de las fibras largas de la cola 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 chaperonas gp63 y gpwac se emplean para unir las fibras largas de la cola a la placa base de la cola. [38]
La investigación de acompañantes 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 el ADN durante el ensamblaje de los nucleosomas. [41] El término fue ampliado posteriormente por R. John Ellis en 1987 para describir 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]
Hay 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 las proteínas Chaperone en Wikimedia Commons