Białka opiekuńcze

Plan wykładu

Rola białek opiekuńczych.

Główne rodziny białek opiekuńczych-
struktura, funkcja, mechanizmy działania.

Biogeneza białek w komórkach
prokariotycznych i eukariotycznych:

- rola rybosomów w biogenezie białek;
-

maszyneria chaperonowa zaangażowana
w fałdowanie białek de novo;

chaperony zasocjowane z rybosomami.

Rola białek opiekuńczych

1. Pośredniczą w prawidłowym zwijaniu polipeptydów.
2. Chronią białka komórkowe przed inaktywacją (ang. holder

chaperones, holdazy).

3. Uczestniczą w reaktywacji zagregowanych białek (ang. folder

chaperones, foldazy)

4. Kierują też białka do degradacji jeśli naprawa jest niemożliwa.

Białka opiekuńcze występują we wszystkich organizmach, są obecne
zarówno w komórkach bakteryjnych, jak i w komórkach ludzkich.
Co więcej białka opiekuńcze cechuje wysoki stopień homologii struktury
pierwszorzędowej.

Ich funkcje stają się krytyczne w warunkach stresowych,

bez nich komórki nie są w stanie przeżyć niekorzystnych

warunków.

Białka opiekuńcze są centralnym elementem systemu kontroli jakości białek.

Ochrona komórki przed zgubnymi skutkami zmian czynników

zewnętrznych.

Nagłe zmiany czynników środowiskowych często zaburzają

proces fałdowania nowo powstających polipeptydów oraz

naruszają natywną konformację białek, co sprzyja ich agregacji.

Dzięki białkom opiekuńczym każdy żywy organizm może

kontrolować procesy agregacji polipeptydów i przeciwstawiać się

jemu m.in. poprzez zapobieganie niepożądanym oddziaływaniom

międzycząsteczkowym.

Rola białek opiekuńczych

Hsps zależne od ATP

Podjednostki kompleksów proteolitycznych oraz

dezagregazy współpracujące z Hsp70/Hsp40

Hsp100/Clp

E. coli:

ClpA, ClpX, ClpY (HslU),

ClpB

(cytosol)

S. cerevisiae

: Hsp104

(cytosol),

Hsp78

(mitochondria)

Arabidopsis thaliana:

AtHsp101/ClpB1

(cytosol)

Foldazy

Hsp90

E. coli: HtpG (cytosol)
S. cerevisiae: Hsp83 (cytosol/jądro)

Ssaki
Hsp90, Hsp90 (cytosol/jądro komórkowe),

Grp94 (ER)

Hsp70

E. coli: DnaK (cytosol)
S. cerevisiae: Ssa 1-4 i Ssb 1,2 (cytosol)
Kar2 (ER), Ssc1 (mitochondria)

Ssaki
Hsp70 (Hsp72) (cytosol/jądro komórkowe)

Hsc70 (Hsp73) (cytosol/jądro)
Hsp75 (Grp75/mtHsp70) (mitochondria)

BiP (Grp78/Hsp78) (ER)

Hsp60

E. coli: GroEL (cytosol)
S. cerevisiae: Hsp60 (mitochondria)

Rośliny
Cpn60 (chloroplasty)

Ssaki
Hsp60 (mitochondria/cytosol)

Hsp40

(partnerzy Hsp70)

E. coli: DnaJ (cytosol)

S. cerevisiae: Ydj1 (cytosol/jądro)
Ssaki

Hsp40 (cytosol/mitochondria), Hsp47 (ER)

Hsp10

(partnerzy Hsp60)

E. coli: GroES (cytosol)

Rośliny
Cpn10 (chloroplasty)

Ssaki
Hsp10 (mitochondria/cytosol)

Hsps niezależne do ATP (sHsps)

Holdazy

E. coli: IbpA i IbpB

S. cerevisiae: Hsp27 (cytosol)
Ssaki
A- i B-krystaliny (cytosol)
Hsp25/Hsp27 (cytosol/jądro)

Główne rodziny białek

opiekuńczych i ich

przedstawiciele

Hsp90, Hsp70, Hsp40, Hsp60 oraz
Hsp10 występują we wszystkich
organizmach, są one obecne zarówno
w komórkach
bakteryjnych, jak i w komórkach
ludzkich, a ich docelowym miejscem
jest nie tylko cytosol, ale także różne
organella komórkowe, takie jak
siateczka śródplazmatyczna (ER),
chloroplasty czy mitochondria.

Niektóre z omawianych białek syntetyzowane są na poziomie

konstytutywnym, inne indukowane są pod wpływem działania

różnych czynników stresogennych, jak np.: Hsp70(Hsp72) i

Hsp90.

Hsp90, Hsp70/Hsp40 oraz Hsp60/Hsp10 działają przede

wszystkim jako tzw. foldazy (ang. folder chaperones),

ponieważ pośredniczą one w fałdowaniu i w reaktywacji białek

inaktywowanych pod wpływem stresu, przywracając im

właściwą konformację oraz właściwości biologiczne.

Mechanizm działania tej grupy białek opiekuńczych jest

zależny od ATP.

Są to białka o niskiej masie

cząsteczkowej (12-43 kDa), takie jak

-krystaliny, mysie Hsp25/ ludzkie Hsp27
czy bakteryjne białka IbpA, IbpB. Białka te

funkcjonują w komórkach jako tzw.

holdazy (ang. holder chaperones),

ponieważ wiążą się one do nienatywnych

konformacji białek (niezależnie

od ATP) i tworząc z nimi stabilne

kompleksy zapobiegają ich agregacji. Nie

posiadają one

jednak aktywności refałdujących.

Tworzą one struktury multimeryczne, np.

ssacze sHsps tworzą kompleksy

składające się z 32 podjednostek (Mr=

800 kDa).

Występują one w większości komórek i

tkanek także w nieobecności czynników

stresogennych.

sHsps

sHsp16.9 sHsp 16.5

monomer
ClpB

domena N-
terminalna

domena środkowa

(MD)

NBD-
1

NBD-
2

ATP

NBD-1

NBD-2

- moduły

wiążące i hydrolizujące ATP

Model dezagregacji i reaktywacji białek przy

udziale

ATPazy ClpB/Hsp104 (mechanizm translokacyjny)

Do dezagregacji białek z udziałem ClpB/Hsp104 może zachodzić
w wyniku translokacji pojedynczych polipeptydów przez
centralny kanał ClpB. Translokacja substratu jest napędzana
przez hydrolizę ATP.

System Hsp70/Hsp40 jest niezbędny do zapoczątkowania
procesu rozwijania polipeptydów czyli wyekstrahowania ich z
dużych agregatów.

substrat systemów

Hsp70/40 i

Hsp60/Hsp10

Przynajmniej 75% termicznie zagregowanych białek w
komórkach E. coli jest reaktywowanych w wyniku współpracy
ClpB z systemem DnaK.

N
D

NBD-1

NBD-
2

NBD-1

NBD-
2

Val149

ClpB9
5

ClpB8
0

domena

N-terminalna

Gen clpB E. coli koduje dwie formy

białka ClpB,

ClpB95 i ClpB80

NBD-1, NBD-2- moduły wiążące ATP

MD- domena środkowa

Dwie izoformy ClpB, ClpB80 i ClpB95,
współdziałają in vivo tworząc bardzo
wydajny
system dezagregacji i reaktywacji białek.

gttatg

ggagg

agtt

atg

cgtctggatcgtcttactaataaattccagcttgctcttgcc

                M  R  L  D  R  L  T  N  K  F  Q  L  A  L  A
gatgcccaatcacttgcactcgggcacgacaaccaatttatcgaaccacttcatttaatg
D  A  Q  S  L  A  L  G  H  D  N  Q  F  I  E  P  L  H  L  M
agcgccctgctgaatcaggaagggggttcggttagtcctttattaacatccgctggcata
S  A  L  L  N  Q  E  G  G  S  V  S  P  L  L  T  S  A  G  I
aatgctggccagttgcgcacagatatcaatcaggcattaaatcgtttaccgcaggttgaa
N  A  G  Q  L  R  T  D  I  N  Q  A  L  N  R  L  P  Q  V  E
ggtactggtggtgatgtccagccatcacaggatctggtgcgcgttcttaatctttgcgac
G  T  G  G  D  V  Q  P  S  Q  D  L  V  R  V  L  N  L  C  D
aacgtggcgcaaaaacgtggtgataactttatctcgtcagaactgttcgttctggcggca
N  V  A  Q  K  R  G  D  N  F  I  S  S  E  L  F  V  L  A  A
cttgagtctcgcggcaccgtggccgacatcctgaaagcagcaggggcgaccaccgccaac
L  E  S  R  G  T  V  A  D  I  L  K  A  A  G  A  T  T  A  N
attactcaagcgattgaacaaatgcgt

ggagg

tgaaagc

gtg

aacgatcaaggtgctgaa

I T Q A I E Q M

R G G E S V N D Q G A E

gaccaacgtcaggctttgaaaaaatataccatcgaccttaccgaacgagccgaacagggc

D Q R

Q A L K K Y T I D L T E R A E Q G

Gen clpB zawiera alternatywne miejsce inicjacji translacji

Rodzina Hsp90

1. Uczestniczą w kontroli cyklu komórkowego, przeżywalności

komórek.

2. Odgrywają istotną rolę w utrzymaniu homeostazy.
3. Fałdowanie i stabilizacja białek.
4. Hsp90 stało się głównym celem terapeutycznym w terapiach

anty-nowotworowych.

5. Hsp90 posiada aktywność ATPazy, wiązanie i hydroliza ATP

wywołują zmiany konformacyjne tego białka.

Wiązanie ATP skutkuje dimeryzacją NBDs, co
prowadzi do tworzenia struktur cyklicznych.
Oddziaływanie NBDs jest niezbędne do
hydrolizy ATP. Hsp90 w obecności ATP
stabilnie wiąże
się do substratów białkowych. W wyniku
hydrolizy ATP dochodzi do uwolnienia
substratu (prawdopodobnie poprzez otwarcie
dimeru Hsp90).

Eukariotyczne białko Hsp90 (cytosol) oddziałuje z różnymi co-chaperonami.
Tworzy z nimi kompleksy multichaperonowe. Co-chaperony regulują funkcję
Hsp90.

Rodzina Hsp70

Cykl ATP-azowy regulujący wiązanie się substratów do białek Hsp70.
Wiązanie ATP do domeny ATP-azowej (NBD) Hsp70 otwiera „wieczko” nad
domeną substratową i umożliwia wiązanie substratu. Hydroliza ATP,
katalizowana przez co-chaperony prowadzi do zamknięcia „wieczka” i
uwięzienia substratu w kieszeni domeny substratowej. Działanie czynników
wymieniających nukleotyd (NEFs) ADP na ATP prowadzi do uwolnienia
związanego substratu i rozpoczęcia kolejnego cyklu.

Aktywność ATP-azowa pozwala
na prawidłowe fałdowanie
białek

(Hsp40
)

K-ATP

K-ADP

GrpE

ADP +
GrpE
DnaJ ?

ATP

GroEL

III

Model działania systemu DnaK/DnaJ/GrpE w procesie

fałdowania polipeptydów

(I) W pierwszej kolejności do rozwiniętego polipeptydu przyłącza się DnaJ,
które następnie przekazuje substrat białku DnaK związanemu z ATP. (II)
DnaJ i polipeptyd stymulują aktywność ATPazową DnaK. Powstaje stabilny
kompleks polipeptyd-DnaK-DnaJ. (III) Przyłączenie GrpE do DnaK prowadzi
do uwolnienia ADP i destabilizacji tego kompleksu. Możliwe, że na tym
etapie dochodzi do odłączenia się białka DnaJ. (IV) Przyłączenie kolejnej
cząsteczki ATP (nie hydroliza) do DnaK uwalnia polipeptyd. Jeżeli
polipeptyd nie zostanie prawidłowo sfałdowany w pojedynczym cyklu
działania systemu DnaK/DnaJ/GrpE, może on być ponownie wiązany przez
DnaJ lub przekazany innemu systemowi białek opiekuńczych
(GroES/GroEL).

N- białko natywne

R- białko rozwinięte

Model strukturalny białka GroEL oraz kompleksu GroEL–GroES–
(ADP)

http://dx.doi.org/10.1016/S0092-
8674(00)80928-9

Rodziny Hsp60 i Hsp10 (chaperoniny I

grupy)

heptameryczn

e pierścienie

GroEL (Hsp60)

tworzące

cylindryczną

strukturę

GroES

(Hsp10)

GroEL+ GroES działają razem

pierścień
cis
pierścień
trans

184Å

Chaperoniny- duże, mulitmeryczne, cylindryczne kompleksy białkowe
składające się z 2 pierścieni stykających się ze sobą. Każdy z pierścieni
składa się z 7-9 podjednostek. Na podstawie homologii sekwencji
aminokwasowej chaperoniny dzielimy na 2 grupy, I i II.

ADP

7AT
P

ADP

ATP

III

7Pi,
7ADP
GroES

7ATP
GroES

ATP

ADP

7Pi

7AT
P

7AD
P

7Pi,
7ADP
GroES
GroES

ADP

ATP

GroEL

GroES

7AD
P

Model działania białek opiekuńczych GroES/GroEL w

procesie

fałdowania polipeptydów

(I) Asymetryczny kompleks GroES-GroEL-ADP wiąże substrat białkowy w
wolnym pierścieniu GroEL. (II, III) Wiązanie i hydroliza ATP w tym pierścieniu
powoduje uwolnienie ADP i GroES z drugiego pierścienia. (IV-V) GroES i ATP
ponownie wiążą się z domeną GroEL zawierającą substrat, co prowadzi do
jego zamknięcia. Hydroliza ATP w pierścieniu GroEL związanym z GroES
„utrwala” oddziaływania między GroEL i GroES. (VI) Przyłączenie i hydroliza
ATP w sąsiednim pierścieniu prowadzą do otwarcia kompleksu GroEL-GroES i
uwolnienia sfałdowanego polipeptydu. Polipeptydy, które nie uzyskały
natywnej konformacji ulegają kolejnym cyklom przyłączania i uwalniana aż do
uzyskania prawidłowej konformacji.

N- białko natywne

R- białko rozwinięte

http://dx.doi.org/10.1016/j.str.2012.03.0
07

Eukariotyczne chaperoniny grupy II- asymetryczny

kompleks białkowyTRiC/CCT

Organizacja strukturalna
TRiC

Heterooligomer w przeciwieństwie do
białka GroEL, które jest
homooligomerem (14 podjednostek).

Brak kofaktora naśladującego białko
GroES.

Wykorzystują hydrolizę ATP w procesie
fałdowania białek (10%, np. białka
cytoszkieletu, białka regulujące cykl
komórkowy).

Jest on niezbędny dla przeżywalności
komórek.

Termosom (cytosol) odpowiednikiem
kompleksu TRiC u archebakterii

Chaperony zaangażowane w fałdowanie de

novo białek cytosolowych

I grupa: chaperony, które dynamicznie wiążą się zarówno do
rybosomu, jak i wyłaniającego się z niego polipeptydu (ang. rybosome-
associated chaperones); kontrolują one wczesne etapy fałdowania
podczas translacji.
W bakteriach jest to trigger factor (TF), podczas gdy

komórkach eukariotycznych obecne są 2 różne typy systemów
chaperonowych zasocjowanych z rybosomami

. W komórkach drożdży

jeden z tych systemów składa się z: kompleksu

RAC

(rybosome-

associated complex)

oraz z białka Ssb

(Hsp70). RAC jest stabilnym

kompleksem składającym się z białka Zuo (chaperone zuotin, Hsp40)
i białka Ssz (Hsp70).
Drugi system stanowi heterodimeryczny kompleks NAC (nascent
polypeptide-associated complex), który jest silnie zachowany w ewolucji.
Natomiast ssaczy kompleks RAC (mRAC) składa się z MPP11 (homolog Zuo) i
Hsp70L1 (an Szs-like protein) i pozbawiony jest białka Ssb. W zamian, ssacze
białko Hsp70 (cytosol) jest zaangażowane poprzez mRAC w oddziaływania z
powstającymi polipeptydami.

Chaperony zaangażowane w fałdowanie de

novo białek cytosolowych

II grupa: chaperony, które oddziałują z nowo syntetyzowanymi białkami;
Cytosolowe chaperony Hsp70/Hsp40, rodziny Hsp60/Hsp10, które występują

Komórkach pro- i eukariotycznych. Do tej grupy należą także prefoldyny,

które są

obecne u Archaea i organizmów eukariotycznych.

Chaperony zasocjowane z rybosomami oraz chaperony

zlokalizowane w

cytosolu współpracują ze sobą i tworzą „rozbudowaną” maszynerię
uczestniczącą w fałdowaniu białek de novo.

rybosome- associated chaperones + cytosolic chaperones of the
Hsp70/Hsp40 and Hsp60/10 families = a robust network for de
novo protein folding

Podsumowanie

Białka opiekuńcze są białkami cytoplazmatycznymi, które obecne są
we wszystkich organizmach.
Są one centralnym elementem system kontroli jakości białek.
Odgrywają one istotną rolę w procesie fałdowania białek.

W fałdowaniu białek de novo oprócz białek opiekuńczych
zlokalizowanych w cytosolu bądź specyficznie związanych
z organellami komórkowymi, uczestniczą także białka opiekuńcze
zasocjowane z rybosomami.
Białka te działają na wczesnych etapach fałdowania,
zapobiegają niewłaściwemu fałdowaniu polipeptydów oraz ich
agregacji (stabilizują one wydłużające się na rybosomach łańcuchy
polipeptydowe).

Dalsze etapy fałdowania białek są realizowane z udziałem maszynerii
takiej jak chaperoniny bakteryjne GroEL/ES, czy eukariotyczne

TRiC/CCT.

Literatura

S. Kędzierska (2005) Rola białek opiekuńczych Escherichia coli w ochronie komórki

bakteryjnej

Przed nieodwracalną agregacją białek indukowaną termicznie. Postępy Biochemii,

51: 146-153.

S. Preissler and E. Deuerling (2012) Ribosome-associated chaperones as key
players in proteostasis. Trends in Biochemical Sciences, 37: 274-283.

J. Rassow and N. Pfanner (1996) Protein biogenesis: Chaperones for nascent

polypeptides.

Current Biology, 6: 115-118.

Document Outline