چاپرون های مولکولی: نقش در تاخوردگی پروتئین

تا کردن و مونتاژ یک کمپلکس چند پروتئینی به صورت همزمان یا پس از ترجمه با عمل پروتئین های تخصصی تسهیل می شود. همراهان مولکولی در طول سنتز پلی پپتید، کسری از پلی پپتیدهای آزاد شده در ترکیب اصلی قرار دارند، بنابراین یک همراه بر روی چندین پروتئین مشتری عمل می کند.

همراهان مولکولی را می توان به عنوان پروتئین های تخصصی تعریف کرد که با پلی پپتیدهای نادرست تا خورده یا نیمه تا شده تعامل می کنند، که مسیرهای تاخوردگی را اصلاح می کند یا یک محیط ریز برای تثبیت حدواسط های تاشو و جلوگیری از تاخوردگی و تجمع پروتئین ها ایجاد می کند.

طبقات چاپرون های مولکولی:

گروه‌های مختلفی از چپرون‌های مولکولی از جمله پروتئین‌های Hsp60s، Hsp40s، Hsp90s و sHsps و Hsp70 وجود دارند. دو کلاس اصلی در زیر توضیح داده شده است.

1. دسته اول، خانواده ای از پروتئین ها به نام Hsp70.

Hsp70/ پروتئین های شوک حرارتی

این پروتئین‌ها در سلول‌هایی که تحت فشار دمای بالا هستند، به‌وفورتر هستند که پروتئین‌های شوک حرارتی نامیده می‌شوند. مکانیسم hsp70 در اوایل زندگی بسیاری از پروتئین ها عمل می کند (اغلب قبل از اینکه پروتئین از ریبوزوم خارج شود. آنها عمل غیرمستقیم اتصال و تثبیت پروتئین های تا شده یا نیمه چین خورده را دارند که از تجمع و تجزیه این پروتئین ها جلوگیری می کند. آنها همچنین از چین خوردگی جلوگیری می کنند. برخی از پروتئین‌ها تا زمانی که در غشاها جابه‌جا شوند باز می‌مانند.

پروتئین های شوک حرارتی پلی پپتیدها را در چرخه ای شامل چندین پروتئین دیگر (از جمله کلاسی به نام Hsp40) و هیدرولیز ATP آزاد می کنند. آن‌ها با تکه‌های آبگریز موجود در پروتئین‌های تا شده ناقص میل دارند. این پروتئین ها بخش کوچکی از اسیدهای آمینه آبگریز را در سطح پروتئین تشخیص می دهند. مولکول‌های hsp70 متصل به ATP با کمک مجموعه‌ای از پروتئین‌های کوچک‌تر hsp40، پروتئین هدف خود را جذب می‌کنند و سپس ATP را به ADP هیدرولیز می‌کنند و تحت تغییرات ساختاری قرار می‌گیرند. این باعث می شود که مولکول های hsp70 محکم تر به هدف متصل شوند. هنگامی که hsp40 تجزیه می شود، اتصال مجدد سریع ATP باعث تجزیه پروتئین hsp70 پس از انتشار ADP می شود. چرخه های مکرر اتصال و رهاسازی hsp به تا شدن پروتئین هدف کمک می کند.

شکل 1: خانواده چاپرون های مولکولی hsp70.

[Source; Alberts, Bruce, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Science]

2. دسته دوم چپرونین ها (Hsp60) نامیده می شوند.

چاپرونین ها/Hsp60

چاپرونین هایی که مستقیماً تاخوردگی پروتئین را تسهیل می کنند. آنها از پروتئین هایی که توسط گرما دناتوره شده اند و پپتیدهایی که در حال سنتز هستند (و هنوز تا نشده) “محافظت می کنند”. آنها همچنین به توسعه کمپلکس های پروتئینی کمک می کنند که برای تا شدن تعدادی از پروتئین های سلولی که به درستی تا نمی شوند ضروری هستند.

حدود 10 تا 15 درصد از پروتئین های سلولی به سیستم چاپرونین نیاز دارندبه نام GroEL/GroES، برای تا کردن در شرایط عادی (تا 30٪ به این کمک نیاز دارند زمانی که سلول ها تحت فشار حرارتی هستند) ج E. coli. برای اولین بار مشخص شد که آنها برای رشد ویروس های باکتریایی خاص مورد نیاز هستند (از این رو نام “Gro”). پروتئین های تا شده به جیب های مجتمع GroEL متصل می شوند و پاکت ها به طور موقت توسط “درب” GroES بسته می شوند. GroES (co-chaperonin یا hsp10) حلقه ای از هفت زیر واحد است که در بالای GroEL قرار دارد. GroEL (چاپرونین یا hsp60) از دو حلقه انباشته از هفت زیر واحد با حفره ای تشکیل شده است که در آن تاخوردگی پروتئین وابسته به ATP صورت می گیرد.

GroEL دستخوش تغییرات ساختاری همراه با هیدرولیز ATP می شود. این امر باعث اتصال و آزادسازی GroES می شود و در نتیجه باعث افزایش تاخوردگی پلی پپتید متصل می شود. اگرچه ساختار چپرونین GroEL/GroES کشف شده است، بسیاری از مطالعات و عملکرد هنوز ناشناخته هستند. در نهایت، مسیرهای تاخوردگی تعدادی از پروتئین ها به دو آنزیم نیاز دارد که واکنش های ایزومریزاسیون را کاتالیز می کنند.

پروتئین دی سولفید ایزومراز (PDI)

که تبادل یا جابجایی پیوندهای دی سولفید را برای یک ترکیب پایدار کاتالیز می کند. آنها همچنین حذف واسطه های تاشو با پیوندهای متقابل دی سولفیدی نامناسب را کاتالیز می کنند.

پپتیدپرولیل سیس ترانس ایزومراز (PPI)

تبدیل متقابل ایزومرهای سیس و ترانس پیوندهای پپتیدی Pro را کاتالیز می کند، که ممکن است یک گام آهسته در تا شدن پروتئین هایی باشد که حاوی برخی پیوندهای پپتیدی باقی مانده Pro در یک ترکیب cis هستند.

شکل 2:- مدل فضای پر کردن E. coli چاپرونین به نام GroESGroEL مجتمع

[Source ;Lehninger, Albert L., Cox, Michael M. Nelson, David L. Lehninger Principles Of Biochemistry].

شکل 3; تصویری از چاپرونین ها که تا شدن را تسهیل می کنند

[Source ;Lehninger, Albert L., Cox, Michael M. Nelson, David L. Lehninger Principles Of Biochemistry.]

نقش های همراه

• “چاپرون” برای تا زدن مناسب بسیاری از انواع پروتئین ها مورد نیاز است. بدون همراهان، برخی از این مسیرها منجر به شکل پایدار تا شده درستی نمی‌شوند، زیرا پروتئین در ساختارهایی که خارج از مسیر هستند «به‌طور جنبشی به دام می‌افتد». برخی از این پیکربندی‌های جاده‌ای جمع می‌شوند و به‌عنوان بن‌بست غیرقابل برگشت سازه‌های ناکارآمد و بالقوه خطرناک باقی می‌مانند.

• سلول ها از چندین نوع چپرون مانند hsp هنگام سنتز استفاده می کنند. از آنجا که آنها عملکرد یک سیستم بازخوردی را منعکس می کنند که به افزایش پروتئین های نادرست تا شده پاسخ می دهد، بنابراین سنتز چاپرون ها را افزایش می دهد که به تا شدن مجدد این پروتئین ها کمک می کند.

• اعضای مختلف این خانواده ها از جمله پروتئین های hsp60 و hsp70 در اندامک های مختلف عمل می کنند. میتوکندری ها حاوی مولکول های hsp60 و hsp70 خود هستند که با مولکول هایی که در سیتوزول عمل می کنند متفاوت هستند. و یک hsp70 ویژه (به نام BIP) به جمع شدن پروتئین ها در شبکه آندوپلاسمی کمک می کند.

• برخی از چپرون ها در باز نگه داشتن پروتئین تا زمانی که سنتز کامل شود، مهم هستند. آنها به عنوان کاتالیزور عمل می کنند و سرعت مراحل نهایی در فرآیند تاشو را افزایش می دهند. برخی دیگر از تاخوردگی پروتئین محافظت می‌کنند تا نواحی آسیب‌پذیر و در معرض آن‌ها درگیر فعل و انفعالات غیرمولد نشوند.

منابع

1. Lehninger, Albert L., Cox, Michael M. Nelson, David L. Lehninger Principles of Biochemistry. نیویورک: WH Freeman، 2008 pp151-154
2. آلبرتز، بروس، الکساندر جانسون، جولیان لوئیس، مارتین راف، کیت رابرتز و پیتر والتر. زیست شناسی مولکولی سلول. New York: Garland Science, 2002. pp 354-356
3. لودیش، هاروی اف. زیست شناسی سلولی مولکولی. نیویورک: WH Freeman and Co، 5^هفتم نسخه. ص 69-70
4. .https://www.nature.com/subjects/chaperones
5. https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/chaperone
6. https://pdb101.rcsb.org/motm/32
7. https://reasonandscience.catsboard.com/t2590p25-origins-what-cause-explains-best-our-existence-and-why
8. https://biomedpharmajournal.org/vol4no1/chaperone-co-chaperone-interactions-in-malarial-infection