[Palabras clave] Plegado de proteínas, reconocimiento y unión, chaperonas moleculares de macromoléculas biológicas
El estudio de la estructura y función de las macromoléculas biológicas es a nivel molecular. comprensión de imágenes. Sin comprender la estructura y función de las macromoléculas biológicas, no existiría la biología molecular. Al igual que sin el descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN, no habría ningún dogma central de la transmisión genética y hoy no existiría la biología molecular. Las moléculas estructurales pueden pasar de la primera molécula a complejos de múltiples subunidades y múltiples moléculas. Al mismo tiempo, con la profundización de la investigación y el desarrollo de medios técnicos, el movimiento de la vida a nivel molecular que era difícil de estudiar en el pasado se ha vuelto gradualmente más difícil de estudiar. El estudio de la cristalografía de proteínas ha comenzado desde el análisis estructural estático (estadísticas de tiempo) de macromoléculas biológicas hasta el análisis estructural dinámico (resuelto en el tiempo) y el análisis cinético. Más de la mitad de los 25 simposios del 13º Congreso Internacional de Biofísica trataron sobre la estructura y función de las proteínas. "Estructura y función" enfatiza la "dinámica", es decir, la estructura dinámica de una proteína o la relación entre su movimiento y su función molecular. Relaciones y su contribución a las interacciones macromoleculares.
El plegamiento de proteínas figura como un tema importante en la "biofísica del siglo XXI" y es un problema biológico importante que aún no ha sido resuelto por los principios centrales de la biología molecular. Predecir la estructura terciaria de una molécula de proteína a partir de su secuencia primaria y luego predecir su función es una tarea muy desafiante. El estudio del plegamiento de proteínas, especialmente el proceso de plegamiento temprano, es decir, el plegamiento de péptidos nacientes, es una cuestión fundamental para el esclarecimiento completo y definitivo de los principios centrales. En este campo, nuevos descubrimientos de los últimos años han revisado fundamentalmente el concepto tradicional de que los péptidos nacientes pueden plegarse espontáneamente. Entre ellos, la difracción de cristales de rayos X, diversas técnicas espectroscópicas y técnicas de microscopía electrónica han desempeñado un papel sumamente importante. En el 13º Congreso Internacional de Biofísica, el premio Nobel Ernst enfatizó en su informe que una de las principales ventajas de estudiar proteínas con RMN es que puede estudiar con gran detalle la dinámica de las moléculas de proteínas, es decir, la estructura dinámica de las moléculas de proteínas. o la relación entre el movimiento y la función de una estructura. En la actualidad, la tecnología de RMN ya puede observar el proceso de movimiento de la estructura de las proteínas de segundos a picosegundos en el dominio del tiempo, incluido el movimiento de las cadenas principales y laterales, así como los procesos de plegado y despliegue de las proteínas bajo diversas temperaturas y presiones. El análisis estructural de macromoléculas de proteínas no consiste solo en resolver una estructura específica, sino que también presta más atención a la fluctuación y el movimiento de la estructura. Por ejemplo, las enzimas que transportan moléculas pequeñas y proteínas a menudo existen en dos conformaciones, unidas a ligando y no unidas a ligando. Las fluctuaciones estructurales en una conformación son un preludio necesario para las transiciones conformacionales, por lo que es necesario combinar espectroscopia, espectroscopia y análisis estructural de rayos X para estudiar el equilibrio de las fluctuaciones estructurales, los cambios conformacionales y varios estados intermedios formados durante el proceso de cambio. Como otro ejemplo, para comprender cómo se pliegan las proteínas, es necesario conocer las escalas de tiempo y los mecanismos de varios procesos fundamentales durante el proceso de plegamiento, incluida la formación de estructuras secundarias (hélice y plegamiento), el enrollamiento, las interacciones de largo alcance y la formación completa. plegamiento de péptidos desplegados. Se utiliza una variedad de técnicas para estudiar procesos secundarios, como la RMN rápida y técnicas espectroscópicas rápidas (fluorescencia, dicroísmo circular en UV lejano y UV cercano).
1. Nuevas perspectivas en el estudio del plegamiento de péptidos nacientes.
Durante mucho tiempo, el plegamiento de proteínas ha formado la teoría dominante del autoensamblaje. Por lo tanto, al estudiar el plegamiento de péptidos nacientes, es natural extender al cuerpo las reglas obtenidas del estudio del plegamiento de proteínas in vitro y utilizar la renaturalización de proteínas desnaturalizadas como modelo de plegamiento de péptidos nacientes. Se cree que las cadenas polipeptídicas recién sintetizadas en las células deberían poder plegarse espontáneamente y asumir su estado funcional sin la ayuda de otras moléculas ni energía adicional.
En 1988, Zou Chenglu señaló claramente que el plegamiento de nuevos péptidos comienza temprano en la síntesis, no después. A medida que el péptido se extiende y simultáneamente se pliega, la conformación se ajusta continuamente. La estructura formada primero afectará el plegamiento del péptido sintetizado posteriormente, y la estructura sintetizada afectará luego el ajuste de la estructura formada previamente. Por lo tanto, la estructura formada durante el proceso de extensión del péptido a menudo no es necesariamente la estructura de la proteína funcional final. De esta forma, la formación de estructuras tridimensionales es un proceso dinámico sincrónico y coordinado.
En la década de 1990, el descubrimiento de una clase de proteínas con nuevas funciones biológicas, las proteínas de la cubierta molecular, y, de manera más general, la aparición de proteínas accesorias que ayudan en el plegamiento de las proteínas, sugirieron que el plegamiento de nuevos péptidos en las células a menudo requiere ayuda. en lugar de espontáneamente.
En segundo lugar, el plegamiento de las moléculas de proteínas y el papel de las chaperonas moleculares
Además de * * * enlaces peptídicos valencianos y enlaces disulfuro, la estructura tridimensional de las moléculas de proteínas también depende en una gran cantidad de enlaces secundarios débiles extremadamente complejos. Por lo tanto, durante la síntesis y el plegamiento, nuevos péptidos pueden formar temporalmente estructuras que no están presentes en la proteína madura final. Suelen ser superficies hidrófobas que probablemente formen moléculas no funcionales debido a interacciones erróneas que no deberían existir, o incluso provoquen agregación molecular y precipitación. Según la teoría del autoensamblaje, cada paso del plegado es correcto, suficiente y necesario. El proceso de plegado es en realidad un proceso en el que la forma correcta y la incorrecta compiten entre sí. Para aumentar la eficiencia de la biosíntesis de proteínas, debería haber un mecanismo de competencia para ayudar a la vía correcta, y las chaperonas moleculares surgieron a través de la evolución. Su función es reconocer estructuras erróneas expuestas temporalmente durante el proceso de plegamiento de nuevos péptidos y unirse a ellas para generar complejos, evitando así interacciones prematuras entre estas superficies, evitando vías de plegamiento no funcionales incorrectas e inhibiendo la formación de polímeros irreversibles. lo que inevitablemente promoverá el plegado en la dirección correcta. (Desde un punto de vista filosófico, parece fácil refutar la teoría del autoensamblaje. Viola el principio universal de contradicción. Imagínese, si cada paso del plegamiento de proteínas fuera correcto, suficiente y necesario, ¿no sería sin ¿contradicción? Se completa la formación de la conformación más estable y compleja, es decir, un gran salto del cambio cuantitativo al cambio cualitativo, de la cadena peptídica inactiva a la proteína funcional activa. Esto obviamente viola los principios básicos de la filosofía. Desde este punto de vista, el proceso de evolución biológica está lleno de variaciones no direccionales, algunas se adaptan al medio ambiente y otras no. La "selección natural" elimina las no adaptadas y retiene las adaptadas. ¿Moléculas similares? ¿Creo que la estructura primaria de las proteínas es solo una cadena peptídica? ¿Factores intrínsecos que se pliegan y forman la estructura tridimensional específica de una proteína funcional? De hecho, en cada paso de la formación de una proteína activa, se puede formar una cadena polipeptídica. potencialmente formar un pliegue "incorrecto" sin la acción de factores externos como chaperonas moleculares u otras proteínas accesorias. Una cadena polipeptídica nunca se pliega en una proteína activa)
En tercer lugar, el mecanismo de una chaperona molecular
El mecanismo de una chaperona molecular es en realidad cómo reconoce, se une y disocia su proteína objetivo. Algunas chaperonas moleculares son muy específicas, como algunas chaperonas intramoleculares, y la esterasa de Pseudomonas tiene su propia "chaperona privada". Está codificado por el gen limA, que está a solo 3 bases del gen de la esterasa LipA, lo que puede deberse a una división del gen durante el proceso de evolución. Sin embargo, el reconocimiento de chaperonas moleculares generalmente no tiene una alta especificidad. ¿Cómo identifica a quienes necesitan su ayuda? Ahora sólo se puede decir que las chaperonas moleculares reconocen conformaciones no naturales e ignoran las conformaciones naturales. En las moléculas naturales, los residuos hidrofóbicos se ubican principalmente dentro de la molécula para formar un núcleo hidrofóbico, que puede quedar expuesto después del despliegue, o puede formar temporalmente una superficie hidrofóbica que debería existir dentro de la molécula en la conformación natural durante el proceso de plegamiento de los péptidos nacientes. Por lo tanto, se considera que las chaperonas moleculares son las más posibles para unirse a superficies hidrofóbicas, como el lado hidrofóbico de la hélice α de las moléculas rodanoides. Pero las chaperonas moleculares sólo pueden reconocer las proteínas con una estructura de lámina β.
Últimamente se han logrado grandes avances en los mecanismos de identificación. Bip es una chaperona molecular en la luz del retículo endoplásmico. La especificidad de la unión de Bip a dodecapéptidos con secuencias aleatorias se probó mediante análisis de afinidad. Los resultados muestran que el motivo Hy-(W/X)-Hy-X-Hy-X-Hy se une más fuerte a Bipj, y los residuos que contienen más Hy son Trp, Leu y Phe, que son residuos hidrofóbicos más grandes. . Generalmente, para la unión son suficientes de 2 a 4 residuos hidrófobos. Otra teoría común es que las chaperonas moleculares reconocen la llamada estructura de glóbulos fundidos. Por otro lado, recientemente se han logrado algunos avances en el análisis estructural de la propia chaperona molecular y del sitio de unión del péptido. Por ejemplo, la estructura cristalina de PapD muestra que el polipéptido está unido a su región de hoja β. En GroEL, el dominio 153-531 de aproximadamente 40 kD es la región de unión a nucleótidos.
El segundo paso de la chaperona molecular es formar un complejo con la proteína diana. Un modelo muy popular sostiene que los acompañantes suelen formar agregados que forman una estructura de cavidad central. Se observó mediante microscopía electrónica que catorce moléculas GroEL compuestas por dos donas y siete moléculas GroES compuestas por una dona cooperan para formar un modelo de jaula asimétrica hueca. Se especula que la proteína objetivo se puede aislar del entorno circundante. la cavidad media sin interferencias. Sin embargo, no hace mucho, un laboratorio japonés descubrió que una subunidad de GroEL, incluso un fragmento de 50 kD con 78 residuos de aminoácidos eliminados del extremo N, ya no puede ensamblarse en una estructura de tétrada y todos tienen funciones de chaperona molecular claras. Por lo tanto, pienso: tal vez no todas las partes de la chaperona molecular cíclica sean un sitio de unión eficaz, es decir, solo una o unas pocas partes de la molécula de tétrada GroEL compuesta por dos capas de rosquillas pueden interactuar con los residuos hidrófobos, o algo así. llamados glóbulos fundidos, se unen y el resto sirve como reconocimiento. Al igual que un detector, toda la molécula de la tétrada GroEL está "envuelta" en la columna vertebral de la cadena polipeptídica en una estructura similar a un anillo o una jaula. Asciende en la cadena de la cadena polipeptídica por precesión. Una vez que se encuentra una estructura hidrófoba o la llamada estructura de esfera de fusión en una parte de reconocimiento del polímero cíclico, la parte de unión del polímero se une a ella después de la transducción de señales para formar un complejo que inhibe el plegamiento incorrecto. Lo anterior es completamente mi suposición personal. Intento explicarlo basándome en la contradicción entre los dos fenómenos experimentales anteriores. Suponiendo que la cadena polipeptídica se mueve de manera precesiva, no tengo ninguna base para ello, pero creo que debería ser un proceso dinámico, por lo que hice algunas suposiciones presuntuosas. Además, creo que puede ser posible utilizar la difracción de rayos X para detectar la estructura de la jaula compuesta de chaperonas moleculares GroEL y GroES para ver si su a×b×c es suficiente para acomodar un determinado segmento de la cadena polipeptídica, o su Propiedades hidrofóbicas internas y externas y otras propiedades físicas. ¿Cuáles son las propiedades químicas? Es posible que pueda encontrar apoyo o refutación de lo anterior.
Todos los anteriores son acompañantes moleculares de proteínas. No hace mucho, surgió un nuevo término "chaperonas de ADN". Las chaperonas de ADN se unen al ADN y lo ayudan a plegarse. En este complejo, las moléculas de ADN están rodeadas en la superficie de moléculas de proteínas, están muy ordenadas y la estructura ha cambiado hasta cierto punto. Esta interacción entre el ADN y las proteínas es importante para la transcripción, replicación y recombinación del ADN. O como los nucleosomas, es necesario empaquetar el ADN. La estructura del ADN en solución es bastante rígida y debe superar una barrera energética antes de poder convertirse en la estructura de su complejo proteico. La función de las chaperonas moleculares es ayudar a las moléculas de ADN a plegarse y girarse, estabilizando así el ADN en una configuración específica adecuada para la estructura de las proteínas. Esta unión es cooperativa y se disocia reversiblemente después de la formación del complejo. Por lo tanto, tanto las chaperonas de ADN como las chaperonas de proteínas están relacionadas con la interacción entre el ADN y las proteínas y la regulación genética. Parece que las acompañantes moleculares están, de hecho, estrechamente relacionadas con las principales cuestiones que en última instancia aclararon el dogma central.
En cuarto lugar, la diferencia entre chaperonas moleculares y enzimas.
A diferencia de las chaperonas moleculares, solo hay dos enzimas que ayudan al plegamiento de proteínas. Uno es la proteína disulfuro isomerasa (PDI). La otra es la peptidil prolina cis-trans isomerasa (PPI). Tomando el PDI como ejemplo, es bien sabido que los enlaces disulfuro en las moléculas de proteínas están estrechamente relacionados con el plegamiento de los péptidos nacientes y también desempeñan un papel importante en el mantenimiento de la estabilidad estructural y la función de las moléculas de proteínas. El PDI se encuentra en la luz del retículo endoplásmico y es rico en contenido. Cataliza la reacción de intercambio de grupos sulfhidrilo y enlaces disulfuro en moléculas de proteínas. Al mismo tiempo, es la proteína multifuncional más destacada descubierta hasta ahora. Además de su función básica como disulfuro isomerasa, también es la subunidad alfa de la prolina-4-hidroxilasa. También es una pequeña subunidad del complejo transportador de triglicéridos en micropartículas y una proteína de unión al sitio de glicosilación. Entre ellos, lo más llamativo es su capacidad para unirse a péptidos de diferentes secuencias, longitudes y distribuciones de carga. Tiene una baja especificidad e interactúa principalmente con la cadena principal del péptido, pero todavía tiene cierta preferencia por los grupos sulfhidrilo.
Según la definición de chaperonas moleculares, generalmente se cree que la PDI y las chaperonas moleculares son dos proteínas auxiliares diferentes. Sin embargo, el Instituto de Biofísica de Shanghai en China presentó recientemente una opinión diferente, creyendo que la proteína disulfuro isomerasa también tiene la función de una. acompañante molecular.
La formación de enlaces disulfuro naturales en las moléculas de proteínas requiere que estos grupos sulfhidrilo, que a menudo no están adyacentes entre sí en la cadena peptídica, doblen la cadena peptídica hasta cierto punto antes de que puedan acercarse entre sí y formar enlaces disulfuro correctamente. El autoplegamiento de una cadena peptídica es un proceso lento, mientras que la formación de enlaces disulfuro naturales en proteínas catalizadas por la proteína disulfuro isomerasa es un proceso rápido. Por otro lado, la proteína disulfuro isomerasa tiene la capacidad de unirse a varias cadenas peptídicas con baja especificidad y existe en el retículo endoplásmico en concentraciones muy altas. Es una proteína de unión al calcio que puede fosforilarse y se ha convertido en una chaperona molecular. Por lo tanto, especularon que la proteína disulfuro isomerasa podría prevenir primero la vía de plegamiento incorrecta, promover la formación del intermediario correcto y ayudar a que la cadena peptídica se pliegue en el par sulfhidrilo correspondiente para formar el enlace disulfuro correcto. Luego cataliza la oxidación de sulfhidrilo o la isomerización de enlaces disulfuro para formar enlaces disulfuro nativos. Creen que la actividad enzimática de la proteína disulfuro isomerasa y su función chaperona molecular no son mutuamente excluyentes, sino que están estrechamente relacionadas y coordinadas entre sí. Debería haber y no puede haber una línea divisoria absoluta entre las chaperonas moleculares y las enzimas que ayudan a plegar las cadenas polipeptídicas nacientes. Creo que la característica más importante de las enzimas es catalizar reacciones bioquímicas. La función principal de las chaperonas moleculares es unirse a la conformación incorrecta de nuevos péptidos, evitando así la ruta de plegamiento incorrecta y no funcional de la cadena peptídica y promoviendo su reacción. la dirección de plegado correcta. ¿No puede entenderse esto como una catalización indirecta del plegamiento de la cadena peptídica? Aparentemente, inhibir la vía de plegado incorrecta equivale a acelerar la reacción correcta. Por tanto, personalmente estoy de acuerdo con sus opiniones. Experimentos recientes proporcionan buena evidencia para esta hipótesis. La PDI puede inhibir significativamente la polimerización severa de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa desnaturalizada durante el proceso de replegamiento y mejorar efectivamente su eficiencia de replegamiento. Esto es consistente con el sistema GroE de chaperona molecular típico para replegarse la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. similar.
Estructura verbal (abreviatura de verbo) de la chaperona molecular
Actualmente la única chaperona molecular cuya estructura cristalina se puede resolver es la PapD de E. coli, que ayuda al plegado de la flagelina. También hay una estructura cristalina del dominio N-terminal de HSP70, que es el dominio de unión a ATP. La estructura tetragonal del tetrámero y heptámero de GroEL se ha visto claramente a través de microscopía electrónica, que se asemeja a dos donas circulares huecas apiladas una encima de la otra. La resonancia magnética nuclear y los cambios conformacionales en diversas soluciones son medios eficaces para estudiar el mecanismo de las chaperonas moleculares.
En sexto lugar, la aplicación práctica de la investigación de chaperonas moleculares
Los resultados de la investigación de chaperonas moleculares definitivamente profundizarán nuestra comprensión de los fenómenos de la vida y también aumentarán definitivamente nuestra capacidad de luchar contra la naturaleza y sobrevivir. Debido a que las chaperonas moleculares desempeñan un papel importante en todos los niveles de las actividades de la vida, y sus mutaciones y daños inevitablemente causarán enfermedades, podemos esperar utilizar el conocimiento de las chaperonas moleculares para tratar las llamadas "enfermedades de las chaperonas moleculares". Por otro lado, el uso de los resultados de la investigación de chaperonas moleculares para mejorar fundamentalmente la tasa de éxito de la ingeniería genética y la ingeniería de proteínas también desempeñará un papel importante en la mejora en gran medida del nivel de vida humano.
[Bibliografía]
1. Editor en jefe Li Baojian, Facing the Development Frontier of Life Sciences in the 21st Century, Guangdong Science and Technology Press, 1996 11 primera edición: páginas 93-104.
2. Editor en jefe Hao Jixing, Física teórica y ciencias biológicas, Shanghai Science and Technology Press, primera edición, 1997, 12: 29-58 páginas.
3. Delegación de Biofísica de China, analizando la situación actual y las tendencias de la investigación biofísica del 13º Congreso Internacional de Biofísica, Acta Biophysica Sinica, Volumen 15, Número 4, 1999: 826-827.