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Chaperonina

Las chaperoninas , abreviadas como Cpn , Cpn60 o HSP60 , son una familia de proteínas de choque térmico que ayudan al plegamiento de las proteínas recién sintetizadas y al reple...

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Las chaperoninas , abreviadas como Cpn , Cpn60 o HSP60 , son una familia de proteínas de choque térmico que ayudan al plegamiento de las proteínas recién sintetizadas y al replegamiento de las proteínas mal plegadas durante condiciones de estrés, como las altas temperaturas. Son complejos proteicos que constan de aproximadamente 16 subunidades proteicas de unos 60 kDa cada una. Las chaperoninas pertenecen a una gran clase de moléculas y complejos que ayudan al plegamiento de proteínas, denominados chaperonas moleculares . [ 2 ] [ 3 ]

Las proteínas recién sintetizadas generalmente deben plegarse desde una cadena lineal de aminoácidos hasta formar una estructura terciaria tridimensional . La energía necesaria para este plegamiento proviene de las interacciones no covalentes entre las cadenas laterales de aminoácidos de cada proteína y de los efectos del disolvente. La mayoría de las proteínas se pliegan espontáneamente en su conformación tridimensional más estable, que suele ser también su conformación funcional, pero ocasionalmente se pliegan incorrectamente. Las chaperonas moleculares catalizan el replegamiento de las proteínas acelerando el despliegue parcial de las proteínas mal plegadas, con la ayuda de la energía suministrada por la hidrólisis del trifosfato de adenosina (ATP). Las proteínas chaperonas también pueden marcar las proteínas mal plegadas para su degradación. [ 3 ]

Estructura

La estructura de estas chaperoninas se asemeja a dos rosquillas apiladas una encima de la otra, formando un barril. Cada anillo está compuesto por 7, 8 o 9 subunidades, dependiendo del organismo en el que se encuentre la chaperonina. Cada cadena peptídica de aproximadamente 60 kDa se puede dividir en tres dominios: apical, intermedio y ecuatorial. [ 4 ]

Se propone que la chaperonina original evolucionó a partir de una peroxirredoxina . [ 5 ]

Clasificación

Grupo I

Complejo GroES/GroEL (lateral)

Las chaperoninas del grupo I (Cpn60) [ a ] se encuentran en bacterias , así como en orgánulos de origen endosimbiótico : cloroplastos y mitocondrias .

El complejo GroEL/GroES en E. coli es una chaperonina del Grupo I y el complejo de chaperonina grande (~1 MDa) mejor caracterizado.

  • GroEL es un catástrofe de doble anillo con una zona hidrofóbica grasa en su abertura y puede acomodar el plegamiento nativo de sustratos de entre 15 y 60 kDa.
  • GroES (es un heptámero de un solo anillo que se une a GroEL en presencia de ATP o análogos del estado de transición de la hidrólisis de ATP, como ADP-AlF 3 . Es como una cubierta que cubre a GroEL (caja/botella).

GroEL/GroES puede que no sea capaz de deshacer los agregados de proteínas, pero cinéticamente compite en la vía de plegamiento incorrecto y agregación, previniendo así la formación de agregados. [ 6 ]

La subfamilia Cpn60 fue descubierta en 1988. [ 7 ] Su secuenciación se realizó en 1992. Los oligómeros cpn10 y cpn60 también requieren Mg 2+ -ATP para interactuar y formar un complejo funcional. [ 8 ] La unión de cpn10 a cpn60 inhibe la débil actividad ATPasa de cpn60. [ 9 ]

La proteína de unión a la subunidad RuBisCO es un miembro de esta familia. [ 10 ] La estructura cristalina de GroEL de Escherichia coli se ha resuelto a 2,8 Å. [ 11 ]

Algunas bacterias utilizan múltiples copias de esta chaperonina, probablemente para diferentes péptidos. [ 4 ]

Grupo II

Estructura de Saccharomyces cerevisiae TRiC en el estado unido a AMP-PNP ( PDB : 5GW5 ) . [ 12 ]

Las chaperoninas del grupo II (TCP-1), que se encuentran en el citosol eucariota y en las arqueas , están menos caracterizadas.

  • El complejo en las arqueas se llama termosoma . Un homo-16mero en algunas arqueas, se considera la chaperonina de tipo II prototípica. [ b ]
  • TRiC , la chaperonina eucariota, está compuesta por dos anillos de ocho subunidades diferentes, aunque relacionadas , cada una representada una vez por cada anillo de ocho miembros. Inicialmente se creía que TRiC solo plegaba las proteínas del citoesqueleto actina y tubulina, pero ahora se sabe que pliega docenas de sustratos.

La chaperonina de Methanococcus maripaludis (Mm cpn) está compuesta por dieciséis subunidades idénticas (ocho por anillo). Se ha demostrado que pliega la proteína mitocondrial rodanasa; sin embargo, aún no se han identificado sustratos naturales. [ 13 ]

No se cree que las chaperoninas del grupo II utilicen un cofactor de tipo GroES para plegar sus sustratos. En cambio, contienen una tapa "incorporada" que se cierra de forma dependiente de ATP para encapsular sus sustratos, un proceso necesario para una actividad óptima de plegamiento de proteínas. También interactúan con una cochaperona, la prefoldina , que ayuda a introducir el sustrato. [ 3 ]

Otras familias

El grupo III incluye algunos Cpn bacterianos relacionados con el grupo II. Poseen una tapa, pero su apertura no es cooperativa. Se cree que son parientes antiguos del grupo II. [ 3 ] [ 4 ]

La chaperonina gp146 del grupo I del fago EL no utiliza una tapa, y su interfaz en forma de anillo es más similar a la del grupo II. Podría representar otro tipo de chaperonina ancestral. [ 14 ]

Mecanismo de acción

Las chaperoninas experimentan grandes cambios conformacionales durante el plegamiento proteico debido a la hidrólisis enzimática del ATP y a la unión de proteínas sustrato y cochaperoninas, como GroES. Estos cambios conformacionales permiten que la chaperonina se una a una proteína desplegada o mal plegada, la encapsule dentro de una de las cavidades formadas por los dos anillos y la libere de nuevo en solución. Tras su liberación, la proteína sustrato se plegará correctamente o requerirá más ciclos de plegamiento, en cuyo caso podrá unirse nuevamente a una chaperonina.

Se desconoce el mecanismo exacto por el cual las chaperoninas facilitan el plegamiento de las proteínas sustrato. Según análisis recientes mediante diferentes técnicas experimentales, las proteínas sustrato unidas a GroEL pueblan un conjunto de estados compactos y expandidos localmente que carecen de interacciones terciarias estables. [ 15 ] Se han propuesto varios modelos de acción de las chaperoninas, que generalmente se centran en dos funciones (no mutuamente excluyentes) del interior de la chaperonina: pasiva y activa. Los modelos pasivos tratan la jaula de la chaperonina como una forma inerte, que ejerce influencia reduciendo el espacio conformacional accesible a un sustrato proteico o previniendo interacciones intermoleculares, por ejemplo, mediante la prevención de la agregación. [ 16 ] La función activa de la chaperonina, a su vez, está involucrada con interacciones específicas chaperonina-sustrato que pueden estar acopladas a reordenamientos conformacionales de la chaperonina. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]

Probablemente el modelo más popular del papel activo de la chaperonina sea el mecanismo de recocido iterativo (IAM), que se centra en el efecto de la unión iterativa e hidrofóbica del sustrato proteico a la chaperonina. Según estudios de simulación computacional, el IAM conduce a un plegamiento más productivo al desplegar el sustrato desde conformaciones mal plegadas [ 19 ] o al prevenir el plegamiento incorrecto de la proteína mediante el cambio de la vía de plegamiento. [ 17 ]

Conservación de la homología estructural y funcional

Como ya se ha mencionado, todas las células contienen chaperoninas.

Estos complejos proteicos parecen ser esenciales para la vida en E. coli , Saccharomyces cerevisiae y eucariotas superiores. Si bien existen diferencias entre las chaperoninas eucariotas, bacterianas y arqueales, la estructura y el mecanismo generales se conservan. [ 3 ]

Morfogénesis del bacteriófago T4

El producto génico 31 (gp31) del bacteriófago T4 es una proteína necesaria para la morfogénesis del bacteriófago que actúa catalíticamente en lugar de incorporarse a la estructura del bacteriófago. [ 20 ] La bacteria E. coli es el huésped del bacteriófago T4. La proteína gp31 codificada por el bacteriófago parece ser homóloga a la proteína cochaperonina GroES de E. coli y puede sustituirla en el ensamblaje de los viriones del fago T4 durante la infección. [ 21 ] Al igual que GroES, gp31 forma un complejo estable con la chaperonina GroEL que es absolutamente necesario para el plegamiento y ensamblaje in vivo de la proteína principal de la cápside del bacteriófago T4, gp23. [ 21 ]

La razón principal por la que el fago necesita su propio homólogo de GroES es que la proteína gp23 es demasiado grande para caber en una jaula GroES convencional. gp31 tiene bucles más largos que crean un contenedor más alto. [ 22 ]

Importancia clínica

La proteína GroEL humana es el antígeno inmunodominante de los pacientes con legionelosis [ 10 ] y se cree que desempeña un papel en la protección de la bacteria Legionella frente a los radicales de oxígeno dentro de los macrófagos . Esta hipótesis se basa en el hallazgo de que el gen cpn60 se sobreexpresa en respuesta al peróxido de hidrógeno , una fuente de radicales de oxígeno. También se ha descubierto que cpn60 presenta una fuerte antigenicidad en muchas especies bacterianas [ 23 ] y tiene el potencial de inducir protección inmunitaria contra infecciones bacterianas no relacionadas.

Ejemplos

Los genes humanos que codifican proteínas que contienen este dominio incluyen:

Véase también

Notas

  1. ↑ La familia GroEL es denominada por InterPro como Cpn60. Sin embargo, CDD utiliza Cpn60 para referirse a las proteínas del Grupo II en las arqueas.
  2. ↑ Algunas arqueas han evolucionado para usar, como los eucariotas, diferentes subunidades. Se sabe que Methanosarcina acetivorans tiene cinco tipos de subunidades. [ 3 ] Se cree que el ancestro de TriC eucariota tiene dos. [ 5 ]

Referencias

  1. ↑ Braig K, Otwinowski Z, Hegde R, Boisvert DC, Joachimiak A, Horwich AL, Sigler PB (octubre de 1994). "La estructura cristalina de la chaperonina bacteriana GroEL a 2,8 Å". Nature . 371 ( 6498): 578–86 . Bibcode : 1994Natur.371..578B . doi : 10.1038/371578a0 . PMID 7935790. S2CID 4341993 .  
  2. ↑ "Investigadores de Howard Hughes: Arthur L. Horwich, MD" Archivado del original el 26-07-2019 . Recuperado el 12-09-2011 .
  3. 1 2 3 4 5 6 Conway de Macario E, Yohda M, Macario AJ, Robb FT (2019-03-15). "Uniendo chaperonopatías humanas y chaperoninas microbianas" . Communications Biology . 2 (1) 103. doi : 10.1038/s42003-019-0318-5 . PMC 6420498. PMID 30911678 .  
  4. 1 2 3 Ansari MY, Mande SC (2018). "Una mirada a la estructura y función de las chaperonas atípicas de tipo I" . Frontiers in Molecular Biosciences . 5 31. doi : 10.3389/fmolb.2018.00031 . PMC 5904260. PMID 29696145 .  
  5. 1 2 Willison, KR (5 de octubre de 2018). "La estructura y evolución de la chaperonina eucariota TCP-1 y su mecanismo que pliega la actina en un resorte proteico". The Biochemical Journal . 475 (19): 3009– 3034. doi : 10.1042/BCJ20170378 . hdl : 10044/1/63924 . PMID 30291170 . S2CID 52923821 .  
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  11. ↑ Braig K, Otwinowski Z, Hegde R, Boisvert DC, Joachimiak A, Horwich AL, Sigler PB (octubre de 1994). "La estructura cristalina de la chaperonina bacteriana GroEL a 2,8 Å". Nature . 371 ( 6498): 578–86 . Bibcode : 1994Natur.371..578B . doi : 10.1038/371578a0 . PMID 7935790. S2CID 4341993 .  
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