Chaperone

Das Problem der Faltung und Proteinaggregation

In allen Phasen des Proteinlebens — von der Synthese am Ribosom und dem Transport durch Membranen bis zum Zusammenbau von Oligomeren — entstehen unweigerlich intermediäre, äußerst instabile Konformationen. In solchen Zuständen befinden sich hydrophobe Reste, die bei einem normal gefalteten Protein tief im Inneren der Globule verborgen sind, an der Oberfläche.

Da in der Zelle eine hohe Konzentration verschiedener Moleküle aufrechtenerhalten wird, bestrebt sind diese freiliegenden hydrophoben Bereiche, sich sofort miteinander zu verbinden. Dies führt zur Aggregation (Verklumpung) schwer löslicher Proteine. Eine spontane Renaturierung ist unter solchen Bedingungen stark erschwert, weshalb die Natur zur Lösung dieses Problems spezielle Schutzproteine geschaffen hat — Chaperone.

Ihre Grundaufgaben:

• Gewährleistung einer optimalen Faltung (Ausbildung der nativen Struktur).
• Stabilisierung der nativen Konformation während der Proteinaktivität.
• Aufrechterhaltung der Struktur bei Störungen der zellulären Homöostase.

Klassifikation molekularer Chaperone

Chaperone werden üblicherweise nach zwei Hauptkriterien eingeteilt: der Masse der Untereinheiten und dem Synthesetyp in Abhängigkeit vom Vorhandensein von Stressfaktoren.

Nach der molekularen Masse der Untereinheiten:

1. Hochmolekulare (60–110 kDa). Dies sind ganze Familien verwandter Proteine. Die am besten untersuchten Vertreter sind die Klassen Hsp60, Hsp70 und Hsp90. Beispielsweise umfasst die Hsp70-Klasse Proteine mit einer Masse von 66 bis 78 kDa.
2. Niedermolekulare (15–40 kDa).

Nach der Reaktion auf Stress:

• Konstitutive. Haben ein hohes und konstantes (basales) Syntheseniveau, das unabhängig davon ist, ob die Zelle Stress erfährt oder nicht.
• Induzierbare (Hitzeschockproteine, HSP). Unter normalen Bedingungen werden sie nur schwach synthetisiert, aber ihre Produktion steigt bei Stress stark an. Ihren Namen erhielten sie, weil sie erstmals bei Temperatureinwirkungen entdeckt wurden, die Proteine zu denaturieren drohen.

Wirkungsmechanismus von Chaperonen-70 (Hsp70)

Die Hsp70-Klasse ist hochkonserviert. Diese Moleküle sind in allen Kompartimenten der Zelle vorhanden: im Kern, Zytoplasma, in den Mitochondrien und im endoplasmatischen Retikulum.

Strukturell stellen Hsp70 eine einzige Polypeptidkette dar, an deren Carboxy-Ende sich eine Furche zur Peptidbindung befindet. Sie erkennen kurze Abschnitte von 7 bis 9 Aminosäuren Länge, die reich an hydrophoben Resten sind. In typischen globulären Proteinen treten solche Stellen etwa alle 16 Aminosäuren auf.

Rolle von Hsp70 bei der Proteinsynthese (Schritt A): Bei der Translation am Ribosom erscheint das N-Ende des Proteins früher als das C-Ende, aber für eine korrekte Faltung wird die gesamte Kette benötigt. Hsp70 binden an das Polypeptid kotranslational (direkt während des Syntheseprozesses). Sie verschließen gefährliche hydrophobe Bereiche mit ihrer Furche und verhindern eine vorzeitige Aggregation, bevor die Synthese vollständig abgeschlossen ist.

Struktur und Funktionen von Chaperonen-60 (Hsp60)

Chaperone-60 treten nach Abschluss der Kettensynthese (Schritt B) in Aktion. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die Faltung hochmolekularer Proteine mit komplexer Konformation (z. B. mit Domänenstruktur) sicherzustellen.

Im Gegensatz zu Hsp70 fungieren Hsp60 als riesiger oligomerer Komplexe, der aus 14 Untereinheiten besteht. Sie bilden einen zylindrischen Hohlraum aus zwei übereinandergelegten Ringen (mit je 7 Untereinheiten).

Jede Untereinheit hat drei Domänen:

1. Apikale (Scheitel-)Domäne. Ist dem Inneren des Hohlraums zugewandt und mit hydrophoben Resten für die primäre Bindung des ungefalteten Proteins angereichert.
2. Intermediäre Domäne.
3. Äquatoriale Domäne (an der Basis). Hier findet die ATP-Hydrolyse statt.

Das Protein mit hydrophoben Markern gelangt in den isolierten Hohlraum dieses Komplexes. Im Inneren wird ein spezifisches Milieu geschaffen, in dem ein ständiges Durchmustern möglicher räumlicher Strukturen stattfindet, bis die einzige energetisch günstigste Form gefunden ist. Dieser Prozess erfordert einen erheblichen Energieaufwand in Form von ATP.

Zusätzliche Funktionen der Chaperone

Der Schutz vor Denaturierung und die Faltung neuer Ketten sind nicht die einzigen Aufgaben dieser Proteine. Chaperone sind für die Zelle auch unerlässlich für:

• Den korrekten Zusammenbau komplexer oligomerer Proteine aus mehreren Untereinheiten.
• Den Transport von Proteinen durch Zell- und Organellenmembranen.
• Die Regulation der funktionellen Aktivität von Proteinkomplexen.
• Die Erkennung unwiederbringlich denaturierter Proteine mit anschließender Weiterleitung zum Abbau in die Lysosomen.

Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema

Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Mechanismus der kotranslationalen Bindung von Hsp70 an den Ribosomenkomplex
• Faltungsenergetik: die detaillierte Rolle der äquatorialen Hsp60-Domäne bei der ATP-Hydrolyse
• Beteiligung von Chaperonen am Zusammenbau komplexer oligomerer Proteine
• Mechanismen des Transports denaturierter Proteine in Lysosomen mithilfe von Chaperonen
• Unterschiede zwischen konstitutiven Chaperonen und Hitzeschockproteinen auf der Ebene der Genregulation

Weitere Themen des Kapitels „Struktur, Eigenschaften und Funktionen von Proteinen“

Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.