Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Chaperon


Molecola del Mese di agosto 2002

Introduzione
Come si può vedere osservando le molte strutture nell'archivio PDB, la maggior parte delle proteine attive ha una struttura globulare stabile.
Le proteine, però, vengono sintetizzate nei ribosomi semplicemente legando uno all'altro in sequenza i vari amminoacidi e quindi inizialmente sono costituite da catene prive di una precisa forma tridimensionale. La maggior parte delle catene proteiche si avvolge poi spontaneamente per assumere la struttura finale, guidata dal bisogno di proteggere le sue porzioni idrocarburiche apolari dall'acqua circostante. Alcune grandi proteine, però, hanno bisogno di essere aiutate in questo frangente. Il loro processo di ripiegamento potrebbe incepparsi in qualche modo mentre cercano di assumere la corretta forma tridimensionale.

Rischi dei Ripiegamenti Errati
Questo non è un problema banale. Le cellule non possono aspettare in modo passivo che le proteine si ripieghino correttamente. Le proteine avvolte in modo errato spesso hanno gli amminoacidi apolari in superficie, invece che nascosti al sicuro nel loro interno. Queste porzioni idrocarburiche apolari si legano fortemente con porzioni simili su altre proteine e formano grandi aggregati. Gli aggregati casuali portano le cellule alla morte : malattie come l'anemia falciforme, il morbo della mucca pazza, e il morbo di Alzheimer sono causate da aggregazioni innaturali di proteine che formano fibrille che ostacolano la vita cellulare.

Guide Durante il Processo di Ripiegamento
I Chaperon sono particolari proteine che guidano le altre proteine durante il corretto processo di ripiegamento. Le proteggono durante il ripiegamento schermandole da altre proteine che potrebbero legarsi e impedire il processo. Molti chaperon sono chiamati proteine da "shock termico" (con nomi come HSP-60) perché sono sintetizzati in grande quantità quando le cellule sono esposte ad un forte calore, come nel caso di ustioni. Una temperatura eccessiva, in generale, destabilizza le proteine e rende i ripiegamenti errati più frequenti. Così quando la temperatura si alza troppo, le cellule hanno bisogno di un aiuto extra con le loro proteine.

Chaperon HSP-60
Questo tipo di chaperon ha una struttura complessa e realizza un ambiente chiuso per le proteine in fase di ripiegamento che le protegge totalmente durante il processo. Qui è mostrato il complesso GroEL-GroES del batterio E.coli (file PDB 1aon).
La struttura è composta da due anelli sovrapposti di proteine GroEL, colorati qui in verde e in blu, e un cappuccio sul lato inferiore di proteine GroES, colorato in rosso e giallo. Come si vede nella figura in alto, sette proteine GroEL formano un anello con una cavità interna dalle dimensioni di una proteina. Le proteine non avvolte entrano in questa cavità e si ripiegano al suo interno.





Chaperon HSP-70 e Prefoldin
Alcuni chaperon più piccoli proteggono le proteine che hanno appena lasciato il ribosoma. In questo stadio le proteine possono avere una percentuale molto piccola della loro struttura già ripiegata, così le porzioni allungate della catena con gruppi di tipo idrocarburico apolare sono particolarmente suscettibili all'aggregazione.

Il chaperon HSP-70 (qui a fianco) trova queste porzioni allungate, vi si lega e le scherma dalle molecole circostanti. Poi, con l'energia dell'ATP, il chaperon rilascia la catena quando questa è pronta a ripiegarsi. Gli HSP-70 sono composti di due domini: uno che lega ATP e controlla il processo, mostrato in alto a sinistra (file PDB 1dkg) e uno che si lega alle porzioni di catena proteica non avvolta con gruppi idrocarburici apolari, mostrato in alto sulla destra (file PDB 1dkz). Un piccolo peptide, colorato in rosa, è legato nella profonda fenditura che lega la proteina.

Il chaperon Prefoldin dalla strana forma a medusa, mostrato qui a fianco dal file PDB 1fxk, compie un lavoro simile inglobando le catene proteiche non avvolte durante il processo di ripiegamento.







Esplorando la Struttura
Il grande complesso GroEL-GroES è disponibile nel file PDB 1aon. In questa figura sono state rimosse tre subunità in ciascun anello GroEL per mostrare l'interno, lasciando quattro subunità in ciascun anello. Nelle due subunità sul retro, gli amminoacidi idrocarburici apolari LEU, ILE, VAL, MET, PHE, TYR e TRP sono colorati in blu. Si osservi la striscia di amminoacidi idrocarburici idrofobici vicino all'entrata in alto. Questa interagisce fortemente con le proteine non ripiegate attirandole nella cavità. Si osservi ora la cavità inferiore, incappucciata sul fondo da GroES colorato in rosso. Usando l'energia dell'ATP (in questa struttura si trova ADP, colorato in rosso), l'anello GroEL subisce una grande variazione di forma. La cavità diventa molto più grande, e la striscia di amminoacidi idrocarburici apolari non è più a contatto con la cavità. Questo costringe una catena proteica intrappolata all'interno (non mostrata nella figura) a ripiegarsi su se stessa, avendo a disposizione abbastanza spazio per il processo.

Questa figura è stata creata con Chime. Anche voi potete creare immagini simili cliccando sui codici di accesso qui sopra e scegliendo una delle opzioni nel menù "View Structure".


Bibliografia

Hartl, F.U. and Hayer-Hartl, M. (2002) Molecular Chaperones in the Cytosol: from Nascent Chain to Folded Protein. Science 295, 1852-1858.