4.7 Skládání Bílkovin a Nemoci s tím Spojené

Proteiny jsou syntetizovány na ribozomech jako rodící se polypeptidů v lumen endoplazmatického retikula (ER). Aminokyselinová sekvence proteinů, která určuje sekundární a terciární struktury, je diktována nukleotidovou sekvencí mRNA. Sekvence mRNA jsou zase určeny sekvencemi DNA (kapitoly 23-25232425). Jak již bylo uvedeno dříve, klasické experimenty Pauling a Anfinsen vedlo k pojetí, že některé klíčové aminokyseliny na správné pozice jsou zásadní pro skládání proteinů do tří-dimenzionální, funkční, unikátní konformace. Je úžasné, že ze stovek milionů konformačních možností je pouze jedna konformační forma spojena s funkčním proteinem. Proces řízení a cílení skládací střední polypeptidy, aby plně složené struktury je podporovaný, v některých případech o proteiny známé jako molekulární chaperony (také volal chaperonins) (Obrázek 4-13).

OBRÁZEK 4-13. Cesta skládání bílkovin. Normální skládání nastává pomocí chaperonů a dalších faktorů. Nesprávné složení polypeptidů může vést k zacílení na nevhodná buněčná místa nebo k degradaci jako součást procesu kontroly kvality nebo k agregaci. Agregovaný produkt je často odolný vůči proteolýze a vytváří agregáty, jako jsou amyloidní plaky.

Chaperony reverzibilně vážou na rozložil polypeptid segmenty a zabránit jejich misfolding a předčasné agregace. Tento proces zahrnuje výdaje na energii poskytované hydrolýzou ATP. Hlavní třída chaper-ty je heat-shock proteiny (hsp), které jsou syntetizovány jak v prokaryotické a eukaryotické buňky v reakci na tepelný šok nebo jiný stres (např. volnými radikály expozice). Existuje mnoho tříd chaperonů tepelného šoku (HSP-60, HSP-70 a HSP-90), které jsou přítomny v různých organelách buňky. HSP-70 chaperony obsahují dvě domény: atpázovou doménu a peptidovou vazebnou doménu. Stabilizují vznikající polypeptidy a jsou také schopny rekonformovat denaturované formy polypeptidů. Rodina chaperonů HSP-70 vykazuje vysoký stupeň sekvenční homologie u různých druhů (např. E. coli a lidské proteiny HSP-70 vykazují 50% sekvenční homologii).

Další Chaperon, calnexin, je protein vázající 90 kDa Ca2+a je integrálním membránovým fosfoproteinem ER. Calnexin sleduje exportu nově syntetizovaných glykoproteiny do komplexotvorná s patologickou konformací glykoproteiny, které prošly glykosylace (Kapitola 16). Pokud protein nemůže být složen do správné konformace, chaperony pomáhají při ničení. Proces skládání je také usnadněn iontovým prostředím, kofaktory a enzymy. Například, skládací je ovlivněn protein disulfid izomeráza, která katalyzuje tvorbu správné disulfidové vazby, a v centru peptidyl-prolyl isomerázy, které katalyzují cis-trans izomerace specifických aminokyselin-prolin peptidové vazby.

demence syndrom charakterizovaný zákeřný progresivní pokles paměť, poznávání, behaviorální stabilitu, a nezávislé funkce popsal Alois Alzheimer a je známý jako Alzheimerova choroba (AD). Věk je důležitým rizikovým faktorem pro AD; postihuje 10% osob starších 65 let a asi 40% osob starších 85 let. Charakteristické neuropatologické změny zahrnují tvorbu extracelulární neuritic plakety a certifikovaná zamotání s spojené ztrátě neuronů v hipokampu a neokortexu (Obrázek 4-14).

OBRÁZEK 4-14. Část mozkové kůry od pacienta s Alzheimerovou chorobou obsahující neurofibrilární spleť (A) a neuritický plak (B). Úsek byl zpracován bielsehowského skvrnou. (S laskavým svolením Johna M. Hardmana.)

hlavní složkou extracelulárních plaků je amyloidní β-protein (Aß), který se agreguje do 8 nm vláken. Aß je peptid 40 nebo 42 aminokyselinových zbytků a je proteolytically odvozen od transmembránový glykoprotein známý jako β-amyloid prekurzor protein (β-APP). Enzymy, které štěpí ßAPP na Aß, jsou známé jako sekretázy. ßAPP je široce vyjádřil, zejména v mozku, a jeho gen byl lokalizován na chromozomu 21q. Dva hlavní pozorování pomáhal v pochopení role Aß peptidů v patologii Alzheimerovy choroby. První je, že pacienti s Downovým syndromem mají trizomii 21 (tj., tři chromozomy 21 místo dvou), vykazují aß vklady a vyvíjejí klasické rysy Alzheimerovy choroby ve věku 40 let nebo dříve. Za druhé, několik missense mutací v ßAPP bylo identifikováno v případech autozomálně dominantní Alzheimerovy choroby. Tyto dominantní mutace v ßAPP nepříznivě ovlivnit činnost secretases buď zvyšováním absolutní rychlost Aß vylučování (N-terminální mutace), nebo zvýšením poměru Aß42, aby Aß40 (C-terminální mutace).

dědičné poruchy Alzheimerovy choroby představují méně než 1% všech případů. Peptidy Aß agregují za vzniku β-struktur vedoucích k fibrilům. Peptidy Aß42 jsou více neurotoxické a způsobují toxické účinky mnoha vzájemně propojenými mechanismy. Tyto mohou zahrnovat oxidační zranění, změny v intracelulární Ca2+ homeostázy, cytoskeletální reorganizaci, a akce tím, že cytokiny.

Na závěr zamotání jsou svazky dlouhých spárovaná helikální filamenta, které se skládají z mikrotubulové-asociovaný protein tau. Normální funkcí proteinu tau je stabilizace mikrotubulů v neuronech zvýšením polymerace tubulinu. Normálně je protein tau rozpustný; když je však nadměrně fosforylován, změní se na nerozpustný vláknitý polymer. Dysregulace fosforylace / defosforylace byla přičítána zvýšené aktivitě určitých kináz a snížené aktivitě některých fosfatáz. Zatímco plaky jsou patognomonické pro AD, spleti se vyskytují u etiologicky odlišných neurologických onemocnění. Poruchy abnormální hyperfosforylace a aberantní agregace tau proteinu do fibrilárních polymerů jsou známé jako taupatie. Příklady taupatií kromě AD jsou progresivní supranukleární obrna, Pickova choroba, kortikobazální degenerace afrontotemporální demence.

dva další geny kromě ßAPP byly zapojeny do časného nástupu autosomálně dominantních forem Alzheimerovy choroby. Další dva kauzální geny jsou umístěny na chromozomech 14 a 1 a kód pro transmembránový proteinspresenilin 1 (skládající se z 467 aminokyselinových zbytků) a presenilin 2 (skládající se z 448 aminokyselinových zbytků). Tyto proteiny jsou syntetizovány v neuronech, ale jejich funkce nejsou známy. Mutace v presenilinových genech však vedou k nadměrné produkci peptidů Aß42.

sporadické formy Alzheimerovy choroby, zodpovědné za 90% všech případů, jsou komplexní onemocnění a mohou představovat kombinované působení jak environmentálních faktorů,tak genetických rysů, které se projevují po dlouhou dobu. Různé formy polymorfní gen pro apolipoprotein E (apo E), který je na chromozomu 19 bylo zjištěno, že se vyskytují ve vyšší frekvenci u osob s Alzheimerovou chorobou. Existují tři alely genu apo E se šesti kombinacemi: E2/E2, E3/E3, E4/E4, E2/E3, e2/e4 a E3/E4. Apo E je lipidový nosný protein, který je primárně syntetizován v játrech; je však také syntetizován v astrocytech a neuronech. Funkce proteinů apo E v metabolismu lipoproteinů a jejich vztah k předčasné ateroskleróze jsou diskutovány v kapitole 20.

z několika genotypů pro apo E může získání dvou alel apo e ε4 zvýšit riziko Alzheimerovy choroby až osmkrát. Každá kopie genu apo E zvyšuje riziko a posouvá nástup do nižšího věku. Biochemický mechanismus, kterým se protein apo e ε4 podílí na tvorbě spleti a plaků, je nejasný. Bylo navrženo několik mechanismů, jmenovitě interakce s Tau proteinem a generace a clearance Aß peptidů.

farmakologická léčba Alzheimerovy choroby spočívá v korekci cholinergního deficitu podáváním inhibitorů acetylcholinesterázy(např. Estrogenová terapie u žen s Alzheimerovou chorobou byla spojena se zlepšeným kognitivním výkonem. Příznivý účinek estrogenu může být způsoben cholinergními a neurotrofickými účinky. Jiné terapeutické strategie jsou zaměřeny na inhibici nebo snížení tvorby neurotoxických peptidů. Kromě toho se mohou ukázat jako užitečné léky, které selektivně tráví agregované peptidy. Experimentální vakcína, která obsahuje AP peptid podávaný myším produkujícím plaky, vede k menší tvorbě plaků u mladších myší a vymizení plaků u starších myší. Změny v tvorbě plaku u myší byly spojeny se zachováním paměti a schopností učení. Vakcinace u pokusných zvířat nevyvolala autoimunitní odpověď ani toxickou reakci. Tyto studie tak poskytly impuls pro vývoj lidské vakcíny.

při hodnocení pacienta na Alzheimerovu chorobu je nezbytné vyloučit další léčitelné příčiny demence stanovením kritických biochemických a klinických parametrů. Některé z léčitelných, relativně časté abnormality, které způsobují demenci, zahrnují zneužívání drog, nerovnováhu elektrolytů, abnormality štítné žlázy a nedostatek vitaminu B12; méně častými abnormalitami jsou nádor, mrtvice a Wernickeho encefalopatie.

Transthyretin amyloidóza (také nazývané familiární amyloidní polyneuropatie) je autozomálně dominantní syndrom charakterizovaný periferní neuropatie. Toto onemocnění je výsledkem jedné z pěti dosud identifikovaných mutací v genu pro transthyretin. Transthyretin se také nazývá prealbumin (i když nemá strukturální vztah k albuminu), protože migruje před albuminem ve standardní elektroforéze při pH 8,6. Transthyretin je syntetizován v játrech a je normální plazmatický protein s koncentrací 20-40 mg / dl. Transportuje protein vázající tyroxin a retinol (Kapitola 38). Koncentrace transthyretinu je významně snížena při podvýživě a plazmatické hladiny jsou diagnostikou poruch podvýživy (Kapitola 17).

gen pro transthyretin se nachází na chromozomu 18 a je exprimován konstitutivním způsobem. Primární struktura transthyretin se skládá ze 127 aminokyselinových zbytků a osm β-list struktury uspořádány v antiparalelní konformaci na rovnoběžných rovinách (Obrázek 4-15).

OBRÁZEK 4-15. Struktura transthyretinu. Molekula obsahuje osm antiparalelních β-řetězců (A-H) uspořádaných ve dvou rovnoběžných rovinách. Cirkulující forma transthyretinu je tetramer. Některé mutace v genu transthyretinu jsou spojeny s amyloidózou a je indikováno osm změn aminokyselin způsobujících toto onemocnění. V plazmě je transthyretin tetramer složený z identických monomerů. Zdá se, že mutace způsobují monomerní rozložil meziprodukt transthyretin agregovat do nerozpustný β-amyloid vlákenné formace.

Tse mohou vykazovat dědičné, infekční a sporadické prezentace. Zděděné onemocnění může být také infekční. CJD se vyskytuje jak jako zděděná autozomálně dominantní porucha, tak v přenosné formě. V „protein only“ hypotéza, abnormálního prionového proteinu, a to buď zavedena z vnějších zdrojů, nebo vyrobené mutovaného genu prionového proteinu, vliv na normální skládání bílkovin a směny prionového proteinu skládací k tvorbě abnormálního prionového proteinu. Přeměna normálního prionového proteinu, jehož funkce není známa, na aberantní formu zahrnuje spíše konformační změnu než kovalentní modifikaci. Abnormálního prionového proteinu funguje jako semeno, které navozuje normální buněčného prionového proteinu k abnormální amyloidogenic bohaté, β-strukturu proteinů, která může být rozšířena a přenáší na další buňky. Agregovaná forma prionového proteinu tvořícího amyloid je rezistentní na proteolýzu.

konverze přirozeně se vyskytující proteáza-senzitivní prionového proteinu na proteázy-resistanct forma se vyskytuje in vitro smícháním dvou proteinů. Tyto prionové proteiny rezistentní na proteázu však nejsou infekční. V hypotéze“ pouze pro proteiny “ prionové infekce tedy není získání abherrantní konformace dostatečné pro šíření infekčnosti. Nicméně, v droždí (Saccharomyces cerevisiae) systému, neobvyklá prionová forma kvasinky protein, zavedené liposom fusion, je schopen semeno self-rozmnožovací konformační změnu normální proteiny, které se hromadí jako kamenivo. Agregáty jsou přenosné na dceřiné kvasinkové buňky spolu s množením abnormálního fenotypu.

nedávno se objevil závažný problém veřejného zdraví tím, že se ukázalo, že prionová choroba u skotu může překročit druhové bariéry a infikovat člověka. K tomu došlo, když byl dobytek krmen jídlem vyrobeným z ovcí infikovaných klusavkou. U skotu se vyvinula BSE (běžně nazývaná „nemoc šílených krav“). Následně, když lidé konzumovali hovězí maso kontaminované prionem, malé množství, především ve Velké Británii, vyvinulo variantu CJD (vCJD) přibližně pět let poté. Variantní forma CJD je jedinečná forma prionové choroby vyskytující se v mnohem mladší populaci, než by se dalo očekávat od zděděného nebo sporadického CJD. BSE i vCJD sdílejí mnoho podobných patologických charakteristik naznačujících etiologickou souvislost mezi lidským vCJD a BSE skotu.

tumor supresorového proteinu p53 poskytuje ještě další příklad protein misfolding, které mohou vést k patologické účinky, v tomto případě rakoviny (p je pro bílkoviny a 53 je pro jeho přibližné molekulové hmotnosti 53,000). Gen pro p53 je umístěn na krátkém rameni chromozomu 17 (17 p) a kódy pro 393-amino-kyseliny přítomný. U mnoha druhů rakoviny je gen p53 mutován a nedostatek normálního proteinu p53 byl spojen s vývojem až 40% lidských rakovin.

Normální p53 funguje jako tumor supresorový a je transkripční faktor, který se obvykle podílí na regulaci několik genů potřebných pro kontrolu růstu buněk, DNA opravy, andapoptosis (programované buněčné smrti). Normální p53 je tetramer a váže se na DNA sekvenčně specifickým způsobem. Jeden z p53-regulovaných genů produkuje protein, známý jako p21, který zasahuje do buněčného cyklu vazbou na cyklin kinázy. Dalšími geny regulovanými p53 jsou MDM2 a BAX. Bývalý gen kóduje protein, který inhibuje působení p53 tím, že funguje jako součást regulačního mechanismu zpětné vazby. Předpokládá se, že protein vytvořený genem BAX hraje roli v apoptóze vyvolané p53.

většina mutací genů p53 jsou somatické missense mutace zahrnující substituce aminokyselin ve vazebné doméně DNA. Mutované formy p53 jsou patologickou konformací proteinů s abnormální konformací a neschopnost vázat se na DNA, nebo jsou méně stabilní. Jedinci se vzácnou poruchou li-Fraumeniho syndromem (autozomálně dominantní rys) mají jeden mutovaný gen p53 a jeden normální gen p53. Tito jedinci mají zvýšenou náchylnost k mnoha rakovinám, jako je leukémie, karcinomy prsu, sarkomy měkkých tkání, nádory mozku a osteosarkomy.

probíhají klinické studie s cílem zjistit, zda zavedení normálního genu p53 do nádorových buněk pomocí genové terapie (Kapitola 23) má příznivé účinky při léčbě rakoviny. Časné výsledky s genovou terapií p53 naznačují, že může zmenšit nádor spuštěním apoptózy.