4.7 Protein Folding og Tilhørende Sykdommer

Proteiner syntetiseres på ribosomer som nascent polypeptider i lumen av endoplasmatisk retikulum (ER). Aminosyresekvensen av proteiner som bestemmer sekundære og tertiære strukturer, dikteres av nukleotidsekvensen av mRNA. I sin tur bestemmes mRNA-sekvenser AV DNA-sekvenser (Kapitlene 23-25232425). Som diskutert tidligere, førte De klassiske forsøkene Til Pauling Og Anfinsen til konseptene at visse viktige aminosyrer i de riktige posisjonene er avgjørende for folding av proteiner i en tredimensjonal, funksjonell, unik konformasjon. Det er utrolig at, av hundrevis av millioner av konformasjonsmuligheter, er bare en enkelt konformasjonsform forbundet med et funksjonelt protein. Prosessen med å styre og målrette foldingen av mellomliggende polypeptider til de fullt foldede strukturer blir i noen tilfeller hjulpet av proteiner kjent som molekylære chaperoner (også kalt chaperoniner) (Figur 4-13).

FIGUR 4-13. Pathway av protein folding. Normal folding skjer ved hjelp av chaperones og andre faktorer. Misfolding av polypeptider kan føre til målretting mot upassende cellulære steder, eller til nedbrytning som en del av kvalitetskontrollprosessen, eller til aggregering. Det aggregerte produktet er ofte resistent mot proteolyse og danner aggregater, som amyloidplakk.

Anstand bindes reversibelt til utfoldede polypeptidsegmenter og forhindrer misfolding og for tidlig aggregering. Denne prosessen innebærer energiforbruk gitt av HYDROLYSEN AV ATP. En stor klasse av chaper-ones er varmesjokkproteiner (hsp), som syntetiseres i både prokaryote og eukaryote celler som respons på varmesjokk eller andre påkjenninger (f.eks. Det er mange klasser av varmesjokk anstand (HSP-60, HSP-70, OG HSP-90) som er til stede i forskjellige organeller i cellen. Hsp-70 chaperones inneholder to domener: Et atpase-domene og et peptidbindende domene. De stabiliserer nascent polypeptider og er også i stand til å rekonstruere denaturerte former for polypeptider. Hsp-70-familien av chaperoner viser en høy grad av sekvenshomologi blant ulike arter (F. eks. E. coli og humane hsp-70-proteiner viser 50% sekvenshomologi).en annen chaperone, calnexin, er et 90 kDa Ca2+-bindende protein og er et integrert membranfosfoprotein av ER. Calnexin overvåker eksporten av nylig syntetiserte glykoproteiner ved å kompleksere med misfoldede glykoproteiner som har gjennomgått glykosylering (Kapittel 16). Hvis et protein ikke kan brettes inn i sin riktige konformasjon, anstand bistå i ødeleggelse. Prosessen med folding blir også lettere av det ioniske miljøet, kofaktorer og enzymer. For eksempel påvirkes folding av proteindisulfidisomerase, som katalyserer dannelsen av korrekte disulfidbindinger, og ved peptidylprolyl-isomeraser, som katalyserer cis-transisomeriseringen av spesifikke aminosyre-prolinpeptidbindinger.Flere forstyrrelser av proteinfolding er kjent som har det karakteristiske patologiske kjennetegnet for proteinaggregering og innskudd i og rundt cellene. Proteinavsetningene kalles amyloid og sykdommen er kjent som amyloidose. Proteinfoldingssykdommer, også kjent som konformasjonssykdommer, har mange forskjellige etiologier, for eksempel endringer i proteinets primære struktur, defekter i chaperoner og upassende tilstedeværelse eller påvirkning av andre proteiner. En liste over proteinfoldingsforstyrrelser er gitt i Tabell 4-1; noen er omtalt nedenfor og andre i etterfølgende kapitler. Et vanlig, men ikke uforanderlig aspekt ved konformasjonsproteinsykdommer er at aggregeringen av polypeptider består av β-strukturer. Dette skyldes i hovedsak en overgang fra α-spiralstruktur til β-struktur. En annen funksjon er at aggregatene er resistente mot normal proteolyse.

TABELL 4-1. Examples of Protein Folding Diseases*

Disease	Mutant protein/protein involved	Molecular phenotype
Inability to fold
Cystic fibrosis	CFTR	Misfolding/altered Hsp70 and calnexin interactions
Marfan syndrome	Fibrillin	Misfolding
Amyotrophic lateral sclerosis	Superoxide dismutase	Misfolding
Scurvy	Collagen	Misfolding
Maple syrup urine disease	α-Ketoacid dehydrogenase complex	Misassembly/misfolding
Cancer	p53	Misfolding/altered Hsp70 interaction
Osteogenesis imperfecta	Type I procollagen pro α	Misassembly/altered BiP expression
Toxic folds
Scrapie/Creutzfeldt-Jakob/ familial insomnia	Prion protein	Aggregation
Alzheimer’s disease	β-Amyloid	Aggregation
Familial amyloidosis	Transthyretin/lysozyme	Aggregation
Cataracts	Crystallins	Aggregation
Mislocalization owing to misfolding
Familial hypercholesterolemia	LDL receptor	Improper trafficking
α1-Antitrypsin deficiency	α1-Antitrypsin	Improper trafficking
Tay-Sachs disease	β-Hexosaminidase	Improper trafficking
Retinitis pigmentosa	Rhodopsin	Improper trafficking
Leprechaunism	Insulin receptor	Improper trafficking

* Reproduced with permission from P. J. Thomas, B-H. Qu and P. L. Pedersen. Trends in Biochemicals Sciences 20, 456 (1995). et demenssyndrom preget av en lumsk progressiv nedgang i minne, kognisjon, atferdsstabilitet og uavhengig funksjon ble beskrevet Av Alois Alzheimer og er kjent som Alzheimers sykdom (AD). Alder er en viktig risikofaktor for ALZHEIMERS sykdom; det påvirker 10% av personer over 65 år og ca 40% av de over 85 år. De karakteristiske nevropatologiske endringene inkluderer dannelse av ekstracellulære nevrotiske plakk og intraneuronale floker med tilhørende nevronaltap i hippocampus og neocortex (Figur 4-14).

FIGUR 4-14. Seksjon av hjernebarken fra En Pasient Med Alzheimers sykdom som inneholder nevrofibrillær floke (A) og nevrotisk plakk (B). Seksjonen ble behandlet Med Bielsehowskys flekk. (Gjengitt Med Tillatelse Av John M. Hardman.)

hovedbestanddelen av de ekstracellulære plakkene er amyloid β-protein (Enß), som aggregeres til 8 nm filamenter. Enß er et peptid på 40 eller 42 aminosyrerester og er proteolytisk avledet fra et transmembrant glykoprotein kjent som β-amyloid forløperprotein (β APP). Enzymene som klipper ßAPP til Enß er kjent som secretases. ß er bredt uttrykt, spesielt i hjernen, og genet har blitt lokalisert til kromosom 21q. To store observasjoner har hjulpet til å forstå Rollen Til Etß peptider i Patologien Til Alzheimers sykdom. Den første er at pasienter med Downs syndrom har trisomi 21 (dvs., tre kromosom 21 i stedet for to), utviser Enß innskudd, og utvikler klassiske trekk Ved Alzheimers sykdom i en alder av 40 år eller tidligere. For det andre er det identifisert flere missense-mutasjoner i ß i tilfeller av autosomal dominant Alzheimers sykdom. Disse dominerende mutasjonene i ③app påvirker virkningen av sekretaser negativt enten ved å øke den absolutte frekvensen Av Enß utskillelse (N-terminale mutasjoner) eller ved å øke forholdet Enß 42 til Enß 40 (C-terminale mutasjoner).

Arvelige Sykdommer I Alzheimers sykdom representerer mindre enn 1% av alle tilfeller. Aß-peptidene aggregatet til å danne β-strukturer som fører til fibriller. Aß 42-peptidene er mer nevrotoksiske og gir toksiske effekter av mange sammenhengende mekanismer. Disse kan innebære oksidativ skade, endringer i intracellulær Ca2 + homeostase, cytoskeletal omorganisering og handlinger av cytokiner.de intraneuronale tanglene er bunter av lange parede spiralformede filamenter som består av det mikrotubule-assosierte proteinet tau. Tau-proteinets normale funksjon er å stabilisere mikrotubuli i nevroner ved å øke polymeriseringen av tubulin. Normalt er tau protein løselig; men når det er for mye fosforylert, blir det til en uoppløselig filamentøs polymer. Dysreguleringen av fosforylerings – / defosforyleringshendelser har blitt tilskrevet en økt aktivitet av visse kinaser og en redusert aktivitet av visse fosfataser. Mens plakk er patognomonisk FOR AD, er tangles funnet i etiologisk forskjellige nevrologiske sykdommer. Forstyrrelser av unormal hyperfosforylering og avvikende aggregering av tau protein i fibrillære polymerer er kjent som taupathies. Eksempler på taupathies i tillegg TIL AD er progressiv supranukleær parese, Picks sykdom, kortikobasal degenerasjon ogfrontotemporal demens.

To andre gener i tillegg til ß har vært involvert i tidlig debut av autosomale dominerende Former For Alzheimers sykdom. De to andre forårsakende gener er plassert på kromosomene 14 og 1 og kode for transmembranproteinerpresenilin 1 (bestående av 467 aminosyrerester) og presenilin 2 (bestående av 448 aminosyrerester). Disse proteinene syntetiseres i nevroner, men deres funksjoner er ikke kjent. Mutasjoner i presenilin-genene fører imidlertid til overdreven produksjon av Enß 42 peptider.Sporadiske Former For Alzheimers sykdom, ansvarlig for 90% av alle tilfeller, er komplekse sykdommer og kan representere den kombinerte virkningen av både miljøfaktorer og genetiske egenskaper som manifesterer seg over lange tidsperioder. Ulike former for et polymorf gen for apolipoprotein E (apo E) som er på kromosom 19 har vist seg å forekomme i høyere frekvens hos Personer med Alzheimers sykdom. Det er tre alleler av apo e-genet med seks kombinasjoner: ε2/ε2, ε3/ε3, ε4/ε4, ε2/ε3, ε2/ε4, og ε3/ε4. Apo E er et lipidbærerprotein som primært syntetiseres i leveren; men det syntetiseres også i astrocytter og nevroner. Funksjonen av apo e proteiner i lipoprotein metabolisme og deres forhold til tidlig aterosklerose er omtalt I Kapittel 20.

av de flere genotypene for apo E, kan kjøp av to apo E ε alleler øke Risikoen for Alzheimers sykdom opp til åttedoblet. Hver kopi av apo e-genet øker risikoen og skifter utbruddet til lavere alder. Den biokjemiske mekanismen for at apo E ε 4-protein deltar i dannelsen av floker og plakk er uklar. Flere mekanismer er foreslått, nemlig interaksjon med tau-protein og generering, og clearance av Etß peptider.

Farmakologisk terapi for Alzheimers sykdom består i å korrigere det kolinerge underskuddet ved å administrere acetylkolinesterasehemmere (f.eks. takrin, donepezil). Østrogenbehandling hos kvinner Med Alzheimers sykdom har vært forbundet med forbedret kognitiv ytelse. Østrogenets gunstige effekt kan skyldes kolinerge og nevrotrofiske handlinger. Andre terapeutiske strategier er rettet mot å hemme eller redusere dannelsen av nevrotoksiske peptider. I tillegg kan legemidler som selektivt fordøyer de aggregerte peptidene, være nyttige. En eksperimentell vaksine som inneholder ap peptid administrert til plakkproduserende mus fører til mindre plakkdannelse hos yngre mus og forsvinning av plakk hos eldre mus. Endringene i plakkdannelsen hos mus var forbundet med bevaring av minne og læringsevne. Vaksinasjonen utløste ikke en autoimmun respons eller toksisk reaksjon hos forsøksdyrene. Dermed har disse studiene gitt impuls for utviklingen av en human vaksine.ved evaluering av En Pasient for Alzheimers sykdom er det viktig at andre behandlingsårsaker til demens utelukkes ved å bestemme kritiske biokjemiske og kliniske parametere. Noen av de treatable, relativt vanlige abnormiteter som produserer demens inkluderer narkotikamisbruk, elektrolyttubalanse, skjoldbruskkjertelavvik og vitamin B12-mangel; mindre vanlige abnormiteter er svulst, slag og wernickes encefalopati.Transthyretin amyloidose (også kalt familiær amyloid polyneuropati) er et autosomalt dominant syndrom preget av perifer nevropati. Denne sykdommen skyldes en av fem mutasjoner identifisert hittil i genet for transthyretin. Transthyretin kalles også prealbumin (selv om det ikke har noe strukturelt forhold til albumin) fordi det migrerer foran albumin i standard elektroforese ved pH 8,6. Transthyretin syntetiseres i leveren og er et normalt plasmaprotein med en konsentrasjon på 20-40 mg / dL. Det transporterer tyroksin og retinolbindende protein (Kapittel 38). Konsentrasjonen av transtyretin er signifikant redusert i underernæring og plasmanivåer er diagnostiske for forstyrrelser av underernæring (Kapittel 17).

genet for transthyretin ligger på kromosom 18 og det uttrykkes på en konstitutiv måte. Den primære strukturen til transtyretin består av 127 aminosyrerester og åtte β – arkstrukturer arrangert i en antiparallell konformasjon på parallelle plan (Figur 4-15).

FIGUR 4-15. Strukturen av transthyretin. Molekylet inneholder åtte antiparallelle β-tråder (A-H) arrangert i to parallelle plan. Den sirkulerende formen av transthyretin er en tetramer. Noen mutasjoner i transthyretin-genet er assosiert med amyloidose, og åtte av aminosyreforandringene som forårsaker denne sykdommen er indikert. I plasma er transthyretin en tetramer sammensatt av identiske monomerer. Det ser ut til at mutasjoner forårsaker at det monomere, utfoldede mellomproduktet av transtyretin aggregeres til en uoppløselig β-amyloidfibrildannelse.