4.7 fałdowanie białek i związane z nimi choroby

białka są syntetyzowane na rybosomach jako rodzące się polipeptydy w świetle retikulum endoplazmatycznego (ER). Sekwencja aminokwasowa białek determinująca struktury drugorzędowe i trzeciorzędowe jest podyktowana sekwencją nukleotydową mRNA. Z kolei sekwencje mRNA są określane przez sekwencje DNA (rozdziały 23-25232425). Jak wspomniano wcześniej, Klasyczne eksperymenty Paulinga i Anfinsena doprowadziły do pojęć, że pewne kluczowe aminokwasy w odpowiednich pozycjach są niezbędne do składania białek w trójwymiarową, funkcjonalną, unikalną konformację. To niesamowite, że spośród setek milionów możliwości konformacyjnych, tylko jedna forma konformacyjna jest związana z funkcjonalnym białkiem. Proces kierowania i kierowania na fałdowanie pośrednich polipeptydów do całkowicie pofałdowanych struktur jest wspomagany, w niektórych przypadkach, przez białka znane jako molekularne opiekuny (zwane również opiekuńczymi) (Fig. 4-13).

rysunek 4-13. Szlak fałdowania białek. Normalne składanie odbywa się za pomocą przyzwoitek i innych czynników. Niewłaściwe fałdowanie polipeptydów może prowadzić do celowania w niewłaściwe lokalizacje komórkowe lub do degradacji w ramach procesu kontroli jakości lub do agregacji. Zagregowany produkt jest często odporny na proteolizę i tworzy Agregaty, takie jak płytki amyloidowe.

białka opiekuńcze wiążą się odwracalnie do rozłożonych segmentów polipeptydowych i zapobiegają ich nieprawidłowemu fałdowaniu i przedwczesnej agregacji. Proces ten obejmuje wydatek energetyczny dostarczany przez hydrolizę ATP. Główną klasą chaper – ones jest białka szoku cieplnego (hsp), które są syntetyzowane w obu prokariotycznych i eukariotycznych komórek w odpowiedzi na szok cieplny lub inne naprężenia (np. ekspozycja na wolne rodniki). Istnieje wiele klas przyzwoitek szoku cieplnego (HSP-60, HSP-70 i HSP-90), które są obecne w różnych organelach komórki. Białka opiekuńcze HSP-70 zawierają dwie domeny: domenę ATPazy i domenę wiążącą peptyd. Stabilizują rodzące się polipeptydy, a także są w stanie zrekonstruować denaturowane formy polipeptydów. Rodzina białek opiekuńczych HSP-70 wykazuje wysoki stopień homologii sekwencji wśród różnych gatunków (np. E. coli i ludzkie białka HSP-70 wykazują 50% homologii sekwencji).

inny opiekun, calnexin, jest białkiem wiążącym Ca2+90 kDa i jest integralną fosfoproteiną membranową ER. Kalnexin monitoruje eksport nowo zsyntetyzowanych glikoprotein przez kompleksowanie z nieprawidłowo złożonymi glikoproteinami, które zostały poddane glikozylacji (Rozdział 16). Jeśli białko nie może być złożone do jego właściwej konformacji, opiekuńcze pomagają w niszczeniu. Proces składania jest również ułatwiony przez środowisko jonowe, kofaktory i enzymy. Na przykład na składanie wpływa izomeraza dwusiarczkowa białka, która katalizuje tworzenie prawidłowych wiązań dwusiarczkowych, oraz izomerazy peptydylo-prolilowe, które katalizują izomeryzację cis-trans specyficznych wiązań peptydowych aminokwasowo-prolinowych.

zespół otępienia charakteryzujący się podstępnym postępującym spadkiem pamięci, funkcji poznawczych, stabilności behawioralnej i niezależnej funkcji został opisany przez Aloisa Alzheimera i jest znany jako choroba Alzheimera (AD). Wiek jest ważnym czynnikiem ryzyka AD; dotyka 10% osób powyżej 65 roku życia i około 40% osób powyżej 85 roku życia. Charakterystyczne zmiany neuropatologiczne obejmują tworzenie się zewnątrzkomórkowych blaszek neurytycznych i splątań wewnątrzturonalnych z powiązaną utratą neuronów w hipokampie i Korie nowej (Fig. 4-14).

rysunek 4-14. Sekcja kory mózgowej od pacjenta z chorobą Alzheimera zawierająca plątaninę neurofibrilarną (A) i płytkę neurytyczną (B). Odcinek został przerobiony bejcą Bielsehowskiego. (Dzięki uprzejmości Johna M. Hardmana.)

głównym składnikiem blaszek pozakomórkowych jest amyloidowe białko β (aß), które agreguje się w włókna o długości 8 nm. Aß jest peptydem 40 lub 42 reszt aminokwasowych i jest proteolitycznie otrzymywany z glikoproteiny przezbłonowej znanej jako białko prekursorowe β-amyloidu (β APP). Enzymy, które rozszczepiają ßAPP do Aß są znane jako sekretazy. ßAPP jest szeroko wyrażona, szczególnie w mózgu, i jego gen został zlokalizowany chromosom 21Q. dwa główne obserwacje pomogły w zrozumieniu roli peptydów Aß w patologii choroby Alzheimera. Pierwszym jest to, że pacjenci z zespołem Downa mają trisomię 21 (tj., trzy chromosomy 21 zamiast dwóch), wykazują złogi Aß i rozwijają klasyczne cechy choroby Alzheimera w wieku 40 lat lub wcześniej. Po drugie, zidentyfikowano kilka mutacji missense w ßAPP w przypadkach autosomalnej dominującej choroby Alzheimera. Te dominujące mutacje w ßAPP niekorzystnie wpływają na działanie sekretaz albo przez zwiększenie bezwzględnej szybkości wydalania Aß (N-końcowe mutacje), albo przez zwiększenie stosunku Aß42 do Aß40 (C-końcowe mutacje).

dziedziczne choroby Alzheimera stanowią mniej niż 1% wszystkich przypadków. Peptydy Aß łączą się tworząc struktury β prowadzące do włókien. Peptydy Aß42 są bardziej neurotoksyczne i wywołują efekty toksyczne przez wiele powiązanych ze sobą mechanizmów. Mogą one obejmować uszkodzenie oksydacyjne, zmiany wewnątrzkomórkowej homeostazy Ca2+, reorganizację cytoszkieletu i działania cytokin.

splątania wewnątrzturonalne są wiązkami długich sparowanych włókien spiralnych, które składają się z białka tau związanego z mikrotubulami. Normalną funkcją białka tau jest stabilizacja mikrotubul w neuronach poprzez zwiększenie polimeryzacji tubuliny. Zwykle białko tau jest rozpuszczalne; jednak gdy jest nadmiernie fosforylowany, zamienia się w nierozpuszczalny polimer nitkowaty. Dysregulacja zdarzeń fosforylacji / defosforylacji została przypisana zwiększonej aktywności niektórych kinaz i zmniejszonej aktywności niektórych fosfataz. Podczas gdy blaszki są patognomoniczne dla AD, plątaniny znajdują się w etiologicznie różnych chorobach neurologicznych. Zaburzenia nieprawidłowej hiperfosforylacji i nieprawidłowej agregacji białka tau w polimery fibrylarne są znane jako taupathies. Przykładami taupathies oprócz AD są postępujące porażenie nadjądrowe, choroba Picka, zwyrodnienie korowo-nosowe i demencje przedporodowe.

dwa inne geny oprócz ßAPP zostały uwikłane we wczesny początek autosomalnych dominujących form choroby Alzheimera. Pozostałe dwa geny sprawcze znajdują się na chromosomach 14 i 1 i kodują białka transbłonowe: presenilina 1 (składająca się z 467 reszt aminokwasowych) i presenilina 2 (składająca się z 448 reszt aminokwasowych). Białka te są syntetyzowane w neuronach, ale ich funkcje nie są znane. Jednakże mutacje w genach preseniliny prowadzą do nadmiernej produkcji peptydów Aß42.

sporadyczne formy choroby Alzheimera, odpowiedzialne za 90% wszystkich przypadków, są chorobami złożonymi i mogą reprezentować połączone działanie zarówno czynników środowiskowych, jak i cech genetycznych, które przejawiają się przez długi czas. Stwierdzono, że u osób z chorobą Alzheimera częściej występują różne formy polimorficznego genu apolipoproteiny E (apo E) znajdującej się na chromosomie 19. Istnieją trzy allele genu apo E z sześcioma kombinacjami: ε2 / ε2, ε3 / ε3, ε4/ε4, ε2/ε3, ε2/ε4 i ε3/ε4. Apo E jest lipidowym białkiem nośnikowym, które jest przede wszystkim syntetyzowane w wątrobie; jednak jest również syntetyzowane w astrocytach i neuronach. Funkcja białek apo E w metabolizmie lipoprotein i ich związek z przedwczesną miażdżycą zostały omówione w rozdziale 20.

spośród kilku genotypów APO E, nabycie dwóch alleli APO e ε4 może zwiększyć ryzyko choroby Alzheimera nawet ośmiokrotnie. Każda kopia genu apo E zwiększa ryzyko i przesuwa początek do niższego wieku. Mechanizm biochemiczny, za pomocą którego białko APO E4 uczestniczy w tworzeniu splątków i blaszek, jest niejasny. Zasugerowano kilka mechanizmów, a mianowicie interakcję z białkiem tau i wytwarzanie oraz klirens peptydów aß.

farmakologiczne leczenie choroby Alzheimera polega na korygowaniu Deficytu cholinergicznego poprzez podawanie inhibitorów acetylocholinoesterazy (np. takryny, donepezylu). Terapia estrogenowa u kobiet z chorobą Alzheimera wiąże się z poprawą wydajności poznawczej. Korzystny wpływ estrogenu może być spowodowany działaniem cholinergicznym i neurotroficznym. Inne strategie terapeutyczne są ukierunkowane na hamowanie lub zmniejszanie powstawania neurotoksycznych peptydów. Ponadto przydatne mogą okazać się leki, które selektywnie trawią zagregowane peptydy. Eksperymentalna szczepionka zawierająca peptyd AP podawany myszom produkującym płytki nazębne prowadzi do mniejszego tworzenia się płytki nazębnej u młodszych myszy i zaniku płytek u starszych myszy. Zmiany w tworzeniu się płytki nazębnej u myszy były związane z zachowaniem pamięci i zdolności uczenia się. Szczepienie nie wywołało odpowiedzi autoimmunologicznej ani reakcji toksycznej u zwierząt doświadczalnych. Tak więc badania te dostarczyły impulsu do opracowania ludzkiej szczepionki.

w ocenie pacjenta na chorobę Alzheimera, istotne jest, aby inne uleczalne przyczyny demencji być wykluczone przez określenie krytycznych parametrów biochemicznych i klinicznych. Niektóre z uleczalnych, stosunkowo częstych zaburzeń, które powodują demencję, obejmują nadużywanie narkotyków, zaburzenia równowagi elektrolitowej, zaburzenia czynności tarczycy i niedobór witaminy B12; mniej powszechne nieprawidłowości to guz, udar mózgu i encefalopatia Wernickego.

amyloidoza Transtyretyny (zwana także rodzinną polineuropatią amyloidową) jest autosomalnym zespołem dominującym charakteryzującym się neuropatią obwodową. Choroba ta wynika z jednej z pięciu mutacji zidentyfikowanych do tej pory w genie transtyretyny. Transtyretyna jest również nazywana prealbuminą (chociaż nie ma strukturalnego związku z albuminą), ponieważ migruje przed albuminą w standardowej elektroforezie przy pH 8,6. Transtyretyna jest syntetyzowana w wątrobie i jest normalnym białkiem osocza o stężeniu 20-40 mg/dL. Transportuje białko wiążące tyroksynę i retinol (Dział 38). Stężenie transtyretyny jest znacznie zmniejszone w niedożywieniu, a stężenie w osoczu jest diagnostyczne w zaburzeniach niedożywienia (Rozdział 17).

Gen transtyretyny znajduje się na chromosomie 18 i jest wyrażany w sposób konstytutywny. Pierwotna struktura transtyretyny składa się ze 127 reszt aminokwasowych i ośmiu struktur arkusza β ułożonych w konformację antyrównoległą na równoległych płaszczyznach (Fig.4-15).

rysunek 4-15. Struktura transtyretyny. Cząsteczka zawiera osiem antyrównoległych nici β (a-H) ułożonych w dwóch równoległych płaszczyznach. Krążącą postacią transtyretyny jest tetramer. Niektóre mutacje w genie transtyretyny są związane z amyloidozą i wskazano osiem zmian aminokwasów powodujących tę chorobę. W osoczu transtyretyna jest tetramerem złożonym z identycznych monomerów. Wydaje się, że mutacje powodują, że monomeryczny związek pośredni transtyretyny agreguje się w nierozpuszczalną formację β-amyloidu fibrilu.