Oxidative Faltung - Oxidative folding
Die oxidative Proteinfaltung ist ein Prozess, der für die Bildung von Disulfidbrücken zwischen Cysteinresten in Proteinen verantwortlich ist . Die treibende Kraft hinter diesem Prozess ist eine Redoxreaktion , bei der Elektronen zwischen mehreren Proteinen und schließlich zu einem terminalen Elektronenakzeptor gelangen .
Bei Prokaryoten
Bei Prokaryonten lässt sich der Mechanismus der oxidativen Faltung am besten bei Gram-negativen Bakterien untersuchen . Dieser Prozess wird durch die Proteinmaschinerie katalysiert, die sich im periplasmatischen Raum von Bakterien befindet. Die Bildung von Disulfidbrücken in einem Protein wird durch zwei verwandte Wege ermöglicht: einen oxidativen Weg, der für die Bildung der Disulfide verantwortlich ist, und einen Isomerisierungsweg, der falsch gebildete Disulfide mischt.
Oxidativer Weg
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Der oxidative Weg beruht ebenso wie der Isomerisierungsweg auf einem Proteinrelais. Das erste Mitglied dieses Proteinrelais ist ein kleines periplasmatisches Protein (21 kDa) namens DsbA , das zwei Cysteinreste aufweist, die oxidiert werden müssen, damit es aktiv ist. Im oxidierten Zustand ist das Protein in der Lage, Disulfidbindungen zwischen Cysteinresten in neu synthetisierten und noch ungefalteten Proteinen durch die Übertragung seiner eigenen Disulfidbindung auf das Faltungsprotein auszubilden. Nach der Übertragung dieser Disulfidbindung befindet sich DsbA in einem reduzierten Zustand. Damit es wieder katalytisch wirken kann, muss es reoxidiert werden. Dies wird durch ein 21 kDa großes inneres Membranprotein namens DsbB ermöglicht , das zwei Paare von Cysteinresten aufweist. Zwischen einem Cysteinrest von DsbB und einem von DsbA wird ein gemischtes Disulfid gebildet. Schließlich wird diese Querverbindung zwischen den beiden Proteinen durch einen nukleophilen Angriff des zweiten Cysteinrestes im aktiven Zentrum von DsbA aufgebrochen . DsbB seinerseits wird reoxidiert, indem Elektronen auf oxidiertes Ubichinon übertragen werden , das sie an Cytochromoxidasen weitergibt, die schließlich Sauerstoff reduzieren ; Dies ist unter aeroben Bedingungen. Da molekularer Sauerstoff unter aeroben Bedingungen als terminaler Elektronenakzeptor dient, wird die oxidative Faltung bequemerweise über die Atmungskette daran gekoppelt . Unter anaeroben Bedingungen gibt DsbB jedoch seine Elektronen an Menachinon ab , gefolgt von einer Übertragung von Elektronen auf Fumaratreduktase oder Nitratreduktase .
Isomerisierungsweg
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Insbesondere bei Proteinen, die mehr als eine Disulfidbindung enthalten, ist es wichtig, dass falsche Disulfidbindungen neu angeordnet werden. Dies geschieht im Isomerisierungsweg durch das Protein DsbC, das als Disulfidisomerase wirkt . DsbC ist ein Dimer , das aus zwei identischen 23 kDa- Untereinheiten besteht und in jeder Untereinheit vier Cysteinreste aufweist. Eines dieser Cysteine (Cys-98) greift ein falsches Disulfid in einem falsch gefalteten Protein an und ein gemischtes Disulfid wird zwischen DsbC und diesem Protein gebildet. Als nächstes führt der Angriff eines zweiten Cysteinrestes zur Bildung eines stabileren Disulfids im umgefalteten Protein. Dies kann ein Cysteinrest entweder von dem früheren fehlgefalteten Protein oder einer von DsbC sein. Im letzten Fall wird DsbC oxidiert und muss reduziert werden, um eine weitere katalytische Rolle zu spielen. Es gibt auch eine zweite Isomerase, die falsche Disulfidbindungen reorganisieren kann. Dieses Protein heißt DsbG und ist auch ein Dimer, das als Chaperon dient . Um ihre Rolle als Isomerasen zu erfüllen, müssen DsbC und DsbG in reduziertem Zustand gehalten werden. Dies wird von DsbD durchgeführt, das selbst reduziert werden muss, um funktionsfähig zu sein. Thioredoxin, das selbst durch Thioredoxinreduktase und NADPH reduziert wird , sorgt für die Reduktion des DsbD-Proteins.
Da diese beiden Wege im selben periplasmatischen Kompartiment nebeneinander existieren, muss es einen Mechanismus geben, der die Oxidation von DsbC durch DsbB verhindert. Dieser Mechanismus existiert tatsächlich, da DsbB zwischen DsbA und DsbC unterscheiden kann, da letzteres die Fähigkeit zur Dimerisierung besitzt.
Bei Eukaryoten
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Ein sehr ähnlicher Weg wird bei Eukaryoten verfolgt , bei denen der Protein-Relay aus Proteinen mit sehr analogen Eigenschaften besteht wie die des Protein-Relays bei Gram-negativen Bakterien. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten besteht jedoch darin, dass der Prozess der oxidativen Proteinfaltung im endoplasmatischen Retikulum (ER) von Eukaryoten stattfindet. Ein zweiter Unterschied besteht darin, dass bei Eukaryoten die Verwendung von molekularem Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor nicht wie bei Bakterien mit dem Prozess der oxidativen Faltung durch die Atmungskette verbunden ist. Tatsächlich verwendet eines der am oxidativen Faltungsprozess beteiligten Proteine eine Flavin- abhängige Reaktion, um Elektronen direkt an molekularen Sauerstoff weiterzugeben.
Ein Homolog von DsbA, Protein-Disulfid-Isomerase (PDI) genannt, ist für die Bildung der Disulfidbrücken in ungefalteten eukaryontischen Proteinen verantwortlich. Dieses Protein hat zwei Thioredoxin-ähnliche aktive Zentren, die beide zwei Cysteinreste enthalten. Durch die Übertragung der Disulfidbindung zwischen diesen beiden Cysteinresten auf das Faltungsprotein ist es für dessen Oxidation verantwortlich. Im Gegensatz zu Bakterien, bei denen die Oxidations- und Isomerisierungswege von unterschiedlichen Proteinen ausgeführt werden, ist PDI auch für die Reduktion und Isomerisierung der Disulfidbrücken verantwortlich. Damit PDI die Bildung von Disulfidbrücken in ungefalteten Proteinen katalysieren kann, muss es reoxidiert werden. Dies wird von einem ER-Membran-assoziierten Protein, Ero1p, durchgeführt, das kein Homolog von DsbB ist. Dieses Ero1p-Protein bildet mit PDI ein gemischtes Disulfid, das durch einen nukleophilen Angriff des zweiten Cysteinrestes in einem der aktiven Zentren von PDI aufgelöst wird. Als Ergebnis wird oxidiertes PDI erhalten. Ero1p selbst wird durch die Übertragung von Elektronen auf molekularen Sauerstoff oxidiert. Da es sich um ein FAD- bindendes Protein handelt, wird dieser Elektronentransfer stark begünstigt, wenn Ero1p an FAD gebunden wird. Auch ein Transportsystem, das FAD in das ER-Lumen importiert, wurde bei Eukaryoten beschrieben. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Fähigkeit, falsche Disulfidbindungen in fehlgefalteten Proteinen zu reduzieren oder neu anzuordnen, durch die Oxidation von reduziertem Glutathion (GSH) zu oxidiertem Glutathion (GSSG) bereitgestellt wird.
ROS und Krankheiten
Aufgrund der Eigenschaft von Ero1p, Elektronen über eine Flavin-abhängige Reaktion direkt auf molekularen Sauerstoff zu übertragen, kann seine Aktivität reaktive Sauerstoffspezies (ROS) produzieren. Bei Bakterien wird dieses Problem durch die Kopplung der oxidativen Faltung an die Atmungskette gelöst. Dort erfolgt die Reduktion von molekularem Sauerstoff zu Wasser durch eine komplexe Reihe von Proteinen, die diese Reaktion sehr effizient katalysieren. Bei Eukaryoten ist die Atmungskette von der oxidativen Faltung getrennt, da die Zellatmung in den Mitochondrien und die Bildung von Disulfidbrücken im ER stattfindet. Aus diesem Grund besteht ein viel größeres Risiko, dass ROS in eukaryontischen Zellen während der oxidativen Faltung produziert werden. Bekanntlich können diese ROS viele Krankheiten wie Arteriosklerose und einige neurodegenerative Erkrankungen verursachen .
Beispiele
Klassische Beispiele für Proteine, bei denen der Prozess der oxidativen Faltung gut untersucht ist, sind der Rinderpankreastrypsin-Inhibitor ( BPTI ) und die Ribonuklease A (RNaseA). Diese beiden Proteine haben mehrere Disulfidbindungen und sind daher sehr nützlich, um den Prozess der oxidativen Faltung zu verfolgen und zu verstehen. Ein weiteres Beispiel ist alkalische Phosphatase , die zwei essentielle Disulfide enthält. Es wurde als Indikatorprotein verwendet, um die Wirkung von Mutationen in DsbA zu screenen.
Verweise
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