ในชีววิทยาระดับโมเลกุลโปรตีนชาเปอโรนระดับโมเลกุลคือโปรตีนที่ช่วยในการพับหรือคลายตัวของโปรตีนหรือสารประกอบโปรตีน ขนาดใหญ่ มีชาเปอโรนระดับโมเลกุลหลายประเภท ซึ่งทั้งหมดทำหน้าที่ช่วยให้โปรตีนขนาดใหญ่พับ ตัวได้อย่างถูกต้อง ในระหว่างหรือหลังการสังเคราะห์ และหลังจากที่โปรตีนเสียสภาพบางส่วน นอกจากนี้ ชาเปอโรนยังมีส่วนเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนย้ายโปรตีนเพื่อการย่อยสลายด้วยเอนไซม์ โปรตีเอ ส

โมเลกุลชาเปอโรนกลุ่มแรกที่ถูกค้นพบคือชาเปอโรนประเภทประกอบ ซึ่งช่วยในการประกอบนิวคลีโอโซมจากฮิสโตนและดีเอ็นเอ ที่พับแล้ว ^{[ 1 ] [ 2 ]} หน้าที่หลักอย่างหนึ่งของโมเลกุลชาเปอโร นคือการป้องกันการรวมตัวของโปรตีนที่พับผิดรูป ดังนั้นโปรตีนชาเปอโรนจำนวนมากจึงถูกจัดประเภทเป็นโปรตีนช็อกความร้อนเนื่องจากแนวโน้มการรวมตัวของโปรตีนจะเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับความเครียดจากความร้อน

โมเลกุลชาเปอโรนส่วนใหญ่ไม่ได้ถ่ายทอด ข้อมูล เชิงพื้นที่ ใดๆ สำหรับการพับโปรตีน แต่จะช่วยในการพับโปรตีนโดยการจับกับและทำให้ตัวกลางการพับมีเสถียรภาพจนกว่าสายโพลีเปปไทด์จะถูกแปล อย่างสมบูรณ์ รูปแบบการทำงานเฉพาะของชาเปอโรนจะแตกต่างกันไปตามโปรตีนเป้าหมายและตำแหน่ง มีการใช้แนวทางต่างๆ เพื่อศึกษาโครงสร้างพลวัตและการทำงานของชาเปอโรน การวัดทางชีวเคมีจำนวนมากได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับประสิทธิภาพการพับโปรตีนและการป้องกันการรวมกลุ่มเมื่อมีชาเปอโรนอยู่ระหว่างการพับโปรตีน ความก้าวหน้าล่าสุดในการวิเคราะห์โมเลกุลเดี่ยว^{[ 3 ]}ได้นำมาซึ่งข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความไม่สม่ำเสมอทางโครงสร้างของชาเปอโรน ตัวกลางการพับ และความสัมพันธ์ของชาเปอโรนกับสายโปรตีนที่ไม่มีโครงสร้างและมีโครงสร้าง

แชเปอโรนจำนวนมากเป็นโปรตีนช็อกความร้อนซึ่งก็คือโปรตีนที่แสดงออกเพื่อตอบสนองต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้นหรือความเครียดของเซลล์อื่นๆ^{[ 4 ]}แชเปอโรนโปรตีนช็อกความร้อนถูกจัดประเภทตามน้ำหนักโมเลกุลที่สังเกตได้เป็น Hsp60, Hsp70 , Hsp90, Hsp104 และ Hsp ขนาดเล็ก^{[ 5 ]}แชเปอโรนโปรตีนในตระกูล Hsp60 เรียกว่าแชเปอโรนินและมีลักษณะเฉพาะคือโครงสร้างวงแหวนคู่ซ้อนกัน และพบได้ในโปรคาริโอต ในไซโตซอลของยูคาริโอต และในไมโทคอนเดรีย

ระบบชาเปอโรนบางระบบทำงานเป็นโฟลเดส : พวกมันสนับสนุนการพับของโปรตีนในลักษณะที่ขึ้นอยู่กับ ATP (ตัวอย่างเช่น ระบบ GroEL / GroESหรือ ระบบ DnaK / DnaJ / GrpE ) แม้ว่าโปรตีนที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ส่วนใหญ่จะสามารถพับได้โดยไม่ต้องอาศัยชาเปอโรน แต่โปรตีนส่วนน้อยจำเป็นต้องใช้ชาเปอโรนอย่างเคร่งครัด ชาเปอโรนอื่นๆ ทำงานเป็นโฮลเดส : พวกมันจับกับตัวกลางการพับเพื่อป้องกันการรวมตัวกัน ตัวอย่างเช่นDnaJหรือHsp33 ^{[ 6 ]} ชาเป อ โรนยังสามารถทำงานเป็นดิสแอ็กเกรเกส ซึ่งโต้ตอบกับกลุ่มโปรตีนที่ผิดปกติและเปลี่ยนกลับเป็นโมโนเมอร์^{[ 7 ]} ชาเปอโรน บางชนิดสามารถช่วยในการย่อยสลายโปรตีนนำโปรตีนไปยัง ระบบ โปรตีเอสเช่นระบบยูบิควิติน-โปรตีเอโซมในยูคาริโอต [ ^{8 ] โปรตีน}ชาเปอโรนมีส่วนร่วมในการพับของโปรตีนในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมากกว่าครึ่งหนึ่ง

ความแออัดของโมเลกุลขนาดใหญ่อาจมีความสำคัญต่อการทำงานของชาเปอโรน สภาพแวดล้อมที่แออัดของไซโตซอลสามารถเร่งกระบวนการพับตัวได้ เนื่องจากโปรตีนที่พับตัวอย่างกะทัดรัดจะใช้ปริมาตรน้อยกว่าสายโซ่โปรตีนที่ยังไม่พับตัว^{[ 9 ]}อย่างไรก็ตาม ความแออัดสามารถลดผลผลิตของโปรตีนที่พับตัวอย่างถูกต้องได้โดยการเพิ่ม การรวมตัว ของโปรตีน^{[ 10 ] [ 11 ]}ความแออัดอาจเพิ่มประสิทธิภาพของโปรตีนชาเปอโรน เช่นGroEL [ ^{12 ]}ซึ่งสามารถต่อต้านการลดลงของประสิทธิภาพการพับตัวนี้ได้^{[ 13 ] '}ชาเปอโรนเชิงโครงสร้าง' ที่มีความเฉพาะเจาะจงสูงบางชนิดจะถ่ายทอดข้อมูลโครงสร้างเฉพาะไปยังโปรตีน ซึ่งไม่สามารถพับตัวได้เอง โปรตีนดังกล่าวละเมิดหลักการของ Anfinsen [ ^{14 ] ซึ่ง}กำหนดให้โปรตีนต้องอาศัยพลวัตในการพับตัวอย่างถูกต้อง

ชาเปอโรนประเภทอื่น ๆ มีส่วนเกี่ยวข้องกับการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เช่น เยื่อหุ้มไมโตคอนเดรียและเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (ER) ในยูคาริโอต ชา เปอโรนเฉพาะการเคลื่อนย้ายของแบคทีเรียSecBจะรักษาสายโซ่โพลีเปปไทด์ต้นแบบ ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ให้อยู่ ใน สถานะที่พร้อม สำหรับการเคลื่อนย้าย ( โดยทั่วไปคือคลายตัว ) และนำทางไปยัง ทราน สโลคอน^{[ 15 ]}

หน้าที่ใหม่ๆ ของชาเปอโรนยังคงถูกค้นพบอย่างต่อเนื่อง เช่นกิจกรรมยึดเกาะของแบคทีเรีย การเหนี่ยวนำให้เกิดการรวมกลุ่มไปสู่กลุ่มที่ไม่ใช่อะไมลอยด์ ^{[ 16 ]}การยับยั้งโอลิโกเมอร์โปรตีนที่เป็นพิษผ่านการรวมกลุ่ม^{[ 17 ] [ 18 ]}และการตอบสนองต่อโรคที่เกี่ยวข้องกับการรวมกลุ่มของโปรตีน^{[ 19 ]}และการบำรุงรักษามะเร็ง^{[ 20 ]}

ในสายเซลล์ของมนุษย์ พบว่าโปรตีนชาเปอโรนประกอบขึ้นเป็นมวลโปรตีโอมรวมประมาณ 10% ^{[ 21 ]}และมีการแสดงออกอย่างแพร่หลายและสูงในเนื้อเยื่อของมนุษย์

โปรตีนชาเปอโรนพบได้ทั่วไปในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (ER) เนื่องจากกระบวนการสังเคราะห์โปรตีนมักเกิดขึ้นในบริเวณนี้

มีโปรตีนช่วยพับตัว (chaperone) หลายประเภท แต่ละประเภททำหน้าที่ช่วยในการพับตัวของโปรตีนในรูปแบบที่แตกต่างกัน ในแบคทีเรีย เช่นอี. โคไลโปรตีนเหล่านี้จำนวนมากถูกสร้างขึ้นในปริมาณสูงภายใต้สภาวะที่มีความเครียดสูง เช่น เมื่อแบคทีเรียอยู่ในอุณหภูมิสูง ดังนั้นโปรตีนช่วยพับตัวที่ตอบสนองต่อความร้อน (heat shock protein chaperone) จึงมีจำนวนมากที่สุด

มีการใช้ระบบการตั้งชื่อที่หลากหลายสำหรับชาเปอโรน สำหรับโปรตีนช็อกความร้อน ชื่อที่ใช้กันทั่วไปคือ "Hsp" ตามด้วยมวลโมเลกุลโดยประมาณในหน่วยกิโลดาลตันชื่อดังกล่าวมักใช้กับยูคาริโอต เช่น ยีสต์ ชื่อของแบคทีเรียมีรูปแบบที่หลากหลายกว่า และอ้างอิงโดยตรงถึงหน้าที่ที่ปรากฏเมื่อค้นพบ ตัวอย่างเช่น "GroEL" เดิมหมายถึง "ข้อบกพร่องในการเจริญเติบโตของฟาจ ซึ่งเอาชนะได้ด้วยการกลายพันธุ์ในยีนฟาจ E หน่วยย่อยขนาดใหญ่" ^{[ 25 ]}

Hsp70 และ Hsp40

Hsp70 (DnaK ในE. coli ) อาจเป็นชาเปอโรนขนาดเล็ก (~ 70 kDa) ที่ได้รับการศึกษามากที่สุด โปรตีน Hsp70ได้รับความช่วยเหลือจากโปรตีน Hsp40 (DnaJ ในE. coli ) ซึ่งเพิ่มอัตราการใช้ ATP และกิจกรรมของ Hsp70 โปรตีนทั้งสองชนิดนี้มีชื่อว่า "Dna" ในแบคทีเรีย เนื่องจากในตอนแรกพบว่าจำเป็นสำหรับการจำลองแบบ DNA ของ E. coli ^{[ 27 ]}

มีการสังเกตว่าการแสดงออกของโปรตีน Hsp70 ที่เพิ่มขึ้นในเซลล์ส่งผลให้แนวโน้มการเกิดอะพอพโทซิส ลดลง แม้ว่ากลไกที่แน่ชัดยังไม่ได้รับการระบุ แต่เป็นที่ทราบกันว่า Hsp70 มีสถานะการจับกับโปรตีนที่คลายตัวที่มีความสัมพันธ์สูงเมื่อจับกับADPและมีสถานะความสัมพันธ์ต่ำเมื่อจับกับATP

เชื่อกันว่า Hsp70 จำนวนมากจะรวมตัวกันรอบสารตั้งต้นที่คลี่ออก ทำให้มีเสถียรภาพและป้องกันการรวมตัวกันจนกว่าโมเลกุลที่คลี่ออกจะพับตัวอย่างถูกต้อง ซึ่งในเวลานั้น Hsp70 จะสูญเสียความสัมพันธ์กับโมเลกุลและแยกตัวออกไป^{[ 28 ]} Hsp70 ยังทำหน้าที่เป็นโมเลกุลชาเปอโรนในไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ในยูคาริโอตอีกด้วย

ยีนของแบคทีริโอเฟจ (ฟาจ) T4ที่เข้ารหัสโปรตีนที่มีบทบาทในการกำหนดโครงสร้างของฟาจ T4 ได้รับการระบุโดยใช้มิวแทนต์ ที่ทำให้เกิดการตาย แบบ มีเงื่อนไข ^{[ 33 ]}โปรตีนส่วนใหญ่เหล่านี้พิสูจน์แล้วว่าเป็นส่วนประกอบโครงสร้างหลักหรือรองของอนุภาคฟาจที่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ในบรรดาผลิตภัณฑ์ยีน (gps) ที่จำเป็นสำหรับการประกอบฟาจ Snustad ^{[ 34 ]}ได้ระบุกลุ่มของ gps ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแทนที่จะถูกรวมเข้ากับโครงสร้างของฟาจเอง gps เหล่านี้คือ gp26, gp31, gp38, gp51, gp28 และ gp4 [ยีน 4 มีความหมายเหมือนกับยีน 50 และ 65 ดังนั้น gp จึงสามารถกำหนดเป็น gp4(50)(65)] ผลิตภัณฑ์ยีนสี่ตัวแรกจากหกตัวนี้ได้รับการยอมรับว่าเป็นโปรตีนชาเปอโรน นอกจากนี้ gp40, gp57A, gp63 และ gpwac ยังได้รับการระบุว่าเป็นชาเปอโรนอีกด้วย

การสร้างรูปร่างของฟาจ T4 แบ่งออกเป็นสามเส้นทางอิสระ ได้แก่ เส้นทางหัว เส้นทางหาง และเส้นทางเส้นใยหางยาว ดังที่ Yap และ Rossman ได้อธิบายไว้โดยละเอียด^{[ 35 ]}ในส่วนของการสร้างรูปร่างหัว โปรตีนชาเปอโรน gp31 จะมีปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนชาเปอโรนGroEL ของโฮสต์แบคทีเรีย เพื่อส่งเสริมการพับตัวที่เหมาะสมของโปรตีน แคปซิดหัวหลักgp23 ^{[ 36 ] [ 35 ]}โปรตีนชาเปอโรน gp40 มีส่วนร่วมในการประกอบ gp20 จึงช่วยในการสร้างคอมเพล็กซ์ตัวเชื่อมต่อที่เริ่มต้นการประกอบโปรแคปซิดหัว^{[ 36 ] [ 35 ]} Gp4(50)(65) แม้ว่าจะไม่ได้ระบุไว้โดยเฉพาะว่าเป็นชาเปอโรน แต่ก็ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในฐานะนิวคลีเอส ซึ่งดูเหมือนจะเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการสร้างรูปร่างโดยการตัด DNA ที่บรรจุไว้เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อหัวกับหางได้^{[ 37 ]}

ในระหว่างการประกอบหางโดยรวม โปรตีนชาเปอโรน gp26 และ gp51 จำเป็นสำหรับการประกอบฮับฐานเพลท^{[ 38 ]} Gp57A จำเป็นสำหรับการพับที่ถูกต้องของ gp12 ซึ่งเป็นส่วนประกอบโครงสร้างของเส้นใยหางสั้นฐานเพลท^{[ 38 ]}

การสังเคราะห์เส้นใยหางยาวขึ้นอยู่กับโปรตีนชาเปอโรน gp57A ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างไตรเมอร์ของ gp34 และ gp37 ซึ่งเป็นโปรตีนโครงสร้างหลักของเส้นใยหาง^{[ 36 ] [ 35 ]}โปรตีนชาเปอโรน gp38 ก็จำเป็นสำหรับการพับตัวที่เหมาะสมของ gp37 เช่นกัน^{[ 38 ] [ 39 ]}โปรตีนชาเปอโรน gp63 และ gpwac ถูกนำมาใช้ในการยึดเส้นใยหางยาวเข้ากับฐานของหาง^{[ 38 ]}

การศึกษาเกี่ยวกับชาเปอโรนมีประวัติมายาวนาน^{[ 40 ]}คำว่า "ชาเปอโรนระดับโมเลกุล" ปรากฏในวรรณกรรมครั้งแรกในปี 1978 โดยรอน ลาสกีย์ เป็นผู้คิดค้นขึ้น เพื่ออธิบายความสามารถของโปรตีนนิวเคลียร์ที่เรียกว่านิวคลีโอพลาสมินในการป้องกันการรวมตัวของโปรตีนฮิสโตนที่พับแล้วกับดีเอ็นเอระหว่างการประกอบนิวคลีโอโซม^{[ 41 ]}ต่อมาคำนี้ได้รับการขยายความโดยอาร์. จอห์น เอลลิสในปี 1987 เพื่ออธิบายโปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการประกอบโปรตีนเชิงซ้อนหลังการแปล^{[ 42 ]}ในปี 1988 พบว่าโปรตีนที่คล้ายกันทำหน้าที่เป็นตัวกลางในกระบวนการนี้ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต^{[ 43 ]}รายละเอียดของกระบวนการนี้ได้รับการกำหนดในปี 1989 เมื่อมีการสาธิตการพับโปรตีนที่ขึ้นอยู่กับ ATP ในหลอดทดลอง^{[ 44 ]}

มีโรคหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์ในยีนที่เข้ารหัสชาเปอโรน (เช่นโรคโปรตีนหลายระบบ ) ซึ่งอาจส่งผลต่อกล้ามเนื้อ กระดูก และ/หรือระบบประสาทส่วนกลาง^{[ 45 ]}

สื่อที่เกี่ยวข้องกับโปรตีน Chaperone ใน Wikimedia Commons