Master Biologie Medical2011-2012
PATOLOGIE CELULAR I MOLECULARConf.dr. Marina Nechifor
Bibliografie S.R. Goodman (2008) Medical Cell Biology, ed.III,
Academic Press. V. Kumar, A.K. Abbas, N. Fausto (2005) Robins &
Cotran Pathologic Basis of Disease, ed.VII, Elsevier. T.Finkel,
J.S. Gutkind (2003) Signal Transduction and Human Disease, ed.I,
John Wiley & Sons Publications. D.W. Ross (2002) Introduction
to Molecular Medicine, ed.III, Springer. B. Halliwell, J.M.C.
Gutteridge (1999) Free Radicals in Biology and Medicine, ed.III,
Oxford University Press.
Rspunsul celular la factori de stres 1915 - Walter Cannon
menioneaz pentru prima oar termenul stres, cu sensul de mecanism de
adaptare al organismului fa de schimbrile mediului extern.
Fondatorul conceptului de stres sau al sindromului de adaptare este
considerat endocrinologul i biochimistul austro-ungar Hans Hugo
Bruno Selye (1952). 1956 The Stress of Life 1977 nfiinarea
Institutului Naional al Stresului n cadrul Universitii din
Montreal.
Selye a pus bazele teoretice i practice pentru argumentarea
sindromului general de adaptare (General Adaptation Syndrome GAS) i
a introdus n circulaia internaional conceptul de stres. Cuvntul a
fost preluat ulterior ca atare n toate limbile (n franceza Le
stress, n german Derr Stress, n romn Stres). Selye consider c
stresul evolueaz la nivelul organismului n trei stadii: reacia de
alarm, prin care sunt activate funciile vitale n vederea
neutralizrii efectului nociv al agentului stresant, stadiul de
rezisten sau adaptare, n care sunt mobilizate toate mijloacele de
aprare pentru a stabili un echilibru fa de noile condiii, i stadiul
de epuizare, determinat de un agent stresant puternic i cu aciune
de durat, stadiu final n care organismul cedeaz.
Definirea termenului STRES n Dicionarul de psihologie social
(1981, Mihai Golu), stresul este definit drept: o stare de
tensiune, ncordare i disconfort, determinat de ageni afectogeni cu
semnificaie negativ, de frustrarea unor stri de motivaie (trebuine,
dorine, aspiraii), de dificultatea sau imposibilitatea rezolvrii
unor probleme. Prin termenul de stres sunt definite att situaia,
stimulul provocator, ct i starea de tensiune n care ajunge
organismul i pentru depirea creia acesta trebuie s i mobilizeze
toate resursele.
Stresul la nivelul organismului Stimulii provocatori - factori
fizici, chimici, biologici, psihici, sociali - pot genera diferite
forme de stres: stres fizic, stres psihologic, stres de
suprasolicitare, stres de subsolicitare. Afeciuni asociate
stresului: expunerea repetat la situaii de stres pe o perioad
prelungit este asociat cu apariia tulburrilor de ritm cardiac i a
infarctului, probleme circulatorii, tulburri neurologice, scderea
imunitii, obezitate, diabet, disfuncii sexuale. Asociaia American
de Psihologie susine c peste 45% dintre aduli se confrunt cu
probleme de sntate cauzate de stres.
Stresul la nivel celular
La nivel celular, stresul este definit ca o modificare acut sau
cronic a parametrilor normali ai mediului celular. Stresul
declaneaz la nivel celular mecanisme adaptative, de supravieuire,
dar n condiiile n care care este depit toleran celulei factorul de
stres va induce moartea celular.
Cell Stress Society International The Society is open to any
qualified researcher investigating stress responses using molecular
and cellular approaches, or bridging from the molecular and
cellular level to organismal biology including studies of natural
populations and to clinical and environmental applications. The
society promotes collaboration among the various fields of stress
research, international scientific cooperation, and public
awareness.
Factori de stres la nivel celular Dintre factorii intra- i
extracelulari capabili s induc stresul celular pot fi menionai:
ocul termic, speciile reactive de oxigen (ROS) n stresul oxidativ,
hipoxia, radiaiile ultraviolet i ionizante, variaiile compoziiei
sngelui n stresul chimic, variaiile presiunii/forelor de forfecare
exercitate de debitul sanguin n stresul mecanic, variaiile cmpului
geomagnetic, leziunile ADN-ului n ocul genotoxic, ocul osmotic,
suprancrcarea cu proteine a reticulului endoplasmic (cauzat de
plierea eronat a proteinelor).
Rspunsul celular Fa de aciunea factorilor de stres celula are
numai dou opiuni: adaptarea sau moartea. Adaptarea presupune
diferite reacii celulare care activeaz mecanismele de rezisten i de
reparare ce permit integrarea proceselor determinate de stres n
funcionarea normal. Moartea. n condiiile n care durata i sau
intensitatea factorului de stres depesc capacitatea celulelor de a
elabora mecanisme adaptative sunt activate ci de moarte celular
programat (apoptoza, paraptoza, autofagia) i celula se sinucide.
Consecinele stresului depind de natura, intensitatea i durata
aciunii factorului de stres, dar i de tipul celular i stadiul de
difereniere al celulei.
Activarea cilor de rspuns la factori de stresA. n condiii
normale, n absena unui factor de stres, TF (factorul
transcripional) este inactiv fiind degradat sau sechestrat prin
interaciunea cu senzorul la stres. Sub aciunea factorului de stres
sunt activate ci de traducere ce conduc la modificarea covalent a
senzorului i/sau aTF. TF eliberat (activat) moduleaz expresia unor
gene int ce permit celulei s elaboreze un rspuns adaptativ sau s
activeze programul morii (apoptoza).
B.
C.
ocul termic Proteinele de oc termic (hsp heat shock proteins) au
fost descoperite de ctre Ferrucio Ritossa n mod accidental, n
cadrul unor experimente de genetic ce urmreau sinteza acizilor
nucleici la nivelul cromozomilor politeni din glandele salivare de
Drosophila melanogaster pe parcursul dezvoltrii larvare (Ritossa,
1962). Proteinele codificate de aceste gene au fost identificate
ulterior, fiind adoptat termenul de protein de oc termic (Tissieres
i colab., 1974).
Cromozomi politeni din glandele salivare de Drosophila
melanogaster
Proteinele de oc termic (HSP) Proteinele de oc termic reprezint
un set de proteine cu mase moleculare cuprinse ntre 10 i 110 kDa, a
cror expresie este indus rapid i masiv ca rspuns la expunerea
celulelor sau organismelor la temperaturi ridicate. Numeroi ali
factori de stres (ioni ai metalelor grele, radiaii UV, anoxie,
etanol, infecii virale) induc sinteza acestor proteine. Expresia
hsp sub aciunea moderat a unor factori de stres e nsoit, n general,
de dobndirea tranzitorie a toleranei fa de stresuri mai severe
.
Celulele i-au dezvoltat mecanisme care s asigure extrem de rapid
sinteza proteinelor de stres termic dup expunerea la factorii de
stres. Rspunsul rapid este dirijat de aciunea combinat a mai multor
mecanisme reglatorii ce acioneaz la nivel transcripional, la
nivelul procesrii RNA, al tunoverului RNA i la nivel translaional.
Reglarea expresiei genelor hsp este controlat de factori nucleari
ce poart denumirea de HSF (heat shock factors), de proteinele HSP
nsele, precum i de polipeptidele depliate, non-native, ce sunt
generate n condiii de stres. O particularitate a acestor mecanisme
de reglare o constituie implicarea HSP, n special a HSP70 n propria
cale de sintez.
Mecanismul de aciune al HSPFactorii de stres care determin
deplierea catenelor polipeptidice, plierea eronat sau formarea de
agregate proteice, activeaz rspunsul la stres ce const n activarea
transcripiei genelor ce codific proteine capabile s stabilizeze, s
replieze sau s degradeze proteolitic proteinele modificate. n acest
mod se restabilete echilibrul dintre sinteza proteic, plierea n
conformaie biologic activ i degradare.
Reglarea transcripiei genelor de oc termic de ctre factorul de
oc termic (HSF). n urma expunerii la factori de stres se formeaz un
flux de proteine non-native (denaturate), conducnd la eliberarea
HSF, fosforilarea i trimerizarea HSF. Trimerii se fixeaz de
regiunile promotor ale genelor de oc termic i activeaz transcrierea
genelor hsp. Activitatea trimerilor HSF este reglat negativ de
proteinele HSP (de exemplu, HSP70) i de proteina HSBP1 (heat shock
binding protein 1).
Mecanismul de reglare al expresei genelor hsp este controlat de
HSF-1, de proteinele HSP nsele i de proteinele denaturate (depliate
sau pliate incorect)
Funciile proteinelor de oc termic HSP moduleaz plierea i
deplierea proteinelor, faciliteaz asamblarea proteinelor cu
structuri complexe, cuaternare (formate din subuniti) i promoveaz
degradarea proteinelor pliate eronat i a proteinelor denaturate.
ntruct elementul cheie n funcionarea HSP const n prevenirea
asocierii eronate i a exprimrii unor activiti improprii, aceste
proteine pot fi considerate membrii ai clasei de proteine
chaperone. De asemenea, unele HSP pot funciona ca enzime,
participnd la ci metabolice afectate de expunerea la stres.
Clasificarea proteinelor de oc termicDenumireUbiquitina Hsp10
Hsp27 Hem oxigenaza-1 Hsp47 Hsp56 Hsp60 Hsp72 Hsp73 Hsp75 Grp78
(Bip) Hsp90 Hsp110
Greutate molecular (kDa, valoare aprox.)8 10 27 32 47 56 60 70
70 70 90 90 110
Localizare celularcitosol/nucleu mitocondrie citosol/nucleu
citosol reticul endoplasmic citosol mitocondrie citosol/nucleu
citosol/nucleu mitocondrie reticul endoplasmic citosol/nucleu
citosol/nucleu
Particulariti funcionaledegradarea proteinelor cofactor al hsp60
reglarea creterii i diferenierii UVA-inductibil; protecie fa de
leziunile oxidative chaperone pentru colagen component a
receptorului pentru steroizi chaperone molecular chaperone
molecular nalt inductibil la stres chaperone molecular cu expresie
constitutiv chaperone molecular cu expresie constitutiv chaperone
molecular cu expresie constitutiv component a receptorului pentru
steroizi chaperone molecular necesar pentru supravieuirea la
stresuri severe
Familiile majore de HSP Cu funcie de chaperone:
Hem-oxigenaza 1 (32 kDa)
Cu funcie enzimatic:
Hem-oxigenaza 1 (32 kDa)
Cu rol n reglarea proteolizei:
Ubiquitina (8 kDa)
Familia Hsp70 Reprezint una dintre cele mai importante i
numeroase familii de proteine de oc termic, prezente n majoritatea
organismelor. Genomul Escherichiei coli codific un singur tip de
Hsp70, numit DnaK. Celulele eucariote codific mai multe tipuri de
proteine aparinnd familiei Hsp70, fiecare dintre acestea prezentnd
o identitate de cel puin 50% cu proteina de la E.coli. Multitudinea
Hsp70 de la eucariote este corelat cu prezena lor n compartimentele
majore ale celulei: citoplasm, nucleu, reticul endoplasmic,
mitocondrii, iar la plante n cloroplaste. La organismele
multicelulare exist i Hsp specifice de esut.
Rolul Hsp70 Proteinele Hsp70 asist proteinele int n adoptarea
unei anumite conformaii: particip la procese de pliere, depliere,
asamblare, dezasamblare, procese care necesit energia de hidroliz a
ATP. Modelul care explic rolul Hsp70 presupune legarea lor la
suprafeele hidrofobe, prevenind asocierile ntmpltoare i stabiliznd
proteinele int ntr-o conformaie total sau parial nepliat. La
temperaturi ridicate, pe msur ce proteina se depliaz, Hsp70 se leag
de secvenele care n mod normal sunt ascunse n miezul hidrofob al
proteinei, prevenind agregarea i facilitnd readoptarea structurii
native, atunci cnd temperatura revine la valori normale.
Sistemul Hsp70/Hsp40/BAG-1 (DnaK/DnaJ/GrpE - omologul de la
bacterii)
Organizarea structural a Hsp70 Proteinele Hsp70 prezint dou
domenii structurale: un domeniu NH2-terminal responsabil de funcia
ATP-azic i un domeniu COOH-terminal implicat n legarea substratului
peptidic. Structura secundar i cea teriar a domeniului ATP-azic
sunt aproape identice cu cele ale actinei. Domeniul de legare a
substratului peptidic are o conformaie extins, fiind mrginit de un
subdomeniu cu structur -pliat i un subdomeniu cu structur
-helicoidal. Acest domeniu fixeaz o secven de 7 resturi de
aminoacizi din structura substratului peptidic care rmne sechestrat
la nivelul Hsp70 n urma plierii subdomeniului -helicoidal peste
subdomeniul -pliat. Capetele substratului peptidic ies n afara
domeniului de legare.
Domeniul de legare a substratului peptidic
Familia Hsp60 (Chaperonine) La eucariote, proteinele Hsp60 se
gsesc n mitocondrii i cloroplaste. n condiii de stres, Hsp60 au o
nalt afinitate pentru proteinele complet denaturate. n condiii
fiziologice, Hsp60 asigur transportul i plierea proteinelor
mitocondriale nou-sintetizate importate din citosol (asist plierea
catenelor polipeptidice i asamblarea subunitile individuale ale
unor proteine cu structur oligomer). GroEL (omologul bacterian al
Hsp60) este una dintre cele mai abundente proteine de la bacterii,
ce se exprim constitutiv chiar n condiii de temperaturi
normale.
Organizarea structural a Hsp60/GroEL(Proteinele Hsp60 i Hsp10 de
la EK sunt aproape identice din punct de vedere structural i
funcional cu GroEL, respectiv GroES de la bacterii) (a) vedere de
sus; (b) vedere lateral. Proteina Hsp10 (GroES) se fixeaz prin
intermediul unor bucle mobile de domeniile de fixare a substratului
din structura Hsp 60 (GroEL).
Reprezentarea schematic a unei subuniti din structura GroEL:
domeniul apical, intermediar i ecuatorial i regiunile flexibile
(balama)
Structura complexului GroEL-GroES la E.coli:(a) vedere de sus;
(b) vedere lateral.; (c) seciune longitudinal ce prezint cavitatea
intern.
Mecanismul de aciune al complexului GroEL/GroES
Modificarea conformaional indus de legarea ATP
Complexele Hsp60/Hsp10 i TriC/CCT implicate n plierea
ATP-dependent a proteinelor.Tric TCP-1 ring complex CCT chaperonin
containing TCP-1
Hsp de dimensiuni mici ( 34 kDa) Familia small HSP cuprinde
proteinele care sunt cel mai puin conservate din punct de vedere
filogenetic dintre toate tipurile de Hsp. Caracteristica structural
este dat de existena unei structuri secundare -pliate
caracteristice i de omologia de secven cu proteinele cristalinului.
Small HSP se fixeaz de proteinele nepliate i mpiedic agregarea lor
ireversibil la temperaturi ridicate. Small Hsp coopereaz cu
sistemul Hsp70 pentru replierea corect a proteinelor expuse la
temperaturi ridicate. sHsp din celulele umane cuprinde11 membri i
sunt grupate i sub denumirea de familia Hsp27. Expresia Hsp27 este
corelat cu creterea i diferenierea celular. n diferite esuturi ale
organismului uman (uter, vagin, oviduct, piele) a fost identificat
un nivel crescut al Hsp27. Aceast expresie constitutiv a Hsp27
reprezint un factor determinant al rezistenei celulare la
stres.
Organizarea structural a sHSPFormeaz structuri de mari
dimensiuni alctuite din numeroase subuniti (12-24 de monomeri)
Dinamica structurilor oligomere este controlat prin fosforilare.
Triticum aestivum -12 monomeri Methanococcus jannaschii
(archaebacterie termofil) -24 monomeri
Cooperarea dintre diferitele tipuri de Hsp(ex. cooperarea dintre
mtHsp70 i Hsp60/Hsp10 n matricea mitocondrial)
Prefoldina chaperone molecular cu structurheterohexameric (2
subuniti i 4 subuniti ) prezent la archaebacterii i eucariote
(inclusiv organismul uman). Prefoldina acioneaz ca chaperone
molecular, n combinaie cu alte proteine, pentru a promova plierea
corect a catenelor polipeptidice, fr consum de ATP. Prefoldina
preia catena polipeptidic ce urmeaz s fie pliat corect de la
Hsp70.
Diferitele tipuri de Hsp i cofactorii asociai acioneaz sub forma
unor complexe i coopereaz pentru a realiza plierea corect a
numeroase proteine celulare.
Rolul proteinelor de oc termic n procesele patologice Infecia
viral induce expresia Hsp. Hsp sunt implicate n bolile autoimune.
Hsp influeneaz evoluia procesul inflamator. Hsp determin rezistena
celulelor canceroase la terapia cu ageni antineoplazici cu
activitate antiagiogenic prin activarea mecanismelor de rspuns la
stres. Stresul emoional, stresul mecanic i stresul oxidativ induc
expresia Hsp. Procesul de mbtrnire este nsoit de declinul capacitii
de sintez a Hsp.
Familiile majore de HSP Cu funcie de chaperone:
Hem-oxigenaza 1 (32 kDa)
Cu funcie enzimatic:
Hem oxigenaza-1 (32 kDa)
Cu rol n reglarea proteolizei:
Ubiquitina (8 kDa)
Hem oxigenaza (HSP32)(hem, hidrogen-donor: oxigen
oxidoreductaza, EC 1.14.99.3), este o protein de oc termic cu
funcie enzimatic.Hem oxigenaza catalizeaz reacia de transformare a
hemului n biliverdin, fier i CO.
Hem oxigenaza confer protecie fa de stresul oxidativ prin
produsul de reacie, biliveridina, care genereaz bilirubina ce are
proprieti antioxidante.
Ubiquitina -
este o protein de oc termic de dimensiuni reduse (8,5 KDa) cu
rol n reglarea proteolizei, prezent n toate celulele eucariote.
Hem oxigenaza (HSP32)(hem, hidrogen-donor: oxigen
oxidoreductaza, EC 1.14.99.3), este o protein de oc termic cu
funcie enzimatic.Hem oxigenaza catalizeaz reacia de transformare a
hemului n biliverdin, fier i CO.
Hem oxigenaza confer protecie fa de stresul oxidativ prin
produsul de reacie, biliveridina, care genereaz bilirubina ce are
proprieti antioxidante.
CONCLUZII Proteinele de oc termic sunt molecule extrem de
versatile i rezistente, a cror importan pentru procesele biologice
este scoas n eviden de gradul nalt de conservare, de ordin
filogenetic, al structurii i funciilor lor native.
O bun nelegere a funciilor lor i posibilitatea de a controla
aceste funcii ar putea conduce la folosirea lor ca ageni
terapeutici, ceea ce ar putea revoluiona practica medical.
