結構生物化學/熱休克蛋白
熱休克蛋白，或HSP，是一類具有相關功能的蛋白質。當細胞暴露於高溫或其他壓力時，它們的表達會增加。熱休克蛋白有助於保護其他蛋白質免受熱應激。[1]這種對熱應激的反應也可以在熱應激的動物和微生物中觀察到。[1]一些熱休克蛋白被稱為伴侶蛋白，因為它們在無應激細胞中起著臨時支架的作用，幫助其他蛋白質摺疊成其功能形狀。[1]熱休克蛋白的顯著上調，或細胞成分的增加，在熱休克反應中起著關鍵作用，主要由熱休克因子誘導。HSP幾乎可以在所有生物體中找到，從細菌到人類。
熱休克蛋白根據其分子量命名。一些被廣泛研究的HSP是Hsp60、Hsp70和Hsp90，它們的家族分別由大小為60、70和90千道爾頓的熱休克蛋白組成。
分子量接近70,000的熱休克蛋白是蛋白質摺疊的重要組成部分，有助於保護熱應激。它也是一種伴侶蛋白。它是在20世紀60年代由FM Ritossa發現的，當時觀察到一種“膨脹模式” -“熱休克反應” - 提高了基因轉錄。
結構
N端結構域 - 具有ATP酶活性的結構域（44 kDa） - 由兩個葉組成，被一個裂縫隔開，腺嘌呤核苷酸與之結合。
底物結合結構域（18 kDa）-- 由一個凹槽組成。該凹槽對中性疏水性氨基殘基具有吸引力。它還可以與多達七個殘基的肽相互作用。
C端結構域—由β-夾層破壞和第二個區域組成，該區域充滿了用於底物結合結構域的α螺旋結構。β-夾層區域由兩個具有4個反平行β鏈的片組成。它們形成一個用於肽結合的“口袋”。當Hsp 70蛋白與ATP結合時，它像一個蓋子一樣開啟，肽的結合和釋放相對快速。當蓋子關閉時，肽緊緊地與底物結合，HSP 70蛋白與ADP結合。
與Hsp 70的反應迴圈
Hsp 70結合和釋放疏水性氨基的能力決定了伴侶功能，ATP結合和水解依賴於底物蛋白的這種結合和釋放。首先，N端ATP酶結構域透過改變C端區域的構象來調節Hsp 70和底物之間的吸引力。一旦ATP與Hsp 70結合，就會開啟“蓋子”，底物的結合和釋放會迅速發生。當ADP存在時，Hsp 70會關閉“蓋子”，底物的結合和釋放會減慢。由於ATP水解為ADP，這種相互作用透過將Hsp 70轉化為更活躍的狀態而變得穩定。當ADP轉化為ATP，然後釋放底物時，它是一個重複迴圈。
Hsp 70的活性
J蛋白和核苷酸交換因子（NEF）都影響Hsp 70的活性。NEF促進ADP向ATP的轉化，從而促進Hsp 70的伴侶迴圈。如果不存在J蛋白，核苷酸交換速率比水解速率快10-20倍。當存在J蛋白時，水解仍然受到刺激，但核苷酸釋放將變得有限。Nef與ADP結合的Hsp 70可以激發核苷酸交換速率的反應，高達5000倍。
熱休克蛋白90，或Hsp90，是一種分子伴侶，是熱休克蛋白家族的成員。與其他熱休克蛋白一樣，Hsp90在響應壓力和/或高溫時會上調。Hsp90存在於細菌和所有真核生物分支中。它是細胞中表達最豐富的蛋白質之一。Hsp90的功能包括協助蛋白質摺疊、細胞訊號傳導和腫瘤抑制。
Hsp90各個部分的結構和功能
N端區域：在蛋白水解後確定了Hsp90 N端區域的約25 kDa。研究發現，該序列中存在各種與MutL錯配修復蛋白和II型拓撲異構酶同源的部分，這些蛋白在ATP的幫助下改變DNA。這些證據表明研究人員，ADP/ATP對Hsp90具有特殊意義。N端的口袋能夠與腺嘌呤核苷酸結合。此外，N端的結合位點對於ATP/ADP的結合尤為重要，沒有它，Hsp90就無法正常執行其功能。
中間區域（催化環和與客戶蛋白的結合位點）：許多長度較短的α螺旋的緊密捲曲將N端區域連線到C端區域。Trp 300周圍的疏水區域和327-340之間殘基的兩親特性促進了與客戶蛋白的相互作用。380位的精氨酸是ATP酶功能所必需的。中間區域的催化環負責Hsp90與ATP/ADP的反應。
C端區域：該區域負責Hsp90二聚化。該區域在二聚化中所採用的結構是該區域中的4個螺旋束（每個蛋白質2個）。Hsp90的這個區域與類似蛋白質差異最大 - 證據在於幾個小的缺失和較低的序列相似性。
雖然目前不存在真核模型的完整結構，但透過結合來自不同模型生物體的各個區域的結構，可以很好地瞭解實際結構。確定完整結構的最大問題是中間區域和N端區域之間的聯絡，因為這個區域在不同生物體之間非常不保守（其殘基在各種生物體之間差異很大）。
Hsp90的生物醫學重要性
Hsp90的客戶群是有限的；不像許多其他蛋白質需要分子伴侶的幫助才能正確摺疊。雖然在細菌中不是必需的，但Hsp90在真核生物中起著重要作用，它在其中維持著細胞和生物體的生存能力。此外，科學家們已經發現，Hsp90似乎能夠使癌細胞在宿主中生存下來，無論是惡劣的環境還是慢性基因不穩定。此外，許多病毒似乎需要Hsp90伴侶機制才能成功傳播。
Hsp90伴侶迴圈需要構象靈活性
像大多數伴侶一樣，Hsp90依賴於構象靈活性來發揮其活性。雖然細菌Hsp90或HtpG和真核Hsp90蛋白的整體結構非常相似，但只有真核Hsp90蛋白與共伴侶相互作用，共伴侶有助於穩定各種Hsp90構象狀態，以及參與Hsp90依賴性的客戶蛋白結合、摺疊和成熟。與細菌Hsp90不同，真核Hsp90含有長度可變的無序靈活區域，該區域將N結構域與M結構域連線起來，為客戶蛋白和各種共伴侶提供了對接位點。儘管Hsp90二聚體經歷了大量的構象重排，但儲存完好的N、M和C結構域表明，Hsp90的構象靈活性是由於結構域彼此之間的位移造成的。
透過 X 射線晶體學和與其他 GHKL 超家族成員（Hsp90 屬於其中）的類比，科學家們已經確定，核苷酸與 Hsp90 的結合和水解在兩種穩定的構象狀態之間傳遞：一種是“開放”的無核苷酸狀態，其中無核苷酸的 Hsp90 的 N 結構域不二聚化，另一種是“閉合”的 ATP 結合狀態，其中 N 結構域二聚化。此外，單粒子電子顯微鏡的使用證明了細菌 Hsp90 可以存在於三種不同的構象狀態：一種是“開放”的無核苷酸狀態，一種是“閉合”狀態，其中在 ATP 的存在下，兩個 N 結構域短暫二聚化，以及一種“緊湊”狀態，其中 N 結構域不再二聚化，而是與其各自的 M 結構域形成新的分子間接觸。這些構象變化被認為會影響客戶蛋白和伴侶蛋白的結合和釋放。
由 ATP 結合或水解驅動的 Hsp90 伴侶迴圈？
Hsp90 較低的 ATP 酶活性使得難以將 ATP 水解視為 Hsp90 伴侶迴圈的驅動力。研究人員 Southworth 和 Agard 提出證據表明，核苷酸結合並不驅動 Hsp90 的構象變化。相反，他們的資料表明，在沒有核苷酸的情況下，多種 Hsp90 構象共存於動態穩態平衡中，並且這種平衡僅受核苷酸結合的輕微擾動。考慮到細菌 Hsp90 的動力學，新增 AMPPNP（一種不可水解的 ATP 模擬物）或 ADP 可以稍微偏向平衡，有利於閉合或緊湊狀態。然而，在類似條件下，酵母 Hsp90 僅採用兩種不同的構象，而人類 Hsp90 在沒有核苷酸的情況下沒有明顯的構象變化。
從細菌到人類的三個步驟 Hsp90 伴侶迴圈的保守性
儘管從細菌 Hsp90 收集的資料似乎符合三態構象模型，但酵母和人類 Hsp90 的資料似乎不支援該模型。酵母和人類 Hsp90 似乎對核苷酸表現出不同的構象響應。透過使用交聯技術來捕獲很少出現的構象狀態，Southworth 和 Agard 表明，酵母和人類 Hsp90 蛋白都符合三態模型。Southworth 和 Agard 提供了證據來解釋最近的動力學研究，這些研究表明，來自不同物種的 Hsp90 蛋白之間存在保守的 ATP 酶迴圈，併為人類 Hsp90 中的瞬態 N 結構域二聚化提供了支援。一個重要的結論是，每個構象在平衡時的種群佔有率對於不同的物種是獨特的。這表明進化已經優化了 Hsp90 伴侶迴圈的動力學，以滿足每個物種不同的伴侶需求。
- 生物化學趨勢 34 卷，第 5 期，2009 年 5 月，第 223-226 頁
- 基因調控的解剖學：三維結構分析，第 249 頁，作者 Panagiotis A. Tsonis
- 分子伴侶和鐵硫簇生物合成在釀酒酵母中…作者 Amy J. Andrew，威斯康星大學麥迪遜分校
- Pearl L, Prodromou C. Hsp90 分子伴侶機制的結構和機制。生物化學年鑑。75:271-294。