结构生物化学/热休克蛋白
热休克蛋白，或HSP，是一类具有相关功能的蛋白质。当细胞暴露于高温或其他压力时，它们的表达会增加。热休克蛋白有助于保护其他蛋白质免受热应激。[1]这种对热应激的反应也可以在热应激的动物和微生物中观察到。[1]一些热休克蛋白被称为伴侣蛋白，因为它们在无应激细胞中起着临时支架的作用，帮助其他蛋白质折叠成其功能形状。[1]热休克蛋白的显着上调，或细胞成分的增加，在热休克反应中起着关键作用，主要由热休克因子诱导。HSP几乎可以在所有生物体中找到，从细菌到人类。
热休克蛋白根据其分子量命名。一些被广泛研究的HSP是Hsp60、Hsp70和Hsp90，它们的家族分别由大小为60、70和90千道尔顿的热休克蛋白组成。
分子量接近70,000的热休克蛋白是蛋白质折叠的重要组成部分，有助于保护热应激。它也是一种伴侣蛋白。它是在20世纪60年代由FM Ritossa发现的，当时观察到一种“膨胀模式” -“热休克反应” - 提高了基因转录。
结构
N端结构域 - 具有ATP酶活性的结构域（44 kDa） - 由两个叶组成，被一个裂缝隔开，腺嘌呤核苷酸与之结合。
底物结合结构域（18 kDa）-- 由一个凹槽组成。该凹槽对中性疏水性氨基残基具有吸引力。它还可以与多达七个残基的肽相互作用。
C端结构域—由β-夹层破坏和第二个区域组成，该区域充满了用于底物结合结构域的α螺旋结构。β-夹层区域由两个具有4个反平行β链的片组成。它们形成一个用于肽结合的“口袋”。当Hsp 70蛋白与ATP结合时，它像一个盖子一样打开，肽的结合和释放相对快速。当盖子关闭时，肽紧紧地与底物结合，HSP 70蛋白与ADP结合。
与Hsp 70的反应循环
Hsp 70结合和释放疏水性氨基的能力决定了伴侣功能，ATP结合和水解依赖于底物蛋白的这种结合和释放。首先，N端ATP酶结构域通过改变C端区域的构象来调节Hsp 70和底物之间的吸引力。一旦ATP与Hsp 70结合，就会打开“盖子”，底物的结合和释放会迅速发生。当ADP存在时，Hsp 70会关闭“盖子”，底物的结合和释放会减慢。由于ATP水解为ADP，这种相互作用通过将Hsp 70转化为更活跃的状态而变得稳定。当ADP转化为ATP，然后释放底物时，它是一个重复循环。
Hsp 70的活性
J蛋白和核苷酸交换因子（NEF）都影响Hsp 70的活性。NEF促进ADP向ATP的转化，从而促进Hsp 70的伴侣循环。如果不存在J蛋白，核苷酸交换速率比水解速率快10-20倍。当存在J蛋白时，水解仍然受到刺激，但核苷酸释放将变得有限。Nef与ADP结合的Hsp 70可以激发核苷酸交换速率的反应，高达5000倍。
热休克蛋白90，或Hsp90，是一种分子伴侣，是热休克蛋白家族的成员。与其他热休克蛋白一样，Hsp90在响应压力和/或高温时会上调。Hsp90存在于细菌和所有真核生物分支中。它是细胞中表达最丰富的蛋白质之一。Hsp90的功能包括协助蛋白质折叠、细胞信号传导和肿瘤抑制。
Hsp90各个部分的结构和功能
N端区域：在蛋白水解后确定了Hsp90 N端区域的约25 kDa。研究发现，该序列中存在各种与MutL错配修复蛋白和II型拓扑异构酶同源的部分，这些蛋白在ATP的帮助下改变DNA。这些证据表明研究人员，ADP/ATP对Hsp90具有特殊意义。N端的口袋能够与腺嘌呤核苷酸结合。此外，N端的结合位点对于ATP/ADP的结合尤为重要，没有它，Hsp90就无法正常执行其功能。
中间区域（催化环和与客户蛋白的结合位点）：许多长度较短的α螺旋的紧密卷曲将N端区域连接到C端区域。Trp 300周围的疏水区域和327-340之间残基的两亲特性促进了与客户蛋白的相互作用。380位的精氨酸是ATP酶功能所必需的。中间区域的催化环负责Hsp90与ATP/ADP的反应。
C端区域：该区域负责Hsp90二聚化。该区域在二聚化中所采用的结构是该区域中的4个螺旋束（每个蛋白质2个）。Hsp90的这个区域与类似蛋白质差异最大 - 证据在于几个小的缺失和较低的序列相似性。
虽然目前不存在真核模型的完整结构，但通过结合来自不同模型生物体的各个区域的结构，可以很好地了解实际结构。确定完整结构的最大问题是中间区域和N端区域之间的联系，因为这个区域在不同生物体之间非常不保守（其残基在各种生物体之间差异很大）。
Hsp90的生物医学重要性
Hsp90的客户群是有限的；不像许多其他蛋白质需要分子伴侣的帮助才能正确折叠。虽然在细菌中不是必需的，但Hsp90在真核生物中起着重要作用，它在其中维持着细胞和生物体的生存能力。此外，科学家们已经发现，Hsp90似乎能够使癌细胞在宿主中生存下来，无论是恶劣的环境还是慢性基因不稳定。此外，许多病毒似乎需要Hsp90伴侣机制才能成功传播。
Hsp90伴侣循环需要构象灵活性
像大多数伴侣一样，Hsp90依赖于构象灵活性来发挥其活性。虽然细菌Hsp90或HtpG和真核Hsp90蛋白的整体结构非常相似，但只有真核Hsp90蛋白与共伴侣相互作用，共伴侣有助于稳定各种Hsp90构象状态，以及参与Hsp90依赖性的客户蛋白结合、折叠和成熟。与细菌Hsp90不同，真核Hsp90含有长度可变的无序灵活区域，该区域将N结构域与M结构域连接起来，为客户蛋白和各种共伴侣提供了对接位点。尽管Hsp90二聚体经历了大量的构象重排，但保存完好的N、M和C结构域表明，Hsp90的构象灵活性是由于结构域彼此之间的位移造成的。
通过 X 射线晶体学和与其他 GHKL 超家族成员（Hsp90 属于其中）的类比，科学家们已经确定，核苷酸与 Hsp90 的结合和水解在两种稳定的构象状态之间传递：一种是“开放”的无核苷酸状态，其中无核苷酸的 Hsp90 的 N 结构域不二聚化，另一种是“闭合”的 ATP 结合状态，其中 N 结构域二聚化。此外，单粒子电子显微镜的使用证明了细菌 Hsp90 可以存在于三种不同的构象状态：一种是“开放”的无核苷酸状态，一种是“闭合”状态，其中在 ATP 的存在下，两个 N 结构域短暂二聚化，以及一种“紧凑”状态，其中 N 结构域不再二聚化，而是与其各自的 M 结构域形成新的分子间接触。这些构象变化被认为会影响客户蛋白和伴侣蛋白的结合和释放。
由 ATP 结合或水解驱动的 Hsp90 伴侣循环？
Hsp90 较低的 ATP 酶活性使得难以将 ATP 水解视为 Hsp90 伴侣循环的驱动力。研究人员 Southworth 和 Agard 提出证据表明，核苷酸结合并不驱动 Hsp90 的构象变化。相反，他们的数据表明，在没有核苷酸的情况下，多种 Hsp90 构象共存于动态稳态平衡中，并且这种平衡仅受核苷酸结合的轻微扰动。考虑到细菌 Hsp90 的动力学，添加 AMPPNP（一种不可水解的 ATP 模拟物）或 ADP 可以稍微偏向平衡，有利于闭合或紧凑状态。然而，在类似条件下，酵母 Hsp90 仅采用两种不同的构象，而人类 Hsp90 在没有核苷酸的情况下没有明显的构象变化。
从细菌到人类的三个步骤 Hsp90 伴侣循环的保守性
尽管从细菌 Hsp90 收集的数据似乎符合三态构象模型，但酵母和人类 Hsp90 的数据似乎不支持该模型。酵母和人类 Hsp90 似乎对核苷酸表现出不同的构象响应。通过使用交联技术来捕获很少出现的构象状态，Southworth 和 Agard 表明，酵母和人类 Hsp90 蛋白都符合三态模型。Southworth 和 Agard 提供了证据来解释最近的动力学研究，这些研究表明，来自不同物种的 Hsp90 蛋白之间存在保守的 ATP 酶循环，并为人类 Hsp90 中的瞬态 N 结构域二聚化提供了支持。一个重要的结论是，每个构象在平衡时的种群占有率对于不同的物种是独特的。这表明进化已经优化了 Hsp90 伴侣循环的动力学，以满足每个物种不同的伴侣需求。
- 生物化学趋势 34 卷，第 5 期，2009 年 5 月，第 223-226 页
- 基因调控的解剖学：三维结构分析，第 249 页，作者 Panagiotis A. Tsonis
- 分子伴侣和铁硫簇生物合成在酿酒酵母中…作者 Amy J. Andrew，威斯康星大学麦迪逊分校
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