Ang lahat ng mga buhay na selula ay tumutugon sa pagtaas ng temperatura at ilang iba pang mga stress sa pamamagitan ng pag-synthesize ng isang partikular na hanay ng mga protina na tinatawag na heat shock proteins (HSPs). Kasama sa mga HSP ang mga protina na na-synthesize ng mga cell bilang tugon sa heat shock kapag ang pagpapahayag ng pangunahing pool ng mga protina na kasangkot sa normal na metabolismo ay pinigilan. Ang 70 kDa HSP na pamilya (eukaryotic HSP-70 at prokaryotic DnaK) ay kinabibilangan ng mga heat shock protein na gumaganap ng mahalagang papel kapwa sa pagtiyak ng cell survival sa ilalim ng nakababahalang mga kondisyon at sa normal na metabolismo. Ang antas ng homology sa pagitan ng prokaryotic at eukaryotic na mga protina ay lumampas sa 50% na may kumpletong pagkakakilanlan ng mga indibidwal na domain. Ang 70 kDa HSP ay isa sa mga pinaka-conserved na grupo ng mga protina sa kalikasan (Lindquist Craig, 1988; Yura et al., 1993), na marahil ay dahil sa mga function ng chaperone na ginagawa ng mga HSP na ito sa mga cell.
Ang induction ng heat shock protein (HSP) genes sa eukaryotes ay nangyayari sa ilalim ng impluwensya ng heat shock factor na HSF. Sa mga hindi naka-stress na mga cell, ang HSF ay naroroon pareho sa cytoplasm at sa nucleus bilang isang monomeric form na nakagapos sa Hsp70 at walang aktibidad na nagbubuklod ng DNA. Bilang tugon sa pagkabigla ng init o iba pang stress, humihiwalay ang Hsp70 mula sa HSF at nagsimulang magtiklop ng mga na-denatured na protina. Ang HSF ay pinagsama sa mga trimer, mayroon itong aktibidad na nagbubuklod ng DNA, naipon ito sa nucleus at nagbubuklod sa promoter. Kasabay nito, ang transkripsyon ng mga chaperone sa cell ay tumataas nang maraming beses. Matapos lumipas ang stress, ang pinakawalan na Hsp70 ay muling nakakabit sa HSF, na nawawala ang aktibidad na nagbubuklod ng DNA nito at ang lahat ay bumalik sa normal [Morimoto ea 1993]. Ang mga heat shock na protina ay lumalabas sa ibabaw ng synovial membrane cells sa panahon ng impeksyon sa bacterial.
Karamihan sa mga heat shock protein na ito ay ginawa din bilang tugon sa iba pang nakakapinsalang stimuli. Marahil ay tinutulungan nila ang cell na makaligtas sa mga nakababahalang sitwasyon. Mayroong tatlong pangunahing pamilya ng mga protina ng heat shock: na may pier. na may mass na 25, 70 at 90 kDa (hsp25, hsp70 at hsp90. Sa normal na mga cell, maraming katulad na mga protina mula sa bawat pamilya ang natagpuan. Ang mga heat shock protein ay nakakatulong upang matunaw at ma-refold ang mga denatured o misfolded na protina sa solusyon at refold. Sila mayroon ding iba pang mga pag-andar.
Ang mga protina ng pamilya ng hsp70 ay ang pinakamahusay na pinag-aralan. Ang mga protina na ito ay nagbubuklod sa ilang iba pang mga protina, pati na rin ang mga abnormal na protina complex at aggregates, kung saan sila ay inilabas sa pamamagitan ng paglakip ng ATP. Tumutulong ang mga ito upang matunaw at ma-refold ang pinagsama-sama o maling pagkakatiklop ng mga protina sa pamamagitan ng maraming mga siklo ng pagdaragdag ng ATP at hydrolysis. Ang mga abnormal na protina ay naroroon sa anumang cell, ngunit sa ilalim ng ilang mga impluwensya, halimbawa, sa panahon ng heat shock, ang kanilang bilang sa cell ay tumataas nang malaki, at, nang naaayon, mayroong pangangailangan para sa isang malaking halaga ng mga heat shock protein. Ito ay ibinibigay sa pamamagitan ng pag-activate ng transkripsyon ng ilang mga heat shock genes.
Ang mga protina ng heat shock (Hsp - heat shock protein), na bumubuo ng isang kumplikadong may lumalaking polypeptide chain, pinipigilan ang kanilang hindi tiyak na pagsasama-sama at pagkasira sa ilalim ng pagkilos ng intracellular proteinases, na nag-aambag sa kanilang wastong pagtitiklop, na nangyayari sa pakikilahok ng iba pang mga chaperone. Ang Hsp70 ay kasangkot sa paglalahad ng mga polypeptide chain na umaasa sa ATP, na ginagawang magagamit ang mga non-polar na rehiyon ng mga polypeptide chain sa pagkilos ng mga proteolytic enzymes.
tingnan din ang TRANSCRIPTION FACTORS: CLASS: TF 3.4 heat shock factors - http://humbio.ru/humbio/transcription/0002df25.htm
Si Alexander Sapozhnikov ay hindi sumasang-ayon sa naturang teoretikal na katwiran para sa mekanismo ng pagkilos ng gamot. Ayon sa kanya, ang HSP70 ay maaaring gumana ayon sa ibang pamamaraan, na hindi pa pinag-aaralan, ngunit ang katotohanan ay nananatili na sa mga kultura ng cell at isang bilang ng mga tumor sa dalawang linya ng mga daga na na-inoculate ng "tao" na mga selula ng tumor, ang protina. nagpapakita ng aktibidad.
Ayon sa mga may-akda ng gawain, ang temperatura kung saan gumagana ang mga ito sa HSP70 sa mga kultura ng cell ay 43 ° C, at ito ay masyadong mataas para sa mga buhay na organismo, ngunit doon, tila, ang iba pang mga mekanismo ay kasangkot na hindi pa rin naiintindihan. Nalalapat din ito sa pagkilos ng exogenous non-cellular heat shock protein sa loob ng katawan. "Ang bawat isa sa atin ay may medyo mataas na antas ng HSP70 sa daluyan ng dugo - hanggang sa 900 nanograms bawat milliliter. Itinurok namin ito sa isang hayop at sinubukang makita kung ano ang susunod na mangyayari sa protina. Sa loob ng 40 minuto nakita namin ang mga bakas ng HSP70 sa dugo, at pagkatapos ay nawala ito. Mayroong isang opinyon na ang protina ay nasira, ngunit hindi namin iniisip iyon.
Mga kahanga-hangang resulta habang nakabinbin ang pag-verify
Nagsalita din si Irina Guzhova tungkol sa karagdagang pagsusuri ng gamot: "Sinubukan namin ang mekanismong ito sa B16 mouse melanoma, na lumalaki sa ilalim ng balat, at ginamit ito sa anyo ng isang gel na inilapat sa ibabaw ng balat. Ang resulta ay kahanga-hanga: ang kaligtasan ng mga daga ay mas mataas kaysa sa control group, na ginagamot ng isang gel na walang aktibong sangkap o hindi ginagamot. Ang pagkakaiba ay halos sampung araw. Para sa mga daga at ganitong uri ng tumor, ito ay isang napakahusay na pagkaantala. Ang mga katulad na resulta ay ipinakita sa daga C6 glioma (isang tumor na direktang lumalaki sa utak).
Ang mga hayop na ginagamot ng isang iniksyon sa utak ay nakatanggap ng karagdagang sampung araw ng buhay, at ang mga hayop na patuloy na tinuturok ng protina sa loob ng tatlong araw gamit ang isang pump, ang tagal na ito ay nadagdagan ng isa pang sampung araw, habang ang tumor ay lumaki nang mas mabagal. Ipinakita namin na kung ubusin mo ang populasyon ng T-lymphocyte mula sa isang mouse na may tumor at aalisin ang mga "natutunan" nang NK cells o CD8-positive lymphocytes, hindi rin nila makikilala ang tumor. Maaari itong tapusin na ang pangunahing pag-andar ng HSP70 sa prosesong ito ay ang pag-activate ng tiyak na kaligtasan sa sakit.
Ang mga datos na ito ay nag-udyok sa mga siyentipiko na magsagawa ng limitadong pag-aaral sa loob ng Polenov Clinic (Research Institute of Neurosurgery sa St. Petersburg). "Sa oras na iyon, sa aming koponan ay mayroong isang neurosurgeon na si Maxim Shevtsov, na, kasabay ng mga postgraduate na pag-aaral ni Boris Aleksandrovich (Margulis, - approx. site) pumasa sa residency sa research institute na ito. Nakumbinsi niya ang kanyang superbisor, si Propesor Khachaturian, na subukan ang gamot. Ayon sa batas noon, sapat na ang desisyon ng Academic Council at ang informed consent ng mga pasyente, at 25 na pasyente ang inilaan sa amin. Lahat sila ay may iba't ibang mga tumor sa utak, at lahat sila ay nakatanggap ng kung ano ang nararapat sa kanila sa ilalim ng seguro, ngunit dagdag pa, pagkatapos ng operasyon sa pagtanggal ng tumor, si Maxim ay nag-inject ng solusyon ng HSP70 sa operating bed.
Ang problema ay ang mga tumor sa utak ay mahirap tanggalin nang lubusan. Mayroong palaging maliliit na piraso na mapanganib na alisin, dahil sa kanila maaari mong alisin ang personalidad, at ang mga piraso na ito ay nagbibigay ng mga relapses. Ngunit ang mga resulta ay ganap na kamangha-mangha: pagkatapos ng operasyon, ang bilang ng mga selula ng tiyak na kaligtasan sa sakit ay tumaas sa mga pasyente, ang bilang ng pro-tumor ("pumasa sa gilid ng tumor") T-lymphocytes ay bumaba, at ang halaga ng interleukin -10 (ang molekula ng impormasyon ng immune system) ay bumaba.
Ang pag-aaral ay isang pilot lamang, hindi randomized, wala ring control group, at ito ay isinagawa noong 2011. Sa parehong taon, isang batas ang ipinasa ayon sa kung saan ang mga naturang pagsusulit ay ipinagbabawal, at ang mga ito ay kailangang ihinto sa sandaling magsimula ang mga ito. Mayroon kaming 12 na operahan na pasyente na natitira. Ang mga pamilyar sa klinikal na bahagi ng pananaliksik ay may ideya kung gaano kahirap subaybayan ang kapalaran ng mga pasyente pagkatapos umalis ang bawat isa sa kanila sa klinika. Samakatuwid, alam nating walo lamang ang nananatiling available para makipag-ugnayan, at lahat sila ay buhay pa. Sa simula ng taglagas noong nakaraang taon, sila ay medyo malusog, at ang mga nagpatuloy sa pag-aaral ay pumasok sa paaralan sa taglagas, kahit na ang average na pag-asa sa buhay na may nakitang glioma ay 14 na buwan.
Ngayon, ayon sa mga tagapagsalita, ang mga preclinical na pagsubok ay magtatapos na, at ang gamot ay nangangailangan ng isang multi-stage na pagsusuri sa mga pasyente, na tatagal ng ilang taon (kaya naman ang artikulong Izvestia ay nagtampok ng napakaikling panahon bago pumasok ang gamot sa merkado - 3-4 na taon).
Binigyang-diin din ni Alexander Sapozhnikov ang kahalagahan ng mga klinikal na pagsubok: "Ang isang tumor na nahugpong sa mga daga at ang isang tumor ng tao ay langit at lupa. Maaaring gumana ang gamot sa tumor na ito, ngunit hindi epektibo sa alinman sa mga normal na tumor ng mouse o tao. Tiyakin ang iyong mga kasamahan, walang gamot para sa lahat ng sakit nang sabay-sabay.
Gayundin ang mga mananaliksik mismo. "Sa mga yugtong ito, gumagana ang lahat (at napakahusay), ngunit, siyempre, hindi ito ang gamot na nagpapalaki kay Lazarus," sabi ni Irina Guzhova, "gayunpaman, ito ay lubos na epektibo at karapat-dapat na makapasa sa mga klinikal na pagsubok. At umaasa kami na mangyayari ito."
Simpleng espasyo
Maaaring may makatwirang tanong ang mambabasa: saan nagmula ang kosmos? Ipinaliwanag ni Irina Guzhova: "Ang katotohanan ay ang mga pagsubok ay isinagawa batay sa Institute of Highly Pure Preparations, na ang mga empleyado ay may mahusay na karanasan sa pagrehistro ng mga patent at pagsulat ng mga papeles, kaya ibinigay namin ang kasong ito sa kanila. Kasabay nito, nagsimula silang gumawa ng protina na ito, at gumawa kami ng mga eksperimento sa mga hayop. Ngunit sa proseso, isang kinatawan ng Roscosmos ang bumaling sa kanila at nagtanong kung mayroon kaming isang uri ng hindi kristal na protina na mag-crystallize sa kalawakan, sa orbit. At binigyan sila ng HSP70, sinubukan nilang lumaki ang mga kristal sa orbit, ngunit walang nangyari.
Ang problema ay nasa istraktura ng protina. Ang isang napaka-mobile na bahagi sa istraktura ng protina ay nakagambala sa pagkikristal, kaya sinimulan nilang subukang i-kristal ito sa mga piraso, upang itali ang mobile na bahagi na may isang espesyal na molekula upang "hawakan" ito. Sinusubukan pa rin nila. "Ang kuwentong ito tungkol sa mga cell na lumalaki sa kalawakan at gumagamot sa lahat mula sa kanser ay lumaki mula rito," komento ni Irina Guzhova.
Sinabi rin niya na para sa mga pagsubok sa kalawakan at sa mga daga, ang protina ay sumailalim sa napakataas na antas ng paglilinis - mga 99%. Tulad ng para sa mga pagdududa na hindi ang chaperone ang nagpapagana sa immune system, ngunit ang lipopolysaccharide (LPS), isang bahagi ng bacterial cell wall kung saan ginawa ang protina na ito, mababa ang posibilidad na ito. Kahit na ang LPS ay "dumikit" sa HSP nang napakalakas, at medyo mahirap linisin ang protina mula sa pinakamaliit na dumi nito. Ang mga siyentipiko ay naglagay ng mga karagdagang kontrol upang ipakita na hindi siya, lalo na ang chaperone - ang sanhi ng epekto ng gamot. Halimbawa, ang gamot ay maaaring pakuluan, na hindi nakakaapekto sa LPS, ngunit sinisira ang istraktura ng protina. Pagkatapos ay mawawala ang mga katangian ng HSP nito, at hihinto sa paggana ang gamot, na hindi mangyayari kung ito ay bacterial LPS.
Bilang karagdagan, inihambing ng mga mananaliksik ang epekto ng pagpapakilala ng mga bahagi ng bacterial cell wall na may epekto ng HSP70, at ang mga paghahambing na ito ay malinaw na pabor sa huli.
"Wala kaming sinabing katangahan. At ano? "Walang emosyon!"
Iniulat ni Irina na ang mga siyentipiko ay hindi pa nakakahanap ng anumang masamang reaksyon sa panahon ng mga pagsubok, ngunit maaari silang maantala. "Naniniwala ako na ang isang mananaliksik ay dapat una sa lahat subukan ang lahat sa kanyang sarili, at nakatapos ng dalawang kurso ng chaperone therapy. Walang mga side effect, sa kabilang banda, tila nawawala ang mga maliliit na sugat at tumutubo ang mga pakpak sa likod.
"Sa kabilang banda, ang lahat ng nasa media ay isang tunay na kahihiyan," ang sabi ng mananaliksik. - Ngunit, tulad ng sinasabi nila, walang magiging kaligayahan, ngunit nakatulong ang kasawian: na ngayon ang Institute of Highly Pure Preparations ay tumatanggap ng mga tawag na may mga alok upang tumulong sa mga klinikal na pagsubok. Nagsalita kami sa mga kumperensya at sa iba't ibang mas katamtamang media, pinag-usapan ang parehong mga bagay, ngunit napatunayan ang mga salita, hindi nagsasabi ng walang kapararakan. At ano? - Walang emosyon! At pagkatapos ay tulad ng isang manipis na ulap swept sa buong screen, at mangyaring! Isang kawili-wiling lipunan, isang kawili-wiling bansa."
Gayunpaman, ayon sa mga mapagkukunan ng site, napilitan si Simbirtsev na magbigay ng panayam na nagsimula sa lahat. inaalok na magbigay ng panayam upang pukawin ang interes sa mga problema ng Institute at upang makaakit ng karagdagang pondo para sa mga klinikal na pagsubok. Bilang karagdagan, may mga alingawngaw na ang instituto ay maaaring mawalan ng legal na personalidad dahil sa mga pagsasanib ng mga organisasyong pang-agham na nagaganap sa buong bansa. Tila, ang siyentipiko ay hindi handa na sabihin sa pahayagan nang detalyado at sikat tungkol sa kung ano ang nangyayari. "Lahat ng bagay na maaaring hindi maunawaan ay hindi naiintindihan sa oras na ito," ang sabi ng source.
Bilang isang resulta, ang sitwasyon ay nagiging higit pa at higit pang tulad ng isang kilalang pabula, kapag Roskosmos at mga ahensya ng gobyerno na namamahagi ng mga gawad ay nagmamadali sa ulap, umaasa ng agarang resulta mula sa pangunahing agham, ang kanser ay umuurong pabalik, ang mga mamamahayag ay nagbubuhos ng structured na tubig ... At Ang agham ng Russia ay muli sa hindi nakakainggit na posisyon, napilitang gumawa ng mga dahilan para sa mga krimen na hindi niya ginawa.
07 Hunyo 2010Ano ang hitsura ng molecular thermometer? Ang tanong na ito ay mas kumplikado kaysa sa maaaring mukhang sa unang tingin. Tila, ang "thermometer" na ginagamit ng cell, na gumaganap ng isa sa pinakamahalagang tungkulin sa pagpapanatili ng katatagan ng cell proteome, ay isang sistema ng mga salik ng transkripsyon at mga dalubhasang protina - chaperones, incl. mga heat shock na protina na tumutugon hindi lamang sa pagtaas ng temperatura (ito lang ang una sa mga natuklasang pag-andar ng klase ng mga protinang ito), kundi pati na rin sa iba pang mga epektong pisyolohikal na pumipinsala sa selula.
Ang mga chaperone ay isang klase ng mga protina na ang pangunahing tungkulin ay ibalik ang wastong istrukturang tersiyaryo ng mga nasirang protina, gayundin ang pagbuo at paghihiwalay ng mga kumplikadong protina.
Ang sistema ng chaperone ay tumutugon sa pinsalang naganap sa panahon ng buhay ng cell at tinitiyak ang tamang pagtitiklop - pagtitiklop ng mga chain ng amino acid na bumababa mula sa ribosomal na "assembly line" patungo sa mga three-dimensional na istruktura. Sa kabila ng malinaw na kahalagahan ng sistemang ito, sa loob ng mahabang panahon ay wala sa mga espesyalistang kasangkot sa pag-aaral nito ang nag-isip na ang molecular thermometer na ito ay isa ring uri ng "fountain of youth" ng cell, at ang pag-aaral nito ay nagbibigay ng pagkakataong tingnan ang isang bilang ng mga sakit mula sa isang bago, dating hindi kilalang panig. .
Ang mga protina, na siyang pangunahing produkto ng paggana ng genome, ay hindi lamang bumubuo sa istraktura, ngunit tinitiyak din ang paggana ng lahat ng mga selula, tisyu at organo. Kawalan ng mga pagkabigo sa mga proseso ng synthesis ng mga pagkakasunud-sunod ng amino acid; ang pagbuo, pagpupulong at transportasyon ng mga molekula ng protina, pati na rin ang pag-alis ng mga nasirang protina ay ang pinakamahalagang aspeto ng pagpapanatili ng kalusugan ng parehong indibidwal na mga selula at ng buong organismo. Ang mga protina din ang materyal na kailangan para sa pagbuo at epektibong paggana ng "molecular machine" na nagsisiguro sa mga proseso ng biosynthesis, isang proseso na kritikal para matiyak ang mahabang buhay ng katawan. Ang sanhi ng maraming mga problema ay isang paglabag sa pangunahing proseso ng pagtitiklop ng protina. Ang mga paglabag sa gawain ng "OTK", na kinakatawan ng mga heat shock protein at chaperones, ay humantong sa hitsura at akumulasyon ng mga pagkakamali. Ang mga error na ito ay nakakagambala sa paggana ng mga mekanismo ng molekular, na maaaring humantong sa pag-unlad ng iba't ibang sakit. Ang paglitaw ng gayong mga pagkakamali sa mga neuron ay puno ng tunay na kahila-hilakbot na mga kahihinatnan, na ipinakita sa pamamagitan ng pag-unlad ng naturang mga sakit na neurodegenerative bilang maramihang sclerosis, pati na rin ang mga sakit ng Huntington, Parkinson at Alzheimer.
Natuklasan noong 1962 ni Ferruccio Ritossa, ang reaksyon ng heat shock ay inilarawan bilang isang pagbabago na dulot ng temperatura sa organisasyon ng mga siksik na chromosome sa mga selula ng salivary gland ng mga langaw ng prutas, na humahantong sa pagbuo ng tinatawag na "bloating". Ang gayong mga pamamaga, na parang mga bola ng koton sa ilalim ng mikroskopyo, na nasa pagitan ng makapal na mga rehiyon ng chromosome, ay lumilitaw din kapag nalantad sa dinitrophenol, ethanol, at salicylic acid salts.
Ang mga chromosome swelling ay naging mga bagong rehiyon ng transkripsyon na nagsisimula sa synthesis ng mga bagong messenger RNA sa loob ng ilang minuto pagkatapos ng kanilang paglitaw. Ang mga produktong protina ng prosesong ito ay malawak na kilala ngayon bilang mga heat shock protein, ang pinakamahusay na pinag-aralan kung saan ay ang Hsp90 at Hsp70. Kinokontrol ng mga protina ng pamilyang ito ang pagtitiklop ng mga kadena ng amino acid at pinipigilan ang paglitaw ng mga maling nabuong molekula ng protina sa mga selula ng lahat ng nabubuhay na organismo.
Noong huling bahagi ng 1970s at unang bahagi ng 1980s, nagtagumpay ang mga siyentipiko sa pag-clone ng unang Drosophila heat shock genes gamit ang isang mapanlikhang cellular biochemistry technique upang madagdagan ang bilang ng mga messenger RNA na nag-encode ng kaukulang mga sequence ng protina. Sa oras na iyon, ang mga eksperto ay may opinyon na ang heat shock reaction ay katangian lamang ng Drosophila organism. Sa yugtong ito, ginawa ni Richard Morimoto ang kanyang unang kontribusyon sa pag-aaral ng mga protina ng heat shock. Nakolekta niya ang isang malawak na koleksyon ng DNA mula sa mga multicellular na organismo at, gamit ang pamamaraan ng Southern blotting, ipinakita na lahat sila ay naglalaman ng halos magkaparehong mga analog ng Hsp70 gene sa istraktura. Sa parehong oras, tinukoy ni Jim Bardwell at Betty Craig ng University of Wisconsin-Madison ang dnaK gene, na isa ring analog ng Hsp70, sa Escherichia coli genome. Ang resulta ng karagdagang detalyadong pag-aaral ng isyung ito ay ang pag-unawa na ang mga heat shock gene ay naroroon sa mga genome ng mga kinatawan ng lahat ng limang kaharian ng buhay na mundo sa isang anyo na hindi nagbago sa panahon ng ebolusyon.
Ang susunod na pagsulong sa sunod-sunod na mga kaganapan na sumunod ay ang pagkakakilanlan ng isang pamilya ng mga salik ng transkripsyon na kumokontrol sa pagsisimula ng unang hakbang ng reaksyon ng heat shock. Kasama sa gawaing ito ang ilang grupo ng pananaliksik mula sa iba't ibang unibersidad, kabilang ang grupo ni Morimoto. Ipinakita ng mga siyentipiko na ang pagtaas sa temperatura ng cell ay nagdudulot ng pagbabago sa hugis ng mga transcription factor na ito, na nagpapadali sa kanilang pagbubuklod sa mga promotor ng heat shock genes, na nagpapasimula ng synthesis ng mga heat shock protein. Bukod dito, ito ay lumabas na, hindi tulad ng lebadura, mga langaw ng prutas, at ang nematode Caenorhabditis elegans, na mayroon lamang isang transcription factor para sa heat shock genes, mayroong kasing dami ng tatlong ganoong mga kadahilanan sa mga selula ng tao. Ang ganitong kumplikadong pamamaraan ng regulasyon ng pagpapahayag ng pinag-aralan na mga gene ay humantong sa mga siyentipiko sa ideya ng kanilang multifunctionality, na nangangailangan ng karagdagang pag-aaral.
Ang mga karagdagang pag-aaral ay nagpakita na ang mga heat shock protein mismo ay kumokontrol sa paggana ng transcription factor na nagpapasimula ng kanilang produksyon sa cell nuclei. Naging malinaw din na ang mga heat shock protein ay gumaganap ng mga function ng molecular chaperones - kinokontrol nila ang pagtitiklop ng mga chain ng amino acid, tinitiyak ang pagbuo ng tamang spatial conformations ng mga molekula ng protina, at kilalanin at inaalis din ang mga pagkabigo sa prosesong ito. Kaya, ito ay lumabas na ang cell thermometer ay hindi lamang sumusukat sa temperatura, ngunit sinusubaybayan din ang hitsura ng mga abnormal na nabuo at nasira na mga protina sa cell. Ang heat shock at iba pang mga stressor ay bumabaha sa cell ng mga abnormal na protina, kung saan ang mga chaperone ay tumutugon sa pamamagitan ng pagbubuklod sa mga protina na ito at pagpapakawala ng heat shock transcription factor-1 (Hsf1). Ang mga molekula ng salik na ito ay kusang bumubuo ng mga trimer (mga complex ng tatlong molekula) na nagbubuklod sa mga kaukulang rehiyon ng genome, na nag-trigger ng synthesis ng mga heat shock protein. Ang kasunod na pagtaas sa konsentrasyon ng mga protina ng heat shock sa kinakailangang antas ng prinsipyo ng feedback ay pinipigilan ang aktibidad ng transkripsyon ng Hsf1 transcription factor.
Ang pag-aaral ng paggana ng mga heat shock protein sa mga linya ng cell ay lubhang limitado ang mga posibilidad ng mga mananaliksik, dahil hindi ito nagbibigay ng impormasyon sa mga kasamang pagbabago na nagaganap sa buong katawan. Kaya noong 1999, nagpasya si Morimoto at ang kanyang mga kasamahan na lumipat sa isang bagong modelo, ang C.elegans roundworm. Sila ay partikular na inspirasyon ng gawa ni Max Perutz, na inilathala noong 1994, na natagpuan na ang sanhi ng isang malubhang sakit na neurodegenerative - Huntington's disease - ay isang tiyak na mutation ng isang gene na tinatawag na huntingtin. Ang mutation na ito ay humahantong sa synthesis ng isang variant ng protina na naglalaman ng karagdagang fragment mula sa mahabang chain ng amino acid glutamine, na tila nakakagambala sa normal na proseso ng pagtitiklop. Ang pagsasama-sama ng mga abnormal na molekula ng protina sa mga neuron ay humahantong sa pag-unlad ng Huntington's disease. Iminungkahi ng mga mananaliksik na ang pag-aaral ng mga protina na ang pagbuo ng mga molekula ay may kapansanan dahil sa pagpapahayag ng polyglutamine o mga katulad na dahilan ay makakatulong upang maunawaan ang pagpapatakbo ng molecular thermometer.
Sa proseso ng paglikha ng mga modelo ng hayop ng pagpapahayag sa mga neuron at mga selula ng kalamnan ng mga protina na naglalaman ng mga kalabisan na pagkakasunud-sunod ng polyglutamine, natuklasan ng mga mananaliksik na ang antas ng pagsasama-sama at nauugnay na toxicity ng naturang mga protina ay proporsyonal sa kanilang haba at edad ng organismo. Ito ay humantong sa kanila sa ideya na ang pagsugpo sa insulin-mediated signaling mechanism na kumokontrol sa habang-buhay ng katawan ay maaaring makaapekto sa proseso ng pagsasama-sama ng mga protina na naglalaman ng polyglutamine. Ang mga resulta ng karagdagang pag-aaral ay nakumpirma ang pagkakaroon ng iminungkahing relasyon, at ipinakita din na ang epekto ng paggana ng Hsf1 transcription factor sa habang-buhay ng organismo ay pinapamagitan ng isang mekanismo ng senyas na umaasa sa insulin. Nilinaw ng mga obserbasyon na ito na ang tugon ng heat shock ay pantay na mahalaga para sa kaligtasan ng organismo sa ilalim ng mga kondisyon ng matinding stress, at para sa patuloy na neutralisasyon ng mga nakakalason na epekto ng mga protina na nakakaapekto sa paggana at habang-buhay ng mga selula.
Ang paggamit ng mga buhay na organismo bilang isang pang-eksperimentong modelo ay nagpapahintulot sa mga siyentipiko na kumuha ng pananaliksik sa isang buong bagong antas. Sinimulan nilang bigyang pansin ang mga mekanismo kung saan nakikita at pinagsama ng katawan ang impormasyon na nagmumula sa labas sa antas ng molekular. Kung ang stress ay nakakaapekto sa proseso ng pagtanda, makatuwirang ipagpalagay na ang mga protina ng heat shock, na nakikita ang hitsura at pinipigilan ang akumulasyon ng mga nasirang protina sa cell, ay lubos na may kakayahang magpabagal sa pag-unlad ng mga epekto ng pagtanda.
Ang katotohanan na maraming mga sakit na nauugnay sa akumulasyon ng mga protina na madaling kapitan ng pagsasama-sama ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga sintomas ng pagtanda, at na ang lahat ng mga sakit na nakabatay sa mga karamdaman sa pagbuo ng mga molekula ng protina ay nauugnay sa pagtanda, ay nagpapahiwatig na ang sensitibo sa temperatura na mga metastabil na protina ay nawawala ang kanilang pag-andar. oras.habang tumatanda ang katawan. Sa katunayan, ang mga eksperimento sa C. elegans ay nagpakita na ang paggana ng mekanismo na na-trigger ng Hsf1 transcription factor, pati na rin ang iba pang mga cell defense system, ay nagsisimulang maglaho halos kaagad pagkatapos maabot ng katawan ang maturity. Gayunpaman, lumabas na ang pag-activate ng transcription factor Hsf1 sa mga unang yugto ng pag-unlad ay maaaring maiwasan ang pagkagambala sa katatagan ng mga molekula ng protina (proteostasis).
Marahil ang obserbasyon na ito, na nagmumungkahi ng mga nakakaintriga na posibilidad, ay hindi nalalapat sa mas kumplikadong mga multicellular na organismo, ngunit ang lahat ng nabubuhay na bagay ay gawa sa mga protina, kaya ang mga resulta na nakuha sa mga eksperimento sa mga roundworm na may mataas na antas ng posibilidad ay makakatulong sa mga siyentipiko na maunawaan ang mga mekanismo ng tao. pagtanda.
Gayunpaman, hindi ito ang katapusan ng kuwento. Ang mga resulta ng kamakailang trabaho na pinamunuan ni Propesor Morimoto ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga mekanismo para sa pagwawasto ng proteostasis na hindi nangangailangan ng direktang interbensyon sa paggana ng Hsf1 transcription factor. Nagpasya ang mga mananaliksik na magsagawa ng isang klasikal na genetic screening ng C. elegans mutants, na nagpapakita ng mga paglabag sa proseso ng pagbuo ng mga molekula ng protina sa mga selula ng kalamnan. Bilang resulta, nalaman nila na ang mutation na nakakaapekto sa prosesong ito ay nasa transcription factor gene na kumokontrol sa produksyon ng neurotransmitter gamma-aminobutyric acid (GABA). Kinokontrol ng GABA ang paggana ng mga excitatory neurotransmitters at kinokontrol ang tono ng kalamnan. Ang isang kagiliw-giliw na katotohanan ay ang anumang pagkagambala sa katatagan ng GABA-mediated na mga mekanismo ay humahantong sa hyperstimulation, na pinipilit ang postsynaptic na mga selula ng kalamnan na tumugon sa hindi umiiral na stress, na humahantong sa isang pagkagambala sa pagbuo ng mga molekula ng protina. Sa madaling salita, lumabas na ang aktibidad ng mga neuron ay maaaring makaapekto sa paggana ng mga molecular thermometer ng iba pang mga cell sa katawan, na higit na kumplikado sa umuusbong na larawan.
Kung ang mekanismong ito ay umaabot sa mga tao, kung gayon marahil ang mga siyentipiko ay makakabuo ng isang paraan ng pag-impluwensya sa mga neuron, na humahantong sa pag-activate ng mga protina ng heat shock sa mga selula ng kalamnan ng kalansay at pagtulong upang maalis ang mga sintomas ng muscular dystrophy at iba pang mga sakit ng mga motor neuron. Posibleng, ang mga manipulasyon ng mga mekanismong ito ay magiging posible din na kontrolin ang akumulasyon ng mga nasirang protina na nauugnay sa pagtanda. Gayunpaman, sa kasamaang-palad, hindi lahat ay kasing simple ng gusto natin. Sa katawan ng C. elegans, ang pagbuo ng heat shock reaction sa lahat ng adult na somatic cells ay kinokontrol ng isang pares ng mga neuron. Tila ang aktibidad ng mga neuron na ito at ang mekanismo ng feedback ay nagpapahintulot sa mga cell at tissue na i-activate ang mga heat shock protein ayon sa kanilang mga partikular na pangangailangan. Ang katotohanan ay ang iba't ibang mga tisyu ay nailalarawan sa pamamagitan ng iba't ibang aktibidad ng biosynthesis ng protina, pati na rin ang iba't ibang kalubhaan at likas na katangian ng mga panlabas na impluwensya. Samakatuwid, ang isang unibersal na diskarte sa pagkontrol sa thermal shock reaksyon ay imposible sa prinsipyo.
Gamit ang mga resulta ng kanilang trabaho at mga magagandang ideya, itinatag ni Morimoto at ng ilan sa kanyang mga kasamahan ang kumpanyang Proteostasis Therapeutics, na ang layunin ay kilalanin ang mga therapeutic na maliliit na molekula na maaaring itama ang mga pathological na epekto ng akumulasyon ng mga maling hugis na molekula ng protina. Ang diskarte na ito ay nauugnay sa isang medyo mataas na antas ng panganib, dahil ang antas ng mga protina ng heat shock ay nadagdagan sa maraming mga malignant na sakit. Gayunpaman, naniniwala si Morimoto at ang kanyang mga kasama na ang direksyon na kanilang binuo ay may napakaraming potensyal na hindi papansinin.
tungkol sa may-akda
Si Propesor Richard Morimoto, pagkatapos na ipagtanggol ang kanyang disertasyong pang-doktor, itinalaga ang kanyang buong trabaho sa pag-aaral sa paggana ng mga protina ng heat shock at ang kanilang papel sa pagtanda. Ginawa ni Morimoto ang kanyang mga unang hakbang sa kanyang napiling direksyon sa Harvard University sa ilalim ng gabay ni Dr. Matt Meselson. Si Richard Morimoto ay kasalukuyang direktor ng Rice Institute para sa Biomedical Research sa Northwestern University sa Evanston, Illinois, at isang founding member ng Proteostasis Therapeutics sa Cambridge, Massachusetts.
Evgeniya Ryabtseva
Portal na "Eternal Youth" batay sa The Scientist: Richard Morimoto,
Mga pagbabago sa istruktura at pagganap sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura. Ang pagkakalantad sa mataas na temperatura ay pangunahing nakakaapekto sa pagkalikido ng mga lamad, na nagreresulta sa pagtaas ng kanilang pagkamatagusin at ang paglabas ng mga sangkap na nalulusaw sa tubig mula sa cell. Bilang isang resulta, mayroong isang disorganisasyon ng maraming mga function ng cell, lalo na ang kanilang dibisyon. Kaya, kung sa temperatura na 20 ° C ang lahat ng mga cell ay sumasailalim sa proseso ng mitotic division, sa 38 ° C - tuwing ikapitong, at sa 42 ° C - bawat limang daang cell lamang.
Ang pagtaas ng pagkalikido ng mga lipid ng lamad, dahil sa mga pagbabago sa komposisyon at istraktura ng lamad sa panahon ng sobrang pag-init, ay humahantong sa pagkawala ng aktibidad ng mga enzyme na nakagapos sa lamad at pagkagambala sa aktibidad ng ETC. Sa mga pangunahing prosesong gumagawa ng enerhiya - photosynthesis at respiration, ang ETC ng photosynthesis ang pinakasensitibo, lalo na ang photosystem II (PS II). Tulad ng para sa photosynthesis enzymes, ang pangunahing enzyme ng C3 cycle ng photosynthesis, RuBP carboxylase, ay medyo lumalaban sa overheating.
Ang sobrang pag-init ay may kapansin-pansing epekto sa rehimen ng tubig ng halaman, mabilis at makabuluhang pagtaas ng rate ng transpiration. Bilang resulta, ang halaman ay may kakulangan sa tubig. Ang kumbinasyon ng tagtuyot na may init at mataas na solar insolation ay may pinakamataas na negatibong epekto sa mga pananim, nakakagambala, kasama ang photosynthesis, respiration at tubig na rehimen, ang pagsipsip ng mga sustansya ng mineral.
Molekular na aspeto ng pinsala sa heat shock. Pangunahing sinisira ng init ang mga protina sa selula, lalo na ang mga enzyme, na nakakaabala sa proseso ng de novo protein biosynthesis, pinipigilan ang aktibidad ng mga enzyme, at nagdudulot ng pagkasira ng mga umiiral na protina. Bilang resulta, maaaring mawala ang mga pool ng mga enzyme na mahalaga para sa paggana ng mga cell sa panahon ng stress at kasunod na pag-aayos. Karamihan sa mga pangunahing enzyme ng halaman ay thermolabile, kabilang ang RuBisCO, catalase, at SOD. Ang pagsugpo sa RuBisCO ang pangunahing dahilan ng pagbaba ng IF sa mataas na temperatura. Pinipigilan din ng init ang kakayahang i-convert ang sucrose sa starch sa barley, trigo, at patatas, na nagpapahiwatig na ang isa o higit pang mga enzyme sa chain ng conversion ay malakas na pinipigilan ng init. Ang direktang epekto ng init sa aktibidad ng natutunaw na starch synthase sa wheat endosperm, parehong in vitro at in vivo, ay nagdudulot ng pagsugpo sa akumulasyon ng starch.
Ang mataas na temperatura ay humadlang sa aktibidad ng catalase sa ilang mga species ng halaman, habang ang aktibidad ng iba pang antioxidant enzymes ay hindi napigilan. Sa rye, ang mga pagbabago sa aktibidad ng catalase ay nababaligtad at hindi nag-iwan ng nakikitang pinsala pagkatapos ng pagtigil ng init, habang sa pipino, ang pagbawi ng aktibidad ng catalase ay pinabagal (pinabagal) at sinamahan ng pagkawalan ng kulay ng chlorophyll, na nagpapahiwatig ng mas makabuluhang pinsala sa oxidative. Sa mga punla ng mais na lumago sa mataas na temperatura (35°C), ang aktibidad ng SOD ay mas mababa kaysa sa medyo mababang temperatura (10°C).
Ang init ay lumabag sa integridad ng mga lamad, na humantong sa kanilang pagtaas ng pagkamatagusin sa mga ion at solusyon. Kasabay nito, ang aktibidad ng mga enzyme na nauugnay sa lamad ng photosynthesis, respiration, at assimilate transport ay nagambala. Nadagdagan ng init ang antas ng saturation ng fatty acid ng ER membrane phospholipids. Sa ilalim ng mga kondisyon ng matinding init, ang mga lamad nito ay piling nasira, na nagiging sanhi ng pagkasira ng mRNA (3-amylase. Kasabay nito, ang init-sapilitan na pagtagas ng mga sangkap sa pamamagitan ng mga lamad ay nakakaapekto sa redox potensyal ng mga pangunahing cellular compartments, na, sa turn, ay nakakagambala sa kurso ng mga proseso ng metabolic hanggang sa pagkamatay ng cell.
Ang oxidative stress ay kinilala kamakailan bilang isa sa pinakamahalagang negatibong epekto ng init sa mga halaman. Ang init ay nagdudulot ng kawalan ng balanse sa pagitan ng dami ng solar radiation na nasisipsip ng mga pigment at ang transportasyon ng mga electron sa pamamagitan ng cytochromes - isang proseso na tinatawag na photoinhibition. Ang labis na enerhiya ay maaaring ilipat sa oxygen, na humahantong sa pagbuo ng ROS. Ang mga pangunahing zone ng pagkasira ng oxidative sa mga cell ay mitochondria at chloroplasts, kung saan ang transportasyon ng elektron ay nabalisa. Sa mga chloroplast, ang mataas na temperatura na stress ay nagdudulot ng photoinhibition ng photosynthesis at inactivation ng catalase, na humahantong sa akumulasyon ng ROS at decolorization ng chlorophyll. Ang Photosystem II ay kinikilala bilang ang pinaka-sensitibo sa pagkilos ng init, na humahantong sa pagkawatak-watak ng mga functional na bahagi ng PS II complex at, nang naaayon, ang pagkagambala ng transportasyon ng elektron sa pagitan ng PS I at PS II, isang pagtaas sa electron flux sa molekular na oxygen, at ang pagbuo ng ROS. Bilang resulta, bumababa ang FI, na siyang pangunahing sanhi ng pagkawala ng ani sa ilalim ng impluwensya ng init.
Mga protina ng heat shock. Ang synthesis ng heat shock proteins (HSP) bilang tugon sa pagtaas ng temperatura ay natuklasan noong 1974. Ito ay katangian ng lahat ng uri ng mga buhay na organismo, kabilang ang mas mataas at mas mababang mga halaman. Ang HSP sa lahat ng mga organismo ay kinakatawan ng isang malaking hanay ng mga polypeptides, na karaniwang pinangalanan ayon sa bigat ng molekular, na ipinahayag sa kilodaltons (kDa). Halimbawa, ang HSP na may molecular weight na 70 kDa ay tinatawag na HSP 70. Ang makabuluhang papel ng HSP sa buhay ng cell ay napatunayan ng mataas na konserbatismo ng kanilang ebolusyon. Halimbawa, ang mga indibidwal na site sa ebolusyon ng HSP 70 ay nagpapanatili ng higit sa 90% homology sa bakterya at mga tao. Ang mga HSP ng halaman ay kinakatawan ng isang pangkat ng mataas na molekular na timbang (110-60 kDa) at mababang molekular na timbang (35-15 kDa) na mga protina. Ang mga natatanging tampok ng mga halaman ay ang multiplicity ng mababang molekular na timbang na HSP at ang mataas na intensity ng kanilang synthesis sa panahon ng heat shock (HS).
Ang HSP synthesis ay isang stress program na na-trigger ng heat shock at nangyayari kapag tumaas ang temperatura ng 8-10 °C kaysa sa normal. Kaya, sa mga dahon ng barley, ang maximum na synthesis ng HSP ay naabot sa 40°C, at sa mga dahon ng palay, sa 45°C. Ang paglipat ng normal na buhay ng isang cell sa isang stress program ay kinabibilangan ng genome reprogramming na nauugnay sa pagsugpo sa pagpapahayag ng mga gene na ang aktibidad ay katangian ng buhay sa ilalim ng normal na mga kondisyon at ang pag-activate ng mga HS genes. Sa mga cell ng halaman, ang mga mRNA na naka-encode ng mga HSP ay nakita 5 min pagkatapos ng simula ng stress. Bilang karagdagan, mayroong isang disintegration ng polysomes synthesizing protina tipikal ng normal na kondisyon at ang pagbuo ng polysomes synthesizing HSPs. Ang mabilis na pag-activate ng synthesis ng HSP sa antas ng hindi lamang transkripsyon (synthesis ng RNA sa DNA), kundi pati na rin ang pagsasalin (synthesis ng protina sa mRNA) ay nakamit bilang isang resulta ng koordinasyon ng maraming mga kaganapan. Ang heat shock ay nag-uudyok ng mga pagbabago sa mRNA na na-synthesize sa cell bago ang shock na nauugnay sa pagbabago ng mga salik ng pagsasalin ng protina at mga ribosomal na protina. Bilang karagdagan, ang mga HSP mRNA ay naiiba sa mga mRNA ng mga maginoo na protina. Bilang isang resulta ng HS, mayroong isang pagpapahina at pagkatapos ay isang pagtigil ng synthesis ng mga maginoo na protina at isang paglipat ng apparatus ng synthesis ng protina sa synthesis ng HSP, na matatagpuan sa cell kasing aga ng 15 min pagkatapos ng simula ng HS. Ang maximum na synthesis ay sinusunod pagkatapos ng 2-4 na oras, pagkatapos ay bumababa ito.
Ang synthesis ng iba't ibang HSP ay nangyayari sa iba't ibang temperatura. Sa mga chloroplast, ang synthesis ng mataas na molekular na timbang na HSP ay isinaaktibo sa hanay ng 34-42 ° C, humina sa 44 ° C, at mabilis na nabawasan sa 46 ° C. Ang induction ng synthesis ng mababang molekular na timbang na HSP ay lalong kapansin-pansin sa 40-42 ° C. Ang makabuluhang pagsugpo sa synthesis ng Rubisco ay nangyari lamang sa mga temperaturang higit sa 44°C. Halos lahat ng nakitang HSP chloroplast ay naka-encode sa nucleus, na-synthesize sa cytoplasm, at pagkatapos ay dinadala sa chloroplast, kung saan nagsasagawa sila ng protective function sa panahon ng HS. Matapos ang pagtatapos ng heat shock, hihinto ang synthesis ng HSP at ang synthesis ng mga protina na katangian ng cell sa ilalim ng normal na mga kondisyon ng temperatura ay nagpapatuloy. Kasabay nito, ang mga HSP mRNA ay mabilis na nagpapasama sa mga cell sa normal na temperatura, habang ang mga protina mismo ay maaaring magpatuloy nang mas matagal, na tila nagbibigay ng pagtaas sa cell resistance sa pag-init. Ang matagal na pagkakalantad ng mga cell sa HS ay kadalasang humahantong din sa pagpapahina at pagtigil ng HSP synthesis. Sa kasong ito, ang mga mekanismo ng regulasyon ng expression ng HSP gene ay isinaaktibo ayon sa prinsipyo ng feedback. Ang akumulasyon ng HSP sa mga selula ay binabawasan ang aktibidad ng kanilang mga gene. Posible na sa ganitong paraan ang cell ay nagpapanatili ng halaga ng HSP sa kinakailangang antas, na pumipigil sa kanilang labis na produksyon.
Bilang isang patakaran, bilang tugon sa isang pagtaas sa temperatura, ang mga kaukulang protina ay synthesized, na nag-aambag sa isang pagtaas sa thermal katatagan ng katawan. Ang proteksiyon na papel ng HSP ay inilalarawan ng modelo ng isang molekular na chaperone (isinalin mula sa Ingles - gabay, tagapagturo sa isang binibini). Sa ilalim ng matinding kundisyon, ang mga HSP ay "nag-iingat" sa paggana ng mga partikular na macromolecule, mga istruktura ng cellular, naglalabas ng mga cell mula sa mga nasirang bahagi, na nagbibigay-daan sa pagpapanatili ng cellular homeostasis. Ang pakikipag-ugnayan ng HSP 70 sa iba pang mga protina ay nakasalalay sa ratio ng ATP/ADP. Ito ay pinaniniwalaan na ang HSP 70 sa complex na may ADP ay nagpapanatili ng hindi nakatiklop na protina, at ang pagpapalit ng ADP sa ATP ay humahantong sa paglabas ng protina na ito mula sa complex na may HSP 70.
Alinsunod sa modelong ito, pinapataas ng HSP ang thermal stability ng mga cell sa pamamagitan ng pagbibigay ng mga sumusunod na proseso: stabilization na umaasa sa enerhiya ng katutubong istraktura ng mga protina; tamang pagpupulong ng mga oligomeric na istruktura sa ilalim ng mga kondisyon ng hyperthermia; transportasyon ng mga sangkap sa pamamagitan ng mga lamad ng organelles; disaggregation ng hindi wastong pinagsama-samang mga macromolecular complex; pagpapalaya ng cell mula sa denatured macromolecules at muling paggamit ng mga monomer na kasama sa kanila sa tulong ng ubiquitins. Ang mga Ubiquitin ay mga low molecular weight heat shock protein, ang pagdaragdag nito sa isang polypeptide ay ginagawa itong target para sa mga protease. Ito ay isang uri ng "mark of death" para sa mga protina. Sa kanilang tulong, ang pag-culling at pag-alis ng mga protina na nasira at hindi kumpleto bilang resulta ng pagkilos ng HS ay nangyayari.
Ang ilang mga katotohanan ay nagpapatotoo pabor sa proteksiyon na paggana ng HSP sa TS. Sa partikular, ipinakita na ang pagsara ng synthesis ng protina ng mga tiyak na inhibitor sa panahon ng HS, kapag nangyari ang synthesis ng HSP, ay humahantong sa pagkamatay ng cell. Ang mga cell ay maaaring tumigas, pinapataas ang kanilang thermal stability sa pamamagitan ng paunang panandaliang pagkakalantad sa mataas na temperatura. Ang mga kondisyon para sa naturang hardening ay nag-tutugma sa mga kondisyon para sa induction ng HSP synthesis. Kapansin-pansin, ang synthesis ng HSP sa mga halaman ay nagpapahiwatig hindi lamang ng HS, kundi pati na rin, halimbawa, mga cadmium salts at arsenite, paggamot kung saan pinapataas ang paglaban ng mga cell sa init. Mahalaga rin na bigyang-diin na ang mga pagbabago sa istruktura ng gene (mutations) na pumipinsala sa synthesis ng HSP ay humantong sa pagkawala ng resistensya ng cell sa init. Ang mga karagdagang pag-aaral ng tiyak na pag-andar ng bawat HSP sa ilalim ng stress ay gagawing posible na ipaliwanag ang mga mekanismo ng molekular ng pagbuo at paggana ng mga proteksiyon na katangian sa TS.
Karamihan sa mga protina ng HS ay may mga kaugnay na protina sa mga cell, na palaging na-synthesize sa normal na temperatura o sa ilang mga yugto ng ontogeny. Lumalabas na ang mga protina na ito, lalo na ang HSP 70, ay nakakabit sa iba pang mga protina, na nagiging sanhi ng mga ito sa pagbuka at pagpigil sa kanilang pagsasama-sama. Maaaring pigilan ng huli ang protina mula sa pagkuha ng native conformation na kinakailangan para sa functional na aktibidad nito. Ang paglalahad ng mga protina sa tulong ng HSP ay kinakailangan para sa kanilang pagtagos sa pamamagitan ng lamad ng mga chloroplast, mitochondria, at ER. Dahil ang pagsasama-sama ng protina ay tumataas nang husto sa pagtaas ng temperatura, ang pag-activate ng HSP 70 synthesis sa ilalim ng mga kundisyong ito ay dapat maprotektahan ang mga protina mula sa hindi maibabalik na pinsala. Ang mga HSP ay naroroon sa lahat ng mga cell compartment, lalo na ang nucleus at nucleoli, kung saan sila nag-iipon sa panahon ng TS. Itinataguyod ng HSP 70 ang pagpasa ng mga precursor ng chloroplast at mitochondrial na mga protina na na-synthesize sa cytoplasm sa pamamagitan ng lamad, na gumaganap ng isang papel sa biogenesis ng mga organel na ito. Ang HSP 60, na nauugnay din sa mga chaperone, ay tinatawag ding chaperonins. Tinitiyak ng mga protina na ito ang tamang pagpupulong ng quaternary na istraktura ng mga cellular protein, tulad ng pangunahing enzyme ng photosynthesis, RuBisCO, na binubuo ng walong malaki at walong maliliit na subunit. Kasama rin sa grupo ng mga chaperone ang HSP 90, na gumaganap ng mahalagang papel sa pagbuo ng isang complex ng steroid hormones kasama ng kanilang mga receptor. Bilang karagdagan, ang HSP 90 ay bumubuo ng mga complex na may ilang mga kinase ng protina, na kinokontrol ang kanilang aktibidad. Tulad ng nalalaman, ang mga kinase ng protina ay nag-phosphorylate ng iba't ibang mga cellular protein, na kinokontrol ang kanilang aktibidad.
Mahigit sa 30 mababang molekular na timbang (15-35 kDa) na HSP ang natagpuan sa mga halaman, na na-localize pangunahin sa mga cytoplasmic heat shock granules na lumilitaw sa panahon ng HS at nawawala pagkatapos nito. Ang kanilang pangunahing tungkulin ay upang protektahan ang mga "pre-shock" na mRNA, na nagpapahintulot sa huli na magamit para sa synthesis ng protina pagkatapos ng pagtatapos ng shock. Ang mga mababang molekular na timbang na HSP ay matatagpuan din sa iba pang mga compartment, lalo na, sa mga chloroplast. Ito ay pinaniniwalaan na pinoprotektahan nila ang thylakoid membranes mula sa HS, kung saan ang mga proseso ng light phase ng photosynthesis ay naisalokal.
Sa ilang mga halaman, natagpuan ang isang constitutive (non-induced) synthesis ng HSP sa panahon ng pagbuo, lalo na, ng pollen. Posibleng tinitiyak ng mga preshock HSP ang thermal stability nito sa TS. Bilang karagdagan sa HSP, ang init ay nagpapahiwatig ng pagpapahayag ng mga protina ng iba pang mga klase, sa partikular na calmodulin.
Metabolismo sa ilalim ng heat shock. Mayroong napakakaunting mga naka-target na pag-aaral ng metabolismo ng halaman sa ilalim ng pagkilos ng HS, at sa mga eksperimentong ito ang parehong HS at tagtuyot ay madalas na kumilos nang sabay-sabay. Ito ay isang napakahalagang punto, dahil ang tugon ng mga halaman sa isang kumbinasyon ng tagtuyot at HS ay iba kaysa sa tugon sa mga indibidwal na stressor. Kaya, sa ilalim ng pinagsamang mga stress, ang mga halaman ay nag-iipon ng ilang natutunaw na asukal, kabilang ang sucrose, maltose, trecallose, fructose, at glucose. Sa ilalim ng pagkilos ng tagtuyot, ang proline ay naipon, habang sa ilalim ng pagkilos ng HS, pati na rin ang kumbinasyon ng HS at tagtuyot, ang proline ay hindi naipon sa mga halaman. Sa ilalim ng mga kondisyon ng TS, ang proline o ang intermediate nito (pyrroline-5-carboxylate) ay nakakalason, kaya ang proline ay hindi angkop bilang isang katugmang osmolyte. Sa sabay-sabay na pagkilos ng HS at tagtuyot, ang nilalaman ng glutamine ay tumataas nang husto. Tila, kapag ang proline biosynthesis ay inhibited, ang glutamate ay nagiging glutamine. Kasabay nito, ang mga gene na nag-encode ng starch breakdown at lipid biosynthesis ay isinaaktibo, at ang pagpapahayag ng mga gene na nag-encode ng hexokinase, glucose-6-phosphate dehydrogenase, fructokinase, at sucrose-UDP-glucosyltransferase ay nadagdagan din. Ito ay ang mga pagbabago sa pagpapahayag ng gene sa antas ng transkripsyon na siyang pangunahing kadahilanan sa reprogramming ng metabolismo ng carbohydrate.
Sa ilalim ng pagkilos ng HS sa mga Arabidopsis seedlings, isang kasabay na pagtaas sa laki ng mga pool ng isang bilang ng mga amino acid at amides (asparagine, leucine, isoleucine, threonine, alanine, at valine) na nakuha mula sa PAA at PVC ay itinatag. Bilang karagdagan, ang nilalaman ng carbohydrates ay tumaas: maltose, sucrose, galactinol, myoinositol, raffinose at monosaccharides, cell wall precursors. Pagkatapos ng 6 na oras, ang mga konsentrasyon ng b-alanine, glycerol, maltose, sucrose, at trecallose ay tumaas.
Photosynthesis, transpiration at respiration. Ang isang tagapagpahiwatig na malapit na nauugnay sa regulasyon ng metabolismo ng CO2 at H2O sa mga halaman ay stomatal conductance. Maraming data ang nagpapahiwatig na ang mataas na temperatura ay nag-uudyok sa pagsasara ng stomatal, na maaaring ituring bilang isang hindi direktang tugon sa pagdepende sa temperatura ng kakulangan sa presyon ng singaw ng tubig at paghinga ng dahon. Kaya, ang bahagyang pagsasara ng stomata ay bunga ng pagtaas ng intracellular CO2 na konsentrasyon. Gayunpaman, ang nais na pagsasara ng stomata ay hindi humantong sa isang pagbawas sa photosynthesis, dahil ang mga dependency sa temperatura ng stomata conductance at IF ay hindi nag-tutugma. Kaya, ang stomatal conductance ay tumataas sa mga temperatura kung saan ang photosynthesis ay irreversible inhibited.
Kahit na ang stomatal conductance ay hindi lumilitaw na direktang nakakaapekto sa IF, nakakatulong ito sa pag-regulate ng transpiration, na, sa pamamagitan ng kontrol sa temperatura ng dahon, ay nakakaapekto sa heat tolerance ng proseso ng photosynthesis. Sa mga pananim ng ilang pananim, na may sapat na suplay ng kahalumigmigan, ang temperatura ng hangin dahil sa thermoregulation ay maaaring halos 8 °C na mas mababa kaysa sa temperatura ng hangin sa itaas ng pananim. Kasabay nito, kapag ang kahalumigmigan ng lupa ay kulang, ang kabaligtaran na larawan ay maaaring maobserbahan - ang temperatura ng mga dahon sa pananim ay lumampas sa temperatura ng hangin sa paligid ng halos 15 °C, na nagpapataas ng negatibong epekto ng kakulangan ng tubig sa FI.
Ang intensity ng net photosynthesis sa trigo at karamihan sa mga pananim na C3 ay medyo matatag sa hanay na 15-30°C. Sa ibaba at sa itaas ng hanay ng temperatura na ito, ang IF ay bumababa ng 5-10% para sa bawat degree (Larawan 3.1). Ang medyo bahagyang pagbabago sa net photosynthesis sa hanay na 15-30°C ay hindi dapat itago ang katotohanan na ang gross photosynthesis ay talagang tumataas sa temperatura. Gayunpaman, dahil sa sabay-sabay na pagtaas sa ID ng buong halaman at lalo na ang photorespiration, ang intensity ng net photosynthesis ay nagbabago nang kaunti.
Mayroong makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng mga pananim na C3 at C4 sa bagay na ito, na may pinakamainam na intensity ng net photosynthesis sa C4 species na naobserbahan sa mas mataas na temperatura (30-40 °C). Ang kanilang photorespiration ay hindi gaanong mahalaga, bilang isang resulta kung saan ang pagtaas sa pag-aayos ng CO2 na may pagtaas ng temperatura ay hindi natatakpan ng mga gastos sa photorespiratory. Sa katunayan, ang mas mataas na temperatura na pinakamabuting kalagayan ng net photosynthesis sa C4 species kumpara sa C3 species ay ipinaliwanag ng mas mababang mga gastos sa paghinga sa mataas na temperatura sa dating. Ang hindi maibabalik na mga pagbabago sa kanilang mga photosynthetic apparatus ay napapansin lamang kapag ang temperatura ay lumampas sa 40 °C, pangunahin dahil sa pinsala sa PS II na nagaganap sa loob ng ilang minuto pagkatapos ng pagsisimula ng TS action, na may mapagpasyang epekto sa ani.