Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

ГТФазы представляют собой большое семейство ферментов гидролаз, которые связываются с нуклеотидным гуанозинтрифосфатом (ГТФ) и гидролизуют его до гуанозиндифосфата (GDP) . [1] Связывание и гидролиз GTP происходит в высококонсервативном G- домене, общем для многих GTPаз. [1]

Функции [ править ]

GTPases функционируют как молекулярные переключатели или таймеры во многих фундаментальных клеточных процессах. [2]

Примеры этих ролей включают:

GTPases активны, когда они связаны с GTP, и неактивны, когда они связаны с GDP. [2] [3] В обобщенной модели передачи сигналов «рецептор-преобразователь-эффектор» Мартина Родбелла , передача сигналов GTPases действует как преобразователи для регулирования активности эффекторных белков. [3] Это переключение неактивно-активное происходит из-за конформационных изменений в белке, различающих эти две формы, в частности, в областях «переключения», которые в активном состоянии способны устанавливать белок-белковые контакты с белками-партнерами, которые изменяют функцию этих двух форм. эффекторы. [1]

Механизм [ править ]

Гидролиз GTP, связанного с (активной) GTPase, приводит к дезактивации сигнальной / таймерной функции фермента. [2] [3] Гидролиз третьего (γ) фосфата GTP с образованием гуанозиндифосфата (GDP) и P i , неорганического фосфата , происходит по механизму S N 2 (см. Нуклеофильное замещение ) через пятивалентное переходное состояние и в зависимости от наличия иона магния Mg 2+ . [2] [3]

Активность GTPase служит механизмом отключения для сигнальных ролей GTPases, возвращая активный, связанный с GTP белок, в неактивное, связанное с GDP состояние. [2] [3] Большинство «ГТФаз» обладают функциональной ГТФазной активностью, что позволяет им оставаться активными (то есть связанными с ГТФ) только в течение короткого времени, прежде чем дезактивировать себя путем преобразования связанного ГТФ в связанный ВВП. [2] [3] Однако многие ГТФазы также используют вспомогательные белки, называемые белками, активирующими ГТФазу, или GAP, для ускорения их активности ГТФазы. Это дополнительно ограничивает активное время жизни сигнальных GTPases. [4] Некоторые ГТФазы практически не обладают внутренней активностью ГТФазы и полностью зависят от белков GAP для дезактивации (например,Фактор ADP-рибозилирования или семейство ARF малых GTP-связывающих белков, которые участвуют в опосредованном пузырьками транспорте внутри клеток). [5]

Чтобы стать активированными, GTPases должны связываться с GTP. Поскольку механизмы преобразования связанного GDP непосредственно в GTP неизвестны, неактивные GTPases индуцируются для высвобождения связанного GDP под действием различных регуляторных белков, называемых факторами обмена гуаниновых нуклеотидов или GEF. [2] [3] Безнуклеотидный белок GTPase быстро повторно связывает GTP, который в здоровых клетках намного превышает GDP, позволяя GTPase войти в состояние активной конформации и способствовать ее воздействию на клетку. [2] [3]Для многих GTPases активация GEFs является основным механизмом контроля при стимуляции сигнальных функций GTPase, хотя GAP также играют важную роль. Для гетеротримерных G-белков и многих малых GTP-связывающих белков активность GEF стимулируется рецепторами клеточной поверхности в ответ на сигналы вне клетки (для гетеротримерных G-белков рецепторы, связанные с G-белком , сами являются GEF, в то время как для активируемых рецептором малых GTPases их GEF отличаются от рецепторов клеточной поверхности).

Некоторые GTPases также связываются с дополнительными белками, называемыми ингибиторами диссоциации гуаниновых нуклеотидов или GDI, которые стабилизируют неактивное состояние, связанное с GDP. [6]

Количество активной ГТФазы можно изменить несколькими способами:

  1. Ускорение диссоциации GDP посредством GEF ускоряет накопление активной GTPase.
  2. Ингибирование диссоциации GDP ингибиторами диссоциации гуаниновых нуклеотидов (GDI) замедляет накопление активной GTPase.
  3. Ускорение гидролиза GTP GAP снижает количество активной GTPase.
  4. Искусственные аналоги GTP, такие как GTP-γ-S , β, γ-метилен-GTP и β, γ-имино-GTP, которые не могут быть гидролизованы, могут заблокировать GTPase в ее активном состоянии.
  5. Мутации (например, те, которые снижают скорость внутреннего гидролиза GTP) могут заблокировать GTPase в активном состоянии, и такие мутации в малой GTPase Ras особенно распространены при некоторых формах рака. [7]

Основные мотивы [ править ]

В большинстве GTPases специфичность к основанию гуанина по сравнению с другими нуклеотидами придается мотивом распознавания оснований, который имеет консенсусную последовательность [N / T] KXD. [8]

Обратите внимание, что хотя тубулин и родственные структурные белки также связывают и гидролизуют GTP как часть своей функции по формированию внутриклеточных канальцев, эти белки используют отдельный домен тубулина, который не связан с доменом GTPase, используемым для передачи сигналов GTPases. [9]

Гетеротримерные G-белки [ править ]

Основная статья: Гетеротримерный G-белок

Гетеротримерные белковые комплексы G состоят из трех отдельных белковых субъединиц, называемых альфа (α), бета (β) и гамма (γ) субъединицами . [10] Альфа-субъединицы содержат GTP-связывающий / GTPase-домен, фланкированный длинными регуляторными областями, в то время как бета- и гамма-субъединицы образуют стабильный димерный комплекс, называемый комплексом бета-гамма . [11] При активации гетеротримерный G-белок диссоциирует на активированную, GTP-связанную альфа-субъединицу и отдельную бета-гамма-субъединицу, каждая из которых может выполнять различные сигнальные роли. [2] [3] Субъединицы α и γ модифицируются липидными якорями.чтобы увеличить их связь с внутренним листком плазматической мембраны. [12]

Гетеротримерные G-белки действуют как преобразователи рецепторов , связанных с G-белком , связывая активацию рецептора с последующими сигнальными эффекторами и вторичными мессенджерами . [2] [3] [13] В нестимулированных клетках, гетеротримерные G белки собирают , как связаны ВВП, неактивным тример (G α -GDP-G βγ комплекс). [2] [3] После активации рецептора внутриклеточный домен активированного рецептора действует как GEF, высвобождая GDP из комплекса G-белка и способствуя связыванию GTP на его месте. [2] [3]Связанный с GTP комплекс претерпевает активирующий сдвиг конформации, который отделяет его от рецептора, а также расщепляет комплекс на составляющие его компоненты G-белка альфа и бета-гамма-субъединицы. [2] [3] В то время как эти активированные субъединицы G-белка теперь могут активировать свои эффекторы, активный рецептор также может активировать дополнительные G-белки - это позволяет каталитическую активацию и амплификацию, когда один рецептор может активировать многие G-белки. [2] [3]

Передача сигналов G-белка прекращается гидролизом связанного GTP до связанного GDP. [2] [3] Это может происходить за счет внутренней активности ГТФазы α-субъединицы или ускоряться отдельными регуляторными белками, которые действуют как белки, активирующие ГТФазу (GAP), такими как члены Регулятора передачи сигналов G-белка (RGS). семья). [4] Скорость реакции гидролиза работает как внутренние часы, ограничивающие длину сигнала. Как только G α возвращается к связке GDP, две части гетеротримеров повторно связываются в исходное неактивное состояние. [2] [3]

Гетеротримерные белки G можно классифицировать по гомологии последовательностей α-единицы и по их функциональным мишеням на четыре семейства: семейство G s, семейство G i, семейство G q и семейство G 12 . [10] Каждый из этого типа G & alpha ; семейств белков содержит несколько элементов, такие , что млекопитающие имеют 16 различных α генов субъединицы. [10] G β и G γ также состоят из многих членов, увеличивая структурное и функциональное разнообразие гетеротримеров. [10] Среди целевых молекул специфических G-белков есть ферменты, генерирующие вторичный мессенджер.аденилилциклаза и фосфолипаза С , а также различные ионные каналы . [14]

Малые GTPases [ править ]

Основная статья: Малая GTPase

Малые ГТФазы действуют как мономеры и имеют молекулярную массу около 21 килодальтон, которая состоит в основном из домена ГТФазы. [15] Их также называют малыми или мономерными регуляторными белками, связывающими гуанин-нуклеотид, «малыми или мономерными GTP-связывающими белками» или малыми или мономерными G-белками, и поскольку они имеют значительную гомологию с таким белком, который был идентифицирован первым , названные Ras , их также называют GTPases суперсемейства Ras. Малые ГТФазы обычно служат в качестве молекулярных переключателей и преобразователей сигналов для широкого спектра клеточных сигнальных событий, часто с участием мембран, везикул или цитоскелета. [16] [15]Согласно их первичным аминокислотным последовательностям и биохимическим свойствам, многие малые GTPases суперсемейства Ras делятся на пять подсемейств с различными функциями: Ras , Rho («Ras-гомология»), Rab , Arf и Ran . [15] В то время как многие малые ГТФазы активируются своими ГЭФ в ответ на внутриклеточные сигналы, исходящие от рецепторов клеточной поверхности (в частности, рецепторов факторов роста ), регуляторные ГЭФ для многих других малых ГТФаз активируются в ответ на внутренние сигналы клетки, а не на клеточную поверхность (внешнюю ) сигналы.

Семейство факторов перевода [ править ]

GTPases семейства множественных факторов трансляции играют важную роль в инициации , удлинении и прекращении биосинтеза белка . [17] [18]

Факторы транслокации [ править ]

Для обсуждения факторов транслокации и роли GTP см. Частицу распознавания сигнала (SRP).

Большие GTPases [ править ]

См динамин в качестве прототипа для больших мономерных ГТФаз.

См. Также [ править ]

  • G-белковые рецепторы
  • Рецептор фактора роста
  • Септины

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Стоутен, П. Ф.; Сандер, С; Виттинггофер, А; Валенсия, А (1993). «Как работает коммутатор II области G-доменов?» . Письма FEBS . 320 (1): 1–6. DOI : 10.1016 / 0014-5793 (93) 81644-f . PMID  8462668 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Gilman, AG (1987). «G-белки: преобразователи сигналов, генерируемых рецепторами». Ежегодный обзор биохимии . 56 : 615–649. DOI : 10.1146 / annurev.bi.56.070187.003151 . PMID 3113327 . 
  3. ^ Б с д е е г ч я J к л м п о р Родбелла, M (1995). «Нобелевская лекция: преобразование сигналов: эволюция идеи». Отчеты по биологии . 15 (3): 117–133. DOI : 10.1007 / bf01207453 . PMID 7579038 . 
  4. ^ a b Берман, DM; Гилман, AG (1998). "Белки RGS млекопитающих: варвары у ворот" . Журнал биологической химии . 273 (3): 1269–1272. DOI : 10.1074 / jbc.273.3.1269 . PMID 9430654 . 
  5. ^ Кан, РА; Гилман, AG (1986). «Белковый кофактор, необходимый для ADP-рибозилирования Gs холерным токсином, сам является GTP-связывающим белком». Журнал биологической химии . 261 (17): 7906–7911. PMID 3086320 . 
  6. ^ Сасаки, Т; Такай, Y (1998). "Семейство белков Rho Small G-Rho GDI система как временный и пространственный детерминант для контроля цитоскелета". Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 245 (3): 641–645. DOI : 10.1006 / bbrc.1998.8253 . PMID 9588168 . 
  7. ^ Муруган, AK; Grieco, M; Цучида, Н. (2019). «Мутации RAS при раке человека: роль в точной медицине». Семинары по биологии рака . 59 : 23–35. DOI : 10.1016 / j.semcancer.2019.06.007 . PMID 31255772 . 
  8. ^ Leipe DD; Вольф Ю.И. Кунин Э.В., Аравинд, Л. (2002). «Классификация и эволюция GTPases P-петли и родственных ATPases» . J. Mol. Биол . 317 (1): 41–72. DOI : 10.1006 / jmbi.2001.5378 . PMID 11916378 . 
  9. Перейти ↑ Nogales E, Downing KH, Amos LA, Löwe J (июнь 1998). «Тубулин и FtsZ образуют отдельное семейство GTPases». Nat. Struct. Биол . 5 (6): 451–8. DOI : 10.1038 / nsb0698-451 . PMID 9628483 . 
  10. ^ a b c d Hurowitz EH, Melnyk JM, Chen YJ, Kouros-Mehr H, Simon MI, Shizuya H (апрель 2000 г.). «Геномная характеристика генов альфа-, бета- и гамма-субъединиц гетеротримерного G-белка человека» . Исследования ДНК . 7 (2): 111–20. DOI : 10.1093 / dnares / 7.2.111 . PMID 10819326 . 
  11. Перейти ↑ Clapham DE, Neer EJ (1997). «G-белки бета-гамма-субъединицы». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 37 : 167–203. DOI : 10.1146 / annurev.pharmtox.37.1.167 . PMID 9131251 . 
  12. ^ Чен, Калифорния; Мэннинг, Д.Р. (2001). «Регулирование белков G путем ковалентной модификации» . Онкоген . 20 (13): 1643–1652. DOI : 10.1038 / sj.onc.1204185 . PMID 11313912 . 
  13. ^ Пирс, KL; Премонт, RT; Лефковиц, Р.Дж. (2002). «Семи-трансмембранные рецепторы». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 3 (9): 639–650. DOI : 10.1038 / nrm908 . PMID 12209124 . 
  14. ^ Невес, SR; Ram, PT; Айенгар, Р. (2002). «Пути G белков». Наука . 296 (5573): 1636–1639. Bibcode : 2002Sci ... 296.1636N . DOI : 10.1126 / science.1071550 . PMID 12040175 . 
  15. ^ a b c Takai, Y; Сасаки, Т; Матодзаки, Т. (2001). «Малые GTP-связывающие белки». Физиологические обзоры . 81 (1): 153–208. DOI : 10.1152 / Physrev.2001.81.1.153 . PMID 11152757 . 
  16. Перейти ↑ Hall, A (1990). «Клеточные функции малых GTP-связывающих белков». Наука . 249 (4969): 635–640. Bibcode : 1990Sci ... 249..635H . DOI : 10.1126 / science.2116664 . PMID 2116664 . 
  17. ^ Пармеджиани, А; Сандер, G (1981). «Свойства и регуляция активности GTPase факторов элонгации Tu и G, и фактора инициации 2». Молекулярная и клеточная биохимия . 35 (3): 129–158. DOI : 10.1007 / BF02357085 . PMID 6113539 . 
  18. ^ Гиббс, MR; Фредрик, К. (2018). «Выявляются роли неуловимых трансляционных GTPases и информируют о процессе биогенеза рибосом у бактерий» . Молекулярная микробиология . 107 (4): 445–454. DOI : 10.1111 / mmi.13895 . PMC 5796857 . PMID 29235176 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • GTPase в Национальной медицинской библиотеке США по предметным заголовкам по медицинским предметам (MeSH)
  • MBInfo - RhoGTPases