GTPase - GTPase

GTPases большая семья гидролаза ферменты которые связаны с нуклеотид гуанозинтрифосфат (ГТФ) и гидролизовать это к гуанозиндифосфат (GDP).[1] Связывание и гидролиз GTP происходит в очень консервированный грамм домен общий для многих GTPases.[1]

Функции

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 Мартин Родбелл, сигнальные ГТФазы действуют как преобразователи, регулирующие активность эффекторных белков.[3] Это переключение неактивно-активное происходит из-за конформационных изменений в белке, различающих эти две формы, особенно в областях «переключения», которые в активном состоянии способны устанавливать белок-белковые контакты с белками-партнерами, которые изменяют функцию этих эффекторов.[1]

Механизм

Гидролиз GTP, связанного с (активной) GTPase, приводит к дезактивации сигнальной / таймерной функции фермента.[2][3] Гидролиз третьего (γ) фосфат ГТП для создания гуанозиндифосфат (ВВП) и Pя, неорганический фосфат, происходит за счет SN2 механизм (см. нуклеофильное замещение ) через пятивалентное переходное состояние и зависит от наличия магний ион Mg2+.[2][3]

Активность GTPase служит механизмом отключения для сигнальных ролей GTPases, возвращая активный GTP-связанный белок в неактивное, GDP-связанное состояние.[2][3] Большинство «ГТФаз» обладают функциональной активностью ГТФазы, 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 Белки, активирующие ГТФазу или GAP для ускорения их активности GTPase. Это дополнительно ограничивает активное время жизни сигнальных GTPases.[4] Некоторые ГТФазы практически не обладают собственной активностью ГТФазы и полностью зависят от белков GAP для дезактивации (например, Фактор АДФ-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 высвобождением связанного GDP под действием различных регуляторных белков, называемых факторы обмена гуаниновых нуклеотидов или ГЭФ.[2][3] Безнуклеотидный белок GTPase быстро повторно связывает GTP, который в здоровых клетках намного превышает GDP, позволяя GTPase перейти 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 G-белковые рецепторы сами являются GEF, тогда как для активируемых рецепторами малых GTPases их GEF отличаются от рецепторов на поверхности клетки).

Некоторые ГТФазы также связываются с дополнительными белками, называемыми ингибиторы диссоциации гуаниновых нуклеотидов или GDI, которые стабилизируют неактивное состояние, связанное с ВВП.[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. Искусственный Аналоги GTP подобно GTP-γ-S, β, γ-метилен-GTP, и β, γ-имино-GTP которые не могут быть гидролизованы, могут заблокировать ГТФазу 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

В большинстве GTPases специфичность для основания гуанин по сравнению с другими нуклеотидами, сообщается мотивом распознавания оснований, который имеет консенсусную последовательность [N / T] KXD.[8]

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

Гетеротримерные G-белки

Основная статья: Гетеротримерный G-белок

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

Гетеротримерные G-белки действуют как преобразователи G-белковые рецепторы, связывание активации рецептора с последующими сигнальными эффекторами и вторые мессенджеры.[2][3][13] В нестимулированных клетках гетеротримерные G-белки собираются в виде связанного с GDP неактивного тример (Gα-GDP-Gβγ сложный).[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 множество G-белков.[2][3]

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

Гетеротримерные G-белки можно классифицировать по гомология последовательностей единицы α и их функциональными целями на четыре семейства: Gs семья, Gя семья, Gq семья и G12 семья.[10] Каждый из этих Gα семейства белков содержат несколько членов, так что у млекопитающих есть 16 различных α-субъединичные гены.[10] Gβ и Gγ также состоят из многих членов, увеличивая структурное и функциональное разнообразие гетеротримеров.[10] Среди целевых молекул специфических G-белков есть ферменты, генерирующие вторичных мессенджеров. аденилилциклаза и фосфолипаза C, а также различные ионные каналы.[14]

Малые GTPases

Основная статья: Малая ГТФаза

Малые GTPases функционируют как мономеры и имеют молекулярную массу около 21 килодальтон, которая состоит в основном из домена GTPase.[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 первым идентифицированным таким белком, называемым Рас, их также называют Рас надсемейство GTPases. 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] В соответствии с их первичными аминокислотными последовательностями и биохимическими свойствами многие малые ГТФазы суперсемейства Ras делятся на пять подсемейств с различными функциями: Рас, Ро («Рас-гомологии»), Раб, Арф и Ран.[15] В то время как многие малые ГТФазы активируются своими ГЭФ в ответ на внутриклеточные сигналы, исходящие от рецепторов клеточной поверхности (особенно рецепторы фактора роста ), регуляторные GEF для многих других малых GTPases активируются в ответ на внутренние сигналы клетки, а не сигналы клеточной поверхности (внешние).

Семейство факторов перевода

Несколько перевод GTPases семейства факторов играют важную роль в инициация, удлинение и прекращение биосинтез белка.[17][18]

Факторы транслокации

Для обсуждения Перемещение факторы и роль GTP, см. частица распознавания сигнала (SRP).

Большие GTPases

Видеть динамин как прототип для больших мономерных ГТФаз.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Стоутен, П.Ф .; Сандер, С; Виттинггофер, А; Валенсия, А (1993). «Как работает коммутатор II региона G-доменов?». Письма FEBS. 320 (1): 1–6. Дои:10.1016 / 0014-5793 (93) 81644-ф. PMID  8462668.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q Гилман, AG (1987). «G-белки: преобразователи сигналов, генерируемых рецепторами». Ежегодный обзор биохимии. 56: 615–649. Дои:10.1146 / annurev.bi.56.070187.003151. PMID  3113327.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п Родбелл, М. (1995). «Нобелевская лекция: преобразование сигналов: эволюция идеи». Отчеты по бионауке. 15 (3): 117–133. Дои:10.1007 / bf01207453. PMID  7579038.
  4. ^ а б Берман, DM; Гилман, AG (1998). "Белки RGS млекопитающих: варвары у ворот". Журнал биологической химии. 273 (3): 1269–1272. Дои: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. Дои:10.1006 / bbrc.1998.8253. PMID  9588168.
  7. ^ Муруган, АК; Grieco, M; Цучида, Н. (2019). «Мутации RAS при раке человека: роль в точной медицине». Семинары по биологии рака. 59: 23–35. Дои:10.1016 / j.semcancer.2019.06.007. PMID  31255772.
  8. ^ Leipe D.D .; Wolf Y.I .; Кунин Е.В. И Аравинд, Л. (2002). «Классификация и эволюция ГТФаз P-петли и родственных АТФаз». J. Mol. Биол. 317 (1): 41–72. Дои:10.1006 / jmbi.2001.5378. PMID  11916378.
  9. ^ Ногалес Э., Даунинг К.Х., Амос Л.А., Лёве Дж. (Июнь 1998 г.). «Тубулин и FtsZ образуют отдельное семейство GTPases». Nat. Struct. Биол. 5 (6): 451–8. Дои:10.1038 / nsb0698-451. PMID  9628483.
  10. ^ а б 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». ДНК исследования. 7 (2): 111–20. Дои:10.1093 / dnares / 7.2.111. PMID  10819326.
  11. ^ Clapham DE, Neer EJ (1997). «G-белки бета-гамма-субъединицы». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии. 37: 167–203. Дои: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. Дои:10.1038 / sj.onc.1204185. PMID  11313912.
  13. ^ Pierce, KL; Премонт, RT; Лефковиц, Р.Дж. (2002). «Семи-трансмембранные рецепторы». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология. 3 (9): 639–650. Дои:10.1038 / nrm908. PMID  12209124.
  14. ^ Невес, SR; Ram, PT; Айенгар, Р. (2002). «Пути G белков». Наука. 296 (5573): 1636–1639. Bibcode:2002Наука ... 296.1636N. Дои:10.1126 / science.1071550. PMID  12040175.
  15. ^ а б c Takai, Y; Сасаки, Т; Матодзаки, Т. (2001). «Малые GTP-связывающие белки». Физиологические обзоры. 81 (1): 153–208. Дои:10.1152 / Physrev.2001.81.1.153. PMID  11152757.
  16. ^ Холл, А (1990). «Клеточные функции малых GTP-связывающих белков». Наука. 249 (4969): 635–640. Bibcode:1990Sci ... 249..635H. Дои: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. Дои:10.1007 / BF02357085. PMID  6113539.
  18. ^ Гиббс, MR; Фредрик, К. (2018). «Выявлены роли неуловимых трансляционных GTPases и информируют о процессе биогенеза рибосом у бактерий». Молекулярная микробиология. 107 (4): 445–454. Дои:10.1111 / мм. 13895. ЧВК  5796857. PMID  29235176.

внешняя ссылка