ГТФазы представляют собой большое семейство ферментов гидролаз , которые связываются с нуклеотидом гуанозинтрифосфатом (ГТФ) и гидролизуют его до гуанозиндифосфата (ГДФ) . [1] Связывание и гидролиз ГТФ происходят в высококонсервативной P -петле «G-домене», белковом домене , общем для многих ГТФаз. [1]
ГТФазы функционируют как молекулярные переключатели или таймеры во многих фундаментальных клеточных процессах. [2]
Примеры таких ролей включают в себя:
ГТФазы активны, когда связаны с ГТФ, и неактивны, когда связаны с ГДФ. [2] [3] В обобщенной модели сигнализации рецептор-трансдуктор-эффектор Мартина Родбелла сигнальные ГТФазы действуют как трансдукторы, регулирующие активность эффекторных белков. [3] Это переключение неактивности-активности обусловлено конформационными изменениями в белке, отличающими эти две формы, в частности, в областях «переключения», которые в активном состоянии способны устанавливать белок-белковые контакты с белками-партнерами, что изменяет функцию этих эффекторов. [1]
Гидролиз ГТФ, связанного с (активным) доменом G-ГТФазы, приводит к дезактивации сигнальной/таймерной функции фермента. [2] [3] Гидролиз третьего (γ) фосфата ГТФ с образованием гуанозиндифосфата (ГДФ) и Pi , неорганического фосфата , происходит по механизму S N 2 (см. нуклеофильное замещение ) через пентакоординатное переходное состояние и зависит от присутствия иона магния Mg 2+ . [2] [3]
Активность ГТФазы служит механизмом отключения сигнальных ролей ГТФаз, возвращая активный, связанный с ГТФ белок в неактивное, связанное с ГТФ 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 дезактивироваться, преобразуя связанный ГТФ в связанный ГДФ. [2] [3] Однако многие ГТФазы также используют вспомогательные белки, называемые активирующими ГТФазу белками или ГАП, для ускорения своей ГТФазной активности. Это еще больше ограничивает активную продолжительность жизни сигнальных ГТФаз. [4] Некоторые ГТФазы практически не обладают собственной активностью ГТФазы и полностью зависят от белков ГАП для дезактивации (таких как фактор рибозилирования АДФ или семейство малых ГТФ-связывающих белков ARF, которые участвуют в везикулярно-опосредованном транспорте внутри клеток). [5]
Чтобы активироваться, ГТФазы должны связаться с ГТФ. Поскольку механизмы прямого преобразования связанного ГТФ в ГТФ неизвестны, неактивные ГТФазы индуцируются для высвобождения связанного ГТФ под действием отдельных регуляторных белков, называемых факторами обмена гуаниновых нуклеотидов или ГЭФ. [2] [3] Белок ГТФазы без нуклеотидов быстро повторно связывает ГТФ, который в здоровых клетках намного превышает ГДФ, что позволяет ГТФазе перейти в активное конформационное состояние и усилить ее воздействие на клетку. [2] [3] Для многих ГТФаз активация ГЭФ является основным механизмом контроля при стимуляции сигнальных функций ГТФазы, хотя ГАП также играют важную роль. Для гетеротримерных G-белков и многих небольших ГТФ-связывающих белков активность ГЭФ стимулируется рецепторами клеточной поверхности в ответ на сигналы вне клетки (для гетеротримерных G-белков рецепторы, связанные с G-белком , сами являются ГЭФ, тогда как для рецептор-активируемых малых ГТФаз их ГЭФ отличаются от рецепторов клеточной поверхности).
Некоторые ГТФазы также связываются с вспомогательными белками, называемыми ингибиторами диссоциации гуаниннуклеотидов или ГДИ, которые стабилизируют неактивное, связанное с ГДФ состояние. [6]
Количество активной ГТФазы можно изменить несколькими способами:
В большинстве ГТФаз специфичность к основанию гуанина по сравнению с другими нуклеотидами передается мотивом распознавания оснований, который имеет консенсусную последовательность [N/T]KXD. Следующая классификация основана на общих чертах; некоторые примеры имеют мутации в мотиве распознавания оснований, которые меняют их субстратную специфичность, чаще всего на АТФ. [8]
Класс белков домена G TRAFAC назван в честь прототипического члена, белков фактора трансляции G. Они играют роль в трансляции, передаче сигнала и подвижности клеток. [8]
Множественные классические семейства факторов трансляции ГТФазы играют важную роль в инициации , удлинении и терминации биосинтеза белка . Наиболее известными членами семейства, имеющими схожий способ связывания рибосомы благодаря домену β-EI, следующему за ГТФазой, являются EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G [ 9] и факторы высвобождения класса 2. Другие члены включают EF-4 (LepA), BipA (TypA), [10] SelB (бактериальный селеноцистеинил-тРНК паралог EF-Tu), Tet ( устойчивость к тетрациклину за счет рибосомальной защиты) [11] и HBS1L (эукариотический белок спасения рибосомы, аналогичный факторам высвобождения).
В это суперсемейство также входит семейство Bms1 из дрожжей. [8]
Гетеротримерные комплексы G-белка состоят из трех отдельных белковых субъединиц, называемых альфа (α), бета (β) и гамма (γ) субъединицами . [12] Альфа-субъединицы содержат домен связывания ГТФ/ГТФазы, окруженный длинными регуляторными областями, в то время как бета- и гамма-субъединицы образуют стабильный димерный комплекс, называемый бета-гамма-комплексом . [13] При активации гетеротримерный G-белок диссоциирует на активированную, связанную с ГТФ альфа-субъединицу и отдельную бета-гамма-субъединицу, каждая из которых может выполнять различные сигнальные роли. [2] [3] Субъединицы α и γ модифицируются липидными якорями для увеличения их ассоциации с внутренним листком плазматической мембраны. [14]
Гетеротримерные G-белки действуют как трансдукторы рецепторов, сопряженных с G-белком , связывая активацию рецептора с нижестоящими сигнальными эффекторами и вторичными мессенджерами . [2] [3] [15] В нестимулированных клетках гетеротримерные G-белки собираются в виде связанного с GDP неактивного тримера ( комплекс G α -GDP-G βγ ). [2] [3] После активации рецептора активированный внутриклеточный домен 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 конформационный сдвиг, который диссоциирует его от рецептора, а также распадается на его компонентные компоненты субъединицы G-белка альфа и бета-гамма. [2] [3] В то время как эти активированные субъединицы G-белка теперь могут свободно активировать свои эффекторы, активный рецептор также может свободно активировать дополнительные G-белки – это позволяет осуществлять каталитическую активацию и усиление, когда один рецептор может активировать множество G-белков. [2] [3]
Сигнализация G-белка прекращается гидролизом связанного GTP до связанного GDP. [2] [3] Это может происходить посредством внутренней активности GTPase субъединицы α или ускоряться отдельными регуляторными белками, которые действуют как активирующие GTPase белки (GAP), такие как члены семейства Regulator of G-белка сигнализации (RGS)). [4] Скорость реакции гидролиза работает как внутренние часы, ограничивающие длину сигнала. Как только G α возвращается к связанному GDP, две части гетеротримера повторно ассоциируются 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 Gi , семейство G q и семейство G 12. [12] Каждое из этих семейств белков G α содержит несколько членов, так что млекопитающие имеют 16 различных генов α -субъединицы. [12] G β и G γ также состоят из многих членов, что увеличивает структурное и функциональное разнообразие гетеротримеров. [12] Среди целевых молекул специфических белков G находятся ферменты, генерирующие вторичные мессенджеры, аденилатциклаза и фосфолипаза C , а также различные ионные каналы . [16]
Малые ГТФазы функционируют как мономеры и имеют молекулярную массу около 21 килодальтона, которая в основном состоит из домена ГТФазы. [17] Их также называют малыми или мономерными регуляторными белками, связывающими гуаниновые нуклеотиды, малыми или мономерными ГТФ-связывающими белками или малыми или мономерными G-белками, и поскольку они имеют значительную гомологию с первым идентифицированным таким белком, названным Ras , их также называют ГТФазами суперсемейства Ras . Малые ГТФазы обычно служат молекулярными переключателями и преобразователями сигналов для широкого спектра клеточных сигнальных событий, часто с участием мембран, везикул или цитоскелета. [18] [17] В соответствии с их первичными аминокислотными последовательностями и биохимическими свойствами многие малые ГТФазы суперсемейства Ras далее делятся на пять подсемейств с различными функциями: Ras , Rho («Ras-гомология»), Rab , Arf и Ran . [17] 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 сигналы клеточной поверхности (внешние).
Этот класс определяется потерей двух бета-цепей и дополнительных N-концевых цепей. Оба тезки этого суперсемейства, миозин и кинезин , перешли на использование АТФ. [8]
Рассматривайте динамин как прототип крупных мономерных ГТФаз.
Большая часть класса SIMIBI ГТФаз активируется димеризацией. [8] Названный в честь частицы распознавания сигнала (SRP), MinD и BioD, класс участвует в локализации белка, разделении хромосом и мембранном транспорте. Несколько членов этого класса, включая MinD и Get3, изменили специфичность субстрата, став АТФазами. [19]
Для обсуждения факторов транслокации и роли ГТФ см. Частица распознавания сигнала (SRP).
В то время как тубулин и родственные структурные белки также связывают и гидролизуют ГТФ в рамках своей функции по формированию внутриклеточных трубочек, эти белки используют отдельный домен тубулина , который не связан с доменом G, используемым для передачи сигналов ГТФазами. [20]
Существуют также белки, гидролизующие GTP, которые используют P-петлю из суперкласса, отличного от содержащего G-домен. Примерами служат белки NACHT собственного суперкласса и белок McrB суперкласса AAA+ . [8]
