ГТФазы представляют собой большое семейство ферментов гидролаз , которые связываются с нуклеотидом гуанозинтрифосфата (ГТФ) и гидролизуют его до гуанозиндифосфата (ГДФ) . [1] Связывание и гидролиз GTP происходит в высококонсервативном « G-домене» P-петли , белковом домене , общем для многих GTPases. [1]
ГТФазы действуют как молекулярные переключатели или таймеры во многих фундаментальных клеточных процессах. [2]
Примеры таких ролей включают в себя:
GTPases активны, когда связаны с GTP, и неактивны, когда связаны с GDP. [2] [3] В обобщенной модели передачи сигналов рецептор-преобразователь-эффектор Мартина Родбелла сигнальные ГТФазы действуют как преобразователи, регулируя активность эффекторных белков. [3] Это переключение между неактивным и активным происходит из-за конформационных изменений в белке, отличающем эти две формы, особенно в «переключающих» областях, которые в активном состоянии способны устанавливать белок-белковые контакты с белками-партнерами, которые изменяют функцию этих двух форм. эффекторы. [1]
Гидролиз GTP, связанного с (активной) G-домен-GTPазой, приводит к дезактивации сигнальной/таймерной функции фермента. [2] [3] Гидролиз третьего (γ) фосфата GTP с образованием гуанозиндифосфата (GDP) и Pi , неорганического фосфата , происходит по механизму S N 2 (см. нуклеофильное замещение ) через пентакоординационное переходное состояние и является зависит от присутствия иона магния Mg 2+ . [2] [3]
Активность ГТФазы служит механизмом отключения сигнальной роли ГТФаз, возвращая активный, связанный с ГТФ, белок в неактивное, связанное с ВВП состояние. [2] [3] Большинство «GTPases» обладают функциональной активностью GTPase, что позволяет им оставаться активными (то есть связанными с GTP) только в течение короткого времени, прежде чем деактивироваться путем преобразования связанного GTP в связанный GDP. [2] [3] Однако многие ГТФазы также используют дополнительные белки, называемые белками, активирующими ГТФазу , или GAP, для ускорения своей ГТФазной активности. Это еще больше ограничивает активное время жизни сигнальных GTPases. [4] Некоторые ГТФазы практически не обладают собственной активностью ГТФазы и полностью зависят от белков GAP в плане дезактивации (таких как фактор ADP-рибозилирования или семейство ARF небольших GTP-связывающих белков, которые участвуют в везикул-опосредованном транспорте внутри клеток). . [5]
Чтобы активироваться, GTPases должны связаться с GTP. Поскольку механизмы преобразования связанного GDP непосредственно в GTP неизвестны, неактивные GTPases вынуждены высвобождать связанный GDP под действием отдельных регуляторных белков, называемых факторами обмена гуаниновых нуклеотидов или GEF. [2] [3] Безнуклеотидный белок ГТФаза быстро повторно связывает ГТФ, которого в здоровых клетках значительно больше, чем ВВП, позволяя ГТФазе перейти в активное конформационное состояние и усилить свое воздействие на клетку. [2] [3] Для многих GTPases активация GEF является основным механизмом контроля в 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-белками , сами являются GEF, тогда как для активированных рецептором малых GTPases их GEF отличаются от рецепторов клеточной поверхности).
Некоторые ГТФазы также связываются с дополнительными белками, называемыми ингибиторами диссоциации гуаниновых нуклеотидов или GDI, которые стабилизируют неактивное, связанное с GDP состояние. [6]
Количество активной ГТФазы можно изменить несколькими способами:
В большинстве GTPases специфичность основания гуанина по сравнению с другими нуклеотидами обеспечивается мотивом распознавания оснований, который имеет консенсусную последовательность [N/T]KXD. Следующая классификация основана на общих чертах; в некоторых примерах есть мутации в мотиве распознавания оснований, которые смещают их субстратную специфичность, чаще всего в сторону АТФ. [8]
Класс белков G-домена TRAFAC назван в честь прототипного члена, белков G-фактора трансляции. Они играют роль в трансляции, передаче сигналов и подвижности клеток. [8]
Множественные классические факторы трансляции семейства GTPases играют важную роль в инициации , элонгации и прекращении биосинтеза белка . Имея схожий способ связывания рибосомы благодаря домену β-EI, следующему за GTPase, наиболее известными членами семейства являются EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G , [9] и класс 2. Факторы высвобождения . 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 ( белок спасения эукариот, подобный рибосомам). высвобождать факторы).
Суперсемейство также включает семейство Bms1 дрожжей. [8]
Гетеротримерные комплексы G-белка состоят из трех отдельных белковых субъединиц, называемых альфа- (α), бета- (β) и гамма - субъединицами . [12] Альфа-субъединицы содержат GTP-связывающий/GTPase-домен, фланкированный 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, 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 усилить их связь с внутренним листком плазматической мембраны. [14]
Гетеротримерные G-белки действуют как преобразователи рецепторов, связанных 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] При активации рецептора активированный внутриклеточный домен рецептора действует как GEF, высвобождая GDP из комплекса G-белка и способствуя связыванию GTP вместо него. [2] [3] Комплекс, связанный с GTP, претерпевает активирующий конформационный сдвиг, который диссоциирует его от рецептора, а также расщепляет комплекс на компоненты G-белка альфа и компоненты субъединицы бета-гамма. [2] [3] Хотя эти активированные субъединицы G-белка теперь могут свободно 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 завершается гидролизом связанного GTP до связанного GDP. [2] [3] Это может происходить за счет внутренней ГТФазной активности α-субъединицы или ускоряться отдельными регуляторными белками, которые действуют как белки, активирующие ГТФазу (GAP), такие 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 GDP-связанному состоянию, две части гетеротримера снова связываются в исходное неактивное состояние. [2] [3]
Гетеротримерные G-белки можно разделить по гомологии последовательностей α-единицы и по их функциональным мишеням на четыре семейства: семейство Gs , семейство Gi , семейство Gq и семейство G12 . [12] Каждое из этих семейств Gα - белков 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 молекул-мишеней специфических G-белков являются ферменты, генерирующие второй мессенджер, аденилатциклаза и фосфолипаза C , а также различные ионные каналы . [16]
Малые ГТФазы функционируют как мономеры и имеют молекулярную массу около 21 килодальтон и состоят в основном из домена ГТФазы. [17] Их также называют малыми или мономерными регуляторными белками, связывающими гуаниновые нуклеотиды, малыми или мономерными GTP-связывающими белками или малыми или мономерными G-белками, и поскольку они имеют значительную гомологию с впервые идентифицированным таким белком, названным Ras , их также называют GTPases 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 GTPases суперсемейства Ras далее делятся на пять подсемейств с различными функциями: Ras , Rho («Ras-гомология»), Rab , Arf и Ran . [17] Хотя многие малые GTPases активируются своими GEF в ответ на внутриклеточные сигналы, исходящие от рецепторов клеточной поверхности (особенно рецепторов факторов роста ), регуляторные GEF для многих других малых GTPases активируются в ответ на внутренние клеточные сигналы, а не на клеточную поверхность (внешние ) сигналы.
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 больших мономерных ГТФаз.
Большая часть GTPases класса SIMIBI активируется путем димеризации. [8] Названный в честь частицы распознавания сигнала (SRP), MinD и BioD, этот класс участвует в локализации белка, разделении хромосом и мембранном транспорте. Некоторые представители этого класса, включая MinD и Get3, изменили субстратную специфичность и стали АТФазами. [19]
Для обсуждения факторов транслокации и роли GTP см. Частицу распознавания сигнала (SRP).
Хотя тубулин и родственные структурные белки также связывают и гидролизуют GTP в рамках своей функции по формированию внутриклеточных канальцев, эти белки используют отдельный домен тубулина , который не связан с доменом G, используемым для передачи сигналов GTPases. [20]
Существуют также GTP-гидролизующие белки, которые используют P-петлю из суперкласса, отличного от белка, содержащего G-домен. Примеры включают белки NACHT собственного суперкласса и белок McrB суперкласса AAA+ . [8]