stringtranslate.com

ГТФаза

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]

Функции

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]

Механизм

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:

  1. Ускорение диссоциации ВВП со стороны ГЭФ ускоряет накопление активной ГТФазы.
  2. Ингибирование диссоциации GDP ингибиторами диссоциации гуаниннуклеотидов (GDI) замедляет накопление активной ГТФазы.
  3. Ускорение гидролиза ГТФ GAP снижает количество активной ГТФазы.
  4. Искусственные аналоги ГТФ, такие как ГТФ-γ-S , β,γ-метилен-ГТФ и β,γ-имино-ГТФ , которые не поддаются гидролизу, могут блокировать ГТФазу в ее активном состоянии.
  5. Мутации (например, те, которые снижают собственную скорость гидролиза ГТФ) могут блокировать ГТФазу в активном состоянии, и такие мутации в малой ГТФазе Ras особенно распространены при некоторых формах рака. [7]

GTPазы домена G

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 ТРАФАК

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]

Суперсемейство факторов трансляции

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]

Рас-подобное суперсемейство

Гетеротримерные G-белки

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

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.

Суперсемейство миозина-кинезинов

Этот класс определяется потерей двух бета-цепей и дополнительных N-концевых цепей. Оба тезки этого суперсемейства, миозин и кинезин , перешли на использование АТФ. [8]

Большие ГТФазы

Рассматривайте динамин как прототип больших мономерных ГТФаз.

класс СИМИБИ

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]

Факторы транслокации

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

Другие ГТФазы

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc Стаутен, ПФ; Сандер, К; Виттингхофер, А; Валенсия, А (1993). «Как работает регион переключения II G-доменов?». Письма ФЭБС . 320 (1): 1–6. дои : 10.1016/0014-5793(93)81644-ф. ПМИД  8462668.
  2. ^ abcdefghijklmnopq Гилман, AG (1987). «G-белки: преобразователи сигналов, генерируемых рецепторами». Ежегодный обзор биохимии . 56 : 615–649. doi : 10.1146/annurev.bi.56.070187.003151. ПМИД  3113327.
  3. ^ abcdefghijklmnop Родбелл, М (1995). «Нобелевская лекция: Преобразование сигналов: эволюция идеи». Отчеты по биологическим наукам . 15 (3): 117–133. дои : 10.1007/bf01207453. ПМК 1519115 . PMID  7579038. S2CID  11025853. 
  4. ^ аб Берман, DM; Гилман, АГ (1998). «Белки RGS млекопитающих: варвары у ворот». Журнал биологической химии . 273 (3): 1269–1272. дои : 10.1074/jbc.273.3.1269 . ПМИД  9430654.
  5. ^ Кан, РА; Гилман, АГ (1986). «Белковый кофактор, необходимый для АДФ-рибозилирования G холерным токсином, сам по себе является GTP-связывающим белком». Журнал биологической химии . 261 (17): 7906–7911. дои : 10.1016/S0021-9258(19)57489-0 . ПМИД  3086320.
  6. ^ Сасаки, Т; Такай, Ю. (1998). «Система семейства Rho Small G-белков-Rho GDI как временной и пространственный детерминант цитоскелетного контроля». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 245 (3): 641–645. дои : 10.1006/bbrc.1998.8253. ПМИД  9588168.
  7. ^ Муруган, АК; Греко, М; 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. S2CID  195761467.
  8. ^ abcdef Лейпе Д.Д.; Вольф Ю.И.; Кунин Е.В. и Аравинд Л. (2002). «Классификация и эволюция ГТФаз P-петли и родственных АТФаз». Дж. Мол. Биол . 317 (1): 41–72. дои : 10.1006/jmbi.2001.5378. ПМИД  11916378.
  9. ^ Пармеджани, А; Сандер, Г. (1981). «Свойства и регуляция активности ГТФазы факторов элонгации Tu и G, а также фактора инициации 2». Молекулярная и клеточная биохимия . 35 (3): 129–158. дои : 10.1007/BF02357085. PMID  6113539. S2CID  1388090.
  10. ^ Гиббс, MR; Фредрик, К. (2018). «Роль неуловимых трансляционных ГТФаз выявляется и информирует о процессе биогенеза рибосом у бактерий». Молекулярная микробиология . 107 (4): 445–454. дои : 10.1111/mmi.13895. ПМК 5796857 . ПМИД  29235176. 
  11. ^ Маргус, Тыну; Ремм, Майдо; Тенсон, Танель (декабрь 2007 г.). «Филогенетическое распределение трансляционных ГТФаз у бактерий». БМК Геномика . 8 (1): 15. дои : 10.1186/1471-2164-8-15 . ПМК 1780047 . ПМИД  17214893. 
  12. ^ abcd Гуровиц Э.Х., Мельник Дж.М., Чен Ю.Дж., Курос-Мехр Х., Саймон М.И., Шизуя Х. (апрель 2000 г.). «Геномная характеристика генов альфа-, бета- и гамма-субъединиц гетеротримерного G-белка человека». Исследование ДНК . 7 (2): 111–20. дои : 10.1093/dnares/7.2.111 . ПМИД  10819326.
  13. ^ Клэпхэм DE, Нир EJ (1997). «Бета-гамма-субъединицы G-белка». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 37 : 167–203. doi :10.1146/annurev.pharmtox.37.1.167. ПМИД  9131251.
  14. ^ Чен, Калифорния; Мэннинг, Д.Р. (2001). «Регуляция G-белков путем ковалентной модификации». Онкоген . 20 (13): 1643–1652. дои : 10.1038/sj.onc.1204185 . ПМИД  11313912.
  15. ^ Пирс, КЛ; Премонт, RT; Лефковиц, Р.Дж. (2002). «Семь-трансмембранные рецепторы». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 3 (9): 639–650. дои : 10.1038/nrm908. PMID  12209124. S2CID  23659116.
  16. ^ Невес, СР; Рам, ПТ; Айенгар, Р. (2002). «Пути G-белка». Наука . 296 (5573): 1636–1639. Бибкод : 2002Sci...296.1636N. дои : 10.1126/science.1071550. PMID  12040175. S2CID  20136388.
  17. ^ abc Такай, Ю; Сасаки, Т; Матозаки, Т (2001). «Малые GTP-связывающие белки». Физиологические обзоры . 81 (1): 153–208. doi :10.1152/physrev.2001.81.1.153. ПМИД  11152757.
  18. ^ Холл, А (1990). «Клеточные функции малых GTP-связывающих белков». Наука . 249 (4969): 635–640. Бибкод : 1990Sci...249..635H. дои : 10.1126/science.2116664. ПМИД  2116664.
  19. ^ Шан, СО (декабрь 2016 г.). «АТФаза и ГТФаза Танго управляют внутриклеточным транспортом белков». Тенденции биохимических наук . 41 (12): 1050–1060. дои : 10.1016/j.tibs.2016.08.012 . ПМЦ 5627767 . ПМИД  27658684. 
  20. ^ Ногалес Э., Даунинг К.Х., Амос Л.А., Лёве Дж. (июнь 1998 г.). «Тубулин и FtsZ образуют отдельное семейство GTPases». Нат. Структура. Биол . 5 (6): 451–8. дои : 10.1038/nsb0698-451. PMID  9628483. S2CID  5945125.

Внешние ссылки