ГТФаза
ГТФазы представляют собой большое семейство гидролаз ферментов , которые связываются с нуклеотидом гуанозинтрифосфата (ГТФ) и гидролизуют его до гуанозиндифосфата (ГДФ) . [ 1 ] Связывание и гидролиз GTP происходят в высококонсервативном « P-петли G-домене» , белковом домене , общем для многих GTPases. [ 1 ]
Функции
[ редактировать ]ГТФазы действуют как молекулярные переключатели или таймеры во многих фундаментальных клеточных процессах. [ 2 ]
Примеры таких ролей включают в себя:
- Передача сигнала в ответ на активацию рецепторов клеточной поверхности, включая трансмембранные рецепторы, такие как те, которые опосредуют вкус , обоняние и зрение . [ 2 ]
- Биосинтез белка (он же трансляция ) на рибосоме .
- Регуляция дифференцировки , пролиферации , деления и движения клеток .
- Транслокация белков через мембраны .
- Транспорт везикул внутри клетки , а также опосредованная везикулами секреция и поглощение посредством ГТФазы, контролирующей сборку оболочки везикул.
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 областях «переключателя», которые в активном состоянии способны устанавливать белок-белковые контакты с белками-партнерами, которые изменяют функцию этих эффекторов. [ 1 ]
Механизм
[ редактировать ]Гидролиз GTP, связанного с (активной) G-домен-GTPазой, приводит к дезактивации сигнальной/таймерной функции фермента. [ 2 ] [ 3 ] Гидролиз третьего (γ) фосфата ГТФ с образованием гуанозиндифосфата (ГДФ) и P i , неорганического фосфата , происходит по механизму S N 2 (см. нуклеофильное замещение ) через пентакоординационное переходное состояние и зависит от присутствия магния ион 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 «ГТФаз» обладают функциональной активностью ГТФазы, что позволяет им оставаться активными (то есть связанными с ГТФ) только в течение короткого времени, прежде чем деактивироваться путем преобразования связанного ГТФ в связанный ВВП. [ 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 везикулярном 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 ГТФаз активация GEF является основным механизмом контроля стимуляции сигнальных функций ГТФазы, 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:
- Ускорение диссоциации ВВП со стороны ГЭФ ускоряет накопление активной ГТФазы.
- Ингибирование диссоциации GDP ингибиторами диссоциации гуаниннуклеотидов (GDI) замедляет накопление активной ГТФазы.
- Ускорение гидролиза ГТФ GAP снижает количество активной ГТФазы.
- 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.
- 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Множественные классические факторы трансляции семейства GTPases играют важную роль в инициации , элонгации и прекращении биосинтеза белка . Обладая сходным способом связывания рибосом благодаря домену β-EI, следующему за GTPase, наиболее известными членами семейства 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 паралог селеноцистеинил-тРНК EF-Tu), Tet ( резистентность к тетрациклину за счет рибосомальной защиты), [ 11 ] и HBS1L ( белок спасения эукариотических рибосом, аналогичный факторам высвобождения).
Суперсемейство также включает семейство Bms1 дрожжей. [ 8 ]
Рас-подобное суперсемейство
[ редактировать ]Гетеротримерные G-белки
[ редактировать ]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, тогда 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 ( Gα -GDP- Gβγ ). комплекс [ 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 альфа-компонента G-белка и 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 обеспечивает 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 активности ГТФазы α-субъединицы или ускоряться отдельными регуляторными белками, которые действуют как белки, активирующие ГТФазу (GAP), такие как члены семейства регуляторов передачи сигналов G-белка (RGS). [ 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 классифицировать 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 α -субъединицы. генов [ 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 есть ферменты, генерирующие второй мессенджер, аденилатциклаза и фосфолипаза C , а также различные ионные каналы . [ 16 ]
Малые ГТФазы
[ редактировать ]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 называемые 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 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 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 сигналы клеточной поверхности (внешние).
Суперсемейство миозина-кинезинов
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Рассматривайте динамин как прототип больших мономерных ГТФаз.
класс СИМИБИ
[ редактировать ]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
[ редактировать ]В этом разделе отсутствует информация о FlhF, который вообще не участвует в SRP, но имеет структуру, аналогичную Ffh и FtsY. ( октябрь 2021 г. ) |
Для обсуждения факторов транслокации и роли GTP см. Частицу распознавания сигнала (SRP).
Другие ГТФазы
[ редактировать ]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 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Стоутен, 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 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Гилман, АГ (1987). «G-белки: преобразователи сигналов, генерируемых рецепторами». Ежегодный обзор биохимии . 56 : 615–649. дои : 10.1146/annurev.bi.56.070187.003151 . ПМИД 3113327 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п Родбелл, М. (1995). «Нобелевская лекция: Преобразование сигналов: эволюция идеи» . Отчеты по биологическим наукам . 15 (3): 117–133. дои : 10.1007/bf01207453 . ПМК 1519115 . ПМИД 7579038 . S2CID 11025853 .
- ^ Jump up to: а б Берман, Д.М.; 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 31255772 . S2CID 195761467 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж 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 .
- ^ Пармеджиани, 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 . ПМИД 6113539 . S2CID 1388090 .
- ^ Гиббс, MR; Фредрик, К. (2018). «Роль неуловимых трансляционных ГТФаз выявляется и дает информацию о процессе биогенеза рибосом у бактерий» . Молекулярная микробиология . 107 (4): 445–454. дои : 10.1111/mmi.13895 . ПМК 5796857 . ПМИД 29235176 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б с д 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 .
- ^ Клэпхэм Д.Э., Нир Э.Дж. (1997). «Бета-гамма-субъединицы G-белка». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 37 : 167–203. doi : 10.1146/annurev.pharmtox.37.1.167 . ПМИД 9131251 .
- ^ 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 .
- ^ Пирс, КЛ; Премонт, RT; Лефковиц, Р.Дж. (2002). «Семь-трансмембранные рецепторы». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 3 (9): 639–650. дои : 10.1038/nrm908 . ПМИД 12209124 . S2CID 23659116 .
- ^ Невес, СР; Рам, ПТ; Айенгар, Р. (2002). «Пути G-белка». Наука . 296 (5573): 1636–1639. Бибкод : 2002Sci...296.1636N . дои : 10.1126/science.1071550 . ПМИД 12040175 . S2CID 20136388 .
- ^ Jump up to: а б с Такай, Ю; Сасаки, Т; Матозаки, Т (2001). «Малые GTP-связывающие белки». Физиологические обзоры . 81 (1): 153–208. дои : 10.1152/physrev.2001.81.1.153 . ПМИД 11152757 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 . ПМИД 9628483 . S2CID 5945125 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- ГТФаза в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- MBInfo — RhoGTPases , заархивировано 31 марта 2013 г. в Wayback Machine.