GTPaza - GTPase

GTPazy to duża rodzina enzymów hydrolazowych , które wiążą się z nukleotydem trifosforanu guanozyny (GTP) i hydrolizują go do difosforanu guanozyny (GDP) . Wiązanie i hydroliza GTP odbywa się w wysoce konserwatywnej „domenie G” pętli P , domenie białkowej wspólnej dla wielu GTPaz.

Funkcje

GTPazy działają jako przełączniki molekularne lub zegary w wielu podstawowych procesach komórkowych.

Przykłady tych ról obejmują:

GTPazy są aktywne, gdy są powiązane z GTP i nieaktywne, gdy są powiązane z GDP. W uogólnionym modelu sygnalizacji receptor-przetwornik-efektor Martina Rodbella , GTPazy sygnalizacyjne działają jako przetworniki regulujące aktywność białek efektorowych. Ten nieaktywny-aktywny przełącznik jest spowodowany zmianami konformacyjnymi w białku rozróżniającymi te dwie formy, szczególnie w regionach „przełącznikowych”, które w stanie aktywnym są zdolne do nawiązywania kontaktów białko-białko z białkami partnerskimi, które zmieniają funkcję tych efektorów.

Mechanizm

Hydroliza GTP związanego z (aktywną) domeną G-GTP-azy prowadzi do dezaktywacji funkcji sygnalizacyjnej/timera enzymu. Hydroliza trzeciej (γ) fosforanu GTP tworzyć guanozyny difosforanu (GDP) i P i , fosforan nieorganiczny , zachodzi przez S N 2 mechanizmu (patrz nukleofilowe podstawienie ) poprzez stan przejściowy pięciowartościowego i zależy od obecności jon magnezu Mg 2+ .

Aktywność GTPazy służy jako mechanizm wyłączający sygnalizacyjne role GTPaz poprzez przywrócenie aktywnego, związanego z GTP białka do nieaktywnego, związanego z GDP stanu. Większość „GTPazy” ma funkcjonalną aktywność GTPazy, pozwalającą im pozostać aktywnymi (to znaczy związanymi z GTP) tylko przez krótki czas, zanim dezaktywują się poprzez przekształcenie związanego GTP w związany GDP. Jednak wiele GTPaz wykorzystuje również białka pomocnicze zwane białkami aktywującymi GTPazę lub GAP w celu przyspieszenia ich aktywności GTPazy. To dodatkowo ogranicza aktywny czas życia sygnalizacyjnych GTPaz. Niektóre GTPazy mają niewielką lub żadną wewnętrzną aktywność GTPazy, a ich dezaktywacja jest całkowicie zależna od białek GAP (takich jak czynnik ADP-rybozylacji lub rodzina ARF małych białek wiążących GTP, które są zaangażowane w transport za pośrednictwem pęcherzyków w komórkach).

Aby zostać aktywowane, GTPazy muszą powiązać się z GTP. Ponieważ mechanizmy przekształcania związanego GDP bezpośrednio w GTP są nieznane, nieaktywne GTPazy są indukowane do uwalniania związanego GDP przez działanie odrębnych białek regulatorowych zwanych czynnikami wymiany nukleotydów guaninowych lub GEF. Białko GTPazy wolne od nukleotydów szybko ponownie wiąże GTP, którego w zdrowych komórkach jest znacznie więcej niż GDP, umożliwiając GTPazie wejście w stan aktywnej konformacji i promowanie jej wpływu na komórkę. Dla wielu GTPaz aktywacja GEF jest głównym mechanizmem kontrolnym w stymulacji funkcji sygnalizacyjnych GTPaz, chociaż GAP również odgrywają ważną rolę. W przypadku heterotrimerycznych białek G i wielu małych białek wiążących GTP, aktywność GEF jest stymulowana przez receptory na powierzchni komórki w odpowiedzi na sygnały na zewnątrz komórki (w przypadku heterotrimerycznych białek G receptory sprzężone z białkiem G są same GEF, podczas gdy dla aktywowanych przez receptor małych GTPaz ich GEF różnią się od receptorów powierzchniowych komórek).

Niektóre GTPazy wiążą się również z białkami pomocniczymi zwanymi inhibitorami dysocjacji nukleotydów guaninowych lub GDI, które stabilizują nieaktywny stan związany z GDP.

Ilość aktywnej GTPazy można zmienić na kilka sposobów:

  1. Przyspieszenie dysocjacji PKB przez GEF przyspiesza akumulację aktywnej GTPazy.
  2. Hamowanie dysocjacji GDP przez inhibitory dysocjacji nukleotydów guaninowych (GDI) spowalnia akumulację aktywnej GTPazy.
  3. Przyspieszenie hydrolizy GTP przez GAP zmniejsza ilość aktywnej GTPazy.
  4. Sztuczne analogi GTP, takie jak GTP-γ-S , β,γ-metyleno-GTP i β,γ-imino-GTP, które nie mogą być hydrolizowane, mogą zablokować GTPazę w jej stanie aktywnym.
  5. Mutacje (takie jak te, które zmniejszają wewnętrzną szybkość hydrolizy GTP) mogą blokować GTPazę w stanie aktywnym, a takie mutacje w małych GTPaza Ras są szczególnie powszechne w niektórych postaciach raka.

GTPazy domeny G

W większości GTPaz swoistość zasady guaniny w porównaniu z innymi nukleotydami jest nadawana przez motyw rozpoznawania zasad, który ma sekwencję konsensusową [N/T]KXD. Poniższa klasyfikacja oparta jest na wspólnych cechach; niektóre przykłady mają mutacje w motywie rozpoznawania zasad, które zmieniają ich specyficzność substratową, najczęściej na ATP.

klasa TRAFAC

Klasa białek domeny G TRAFAC została nazwana na cześć prototypowego członka, białek czynnika translacji G. Odgrywają rolę w translacji, transdukcji sygnału i ruchliwości komórek.

Nadrodzina czynników translacyjnych

GTPazy z rodziny wielu klasycznych czynników translacji odgrywają ważną rolę w inicjacji , elongacji i zakończeniu biosyntezy białek . Dzieląc podobny sposób wiązania rybosomów z powodu domeny β-EI następującej po GTPazie, najbardziej znanymi członkami rodziny są EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G i czynniki uwalniania klasy 2 . Inni członkowie to EF-4 (LepA), BipA (TypA), SelB ( paralog bakteryjny selenocysteinylo-tRNA EF-Tu), Tet ( oporność na tetracyklinę dzięki ochronie rybosomalnej) i HBS1L (eukariotyczne białko ratunkowe rybosomów podobne do czynników uwalniania).

Nadrodzina obejmuje również rodzinę Bms1 z drożdży.

Nadrodzina podobna do Ras

Heterotrimeryczne białka G

Heterotrymerycznego białka G kompleksów składa się z trzech różnych podjednostek białkowych wymienionych alfa (a), beta (P) i gamma (y) podjednostek . Podjednostki alfa zawierają domenę wiążącą GTP/GTPazę oflankowaną długimi regionami regulatorowymi, podczas gdy podjednostki beta i gamma tworzą stabilny kompleks dimeryczny, określany jako kompleks beta-gamma . Po aktywacji heterotrimeryczne białko G dysocjuje na aktywowaną, związaną z GTP podjednostkę alfa i oddzielną podjednostkę beta-gamma, z których każda może pełnić różne role sygnalizacyjne. Podjednostki α i γ są modyfikowane przez kotwice lipidowe w celu zwiększenia ich połączenia z wewnętrznym płatkiem błony komórkowej.

Heterotrimeryczne białka G działają jako przetworniki receptorów sprzężonych z białkiem G , sprzęgając aktywację receptora z efektorami sygnalizacyjnymi i wtórnymi przekaźnikami . W komórkach niestymulowanych heterotrimerycznych białka G są połączone za związaną PKB, nieaktywne trimeru (G α -GDP-G βγ kompleks). Po aktywacji receptora, wewnątrzkomórkowa domena aktywowanego receptora działa jako GEF, aby uwolnić GDP z kompleksu białka G i promować wiązanie GTP w jego miejscu. Kompleks związany z GTP podlega aktywującej zmianie konformacji, która oddziela go od receptora, a także rozbija kompleks na składniki podjednostki alfa i beta-gamma białka G. Podczas gdy te aktywowane podjednostki białka G mogą teraz aktywować swoje efektory, aktywny receptor może również aktywować dodatkowe białka G – umożliwia to katalityczną aktywację i amplifikację, gdzie jeden receptor może aktywować wiele białek G.

Sygnalizacja białka G jest zakończona przez hydrolizę związanego GTP do związanego GDP. Może to nastąpić poprzez wewnętrzną aktywność GTPazy podjednostki α lub być przyspieszane przez oddzielne białka regulatorowe, które działają jako białka aktywujące GTPazę (GAP), takie jak członkowie rodziny regulatorów sygnalizacji białka G (RGS). Szybkość reakcji hydrolizy działa jak wewnętrzny zegar ograniczający długość sygnału. Gdy G α powraca do stanu związanego z GDP, dwie części heterotrimeru ponownie asocjują do pierwotnego, nieaktywnego stanu.

W heterotrimerycznych białka G mogą być sklasyfikowane przez homologię sekwencji z alfa jednostki i ich celów funkcjonalnej na cztery rodziny: G s rodziny, G i rodziny G Q rodziny i G 12 rodziny. Każdy z nich do G alfa rodzin białek zawiera kilka elementów, tak, że ssaki mają 16 różne α genów podjednostkę. Podobnie i składają się z wielu członków, co zwiększa różnorodność strukturalną i funkcjonalną heterotrimerów. Wśród cząsteczek docelowych specyficznych białek G znajdują się enzymy generujące drugi przekaźnik, cyklaza adenylylowa i fosfolipaza C , a także różne kanały jonowe .

Małe GTPazy

Małe GTPazy działają jako monomery i mają masę cząsteczkową około 21 kilodaltonów, która składa się głównie z domeny GTPazy. Są one również nazywane małymi lub monomerycznymi białkami wiążącymi nukleotydy guaninowe, małymi lub monomerycznymi białkami wiążącymi GTP lub małymi lub monomerycznymi białkami G, a ponieważ mają znaczną homologię z pierwszym zidentyfikowanym takim białkiem, zwanym Ras , są również określane jako GTPas nadrodziny Ras . Małe GTPazy na ogół służą jako przełączniki molekularne i przetworniki sygnału dla wielu różnych komórkowych zdarzeń sygnalizacyjnych, często obejmujących błony, pęcherzyki lub cytoszkielet. Zgodnie z ich pierwszorzędowymi sekwencjami aminokwasowymi i właściwościami biochemicznymi, wiele małych GTPaz nadrodziny Ras dzieli się dalej na pięć podrodzin o odrębnych funkcjach: Ras , Rho („homologia Ras”), Rab , Arf i Ran . Podczas gdy wiele małych GTPaz jest aktywowanych przez ich GEF w odpowiedzi na wewnątrzkomórkowe sygnały pochodzące z receptorów na powierzchni komórki (szczególnie receptorów czynników wzrostu ), regulatorowe GEF dla wielu innych małych GTPaz są aktywowane w odpowiedzi na wewnętrzne sygnały komórki, a nie sygnały powierzchni komórki (zewnętrzne).

Nadrodzina miozyny i kinezyny

Ta klasa jest zdefiniowana przez utratę dwóch nici beta i dodatkowych nici N-końcowych. Obaj imienniki tej nadrodziny, miozyna i kinezyna , przeszły na stosowanie ATP.

Duże GTPazy

Zobacz dynaminę jako prototyp dla dużych monomerycznych GTPaz.

Klasa SIMIBI

Znaczna część GTPaz klasy SIMIBI jest aktywowana przez dimeryzację. Nazwana na cześć cząstki rozpoznającej sygnał (SRP), MinD i BioD, klasa ta bierze udział w lokalizacji białek, partycjonowaniu chromosomów i transporcie błonowym. Kilku członków tej klasy, w tym MinD i Get3, zmieniło specyficzność substratową, stając się ATPazami.

Czynniki translokacji

Aby zapoznać się z omówieniem czynników translokacji i roli GTP, zobacz cząstkę rozpoznawania sygnału (SRP).

Inne GTPazy

Podczas gdy tubulina i pokrewne białka strukturalne również wiążą i hydrolizują GTP w ramach swojej funkcji tworzenia kanalików wewnątrzkomórkowych, białka te wykorzystują odrębną domenę tubuliny , niezwiązaną z domeną G wykorzystywaną przez sygnalizację GTPaz.

Istnieją również białka hydrolizujące GTP, które wykorzystują pętlę P z superklasy innej niż ta zawierająca domenę G. Przykłady obejmują białka NACHT z własnej superklasy i białko McrB z superklasy AAA+ .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki