GTPase - GTPase

GTPaser er en stor familie af hydrolase -enzymer , der binder til nucleotid guanosintriphosphat (GTP) og hydrolysere den til guanosindiphosphat (BNP) . GTP-bindingen og hydrolysen finder sted i det stærkt konserverede P-loop "G-domæne", et proteindomæne, der er fælles for mange GTPaser.

Funktioner

GTPaser fungerer som molekylære switches eller timere i mange fundamentale cellulære processer.

Eksempler på disse roller omfatter:

GTPaser er aktive, når de er bundet til GTP og inaktive, når de er bundet til BNP. I den generaliserede receptor-transducer-effektorsignaleringsmodel af Martin Rodbell fungerer signal-GTPaser som transducere til at regulere aktiviteten af ​​effektorproteiner. Denne inaktive-aktive switch skyldes konformationsændringer i proteinet, der adskiller disse to former, især af "switch" -regionerne, der i den aktive tilstand er i stand til at skabe protein-protein-kontakter med partnerproteiner, der ændrer funktionen af ​​disse effektorer.

Mekanisme

Hydrolyse af GTP bundet til et (aktivt) G-domæne-GTPase fører til deaktivering af enzymets signalering/timerfunktion. Hydrolysen af den tredje (γ) phosphat af GTP til skabe guanosindiphosphat (BNP) og P i , uorganisk phosphat , sker ved S N 2 mekanisme (se nucleofil substitution ) via en pentavalent overgang tilstand og er afhængig af tilstedeværelsen af en magnesium ion Mg 2+ .

GTPase-aktivitet fungerer som afbrydelsesmekanisme for GTPases signalroller ved at returnere det aktive, GTP-bundne protein til den inaktive, BNP-bundne tilstand. De fleste "GTPaser" har funktionel GTPase -aktivitet, så de kun kan forblive aktive (det vil sige bundet til GTP) i kort tid, før de deaktiverer sig selv ved at konvertere bundet GTP til bundet BNP. Imidlertid bruger mange GTPaser også tilbehørsproteiner ved navn GTPase-aktiverende proteiner eller GAP'er til at accelerere deres GTPase-aktivitet. Dette begrænser yderligere den aktive levetid for signalering af GTPaser. Nogle GTPaser har ringe eller ingen iboende GTPase-aktivitet og er helt afhængige af GAP-proteiner til deaktivering (såsom ADP-ribosyleringsfaktoren eller ARF-familien af ​​små GTP-bindende proteiner, der er involveret i vesikelmedieret transport inden for celler).

For at blive aktiveret skal GTPaser binde til GTP. Da mekanismer til konvertering af bundet BNP direkte til GTP ikke er ukendte, induceres de inaktive GTPaser til at frigive bundet BNP ved hjælp af forskellige regulatoriske proteiner kaldet guanin -nukleotidudvekslingsfaktorer eller GEF'er. Det nukleotidfrie GTPase-protein genopretter hurtigt GTP, som er langt overskridende i raske celler i forhold til BNP, hvilket gør det muligt for GTPase at komme ind i den aktive konformationstilstand og fremme dens virkninger på cellen. For mange GTPaser er aktivering af GEF'er den primære kontrolmekanisme ved stimulering af GTPase -signalfunktionerne, selvom GAP'er også spiller en vigtig rolle. For heterotrimeriske G-proteiner og mange små GTP-bindende proteiner stimuleres GEF-aktivitet af celleoverfladereceptorer som reaktion på signaler uden for cellen (for heterotrimeriske G-proteiner er de G-proteinkoblede receptorer selv GEF'er, mens for receptoraktiverede små GTPaser deres GEF'er adskiller sig fra celleoverfladereceptorer).

Nogle GTPaser binder også til tilbehørsproteiner kaldet guanin-nukleotiddissociationshæmmere eller GDI'er, der stabiliserer den inaktive, BNP-bundne tilstand.

Mængden af ​​aktiv GTPase kan ændres på flere måder:

  1. Acceleration af BNP -dissociation med GEF'er fremskynder akkumuleringen af ​​aktiv GTPase.
  2. Hæmning af BNP -dissociation af guanin -nukleotiddissociationshæmmere (GDI'er) bremser akkumulering af aktiv GTPase.
  3. Acceleration af GTP -hydrolyse med GAP'er reducerer mængden af ​​aktiv GTPase.
  4. Kunstige GTP-analoger som GTP-γ-S , β, γ-methylen-GTP og β, γ-imino-GTP, der ikke kan hydrolyseres, kan låse GTPasen i sin aktive tilstand.
  5. Mutationer (såsom dem, der reducerer den iboende GTP -hydrolysehastighed) kan låse GTPase i den aktive tilstand, og sådanne mutationer i de små GTPase Ras er særlig almindelige i nogle former for kræft.

G -domæne GTPaser

I de fleste GTPaser formidles specificiteten for basen guanin versus andre nukleotider af basegenkendelsesmotivet, der har konsensus-sekvensen [N/T] KXD. Den følgende klassifikation er baseret på delte funktioner; nogle eksempler har mutationer i basegenkendelsesmotivet, der forskyder deres substratspecificitet, oftest til ATP.

TRAFAC klasse

TRAFAC -klassen af ​​G -domæneproteiner er opkaldt efter det prototypiske medlem, translationsfaktor G -proteiner. De spiller roller i oversættelse, signaltransduktion og cellemotilitet.

Oversættelsesfaktor superfamilie

Se også: EF-G § Evolution og EF-Tu § Evolution

Flere GTPaser for klassisk oversættelsesfaktorfamilie spiller vigtige roller i initiering , forlængelse og afslutning af proteinbiosyntese . De mest kendte medlemmer af familien, der deler en lignende form for ribosombinding på grund af β-EI-domænet efter GTPase, er frigivelsesfaktorer for EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G og klasse 2 . Andre medlemmer omfatter EF-4 (LepA), BipA (TypA), SelB (bakterielt selenocysteinyl-tRNA EF-Tu paralog), Tet ( tetracyklinresistens ved ribosomal beskyttelse) og HBS1L (eukaryotisk ribosom-redningsprotein svarende til frigivelsesfaktorer).

Superfamilien omfatter også Bms1 -familien fra gær.

Ras-lignende superfamilie

Heterotrimeriske G -proteiner
Hovedartikel: Heterotrimert G -protein

Heterotrimeriske G -proteinkomplekser består af tre adskilte proteinunderenheder kaldet alfa (α), beta (β) og gamma (γ) underenheder . Alfa-underenhederne indeholder GTP-bindings-/GTPase-domænet flankeret af lange regulatoriske områder, mens beta- og gamma-underenhederne danner et stabilt dimert kompleks, der betegnes som beta-gamma-komplekset . Når det aktiveres, dissocierer et heterotrimert G-protein til aktiveret, GTP-bundet alfa-underenhed og separat beta-gamma-underenhed, som hver kan udføre forskellige signalroller. A- og y -underenheden modificeres af lipidankre for at øge deres tilknytning til plasmamembranens indre folder.

Heterotrimeriske G-proteiner fungerer som transducere af G-proteinkoblede receptorer , kobler receptoraktivering til nedstrøms signaleffektorer og sekundære budbringere . I ustimulerede celler samles heterotrimeriske G -proteiner som BNP -bundet , inaktiv trimer (G α -GDP -G βγ -kompleks). Ved receptoraktivering fungerer det aktiverede receptors intracellulære domæne som GEF for at frigive BNP fra G -proteinkomplekset og til at fremme binding af GTP i stedet. Det GTP-bundne kompleks gennemgår et aktiverende konformationsskift, der adskiller det fra receptoren og også bryder komplekset i dets komponent G-protein alfa- og beta-gamma-underenhedskomponenter. Selvom disse aktiverede G -protein -underenheder nu er frie til at aktivere deres effektorer, er den aktive receptor ligeledes fri til at aktivere yderligere G -proteiner - dette tillader katalytisk aktivering og amplifikation, hvor en receptor kan aktivere mange G -proteiner.

G -proteinsignalering afsluttes ved hydrolyse af bundet GTP til bundet BNP. Dette kan forekomme gennem den iboende GTPase-aktivitet af α-underenheden eller accelereres af separate regulatoriske proteiner, der fungerer som GTPase-aktiverende proteiner (GAP'er), såsom medlemmer af Regulator of G proteinsignalering (RGS) -familien). Hastigheden af ​​hydrolysereaktionen fungerer som et internt ur, der begrænser signalets længde. Når G α er vendt tilbage til at være BNP-bundet, associeres de to dele af heterotrimeren med den oprindelige, inaktive tilstand.

De heterotrimeriske G -proteiner kan klassificeres ved sekvenshomologi for α -enheden og efter deres funktionelle mål i fire familier: G s familie, G i familie, G q familie og G 12 familie. Hver af disse G α -proteinfamilier indeholder flere medlemmer, således at pattedyrene har 16 forskellige a -subenhedsgener. G β og G γ er ligeledes sammensat af mange medlemmer, hvilket øger heterotrimer strukturel og funktionel mangfoldighed. Blandt målmolekylerne for de specifikke G-proteiner er de andet messenger-genererende enzymer adenylylcyclase og phospholipase C samt forskellige ionkanaler .

Små GTPaser
Hovedartikel: Lille GTPase

Små GTPaser fungerer som monomerer og har en molekylvægt på omkring 21 kilodalton, der primært består af GTPase -domænet. De kaldes også små eller monomere guanin-nukleotidbindende regulatoriske proteiner, små eller monomere GTP-bindende proteiner eller små eller monomere G-proteiner, og fordi de har signifikant homologi med det først identificerede sådanne protein, kaldet Ras , er de også benævnt Ras superfamilie GTPaser. Små GTPaser fungerer generelt som molekylære switches og signaltransducere til en lang række cellulære signalhændelser, der ofte involverer membraner, vesikler eller cytoskelet. Ifølge deres primære aminosyresekvenser og biokemiske egenskaber er de mange Ras-superfamiliesmå små GTPaser yderligere opdelt i fem underfamilier med forskellige funktioner: Ras , Rho ("Ras-homologi"), Rab , Arf og Ran . Mens mange små GTPaser aktiveres af deres GEF'er som reaktion på intracellulære signaler, der stammer fra celleoverfladereceptorer (især vækstfaktorreceptorer ), aktiveres regulatoriske GEF'er for mange andre små GTPaser som reaktion på iboende cellesignaler, ikke celleoverfladesignaler (eksterne).

Myosin-kinesin superfamilie

Denne klasse defineres ved tab af to beta-strenge og yderligere N-terminale strenge. Begge navnefamilier i denne superfamilie, myosin og kinesin , har skiftet til at bruge ATP.

Store GTPaser

Se dynamin som en prototype for store monomere GTPaser.

SIMIBI klasse

Meget af SIMIBI -klassen af ​​GTPaser aktiveres ved dimerisering. Opkaldt efter signalgenkendelsespartiklen (SRP), MinD og BioD, er klassen involveret i proteinlokalisering, kromosomopdeling og membrantransport. Flere medlemmer af denne klasse, herunder MinD og Get3, har ændret sig i substratspecificitet for at blive ATPaser.

Translokationsfaktorer

For en diskussion af translokationsfaktorer og GTP's rolle, se signalgenkendelsespartikel (SRP).

Andre GTPaser

Mens tubulin og beslægtede strukturelle proteiner også binder og hydrolyserer GTP som en del af deres funktion til at danne intracellulære tubuli, anvender disse proteiner et særskilt tubulindomæne , der ikke er relateret til G -domænet, der bruges ved at signalere GTPaser.

Der er også GTP-hydrolyserende proteiner, der anvender en P-sløjfe fra en anden superklasse end den G-domæne, der indeholder. Eksempler omfatter NACHT -proteiner fra sin egen superklasse og McrB -protein fra AAA+ superklassen.

Se også

Referencer

eksterne links