G-БЕЛКИ: СТРУКТУРА, ТИПЫ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В G белки, или гуаниннуклеотид связывающих белков , представляют собой белки , ассоциированные с плазматической мембраной , принадлежащей к семейству сигнальных «сцепка» белки , которые имеют важные функции во многих процессах передачи сигналов в эукариотических организмах.

В литературе G-белки описываются как бинарные молекулярные переключатели, поскольку их биологическая активность определяется изменениями в их структуре, определяемыми видами нуклеотидов, с которыми они способны связываться: нуклеотиды гуанозина (дифосфат (GDP) и трифосфат (ГТФ)).

Структура белка Ras, мономерного белка G (Источник: Mark 'AbsturZ' через Wikimedia Commons)

Обычно они активируются рецепторами семейства белков, известных как рецепторы, сопряженные с G-белками (GPCR), которые получают внешний начальный сигнал и преобразуют его в конформационные изменения, запускающие активацию, которая впоследствии он транслируется в активацию другого эффекторного белка.

Некоторые авторы считают, что гены, кодирующие это семейство белков, возникли в результате дупликации и дивергенции общего предкового гена, продукт которого все больше и больше уточнялся и специализировался.

Среди огромного разнообразия клеточных функций, которыми обладают эти белки, - перемещение макромолекул во время синтеза белка, передача гормональных сигналов и сенсорных стимулов, а также регулирование пролиферации и дифференцировки клеток.

Были описаны два класса этого типа белков: малые G-белки и гетеротримерные G-белки. Первая трехмерная структура G-белка была получена более десяти лет назад из небольшого G-белка, известного как Ras.

Структура

Со структурной точки зрения различают два типа G-белков: малые G-белки и гораздо более сложные гетеротримерные G-белки.

Малые G-белки состоят из одного полипептида, состоящего примерно из 200 аминокислотных остатков и примерно 20-40 кДа, и в их структуре присутствует консервативный каталитический домен (домен G), состоящий из пяти α-спиралей, шести β-складчатых листов и пять полипептидных петель.

С другой стороны, гетеротримерные G-белки представляют собой интегральные мембранные белки, которые состоят из трех полипептидных цепей, известных как субъединицы α, β и γ.

-Субъединица α весит от 40 до 52 кДа, имеет область связывания гуаниновых нуклеотидов и обладает ГТФазной активностью по гидролизу связей между фосфатными группами ГТФ.

Субъединицы α различных G-белков имеют общие структурные домены, например, для связывания и гидролиза GTP, но сильно различаются по сайтам связывания для рецепторных и эффекторных белков.

-Субъединица β имеет немного меньшую молекулярную массу (от 35 до 36 кДа).

-Субъединица γ, с другой стороны, намного меньше и имеет приблизительную молекулярную массу 8 кДа.

Все гетеротримерные G-белки имеют 7 трансмембранных доменов и имеют сходство последовательностей с β- и γ-доменами. Эти два домена настолько тесно связаны, что рассматриваются как единая функциональная единица.

Типы

Как упоминалось выше, существует два типа G-белков: маленькие и гетеротримерные.

Малые G-белки играют роль в росте клеток, секреции белков и взаимодействии внутриклеточных везикул. С другой стороны, гетеротримерные G-белки связаны с передачей сигналов от поверхностных рецепторов, а также действуют как переключатели, которые чередуют два состояния в зависимости от ассоциированного нуклеотида.

Малые G-белки

Эти белки также называются малыми GTPазами, малыми GTP-связывающими белками или суперсемейством белков Ras и образуют независимое суперсемейство в большом классе гидролаз GTP с регуляторными функциями.

Эти белки очень разнообразны и контролируют множество клеточных процессов. Они характеризуются консервативным GTP-связывающим доменом, доменом «G». Связывание этого фосфатного нуклеотида вызывает важные конформационные изменения в их каталитическом домене в малых G-белках.

Его активность тесно связана с белком, активирующим ГТФазу (GAP), и фактором обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF).

У эукариот описано пять классов или семейств малых G-белков:

-Рас

-Ро

-Раб

-Sar1 / Arf

-Ran

Белки Ras и Rho контролируют экспрессию генов, а белки Rho также модулируют реорганизацию цитоскелета. Белки группы Rab и Sar1 / Arf влияют на везикулярный транспорт, а белки Ran регулируют ядерный транспорт и клеточный цикл.

Гетеротримерные G-белки

Этот тип белка также заслуживает ассоциации с двумя другими белковыми факторами, так что путь передачи сигналов из внешней среды внутрь клетки состоит из трех элементов в следующем порядке:

1. Эти рецепторы в сочетании с G белками
2. Эти белки G
3. Эти белки или каналы эффекторы

Существует большое разнообразие гетеротримерных G-белков, и это связано с большим разнообразием α-субъединиц, существующих в природе, в которых сохраняется только 20% аминокислотной последовательности.

Гетеротримерные G-белки обычно идентифицируются благодаря разнообразию субъединицы α, в основном на основании их функционального сходства и сходства последовательностей.

Субъединицы α состоят из четырех семейств (семейства Gs, семейства Gi / o, семейства Gq и семейства G12). Каждое семейство состоит из разных «изотипов», которые вместе составляют более 15 различных форм α-субъединиц.

Семья G

Это семейство содержит представителей, которые также участвуют в повышающей регуляции белков аденилатциклазы и экспрессируются в большинстве типов клеток. В его состав входят два участника: Gs и Golf.

Нижний индекс «s» относится к стимуляции, а нижний индекс «olf» относится к «запаху» (от английского «olfaction»). Белки гольфа особенно экспрессируются в сенсорных нейронах, отвечающих за обоняние.

Семья G

Это самая большая и разнообразная семья. Они экспрессируются во многих типах клеток и опосредуют рецептор-зависимое ингибирование различных типов аденилциклазы (нижний индекс «i» означает ингибирование).

Белки с α-субъединицами группы Go экспрессируются особенно в клетках центральной нервной системы и имеют два варианта: A и B.

Семья G

Белки с этим семейством α-субъединиц ответственны за регуляцию фосфолипазы C. Это семейство состоит из четырех членов, α-субъединицы которых экспрессируются разными генами. Их много в клетках печени, почек и легких.

Семья G

Это семейство повсеместно экспрессируется в организмах, и точные клеточные процессы, регулируемые белками с этими субъединицами, с уверенностью неизвестны.

И γ субъединицы

Хотя разнообразие альфа-структур является решающим для идентификации гетеротримерных белков, существует также большое разнообразие в отношении двух других субъединиц: бета и гамма.

Характеристики

G-белки участвуют в «канализации» сигналов от рецепторов на плазматической мембране к эффекторным каналам или ферментам.

Наиболее распространенный пример функции этого типа белка - регуляция фермента аденилатциклазы, фермента, ответственного за синтез аденозин-3 ', 5'-монофосфата или просто циклического АМФ, молекулы, которая выполняет важные функции в качестве вторичного посредника. во многих известных клеточных процессах:

-Селективное фосфорилирование белков с определенными функциями

-Генетическая транскрипция

-Реорганизация цитоскелета

-Секреция

-Деполяризация мембраны

Они также косвенно участвуют в регуляции сигнального каскада инозитов (фосфатидилинозитол и его фосфорилированные производные), которые отвечают за контроль зависимых от кальция процессов, таких как хемотаксис и секреция растворимых факторов.

Многие ионные каналы и транспортные белки напрямую контролируются белками семейства белков G. Точно так же эти белки участвуют во многих сенсорных процессах, таких как зрение, обоняние и другие.

Как они работают?

Способ взаимодействия G-белка с эффекторными белками специфичен для каждого класса или семейства белков.

Для белков G, связанных с мембранными рецепторами (гетеротримерные белки G), связывание гуанинового нуклеотида, такого как GDP или гуанозиндифосфат, с α-субъединицей вызывает ассоциацию трех субъединиц, образуя комплекс, известный как Gαβγ или G-GDP, который прикреплен к мембране.

Если впоследствии молекула GDP заменяется на молекулу GTP, субъединица α, связанная с GTP, диссоциирует от субъединиц β и γ, образуя отдельный комплекс, известный как Gα-GTP, который способен изменять активность своих ферментов или белки-носители-мишени.

Гидролитическая активность этой субъединицы позволяет ей завершить активацию, обменивая GTP на новый GDP, переходя в неактивную конформацию.

В отсутствие возбужденных рецепторов, которые связываются с G-белками, этот процесс обмена от GDP к GTP очень медленный, что означает, что гетеротримерные G-белки обменивают GDP на GTP только с физиологически значимой скоростью, когда они связаны со своими возбужденные рецепторы.

Ссылки

1. Гилман, Г. (1987). G-белки: преобразователи сигналов, генерируемых рецепторами. Ежегодные обзоры по биохимии, 56, 615-649.
2. Миллиган, Г., и Костенис, Э. (2006). Гетеротримерные G-белки: краткая история. Британский журнал фармакологии, 147, 546–555.
3. Офферманнс, С. (2003). G-белки как преобразователи в трансмембранной передаче сигналов. Прогресс в биофизике и молекулярной биологии, 83, 101–130.
4. Саймон М., Стратманн М.П. и Гаутам Н. (1991). Разнообразие G-белков в передаче сигналов. Наука, 252, 802-808.
5. Сыроваткина В., Алегре К.О., Дей Р. и Хуанг X. (2016). Регуляция, сигнализация и физиологические функции G-белков. Журнал молекулярной биологии, 428 (19), 3850–3868.