Введение
Класс ферментов
ГТФазы – это большое семейство ферментов гидролаз, которые связываются с нуклеотидом гуанозинтрифосфатом (ГТФ) и гидролизуют его до гуанозиндифосфата (ГДФ). Связывание и гидролиз ГТФ происходит в высококонсервативном P-цикле, или "G-домене" – белковом домене, общем для многих ГТФаз. Примеры их функций включают: трансдукцию сигналов в ответ на активацию клеточных поверхностных рецепторов, включая трансмембранные рецепторы, такие как рецепторы, опосредующие вкус, обоняние и зрение. В обобщенной модели сигнализации "рецептор-трансдуктор-эффектор" Мартина Родбелла сигнальные ГТФазы выступают в роли трансдукторов, регулирующих активность эффекторных белков. Некоторые ГТФазы обладают незначительной или отсутствующей собственной ГТФазной активностью и полностью зависят от GAP-белков для деактивации (например, фактор АДФ-рибозилирования или семейство ARF – небольших ГТФ-связывающих белков, участвующих во внутриклеточном везикулярном транспорте). Для активации ГТФазе необходимо связаться с ГТФ. Поскольку механизмы прямого преобразования связанного ГДФ в ГТФ неизвестны, неактивные ГТФазы индуцируются к высвобождению связанного ГДФ под действием специфических регуляторных белков, называемых факторами обмена гуаниннуклеотидов, или ГЭФ. Количество активной ГТФазы может изменяться несколькими способами: ускорение диссоциации ГДФ посредством ГЭФ ускоряет накопление активной ГТФазы; ингибирование диссоциации ГДФ ингибиторами диссоциации гуаниннуклеотидов (GDIs) замедляет накопление активной ГТФазы; ускорение гидролиза ГТФ посредством GAP снижает количество активной ГТФазы. Искусственные аналоги ГТФ, такие как ГТФ γ S, β,γ-метилен-ГТФ и β,γ-имино-ГТФ, которые не подвергаются гидролизу, могут зафиксировать ГТФазу в активном состоянии. Мутации (например, снижающие скорость собственного гидролиза ГТФ) могут зафиксировать ГТФазу в активном состоянии, и такие мутации в малой ГТФазе Ras особенно часто встречаются при некоторых формах рака.
GTPases are a large family of hydrolase enzymes that bind to the nucleotide guanosine triphosphate (GTP) and hydrolyze it to guanosine diphosphate (GDP). The GTP binding and hydrolysis takes place in the highly conserved P loop "G domain", a protein domain common to many GTPases. Examples of these roles include:
Signal transduction in response to activation of cell surface receptors, including transmembrane receptors such as those mediating taste, smell and vision. In the generalized receptor transducer effector signaling model of Martin Rodbell, signaling GTPases act as transducers to regulate the activity of effector proteins. Some GTPases have little to no intrinsic GTPase activity, and are entirely dependent on GAP proteins for deactivation (such as the ADP ribosylation factor or ARF family of small GTP binding proteins that are involved in vesicle mediated transport within cells). To become activated, GTPases must bind to GTP. Since mechanisms to convert bound GDP directly into GTP are unknown, the inactive GTPases are induced to release bound GDP by the action of distinct regulatory proteins called guanine nucleotide exchange factors or GEFs. The amount of active GTPase can be changed in several ways:
Acceleration of GDP dissociation by GEFs speeds up the accumulation of active GTPase. Inhibition of GDP dissociation by guanine nucleotide dissociation inhibitors (GDIs) slows down accumulation of active GTPase. Acceleration of GTP hydrolysis by GAPs reduces the amount of active GTPase. Artificial GTP analogues like GTP γ S, β,γ methylene GTP, and β,γ imino GTP that cannot be hydrolyzed can lock the GTPase in its active state. Mutations (such as those that reduce the intrinsic GTP hydrolysis rate) can lock the GTPase in the active state, and such mutations in the small GTPase Ras are particularly common in some forms of cancer.
Г-домены ГТфазы
В большинстве GTPаз специфичность к гуанину по сравнению с другими нуклеотидами определяется мотивом распознавания основания, имеющим консенсусную последовательность [N/T]KXD. Предлагаемая классификация основана на общих признаках; однако, некоторые примеры содержат мутации в мотиве распознавания основания, которые изменяют их субстратную специфичность, как правило, в сторону АТФ.
Класс TRAFAC
Класс белков TRAFAC домена G назван в честь прототипического члена – белков G, являющихся факторами трансляции. Они играют роль в трансляции, передаче сигналов и подвижности клеток, а также являются факторами высвобождения класса 2. Другие представители включают EF 4 (LepA), BipA (TypA), SelB (бактериальный паралог EF Tu селеноцистеинил-тРНК), Tet (обеспечение устойчивости к тетрациклину за счет защиты рибосомы) и HBS1L (эукариотический рибосомный спасательный белок, подобный факторам высвобождения). В суперсемейство также входит семейство Bms1 из дрожжей. Альфа-субъединицы содержат GTP-связывающий/GTP-азотный домен, окруженный длинными регуляторными областями, в то время как бета- и гамма-субъединицы формируют стабильный димерный комплекс, называемый бета-гамма-комплексом. При активации гетеротримерный белок G диссоциирует на активированную альфа-субъединицу, связанную с GTP, и отдельные бета-гамма-субъединицы, каждая из которых может выполнять различные сигнальные функции. Гетеротримерные белки G выступают в качестве трансдукторов рецепторов, связанных с G-белком, связывая активацию рецептора с нисходящими эффекторами сигнализации и вторичными мессенджерами. В нестимулированных клетках гетеротримерные белки G собраны в виде неактивного тримера, связанного с GDP (комплекс Gα GDP Gβγ).
Малые ГТФазы
Малые ГТФазы функционируют как мономеры и имеют молекулярную массу около 21 килодальтона, состоящую преимущественно из ГТФазного домена. Их также называют малыми или мономерными регуляторными белками, связывающими нуклеотиды гуанина, малыми или мономерными белками, связывающими ГТФ, или малыми или мономерными G-белками. В связи с их значительной гомологией с первым идентифицированным белком такого типа, названным Ras, их также называют ГТФазами суперсемейства Ras. Малые ГТФазы обычно выступают в роли молекулярных переключателей и трансдукторов сигнала для широкого спектра клеточных сигнальных событий, часто связанных с мембранами, везикулами или цитоскелетом.
Факторы переноса
Для обсуждения факторов транслокации и роли ГТФ см. статью о сигнальной частице распознавания (SRP).
Другие ГТФазы
В то время как тубулин и связанные с ним структурные белки также связывают и гидролизуют ГТФ как часть своей функции по формированию внутриклеточных тубул, эти белки используют отличный тубулин-домен, не связанный с G-доменом, используемым сигнализирующими ГТФазами. Существуют также ГТФ-гидролизующие белки, использующие P-петлю из суперкласса, отличного от содержащего G-домен. Примеры включают белки NACHT из собственного суперкласса и белок McrB из суперкласса AAA+.