GTPaza

GTPaze su velika porodica hidrolaznih enzima koji se vežu za nukleotid gvanozin-trifosfat (GTP) i hidroliziraju ga u gvanozin-difosfat (GDP).[1] Vezanje i hidroliza GTP odvijaju se u vrlo konzerviranom G-domenu zajedničkom mnogim GTPazama.[1]

FunkcijeUredi

GTPaze funkcioniraju kao molekulski prekidači ili tajmeri u mnogim temeljnim ćelijskim procesima.[2]

Primjeri ovih uloga uključuju procese i pojav e kao što su:

GTPaze su aktivne kada su vezane za GTP, a neaktivne kada su vezane za BDP.[2][3] U uopćenom modelu signalizacije receptor – pretvarač – efektor, Martin Rodbell smatra da signalne GTPaze djeluju kao pretvarači za regulaciju aktivnosti efektorskih proteina.[3] Ova neaktivna-aktivna sklopka posljedica je konformacijskih promjena u proteinu koji razlikuje ova dva oblika, posebno u "preklopnim" regijama koje su u aktivnom stanju sposobne uspostaviti kontakt proteina i proteina s partnerskim proteinima, koji mijenjaju funkciju ovih efektora.[1]

MehanizamUredi

Hidroliza GTP vezana za (aktivnu) GTPazu dovodi do deaktiviranja signalne/tajmer funkcije enzima.[2][3] Hidroliza trećeg (γ) fosfata, GTP-a da bi se stvorio gvanozin-difosfat (GDP) i Pi, neorganski fosfat, događa se sa SN2 mehanizmom (vidi nukleofilna supstitucija) kroz petovalentno prelazno stanje i ovisi o prisustvu magnezijevih iona Mg2+.[2][3]

GTPazna aktivnost služi kao mehanizam isključivanja za signalne uloge GTPaza, vraćanjem aktivnog proteina vezanog za GTP u neaktivno stanje vezano za GDP.[2][3] Većina "GTPaza" imaju funkcionalnu GTPaznu aktivnost, omogućavajući da ostanu aktivne (tj. vezane za GTP) samo kratko vrijeme prije nego što se deaktiviraju pretvaranjem vezanog GTP u vezani BDP.[2][3] Međutim, mnoge GTPaze također koriste pomoćne proteine pod nazivom proteini koji aktiviraju GTPaze ili GAP da bi ubrzali svoju GTPaznu aktivnost. Ovo dalje ograničava aktivno trajanje signalnih GTPaza.[4] Neke GTPaze imaju malo ili nimalo sopstvene aktivnosti GTPaze i u potpunosti ovise o GAP proteinima za deaktivaciju (kao što je ADP-faktor ritsilacije ili ARF porodica malih proteina koji se vežu za GTP i koji su uključeni u transport posredstvom vezikula unutar ćelija).[5]

Da bi se aktivirale, GTPaze moraju se vezati za GTP. Budući da su mehanizmi za pretvaranje vezanog BDP-a izravno u GTP nepoznati, neaktivne GTPaze podstiču se na oslobađanje vezanog BDP-a, djelovanjem različitih regulatornih proteina, koji se nazivaju faktor razmjene nukleotidnog guanina ili GEF.[2][3] GTPazni protein bez nukleotida brzo ponovno veže GTP, koji je u zdravim ćelijama daleko veći od BDP-a, omogućavajući GTPazi da uđe u aktivno stanje konformacije i promovira svoje učinke na ćeliju.[2][3] Za mnoge GTPaze, aktivacija GEF-a je primarni kontrolni mehanizam u stimulaciji GTPaza signalnih funkcija, iako GAP također imaju važnu ulogu. Za heterotrimerne G-proteine i mnoge male GTP-vezujuće proteine, aktivnost GEF-a stimuliraju ćelijski površinski receptori, kao odgovor na signale izvan ćelije (za heterotrimerne G-proteine receptora spregnutih sa G-proteinima su GEF-ovi, dok su za receptore aktivirane male GTPaze, njihovi GEF-ovi se razlikuju od receptora na površini ćelije). Neke GTPaze se također vežu za pomoćne proteine zvane inhibitori disocijacije nukleotidnog gvanina ili GDI, koji stabiliziraju neaktivno stanje vezano za GDP.[6]

Količina aktivne GTPaze može se mijenjati na nekoliko načina:

  1. Ubrzanje disocijacije BDP-a pomoću GEF-ova ubrzava akumulaciju aktivne GTPaze.
  2. Inhibicija disocijacije GDP-a inhibitorima disocijacije guanin-nukleotida (GDI) usporava akumulaciju aktivne GTPaze.
  3. Ubrzanje hidrolize GTP-a pomoću GAP-a smanjuje količinu aktivne GTP-aze.
  4. Vještački GTP analozi, kao što su GTP-γ-S, β, γ-metilen-GTP i β, γ-imino-GTP, koji se ne mogu hidrolizirati mogu zaključati bravu GTPaze u svom aktivnom stanju.
  5. Mutacije (poput onih koje smanjuju sopstvenu brzinu hidrolize GTP) mogu zaključati GTPazu u aktivnom stanju, a takve mutacije male GTPaze Ras su posebno česte u nekim oblicima karcinoma.[7]

Glavni motiviUredi

U većini GTPaza, specifičnost baze guanin u odnosu na druge nukleotide daje motiv prepoznavanja baze, koji ima konsenzusni slijed [N/T] KXD.[8]

Dok se tubulin i srodni strukturni proteini takođe vežu i hidroliziraju GTP kao dio svoje funkcije da formiraju unutarćelijske tubule, ovi proteini koriste drugačiji tubulinsk domen koji nije povezan sa GTPaznim domenom, koji se koristi signaliziranjem GTPaza.[9]

Heterotrimerni G-proteiniUredi

Heterotrimerni G proteinski kompleksi sastoje se od tri različite proteinske podjedinice zvane alfa (α), beta (β) i gama (γ) podjedinica.[10] Alfa podjedinice sadrže GTP vezujući/GTPazni domen okružen dugim regulatornim regijama, dok beta i gama podjedinice čine stabilan dimerni kompleks koji se naziva beta-gama kompleks.[11] Kada se aktivira, heterotrimerni G-protein razdvaja se na aktiviranu, GTP vezanu alfa podjedinicu i odvojenu beta gama podjedinicu, od kojih svaka može obavljati različite signalne uloge.[2][3] Αlfa i γ podjedinica se modificiraju pomoću lipidnih sidara da bi se povećala njihova povezanost sa unutrašnjim listićima plazmamembrana.[12]

Heterotrimerni Gproteini djeluju kao pretvarači G protein-spregnutog receptora, povezujući aktivaciju receptora sa nizvodnim signalnim efektorima i drugim glasnicima.[2][3][13] U nestimuliranim ćelijama, heterotrimerni G-proteini sastavljaju se kao BDP vezani, neaktivni trimer (Gα-GDP-G βγ kompleks).[2][3] Nakon aktivacije receptora, aktivirani unutarćelijski domen receptora djeluje kao GEF za oslobađanje BDP-a iz kompleksa G-proteina i promoviranje vezanja GTP-a na njegovom mjestu.[2][3] Kompleks vezan za GTP prolazi kroz aktivacijski konformacijski pomak koji ga disocira od receptora, a također razbija kompleks na komponente G-protein alfa i beta-gama komponentne podjedinice.[2][3] Iako su ove aktivirane podjedinice G-proteina sada slobodne da aktiviraju svoje efektore, aktivni receptor je na isti način slobodan da aktivira dodatne G-proteine, što omogućava katalitsku aktivaciju i pojačavanje, tako da jedan receptor može aktivirati mnogo G-proteina.[2][3] Signalizacija G-proteina prekida se hidrolizom vezanog GTP-a na vezani BDP.[2][3] To se može dogoditi pomoću unutrašnje aktivnosti GTP-azne α-podjedinice ili se može ubrzati odvojenim regulatornim proteinima koji djeluju kao proteini koji aktiviraju GTPaze (GAP), kao što su članovi porodice regulatora signalizacije G-proteina (RGS).[4] Brzina reakcija hidrolize djeluje kao unutrašnji sat koji ograničava dužinu signala. kada se Gα vrati u vezu s BDP-om, dvi dijelovi heterotrimera ponovno se pridružuju izvornom, neaktivnom stanju.[2]Greška kod citiranja: Nedostaje oznaka za zatvaranje </ref> nakon <ref>

Male GTPazeUredi

Male GTPaze funkcioniraju kao monomeri i imaju molekulsku težinu od oko 21 kilodaltona, koja se sastoji uglavnom od domena GTPaze.[14] Nazivaju se i malim ili monomernim regulatornim proteinima, koji vežu nukleotid guanin, malim ili monomernim proteinima koji se vežu za GTP ili malim ili monomernim G-proteinima, z ato što imaju značajnu homologiju s prvo identificiranim takvim proteinima, zvanim Ras, koji se također nazivaju Ras superporodica GTPaza. Male GTPaze obično služe kao molekulski prekidači i pretvarači signala za širok spektar ćelijskih signalnih događaja, često uključujući membrane, vezikule ili citoskelet.[14][15] Prema svojim primarnim aminokiselinskim sekvencama i biohemijskim svojstvima, brojne GAS superfamilije malih GTPaza dalje su podijeljene u pet potporodica s različitim funkcijama: Ras, Rho ("Ras-homologija"), Rab, Arf i Ran. Iako su mnogo male, GTPaze se aktiviraju njihovim GEF-ovima, kao odgovor na unutarćelijske signale iz receptora ćelijske površine (posebno receptor faktora rasta, regulatorni GEF-ovi za mnoge druge male GTPaze aktiviraju se kao odgovor na vlastite ćelijske signale, a ne na površinu ćelije (vanjsku) signala.

Porodica translacijskih faktoraUredi

Višestruki translacijski faktori GTPaze imaju važnu ulogu u inicijaciji, elongaciji i prekidu biosinteze proteina.[16][17]

Translokacijski faktororiUredi

Za raspravu o faktorima translokacije i ulozi GTP-a, pogledajte čestica prepoznavanja signala (SRP).

Velike GTPazeUredi

Pogledajte dinamin kao prototip za velike monomerne GTPaze.

Također pogledajteUredi

ReferenceUredi

  1. ^ a b c Stouten, PF; Sander, C; Wittinghofer, A; Valencia, A (1993). "How does the switch II region of G-domains work?". FEBS Letters. 320 (1): 1–6. doi:10.1016/0014-5793(93)81644-f. PMID 8462668.
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Gilman, AG (1987). "G proteins: transducers of receptor-generated signals". Annual Review of Biochemistry. 56: 615–649. doi:10.1146/annurev.bi.56.070187.003151. PMID 3113327.
  3. ^ a b c d e f g h i j k l m n o Rodbell, M (1995). "Nobel Lecture: Signal transduction: Evolution of an idea". Bioscience Reports. 15 (3): 117–133. doi:10.1007/bf01207453. PMID 7579038.
  4. ^ a b Berman, DM; Gilman, AG (1998). "Mammalian RGS proteins: barbarians at the gate". Journal of Biological Chemistry. 273 (3): 1269–1272. doi:10.1074/jbc.273.3.1269. PMID 9430654.
  5. ^ Kahn, RA; Gilman, AG (1986). "The protein cofactor necessary for ADP-ribosylation of Gs by cholera toxin is itself a GTP binding protein". Journal of Biological Chemistry. 261 (17): 7906–7911. PMID 3086320.
  6. ^ Sasaki, T; Takai, Y (1998). "The Rho Small G Protein Family-Rho GDI System as a Temporal and Spatial Determinant for Cytoskeletal Control". Biochemical and Biophysical Research Communications. 245 (3): 641–645. doi:10.1006/bbrc.1998.8253. PMID 9588168.
  7. ^ Murugan, AK; Grieco, M; Tsuchida, N (2019). "RAS Mutations in Human Cancers: Roles in Precision Medicine". Seminars in Cancer Biology. 59: 23–35. doi:10.1016/j.semcancer.2019.06.007. PMID 31255772.
  8. ^ Leipe D.D.; Wolf Y.I.; Koonin E.V. & Aravind, L. (2002). "Classification and evolution of P-loop GTPases and related ATPases". J. Mol. Biol. 317 (1): 41–72. doi:10.1006/jmbi.2001.5378. PMID 11916378.
  9. ^ Nogales E, Downing KH, Amos LA, Löwe J (juni 1998). "Tubulin and FtsZ form a distinct family of GTPases". Nat. Struct. Biol. 5 (6): 451–8. doi:10.1038/nsb0698-451. PMID 9628483.
  10. ^ Hurowitz EH, Melnyk JM, Chen YJ, Kouros-Mehr H, Simon MI, Shizuya H (april 2000). "Genomic characterization of the human heterotrimeric G protein alpha, beta, and gamma subunit genes". DNA Research. 7 (2): 111–20. doi:10.1093/dnares/7.2.111. PMID 10819326.
  11. ^ Clapham DE, Neer EJ (1997). "G protein beta gamma subunits". Annual Review of Pharmacology and Toxicology. 37: 167–203. doi:10.1146/annurev.pharmtox.37.1.167. PMID 9131251.
  12. ^ Chen, CA; Manning, DR (2001). "Regulation of G proteins by covalent modification". Oncogene. 20 (13): 1643–1652. doi:10.1038/sj.onc.1204185. PMID 11313912.
  13. ^ Pierce, KL; Premont, RT; Lefkowitz, RJ (2002). "Seven-transmembrane receptors". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 3 (9): 639–650. doi:10.1038/nrm908. PMID 12209124.
  14. ^ a b Takai, Y; Sasaki, T; Matozaki, T (2001). "Small GTP-binding proteins". Physiological Reviews. 81 (1): 153–208. doi:10.1152/physrev.2001.81.1.153. PMID 11152757.
  15. ^ Hall, A (1990). "The cellular functions of small GTP-binding proteins". Science. 249 (4969): 635–640. Bibcode:1990Sci...249..635H. doi:10.1126/science.2116664. PMID 2116664.
  16. ^ Parmeggiani, A; Sander, G (1981). "Properties and regulation of the GTPase activities of elongation factors Tu and G, and of initiation factor 2". Molecular and Cellular Biochemistry. 35 (3): 129–158. doi:10.1007/BF02357085. PMID 6113539.
  17. ^ Gibbs, MR; Fredrick, K (2018). "Roles of elusive translational GTPases come to light and inform on the process of ribosome biogenesis in bacteria". Molecular Microbiology. 107 (4): 445–454. doi:10.1111/mmi.13895. PMC 5796857. PMID 29235176.

Vanjski linkoviUredi