GTPase - GTPase

GTPasen sind eine große Familie von Hydrolase - Enzyme , die binden an das Nucleotid Guanosintriphosphat (GTP) und hydrolysieren es diphosphat (GDP) Guanosin . Die GTP-Bindung und Hydrolyse findet in der hochkonservierten P-Loop- "G-Domäne" statt, einer Proteindomäne , die vielen GTPasen gemeinsam ist.

Funktionen

GTPasen fungieren als molekulare Schalter oder Timer in vielen grundlegenden zellulären Prozessen.

Beispiele für diese Rollen sind:

GTPasen sind aktiv, wenn sie an GTP gebunden sind, und inaktiv, wenn sie an GDP gebunden sind. Im generalisierten Rezeptor-Transducer-Effektor-Signalmodell von Martin Rodbell fungieren Signal-GTPasen als Transducer, um die Aktivität von Effektorproteinen zu regulieren. Dieser inaktiv-aktive Schalter ist auf Konformationsänderungen des Proteins zurückzuführen, die diese beiden Formen unterscheiden, insbesondere der "Schalter"-Regionen, die im aktiven Zustand Protein-Protein-Kontakte mit Partnerproteinen herstellen können, die die Funktion dieser Effektoren verändern.

Mechanismus

Die Hydrolyse von GTP, das an eine (aktive) G-Domänen-GTPase gebunden ist, führt zur Deaktivierung der Signal-/Timerfunktion des Enzyms. Die Hydrolyse des dritten (γ) Phosphats von GTP zu Guanosindiphosphat (GDP) und P i , anorganisches Phosphat , erfolgt nach dem S N 2 -Mechanismus (siehe nukleophile Substitution ) über einen fünfwertigen Übergangszustand und ist abhängig von der Anwesenheit von a Magnesium - Ionen Mg 2+ .

Die GTPase-Aktivität dient als Abschaltmechanismus für die Signalfunktionen von GTPasen, indem sie das aktive, GTP-gebundene Protein in den inaktiven, GDP-gebundenen Zustand zurückführt. Die meisten "GTPasen" haben eine funktionelle GTPase-Aktivität, die es ihnen ermöglicht, nur für kurze Zeit aktiv (dh an GTP gebunden) zu bleiben, bevor sie sich selbst deaktivieren, indem sie gebundenes GTP in gebundenes GDP umwandeln. Viele GTPasen verwenden jedoch auch akzessorische Proteine, die als GTPase-aktivierende Proteine oder GAPs bezeichnet werden, um ihre GTPase-Aktivität zu beschleunigen. Dies schränkt die aktive Lebensdauer von Signalisierungs-GTPasen weiter ein. Einige GTPasen haben wenig bis gar keine intrinsische GTPase-Aktivität und sind zur Deaktivierung vollständig von GAP-Proteinen abhängig (wie der ADP-Ribosylierungsfaktor oder die ARF-Familie kleiner GTP-bindender Proteine, die am Vesikel-vermittelten Transport innerhalb von Zellen beteiligt sind).

Um aktiviert zu werden, müssen GTPasen an GTP binden. Da Mechanismen zur direkten Umwandlung von gebundenem GDP in GTP unbekannt sind, werden die inaktiven GTPasen durch die Wirkung verschiedener regulatorischer Proteine, die Guaninnukleotid-Austauschfaktoren oder GEFs genannt werden, zur Freisetzung von gebundenem GDP induziert . Das nukleotidfreie GTPase-Protein bindet schnell GTP, das in gesunden Zellen gegenüber GDP weit im Überschuss vorhanden ist, wodurch die GTPase in den aktiven Konformationszustand eintreten und ihre Wirkung auf die Zelle fördern kann. Für viele GTPasen ist die Aktivierung von GEFs der primäre Kontrollmechanismus bei der Stimulation der GTPase-Signalisierungsfunktionen, obwohl auch GAPs eine wichtige Rolle spielen. Bei heterotrimeren G-Proteinen und vielen kleinen GTP-bindenden Proteinen wird die GEF-Aktivität durch Zelloberflächenrezeptoren als Reaktion auf Signale außerhalb der Zelle stimuliert (bei heterotrimeren G-Proteinen sind die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren selbst GEFs, während bei rezeptoraktivierten kleinen GTPasen ihre GEFs unterscheiden sich von Zelloberflächenrezeptoren).

Einige GTPasen binden auch an akzessorische Proteine, die als Guaninnukleotiddissoziationsinhibitoren oder GDIs bezeichnet werden und den inaktiven, GDP-gebundenen Zustand stabilisieren.

Die Menge an aktiver GTPase kann auf verschiedene Weise verändert werden:

  1. Die Beschleunigung der GDP-Dissoziation durch GEFs beschleunigt die Akkumulation aktiver GTPase.
  2. Die Hemmung der GDP-Dissoziation durch Guaninnukleotid-Dissoziationsinhibitoren (GDIs) verlangsamt die Akkumulation der aktiven GTPase.
  3. Die Beschleunigung der GTP-Hydrolyse durch GAPs verringert die Menge an aktiver GTPase.
  4. Künstliche GTP-Analoga wie GTP-γ-S , β,γ-Methylen-GTP und β,γ-Imino-GTP , die nicht hydrolysiert werden können, können die GTPase in ihrem aktiven Zustand sperren.
  5. Mutationen (wie solche, die die intrinsische GTP-Hydrolyserate reduzieren) können die GTPase im aktiven Zustand sperren, und solche Mutationen in der kleinen GTPase-Ras sind bei einigen Krebsarten besonders häufig.

G-Domain GTPases

Bei den meisten GTPasen wird die Spezifität für die Base Guanin gegenüber anderen Nukleotiden durch das Basenerkennungsmotiv vermittelt, das die Konsensussequenz [N/T]KXD aufweist. Die folgende Klassifizierung basiert auf gemeinsamen Merkmalen; einige Beispiele weisen Mutationen im Basenerkennungsmotiv auf, die ihre Substratspezifität verschieben, am häufigsten zu ATP.

TRAFAC-Klasse

Die TRAFAC-Klasse der G-Domänen-Proteine ​​ist nach dem prototypischen Mitglied, den Translationsfaktor-G-Proteinen, benannt. Sie spielen eine Rolle bei der Translation, der Signalübertragung und der Zellmotilität.

Übersetzungsfaktor Superfamilie

Mehrere GTPasen der klassischen Translationsfaktorfamilie spielen eine wichtige Rolle bei der Initiation , Elongation und Beendigung der Proteinbiosynthese . Die bekanntesten Mitglieder der Familie sind EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G und Klasse-2- Freisetzungsfaktoren , die aufgrund der β-EI-Domäne nach der GTPase eine ähnliche Art der Ribosomenbindung teilen . Andere Mitglieder sind EF-4 (LepA), BipA (TypA), SelB (bakterielle Selenocysteinyl-tRNA EF-Tu paralog), Tet ( Tetracyclinresistenz durch ribosomalen Schutz) und HBS1L (eukaryotisches Ribosomen-Rettungsprotein ähnlich Freisetzungsfaktoren).

Zur Superfamilie gehört auch die Bms1-Familie aus Hefe.

Ras-ähnliche Superfamilie

Heterotrimere G-Proteine

Heterotrimere G-Proteinkomplexe bestehen aus drei verschiedenen Proteinuntereinheiten, die als Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ) Untereinheiten bezeichnet werden . Die Alpha-Untereinheiten enthalten die GTP-Bindungs-/GTPase-Domäne, flankiert von langen regulatorischen Regionen, während die Beta- und Gamma-Untereinheiten einen stabilen dimeren Komplex bilden, der als Beta-Gamma-Komplex bezeichnet wird . Bei Aktivierung dissoziiert ein heterotrimeres G-Protein in eine aktivierte, GTP-gebundene Alpha-Untereinheit und eine separate Beta-Gamma-Untereinheit, die jeweils unterschiedliche Signalfunktionen erfüllen können. Die α- und -Untereinheit werden durch Lipidanker modifiziert , um ihre Assoziation mit dem inneren Segel der Plasmamembran zu verstärken.

Heterotrimere G-Proteine ​​fungieren als Transducer von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren und koppeln die Rezeptoraktivierung an nachgeschaltete Signaleffektoren und Second Messenger . In nicht stimulierten Zellen werden heterotrimeren G - Proteine , wie das GDP gebunden montiert, inaktive Trimer (G α -GDP-G βγ - Komplex). Bei der Rezeptoraktivierung wirkt die aktivierte intrazelluläre Domäne des Rezeptors als GEF, um GDP aus dem G-Proteinkomplex freizusetzen und an seiner Stelle die Bindung von GTP zu fördern. Der GTP-gebundene Komplex erfährt eine aktivierende Konformationsverschiebung, die ihn vom Rezeptor dissoziiert und auch den Komplex in seine Komponenten G-Protein-Alpha- und Beta-Gamma-Untereinheitskomponenten zerlegt. Während diese aktivierten G-Protein-Untereinheiten nun ihre Effektoren frei aktivieren können, kann der aktive Rezeptor ebenfalls weitere G-Proteine ​​aktivieren – dies ermöglicht eine katalytische Aktivierung und Amplifikation, bei der ein Rezeptor viele G-Proteine ​​aktivieren kann.

Die G-Protein-Signalgebung wird durch Hydrolyse von gebundenem GTP zu gebundenem GDP beendet. Dies kann durch die intrinsische GTPase-Aktivität der α-Untereinheit erfolgen oder durch separate regulatorische Proteine ​​beschleunigt werden, die als GTPase-aktivierende Proteine (GAPs) fungieren , wie beispielsweise Mitglieder der Regulator of G Protein Signaling (RGS)-Familie). Die Geschwindigkeit der Hydrolysereaktion wirkt als interne Uhr, die die Länge des Signals begrenzt. Sobald G α wieder GDP-gebunden ist, assoziieren die beiden Teile des Heterotrimers wieder mit dem ursprünglichen, inaktiven Zustand.

Die heterotrimeren G-Proteine ​​können nach Sequenzhomologie der α-Einheit und nach ihren funktionellen Zielen in vier Familien eingeteilt werden: G s -Familie, G i -Familie, G q -Familie und G 12 -Familie. Jede dieser G &agr; -Proteinfamilien enthält mehrere Mitglieder, so dass die Säugetiere 16 verschiedene & agr ; -Untereinheitsgene aufweisen. Die G β und G & ggr ebenfalls von vielen Mitgliedern besteht, Heterotrimers strukturelle und funktionelle Vielfalt zu erhöhen. Zu den Zielmolekülen der spezifischen G-Proteine ​​zählen die Second-Messenger-generierenden Enzyme Adenylylcyclase und Phospholipase C sowie verschiedene Ionenkanäle .

Kleine GTPas

Kleine GTPasen fungieren als Monomere und haben ein Molekulargewicht von etwa 21 Kilodalton, das hauptsächlich aus der GTPase-Domäne besteht. Sie werden auch als kleine oder monomere Guaninnukleotid-bindende Regulationsproteine, kleine oder monomere GTP-bindende Proteine ​​oder kleine oder monomere G-Proteine ​​bezeichnet, und da sie eine signifikante Homologie mit dem zuerst identifizierten solchen Protein namens Ras aufweisen , sind sie auch als Ras-Superfamilien- GTPasen bezeichnet. Kleine GTPasen dienen im Allgemeinen als molekulare Schalter und Signaltransducer für eine Vielzahl von zellulären Signalübertragungsereignissen, die häufig Membranen, Vesikel oder Zytoskelett betreffen. Entsprechend ihrer primären Aminosäuresequenzen und biochemischen Eigenschaften werden die vielen kleinen GTPasen der Ras-Superfamilie weiter in fünf Unterfamilien mit unterschiedlichen Funktionen unterteilt: Ras , Rho ("Ras-Homologie"), Rab , Arf und Ran . Während viele kleine GTPasen durch ihre GEFs als Reaktion auf intrazelluläre Signale aktiviert werden, die von Zelloberflächenrezeptoren (insbesondere Wachstumsfaktorrezeptoren ) ausgehen, werden regulatorische GEFs für viele andere kleine GTPasen als Reaktion auf intrinsische Zellsignale aktiviert, nicht auf Zelloberflächensignale (extern).

Myosin-Kinesin-Superfamilie

Diese Klasse ist durch den Verlust von zwei Beta-Strängen und zusätzlichen N-terminalen Strängen definiert. Beide Namensgeber dieser Superfamilie, Myosin und Kinesin , haben sich auf ATP umgestellt.

Große GTPas

Sehen Sie Dynamin als Prototyp für große monomere GTPasen.

SIMIBI-Klasse

Ein Großteil der SIMIBI-Klasse von GTPasen wird durch Dimerisierung aktiviert. Benannt nach den Signalerkennungspartikeln (SRP), MinD und BioD, ist die Klasse an der Proteinlokalisierung, der Chromosomenpartitionierung und dem Membrantransport beteiligt. Mehrere Mitglieder dieser Klasse, einschließlich MinD und Get3, haben sich in ihrer Substratspezifität zu ATPasen verschoben.

Translokationsfaktoren

Für eine Diskussion der Translokationsfaktoren und der Rolle von GTP siehe Signalerkennungspartikel (SRP).

Andere GTPas

Während Tubulin und verwandte Strukturproteine ​​als Teil ihrer Funktion auch GTP binden und hydrolysieren, um intrazelluläre Tubuli zu bilden, verwenden diese Proteine ​​eine unterschiedliche Tubulindomäne , die nicht mit der G-Domäne verwandt ist, die durch die Signalgebung von GTPasen verwendet wird.

Es gibt auch GTP-hydrolysierende Proteine, die eine P-Schleife aus einer anderen Superklasse als der G-Domäne enthaltenden verwenden. Beispiele sind die NACHT- Proteine ​​seiner eigenen Superklasse und das McrB-Protein der AAA+ -Superklasse.

Siehe auch

Verweise

Externe Links