G PROTEINY: STRUKTURA, TYPY A FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Tyto G proteiny, nebo guanin nukleotid vazebné proteiny, proteiny spojené s plazmatické membrány patří do rodiny signálních „spřáhla“ proteiny, které mají důležité funkce v mnoha procesů signální transdukce v eukaryotických organismech.

V literatuře jsou G proteiny popsány jako binární molekulární přepínače, protože jejich biologická aktivita je určena změnami ve struktuře dané nukleotidovými druhy, ke kterým se mohou vázat: guanosinové nukleotidy (difosfát (GDP) a trifosfát (GTP)).

Struktura proteinu Ras, monomerního proteinu G (Zdroj: Mark 'AbsturZ' přes Wikimedia Commons)

Obvykle jsou aktivovány receptory rodiny proteinů známých jako receptory spřažené s G-proteiny (GPCR), které přijímají externí počáteční signál a převádějí je na konformační změny, které spouštějí aktivaci, které je následně převeden do aktivace jiného efektorového proteinu.

Někteří autoři se domnívají, že kódující geny pro tuto rodinu proteinů se vyvinuly duplikací a divergencí společného genu předku, jehož produkt byl stále více a více specializován.

Mezi velké množství buněčných funkcí, které tyto proteiny mají, patří translokace makromolekul během syntézy proteinu, transdukce hormonálních signálů a senzorických podnětů, jakož i regulace buněčné proliferace a diferenciace.

Byly popsány dvě třídy tohoto typu proteinu: malé G proteiny a heterotrimerní G proteiny. První trojrozměrná struktura G proteinu byla odvozena před více než deseti lety z malého G proteinu známého jako Ras.

Struktura

Strukturálně jsou rozeznávány dva typy G proteinů: malé G proteiny a mnohem komplexnější heterotrimerické G proteiny.

Malé G proteiny jsou tvořeny jediným polypeptidem o přibližně 200 aminokyselinových zbytcích a asi 20-40 kDa a ve své struktuře je konzervovaná katalytická doména (G doména) složená z pěti a-helixů, šesti β-složených listů a pět polypeptidových smyček.

Heterotrimerní G proteiny, na druhé straně, jsou integrálními membránovými proteiny, které jsou složeny ze tří polypeptidových řetězců, známých jako a, P a y podjednotky.

-A podjednotka váží mezi 40 a 52 kDa, má vazebnou oblast guaninového nukleotidu a má aktivitu GTPázy k hydrolýze vazeb mezi fosfátovými skupinami GTP.

A-podjednotky různých G proteinů sdílejí některé strukturální domény, jako jsou domény vazby GTP a hydrolýzy, ale ve svých vazebných místech se velmi liší od receptorových a efektorových proteinů.

-P podjednotka má mírně nižší molekulovou hmotnost (mezi 35 a 36 kDa).

- Y podjednotka je na druhé straně mnohem menší a má přibližnou molekulovou hmotnost 8 kDa.

Všechny heterotrimerní G proteiny mají 7 transmembránových domén a sdílejí sekvenční podobnost s P a y doménami. Tyto dvě domény jsou tak silně spojené, že jsou považovány za jednu funkční jednotku.

Typy

Jak je uvedeno výše, existují dva typy G proteinů: malý a heterotrimerický.

Malé G proteiny mají roli v buněčném růstu, sekreci proteinu a intracelulární interakci vezikul. Na druhé straně jsou heterotrimerní G proteiny spojeny s transdukcí signálů z povrchových receptorů a působí také jako přepínače, které se střídají mezi dvěma stavy v závislosti na přidruženém nukleotidu.

Malé G proteiny

Tyto proteiny se také nazývají malé GTPázy, malé proteiny vázající GTP nebo superrodina Ras proteinů a tvoří nezávislou superrodinu v rámci velké třídy hydroláz GTP s regulačními funkcemi.

Tyto proteiny jsou velmi rozmanité a řídí mnoho buněčných procesů. Vyznačují se konzervovanou GTP vázající doménou, „G“ doménou. Vazba tohoto fosfátového nukleotidu způsobuje důležité konformační změny v jejich katalytické doméně v malých G proteinech.

Jeho aktivita je úzce spjata s GTPase Activating Protein (GAP) Activating Protein (GAP) a Guanin Nucleotide Exchange Factor (GEF).

V eukaryotech bylo popsáno pět tříd nebo rodin malých G proteinů:

-Ras

-Rho

-Rab

-Sar1 / Arf

-Běžel

Proteiny Ras a Rho kontrolují expresi genu a proteiny Rho také modulují reorganizaci cytoskeletu. Proteiny skupiny Rab a Sar1 / Arf ovlivňují vezikulární transport a Ran proteiny regulují jaderný transport a buněčný cyklus.

Heterotrimerní G proteiny

Tento typ proteinu si také zaslouží spojení s dalšími dvěma proteinovými faktory, takže signální dráha z vnějšího prostředí do vnitřku buňky je tvořena třemi prvky v následujícím pořadí:

1. Tyto receptory spřažené s G proteiny
2. Tyto G proteiny
3. Tyto proteiny nebo kanály efektory

Existuje velká rozmanitost heterotrimerních G proteinů a to souvisí s velkou rozmanitostí a podjednotek, které existují v přírodě, ve které je zachováno pouze 20% aminokyselinové sekvence.

Heterotrimerní G proteiny jsou obvykle identifikovány díky rozmanitosti a podjednotky, a to hlavně na základě jejich funkční a sekvenční podobnosti.

Podjednotky α se skládají ze čtyř rodin (rodina Gs, rodina Gi / o, rodina Gq a rodina G12). Každá rodina se skládá z jiného „izotypu“, který společně přidává více než 15 různých forem α podjednotek.

G rodina

Tato rodina obsahuje zástupce, kteří se také podílejí na up-regulaci proteinů adenylátcyklázy a je exprimována ve většině typů buněk. Skládá se ze dvou členů: Gs a Golf.

Dolní index „s“ označuje stimulaci a dolní index „olf“ označuje „olfaction“. Golfové proteiny jsou zvláště exprimovány v senzorických neuronech odpovědných za zápach.

G rodina

Toto je největší a nejrozmanitější rodina. Jsou exprimovány v mnoha typech buněk a zprostředkovávají na receptoru závislou inhibici různých typů adenylcyklázy (index „i“ označuje inhibici).

Proteiny s a podjednotkami skupiny Go jsou exprimovány zejména v buňkách centrálního nervového systému a mají dvě varianty: A a B.

G rodina

Proteiny s touto rodinou a-podjednotek jsou zodpovědné za regulaci fosfolipázy C. Tato rodina se skládá ze čtyř členů, jejichž a-podjednotky jsou exprimovány různými geny. Jsou bohaté na jaterní buňky, ledvinové buňky a plíce.

G rodina

Tato rodina je všudypřítomně exprimována v organismech a přesné buněčné procesy regulované proteiny s těmito podjednotkami nejsou s jistotou známy.

Β a γ podjednotky

Přestože rozmanitost alfa struktur je rozhodující pro identifikaci heterotrimerních proteinů, existuje také velká rozmanitost s ohledem na další dvě podjednotky: beta a gama.

Funkce

G proteiny se účastní „směrování“ signálů z receptorů na plazmatické membráně do efektorových kanálů nebo enzymů.

Nejběžnějším příkladem funkce tohoto typu proteinu je regulace enzymu adenylátcyklázy, enzymu zodpovědného za syntézu adenosin 3 ', 5'-monofosfátu nebo jednoduše cyklického AMP, molekuly, která má důležité funkce jako druhý posel v mnoha známých buněčných procesech:

- Selektivní fosforylace proteinů se specifickými funkcemi

-Genetická transkripce

- Reorganizace cytoskeletu

-Vylučování

-Depolarizace membrány

Rovněž se nepřímo účastní regulace signální kaskády inositolů (fosfatidylinositolu a jeho fosforylovaných derivátů), které jsou zodpovědné za řízení procesů závislých na vápníku, jako je chemotaxe a sekreci rozpustných faktorů.

Mnoho iontových kanálů a transportních proteinů je přímo řízeno proteiny z rodiny proteinů G. Podobně se tyto proteiny podílejí mimo jiné na mnoha senzorických procesech, jako je vidění, čich.

Jak fungují?

Způsob interakce G proteinu s efektorovými proteiny je specifický pro každou třídu nebo rodinu proteinů.

V případě G proteinů spojených s membránovým receptorem (heterotrimerní G proteiny), vazba guaninového nukleotidu, jako je GDP nebo guanosin difosfát, k a podjednotce způsobuje spojení tří podjednotek, čímž se vytvoří komplex známý jako Gαγ nebo G-GDP, který je připojen k membráně.

Pokud je molekula GDP následně vyměněna za GTP molekulu, a podjednotka vázaná na GTP se disociuje od podjednotek β a y, čímž se vytvoří samostatný komplex známý jako Ga-GTP, který je schopen změnit aktivitu svých enzymů nebo cílové nosné proteiny.

Hydrolytická aktivita této podjednotky jí umožňuje dokončit aktivaci, vyměnit GTP za nový GDP a přejít na neaktivní konformaci.

V nepřítomnosti excitovaných receptorů, které se sdružují s G proteiny, je tento proces výměny z GDP na GTP velmi pomalý, což znamená, že heterotrimerní G proteiny vyměňují GDP za GTP fyziologicky významnou rychlostí, pokud jsou vázány na své vzrušené receptory.

Reference

1. Gilman, G. (1987). G Proteiny: Převodníky signálů generovaných receptorem. Annual Reviews in Biochemistry, 56, 615-649.
2. Milligan, G., & Kostenis, E. (2006). Heterotrimerní G-proteiny: krátká historie. British Journal of Pharmacology, 147, 546–555.
3. Offermanns, S. (2003). G-proteiny jako převodníky transmembránové signalizace. Pokrok v biofyzice a molekulární biologii, 83, 101–130.
4. Simon, M., Strathmann, MP, & Gautam, N. (1991). Rozmanitost G proteinů v přenosu signálu. Science, 252, 802-808.
5. Syrovatkina, V., Alegre, KO, Dey, R., & Huang, X. (2016). Regulace, signalizace a fyziologické funkce G-proteinů. Journal of Molecular Biology, 428 (19), 3850–3868.