G-білки та їх функція

Зміст

З історії відкриття С-білків. 8

Структура та властивості. 8

Зв'язок із мембраною. 9

Стуктурно-функціональна організація G-білків. 9

Класифікація за чутливістю до токеїнів. 10

Сполучення з ефекторними системами. 10

Регулювання активності G-білків. 11

Аденілатциклазна система. 17

Вплив бактеріальних токсинів на активність аденілатциклази (АДФ-рибозилювання G-білків) 20

Інозітолфосфатна система. 21

Участь білка кальмодуліну в инозитолфосфатной передачі сигналу. 22

Саморегуляція системи.. 23

α-субодиниця: загальні властивості. 23

β та γ субодиниці: загальна характеристика. 24

G-білки: βγ-субодиниці.

ГТФ-зв'язуючі білки утворюють два основні сімейства G-білків та низькомолекулярних ГТФ-зв'язувальних білків. 28

Сигнальні G-білки є універсальними посередниками при передачі гормональних сигналів від рецепторів клітинної мембрани до ефекторних білків, що викликає кінцеву клітинну відповідь. Коли семидоменна рецепторна молекула, локалізована в мембрані сенсорної клітини, активується певними змінами у зовнішньому середовищі, вона зазнає конформаційних змін. Останні детектуються

G-білками пов'язаними з мембраною, які, своєю чергою, активують ефекторні молекули в мембрані. Часто це призводить до виділення вторинних месенджерів у цитозоль.

Вони є об'єктом інтенсивного вивчення у зв'язку з їх участю у багатьох важливих фізіологічних процесах. G-білки, що беруть участь у передачі сигналу, є членами великої надродини гуанін-зв'язуючих білків. G-білки - це прецизійні регулятори, що включають або вимикають активність інших молекул.

Приблизно 80% первинних месенджерів (гормони, нейротрансмітери, нейромодулятори) взаємодіють зі специфічними рецепторами, пов'язані з ефекторами через G-білки.

G-білки – білки, що зв'язують гуанозинові нуклеотиди. G-білки, асоційовані з рецепторами, пов'язані з мембраною. У неактивному стані пов'язані з GDР. При зв'язуванні рецептора з лігандом ГДФ заміщається на ГТФ, у результаті відбувається активація. Процес цей порівняно повільний, що протікає протягом секунд – десятків секунд.

G-білки біологічних мембран мають гетеротримерну структуру. Вони складаються з великої α-субодиниць (близько 45 кілодальтон - кДа), а також менших β і γ-субодиниць, α-субодиниця має ГТФ-азну активність, у неактивній (вимкненій) формі вона пов'язує молекулу ГДФ на активному сайті. Субодиниці β і γ пов'язані між собою, і у фізіологічних умовах не можуть бути дисоційовані. У неактивному стані β-комплекс неміцно пов'язаний з α-субодиницею. γ-субодиниця пов'язана з цитоплазматичним листком біологічної мембрани гераніл-гераніловим ланцюгом (20 атомів вуглецю в ланцюгу), близьким за структурою до холестерину. α-субодиниця також пов'язана з мембраною жирною кислотою з довжиною ланцюга в 14 атомів вуглецю (миристоєва кислота). Такі зв'язки забезпечують те, що комплекс G-білка утримується у площині мембрани, але водночас здатний легко рухатися у цій площині. Легко собі уявити, як весь комплекс G-білка з приєднаним ГДФ переміщається в площині мембрани під дією теплових сил, два сімейства білків - гетеротримерні гуанозиннуклеотид зв'язуючі білки (G-білки) і віддалено споріднені з ним гуанозинтрифосфатази (ГТФ-ази) та активувати наступні компоненти передачі сигналу від поверхніклітини. Малі ГТФ-ази беруть участь у контролі фундаментальних властивостей клітини – полярності форми та процесів поділу та диференціювання. G-білки зазвичай регулюють більш спеціалізовані сигнали – продукцію вторинних месенджерів. І ті й інші здатні гідролізувати GTР і в такий спосіб вимикати сигнал.

Оскільки β- та γ-субодиниці G-білків надзвичайно консервативні, G-білки прийнято розрізняти за їх α-субодиницями. Крім ГТФ-зв'язуючого мотиву, кожна послідовність Gальфа містить як мінімум один центр зв'язування дивалентних катіонів, а також сайти ковалентної модифікації бактеріальними токсинами, що каталізують NAD-залежні АДФ-рибозилтрансферазні реакції. G-білки, що стимулюють аденілатциклазу (Gs) або беруть участь у фототрансдукції (Gt, трансдуцин) служать субстратами для АДФ-рибозилювання, що каталізується холерним токсином по одному із залишків аргініну, що призводить до блокування деактивації цих білків. Gs, G-білок, що інгібує аденілатциклазу, (Gi) і G-білок з поки що невідомою функцією (Go) АДФ-рибозилуються коклюшним токсином по залишку цистеїну, розташованому біля С-кінця. Ця модифікація перешкоджає взаємодії між G-білком та рецепторами. Визначено послідовність G-білка щура (Gx), який виявився нечутливим до коклюшного токсину.

G-білки – це регуляторні білки, що пов'язують при активації ГТФ. Найкраще вивчені G-білки, що стимулюють та інгібують аденілатциклазу (Gs - білки та Gi-білки відповідно). βı – адренорецептори, β2 – адренорецептори та D1 рецептори пов'язані з білком Gs, і тому стимуляція цих рецепторів супроводжується активацією аденілатциклази та підвищенням внутрішньоклітинної концентрації цАМФ – класичного другого (внутрішньоклітинного) посередника. Кінцева відповідь у різних клітинах різна і залежитьвід того, що являє собою ефекторні фрагменти (фермент, іонний канал та ін.) α2–адренорецептори, М2-холінорецептори та D2-рецептори пов'язані з білком Gi, і стимуляція цих рецепторів призводить до зниження активності аденілатциклази та внутрішньоклітинної концентрації цАМФ. Зміни активності ферментів та інших внутрішньоклітинних білків і, відповідно, клітинних функцій протилежні тим, що спостерігаються при активації білка Gs. α1-адренорецептори (як і М1-холінорецептори), мабуть, пов'язані з іншим, поки що мало вивченим типом G-білка. Цей білок іноді позначають Gq. Він активує фосфоліпазу С, що каталізує розпад мембранних фосфоліпідів, зокрема - фосфатидилінозитол-4,5-дифосфату до ІЗФ та ДГА. Обидві ці речовини є вторинними посередниками.

Зв'язування агоніста (гормону, нейромедіатора та ін.) з відповідним рецептором призводить до білок-білкової взаємодії між рецептором та G-білком та прискорює дисоціацію ГДФ. В результаті утворюється короткоживучий комплекс агоніст - рецептор - G-білок, не пов'язаний з жодним нуклеотидом. Зв'язування з цим комплексом молекули ГТФ знижує спорідненість рецептора до G-білка, що призводить до дисоціації комплексу та вивільнення рецептора. Потенційно рецептор може активувати велику кількість молекул G-білка, забезпечуючи таким чином високий коефіцієнт посилення позаклітинного сигналу на даному етапі. Активована α-субодиниця G-білка дисоціює від βγ-субодиниць і вступає у взаємодію з відповідним ефектором, надаючи на нього активуючу або інгібуючу дію.

α-субодиниця з приєднаним з нею ГТФ здатна взаємодіяти з ефектором у мембрані - ферментами, такими як аденілатциклаза, або, можливо, іонними каналами. Фермент може активуватися абоінгібуватися, а іонний канал - відкриватися чи закриватися. Конкретні приклади будуть розглянуті у наступних розділах. Взаємодія з ефектором, проте, триває доти, доки α - субодиниця, що є ГТФазою, утримує ГТФ. Отже, незабаром приєднаний ГТФ гідролізується до ГДФ. Коли це відбувається, α - субодиниця знову змінює свою конформацію і втрачає здатність активувати ефектор. Після цього α-ГДФ взаємодіє з βγ-комплексом і знову утворює тривимірний комплекс, завершуючи таким чином цикл. Припускають також, що комплекс із βγ-субодиниць теж може (прямо чи опосередковано) впливати на ефекторні ферменти.

Такими ферментами є аденілатциклаза, фосфоліпаза С. G-білки також регулюють роботу К і Са²+-іонних каналів, До G-білків відносяться поліпептид Gs, що стимулює аденілатциклазу і регулює Са²+-іонні канали, поліпептид Gi, інгібуючий аденілатцикла -канали в клітинах тканин мозку, Gt, трансдуцин, що бере участь у передачі світлового сигналу, Golf специфічний білок нюхових вій і ін.

Згодом ГТФ, пов'язаний з α-субодиницею G-білка, піддається гідролізу, причому ферментом, що каталізує цей процес, є α-субодиниця. Це призводить до дисоціації α-субодиниці від ефектора та реасоціації комплексу α-ГДФ з βγ - субодиницями. Спонтанна активація G-білка, пов'язаного з ГДФ – дуже малоймовірний процес.

Цей же механізм лежить в основі гормональної регуляції фосфоінозітідспецифічної фосфоліпази С і фосфоліпаза А2. Крім того, було показано, що G-білки можуть безпосередньо активувати іонні канали.

Лімітуючою стадією процесу відновленнявихідного стану G-білка є швидкість дисоціації ГДФ від α-субодиниці G-білка. Швидкість дисоціації збільшується при взаємодії G-білок-ГДФ з агоністом рецептором. Зв'язування ГТФ G-білком призводить, очевидно, до утворення комплексу агоніст-рецептор-G-білок. Аналог GТР-СТР-γ-S та Мg2+ посилює дисоціацію α-субодиниці з тримера G-білка. Однак слід зауважити, що каталітична субодиниця аденілатциклази з мембран мозку бика хроматографічно співочисується з α- та β-субодиницями Gs-білка і питання дисоціації α-субодиниць з тримера G-білка для активації ефектора потребує уточнення.

G-білки виявляють значний поліморфізм. Кожна з форм субодиниць G-білка високогомологічна за структурою, близька за функціями, але відрізняється молекулярною масою та електрофоретичною рухливістю. Особливо широкий поліморфізм і найбільш вивчений для αs та αiG-білків. Так з мозку людини виділено 11 форм ДНК, відповідальних за синтез αs-субодиниць, чотири види яких клоновані і, передбачається, що вони визначають синтез чотирьох ізоформ αs, у мозку людини. Для αi знайдено, в основному, три ізоформи αi1, αi2, αi3. Молекулярні маси ізоформи αs знаходяться в межах 42-55 кДа, а αi39-41 кДа. Розподіл молекулярних варіантів αi носить тканинноспецифічний характер: αi1 представлена в основному в мозку, αi2 виявлена в нервовій тканині та в клітинах крові, αi3 представлена в периферичних тканинах і відсутня в мозку. Розподіл генів, що кодують синтез трьох ізоформ αi по тканинах, приблизно збігається в ряду: людини, бик, щур, миша. Визначення амінокислотної послідовності αi та αs показало, що ізоформи αs або αi розрізняються в області С - і N - кінцевої послідовності, що зв'язуються з рецептором або ефектором. Передбачається, що поліморфізмα-субодиниць визначається різноманіттям рецепторів та їх підтипів та різноманітністю ефекторних систем.