G-белки и их функция

Рефераты по биологии » G-белки и их функция Скачать

Содержание

Введение. 2

Из истории открытия С-белков. 8

Структура и свойства. 8

Связь с мембраной. 9

Стуктурно-функциональная организация G-белков. 9

Классификация по чувствительности к токеинам.. 10

Сопряжение с эффекторными системами. 10

Регуляция активности G-белков. 11

Аденилатциклаза. 12

Фосфолипазы.. 13

Протеинкиназы.. 14

Фосфодиэстеразы.. 16

Аденилатциклазная система. 17

Влияние бактериальных токсинов на активность аденилатциклазы (АДФ-рибозилирование G-белков) 20

Инозитолфосфатная система. 21

Участие белка кальмодулина в инозитолфосфатной передаче сигнала. 22

Саморегуляция системы.. 23

α-субъединица: общие свойства. 23

β и γ субъединицы: общая характеристика. 24

G-белки: βγ-субъединицы.. 25

ГТФ-связывающие белки образуют два основных семейства G-белков и низкомолекулярных ГТФ-связывающих белков. 28

Литература. 30


Введение

Сигнальные G-белки являются универсальными посредниками при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам вызывающим конечный клеточный ответ. Когда семидоменная рецепторная молекула локализованная в мембране сенсорной клетки активируется какими-то изменениями во внешней среде она претерпевает конформационные изменения. Последние детектируются

G-белками связанными с мембраной которые в свою очередь активируют эффекторные молекулы в мембране. Часто это приводит к выделению вторичных мессенджеров в цитозоль.

Они являются объектом интенсивного изучения в связи с их участием во многих важных физиологических процессах. G-белки участвующие в передаче сигнала являются членами большого надсемейства гуанин-связывающих белков. G–белки - это прецизионные регуляторы включающие или выключающие активность других молекул.

Примерно 80% первичных мессенджеров (гормоны нейротрансмиттеры нейромодуляторы) взаимодействуют со специфическими рецепторами которые связаны с эффекторами через G-белки.

G-белки - белки связывающие гуанозиновые нуклеотиды. G-белки ассоциированные с рецепторами связаны с мембраной. В неактивном состоянии они связаны с GDР. При связывании рецептора с лигандом ГДФ замещается на ГТФ в результате чего происходит активация. Процесс этот сравнительно медленный протекающий в течение секунд - десятков секунд.

G-белки биологических мембран имеют гетеротримерную структуру. Они состоят из большой α-субъединиц (около 45 килодальтон - кДа) а также меньших β и γ-субъединиц α-субъединица обладает ГТФ-азной активностью в неактивной (выключенной) форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы β и γ связаны между собой и в физиологических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоянии βγ-комплекс непрочно связан с α-субъединицей. γ-субъединица связана с цитоплазматическим листком биологической мембраны геранил-гераниловой цепью (20 атомов углерода в цепи) близкой по структуре к холестерину. α-субъединица также связана с мембраной жирной кислотой с длиной цепи в 14 атомов углерода (миристоевая кислота). Такие связи обеспечивают то что комплекс G-белка удерживается в плоскости мембраны но в то же время способен легко двигаться в этой плоскости. Легко себе представить как весь комплекс G-белка с присоединенным ГДФ перемещается в плоскости мембраны под действием тепловых сил два семейства белков - гетеротримерные гуанозиннуклеотид связывающие белки (G-белки) и отдаленно родственные им гуанозинтрифосфатазы (ГТФ-азы) при связывании ГТФ могут включаться и активировать последующие компоненты передачи сигнала от поверхности клетки. Малые ГТФ-азы участвуют в контроле фундаментальных свойств клетки - полярности формы и процессов деления и дифференцировки. G-белки обычно регулируют более специализированные сигналы - продукцию вторичных мессенджеров. И те и другие способны гидролизовать GTР и таким образом выключать сигнал.

Поскольку β - и γ-субъединицы G-белков чрезвычайно консервативны G-белки принято различать по их α-субъединицам. Кроме ГТФ-связывающего мотива каждая последовательность Gальфа содержит как минимум один центр связывания дивалентных катионов а также сайты ковалентной модификации бактериальными токсинами катализирующими NAD-зависимые АДФ-рибозилтрансферазные реакции. G-белки стимулирующие аденилатциклазу (Gs) или участвующие в фототрансдукции (Gt трансдуцин) служат субстратами для АДФ-рибозилирования катализируемого холерным токсином по одному из остатков аргинина что приводит к блокированию деактивации этих белков. Gs G-белок ингибирующий аденилатциклазу (Gi) и G-белок с пока еще неизвестной функцией (Go) АДФ-рибозилируются коклюшным токсином по остатку цистеина расположенному у С-конца. Эта модификация препятствует взаимодействию между G-белком и рецепторами. Определена последовательность G-белка крысы (Gx) который оказался нечувствительным к коклюшному токсину.

G-белки - это регуляторные белки связывающие при активации ГТФ. Лучше всего изучены G-белки стимулирующие и ингибирующие аденилатциклазу (Gs - белки и Gi-белки соответственно). βı - адренорецепторы β2 - адренорецепторы и D1 рецепторы сопряжены с белком Gs и поэтому стимуляция этих рецепторов сопровождается активацией аденилатциклазы и повышением внутриклеточной концентрации цАМФ - классического второго (внутриклеточного) посредника. Конечный ответ в разных клетках различен и зависит от того что представляет собой эффекторные фрагменты (фермент ионный канал и пр) α2– адренорецепторы М2-холинорецепторы и D2-рецепторы сопряжены с белком Gi и стимуляция этих рецепторов приводит к снижению активности аденилатциклазы и внутриклеточной концентрации цАМФ. Изменения активности ферментов и других внутриклеточных белков и соответственно клеточных функций при этом противоположны тем что наблюдаются при активации белка Gs. α1-адренорецепторы (как и М1-холинорецепторы) видимо сопряжены с другим пока еще мало изученным типом G-белка. Этот белок иногда обозначают Gq. Он активирует фосфолипазу С катализирующую распад мембранных фосфолипидов в частности - фосфатидилинозитол-4 5-дифосфата до ИЗФ и ДГА. Оба эти вещества являются вторичными посредниками.

Связывание агониста (гормона нейромедиатора и др.) с соответствующим рецептором приводит к белок-белковому взаимодействию между рецептором и G-белком и ускоряет диссоциацию ГДФ. В результате образуется короткоживущий комплекс агонист - рецептор - G-белок не связанный ни с каким нуклеотидом. Связывание с этим комплексом молекулы ГТФ снижает сродство рецептора к G-белку что приводит к диссоциации комплекса и высвобождению рецептора. Потенциально рецептор может активировать большое количество молекул G-белка обеспечивая таким образом высокий коэффициент усиления внеклеточного сигнала на данном этапе. Активированная α-субъединица G-белка диссоциирует от βγ-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие.

α-субъeдиница с присоединенным с ней ГТФ способна взаимодействовать с эффектором в мембране - ферментами такими как аденилатциклаза или возможно ионными каналами. Фермент может активироваться или ингибироваться а ионный канал - открываться или закрываться. Конкретные примеры будут рассмотрены в последующих разделах. Взаимодействие с эффектором однако длится до тех пор пока α - субъединица являющаяся ГТФазой удерживает ГТФ. Так что очень вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит α - субъединица снова меняет свою конформацию и теряет способность активировать эффектор. После этого α-ГДФ взаимодействует с βγ-комплексом и снова образует тримерный комплекс завершая таким образом цикл. Предполагают также что комплекс из βγ-субъединиц тоже может (прямо или опосредованно) влиять на эффекторные ферменты.

Такими ферментами являются аденилатциклаза фосфолипаза С. G-белки также регулируют работу К и Са²+-ионных каналов К G-белкам относятся полипептид Gs стимулирующий аденилатциклазу и регулирующий Са²+-ионные каналы полипептид Gi ингибирующий аденилатциклазу и регулирующий К+-каналы в клетках тканей мозга Gt трансдуцин участвующий в передаче светового сигнала Golf специфичный белок обонятельных ресничек и др. Все G-белки являются гетеротримерами состоящими из субъединиц α β‚ и γ в порядке уменьшения молекулярной массы.

Впоследствии ГТФ связанный с α-субъединицей G-белка подвергается гидролизу причем ферментом катализирующим этот процесс является сама α-субъединиц. Это приводит к диссоциации α-субъединицы от эффектора и реассоциации комплекса α-ГДФ с βγ - субъединицами. Спонтанная активация G-белка связанного с ГДФ - весьма маловероятный процесс.

Этот же механизм лежит в основе гормональной регуляции фосфоинозитидспецифичной фосфолипазы С и фосфолипаза А2. Кроме того было показано что G-белки могут непосредственно активировать ионные каналы.

Лимитирующей стадией процесса восстановления исходного состояния G-белка является скорость диссоциации ГДФ от α-субъединицы G-белка. Скорость диссоциации увеличивается при взаимодействии G-белок-ГДФ с агонистсвязанным рецептором. Связывание ГТФ G-белком приводит очевидно к образованию комплекса агонист-рецептор-G-белок. Аналог GТР-СТР-γ-S и Мg2+ усиливает диссоциацию α-субъединицы из тримера G-белка. Однако следует заметить что каталитическая субъединица аденилатциклазы из мембран мозга быка хроматографически соочищается с α - и β-субъединицами Gs-белка и вопрос диссоциации α-субъединиц из тримера G-белка для активации эффектора требует уточнения.

G-белки проявляют значительный полиморфизм. Каждая из форм субъединиц G-белка высокогомологична по структуре близка по функциям но отличается молекулярной массой и электрофоретической подвижностью. Особенно широк полиморфизм и наиболее изучен для αs и αi G-белков. Так из мозга человека выделено 11 форм ДНК ответственных за синтез αs-субъединиц четыре вида которых клонированы и предполагается что они определяют синтез четырех изоформ αs в мозге человека. Для αi найдены в основном три изоформы αi1 αi2 αi3. Молекулярные массы изоформы αs находятся в пределах 42-55 кДа а αi 39-41 кДа. Распределение молекулярных вариантов αi носит тканеспецифический характер: αi1 представлена в основном в мозге αi2 обнаружена в нервной ткани и в клетках крови αi3 представлена в периферических тканях и отсутствует в мозге. Распределение генов кодирующих синтез трех изоформ αi по тканям примерно совпадает в ряду: человека бык крыса мышь. Определение аминокислотной последовательности αi и αs показало что изоформы αs или αi различаются в области С - и N - концевой последовательности связывающихся с рецептором или эффектором. Предполагается что полиморфизм α-субьединиц определяется многообразием рецепторов и их подтипов и разнообразием эффекторных систем.

αi-субъединицы Gi кодируются тремя различными структурными генами. Что касается изоформ α-субъединиц Gs-белков то пока неясно кодируются ли изоформы разными структурными генами или это продукт одного гена с последующим внутренним альтернативным сплайсингом исходного РНК-транскрипта или множественность их результат посттрансляционной модификации. В настоящее время известно 9 структурных генов кодирующих G-белки и 12 продуктов этих генов.


Из истории открытия С-белков

1. 1971г. - впервые показана необходимость ГТФ для стимуляции аденилатциклазы глюкагоном.

2. 1981г. - выделен белок Gt-трансдуцин связывающий родопсин с фосфодиэстеразой с ГТФ фоторецепторов.

З. 1983г - выделен ГТФ-связываюший белок Gs сопрягающий стимулирующие рецепторы с аденилатциклазой.

4. 1985-1988гт - показано что фосфолипаза С и фосфолипаза А2 регулируются гормонами и нейротрансмиттерами через Gp-белки.

5. В настоящее время G-белки разделены на несколько типов: четыре Gs три Gi Go Gz/x (центральная нервная система и селезенка) Gt (трансдуцин) Golf (обонятельные нейроэпителиальные клетки).

Структура и свойства

1. G-белки - гетеротримеры в которых α-субъединица непрочно связана с димером β-γ.

2. Все известные α-субъединицы (мол. масса – 50кДа) гомологичны и у большинства из них одинаковые (или очень сходные) b-субъединицы (мол. масса З5кДа) и γ-субъединицы (мол. масса 8кДа).

З. α-субъединица определяет специфичность связывания G-белка с рецептором и эффектором уникальна для каждого G-белка.

4. α-субъединица связывает и гидролизует ГТФ (ГТФ-аза).

5. α-субъединица содержит высоко консервативный домен связывания и гидролиза ГТФ (18 аминокислот из 350-395).

6. Выявлены участки связывания гуаниновых нуклеотидов и участки взаимодействия с рецепторами (С-конец) и βγ-димерами (N-конец).

7. Выявлены участки АDР-рибозилирования (аргинин-202) при действии холерного токсина и коклюшного токсина.

Связь с мембраной

G-белки локализованы на внутренней поверхности плазматической мембраны. Первичная структура всех субъединиц G-белков не содержит гидрофобных пронизывающих мембрану доменов.

1. Ассоциации G-белков с мембраной содействует ацилирование жирнокислотными радикалами. Выявлено два типа липидных модификаций субъединиц G-белков: миристоилирование и изопренилирование белковой цепи.

2. Показано для α-субъединиц Go - и Gi-белков посттрансляционное миристоилирование со стороны N-конца.

З. Для βγ-субъединиц также показаны посттрансляционные модификации (ацилирование).

4. Выявлены три последовательные посттрансляционные модификации ответственные за связывание ras-белков с мембраной.

5. Очищенные α-субъединицы проявляют гидрофильные свойства (без βγ - комплекса не могут связываться с искусственными фосфолипидными пузырьками).

Стуктурно-функциональная организация G-белков

G-белки (ГТФ-связывающие белки) - универсальные посредники при передаче сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембраны катализирующим образование вторичных посредников гормонального сигнала. G-белки - олигомеры состоящие из α β и γ-субъединиц. Состав димеров βγ незначительно различаются в разных тканях но в пределах одной клетки все G-белки как правило имеют одинаковый комплект βγ-субъединиц. Поэтому G-белки принято различать по их α-субъединицам. Выявлено 16 генов кодирующих различные α-субъединицы G-белков. Некоторые из генов имеют более одного белка вследствие альтернативного сплайсинга РНК.

Каждая а-субъединица в составе G-белка имеет специфические центры:

связывания ГТФ или ГДФ;

взаимодействия с рецептором;

связывания с βγ-субъединицами;

фосфорилирования под действием протеинкиназы С;

взаимодействия с ферментом аденилатциклазой или фосфолипазой С.

В структуре G-белков отсутствуют α-спиральные пронизывающие мембрану домены. G-белки относят к группе "заякоренных" белков.

Классификация по чувствительности к токеинам

1. ХТ (холерный токсин) приводит к постоянной активации аденилатциклазы (подавляя ГТФ-азную активность Аs-субъединицы)

2. КТ (коклюшный токсин) тоже вызывает АDР-рибозилирование α-субъединицы. Однако в этом случае модификация G-белка препятствует его взаимодействию с рецепторами поэтому при активации рецептора А не ингибируется.

По чувствительности к холерному и коклюшному токсинам G-белки можно разбить на четыре группы: чувствительные только к холерному токсину (Gs) только к коклюшному (Gi и Go) субстраты обеих токсинов (Gt) и G-белки α-субъединицы которых не чувствительны ни к одному из токсинов.

Сопряжение с эффекторными системами

ГТФ-связываюшие белки управляют несколькими мембранными ферментами и рядом ионных каналов.

Вероятно с G-белками взаимодействует цитоскелет благодаря чему гормоны регулируют секрецию и эндоцитоз. Из мембранных и внутриклеточных мишеней G-белков лучше всего изучены аденилатциклаза и фосфодиэстераза ГМФ сетчатки глаза активируемые соответственно Gzx и трансдуцином. Эти два фермента принципиально отличаются друг от друга по структуре и механизму их регуляции G-белками.

В отношении активации других G-белок зависимых систем ясности нет. G - белки опосредуют не только активирующее но и ингибирующее действие агонистов на внутриклеточные эффекторные системы. G-белок зависимое ингибирование показано для аденилатциклазы потенциалправляемых кальциевых каналов фосфолипазы С Nа/К-АТФазы.

Исходя из данных можно предположить что существует два механизма G-белок зависимого ингибирования аденилатциклазы. Один из них обусловлен действием βγ-субъединиц и видимо одинаков для всех G-белков т.к βγ-субъединицы у них сходные. Второй механизм заключается в специфическом ингибировании аденилатциклазы α-субъединицей белка Gi.

Регуляция активности G-белков

Различают неактивную форму G-белка - комплекс αβγ-ГДФ и активированную форму αβγ-ГТФ. Активация G-белка происходит при взаимодействии с комплексом активатор-рецептор изменение конформации G-белка снижает сродство α-субъединицы к молекуле ГДФ и увеличивает к ГТФ.

Замена ГДФ на ГТФ в активном центре G-белка нарушает комплементарность между α-ГТФ и βγ-субъединицами. Рецептор связанный с сигнальной молекулой может активировать большое количество молекул G-белка таким образом обеспечивая усиление внеклеточного сигнала на этом этапе.

Активированная α-субъединица G-белка (α-ГТФ) взаимодействует со специфическим белком клеточной мембраны и изменяет его активность. Такими белками могут быть ферменты аденилатциклаза фосфолипаза С фосфодиэстераза цГМФ Nа+-каналы K+-каналы.

Следующий этап цикла функционирования G-белка - дефосфорилирование ГТФ связанного с α-субъединицей причём фермент катализирующий эту реакцию - сама α-субъединица.

Дефосфорилирование приводит к образованию комплекса α-ГДФ который не комплиментарен специфическому белку мембраны (например аденилатциклазе) но имеет высокое сродство к βγ-протомерам. G-белок возвращается к неактивной форме - αβγ-ГДФ. При последующей активации рецептора и замене молекулы ГДФ на ГТФ цикл повторяется снова. Таким образом αβγ-субъединицы G-белков совершают челночное движение перенося стимулирующий или ингибирующий сигнал от рецептора который активирован первичным посредником (например гормоном) на фермент катализирующий образование вторичного посредника.

Некоторые формы протеинкиназ могут фосфорилировать α-субъединицы G - белков. Фосфорилированная α-субъединица не комплиментарна специфическому белку мембраны например аденилатциклазе или фосфолипазе С поэтому не может участвовать в передаче сигнала.

Аденилатциклаза

Фермент аденилатциклаза катализирующий превращение АТФ в цАМФ - ключевой фермент аденилатциклазной системы передачи сигнала. Аденилатциклаза обнаружена во всех типах клеток.

Фермент относят к группе интегральных белков клеточной мембраны он имеет 12 трансмембранных доменов. Внеклеточные фрагменты аденилатциклазы гликозилированы. Цитоплазматические домены аденилатциклазы имеют два каталитических центра ответственных за образование цАМФ - вторичного посредника участвующего в регуляции активности фермента протеинкиназы А.

На активность аденилатциклазы оказывают влияние как внеклеточные так и внутриклеточные регуляторы. Внеклеточные регуляторы (гормоны эйкозаноиды биогенные амины) осуществляют регуляцию через специфические рецепторы которые с помощью α-субъединиц G-белков передают сигналы на аденилатциклазу.

Страницы: 1 2 3