G Белки находятся под контролем регуляторного ГТФазного цикла
Гетеротримеры G-белков находятся под контролем регуляторного ГТФазного цикла.
Основные положения:
- При связывании ГТФ с субъединицей Gальфа происходит активация гетеротримеров G-белков.
- При гидролизе ГТФ до ГДФ G-белок инактивируется.
- Гидролиз ГТФ происходит медленно, однако под действием белков GAP он ускоряется.
- Рецепторы способствуют активации, обеспечивая диссоциацию ГДФ и ассоциацию ГТФ; спонтанный обмен происходит очень медленно.
- Белки RGS и фосфолипаза С-бета являются GAP для G-белков.
Ключевым событием передачи сигнала с участием гетеротримера G-белков является связывание ГТФ с субъединицей Gальфа . При связывании с ГТФ субъединица Gальфа активируется, что обеспечивает связывание этой субъединицы и субъединицы Gбета-гамма с эффектором и позволяет регулировать этот процесс. Пока ГТФ находится в связанном состоянии, субъединица Gальфа остается активной, однако она также обладает ГТФазной активностью и гидролизует связанный ГТФ до ГДФ. Gальфа-ГДФ является неактивным. Таким образом, G-белки пересекают ГТФазный цикл в двух местах: на этапах "связывание ГТФ/активация" и "гидролиз ГТФ/инактивация" ( рис. 18.26 ). Поэтому для контроля передачи сигналов с участием G-белка характерен кинетический характер. Относительная сила сигнала или его амплитуда пропорциональна доле G-белка, которая находится в активной, связанной с ГТФ форме. Ее размеры определяются равновесием между скоростью связывания ГТФ и его гидролиза, т.е. между активирующей и инактивирующей составляющими ГТФазного цикла. Скорости связывания и гидролиза ГТФ регулируются в широких пределах, которые могут различаться более чем в 1000 раз.
Рецепторы способствуют активации G-белка за счет открытия сайта связывания нуклеотидов, расположенного на его молекуле. При этом интенсифицируется диссоциация ГДФ и ассоциация ГТФ. Суммарно эти процессы обозначаются как каталитический обмен ГДФ/ГТФ . Обмен происходит в направлении активации, поскольку сродство G-белков к ГТФ гораздо выше, чем к ГДФ, и концентрация ГТФ в цитозоле примерно в 20 раз выше, чем концентрация ГДФ. Для большинства G-белков спонтанный обмен ГДФ/ГТФ очень низкий (занимает много минут), и это обеспечивает низкий уровень выходного сигнала. Напротив, обмен, катализируемый рецептором, занимает несколько десятков миллисекунд, что обусловливает быструю реакцию на сигнал зрительных рецепторов, нейронов и мышечных клеток.
Поскольку рецепторы не требуются для реализации дальнейшей передачи сигнала G-белками, они могут диссоциировать после того, как произошел обмен ГДФ/ГТФ, и катализировать активацию дополнительных молекул G-белка. Таким образом, один рецептор может поддерживать активацию нескольких молекул G-белка, обеспечивая усиление входного сигнала на молекулярном уровне. Остальные рецепторы могут оставаться связанными со своими G-белками-мишенями. Это означает, что они не действуют как усилители. Однако более прочно связанные рецепторы могут быстрее инициировать передачу сигнала и способствовать реактивации G-белка, если гидролиз связанного ГТФ происходит жостаточно быстро.
В отсутствие подходящего стимула субъединицы Gальфа медленно гидролизуют ГТФ. Среднее время пребывания комплекса Gальфа-ГТФ, в зависимости от G-белка, составляет около 10-150 с. Это гораздо ниже, чем скорость инактивации, которая часто наблюдается в клетках при удалении агониста . Например, передача зрительных сигналов заканчивается примерно через 10 мс после стимуляции фотоном, и многие другие системы G-белков функционируют столь же быстро. Гидролиз ГТФ активируется белком, активирующим ГТФазу ( GAP ), который непосредственно связывается с субъединицами Gaльфа. В некоторых случаях реакция ускоряется более чем в 2000 раз. Столь высокая скорость необходима для функционирования зрительной системы и системы передачи нервного импульса , которые должны реагировать на быструю смену стимулов. Поскольку передача сигналов с участием G-белков определяется равновесием между активацией и инактивацией, GAP опустошает пул G-белка, активированного ГТФ, и поэтому может также действовать как ингибитор передачи сигнала. Таким образом, GAP может ингибировать процессы передачи сигнала, гасить их после его окончания, или выполнять обе функции. Выполняемая функция зависит от активности GAP и ее регуляции.
Для G-белков, не обладающих гетеротримерной структурой, существуют два семейства GAP. Белки RGS (регуляторы передачи сигнала G-белками) представляют собой семейство, состоящее примерно из 30 белков, большинство из которых обладает активностью GAP и способно регулировать скорость и амплитуду передачи сигнала G-белками. На рис. 18.27 представлена роль белков RGS в терминации сигнала, передаваемого через G-белки. Некоторые белки, имеющие RGS-домен, также действуют как эффекторы, регулируемые G-белками. К числу их относятся активаторы мономерных ГТФ-связывающих белков, относящиеся к семейству Rho (см. ниже) и GPCR-киназы , которые являются регуляторами функции GPCR по механизму обратной связи. Ко второй группе GAP G-белков относятся фосфолипазы С-бета . Эти ферменты представляют собой эффекторы, которые стимулируются Gальфаq и Gбета-гамма , однако они также действуют как Gq GAP, по-видимому, контролируя кинетику выходного сигнала.
Хотя ГТФазный цикл в общем виде наглядно представлен на рис. 18.26 , схема содержит много упрощений. Взаимодействия между рецептором, Gальфа, Gбета-гамма, GAP и эффектором часто происходят одновременно и носят сложный кооперативный характер. Например, Gбета-гамма ингибирует высвобождение ГДФ (с тем, чтобы свести к минимуму спонтанную активацию), способствует проявлению каталитической активности рецептора, подавляет активность GAP и участвует в инициации фосфорилирования рецептора, которое приводит к десенсибилизации . Остальные компоненты могут проявлять такую же многофункциональность. Вместе с тем, входные сигналы от других белков могут изменять динамику ГТФазного цикла в нескольких точках. Таким образом, модуль коровых G-белков является многофункциональным процессором сигнала, а также проявляет гибкость в отношении своих мишеней.
Смотрите также:
