Сигнальные модули с участием G-белка
Сигнальные модули с участием G-белка широко распространены и характеризуются повышенной способностью к адаптации.
Основные положения:
- Основной модуль состоит из рецептора, G-белка и эффекторного белка.
- В клетках экспрессируется несколько вариантов каждого класса белков.
- Эффекторы гетерогенны и инициируют различные клеточные функции.
Активация рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCR) и связанных с ними гетеротримерных G-белков, служит одним из распространенных механизмов передачи внешних сигналов внутрь клетки . Сигнальные модули, включающие G-белки, обнаружены у всех эукариот. У млекопитающих, в зависимости от вида, экспрессируется от 500 до 1000 GPCR, чувствительных к гормонам, нейромедиаторам, феромонам, метаболитам, локальным сигнальным и другим регуляторным молекулам. Лиганды GPCR представлены практически всеми классами химических соединений. Наряду с этим, у животных в обонятельных нейронах экспрессируется примерно такое же количество обонятельных GPCR. Эти рецепторы по запаху отбирают соединения из окружающей среды. Поскольку GPCR участвуют во многих типах физиологических ответных реакций, они также являются одними из наиболее распространенных мишеней действия лекарственных средств.
Минимальный сигнальный модуль, включающий G-белок, состоит из трех белков: рецептора, сопряженного с G-белком, гетеродимерного G-белка и эффекторного белка ( рис. 18.21 ). В ответ на связывание внеклеточного лиганда, рецептор активирует G-белок, расположенный на внутренней поверхности плазматической мембраны. Затем G-белок активирует (или иногда ингибирует) эффекторный белок, посредством которого в клетке распространяется сигнал. Таким образом, проведение сигнала с участием простейшего модуля, включающего G-белок, носит линейный характер. Однако, как показано на рис. 18.22 , в типичной клетке млекопитающего могут экспрессироваться десятки GPCR, более шести G-белков и десятки эффекторов. Каждый GPCR регулирует один или несколько G-белков, и каждый G-белок регулирует несколько эффекторов. Все взаимодействия происходят с различной эффективностью и с разной скоростью. Таким образом, сеть процессов, протекающих с участием G-белка, фактически представляет собой компьютер, интегрирующий сигналы и дающий на выходе весь их спектр, сложный по амплитуде и кинетике. Благодаря своим неизменным составным частям, G-белковые модули хорошо приспособлены к инициации большого разнообразия внутриклеточных сигналов в ответ на разные молекулярные стимулы, при этом реагируют в широком диапазоне шкалы времени (от миллисекунды до минут).
Как показано на рис. 18.23 , GPCR представляют собой белки, интегрированные в плазматическую мембрану и состоящие из связки семи гидрофобных спиралей, проходящих через нее. При этом N-концевые участки спиралей находятся вне клетки, а С-концевые - со стороны цитозоля. На основании трехмерной структуры родопсина и большого количества биохимических и генетических данных, не исключено, что у всех GPCR в ответ на воздействие активирующих лигандов реализуется один и тот же основной механизм конформационной активации и инактивации (см. Связывание лиганда изменяет конформацию рецептора ). Связывание агониста с внеклеточной стороны рецептора вызывает перегруппировку спиралей, в результате которой меняется структура сайта связывания для гетеротримера G-белка со стороны цитоплазмы, и эта измененная конформация связывающей поверхности G-белка способствует его активации.
Гетеротримерные G-белки , с которыми сопряжены GPCR , состоят из нуклеотид-связывающей субъединицы, Gальфа и димера субъединиц, Gбета-гамма ( рис. 18.24 ). Структура тримера и каждой субъединицы выяснена для нескольких состояний активации и комплекса с некоторыми белками. Гетеротример Gальфа-бета-гамма называется по своей альфа-субъединице, которая в основном определяет селективность G-белка среди рецепторов. Каждая субъединица также регулирует определенную группу эффекторных белков.
Субъединицы Gальфа представляют собой глобулярные двухдоменные белки, размером 38-44 кДа. ГТФ-связывающий домен относится к семейству белков, связывающих ГТФ. Они включают небольшие мономерные G-белки (такие как Ras , Rho , Arf , Rab ), а также ГТФ-связывающие факторы инициации трансляции и ГТФ-связывающие факторы элонгации трансляции . Второй домен модулирует связывание и гидролиз ГТФ. Субъединицы Gaльфа проявляют слабую гидрофобность, однако они обычно находятся в связанном с мембранами состоянии из-за конститутивного ацилирования N-концевых жирных кислот и из-за того, что они присоединены к Gбета-гамма субъединицам, закрепленным в мембране. У млекопитающих насчитывается 16 генов Gальфа , которые сгруппированы в соответствии со степенью гомологии структуры и функций (например, s, i, q, и 12). Эти группы перечислены на рис. 18.25 .
Субъединицы Gбета и Gгамма вскоре после окончания трансляции необратимо ассоциируют, образуя стабильные димеры Gбета-гамма. Затем эти димеры обратимо связываются с Gальфа . Субъединицы Gбета - это белки размером 35-кДа, состоящими из семи повторов бета-цепи, образующих цилиндрическую структуру, известную под названием бета-пропеллер . У млекопитающих существует пять генов Gбета . Четыре из них кодируют очень близкие по структуре белки, которые димеризуются с двенадцатью субъединицами Gгамма ( рис. 18.24 ). Пятый ген Gбета5 , в наименьшей степени напоминает остальные и в основном взаимодействует не с субъединицами Gгамма, а с доменом других белков, напоминающим Gy.
Субъединицы Gгамма по размеру меньше (около 7 кДа) и обладают гораздо более разнообразной первичной структурой, чем Gбета. При протеолизе субъединиц Gгамма удаляются три последних аминокислотных остатка. При этом на С- конце молекулы остается остаток цистеина . Этот остаток образует S-пренильное производное и карбоксиметилируется . Модификации носят необратимый характер и способствуют заякориванию Gбета-гамма на мембране. Субъединицы Gбета и Gгамма образуют ассоциаты в любых сочетаниях. Поскольку почти все клетки экспрессируют множество субъединиц Gбета и Gгамма, трудно приписать индивидуальным комбинациям Gбета-гамма определенную роль. Наиболее хорошо исследованы взаимодействия субъединиц Gбета и Gгамма на сайтах Gбета, хотя сайты Gгамма также выполняют определенные функции.
Смотрите также:
