G Белки: 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. Этот процесс схематически показан на рис. 1.7 .
Они являются объектом интенсивного изучения в связи с их участием во многих важных физиологических процессах (см. обзоры Gilman, 1987 ; Neer, Clapham, 1988 ; Freissmuth et al.,1989 , Кухарь В.П. ea, 1992 ). 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 [ Hamm, ea 1996 ]. В неактивном состоянии они связаны с GDP. При связывании рецептора с лигандом GDP замещается на GTP, в результате чего происходит активация (рис 6 can sv). Процесс этот сравнительно медленный, протекающий в течение секунд - десятков секунд.
G-белки биологических мембран имеют гетеротримерную структуру. Они состоят из большой альфа-субъединицы (около 45 килодальтон - кДа), а также меньших бета- и гамма-субъединиц ( рис. 1.8 ). Альфа-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, в неактивной (выключенной) форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы бета игамма связаны между собой, и в физиологических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоянии бета-гамма-комплекс непрочно связан с альфа-субъединицей. Гамма-субъединица связана с цитоплазматическим листком биологической мембраны геранил-гераниловой цепью (20 атомов углерода в цепи) , близкой по структуре к холестерину. Альфа-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 (GTPase) при связывании GTP могут включаться и активировать последующие компоненты передачи сигнала от поверхности клетки. Малые GTPaзы 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 GTP и таким образом выключать сигнал.
Поскольку бета- и гамма- субъединицы G-белков чрезвычайно консервативны, G-белки принято различать по их альфа-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 (Gо) АДФ-рибозилируются коклюшным токсином по остатку цистеина, расположенному у C-конца. Эта модификация препятствует взаимодействию между G-белком и рецепторами. Определена последовательность G-белка крысы (Gx), который оказался нечувствительным к коклюшному токсину.
G-белки ( рис. 70.5 ) это - регуляторные белки, связывающие при активации ГТФ . Лучше всего изучены G-белки, стимулирующие и ингибирующие аденилатциклазу (Gs-белки и Gi-белки соответственно). Бета1-адренорецепторы , бета2-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 фермент (фермент, ионный канал и пр.). Альфа2-адренорецепторы , М2-холинорецепторы и D2-peцепторы 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. Альфа1-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 ИФ3 и ДАГ . Оба эти вещества являются вторыми посредниками ( рис. 70.5 ).
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 альфа-субъединица G-белка (альфа* ГТФ Мg). [ Bourne, ea 1997 ] диссоциирует от бета-гамма-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором, оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие.
Альфа-субъдиница 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 главах. Взаимодействие с эффектором, однако, длится до тех пор, пока альфа- субъединица, являющаяся ГТФ-азой, удерживает ГТФ. Так что, очень вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит, альфа- субъединица снова меняет свою коонформацию и теряет способность активировать эффектор. После этого альфа-ГДФ взаимодействует с бета- гамма-комплексом и снова образует тримерный комплекс, завершая, таким образом, цикл ( рис. 1.9 ). Предполагают также, что комплекс из бета-гамма-субъединиц тоже может (прямо или опосредованно) влиять на эффекторные ферменты.
Такими феpментами являются аденилатциклаза(4.6.1.1) [ Gilman A.G.,1987 ], 3',5'-циклонуклеотид-фосфодиэстераза сетчатой оболочки глаза, фосфолипаза C . G-белки также pегулиpуют pаботу K+ и Ca2+ -ионных каналов [ Stryer L.,1986 ; Casey P.J.,1988 ; Plaffinger P.J.,1985 ]. К G-белкам относятся полипептид Gs, стимулирующий аденилатциклазу и pегулиpующий Ca2+ -ионные каналы [ Yatani A.,1987 ], полипептид Gi, ингибирующий аденилатциклазу [ Gilman A.G.,1987 ], и pегулиpующий K+ -каналы в клетках тканей мозга [ Gilman A.G.,1989 ], Gt, трансдуцин, участвующий в передаче светого сигнала [ Stryer L.,1986 ], Golf, специфичный белок обонятельных ресничек [ Jones D.T.,1989 ] и др. Все G-белки являются гетеротримерами, состоящими из субъединиц альфа, бета и гамма в порядке уменьшения молекулярной массы [ Gilman A.G.,1987 ].
Впоследствии ГТФ, связанный с альфа-субъединицей G-белка, подвергается гидролизу, причем ферментом, катализирующим этот процесс, является сама альфа-субъединица. Это приводит к диссоциации альфа-субъединицы от эффектора и реассоциации комплекса альфаГДФ с бета-гамма-субъединицами. Спонтанная активация G-белка, связанного с ГДФ - весьма маловероятный процесс.
Этот же механизм лежит в основе гормональной регуляции фосфоинозитид-специфичной фосфолипазы С ( Boyer et al., 1989 ) и фосфолипазы А2 ( Axelrod et al., 1988 ). Кроме того, было показано, что G белки могут непосредственно активировать ионные каналы ( Sternweis, Pang, 1990 ). см. также:
Лимитирующей стадией процесса восстановления исходного состояния G-белка является скорость диссоциации GDP от альфа-субъединицы G-белка. Скорость диссоциации увеличивается при взаимодействии G-белок-GDP с агонист-связанным рецептором [ Branot D.R.,1986 ]. Связывание GTP G-белком приводит, очевидно, к образованию комплекса агонист-рецептор-G-белок. Аналог GTP-CTP-гамма-S и Mg2+ усиливает диссоциацию альфа-субъединицы из тримера G-белка [ Northup J.V.,1983 ]. Однако следует заметить, что каталитическая субъединица аденилатциклазы из мембран мозга быка хроматографически соочищается с альфа- и бета-субъединицами GS-белка [ Marbach J.,1990 ] и вопрос диссоциации альфа-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 [ Перцева М.Н.,1990 ]. Особенно широк полиморфизм и наиболее изучен для альфаs и альфаi G-белков. Так из мозга человека выделено 11 форм сДНК, ответственных за синтез альфаs субъединиц, четыре вида которых клонированы и, предполагается, что они определяют синтез четырех изоформ альфаs в мозге человека [ Bray P.,1986 ]. Для альфаi найдены, в основном, три изоформы альфаi1, альфаi2, альфаi3. Молекулярные массы изоформы альфаs находятся в пределах 42-55 кДа, а альфаi -39-41 кДа [ Перцева М.Н.,1990 ]. Распределение молекулярных вариантов альфаi носит тканеспецифический характер: альфаi1 представлена, в основном, в мозге, альфаi2 обнаружена в нервной ткани и в клетках крови, альфаi3 представлена в переферических тканях и отсутствует в мозге [ Goldsmith P.,1988 ]. Распределение генов, кодирующих синтез синтез трех изоформ альфаi по тканям примерно совпадает в ряду: человека, бык, крыса, мышь [ Lochrie M.A.,1988 ]. Определение аминокислотной последовательности альфаs и альфаi [ Spiegel A.M.,1987 ; Itoh I.,1988 ] показало, что изоформы альфаs или альфаi различаются в области C- и N- концевой последовательности, связывающихся с рецептором или эффектором. Предполагается, что полиморфизм альфа субъединиц определяется многообразием рецепторов и их подтипов и разнообразием эффекторных систем [ Перцева М.Н.,1990 ; Gilman A.G.,1987 ].
Альфа субъединицы Gi кодируются тремя различными структурными генами [ NukadaT.,1986 ; Jones D.T.,1987 ; Itoh I.,1988 ]. Что касается изоформ альфа-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 [ Robishaw J.D.,1986 ], или множественность их результат посттрансляционной модификации [ Casey P.J.,1988 ]. В настоящее время известно 9 структурных генов, кодирующих C-белки и 12 продуктов этих генов [ Gilman A.G.,1989 ].
G-белки: сопряжение с эффекторными системами
G-белки: бета и гамма субъединицы
Смотрите также:
