G-білки
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/G_protein1.png/200px-G_protein1.png)
G-білки (англ. Guanine nucleotide-binding proteins, білки, що зв'язують гуанілові нуклеотиди) — це родина білків, що беруть участь у клітинному сигналюванні еукаріот. G-білки відіграють роль своєрідних перемикачів: вони можуть переходити з неактивного стану в активний і навпаки, відповідно вмикаючи або вимикаючи передачу певного сигналу всередині клітини. Свою назву ці білки отримали за здатність зв'язувати гуанілові нуклеотиди (англ. Guanine nucleotide): у комплексі із гуанозиндифосфатом (ГДФ) вони є неактивними, а у комплексі із гуанозинтрифосфатом (ГТФ) — активні.
Термін «G-білки» найчастіше вживається для позначення гетеротримерних (великих) ГТФ-зв'язуючих білків, що складаються із трьох субодиниць α, β та γ; існує ще один клас ГТФ-зв'язуючих білків — мономерні, котрі інколи називають малими G-білками (суперродина Ras малих ГТФаз), вони гомологічні до α-субодиниці великих[1].
Гетеротримерні G-білки беруть участь у передачі сигналів від рецепторів, спряжених з G-білками (англ. G-protein coupled receptors, GPCR) — найбільшого класу клітинних рецепторів (наприклад, у Caenorhabditis elegans їх гени займають 5 % всього геному). У хребетних тварин вони відповідають за сприйняття клітиною ряду гормонів та інших сигнальних молекул, а також за хімічне чуття (нюх і смак) і фоторецепцію (зір). Показовим є те, що приблизно половина відомих фармацевтичних препаратів діють через рецептори, спряжені із G-білками[2]: серед таких є і відомі медикаменти, наприклад антигістамін Кларитин (Лоратадин) та антидепресант Прозак (Флуоксетин), а також психотропні речовини, зокрема героїн, кокаїн та тетрагідроканабінол (діюча речовина марихуани)[3].
Гетеротримерні G-білки були вікриті Альфредом Гілманом та Мартіном Родбеллом, за що у 1994 році вони отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини[4].
Структура гетеротримерних G-білків
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/90/G-Protein.png/200px-G-Protein.png)
Гетротримерні G-білки складаються із трьох субодиниць: α, β і γ. α-субодиниця містить домен зв'язування та гідролізу ГТФ, що є ідентичним для всієї суперродини ГТФаз. До складу β-субодиниці входить 7 β-структур, організованих як лопасті пропеллера. Із β-субодиницею тісно взаємодіє γ-субодиниця, разом вони утворюють єдину функціональну структуру, яка може дисоціювати тільки у випадку гідролізу білка[5]. Весь G-білок заякорений у мембрані за допомогою двох ліпідів, один із яких ковалентно приєднаний до N-кінця α-субодиниці, інший до C-кінця γ-субодиниці[1].
Рецептори, спряжені із G-білками
- Основна стаття: Рецептори, спряжені із G-білками
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f5/PDB_1hzx_7TM_Sketch_Membrane.png/200px-PDB_1hzx_7TM_Sketch_Membrane.png)
Рецептори, спряжені із G-білками (англ. G-protein coupled reseptors, GPCR) — найбільша родина клітинних рецепторів еукаріот, що забезпечують сприйняття гормонів, нейромедіаторів, локальних регуляторів, а також забезпечують зір, нюх та відчуття смаку хребетних тварин. У геномі людини знайдено близько 700 генів GPCR, а в миші за один тільки нюх відповідає понад 1000 цих рецепторів.
Сигнальні молекули, що виступають лігандами для рецепторів, спряжених із G-білками, можуть бути дуже різними за хімічною природою: білками, невеликими пептидами, ліпідами, похідними амінокислот тощо. Окрім цього деякі представники цього класу рецепторів, зокрема родопсин, можуть сприймати фотони світла. Інколи для однієї сигнальної молекули існує кілька різних GPCR, що експресуються у різних типах клітин і запускають різні сигнальні шляхи. Наприклад в організмі людини існує як мінімум 9 різних рецепторів до адреналіну та принаймні 14 — до нейромедіатора серотоніну.[2]
Всі рецептори, спряжені із G-білками, мають схожу структуру: вони складаються з одного поліпептидного ланцюга, що 7 разів перетинає ліпідний бішар. Кожен трансмембранний домен представлений α-спіраллю, до складу якої входить 20-30 неполярних амінокислот. Ці домени з'єднані між собою петлями різної величини, розташованими по дві сторони плазматичної мембрани. GPCR переважно є глікопротеїнами, вуглеводні залишки яких розташовані на зовнішньоклітинній стороні. Внутрішньоклітинні домени цих рецепторів містять сайти взаємодії із G-білками.[6]
Функціональний цикл G-білків
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/99/G-protein.svg/400px-G-protein.svg.png)
G-білки виконують роль спряження клітинних рецепторів із певними ефекторними молекулами, такими як ферменти або іонні канали, при цьому вони виступають як молекулярні перемикачі. В неактивному стані G-білки містять ГДФ, зв'язаний із α-субодиницею.
Передача сигналу починається тоді, коли на клітинний рецептор діє відповідний ліганд, внаслідок чого рецептор активується і змінює конформацію. Активований рецептор впливає на G-білок (який або перебуває з ним у постійному комплексі, або асоціює після активації), через що структура α-субодиниці змінюється таким чином, що вона вивільняє зв'язану молекулу ГДФ. Місце цієї молекули швидко займає ГТФ, це призводить до активації G-білка та змін у його структурі: α-субодиниця втрачає спорідненість до βγ-комплексу, і він дисоціює. У такому активованому стані як ГТФ-зв'язана α-субодиниця, так і βγ-комплекс, можуть здійснювати передачу сигналу: активувати певні ферменти або впливати на стан іонних каналів. α-субодиниця є ГТФазою, і як тільки вона гідролізує приєднаний ГТФ до ГДФ, відразу ж інактивується, і тримерна структура G-білка відновлюється. Таким чином відбувається вимкнення сигналу. Інактивований G-білок може взаємодіяти із наступною молекулою рецептора і знову активуватись[2].
Регуляція активності G-білків
Ефективність передачі певного сигналу через G-білок залежить від співвідношення між концентрацією активної, ГТФ-зв'язаної, та неактивної, ГДФ-зв'язаної форм. А це співвідношення у свою чергу залежить від двох констант: константи дисоціації ГДФ, та константи швидкості гідролізу ГТФ:
- , де
- G-protein·GTP — концентрація активної форми G-білка;
- G-protein·GDP — концентрація неактивної форми G-білка;
- kdiss, GDP — константа дисоціації ГДФ;
- kcat, GTP — константа швидкості гідролізу ГТФ.
Таке співвідношення справджується за умови надлишку ГТФ у середовищі, а також його швидкого, фактично моментального, зв'язування із «порожньою» молекулою G-білка (тобто не зв'язаною із жодним гуаніловим нуклеотидом). У такому випадку ефективність передачі сигналу може регулюватись одним із наступних шляхів:
- Збільшення kdiss, GDP, що забезпечується спеціальним білками — факторами обміну гуанілових нуклеотидів (англ. guanine nucleotide exchange factors, GEFs), сприяє інтенсифікації передачі сигналу. Для гетеротримерних G-білків такими факторами є активовані рецептори (GPCR), зв'язані із відповідним лігандом.
- Зменшення kdiss, GDP, що забезпечується інгібіторами дисоціації гуанілових нуклеотидів (англ. guanine nucleotide dissociation inhibitors, GDI). Білки з такими функціями поки що знайдені для Ras-суперродини малих ГТФаз, їхня функція полягає у підтриманні в цитоплазмі постійного пулу неактивованих молекул, зв'язаних з ГДФ;
- Збільшення kcat, GTP, тобто швидкості гідролізу ГТФ, здійснюється завдяки ГТФаза-активуючим білкам (англ. GTPase activating proteins, GAPs). Таким чином знижується тривалість життя активованих молекул G-білків. Активність GAPs зазвичай регулюється іншими сигнальними шляхами[6]. Білки, що пришвидшують гідроліз ГТФ α-субодиницею гетеротримерних G-білків, називаються регулятори сигналювання G-білків (англ. regulator of G protein signaling, RGS), у геномі людини є близько 25 генів RGS, кожен з яких взаємодіє із характерним набором G-білків[2].
Сигнальні шляхи, що активуються G-білками
G-білки отримують вхідний сигнал від асоційованих з ними рецепторів, після чого вони активують один із сигнальних шляхів клітини.
Вплив на синтез циклічного АМФ
- Основна стаття: цАМФ-залежний сигнальний шлях
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c2/Adenylyl_cyclase.png/200px-Adenylyl_cyclase.png)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/eb/Cyclic-adenosine-monophosphate-2D-skeletal.png/200px-Cyclic-adenosine-monophosphate-2D-skeletal.png)
Циклічний АМФ (цАМФ) — це розповсюджений вторинний посередник, що контролює багато процесів в еукаріотичних клітинах. цАМФ синтезується із АТФ великим трансмембранним ферментом аденілатциклазою, а розкладається цАМФ-фосфодіестеразою. Багато сигнальних молекул впливають на клітину шляхом збільшення або зменшення концентрації цАМФ, через активацію або пригнічення аденілатциклази. цАМФ здійснює свою функцію вторинного посередника активуючи цАМФ-залежну протеїнкіназу (протеїнкіназу А, ПКА), яка у свою чергу фосфорилює по залишках серину та треоніну багато білків у клітині, активуючи або деактивуючи їх[2].
Існує два типи G-білків, що впливають на активність аденілатциклази: Gs (англ. stimulatory) — стимулюючий, що активує її і збільшує концентрацію цАМФ та Gi (англ. inhibitory) — інгібуючий, що пригнічує аденілатциклазу, але також діє і шляхом прямого впливу на іонні канали. Прикладами реакцій, що запускаються шляхом Gs-залежного збільшення концентрації цАМФ, є:
- Синтез та секреція тиреоїдних гормонів щитоподібною залозою під впливом тиреотропного гормону;
- Секреція кортизолу корою наднирників під впливом адренокрортикотропного гормону;
- Розщеплення глікогену у м'язах під впливом адреналіну;
- Розщеплення глікогену у печінці під впливом глюкагону;
- Збільшення частоти та сили серцевих скорочень під впливом адреналіну;
- Реабсорбція води у нирках під впливом паратгормону;
- Розщеплення тригліцеридів у жировій тканині під впливом одного із наступних гормонів: адреналіну, адренокортикотропного гормону, глюкагону, тиреотропного гормону[2].
Бактерійні токсини, що впливають на активність білків Gs та Gi
G-білки, що впливають на цАМФ-залежне клітинне сигналювання, є мішенями дії бактерійних токсинів:
- Холерний токсин — це фермент, що каталізує перенесення АДФ-рибози із НАД+ (АДФ-рибозилювання) на α-субодиницю Gs-білка. Внаслідок цього він втрачає можливість гідролізувати зв'язану молекулу ГТФ і переходить у стан перманентної активації. Це у свою чергу призводить до тривалого збільшення концентрації цАМФ у клітинах стінки товстого кишківника, через що у його просвіт починає виділятись велика кількість води та іонів Cl−. Таким чином і виникає діарея, що є характерною ознакою захворювання на холеру.
- Токсин коклюшу здійснює АФД-рибозилювання α-субодиниці Gi-білка, через що вона не може взаємодіяти із відповідним рецептором і активуватись.
Ці два токсини використовуються у біологічних дослідженнях, щоб визначити чи певна клітинна відповідь опосередковується Gs- чи Gi-білком.[2]
Активація фосфоліпази С-β
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/PIP2_cleavage_by_PLC_to_release_IP3_and_DAG_uk.png/200px-PIP2_cleavage_by_PLC_to_release_IP3_and_DAG_uk.png)
Багато рецепторів, спряжених із G-білками діють шляхом активації фосфоліпізи С-β (ФЛС-β). Цей фермент діє на інозитоловий фосфоліпід: фосфатидилінозитол-4,5-біфосфат (ФІ(4,5)Ф2 або ФІФ2), що присутній у невеликій кількості у внутрішньому листку ліпідного бішару плазматичної мембрани. Рецептори, що активують цей сигнальний шлях, зазвичай спряжені із Gq-білком, що активує фосфоліпазу С аналогічно як Gs-білок — аденілатциклазу. Активована фосфоліпаза розщеплює фосфатидилінозитол-4,5-біфосфат до інозитол-1,4,5-трифосфату (ІФ3) та диацигліцеролу (ДАГ). На цьому етапі сигнальний шлях розгалужується:
- ІФ3 від плазматичної мембрани дифундує у цитозоль, де згодом приєднується до кальцієвих каналів на поверхні ендоплазматичного ретикулуму і відкриває їх. Це призводить до різкого збільшення концентрації іонів Ca+ у цитоплазмі. Ця молекула також є важливим вторинним посередником і регулює багато клітинних процесів.
- ДАГ залишається вбудованим у мембрану, де може бути субстратом для синтезу ейкозаноїдів, в тому числі простагландинів, що беруть участь у відчутті болю та запальних процесах. Також ДАГ активує серин/треонінову протеїнкіназу С, активність якої також залежить і від кальцію.
Прикладами клітинних реакцій G-білок-залежної активації фосфоліпази C-β є:
- Розщеплення глікогену в печінці під впливом вазопресину;
- Секреція амілази підшлунковою залозою під впливом ацетилхоліну;
- Скорочення гладеньких м'язів під впливом ацетилхоліну;
- Агрегація тромбоцитів під впливом тромбіну.[2]
Регуляція іонних каналів G-білками
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/87/Phototransduction_uk.png/300px-Phototransduction_uk.png)
Багато G-білків діють шляхом відкриття або закриття іонних каналів, таким чином змінюючи електричні властивості плазматичної мембрани.
Наприклад зниження частоти і сили серцевих скорочень під впливом ацетилхоліну відбувається завдяки тому, що мускариновий ацетилхоліновий рецептор після активації взаємодіє із Gi-білком, α-субодиниця якого пригнічує діяльність аденілатциклази, в той час як βγ-комплекс відкриває калієві канали у плазматичній мембрані клітин серцевого м'яза, через що їхня збудливість зменшується.
Інші G-білки регулюють активність іонних каналів опосередковано: наприклад рецептори зору та нюху діють через G-білки, які впливають на синтез циклічних нуклеотидів, що у свою чергу закривають або відкривають іонні канали (іонні канали керовані циклічними нуклеотидами). Наприклад, всі нюхові рецептори спряжені із Golf-білком, який активує аденілатциклазу; цАМФ, що синтезується, відкриває натрієві канали, що призводить до деполяризації мембрани і генерування нервового імпульсу (рецепторного потенціалу), який передається нейронам.
У паличках сітківки ока людини світлочутливою молекулою є родопсин. Плазматична мембрана цих клітин містить велику кількість цГМФ-керованих катіонних каналів. За відсутності стимуляції світлом цитоплазма паличок містить високу кількість цГМФ, що утримує катіонні канали у відкритому стані. Внаслідок цього мембрана періодично деполяризується і відбувається синаптична передача імпульсів нейронам. Після активації світлом родопсин змінює конформацію і взаємодіє з G-білком трансдуцином (Gt). Після цього його α-субодиниця активує цГМФ-фосфодіестеразу, яка розщеплює цГМФ, внаслідок чого закриваються катіонні канали і синаптична передача припиняється. Саме зменшення частоти імпульсів, що надходять від світлочутливих клітин, сприймається мозком як відчуття світла.[2]
Родини G-білків
Всі гетеротримерні G-білки поділяють на чотири основні родини за амінокислотною послідовністю α-субодиниці:
Основні родини гетеротримерних G-білків на основі амінокислотної послідовності α-субодиниці[2] | |||
---|---|---|---|
Родина | Деякі члени | Субодиниця, що відповідає за ефект | Деякі функції |
I | Gs | α | Активація аденілатциклази, відкриття кальцієвих каналів |
Golf | α | Активація аденілатциклази у нюхових нейронах | |
II | Gi | α | Інгібування аденілатциклази |
βγ | Відкривання калієвих каналів | ||
Go | βγ | Відкривання калієвих каналів, закривання кальцієвих каналів | |
α і βγ | Активація фосфоліпази С-β | ||
Gt (трансдуцин) | α | Активація цГМФ-фосфодіестерази у фоторецепторах хребетних | |
III | Gq | α | Активація фосфоліпази С-β |
IV | G12/13 | α | Активація мономерних ГТФаз родини Rho, що регулюють актиновий цитоскелет |
Джерела
- ↑ а б Gomperts BD, Kramer IM, Tatham PER (2003). Signal Transduction (вид. 1st). Academic Press. ISBN 0122896327.
- ↑ а б в г д е ж и к л Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). Molecular Biology of the Cell (вид. 5th). Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5. Архів оригіналу за 22 липня 2011. Процитовано 23 липня 2011.
- ↑ G protein [Архівовано 27 липня 2011 у Wayback Machine.] Molecule of the Month by David Goodsell PDB doi: 10.2210/rcsb_pdb/mom_2004_10
- ↑ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994. Архів оригіналу за 6 квітня 2016. Процитовано 23 липня 2011.
- ↑ Hamm HE (1998). The many faces of G protein signaling. J Biol Chem. 273: 669—72. doi:10.1074/jbc.273.2.669. PMID 9422713.
{{cite journal}}
: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання) - ↑ а б Kraus G (2003). Biochemistry of Signal Transduction and Regulation (вид. 3rd). Wiley-VCH. ISBN 3-527-30591-2.
Посилання
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4a/Commons-logo.svg/30px-Commons-logo.svg.png)
- Molecule of the month [Архівовано 27 липня 2011 у Wayback Machine.] на сайті Protein Data Base (англ.)
- Нобелівська премія з фізіології та медицини 1994 року [Архівовано 6 квітня 2016 у Wayback Machine.] на сайті Nobelprize.org (англ.)
- Відео G-Protein Signaling із Essential Cell Biology, 3rd Edition Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, & Walter ISBN 978-0-8153-4129-1 (англ.)