G-PROTEINE: STRUKTUR, TYPEN UND FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die G- Proteine oder Guanin-Nucleotid-Bindungsproteine sind Proteine, die mit der Plasmamembran assoziiert sind, die zu einer Familie von Signal- "Koppler" -Proteinen gehört, die wichtige Funktionen bei vielen Signaltransduktionsprozessen in eukaryotischen Organismen haben.

In der Literatur werden G-Proteine ​​als binäre molekulare Schalter beschrieben, da ihre biologische Aktivität durch die Änderungen ihrer Struktur bestimmt wird, die durch die Nukleotidspezies gegeben sind, an die sie binden können: Guanosin-Nukleotide (Diphosphat (GDP) und Triphosphat (GTP)).

Struktur des Ras-Proteins, eines monomeren G-Proteins (Quelle: Mark 'AbsturZ' über Wikimedia Commons)

Sie werden im Allgemeinen durch Rezeptoren einer Familie von Proteinen aktiviert, die als G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) bekannt sind und ein externes Anfangssignal empfangen und in Konformationsänderungen umwandeln, die eine Aktivierung auslösen es wird anschließend in die Aktivierung eines anderen Effektorproteins übersetzt.

Einige Autoren sind der Ansicht, dass sich die kodierenden Gene für diese Proteinfamilie durch Duplikation und Divergenz eines gemeinsamen Ahnengens entwickelt haben, dessen Produkt immer weiter verfeinert und spezialisiert wurde.

Zu den vielfältigen zellulären Funktionen dieser Proteine ​​zählen die Translokation von Makromolekülen während der Proteinsynthese, die Übertragung von Hormonsignalen und sensorischen Stimuli sowie die Regulation der Zellproliferation und -differenzierung.

Es wurden zwei Klassen dieses Proteintyps beschrieben: die kleinen G-Proteine ​​und die heterotrimeren G-Proteine. Die erste dreidimensionale Struktur eines G-Proteins wurde vor mehr als einem Jahrzehnt von einem kleinen G-Protein abgeleitet, das als Ras bekannt ist.

Struktur

Strukturell werden zwei Arten von G-Proteinen erkannt: die kleinen G-Proteine ​​und die viel komplexeren heterotrimeren G-Proteine.

Kleine G-Proteine ​​bestehen aus einem einzelnen Polypeptid mit etwa 200 Aminosäureresten und etwa 20 bis 40 kDa, und in ihrer Struktur befindet sich eine konservierte katalytische Domäne (die G-Domäne), die aus fünf α-Helices, sechs β-gefalteten Schichten und fünf Polypeptidschleifen.

Heterotrimere G-Proteine ​​sind andererseits integrale Membranproteine, die aus drei Polypeptidketten bestehen, die als α-, β- und γ-Untereinheiten bekannt sind.

-Die α-Untereinheit wiegt zwischen 40 und 52 kDa, hat eine Guaninnukleotid-Bindungsregion und eine GTPase-Aktivität zur Hydrolyse von Bindungen zwischen den Phosphatgruppen von GTP.

Die α-Untereinheiten verschiedener G-Proteine ​​teilen einige strukturelle Domänen, wie jene zur Bindung und Hydrolyse von GTP, aber sie unterscheiden sich sehr in den Bindungsstellen für Rezeptor- und Effektorproteine.

-Die β-Untereinheit hat ein etwas niedrigeres Molekulargewicht (zwischen 35 und 36 kDa).

-Die γ-Untereinheit ist andererseits viel kleiner und hat ein ungefähres Molekulargewicht von 8 kDa.

Alle heterotrimeren G-Proteine ​​haben 7 Transmembrandomänen und weisen eine Sequenzähnlichkeit zu den β- und γ-Domänen auf. Diese beiden Domänen sind so stark miteinander verbunden, dass sie als eine einzige Funktionseinheit betrachtet werden.

Typen

Wie oben erwähnt, gibt es zwei Arten von G-Proteinen: kleine und heterotrimere.

Kleine G-Proteine ​​spielen eine Rolle beim Zellwachstum, der Proteinsekretion und der intrazellulären Vesikelinteraktion. Andererseits sind heterotrimere G-Proteine ​​mit der Übertragung von Signalen von Oberflächenrezeptoren verbunden und wirken auch als Schalter, die in Abhängigkeit vom assoziierten Nukleotid zwischen zwei Zuständen wechseln.

Kleine G-Proteine

Diese Proteine ​​werden auch als kleine GTPasen, kleine GTP-bindende Proteine ​​oder Ras-Protein-Superfamilie bezeichnet und bilden eine unabhängige Superfamilie innerhalb der großen Klasse von GTP-Hydrolasen mit regulatorischen Funktionen.

Diese Proteine ​​sind sehr vielfältig und steuern mehrere zelluläre Prozesse. Sie zeichnen sich durch eine konservierte GTP-Bindungsdomäne aus, die "G" -Domäne. Die Bindung dieses Phosphatnukleotids verursacht wichtige Konformationsänderungen in ihrer katalytischen Domäne in kleinen G-Proteinen.

Seine Aktivität ist eng mit dem GTPase Activating Protein (GAP) und dem Guanine Nucleotide Exchange Factor (GEF) verwandt.

Fünf Klassen oder Familien kleiner G-Proteine ​​wurden in Eukaryoten beschrieben:

-Ras

-Rho

-Rab

-Sar1 / Arf

-Ran

Die Ras- und Rho-Proteine ​​steuern die Genexpression und die Rho-Proteine ​​modulieren auch die Reorganisation des Zytoskeletts. Die Proteine ​​der Rab- und Sar1 / Arf-Gruppe beeinflussen den vesikulären Transport und die Ran-Proteine ​​regulieren den Kerntransport und den Zellzyklus.

Heterotrimere G-Proteine

Diese Art von Protein verdient auch eine Assoziation mit zwei anderen Proteinfaktoren, so dass der Signalweg von der äußeren Umgebung zum Inneren der Zelle aus drei Elementen in der folgenden Reihenfolge besteht:

1. Die Rezeptoren koppelten an G-Proteine
2. Die G-Proteine
3. Die Proteine oder Kanaleffektoren

Es gibt eine große Vielfalt heterotrimerer G-Proteine, und dies hängt mit der großen Vielfalt der in der Natur vorhandenen α-Untereinheiten zusammen, in denen nur 20% der Aminosäuresequenz konserviert sind.

Heterotrimere G-Proteine ​​werden normalerweise aufgrund der Diversität der α-Untereinheit identifiziert, hauptsächlich aufgrund ihrer funktionellen und Sequenzähnlichkeiten.

Die α-Untereinheiten bestehen aus vier Familien (der Gs-Familie, der Gi / o-Familie, der Gq-Familie und der G12-Familie). Jede Familie besteht aus einem anderen „Isotyp“, der zusammen mehr als 15 verschiedene Formen von α-Untereinheiten ergibt.

G Familie

Diese Familie enthält Vertreter, die auch an der Hochregulation von Adenylatcyclase-Proteinen beteiligt sind und in den meisten Zelltypen exprimiert werden. Es besteht aus zwei Mitgliedern: Gs und Golf.

Der Index "s" bezieht sich auf Stimulation und der Index "olf" bezieht sich auf "Geruchssinn". Golfproteine ​​werden insbesondere in den für den Geruch verantwortlichen sensorischen Neuronen exprimiert.

G Familie

Dies ist die größte und vielfältigste Familie. Sie werden in vielen Zelltypen exprimiert und vermitteln die rezeptorabhängige Hemmung verschiedener Arten von Adenylcyclase (der Index "i" bezieht sich auf die Hemmung).

Proteine ​​mit den α-Untereinheiten der Go-Gruppe werden insbesondere in Zellen des Zentralnervensystems exprimiert und weisen zwei Varianten auf: A und B.

G Familie

Proteine ​​mit dieser Familie der α-Untereinheiten sind für die Regulation der Phospholipase C verantwortlich. Diese Familie besteht aus vier Mitgliedern, deren α-Untereinheiten von verschiedenen Genen exprimiert werden. Sie sind in Leberzellen, Nierenzellen und Lungen reichlich vorhanden.

G Familie

Diese Familie wird in Organismen allgegenwärtig exprimiert und die genauen zellulären Prozesse, die durch Proteine ​​mit diesen Untereinheiten reguliert werden, sind nicht mit Sicherheit bekannt.

Β- und γ-Untereinheiten

Obwohl die Diversität der Alpha-Strukturen für die Identifizierung heterotrimerer Proteine ​​entscheidend ist, gibt es auch eine große Diversität in Bezug auf die beiden anderen Untereinheiten: Beta und Gamma.

Eigenschaften

G-Proteine ​​sind an der "Kanalisierung" von Signalen von Rezeptoren auf der Plasmamembran zu Effektorkanälen oder Enzymen beteiligt.

Das häufigste Beispiel für die Funktion dieses Proteintyps ist die Regulation des Enzyms Adenylatcyclase, eines Enzyms, das für die Synthese von Adenosin-3 ', 5'-monophosphat oder einfach cyclischem AMP verantwortlich ist, einem Molekül, das wichtige Funktionen als Second Messenger hat in vielen bekannten zellulären Prozessen:

-Selektive Phosphorylierung von Proteinen mit spezifischen Funktionen

-Genetische Transkription

-Reorganisation des Zytoskeletts

-Sekretion

-Depolarisation der Membran

Sie sind auch indirekt an der Regulation der Signalkaskade von Inositolen (Phosphatidylinositol und seine phosphorylierten Derivate) beteiligt, die für die Kontrolle von calciumabhängigen Prozessen wie Chemotaxis und die Sekretion löslicher Faktoren verantwortlich sind.

Viele Ionenkanäle und Transportproteine ​​werden direkt von Proteinen der G-Proteinfamilie gesteuert. Ebenso sind diese Proteine ​​an vielen sensorischen Prozessen wie Sehen, Riechen usw. beteiligt.

Wie arbeiten Sie?

Die Art der Wechselwirkung eines G-Proteins mit Effektorproteinen ist für jede Klasse oder Familie von Proteinen spezifisch.

Bei G-Proteinen, die mit Membranrezeptoren gekoppelt sind (heterotrimere G-Proteine), bewirkt die Bindung eines Guaninnukleotids wie GDP oder Guanosindiphosphat an die α-Untereinheit die Assoziation der drei Untereinheiten und bildet einen Komplex, der als Gαβγ oder G-GDP bekannt ist. welches an der Membran befestigt ist.

Wenn das GDP-Molekül anschließend gegen ein GTP-Molekül ausgetauscht wird, dissoziiert die an GTP gebundene α-Untereinheit von den β- und γ-Untereinheiten und bildet einen separaten Komplex, der als Gα-GTP bekannt ist und die Aktivität seiner Enzyme oder verändern kann Zielträgerproteine.

Die hydrolytische Aktivität dieser Untereinheit ermöglicht es ihr, die Aktivierung zu beenden, das GTP gegen ein neues BIP auszutauschen und zur inaktiven Konformation überzugehen.

In Abwesenheit der angeregten Rezeptoren, die mit G-Proteinen assoziieren, ist dieser Prozess des Austauschs von GDP zu GTP sehr langsam, was bedeutet, dass heterotrimere G-Proteine ​​GDP nur dann mit einer physiologisch signifikanten Geschwindigkeit gegen GTP austauschen, wenn sie an ihre gebunden sind angeregte Rezeptoren.

Verweise

1. Gilman, G. (1987). G-Proteine: Wandler von Rezeptor-generierten Signalen. Annual Reviews in Biochemistry, 56, 615-649.
2. Milligan, G. & Kostenis, E. (2006). Heterotrimere G-Proteine: eine kurze Geschichte. British Journal of Pharmacology, 147, 546–555.
3. Offermanns, S. (2003). G-Proteine ​​als Wandler bei der Transmembransignalisierung. Fortschritte in der Biophysik und Molekularbiologie, 83, 101–130.
4. Simon, M., Strathmann, MP & Gautam, N. (1991). Diversität von G-Proteinen in der Signalübertragung. Science, 252, 802 & ndash; 808.
5. V. Syrovatkina, KO Alegre, R. Dey & X. Huang (2016). Regulation, Signalgebung und physiologische Funktionen von G-Proteinen. Journal of Molecular Biology, 428 (19), 3850–3868.