Las GTPasas son una gran familia de enzimas hidrolasas que se unen al nucleótido guanosina trifosfato (GTP) y lo hidrolizan a guanosina difosfato (GDP) . [1] La unión e hidrólisis de GTP tiene lugar en el dominio G altamente conservado común a muchas GTPasas. [1]
Funciones
Las GTPasas funcionan como interruptores moleculares o temporizadores en muchos procesos celulares fundamentales. [2]
Ejemplos de estos roles incluyen:
- Transducción de señales en respuesta a la activación de los receptores de la superficie celular, incluidos los receptores transmembrana como los que median el gusto , el olfato y la visión . [2]
- Biosíntesis de proteínas (también conocida como traducción ) en el ribosoma .
- Regulación de la diferenciación , proliferación , división y movimiento celular .
- Translocación de proteínas a través de membranas .
- Transporte de vesículas dentro de la célula y secreción y captación mediadas por vesículas, a través del control de GTPasa del ensamblaje de la cubierta de vesículas.
Las GTPasas son activas cuando están unidas a GTP e inactivas cuando están unidas a GDP. [2] [3] En el modelo de señalización de receptor-transductor-efector generalizado de Martin Rodbell , las GTPasas de señalización actúan como transductores para regular la actividad de las proteínas efectoras. [3] Este cambio inactivo-activo se debe a cambios conformacionales en la proteína que distingue estas dos formas, particularmente de las regiones de "cambio" que en el estado activo son capaces de hacer contactos proteína-proteína con proteínas asociadas que alteran la función de estas efectores. [1]
Mecanismo
La hidrólisis de GTP unido a una GTPasa (activa) conduce a la desactivación de la función de señalización / temporizador de la enzima. [2] [3] La hidrólisis de la tercera (γ) fosfato de GTP para crear difosfato de guanosina (GDP) y P i , fosfato inorgánico , se produce por la S N 2 mecanismo (ver sustitución nucleófila ) a través de un estado de transición pentavalente y es dependiente de la presencia de un ion magnesio Mg 2+ . [2] [3]
La actividad de GTPasa sirve como mecanismo de cierre de las funciones de señalización de las GTPasas al devolver la proteína activa unida a GTP al estado inactivo unido a GDP. [2] [3] La mayoría de las "GTPasas" tienen actividad GTPasa funcional, lo que les permite permanecer activas (es decir, unidas a GTP) solo por un corto tiempo antes de desactivarse convirtiendo GTP unido en GDP unido. [2] [3] Sin embargo, muchas GTPasas también utilizan proteínas accesorias denominadas proteínas activadoras de GTPasa o GAP para acelerar su actividad GTPasa. Esto limita aún más la vida activa de las GTPasas de señalización. [4] Algunas GTPasas tienen poca o ninguna actividad GTPasa intrínseca y son completamente dependientes de las proteínas GAP para la desactivación (como el factor de ribosilación de ADP o la familia ARF de pequeñas proteínas de unión a GTP que participan en el transporte mediado por vesículas dentro de las células) . [5]
Para activarse, las GTPasas deben unirse a GTP. Dado que se desconocen los mecanismos para convertir el GDP unido directamente en GTP, se induce a las GTPasas inactivas a liberar el GDP unido por la acción de distintas proteínas reguladoras llamadas factores de intercambio de nucleótidos de guanina o GEF. [2] [3] La proteína GTPasa libre de nucleótidos se vuelve a unir rápidamente a GTP, que está en exceso en las células sanas sobre el GDP, lo que permite que la GTPasa entre en el estado de conformación activa y promueva sus efectos en la célula. [2] [3] Para muchas GTPasas, la activación de GEF es el mecanismo de control principal en la estimulación de las funciones de señalización de GTPasa, aunque las GAP también juegan un papel importante. Para las proteínas G heterotriméricas y muchas proteínas pequeñas que se unen a GTP, la actividad de GEF es estimulada por los receptores de la superficie celular en respuesta a señales externas a la célula (para las proteínas G heterotriméricas, los receptores acoplados a proteína G son en sí mismos GEF, mientras que para las GTPasas pequeñas activadas por receptor sus GEF son distintos de los receptores de la superficie celular).
Algunas GTPasas también se unen a proteínas accesorias llamadas inhibidores de la disociación de nucleótidos de guanina o GDI que estabilizan el estado inactivo unido a GDP. [6]
La cantidad de GTPasa activa se puede cambiar de varias formas:
- La aceleración de la disociación del PIB por parte de los FMAM acelera la acumulación de GTPasa activa.
- La inhibición de la disociación de GDP por inhibidores de la disociación de nucleótidos de guanina (GDI) ralentiza la acumulación de GTPasa activa.
- La aceleración de la hidrólisis de GTP por GAP reduce la cantidad de GTPasa activa.
- Los análogos de GTP artificiales como GTP-γ-S , β, γ-metilen-GTP y β, γ-imino-GTP que no se pueden hidrolizar pueden bloquear la GTPasa en su estado activo.
- Las mutaciones (como las que reducen la tasa de hidrólisis intrínseca de GTP) pueden bloquear la GTPasa en el estado activo, y tales mutaciones en la pequeña GTPasa Ras son particularmente comunes en algunas formas de cáncer. [7]
Motivos principales
En la mayoría de las GTPasas, la especificidad por la base guanina frente a otros nucleótidos es impartida por el motivo de reconocimiento de bases, que tiene la secuencia consenso [N / T] KXD. [8]
Tenga en cuenta que, si bien la tubulina y las proteínas estructurales relacionadas también se unen e hidrolizan GTP como parte de su función para formar túbulos intracelulares, estas proteínas utilizan un dominio de tubulina distinto que no está relacionado con el dominio de GTPasa utilizado por las GTPasas de señalización. [9]
Proteínas G heterotriméricas
Proteínas G heterotriméricas complejos se componen de tres subunidades distintas proteína denominada alfa (a), beta (beta) y gamma (gamma) subunidades . [10] Las subunidades alfa contienen el dominio de unión a GTP / GTPasa flanqueado por regiones reguladoras largas, mientras que las subunidades beta y gamma forman un complejo dimérico estable denominado complejo beta-gamma . [11] Cuando se activa, una proteína G heterotrimérica se disocia en una subunidad alfa unida a GTP activada y una subunidad beta-gamma separada, cada una de las cuales puede realizar funciones de señalización distintas. [2] [3] Las subunidades α y γ son modificadas por anclajes lipídicos para aumentar su asociación con la valva interna de la membrana plasmática. [12]
Las proteínas G heterotriméricas actúan como transductores de receptores acoplados a proteínas G , acoplando la activación del receptor a los efectores de señalización descendentes y segundos mensajeros . [2] [3] [13] En células no estimuladas, las proteínas G heterotriméricas se ensamblan como el trímero inactivo unido a GDP ( complejo G α -GDP-G βγ ). [2] [3] Tras la activación del receptor, el dominio intracelular del receptor activado actúa como GEF para liberar el GDP del complejo de proteína G y promover la unión de GTP en su lugar. [2] [3] El complejo unido a GTP experimenta un cambio de conformación activador que lo disocia del receptor y también rompe el complejo en sus componentes de la subunidad alfa y beta-gamma de la proteína G componente. [2] [3] Si bien estas subunidades de proteína G activadas ahora son libres para activar sus efectores, el receptor activo también es libre de activar proteínas G adicionales - esto permite la activación catalítica y la amplificación donde un receptor puede activar muchas proteínas G. [2] [3]
La señalización de la proteína G finaliza mediante la hidrólisis de GTP unido a GDP unido. [2] [3] Esto puede ocurrir a través de la actividad GTPasa intrínseca de la subunidad α, o ser acelerado por proteínas reguladoras separadas que actúan como proteínas activadoras de GTPasa (GAP), como los miembros del regulador de señalización de la proteína G (RGS) familia). [4] La velocidad de la reacción de hidrólisis funciona como un reloj interno que limita la duración de la señal. Una vez que G α vuelve a estar ligado al PIB, las dos partes del heterotrímero se vuelven a asociar al estado inactivo original. [2] [3]
Las proteínas G heterotriméricas pueden clasificarse por homología de secuencia de la unidad α y por sus dianas funcionales en cuatro familias: familia G s , familia G i , familia G q y familia G 12 . [10] Cada una de estas familias de proteínas G α contiene múltiples miembros, de modo que los mamíferos tienen 16 genes distintos de subunidades α . [10] Los G β y G γ también están compuestos por muchos miembros, lo que aumenta la diversidad estructural y funcional de los heterotrímeros. [10] Entre las moléculas diana de las proteínas G específicas se encuentran las enzimas generadoras de segundo mensajero adenilil ciclasa y fosfolipasa C , así como varios canales iónicos . [14]
Pequeñas GTPasas
Las pequeñas GTPasas funcionan como monómeros y tienen un peso molecular de aproximadamente 21 kilodaltons que consiste principalmente en el dominio GTPasa. [15] También se denominan proteínas reguladoras de unión a nucleótidos de guanina pequeñas o monoméricas, proteínas de unión a GTP pequeñas o monoméricas o proteínas G pequeñas o monoméricas, y debido a que tienen una homología significativa con la primera proteína identificada, denominada Ras , también se denominan GTPasas de la superfamilia Ras . Las pequeñas GTPasas generalmente sirven como interruptores moleculares y transductores de señal para una amplia variedad de eventos de señalización celular, que a menudo involucran membranas, vesículas o citoesqueleto. [16] [15] Según sus secuencias de aminoácidos primarios y propiedades bioquímicas, las muchas GTPasas pequeñas de la superfamilia Ras se dividen en cinco subfamilias con funciones distintas: Ras , Rho ("homología Ras"), Rab , Arf y Ran . [15] Si bien muchas GTPasas pequeñas son activadas por sus GEF en respuesta a señales intracelulares que emanan de los receptores de la superficie celular (particularmente los receptores del factor de crecimiento ), los GEF reguladores para muchas otras GTPasas pequeñas se activan en respuesta a señales celulares intrínsecas, no en la superficie celular (externas ) señales.
Familia de factores de traducción
Las GTPasas de la familia de múltiples factores de traducción juegan un papel importante en el inicio , elongación y terminación de la biosíntesis de proteínas . [17] [18]
Factores de translocación
Para obtener más información sobre los factores de translocación y el papel de GTP, consulte la partícula de reconocimiento de señales (SRP).
GTPasas grandes
Ver dinamina como un prototipo de grandes GTPasas monoméricas.
Ver también
- Receptores acoplados a proteína G
- Receptor del factor de crecimiento
- Septins
Referencias
- ^ a b c Stouten, PF; Sander, C; Wittinghofer, A; Valencia, A (1993). "¿Cómo funciona la región del switch II de los dominios G?" . Cartas FEBS . 320 (1): 1–6. doi : 10.1016 / 0014-5793 (93) 81644-f . PMID 8462668 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q Gilman, AG (1987). "Proteínas G: transductores de señales generadas por receptores". Revisión anual de bioquímica . 56 : 615–649. doi : 10.1146 / annurev.bi.56.070187.003151 . PMID 3113327 .
- ^ a b c d e f g h i j k l m n o p Rodbell, M. (1995). "Conferencia Nobel: Transducción de señales: Evolución de una idea". Informes de biociencia . 15 (3): 117-133. doi : 10.1007 / bf01207453 . PMID 7579038 .
- ^ a b Berman, DM; Gilman, AG (1998). "Proteínas RGS de mamíferos: bárbaros en la puerta" . Revista de Química Biológica . 273 (3): 1269-1272. doi : 10.1074 / jbc.273.3.1269 . PMID 9430654 .
- ^ Kahn, RA; Gilman, AG (1986). "El cofactor proteico necesario para la ADP-ribosilación de G por la toxina del cólera es en sí mismo una proteína de unión a GTP". Revista de Química Biológica . 261 (17): 7906–7911. PMID 3086320 .
- ^ Sasaki, T; Takai, Y (1998). "El sistema Rho GDI de la familia Rho Small G Protein como un determinante temporal y espacial para el control del citoesqueleto". Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica . 245 (3): 641–645. doi : 10.1006 / bbrc.1998.8253 . PMID 9588168 .
- ^ Murugan, AK; Grieco, M; Tsuchida, N (2019). "Mutaciones de RAS en cánceres humanos: funciones en la medicina de precisión". Seminarios de Biología del Cáncer . 59 : 23–35. doi : 10.1016 / j.semcancer.2019.06.007 . PMID 31255772 .
- ^ Leipe DD; Wolf YI; Koonin EV y Aravind, L. (2002). "Clasificación y evolución de GTPasas de bucle P y ATPasas relacionadas" . J. Mol. Biol . 317 (1): 41–72. doi : 10.1006 / jmbi.2001.5378 . PMID 11916378 .
- ^ Nogales E, Downing KH, Amos LA, Löwe J (junio de 1998). "Tubulin y FtsZ forman una familia distinta de GTPasas". Nat. Struct. Biol . 5 (6): 451–8. doi : 10.1038 / nsb0698-451 . PMID 9628483 .
- ^ a b c d Hurowitz EH, Melnyk JM, Chen YJ, Kouros-Mehr H, Simon MI, Shizuya H (abril de 2000). "Caracterización genómica de los genes de la subunidad alfa, beta y gamma de la proteína G heterotrimérica humana" . Investigación de ADN . 7 (2): 111-20. doi : 10.1093 / dnares / 7.2.111 . PMID 10819326 .
- ^ Clapham DE, Neer EJ (1997). "Subunidades de proteína G beta gamma". Revista anual de farmacología y toxicología . 37 : 167-203. doi : 10.1146 / annurev.pharmtox.37.1.167 . PMID 9131251 .
- ^ Chen, CA; Manning, RD (2001). "Regulación de proteínas G por modificación covalente" . Oncogén . 20 (13): 1643–1652. doi : 10.1038 / sj.onc.1204185 . PMID 11313912 .
- ^ Pierce, KL; Premont, RT; Lefkowitz, RJ (2002). "Siete receptores transmembrana". Nature Reviews Biología celular molecular . 3 (9): 639–650. doi : 10.1038 / nrm908 . PMID 12209124 .
- ^ Neves, SR; Ram, PT; Iyengar, R (2002). "Vías de la proteína G". Ciencia . 296 (5573): 1636–1639. Código Bibliográfico : 2002Sci ... 296.1636N . doi : 10.1126 / science.1071550 . PMID 12040175 .
- ^ a b c Takai, Y; Sasaki, T; Matozaki, T (2001). "Pequeñas proteínas de unión a GTP". Revisiones fisiológicas . 81 (1): 153-208. doi : 10.1152 / physrev.2001.81.1.153 . PMID 11152757 .
- ^ Hall, A (1990). "Las funciones celulares de las pequeñas proteínas de unión a GTP". Ciencia . 249 (4969): 635–640. Código Bibliográfico : 1990Sci ... 249..635H . doi : 10.1126 / science.2116664 . PMID 2116664 .
- ^ Parmeggiani, A; Sander, G. (1981). "Propiedades y regulación de las actividades GTPasa de los factores de alargamiento Tu y G, y del factor de iniciación 2". Bioquímica molecular y celular . 35 (3): 129-158. doi : 10.1007 / BF02357085 . PMID 6113539 .
- ^ Gibbs, MR; Fredrick, K (2018). "Los papeles de las elusivas GTPasas traslacionales salen a la luz e informan sobre el proceso de biogénesis de ribosomas en bacterias" . Microbiología molecular . 107 (4): 445–454. doi : 10.1111 / mmi.13895 . PMC 5796857 . PMID 29235176 .
enlaces externos
- GTPase en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .
- MBInfo - RhoGTPases