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GTPasa

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 hidról...

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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 del GTP tienen lugar en el bucle P altamente conservado , el "dominio G", un dominio proteico común a muchas GTPasas. [ 1 ]

Funciones

Las GTPasas funcionan como interruptores moleculares o temporizadores en muchos procesos celulares fundamentales. [ 2 ]

Algunos ejemplos de estas funciones son:

Las GTPasas son activas cuando están unidas a GTP e inactivas cuando están unidas a GDP. [ 2 ] [ 3 ] En el modelo generalizado de señalización receptor-transductor-efector de Martin Rodbell , las GTPasas de señalización actúan como transductores para regular la actividad de las proteínas efectoras. [ 3 ] Este cambio de estado (inactivo-activo) se debe a cambios conformacionales en la proteína que distinguen estas dos formas, particularmente de las regiones de "interruptor" que, en el estado activo, pueden establecer contactos proteína-proteína con proteínas asociadas que alteran la función de estos efectores. [ 1 ]

Mecanismo

La hidrólisis del GTP unido a una GTPasa con dominio G (activa) conduce a la desactivación de la función de señalización/temporizador de la enzima. [ 2 ] [ 3 ] La hidrólisis del tercer fosfato (γ) del GTP para crear guanosina difosfato (GDP) y Pi , fosfato inorgánico , ocurre mediante el mecanismo S N 2 (véase sustitución nucleofílica ) a través de un estado de transición pentacoordinado y depende de la presencia de un ion magnesio Mg 2+ . [ 2 ] [ 3 ]

La actividad GTPasa actúa como mecanismo de desactivación para las funciones de señalización de las GTPasas, devolviendo la proteína activa unida a GTP al estado inactivo unido a GDP. [ 2 ] [ 3 ] La mayoría de las GTPasas poseen actividad GTPasa funcional, lo que les permite permanecer activas (es decir, unidas a GTP) solo por un corto tiempo antes de desactivarse mediante la conversión del 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 útil activa de las GTPasas de señalización. [ 4 ] Algunas GTPasas tienen poca o ninguna actividad GTPasa intrínseca y dependen completamente de las proteínas GAP para su desactivación (como el factor de ADP-ribosilación 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 al GTP. Dado que se desconocen los mecanismos para convertir el GDP unido directamente en GTP, las GTPasas inactivas son inducidas a liberar el GDP unido por la acción de proteínas reguladoras específicas llamadas factores de intercambio de nucleótidos de guanina o GEF. [ 2 ] [ 3 ] La proteína GTPasa libre de nucleótidos se une rápidamente al GTP, que se encuentra en exceso en las células sanas con respecto al 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 los GEF es el mecanismo de control principal en la estimulación de las funciones de señalización de la GTPasa, aunque las GAP también desempeñan un papel importante. En el caso de las proteínas G heterotriméricas y muchas proteínas pequeñas de unión a GTP, la actividad GEF es estimulada por receptores de la superficie celular en respuesta a señales externas a la célula (en el caso de las proteínas G heterotriméricas, los receptores acoplados a proteínas G son en sí mismos GEF, mientras que en el caso de las GTPasas pequeñas activadas por receptores, 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 al GDP. [ 6 ]

La cantidad de GTPasa activa se puede modificar de varias maneras:

  1. La aceleración de la disociación del GDP por parte de las GEF acelera la acumulación de GTPasa activa.
  2. La inhibición de la disociación del GDP mediante inhibidores de la disociación de nucleótidos de guanina (GDI) ralentiza la acumulación de GTPasa activa.
  3. La aceleración de la hidrólisis de GTP por las GAP reduce la cantidad de GTPasa activa.
  4. Los análogos artificiales de GTP, como GTP-γ-S , β,γ-metileno-GTP y β,γ-imino-GTP , que no pueden ser hidrolizados, pueden bloquear la GTPasa en su estado activo.
  5. Las mutaciones (como las que reducen la tasa intrínseca de hidrólisis de GTP) pueden bloquear la GTPasa en el estado activo, y dichas mutaciones en la pequeña GTPasa Ras son particularmente comunes en algunas formas de cáncer. [ 7 ]

GTPasas del dominio G

En la mayoría de las GTPasas, la especificidad por la base guanina frente a otros nucleótidos viene determinada por el motivo de reconocimiento de bases, que tiene la secuencia consenso [N/T]KXD. La siguiente clasificación se basa en características compartidas; algunos ejemplos presentan mutaciones en el motivo de reconocimiento de bases que modifican su especificidad de sustrato, generalmente hacia el ATP. [ 8 ]

Clase TRAFAC

La clase TRAFAC de proteínas con dominio G recibe su nombre del miembro prototípico, las proteínas G del factor de traducción. Estas proteínas desempeñan funciones en la traducción, la transducción de señales y la motilidad celular. [ 8 ]

superfamilia de factores de traducción

Múltiples GTPasas de la familia de factores de traducción clásicos desempeñan funciones importantes en la iniciación , elongación y terminación de la biosíntesis de proteínas . Compartiendo un modo similar de unión al ribosoma debido al dominio β-EI que sigue a la GTPasa, los miembros más conocidos de la familia son EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G , [ 9 ] y los factores de liberación de clase 2. Otros miembros incluyen EF-4 (LepA), BipA (TypA), [ 10 ] SelB (parálogo bacteriano de selenocisteína-ARNt EF-Tu), Tet ( resistencia a la tetraciclina por protección ribosomal), [ 11 ] y HBS1L ( proteína de rescate ribosomal eucariota similar a los factores de liberación).

La superfamilia también incluye la familia Bms1 de la levadura. [ 8 ]

Proteínas G heterotriméricas

Los complejos de proteína G heterotrimérica están compuestos por tres subunidades proteicas distintas llamadas subunidades alfa (α), beta (β) y gamma (γ) . [ 12 ] Las subunidades alfa contienen el dominio de unión a GTP/GTPasa flanqueado por largas regiones reguladoras, mientras que las subunidades beta y gamma forman un complejo dimérico estable denominado complejo beta-gamma . [ 13 ] Cuando se activa, una proteína G heterotrimérica se disocia en una subunidad alfa activada, unida a GTP, y una subunidad beta-gamma separada, cada una de las cuales puede desempeñar funciones de señalización distintas. [ 2 ] [ 3 ] Las subunidades α y γ están modificadas por anclajes lipídicos para aumentar su asociación con la capa interna de la membrana plasmática. [ 14 ]

Las proteínas G heterotriméricas actúan como transductores de receptores acoplados a proteínas G , acoplando la activación del receptor a efectores de señalización y segundos mensajeros posteriores . [ 2 ] [ 3 ] [ 15 ] 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 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 conformacional activador que lo disocia del receptor y también rompe el complejo en sus componentes de subunidades alfa y beta-gamma de la proteína G. [ 2 ] [ 3 ] Mientras que estas subunidades de proteína G activadas ahora son libres para activar sus efectores, el receptor activo también es libre para 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 por hidrólisis del 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 de la familia Regulador de la señalización de la proteína G (RGS). [ 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 unida a GDP, las dos partes del heterotrímero se reasocian al estado original inactivo. [ 2 ] [ 3 ]

Las proteínas G heterotriméricas se pueden clasificar, según la homología de secuencia de la unidad α y sus dianas funcionales, en cuatro familias: familia G s , familia G i , familia G q y familia G 12. [ 12 ] Cada una de estas familias de proteínas G α contiene múltiples miembros, de modo que los mamíferos poseen 16 genes de subunidades α distintos . [ 12 ] Las subunidades G β y G γ también están compuestas por muchos miembros, lo que aumenta la diversidad estructural y funcional del heterotrímero. [ 12 ] Entre las moléculas diana de las proteínas G específicas se encuentran las enzimas generadoras de segundos mensajeros adenilil ciclasa y fosfolipasa C , así como diversos canales iónicos . [ 16 ]

GTPasas pequeñas

Las GTPasas pequeñas funcionan como monómeros y tienen un peso molecular de aproximadamente 21 kilodaltons que consiste principalmente en el dominio GTPasa. [ 17 ] También se les llama 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 de este tipo, llamada Ras , también se las conoce como GTPasas de la superfamilia Ras . Las GTPasas pequeñas generalmente sirven como interruptores moleculares y transductores de señales para una amplia variedad de eventos de señalización celular, a menudo involucrando membranas, vesículas o citoesqueleto. [ 18 ] [ 17 ] De acuerdo con sus secuencias de aminoácidos primarias y propiedades bioquímicas, las muchas GTPasas pequeñas de la superfamilia Ras se dividen además en cinco subfamilias con funciones distintas: Ras , Rho ("homología Ras"), Rab , Arf y Ran . [ 17 ] Mientras que muchas GTPasas pequeñas se activan mediante sus GEF en respuesta a señales intracelulares que emanan de receptores de la superficie celular (en particular, receptores de factores de crecimiento ), los GEF reguladores de muchas otras GTPasas pequeñas se activan en respuesta a señales celulares intrínsecas, no a señales de la superficie celular (externas).

Superfamilia de miosina-cinesina

Esta clase se define por la pérdida de dos hebras beta y hebras N-terminales adicionales. Ambos homónimos de esta superfamilia, la miosina y la kinesina , han pasado a utilizar ATP. [ 8 ]

Grandes GTPases

Consideremos la dinamina como un prototipo de GTPasas monoméricas de gran tamaño.

Clase SIMIBI

Gran parte de la clase SIMIBI de GTPasas se activa por dimerización. [ 8 ] Nombrada en honor a la partícula de reconocimiento de señal (SRP), MinD y BioD, esta clase participa en la localización de proteínas, la partición cromosómica y el transporte de membrana. Varios miembros de esta clase, incluyendo MinD y Get3, han cambiado su especificidad de sustrato para convertirse en ATPasas. [ 19 ]

Factores de translocación

Para un análisis de los factores de translocación y el papel del GTP, consulte la partícula de reconocimiento de señal (SRP).

Otros GTPases

Si bien la tubulina y las proteínas estructurales relacionadas también se unen al GTP y lo hidrolizan como parte de su función de formar túbulos intracelulares, estas proteínas utilizan un dominio de tubulina distinto que no está relacionado con el dominio G utilizado por las GTPasas de señalización. [ 20 ]

También existen proteínas hidrolizadoras de GTP que utilizan un bucle P de una superclase distinta a la que contiene el dominio G. Algunos ejemplos son las proteínas NACHT de su propia superclase y la proteína McrB de la superclase AAA+ . [ 8 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Stouten, PF; Sander, C; Wittinghofer, A; Valencia, A (1993). "¿Cómo funciona la región switch II de los dominios G?". FEBS Letters . 320 (1): 1– 6. Bibcode : 1993FEBSL.320....1S . doi : 10.1016/0014-5793(93)81644-f . PMID 8462668 . 
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Gilman, AG (1987). "Proteínas G: transductores de señales generadas por receptores". Annual Review of Biochemistry . 56 : 615–649 . doi : 10.1146/annurev.bi.56.070187.003151 . PMID 3113327 . 
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Rodbell , M ( 1995 ) . " Conferencia Nobel: Transducción de señales: Evolución de una idea" . Bioscience Reports . 15 ( 3): 117– 133. doi : 10.1007/bf01207453 . PMC 1519115. PMID 7579038. S2CID 11025853 .   
  4. 1 2 Berman, DM; Gilman, AG (1998). "Proteínas RGS de mamíferos: bárbaros a las puertas" . Journal of Biological Chemistry . 273 (3): 1269– 1272. doi : 10.1074/jbc.273.3.1269 . PMID 9430654 . 
  5. ↑ Kahn, RA; Gilman, AG (1986). "El cofactor proteico necesario para la ADP-ribosilación de Gs por la toxina del cólera es en sí mismo una proteína de unión a GTP" . Journal of Biological Chemistry . 261 (17): 7906– 7911. doi : 10.1016/S0021-9258(19)57489-0 . PMID 3086320 . 
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