Строение g белков. Механизм работы рецепторов сопряженных с G-белком. Различают неактивную форму G-белка - комплекс бвг-ГДФ и активированную форму бвг-ГТФ. Активация G-белка происходит при взаимодействии с комплексом активатор-рецептор, изменение конформа

G-БЕЛКИ, ПОНЯТИЕ И
КЛАССИФИКАЦИЯ.
G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫЕ
РЕЦЕПТОРЫ
ПОДГОТОВИЛА:
СТУДЕНТКА 3 КУРСА, 3 МЕДИЦИНСКОГО
ФАКУЛТЕТА,6 ГРУППЫ
КАЛИНОВСКАЯ Я.Д

G-белки. Понятие и классификация

G-БЕЛКИ. ПОНЯТИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
G-белки (англ. G proteins) - это семейство белков,
относящихся к ГТФазам и функционирующих в качестве
вторичных посредников во внутриклеточных сигнальных
каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном
механизме они используют замену GDP на GTP как
молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки
клеточных процессов.
G-белки были обнаружены и исследованы Альфредом Гилманом и
Мартином Родбеллом, которые получили за это открытие
Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1994 года

Типы G-белков

ТИПЫ G-БЕЛКОВ
G-белки делятся на две основных группы - гетеротримерные («большие»)
и «малые».
Гетеротримерные G-белки - это белки с четвертичной структурой,
состоящие из трёх субъединиц: альфа(α), бета (β) и гамма (γ). Малые Gбелки - это белки из одной полипептидной цепи, и относятся к
суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь
гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы Gбелков участвуют во внутриклеточной сигнализации.
Гетеротримерные G-белки
У всех гетеротримерных G-белков сходный механизм активации: они
активируются при взаимодействии со специфическими рецепторами,
сопряженными с G-белками, при этом обменивая ГДФ на ГТФ и
распадаясь на α- и βγ-субъединицы. α-субъединица, связанная с ГТФ,
воздействует на следующее звено в цепи передачи сигнала. βγсубъединица также может вызывать собственные эффекты. Инактивация
G-белков происходит в результате медленного гидролиза ГТФ до ГДФ αсубъединицей, после чего происходит реассоциация (объединение)
субъединиц.

Белки-помощники G-белков

БЕЛКИ-ПОМОЩНИКИ G-БЕЛКОВ
В работе многих G-белков участвуют вспомогательные белки.
GAPs (GTPase Activating Proteins, белки-активаторы ГТФазной
активности) ускоряют гидролиз ГТФ, ускоряя инактивацию Gбелков. Особенно важна функция GAPs для малых G-белков,
так как альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков часто
сами обладают достаточной ГТФ-азной активностью. К GAPбелкам относятся белки семейства RGS.
GEFs (Guanine nucleotide Exchange Factors, факторы обмена
гуаниловых нуклеотидов), ускоряют обмен ГДФ на ГТФ и таким
образом активируют G-белки. Обычно для G-белка GEF-ом
служит активированный лигандом рецептор, однако в некоторых
случаях белки AGS (Activator of G-protein Signaling, активаторы
передачи сигнала G-белками) могут активировать G-белок
независимо от воздействия на него рецептора.

Цикл активации G-белка под действием G-белок-связанного рецептора.

G-Белок связанные рецепторы

G-БЕЛОК СВЯЗАННЫЕ РЕЦЕПТОРЫ
Рецепторы, сопряженные с G белком (серпетиновые
рецепторы)(англ. G-protein-coupled receptors, GPCRs), также
известные как семиспиральные рецепторы составляют большое
семейство трансмембранных рецепторов. GPCR выполняют
функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала,
приводящими в итоге к клеточному ответу.
Эндогенные лиганды-агонисты, которые связываются и активируют эти
рецепторы, включают гормоны, нейромедиаторы, светочувствительные
вещества, пахучие вещества, феромоны и варьируются в своих
размерах от небольших молекул и пептидов до белков. Нарушение
работы GPCR приводит к возникновению множества различных
заболеваний, а сами рецепторы являются мишенью до 40 %
выпускаемых лекарств. на многочисленные схемы, было предложено
разделить надсемейство на три основных класса (a, b и c).
Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках
эукариот: у дрожжей, растений и животных.

Лиганды и лиганд-связывающие участки серпентиновых рецепторов

ЛИГАНДЫ И ЛИГАНД-СВЯЗЫВАЮЩИЕ
УЧАСТКИ СЕРПЕНТИНОВЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Уникальная структура лиганд-связывающих участков
серпентиновых рецепторов позволяет связывать лиганды
различной природы и молекулярной массы

Классификация G-Белок Сопряженных рецепторов

КЛАССИФИКАЦИЯ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Семейство GPCR подразделяют на 6 классов на основании гомологии
их аминокислотных последовательностей и функционального сходства:
1.
Класс A (или 1) (Родопсиноподобные рецепторы)
2.
Класс B (или 2) (Рецепторы секретинового семейства)
3.
Класс C (или 3) (Метаботропные глутаматные рецепторы)
4.
Класс D (или 4) (Рецепторы феромонов спаривания грибков)
5.
Класс E (или 5) (Рецепторы цАМФ)
6.
Класс F (или 6) (Frizzled/Smoothened)
Класс A является на сегодняшний день самым большим, поэтому
далее поделен на 19 подклассов (A1-A19). На его долю приходится
около 85 % генов ПЗСК. По предположениям более половины
рецепторов из данного класса кодируют обонятельные рецепторы,
тогда как остальные 15 % - кодируют рецепторы эндогенных
соединений.
Человеческий геном кодирует порядка 350 рецепторов, связанных с Gбелками, которые связывают гормоны, факторы роста и другие
эндогенные лиганды. Функция около 150 рецепторов, обнаруженных в
геноме человека, остаётся невыясненной.

СТРУКТУРА РЕЦЕПТОРА G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Внеклеточная часть состоит из петель, в которых среди прочих
остатков содержатся два высококонсервативных остатка
цистеина, образующих дисульфидную связь, что стабилизирует
структуру рецептора.
Ранние структурные модели GPCR были основаны на их
некоторой схожести с бактериородопсином, для которого
структура была определена как методом электронной
дифракции так и рентгеноструктурным анализом.

Структура рецептора G-белок сопряженных рецепторов

СТРУКТУРА РЕЦЕПТОРА G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
В 2000 году была получена структура первого GPCR
млекопитающих - бычьего родопсина (1F88). Оказалось, что хотя
основная черта - семь трансмембранных спиралей -
сохранена, относительное их расположение заметно отличается от
такового в бактериородопсине.
В 2007 году впервые была получена структура GPCR человека - β2адренэргического рецептора (2R4R, 2R4S) (2RH1).Структура этого
рецептора оказалась весьма сходной со структурой зрительного
родопсина быка по взаимному расположению спиралей. Однако
конформация второй внеклеточной петли в этих структурах
различается коренным образом. А поскольку эта петля является
«крышкой», закрывающей сверху сайт связывания лиганда, то
различия в её конформации подчеркивают трудности построения
моделей рецепторов, связанных с G-белками, основываясь лишь
на структуре зрительного родопсина.
В 2008 году была получена структура опсина, очищенного от
родопсина, с разрешением 2,5 ангстрема.

АКТИЦВАЦИЯ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
С-концевой участок рецептора локализован на
цитоплазматической стороне плазматической мембраны и
содержит высококонсервативные цистеиновые остатки,
характерные для всего семейства G-белок связывающих
рецепторов. В неактивном состоянии G белки обычно находятся
вблизи рецептора. Фактически они представляют собой
комплекс, сформированный из 3-х различных субъединиц,
названых: Альфа, Бетта и Гамма.

Актицвация G-белок сопряженных рецепторов

АКТИЦВАЦИЯ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
До активации все три субъединицы связаны вместе. Когда
рецептор активируется присоединением лиганда, на aсубъединице происходит обмен GDP на GTP (откуда и термин G
белок). Два состояния G белка (on или off) определяются
гуаниновым нуклеотидом, который он в данный момент связывает.
Неактивный G белок связывает GDP, активный связывает GTP. Будучи
в активном состоянии, G белок передает сигналы далее в клетку.
Однако G белок остается в активном состоянии только в течение
короткого периода времени (секунды или меньше), после чего он
дефосфорилируется его собственной GTP-азой. Этот гидролиз
представляет механизм отрицательной обратной связи, который
обеспечивает кратковременность нахождения G белка в активном
состоянии.
В последние годы выяснены механизмы участия b-гамма
субъединицы G белка в регуляции активности К+ и Са2+ каналов.

Ацетилхолин индуцирует открытие К+ каналов в мембране (клеток сердечной мышцы)

АЦЕТИЛХОЛИН ИНДУЦИРУЕТ ОТКРЫТИЕ К+
КАНАЛОВ В МЕМБРАНЕ (КЛЕТОК СЕРДЕЧНОЙ
МЫШЦЫ)
Связывание АХ с мускариновым АХ-рецептором активирует
обмен GTP на GDP на a-субъединице G белка. Освобожденная
b-гамма субъединица связывается с К+ каналом и открывает
его. Увеличение проницаемости для К+ гиперполяризует
мембрану, что уменьшает частоту сердечных сокращений.

РЕГУЛЯЦИЯ G-БЕЛОК-ЗАВИСИМЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Рецепторы, связанные с G-белками теряют чувствительность
после длительной экспозиции со своими лигандами. Различают
две формы потери чувствительности (десенситизации): 1)
гомологичную, при которой сокращается число активированных
рецепторов; и 2) гетерологическую, при которой
активированный рецептор вызывает сокращение числа
рецепторов других типов. Ключевой реакцией подобного
сокращения числа рецепторов является фосфорилирование
внутриклеточного (или, что то же, цитоплазматического) домена
рецептора протеинкиназами.

Регуляция G-белок-зависимых рецепторов

РЕГУЛЯЦИЯ G-БЕЛОК-ЗАВИСИМЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Фосфорилирование цАМФ-зависимыми протеинкиназами
цАМФ-зависимые киназы (протеинкиназа А) активируются цепью
сигналов с G-белка (который был активирован рецептором)
посредством аденилатциклазы и цАМФ. По механизму
обратной связи эти активированные киназы фосфорилируют
рецептор. Чем дольше рецептор остаётся активным, тем
больше киназ активируется, тем больше рецепторов
фосфорилируется.

Регуляция G-белок-зависимых рецепторов

РЕГУЛЯЦИЯ G-БЕЛОК-ЗАВИСИМЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Фосфорилирование GRK-киназами.
Киназы рецепторов, связанных с G-белками (GRK-киназы) - это
протеинкиназы, фосфорилирующие лишь активные рецепторы,
связанные с G-белками.
Фосфорилирование рецептора может иметь такие последствия:
1.
Транслокация: Рецептор, заодно с частью окружающей его
мембраны, захватывается внутрь клетки, где дефосфорилируется при
кислых значениях внутри везикул среды и возвращается обратно. Этот
механизм используется для регуляции при долговременном воздействии,
например, гормонов, позволяя возвращение чувствительности
(ресенситизацию) после её потери. Иначе, рецептор может претерпеть
лизосомальное расщепление или остаться интернализованным.
2.
Связывание аррестина: Фосфорилированный рецептор может
связаться с молекулами аррестина, которые не допустят его связывания с
G-белками (и активации их), эффективно выключая рецептор на
короткое время. Этот механизм используется, например, в родопсине
клеток сетчатки для компенсации воздействия яркого света.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Рецепторы, связанные с G-белками вовлечены в широкий круг
физиологических процессов. Вот некоторые примеры:
1.
зрение: опсины используют реакцию фотоизомеризации
для превращения электромагнитного излучения в клеточные
сигналы. Родопсин, например, использует превращение 11-цисретиналя в полностью-транс-ретиналь для этой цели;
2.
обоняние: рецепторы обонятельного эпителия связывают
пахучие вещества (обонятельные рецепторы) и феромоны
(вомероназальные рецепторы);
3.
регуляция поведения и настроения: рецепторы в мозге
млекопитающих связывают несколько различных
нейромедиаторов, включая серотонин, дофамин, гаммааминомасляную кислоту (ГАМК) и глутамат;

Физиологическая роль G-белок сопряженных рецепторов

ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ G-БЕЛОК
СОПРЯЖЕННЫХ РЕЦЕПТОРОВ
4.
регуляция активности иммунной системы и воспаления:
хемокиновые рецепторы связывают лиганды, которые
осуществляют межклеточную коммуникацию в иммунной
системе; рецепторы, такие как гистаминовый рецептор,
связывают медиаторы воспаления и вовлекают определенные
типы клеток в воспалительный процесс;
5.
функционирование вегетативной нервной системы: как
симпатическая, так и парасимпатическая нервная система
регулируются посредством рецепторов, связанных с G-белками,
ответственных за многие автоматические функции организма,
такие как поддержание кровяного давления, частоты сердечных
сокращений и пищеварительных процессов.

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
1.Карта белка рецептора мускаринового
Ацетилхолиновый мускариновый рецептор относится к классу
серпентиновых рецепторов, осуществляющих передачу сигнала
через гетеротримерные G- белки.
Семейство мускариновых рецепторов впервые было о
бнаружено благодаря их способности связывать алкалоид
мускарин. Мускариновые рецепторы были изначально
разделены фармакологически на М1 и М2 типы, на основании
различия в их чувствительности к пирензепину, оказавшемуся
селективном антагонистом М1 рецептора. Показано, что
стимуляция М1 рецептора активирует фосфолипазу С (PLC),
приводя к высбождению вторичного мессенджера инозитол 3фосфата и последующей мобилизации внутриклеточного
кальция.

Примеры G-белок сопряженных рецепторов

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
Показано также, что ингибирование M2 рецептора подавляет
активность аденилатциклазы, приводя к уменьшению
внутриклеточного уровня сАМР. Мускариновые рецепторы
можно разбить на подтипы в соответствии с их способностью
мобилизовать внутриклеточный кальций (m1,m3,m5) или
ингибировать аденилатциклазу (m2,m). Подтипы m1, m3 и m5
рецептора активируют фосфолипазы А2, С и D, тирозинкиназу и
вход кальция. Подтипы M2, M также увеличивают активность
фосфолипазы А2. В передаче сигнала с b-адренергического
рецептора G белки.

Примеры G-белок сопряженных рецепторов

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
2.Карта белка рецептора адренергического бета
При молекулярном клонировании гена и кДНК бетаадренаргического рецептора млекопитающих выявились
неожиданные особенности. Во-первых, оказалось, что в данном
гене нет интронов и, следовательно, вместе с генами гистонов и
интерферона он составляет единственную группу генов
млекопитающих, лишенных этих структур. Во-вторых, удалось
установить, что бета-адренергический рецептор имеет близкую
гомологию с родопсином (по крайней мере в трех пептидных
участках) - белком, инициирующим зрительную реакцию на
свет.
Действуя как лиганд, адреналин связывается с рецептороми,
экспонированными на поверхности разнообразных типов
клеток повсюду в организме. Эти рецепторы называются bадренергическими и являются серпентиновыми. Адреналин не
проникает в клетку. Активность серпентиновых рецепторов не
зависит от димеризации рецепторов.

Примеры G-белок сопряженных рецепторов

ПРИМЕРЫ G-БЕЛОК СОПРЯЖЕННЫХ
РЕЦЕПТОРОВ
3.Рецепторы, связывающие G-белки: гликозилирование
Следует отметить, что NH2 концевой участок рецепторов,
связывающих G-белки, находится на экстраклеточной стороне
мембраны и содержит потенциальные места
гликозилирования. Существенная роль гликолизирования в
связывании лиганда была показана посредством мутационного
анализа мускариновых рецепторов.

РЕЦЕПТОРЫ ГОРМОНОВ
СОПРЯЖЕННЫЕ С G-БЕЛКАМИ
Многие гормоны активируют рецепторы, которые регулируют
активность белков клеток- мишеней (например, ферментов или
белков ионных каналов) не напрямую, а объединяясь с группами
белков клеточных мембран, называемыми гетеротримерными
ГТФ-связанными белками (G-белками). Известно более 1000 Gбелок-сопряженных рецепторов, все они имеют 7трансмембранных сегментов, образующих петли внутри и
снаружи мембраны клетки. Некоторые части рецептора,
выступающие в цитоплазму клетки (главным образом
расположенный в цитоплазме клеточный хвост рецептора),
объединены с G-белками, включающими три части (отсюда -
тримерные): а-, бета-, у-субъединицы.

Рецепторы гормонов Сопряженные с G-белками

РЕЦЕПТОРЫ ГОРМОНОВ
СОПРЯЖЕННЫЕ С G-БЕЛКАМИ
Когда лиганд (гормон) взаимодействует с внеклеточной частью
рецептора, в нем происходят конформационные изменения,
активирующие G-белок и индуцирующие внутриклеточные
сигналы, которые либо 1) открывают или закрывают ионные
каналы мембраны, либо 2) изменяют активность ферментов в
цитоплазме клетки.
Трехкомпонентные G-белки получили свое название благодаря
своей способности связываться с гуанозиновыми нуклеотидами.
Таким образом, в зависимости от взаимодействия рецептора
гормона с тормозящим или активирующим G-белком гормон
может либо увеличивать, либо снижать активность ферментов
в клетке. Эта комплексная система мембран клеток и Gбелков потенциально обеспечивает многообразие ответов
различных тканей-мишеней организма на действие различных
гормонов.

Групп C и G. Белок G имеет сходства с белком А, но отличается специфичностью. Белок G имеет молекулярную массу 58 кДа (в случае белка C40) или 65 кДа (в случае белка G148). Белок G связывается с -регионом антител и поэтому находит широкое применение для очистки иммуноглобулинов. Молекулы белка G также связывают альбумин .

Другие белки, связывающие иммуноглобулины

Существуют и другие бактериальные белки, связывающие иммуноглобулины, - белок A, белок A/G и белок L. Эти белки используют для очистки, иммобилизции и выделения иммуноглобулинов. Эти белки, связывающие антитела, имеют различные профили связывания иммуноглобулинов.

См. также

Ссылки

http://www.jbc.org/cgi/reprint/266/1/399 Sjobring U, Bjorck L, Kastern W, Streptococcal protein G. Gene structure and protein binding properties, J Biol Chem. 1991 Jan 5;266(1):399-405

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Белок G" в других словарях:

- (англ. protein A) это белок, молекулярной массой 40 60 кДа, выделенный с поверхности клеточной стенки золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus). Белок А используется в биохимических исследованиях, так как хорошо связывает многие… … Википедия

Вытаращить арабские белки.. Словарь русских синонимов и сходных по смыслу выражений. под. ред. Н. Абрамова, М.: Русские словари, 1999. белок глобулин, гистон, протеиноид, протеин, протеиновое тело, протамин, протеид Словарь русских синонимов … Словарь синонимов

Толковый словарь Ушакова

1. БЕЛОК1, белка, муж. (биол. хим.). Важнейшая составная часть организма животных и растений; то же, что альбумин и белковина. 2. БЕЛОК2, белка, муж. 1. Выпуклая непрозрачная оболочка глаза. || только мн. Глаза (прост.). Белки выпучить. Белками… … Толковый словарь Ушакова

белок C - Белок, сериновая протеаза, синтезируемая клетками печени; антикоагулянт, является ингибитором факторов Va и VIIIa свертывания крови; частота гетерозигот по дефициту Б.C в популяциях человека достигает 1/200 данная аномалия связана с повышенным… … Справочник технического переводчика

БЕЛОК, органическое СОЕДИНЕНИЕ, содержащее множество АМИНОКИСЛОТ, соединенных ковалентными пептидными связями. Молекулы белков состоят из по липептидных цепей. В живых КЛЕТКАХ имеется около 20 различных аминокислот. Из за того, что в каждой… … Научно-технический энциклопедический словарь

БЕЛОК, лка, муж. Высокомолекулярное органическое вещество, обеспечивающее жизнедеятельность животных и растительных организмов. | прил. белковый, ая, ое. Белковые корма (с высоким содержанием белка). II. БЕЛОК, лка, муж. 1. Прозрачная часть яйца … Толковый словарь Ожегова

Белок, связывающий жирные кислоты Белки, связывающие жирные кислоты (англ. fatty acid binding proteins, FABP; БСЖК) семейство транспортеров жирных кислот и других липофильных веществ, таких как эйкозаноиды и ретиноиды. Как считается, эти… … Википедия

1. БЕЛОК, лка; м. 1. Прозрачная жидкость, окружающая желток птичьего яйца. / О такой части куриного яйца как пище. Выпить сырой б. Взбитые белки. ◁ Белковый, ая, ое. Б. крем (из яичных белков). 2. БЕЛОК см. 1. Белки. 3. БЕЛОК см. 2. Белки. 4.… … Энциклопедический словарь

(англ. Guanine nucleotide-binding proteins, белки, связывающие гуанилови нуклеотиды) — это семья белков, участвующих в клеточном сигналюванни эукариот. G-белки играют роль своеобразных переключателей: они могут переходить из неактивного состояния в активное и наоборот, соответственно включая или выключая передачу определенного сигнала внутри клетки. Свое название эти белки получили за способность связывать гуанилови нуклеотиды (англ. G uanine nucleotide): в комплексе с гуанозиндифосфатом (ГДФ) они являются неактивными, а в комплексе с гуанозинтрифосфат (ГТФ) — активные.

Термин «G-белки» чаще употребляется для обозначения гетеротримерних (больших) ГТФ-связывающих белков, состоящих из трех субъединиц α, β и γ; существует еще один класс ГТФ-связывающих белков — мономеры, которые иногда называют малыми G-белками (суперродина Ras малых ГТФаз), они гомологичные к α-субъединицы больших.

Гетеротримерни G-белки участвуют в передаче сигналов от рецепторов, сопряженных с G-белками (англ. G-protein coupled receptors, GPCR) — крупнейшего класса клеточных рецепторов (например, в Caenorhabditis elegans их гены занимают 5% всего генома). У позвоночных животных они отвечают за восприятие клеткой ряда гормонов и других сигнальных молекул, а также за химическое чувств (обоняние и вкус) и фоторецепции (зрение). Показательно, что примерно половина известных фармацевтических препаратов действуют через рецепторы, сопряженные с G-белками: среди таких есть и известные медикаменты, например антигистамины Кларитин (лоратадин) и антидепрессант Прозак (Флуоксетин), а также психотропные вещества, в частности героин, кокаин и тетрагидроканнабинол (действующее вещество марихуаны).

Гетеротримерни G-белки были открыто Альфредом Гилман и Мартином Родбеллом, за что в 1994 году они получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Струкрутра гетеротримерних G-белков

Гетротримерни G-белки состоят из трех субъединиц: α, β и γ. α-субъединица содержит домен связывания и гидролиза ГТФ, что является идентичным для всей суперродины ГТФаз. В состав β-субъединицы входит 7 β-структур, организованных как лопасти пропеллера. С β-субъединицей тесно взаимодействует γ-субъединица, вместе они образуют единую функциональную структуру, которая может диссоциировать только в случае гидролиза белка. Весь G-белок заякорена в мембране с помощью двух липидов, один из которых ковалентно присоединен к N-конца α-субъединицы, другой к C-конца γ-субъединицы.

Рецепторы, сопряженные с G-белками

Рецепторы, сопряженные с G-белками (англ. G-protein coupled reseptors, GPCR) — крупнейшая семья клеточных рецепторов эукариот, обеспечивающих восприятие гормонов, нейромедиаторов, локальных регуляторов, а также обеспечивают зрение, обоняние и чувство вкуса позвоночных животных. В геноме человека найден около 700 генов GPCR, а в мыши за один только обоняние ответ более 1000 этих рецепторов.

Сигнальные молекулы, выступают лигандами для рецепторов, сопряженных с G-белками, могут быть очень разными по химической природе: белками, небольшими пептидами, липидами, производными аминокислот и тому подобное. Кроме этого некоторые предсатвникы этого класса рецепторов, в частности родопсин, могут воспринимать фотоны света. Иногда для одной сигнальной молекулы существует несколько различных GPCR, экспрессируются в различных типах клеток и запускают различные сигнальные пути. Например, в организме человека существует как минимум 9 различных рецепторов к адреналину и не менее 14 — до нейромедиатора серотонина.

Все рецепторы, сопряженные с G-белками, имеют похожую структуру: они состоят из одной полипептидной цепи, 7 раз пересекает липидный бислой. Каждый трансмембранный домен представлен α-спирали, в состав которой входит 20-30 неполярных аминокислот. Эти домены соединены между собой петлями различной величины, расположенными по обе стороны плазматической мембраны. GPCR преимущественно являются гликопротеинами, углеводные остатки которых расположены на зовнишьноклитинний стороне. Внутриклеточные домены этих рецепторов содержат сайты взаимодействия с G-белками.

Функциональный цикл G-белков

G-белки выполняют роль сопряжения клеточных рецепторов с определенными эффекторными молекулами, такими как ферменты или ионные каналы, при этом они выступают в качестве молекулярных переключателей. В неактивном состоянии G-белки содержат ГДФ, связанный с α-субъединицей.

Передача сигнала начинается тогда, когда на клеточный рецептор действует соответствующий лиганд, в результате чего рецептор активируется и меняет конформацию. Активированный рецептор влияет на G-белок (который или находится с ним в постоянном комплексе, или ассоциирует после активации), из-за чего структура α-субъединицы меняется таким образом, что она высвобождает связанную молекулу ГДФ. Место этой молекулы быстро занимает ГТФ, это приводит к аткивации G-белка и изменений в его структуре: α-субъединица теряет сродство к βγ-комплекса, и он распадается. В таком активированном состоянии как ГТФ-связанная α-субъединица, так и βγ-комплекс, могут осуществлять передачу сигнала: активировать определенные ферменты или влиять на состояние ионных каналов. α-субъединица является ГТФазою, и как только она гидролизует присоединен ГТФ до ГДФ, сразу же инактивируется, и триммера структура G-белка восстанавливается. Таким образом происходит отключение звука. Инактивированный G-белок может взаимодействовать с последующей молекулой рецептора и снова включаться.

Регуляция активности G-белков

Эффективность передачи определенного сигнала через G-белок зависит от соотношения между концентрацией активного, ГТФ-связанной, и неактивной, ГДФ-связанной форм. А это соотношение в свою очередь зависит от двух констатирует: константы диссоциации ГДФ, и константы скорости гидролиза ГТФ:

Где

G-protein · GTP — концентрация активной формы G-белка;
G-protein · GDP — концентрация неактивной формы G-белка;
k diss, GDP — константа диссоциации ГДФ;
k cat, GTP — константа скорости гидролиза ГТФ.

Такое соотношение подтверждается при избытке ГТФ в среде, а также его быстрого, фактически моментального, связывание с «пустой» молекулой G-белка (то есть не связанной с одним гуаниловый нуклеотидом). В таком случае эффективность передачи сигнала может регулироваться одним из следующих способов:

Увеличение k diss, GDP, что обеспечивается специальным белками — факторами обмена гуаниловый нуклеотидов (англ. Guanine nucleotide exchange factors, GEFs), способствует интенсификации передачи сигнала. Для гетеротримерних G-белков такими факторами являются активированные рецепторы (GPCR), связанные с соответствующим лигандом.
Уменьшение k diss, GDP, что обеспечивается ингибиторами диссоциации гуаниловый нуклеотидов (англ. Guanine nucleotide dissociation inhibitors, GDI). Белки с такими функциями пока найдены для Ras-суперродины малых ГТФаз, их функция заключается в поддержании в цитоплазме постоянного пула неактивированных молекул, связанных с ГДФ;
Увеличение k cat, GTP, то есть скорости гидролиза ГТФ, осуществляется благодаря ГТФаза-активирующим белкам (англ. GTPase activating proteins, GAPs). Таким образом снижается продолжительность жизни активированных молекул G-белков. Активность GAPs обычно регулируется другими сигнальными путями. Белки, ускоряют гидролиз ГТФ α-субъединицей гетеротримерних G-белков, называются регуляторы сигналювання G-белков (англ. Regulator of G protein signaling, RGS), в геноме человека есть около 25 генов RGS, каждый из которых взаимодействует с характеринм набором G- белков.

Сигнальные пути, активируются G-белками

G-белки получают входной сигнал от ассоциированных с ними рецепторов, после чего они активируют один из сигнальных путей клетки.

Влияние на синтез циклического АМФ

Циклический АМФ (цАМФ) — это распространенный вторичный посредник, контролирует многие процессы в эукариотических клетках. цАМФ синтезируется с АТФ большим трансмембранным ферментом аденилатциклазы, а разлагается цАМФ-фосфодиэстеразой. Многие сигнальных молекул влияют на клетку путем увеличения или уменьшения концентрации цАМФ через активацию или подавление аденилатциклазы. цАМФ осуществляет свою функцию вторичного посредника активируя цАМФ-зависимой протеинкиназы (протеинкиназу А, ПКА), которая в свою очередь фосфорилирует по остаткам серина и треонина много белков в клетке, активируя или деактивуючы их.

Существует два типа G-белков, влияющих на активные аденилатциклазы: G s (англ. Stimulatory) — стимулирующий, активирующий ее и увеличивает концентрацию цАМФ и G i (англ. Inhibitory) — ингибирующее, подавляющее аденилатциклазу, но также действует путем прямого воздействия на ионные каналы. Примерами реакций, запускаемых путем G s зависимого увеличение концентрации цАМФ, являются:

Синтез и секреция тиреоидных гормонов щитовидной железой под влиянием тиреотропного гормона;
Секреция кортизола корой надпочечников под влиянием адренокрортикотропного гормона;
Расщепление гликогена в мышцах под воздействием адреналина;
Расщепление гликогена в печени под влиянием глюкагона;
Увеличение частоты и силы сердечных сокращений под влиянием адреналина;
Реабсорбция воды в почках под влиянием паратгормона;
Расщепление триглицеридов в жировой ткани под влиянием одного из насутпних гормонов: адреналина, АКТГ, глюкагона, тиреотропного гормона.

Бактериальные токсины, влияющие на активность белков G s и G i

G-белки, влияющие на цАМФ-зависимое клеточное сигналювання, являются мишенями действия бактериальных токсинов:

Холерный токсин — это фермент, который катализирует перенос АДФ-рибозы с НАД + (АДФ-рибозилирования) на α-субъединицы G s -билка. В результате он теряет возможность гидролизовать связанную молекулу ГТФ и переходит в состояние перманентной активации. Это в свою очередь приводит к длительному повышению концентрации цАМФ в клетках стенки толстого кишечника, из-за чего в его просвет начинает выделяться большое количество воды и ионов Cl -. Таким образом и возникает диарея, является характерным признаком заболевания холерой.
Токсин коклюша осуществляет АФД-рибозилирования α-субъединицы G i -билка, из-за чего она не может взаимодействовать с соответствующим рецептором и включаться.

Эти два токсины используются в биологических исследованиях, чтобы определить определенная клеточный ответ опосредуется G s — или G i -билком.

Активация фосфолипазы С-β

Много рецепторов, сопряженных с G-белками действуют путем активации фосфолипизы С-β (ФЛC-β). Этот фермент действует на инозитоловий фосфолипид: фосфатидилинозитол-4,5 бифосфат (ФИ (4,5) Ф2 или ФИФ 2), присутствует в небольшом количестве во внутреннем листке липидного бислоя плазматической мембраны. Рецепторы, активирующие этот сигнальный путь, обычно сопряженные с G q -билком, активирующий фосфолипазу С аналогично как G s -билок — аденилатциклазу. Активирована фосфолипаза расщепляет фосфатидилинозитол-4,5 бифосфат к инозитол-1,4,5-трифосфата (ИФ 3) и диациглицеролу (ДАГ). На этом этапе сигнальный путь разветвляется:

ИФ 3 от плазматической мембраны диффундирует в цитозоль, где впоследствии присоединяется к кальциевых каналов на поверхности эндоплазматического ретикулума и открывает их. Это приводит к резкому увеличению концентрации ионов Ca + в цитоплазме. Эта молекула также является важным вторичным посредником и регулирует многие клеточных процессов.
ДАГ остается встроенным в мембрану, где может быть субстратом для синтеза эйкозаноидов, в том числе простагландинов, участвующих в ощущении боли и воспалительных процессах. Также ДАГ активирует серин / треониновых протеинкиназу С, активность которой также зависит и от кальция.

Примерами клеточных реакций G-белок-зависимой активации фосфолипазы C-β являются:

Расщепление гликогена в печени под влиянием вазопрессина;
Секреция амилазы поджелудочной железой под влиянием ацетилхолина;
Сокращение гладких мышц под влиянием ацетилхолина;
Агрегация тромбоцитов под влиянием тромбина.

Регуляция ионных каналов G-белками

Многие G-белков действуют путем открытия или закрытия ионных каналов, таким образом изменяя электрические свойства плазматической мембраны.

Например снижение частоты и силы сердечных сокращений под влиянием ацетилхолина происходит благодаря тому, что мускариновых ацетилхолиновых рецепторов после активации взаимодействует с G i -билком, α-субъединица которого подавляет деятельность аденилатциклазы, в то время как βγ-комплекс открывает калиевые каналы в плазматической мембране клеток сердечной мышцы, из-за чего их возбудимость уменьшается.

Другие G-белки регулируют активность ионных каналов косвенно: например рецепторы зрения и обоняния действуют через G-белки, которые влияют на синтез циклических нуклеотидов, в свою очередь закрывают или открывают ионные каналы (ионные каналы управляемые циклическими нуклеотидами). Например, все обонятельные рецепторы сопряжены с G olf -билком, который активирует аденилатциклазу; цАМФ, синтезируемый, открывает натриевые каналы, что приводит к деполяризации мембраны и генерирования нервного импульса (рецепторного потенциала), который передается нейронам.

В палочках сетчатки глаза человека светочувствительной молекулой является родопсин. Плазматическая мембрана этих клеток содержит большое количество цГМФ-управляемых катионных каналов. При отсутствии стимуляции светом цитоплазма палочек содержит высокое количество цГМФ, что удерживает катионные каналы в открытом состоянии. В результате мембрана периодически деполяризуется и происходит синаптическая передача импульсов нейронам. После активации светом родопсин меняет конформацию и взаимодействует с G-белком трансдуцином (G t). После этого его α-субъединица активирует цГМФ-фосфодиэстеразу, которая расщепляет цГМФ, в результате чего закрываются катионные каналы и синаптическая передача прекращается. Именно уменьшение частоты импульсов, поступающих от светочувствительных клеток, воспринимается мозгом как ощущение света.

Семьи G-белков

Все гетеротримерни G-белки разделяют на четыре основные семьи по аминокислотной последовательности α-субъединицы:

Основные семьи гетеротримерних G-белков на основе аминокислотной последовательности α-субъединицы
Семья	Некоторые члены	Субъединица, отвечающий за эффект	Некоторые функции
I	G s	α	Активация аденилатциклазы, открытие кальциевых каналов
G olf	α	Активация аденилатциклазы в обонятельных нейронах
II	G i	α	Ингибирование аденилатциклазы
βγ	Открытие калиевых каналов
G o	βγ	Открытие калиевых каналов, закрывания кальциевых каналов
α и βγ	Активация фосфолипазы С-β
G t (трансдуцин)	α	Активация цГМФ-фосфодиэстеразы в фоторецепторах позвоночных
III	G q	α	Активация фосфолипазы С-β
IV	G 12/13	α	Активация мономерных ГТФаз семьи Rho, регулирующих актиновом цитоскелет

(С protein coupled receptors, GPCR), передают сигнал от первичных месенджеров к внутриклеточным мишеням с помощью каскада GPCR-^-G-белок^-эффекторный белок. Первичными сигналами для этих рецепторов служат самые разнообразные молекулы, например, низкомолекулярные гормоны и нейротрансмиттеры (такие, как адреналин, норадреналин, ацетилхолин, серотонин, гистамин), опиоиды, гормоны пептидной и белковой природы (адренокортико- тропин, сомаостатин, вазопрессин, ангиотензин, гонадотропин, эпидермальный фактор роста), некоторые нейропептиды.

В этот же ряд попадают множество химических сигналов, воспринимаемых обонятельными и вкусовыми сенсорными клетками, и свет, рецептором для которого служит пигмент зрительных или фоторецепторных клеток родопсин.

Следует учесть, что один и тот же первичный сигнал может инициировать передачу сигнала через несколько (иногда более 10) разных GPCR, так что, если число внешних сигналов для GPCR составляет несколько десятков, то самих таких рецепторов известно более 200.

При всем их разнообразии GPCR представляют собой мономерные интегральные мембранные белки, полипептидная цепь которых семь раз пересекает клеточную мембрану. Во всех случаях участок рецептора, ответственный за взаимодействие с первичным сигналом, локализован с внешней стороны мембраны, а участок, контактирующий с G-белком - на её цитоплазматической стороне.

Следующий за рецептором компонент каскада передачи сигнала с участием GPCR представлен G-белком. Найдено около 20 различных G-белков, среди них прежде всего нужно упомянуть G s и С;, которые соответственно стимулируют и ингибируют аденилатциклазу; G q , активирующий фосфолипазу С; G-белки сенсорных клеток: фоторецепторных - G t (трансдуцин), обонятельных - G o if и вкусовых - G g .

С-белки - это гетеротримеры, которые состоят из субъединиц трёх типов: ct, (S и у, но в естественных условиях последние две субъединицы функционируют как единый Ру-комплекс. Важнейшая характеристика С-белков - присутствие на их а-субъединице центра связывания гуани- ловых нуклеотидов: ГДФ и ГТФ (рисунки 139, 145). Если с С-белком связан ГТФ, то это соответствует его активированному состоянию. Если в нуклеотидсвязывающем центре присутствует ГДФ, то эта форма соответствует неактивному состоянию белка (рисунок 79).

Центральное событие при передаче сигнала от рецептора, на который подействовал первичный сигнал, к G-белку состоит в том, что активированный рецептор катализирует обмен ГДФ, связанного с G-белком, на присутствующий в среде ГТФ. Такой ГДФ/ГТФ-обмен на G-белке сопровождается диссоциацией тримерной молекулы G-белка на две функциональные субъединицы: а-субъединицу, содержащую ГТФ, и Ру-комп- лекс (рисунки 139, 145).

Далее одна из этих функциональных субъединиц, какая именно - зависит от типа сигнальной системы, взаимодействует с эффекторным белком, представленным ферментом или ионным каналом. Как следствие их каталитическая активность или ионная проводимость соответственно меняется, что, в свою очередь, приводит к изменению цитоплазматической концентрации вторичного месенджера (или иона) и, в конечном счёте, инициирует тот или иной клеточный ответ.

Эффекторными белками в сигнальных системах типа GPCR-^э G-белок^ээффекторный белок могут быть аденилатциклаза, катализирующая синтез цАМФ из АТФ; фосфолипаза С, гидролизующая фосфати- дилинозит с образованием ДАТ и 1Рз; фосфодиэстераза, расщепляющая цГМФ до ГМФ; некоторые типы калиевых и кальциевых каналов.

Важно, что при передаче сигнала в каскаде рецептора G-белок^ээффекторный белок исходный внешний сигнал может многократно усиливаться (амплифицироватъся}. Это происходит благодаря тому, что одна молекула рецептора за время пребывания в активированном состоянии (R*) успевает перевести в активированную форму (G*) несколько молекул G-белка.

Например, в зрительном каскаде родопсин^С^эцГМФ-фосфодиэстераза на каждую молекулу R* может образоваться несколько сотен или даже тысяч молекул G t *, а это означает, что на первой стадии каскада 7?*-»G* коэффициент усиления внешнего сигнала составляет 10 2 -10 3 . Хотя на следующей стадии каскада (С*^ээффекторный белок} каждая молекула G* взаимодействует только с одной молекулой эффекторного белка, сигнал здесь также амплифицируется, поскольку на каждую молекулу G* и, соответственно, активированного эффекторного белка в цитоплазме появляется (или исчезает) множество молекул вторичного месенджера. Так, в зрительном каскаде на второй его стадии одна молекула активированной цГМФ-фосфодиэстеразы способна расщепить в секунду до 3000 молекул цГМФ, служащего в фоторецепторных клетках вторичным месенджером.

Общий коэффициент усиления каскада равен произведению коэффициентов усиления на всех стадиях каскада. Коэффициент амплификации сигнала при его прохождении через каскад может достигать весьма высоких значений: в зрительных клетках это величина порядка 10 5 -10 6 .

Прекращение действия внешнего стимула сопровождается выключением всех компонентов сигнальной системы. На уровне рецепторов это достигается, во-первых, в результате диссоциации первичного месенджера из комплекса с GPCR, во-вторых, путем фосфорилирования рецепторов под действием специальных протеин-киназ и последующего связывания с модифицированным рецептором специального белка (например, Р-аррес- тина).

G-белки обладают ГТФазной активностью, то есть способностью гидролизовать связанный с ними ГТФ до ГДФ, что обеспечивает их самовыключение, то есть переход G-ГТФ^э G-ГДФ. Поскольку состояние активации эффекторного белка (включён-выключен) прямо зависит от состояния G-белка, то этот переход означает также выключение эффекторного белка, а, следовательно, прекращение синтеза (гидролиза) вторичного месенджера или закрывание ионного канала.

И, наконец, чтобы переход клетки к исходному (до действия внешнего стимула) состоянию завершился, специальные механизмы восстанавливают исходный уровень вторичного месенджера или катиона в её цитоплазме. Например, цАМФ, цитоплазматическая концентрация которого повышается при передаче сигнала в каскаде Р-адренорецептора С 5 -белок^аденилатциклаза, гидролизуется затем цАМФ-фосфодиэсте- разой до нециклического (линейного) АМФ, который свойствами вторичного месенджера не обладает.

Из истории открытия С-белков. 8

Структура и свойства. 8

Связь с мембраной. 9

Стуктурно-функциональная организация G-белков. 9

Классификация по чувствительности к токеинам.. 10

Сопряжение с эффекторными системами. 10

Регуляция активности G-белков. 11

Аденилатциклаза. 12

Фосфолипазы.. 13

Протеинкиназы.. 14

Фосфодиэстеразы.. 16

Аденилатциклазная система. 17

Влияние бактериальных токсинов на активность аденилатциклазы (АДФ-рибозилирование G-белков) 20

Инозитолфосфатная система. 21

Участие белка кальмодулина в инозитолфосфатной передаче сигнала. 22

Саморегуляция системы.. 23

α-субъединица: общие свойства. 23

β и γ субъединицы: общая характеристика. 24

G-белки: βγ-субъединицы.. 25

ГТФ-связывающие белки образуют два основных семейства G-белков и низкомолекулярных ГТФ-связывающих белков. 28

Литература. 30

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.

Они являются объектом интенсивного изучения в связи с их участием во многих важных физиологических процессах. 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. В неактивном состоянии они связаны с GDР. При связывании рецептора с лигандом ГДФ замещается на ГТФ, в результате чего происходит активация. Процесс этот сравнительно медленный, протекающий в течение секунд - десятков секунд.

G-белки биологических мембран имеют гетеротримерную структуру. Они состоят из большой α-субъединиц (около 45 килодальтон - кДа), а также меньших β и γ-субъединиц, α-субъединица обладает ГТФ-азной активностью, в неактивной (выключенной) форме она связывает молекулу ГДФ на активном сайте. Субъединицы β и γ связаны между собой, и в физиологических условиях не могут быть диссоциированы. В неактивном состоянии βγ-комплекс непрочно связан с α-субъединицей. γ-субъединица связана с цитоплазматическим листком биологической мембраны геранил-гераниловой цепью (20 атомов углерода в цепи), близкой по структуре к холестерину. α-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 (ГТФ-азы) при связывании ГТФ могут включаться и активировать последующие компоненты передачи сигнала от поверхности клетки. Малые ГТФ-азы 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 GTР и таким образом выключать сигнал.

Поскольку β - и γ-субъединицы G-белков чрезвычайно консервативны, G-белки принято различать по их α-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 (Go) АДФ-рибозилируются коклюшным токсином по остатку цистеина, расположенному у С-конца. Эта модификация препятствует взаимодействию между G-белком и рецепторами. Определена последовательность G-белка крысы (Gx), который оказался нечувствительным к коклюшному токсину.

G-белки - это регуляторные белки, связывающие при активации ГТФ. Лучше всего изучены G-белки, стимулирующие и ингибирующие аденилатциклазу (Gs - белки и Gi-белки соответственно). βı - адренорецепторы, β2 - 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 фрагменты (фермент, ионный канал и пр) α2– адренорецепторы, М2-холинорецепторы и D2-рецепторы 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. α1-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 ИЗФ и ДГА. Оба эти вещества являются вторичными посредниками.

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 α-субъединица G-белка диссоциирует от βγ-субъединиц и вступает во взаимодействие с соответствующим эффектором, оказывая на него активирующее или ингибирующее воздействие.

α-субъeдиница 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 разделах. Взаимодействие с эффектором, однако, длится до тех пор, пока α - субъединица, являющаяся ГТФазой, удерживает ГТФ. Так что, очень вскоре присоединенный ГТФ гидролизуется до ГДФ. Когда это происходит, α - субъединица снова меняет свою конформацию и теряет способность активировать эффектор. После этого α-ГДФ взаимодействует с βγ-комплексом и снова образует тримерный комплекс, завершая, таким образом, цикл. Предполагают также, что комплекс из βγ-субъединиц тоже может (прямо или опосредованно) влиять на эффекторные ферменты.

Такими ферментами являются аденилатциклаза, фосфолипаза С. G-белки также регулируют работу К и Са²+-ионных каналов, К G-белкам относятся полипептид Gs, стимулирующий аденилатциклазу и регулирующий Са²+-ионные каналы, полипептид Gi, ингибирующий аденилатциклазу, и регулирующий К+-каналы в клетках тканей мозга, Gt, трансдуцин, участвующий в передаче светового сигнала, Golf специфичный белок обонятельных ресничек и др. Все G-белки являются гетеротримерами, состоящими из субъединиц α, β‚ и γ в порядке уменьшения молекулярной массы.

Впоследствии ГТФ, связанный с α-субъединицей G-белка, подвергается гидролизу, причем ферментом, катализирующим этот процесс, является сама α-субъединиц. Это приводит к диссоциации α-субъединицы от эффектора и реассоциации комплекса α-ГДФ с βγ - субъединицами. Спонтанная активация G-белка, связанного с ГДФ - весьма маловероятный процесс.

Этот же механизм лежит в основе гормональной регуляции фосфоинозитидспецифичной фосфолипазы С и фосфолипаза А2. Кроме того, было показано, что G-белки могут непосредственно активировать ионные каналы.

Лимитирующей стадией процесса восстановления исходного состояния G-белка является скорость диссоциации ГДФ от α-субъединицы G-белка. Скорость диссоциации увеличивается при взаимодействии G-белок-ГДФ с агонистсвязанным рецептором. Связывание ГТФ G-белком приводит, очевидно, к образованию комплекса агонист-рецептор-G-белок. Аналог GТР-СТР-γ-S и Мg2+ усиливает диссоциацию α-субъединицы из тримера G-белка. Однако следует заметить, что каталитическая субъединица аденилатциклазы из мембран мозга быка хроматографически соочищается с α - и β-субъединицами Gs-белка и вопрос диссоциации α-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. Особенно широк полиморфизм и наиболее изучен для αs и αi G-белков. Так из мозга человека выделено 11 форм ДНК, ответственных за синтез αs-субъединиц, четыре вида которых клонированы и, предполагается, что они определяют синтез четырех изоформ αs, в мозге человека. Для αi найдены, в основном, три изоформы αi1, αi2, αi3. Молекулярные массы изоформы αs находятся в пределах 42-55 кДа, а αi 39-41 кДа. Распределение молекулярных вариантов αi носит тканеспецифический характер: αi1 представлена, в основном, в мозге, αi2 обнаружена в нервной ткани и в клетках крови, αi3 представлена в периферических тканях и отсутствует в мозге. Распределение генов, кодирующих синтез трех изоформ αi по тканям примерно совпадает в ряду: человека, бык, крыса, мышь. Определение аминокислотной последовательности αi и αs показало, что изоформы αs или αi различаются в области С - и N - концевой последовательности, связывающихся с рецептором или эффектором. Предполагается, что полиморфизм α-субьединиц определяется многообразием рецепторов и их подтипов и разнообразием эффекторных систем.

αi-субъединицы Gi кодируются тремя различными структурными генами. Что касается изоформ α-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, или множественность их результат посттрансляционной модификации. В настоящее время известно 9 структурных генов, кодирующих G-белки и 12 продуктов этих генов.

Из истории открытия С-белков

1. 1971г. - впервые показана необходимость ГТФ для стимуляции аденилатциклазы глюкагоном.

2. 1981г. - выделен белок Gt-трансдуцин, связывающий родопсин с фосфодиэстеразой с ГТФ фоторецепторов.

З. 1983г - выделен ГТФ-связываюший белок Gs, сопрягающий стимулирующие рецепторы с аденилатциклазой.

4. 1985-1988гт - показано, что фосфолипаза С и фосфолипаза А2 регулируются гормонами и нейротрансмиттерами через Gp-белки.

5. В настоящее время G-белки разделены на несколько типов: четыре Gs, три Gi, Go, Gz/x (центральная нервная система и селезенка), Gt (трансдуцин), Golf (обонятельные нейроэпителиальные клетки).

Структура и свойства

1. G-белки - гетеротримеры, в которых α-субъединица непрочно связана с димером β-γ.

2. Все известные α-субъединицы (мол. масса – 50кДа) гомологичны, и у большинства из них одинаковые (или очень сходные) b-субъединицы (мол. масса З5кДа) и γ-субъединицы (мол. масса 8кДа).

З. α-субъединица определяет специфичность связывания G-белка с рецептором и эффектором, уникальна для каждого G-белка.

4. α-субъединица связывает и гидролизует ГТФ (ГТФ-аза).

5. α-субъединица содержит высоко консервативный домен связывания и гидролиза ГТФ (18 аминокислот из 350-395).

6. Выявлены участки связывания гуаниновых нуклеотидов и участки взаимодействия с рецепторами (С-конец) и βγ-димерами (N-конец).

7. Выявлены участки АDР-рибозилирования (аргинин-202) при действии холерного токсина и коклюшного токсина.

Связь с мембраной

G-белки локализованы на внутренней поверхности плазматической мембраны. Первичная структура всех субъединиц G-белков не содержит гидрофобных, пронизывающих мембрану доменов.

1. Ассоциации G-белков с мембраной содействует ацилирование жирнокислотными радикалами. Выявлено два типа липидных модификаций субъединиц G-белков: миристоилирование и изопренилирование белковой цепи.

2. Показано для α-субъединиц Go - и Gi-белков посттрансляционное миристоилирование со стороны N-конца.

З. Для βγ-субъединиц также показаны посттрансляционные модификации (ацилирование).

4. Выявлены три последовательные посттрансляционные модификации, ответственные за связывание ras-белков с мембраной.

5. Очищенные α-субъединицы проявляют гидрофильные свойства (без βγ - комплекса не могут связываться с искусственными фосфолипидными пузырьками).

Стуктурно-функциональная организация G-белков

G-белки (ГТФ-связывающие белки) - универсальные посредники при передаче сигналов от рецепторов к ферментам клеточной мембраны, катализирующим образование вторичных посредников гормонального сигнала. G-белки - олигомеры, состоящие из α, β и γ-субъединиц. Состав димеров βγ незначительно различаются в разных тканях, но в пределах одной клетки все G-белки, как правило, имеют одинаковый комплект βγ-субъединиц. Поэтому G-белки принято различать по их α-субъединицам. Выявлено 16 генов, кодирующих различные α-субъединицы G-белков. Некоторые из генов имеют более одного белка, вследствие альтернативного сплайсинга РНК.