G-Protein

Aktivnost im je regulrirana faktorima koji kontrolišu njihovu sposobnost da se vežu i hidroliziraju gvanozin-trifosfat (GTP) u gvanozin-difosfat (GDP). Uključeni su kada su vezani za GTP, a 'isključeni' kada su vezani za GDP. G proteini pripadaju većoj grupi enzima koji se nazivaju GTPaze.

Postoje dvije klase G-proteina. Prvi funkcioniše kao monomerne male GTPaze (mali G-proteini), a drugi kao heterotrimerni G-proteinski kompleksi. Posljednju klasu kompleksa čine alfa (α), beta (β) i gama (γ) podjedinice. Osim toga, beta i gama podjedinice mogu formirati stabilan dimerni kompleks koji se naziva beta-gama kompleks .

Heterotrimerni G-proteini koji se nalaze unutar ćelije aktiviraju G-protein spregnuti receptor (GPCR) koji se protežu kroz ćelijsku membranu. Signalne molekule vezuju se za domen GPCR koji se nalazi izvan ćelije, a unutarćelijski GPCR domen tada zauzvrat aktivira određeni G protein. Pokazalo se da su neki GPCR u aktivnom stanju "prethodno spojeni" sa G-proteinima. G-protein aktivira kaskadu daljih signalnih događaja koji konačno rezultiraju promjenom ćelijske funkcije. G-protein povezani receptori i G-proteini koji djeluju zajedno, prenose signale iz mnogih hormona, neurotransmitera i drugih signalnih faktora. G-proteini regulišu metaboličke enzima, ionske kanale, transportne proteine i druge dijelove ćelijskih mehanizama, kontrolirajući transkripciju, motilitet, kontraktilnost i sekreciju, koji zauzvrat regulišu različite sistemske funkcije kao što su embriogeneza, učenje, pamćenje i homeostaza.

G-proteini otkriveni su kada su Alfred G. Gilman i Martin Rodbell istraživali stimulaciju ćelija adrenalinom. Otkrili su da kada se adrenalin veže za receptor, receptor ne stimuliše enzime (unutar ćelije) direktno. Umjesto toga, receptor stimulira G-protein, koji zatim stimulira enzim. Primjer je adenilat-ciklaza, koja proizvodi drugoglasnički cAMP. Za ovo otkriće dobili su Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu, 1994.

Nobelove nagrade dodijeljene su za mnoga postignuća u oblasti signalizacije pomoću G-proteina i GPCR-a. To uključuje antagoniste receptora, neurotransmitere, ponovno preuzimanje neurotransmitera, G-protein spregnuti receptor, G-proteine, drugi glasnik, enzime koji pokrećufosforilacije proteina, kao odgovor na cAMP i posljedične metaboličke procese kao što je glikogenoliza.

Istaknuti primjeri uključuju (hronološkim redoslijedom dodjele):

• 1947. Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: Carl Cori, Gerty Cori i Bernardo Houssay, za njihovo otkriće kako se glikogen razlaže na glukozu i ponovo se sintetiše u tijelu, za upotrebu kao skladište i izvor energije. glikogenolizu stimulišu brojni hormoni i neurotransmiteri, uključujući adrenalin.
• 1970. – Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: Julius Axelrod, Bernard Katz i Ulf von Euler za njihov rad na oslobađanju i ponovnom preuzimanju neurotransmitera.
• 1971. – Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: Earl Sutherland za otkrivanje ključne uloge adenilat-ciklaze, koja proizvodi drugog glasnika cAMP.
• 1988. – Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: George H. Hitchings, Sir James Black i Gertrude Elion "za otkrića važnih principa za liječenje lijekovima" usmjerena na GPCR .
• 1992. – Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: Edwin G. Krebs i Edmond H. Fischer za opisivanje kako reverzibilna fosforilacija funkcionira kao prekidač za aktiviranje proteina i za regulaciju različitih ćelijskih procesa, uključujući glikogenolizu.
• 1994. – Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: Alfred G. Gilman i Martin Rodbell za njihovo otkriće "G-proteina i uloge ovih proteina u transdukciji ćelijskih signala".
• 2000. – Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: Eric Kandel, Arvid Carlsson i Paul Greengard, za istraživanje neurotransmitera, kao što je dopamin, koji djeluju preko GPCR-a.
• 2004. Nobelova nagrada za fiziologiju ili medicinu: Richard Axel i Linda B. Buck za njihov rad na olfaktornim receptorima spojenim s G-proteinom.
• 2012. – Nobelova nagrada za hemiju: Brian Kobilka i Robert Lefkowitz za njihov rad na funkciji GPCR-a.

G-proteini su važne molekule transdukcije signala u ćelijama. "Kvar u funkcionisanju signalnih puteva GPCR-a G-protein spregnutih receptora uključen je u mnoge bolesti, kao što su dijabetes, sljepilo, alergije, depresije, kardiovaskularni defekti i određeni oblici karcinoma. Procjenjuje se da su GPCR oko 30% ćelijskih meta modernih lijekova". The human genome encodes roughly 800 G-protein spregnuti receptori, koji detektuju svjetlosne fotone, hormone, faktore rasta, lijekove i druge endogene ligande. Otprilike 150 GPCR-a pronađenih u ljudskom genomu još uvijek ima nepoznate funkcije.

Dok su G-proteini aktivirani G-protein-spregnuti receptori su inaktivirani RGS proteinima (za "regulatornu G-protein signalizaciju"). Receptori stimulišu GTP vezivanje (uključuju G-protein). RGS proteini stimulišu hidrolizu GTP-a (stvarajući GDP, čime se isključuje G-protein).

 

Svi eukarioti koriste G-proteine za signalizaciju i evoluirala je njihova velika raznolikost. Naprimjer, kod ljudi kodira se 18 različitih G_α proteina, 5 G_β i 12 G_γ proteina.

Termin G-protein može se odnositi na dvije različite porodice proteina. Heterotrimerni G-protein, koji se ponekad naziva i "veliki" G-protein, aktiviraju G-protein spregnute receptore i sastoje se od alfa (α), beta (β) i gama (γ) podjedinica. Mali G-proteini (20-25kDa) pripadaju natporodici Ras malih GTPaza. Ovi proteini su homologni sa alfa (α) podjedinicom koja se nalazi u heterotrimerima, ali su u stvari monomerni, sastoje se od samo jedne jedinice. Međutim, kao i njihovi veći srodnici, oni također vezuju GTP i GDP i uključeni su u transdukciju signala.

Heterotrimerni

Različiti tipovi heterotrimernih G-proteina dijele zajednički mehanizam. Oni se aktiviraju kao odgovor na konformacijsku promjenu u GPCR-u, razmjenjujući GDP za GTP, i disocijaciju kako bi aktivirali druge proteine na određenom putu transdukcija signala. Specifični mehanizmi se, međutim, razlikuju između proteinima poređenih vrsta.

Mehanizam

 

G-proteini aktivirani receptorima vezani su za unutrašnju površinu ćelijske membrane. Sastoje se od G_α i usko povezanih podjedinica G_βγ. Postoje mnoge klase podjedinica G_α: G_sα (G stimulativna), G_iα (G inhibitorna), G _oα (G-ostali), G_q/11α i G_12/13α su neki od primjera. Oni se različito ponašaju u prepoznavanju efektorske molekule, ali dijele sličan mehanizam aktivacije.

Aktivacija

Kada ligand aktivira G-protein spregnuti receptor, inducira konformacijku promjenu u receptoru, koja omogućava receptoru da funkcionira kao faktor razmjene guaninskih nukleotida (GEF ) koji razmjenjuje BDP za GTP. GTP (ili GDP) je vezan za podjedinicu G_α po uobičajenom obrascu, na heterotrimernu GPCR aktivaciju. Ova razmjena pokreće disocijaciju podjedinice G_α (koja je vezana za GTP) od G_βγ dimera i receptora u cjelini. Međutim, počinju da se prihvataju modeli koji sugeriraju molekulsko preuređenje, reorganizaciju i prekompleksiranje efektorskih molekula. I G_α-GTP i G_βγ tada mogu aktivirati različite kaskade signala (ili drugoglasničke puteve) i efektorske proteine, dok je receptor u stanju da aktivira sledeći G-protein.

Terminacija

Podjedinica G_α će na kraju hidrolizirati vezu GTP na GDP, svojom inherentnom enzimskom aktivnošću, omogućavajući joj da se ponovo poveže sa G_βγ i započinje novi ciklus. Grupa proteina koja se zove regulatori signalizacije G-proteina (RGS), djeluje kao GTPaza-aktivirajući proteini (GAP), specifična je za podjedinice G_α. Ovi proteini ubrzavaju hidrolizu GTP u GDP, čime se prekida transducirani signal. U nekim slučajevima, efektor "sam" može imati unutrašnju GAP aktivnost, koja onda može pomoći da se deaktivira put. Ovo je tačno u slučaju fosfolipaze C-beta, koja ima GAP aktivnost unutar svoje C-terminalne regije. Ovo je alternativni oblik regulacije podjedinice G_α. Takvi G_α GAP-ovi nemaju katalitske ostatke (specifične aminokiselinske sekvence) za aktivaciju G_α proteina. Umjesto toga, djeluju tako što smanjuju potrebnu energiju aktivacije da bi se reakcija odigrala.

Specifični mehanizmi

G_αs

G_αs aktivira cAMP-ovisni put stimulirajući proizvodnju cAMP-a iz ATP. Ovo se postiže direktnom stimulacijom enzima povezanog sa membranskomom adenilat-ciklazom. cAMP tada može djelovati kao drugi glasnik koji dalje stupa u interakciju i aktivira protein-kinazu A (PKA). PKA može fosforilirati bezbroj nizvodnih ciljeva.

cAMP-ovisni put koristi se kao put za prijenos signala za mnoge hormone uključujući:

• ADH – Promovira zadržavanje vode u bubrezima (stvaraju magnoćelijske neurosekretorne ćelije stražnjeg režnja hipofize)
• GHRH – Stimulira sintezu i oslobađanje GH (somatotropne ćelije prednjeg režna hipofize)
• GHIH – Inhibira sintezu i oslobađanje GH (somatotropnih ćelija prednjeg režnja hipofize)
• CRH – Stimulira sintezu i oslobađanje ACTH (prednji režanj hipofize)
• ACTH – Stimulira sintezu i oslobađanje kortizola (zona fasciculata kore nadbubrežne žlijezde u nadbubrežnim žlijezdama)
• TSH – Stimulira sintezu i oslobađanje većine T4 (tireoidna žlijezda)
• LH – Stimulira sazrijevanje folikula i ovulacije kod žena ili proizvodnju testosterona i sprmatogenezu kod muškaraca
• FSH – Stimulira razvoj folikula kod žena ili spermatogenezu kod muškaraca
• PTH – Povećava nivoe kalcija u krvi. Ovo se postiže preko recepreceptora paratiroidnog hormona 1 (PTH1) u bubrezima i kostima, ili preko receptora paratiroidnog hormona 2 (PTH2) u centralnom nervnom sistemu, uključuljući i mozak, kao i kostima i bubrezima.
• Kalcitonin – Smanjuje nivoe kalcija u krvi (preko kalcitoninskog receptora u crijevima, kostima, bubrezima i mozgu)
• Glukagon – Stimulira razgradnju glikogena u jetri
• hCG – Promovira ćelijsku diferencijaciju i potencijalno je uključen u apoptoze.
• Epinefrin – oslobađa se iz srži nadbubrežnje žlijezde tokom stanja gladovanja, kada je tijelo pod metaboličkom prinudom. Pored glukagonskog djelovanja, stimulira i glikogenolizu.

G_αi

G_αi inhibira proizvodnju cAMP-a iz ATP-a. npr. somatostatina, prostaglandina.

G_αq/11

G_αq/11 stimulira membranski vezanu fosfolipazu C beta, koja zatim cijepa PIP₂ (a manji membranski fosfoinozitol) u dva sekundarna glasnika, IP3 i diacilglicerol (DAG). Inozitol-ovisni fosfolipidni put koristi se kao put za prijenos signala za mnoge hormone uključujući:

• ADH (vazopresin/AVP) – Inducira sintezu i oslobađanje glukokortikoida (zona fasciculata kore nadbubrežne žlijezde); Izaziva vazokonstrikciju (V1 ćelije stražnjeg režnja hipofize)
• TRH – Inducira sintezu i oslobađanje TSH (Prednji režanj hipofize)
• TSH – Inducira sintezu i oslobađanje male količine T4 (tireoidna žlijezda)
• Angiotenzin II – Inducira sintezu i oslobađanje aldosterona (zona glomerulosa kore nadbubrežne žlijezde)
• GnRH – Inducira sintezu i oslobađanje FSH i LH (prednji režanj hipofize)

G_α12/13

• G_α12/13 uključene su u signalizaciju GTPaze Rho porodice (pogledajte Rho familija GTPaza). Ovo je preko RhoGEF superfamilije koja uključuje RhoGEF domen struktura proteina). Oni su uključeni u kontrolu remodeliranja ćelijskog citoskeleta, a time i u regulaciju migracije ćelija.

G_β

• Kompleksi G_βγ ponekad takođe imaju aktivne funkcije. Primjeri uključuju spajanje i aktiviranje G protein-coupled internal-rectifying kalijev kanals.

Male GTPaze

Male GTPaze, također poznate kao mali G-proteini, vezuju GTP i GDP na sličan način i uključene su u transdukciju signala. Ovi proteini su homologni podjedinici alfa (α) koja se nalazi u heterotrimerima, ali postoje kao monomeri. Oni su mali (20-kDa do 25-kDa) proteini koji se vezuju za gvanozin trifosfat (GTP). Ova porodica proteina je homologna Ras GTPazama i također se naziva natporodica Ras GTPaza.

Da bi se povezali sa unutrašnjim listićem plazmamembrana, mnogi G-proteini i male GTPaze su lipidirani, odnosno kovalentno modificiraani lipidnim ekstenzijama. Mogu biti miristoilirani, palmitoilirani ili prenilirani.