G-Білки: хімічна сполука

G-білки відіграють роль своєрідних перемикачів: вони можуть переходити з неактивного стану в активний і навпаки, відповідно вмикаючи або вимикаючи передачу певного сигналу всередині клітини. Свою назву ці білки отримали за здатність зв'язувати гуанілові нуклеотиди (англ. Guanine nucleotide): у комплексі із гуанозиндифосфатом (ГДФ) вони є неактивними, а у комплексі із гуанозинтрифосфатом (ГТФ) — активні.

Термін «G-білки» найчастіше вживається для позначення гетеротримерних (великих) ГТФ-зв'язуючих білків, що складаються із трьох субодиниць α, β та γ; існує ще один клас ГТФ-зв'язуючих білків — мономерні, котрі інколи називають малими G-білками (суперродина Ras малих ГТФаз), вони гомологічні до α-субодиниці великих.

Гетеротримерні G-білки беруть участь у передачі сигналів від рецепторів, спряжених з G-білками (англ. G-protein coupled receptors, GPCR) — найбільшого класу клітинних рецепторів (наприклад, у Caenorhabditis elegans їх гени займають 5 % всього геному). У хребетних тварин вони відповідають за сприйняття клітиною ряду гормонів та інших сигнальних молекул, а також за хімічне чуття (нюх і смак) і фоторецепцію (зір). Показовим є те, що приблизно половина відомих фармацевтичних препаратів діють через рецептори, спряжені із G-білками: серед таких є і відомі медикаменти, наприклад антигістамін Кларитин (Лоратадин) та антидепресант Прозак (Флуоксетин), а також психотропні речовини, зокрема героїн, кокаїн та тетрагідроканабінол (діюча речовина марихуани).

Гетеротримерні G-білки були вікриті Альфредом Гілманом та Мартіном Родбеллом, за що у 1994 році вони отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини.

 

Гетротримерні G-білки складаються із трьох субодиниць: α, β і γ. α-субодиниця містить домен зв'язування та гідролізу ГТФ, що є ідентичним для всієї суперродини ГТФаз. До складу β-субодиниці входить 7 β-структур, організованих як лопасті пропеллера. Із β-субодиницею тісно взаємодіє γ-субодиниця, разом вони утворюють єдину функціональну структуру, яка може дисоціювати тільки у випадку гідролізу білка. Весь G-білок заякорений у мембрані за допомогою двох ліпідів, один із яких ковалентно приєднаний до N-кінця α-субодиниці, інший до C-кінця γ-субодиниці.

Основна стаття: Рецептори, спряжені із G-білками

 

Рецептори, спряжені із G-білками (англ. G-protein coupled reseptors, GPCR) — найбільша родина клітинних рецепторів еукаріот, що забезпечують сприйняття гормонів, нейромедіаторів, локальних регуляторів, а також забезпечують зір, нюх та відчуття смаку хребетних тварин. У геномі людини знайдено близько 700 генів GPCR, а в миші за один тільки нюх відповідає понад 1000 цих рецепторів.

Сигнальні молекули, що виступають лігандами для рецепторів, спряжених із G-білками, можуть бути дуже різними за хімічною природою: білками, невеликими пептидами, ліпідами, похідними амінокислот тощо. Окрім цього деякі представники цього класу рецепторів, зокрема родопсин, можуть сприймати фотони світла. Інколи для однієї сигнальної молекули існує кілька різних GPCR, що експресуються у різних типах клітин і запускають різні сигнальні шляхи. Наприклад в організмі людини існує як мінімум 9 різних рецепторів до адреналіну та принаймні 14 — до нейромедіатора серотоніну.

Всі рецептори, спряжені із G-білками, мають схожу структуру: вони складаються з одного поліпептидного ланцюга, що 7 разів перетинає ліпідний бішар. Кожен трансмембранний домен представлений α-спіраллю, до складу якої входить 20-30 неполярних амінокислот. Ці домени з'єднані між собою петлями різної величини, розташованими по дві сторони плазматичної мембрани. GPCR переважно є глікопротеїнами, вуглеводні залишки яких розташовані на зовнішньоклітинній стороні. Внутрішньоклітинні домени цих рецепторів містять сайти взаємодії із G-білками.

 

G-білки виконують роль спряження клітинних рецепторів із певними ефекторними молекулами, такими як ферменти або іонні канали, при цьому вони виступають як молекулярні перемикачі. В неактивному стані G-білки містять ГДФ, зв'язаний із α-субодиницею.

Передача сигналу починається тоді, коли на клітинний рецептор діє відповідний ліганд, внаслідок чого рецептор активується і змінює конформацію. Активований рецептор впливає на G-білок (який або перебуває з ним у постійному комплексі, або асоціює після активації), через що структура α-субодиниці змінюється таким чином, що вона вивільняє зв'язану молекулу ГДФ. Місце цієї молекули швидко займає ГТФ, це призводить до активації G-білка та змін у його структурі: α-субодиниця втрачає спорідненість до βγ-комплексу, і він дисоціює. У такому активованому стані як ГТФ-зв'язана α-субодиниця, так і βγ-комплекс, можуть здійснювати передачу сигналу: активувати певні ферменти або впливати на стан іонних каналів. α-субодиниця є ГТФазою, і як тільки вона гідролізує приєднаний ГТФ до ГДФ, відразу ж інактивується, і тримерна структура G-білка відновлюється. Таким чином відбувається вимкнення сигналу. Інактивований G-білок може взаємодіяти із наступною молекулою рецептора і знову активуватись.

Ефективність передачі певного сигналу через G-білок залежить від співвідношення між концентрацією активної, ГТФ-зв'язаної, та неактивної, ГДФ-зв'язаної форм. А це співвідношення у свою чергу залежить від двох констант: константи дисоціації ГДФ, та константи швидкості гідролізу ГТФ:

${\displaystyle {\frac {\mbox{G-protein·GTP}}{\mbox{G-protein·GDP}}}={\frac {k_{diss,GDP}}{k_{cat_{G}TP}}}}$ , де

• G-protein·GTP — концентрація активної форми G-білка;
• G-protein·GDP — концентрація неактивної форми G-білка;
• k_{diss, GDP} — константа дисоціації ГДФ;
• k_{cat, GTP} — константа швидкості гідролізу ГТФ.

Таке співвідношення справджується за умови надлишку ГТФ у середовищі, а також його швидкого, фактично моментального, зв'язування із «порожньою» молекулою G-білка (тобто не зв'язаною із жодним гуаніловим нуклеотидом). У такому випадку ефективність передачі сигналу може регулюватись одним із наступних шляхів:

• Збільшення k_{diss, GDP}, що забезпечується спеціальним білками — факторами обміну гуанілових нуклеотидів (англ. guanine nucleotide exchange factors, GEFs), сприяє інтенсифікації передачі сигналу. Для гетеротримерних G-білків такими факторами є активовані рецептори (GPCR), зв'язані із відповідним лігандом.
• Зменшення k_{diss, GDP}, що забезпечується інгібіторами дисоціації гуанілових нуклеотидів (англ. guanine nucleotide dissociation inhibitors, GDI). Білки з такими функціями поки що знайдені для Ras-суперродини малих ГТФаз, їхня функція полягає у підтриманні в цитоплазмі постійного пулу неактивованих молекул, зв'язаних з ГДФ;
• Збільшення k_{cat, GTP}, тобто швидкості гідролізу ГТФ, здійснюється завдяки ГТФаза-активуючим білкам (англ. GTPase activating proteins, GAPs). Таким чином знижується тривалість життя активованих молекул G-білків. Активність GAPs зазвичай регулюється іншими сигнальними шляхами. Білки, що пришвидшують гідроліз ГТФ α-субодиницею гетеротримерних G-білків, називаються регулятори сигналювання G-білків (англ. regulator of G protein signaling, RGS), у геномі людини є близько 25 генів RGS, кожен з яких взаємодіє із характерним набором G-білків.

G-білки отримують вхідний сигнал від асоційованих з ними рецепторів, після чого вони активують один із сигнальних шляхів клітини.

Вплив на синтез циклічного АМФ

Основна стаття: цАМФ-залежний сигнальний шлях

 

 

Циклічний АМФ (цАМФ) — це розповсюджений вторинний посередник, що контролює багато процесів в еукаріотичних клітинах. цАМФ синтезується із АТФ великим трансмембранним ферментом аденілатциклазою, а розкладається цАМФ-фосфодіестеразою. Багато сигнальних молекул впливають на клітину шляхом збільшення або зменшення концентрації цАМФ, через активацію або пригнічення аденілатциклази. цАМФ здійснює свою функцію вторинного посередника активуючи цАМФ-залежну протеїнкіназу (протеїнкіназу А, ПКА), яка у свою чергу фосфорилює по залишках серину та треоніну багато білків у клітині, активуючи або деактивуючи їх.

Існує два типи G-білків, що впливають на активність аденілатциклази: G_s (англ. stimulatory) — стимулюючий, що активує її і збільшує концентрацію цАМФ та G_i (англ. inhibitory) — інгібуючий, що пригнічує аденілатциклазу, але також діє і шляхом прямого впливу на іонні канали. Прикладами реакцій, що запускаються шляхом G_s-залежного збільшення концентрації цАМФ, є:

• Синтез та секреція тиреоїдних гормонів щитоподібною залозою під впливом тиреотропного гормону;
• Секреція кортизолу корою наднирників під впливом адренокрортикотропного гормону;
• Розщеплення глікогену у м'язах під впливом адреналіну;
• Розщеплення глікогену у печінці під впливом глюкагону;
• Збільшення частоти та сили серцевих скорочень під впливом адреналіну;
• Реабсорбція води у нирках під впливом паратгормону;
• Розщеплення тригліцеридів у жировій тканині під впливом одного із наступних гормонів: адреналіну, адренокортикотропного гормону, глюкагону, тиреотропного гормону.

Бактерійні токсини, що впливають на активність білків G_s та G_i

G-білки, що впливають на цАМФ-залежне клітинне сигналювання, є мішенями дії бактерійних токсинів:

• Холерний токсин — це фермент, що каталізує перенесення АДФ-рибози із НАД⁺ (АДФ-рибозилювання) на α-субодиницю G_s-білка. Внаслідок цього він втрачає можливість гідролізувати зв'язану молекулу ГТФ і переходить у стан перманентної активації. Це у свою чергу призводить до тривалого збільшення концентрації цАМФ у клітинах стінки товстого кишківника, через що у його просвіт починає виділятись велика кількість води та іонів Cl⁻. Таким чином і виникає діарея, що є характерною ознакою захворювання на холеру.
• Токсин коклюшу здійснює АФД-рибозилювання α-субодиниці G_i-білка, через що вона не може взаємодіяти із відповідним рецептором і активуватись.

Ці два токсини використовуються у біологічних дослідженнях, щоб визначити чи певна клітинна відповідь опосередковується G_s- чи G_i-білком.

Активація фосфоліпази С-β

 

Багато рецепторів, спряжених із G-білками діють шляхом активації фосфоліпізи С-β (ФЛС-β). Цей фермент діє на інозитоловий фосфоліпід: фосфатидилінозитол-4,5-біфосфат (ФІ(4,5)Ф₂ або ФІФ₂), що присутній у невеликій кількості у внутрішньому листку ліпідного бішару плазматичної мембрани. Рецептори, що активують цей сигнальний шлях, зазвичай спряжені із G_q-білком, що активує фосфоліпазу С аналогічно як G_s-білок — аденілатциклазу. Активована фосфоліпаза розщеплює фосфатидилінозитол-4,5-біфосфат до інозитол-1,4,5-трифосфату (ІФ₃) та диацигліцеролу (ДАГ). На цьому етапі сигнальний шлях розгалужується:

• ІФ₃ від плазматичної мембрани дифундує у цитозоль, де згодом приєднується до кальцієвих каналів на поверхні ендоплазматичного ретикулуму і відкриває їх. Це призводить до різкого збільшення концентрації іонів Ca⁺ у цитоплазмі. Ця молекула також є важливим вторинним посередником і регулює багато клітинних процесів.
• ДАГ залишається вбудованим у мембрану, де може бути субстратом для синтезу ейкозаноїдів, в тому числі простагландинів, що беруть участь у відчутті болю та запальних процесах. Також ДАГ активує серин/треонінову протеїнкіназу С, активність якої також залежить і від кальцію.

Прикладами клітинних реакцій G-білок-залежної активації фосфоліпази C-β є:

• Розщеплення глікогену в печінці під впливом вазопресину;
• Секреція амілази підшлунковою залозою під впливом ацетилхоліну;
• Скорочення гладеньких м'язів під впливом ацетилхоліну;
• Агрегація тромбоцитів під впливом тромбіну.

Регуляція іонних каналів G-білками

 

Багато G-білків діють шляхом відкриття або закриття іонних каналів, таким чином змінюючи електричні властивості плазматичної мембрани.

Наприклад зниження частоти і сили серцевих скорочень під впливом ацетилхоліну відбувається завдяки тому, що мускариновий ацетилхоліновий рецептор після активації взаємодіє із G_i-білком, α-субодиниця якого пригнічує діяльність аденілатциклази, в той час як βγ-комплекс відкриває калієві канали у плазматичній мембрані клітин серцевого м'яза, через що їхня збудливість зменшується.

Інші G-білки регулюють активність іонних каналів опосередковано: наприклад рецептори зору та нюху діють через G-білки, які впливають на синтез циклічних нуклеотидів, що у свою чергу закривають або відкривають іонні канали (іонні канали керовані циклічними нуклеотидами). Наприклад, всі нюхові рецептори спряжені із G_olf-білком, який активує аденілатциклазу; цАМФ, що синтезується, відкриває натрієві канали, що призводить до деполяризації мембрани і генерування нервового імпульсу (рецепторного потенціалу), який передається нейронам.

У паличках сітківки ока людини світлочутливою молекулою є родопсин. Плазматична мембрана цих клітин містить велику кількість цГМФ-керованих катіонних каналів. За відсутності стимуляції світлом цитоплазма паличок містить високу кількість цГМФ, що утримує катіонні канали у відкритому стані. Внаслідок цього мембрана періодично деполяризується і відбувається синаптична передача імпульсів нейронам. Після активації світлом родопсин змінює конформацію і взаємодіє з G-білком трансдуцином (G_t). Після цього його α-субодиниця активує цГМФ-фосфодіестеразу, яка розщеплює цГМФ, внаслідок чого закриваються катіонні канали і синаптична передача припиняється. Саме зменшення частоти імпульсів, що надходять від світлочутливих клітин, сприймається мозком як відчуття світла.

Всі гетеротримерні G-білки поділяють на чотири основні родини за амінокислотною послідовністю α-субодиниці:

• Molecule of the month [Архівовано 27 липня 2011 у Wayback Machine.] на сайті Protein Data Base (англ.)
• Нобелівська премія з фізіології та медицини 1994 року [Архівовано 6 квітня 2016 у Wayback Machine.] на сайті Nobelprize.org (англ.)
• Відео G-Protein Signaling із Essential Cell Biology, 3rd Edition Alberts, Bray, Hopkin, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, & Walter ISBN 978-0-8153-4129-1 (англ.)