Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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.Содержание [убрать]
1 История
2 Типы G-белков
2.1 Гетеротримерные G-белки
3 Белки-помощники G-белков
4 Примечания
5 Ссылки
6 Внешние ссылки
[править]
История
G-белки были обнаружены и исследованы Альфредом Гилманом и Мартином Родбеллом, которые получили за это открытие Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1994 года[1].
[править]
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 G-белки — это белки из одной полипептидной цепи, они имеют молекулярную массу 20—25 кДа и относятся к суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы G-белков участвуют во внутриклеточной сигнализации.
[править]
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. βγ-субъединица также может вызывать собственные эффекты. Инактивация G-белков происходит в результате медленного гидролиза ГТФ до ГДФ α-субъединицей, после чего происходит реассоциация (объединение) субъединиц.
[править]
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 G-белков. Особенно важна функция GAPs для малых G-белков, так как альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков часто сами обладают достаточной ГТФ-азной активностью. К GAP-белкам 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.
Рецепторы, сопряжённые с G-белком, (англ. G-protein-coupled receptors, GPCRs), также известные как семиспиральные рецепторы или серпентины, составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу. Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, хоанофлагеллят[1] и животных. Лиганды, которые связываются и активируют эти рецепторы, включают гормоны, нейромедиаторы, светочувствительные вещества, пахучие вещества, феромоны и варьируют 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[2].Содержание [убрать]
1 Классификация
2 Физиологическая роль
3 Структура рецептора
4 Механизм
4.1 Связывание лиганда
4.2 Конформационные изменения
4.3 Активация G-белка
5 Регуляция
5.1 Фосфорилирование цАМФ-зависимыми протеинкиназами
5.2 Фосфорилирование GRK-киназами
6 Олигомеризация рецепторов
7 Растения
8 См. также
9 Литература
10 Примечания
[править]
Классификация
Семейство GPCR подразделяют на 6 классов на основании гомологии их аминокислотных последовательностей и функционального сходства[3][4][5][6]:
Класс A (или 1) (Родопсиноподобные рецепторы)
Класс B (или 2) (Рецепторы секретинового семейства)
Класс C (или 3) (Метаботропные глутаматные рецепторы)
Класс D (или 4) (Рецепторы феромонов спаривания грибков)
Класс E (или 5) (Рецепторы цАМФ)
Класс F (или 6) (Frizzled/Smoothened)
Класс A является очень большим, поэтому далее поделен на 19 подклассов (A1-A19)[7]. Кроме того, недавно была предложена альтернативная система классификации (GRAFS)[8].
Человеческий геном кодирует порядка 350 рецепторов, связанных с G-белками, которые связывают гормоны, факторы роста и другие эндогенные лиганды. Функция около 150 рецепторов, обнаруженных в геноме человека, остаётся невыясненной.
[править]
Физиологическая роль
Рецепторы, связанные с G-белками вовлечены в широкий круг физиологических процессов. Вот некоторые примеры:
зрение: опсины используют реакцию фотоизомеризации для превращения электромагнитного излучения в клеточные сигналы. Родопсин, например, использует превращение 11-цис-ретиналя в полностью-транс-ретиналь для этой цели;
обоняние: рецепторы обонятельного эпителия связывают пахучие вещества (обонятельные рецепторы) и феромоны (вомероназальные рецепторы);
регуляция поведения и настроения: рецепторы в мозге млекопитающих связывают несколько различных нейромедиаторов, включая серотонин, дофамин, гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК) и глутамат;
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;
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.
[править]
Структура рецептора
Рецепторы, сопряжённые с G-белками, имеют семь α-спиралей, пронизывающих мембрану
Семейство рецепторов, связанных с G-белками — это семейство интегральных мембранных белков, которые содержат семь доменов, пронизывающих мембрану (трансмембранных спиралей). 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 (PDB 2BRD, 1AT9)[9][10], так и рентгеноструктурным анализом (1AP9)[11]. В 2000 году была получена структура первого GPCR млекопитающих — бычьего родопсина (1F88)[12]. 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 — β2-адренэргического рецептора (2R4R, 2R4S)[13] (2RH1)[14][15]. 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.
[править]
Механизм
Рецепторы, сопряжённые с G-белком, активируются внешним сигналом в виде лиганда. Это создаёт конформационные изменения в рецепторе, вызывающие активацию G-белка. Дальнейший эффект зависит от типа G-белка.
[править]
Связывание лиганда
μ-Опиоидный рецептор со своим агонистом
Семейство GPCR включает рецепторы органов чувств (реагирующие, например, на свет или молекулы пахучих веществ); аденозина, бомбезина, брадикинина, эндотелина, γ-аминомасляной кислоты (ГАМК), фактора роста гепатоцитов, меланокортинов, нейропептида Y, опиоидных пептидов, опсинов, соматостатина, тахикининов и вазопрессина; биогенных аминов (например, дофамина, адреналина, норадреналина, гистамина, глутамата, глюкагона, ацетилхолина и серотонина); хемокинов; липидных медиаторов воспаления (напр., простагландинов, тромбоксанов, простациклинов, фактора активации лейкоцитов и лейкотриенов); и пептидных гормонов (напр., кальцитонина, C5a анафилотоксина, фолликулостимулирующего гормона (ФСГ), гонадолиберина, нейрокинина, тиролиберина и окситоцина). Существует также GPCR, лиганды и стимулы для которых ещё не определены, их называют рецепторами-сиротами, или орфановыми рецепторами (orphan receptors).
В то время как в других типах изученных рецепторов лиганды связываются на внешней стороне мембраны, лиганды GPCR обычно связываются в трансмембранном домене.
[править]
Конформационные изменения
Передача сигнала рецептором через мембрану во всех деталях ещё не понята. Известно, что неактивный G-белок связан с рецептором в его неактивном состоянии. Как только лиганд распознан, рецептор меняет конформацию и таким образом механически активирует G-белок, который отсоединяется от рецептора. Теперь рецептор может или активировать следующий G-белок, или переключиться обратно в своё неактивное состояние. Хотя это и слишком упрощённые представления, они достаточны для описания основных событий.
Считается, что молекула рецептора существует в конформационном равновесии между активным и неактивным состояниями[16]. Связывание лиганда может сдвинуть равновесие в сторону активного состояния[17]. Существуют три типа лигандов: агонисты смещают это равновесие в сторону активного состояния; обратные агонисты — в сторону неактивного состояния; и нейтральные антагонисты не влияют на равновесие. Однако в настоящее время ещё точно не известно, чем же активное и неактивное состояние отличаются друг от друга.
[править]
Активация G-белка
Если рецептор в активном состоянии встречается с G-белком, то может активировать его. Активированные G-белки связаны с ГТФ.
Дальнейшая передача сигнала зависит от типа G-белка. Фермент аденилатциклаза является одним из клеточных белков, которые могут регулироваться G-белком, а именно, его активированной субъединицей Gs. Активация аденилатциклазы начинается, когда та связывается с субъединицей активированного G-белка, а заканчивается, когда G-белок гидролизует ГТФ и возвращается в ГДФ-связанное состояние, при котором все его субъединицы соединены в единую молекулу с четвертичной структурой.
[править]
Регуляция
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.
[править]
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.
[править]
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:
Транслокация: Рецептор, заодно с частью окружающей его мембраны, захватывается внутрь клетки, где дефосфорилируется при кислых значениях внутри везикул среды[18] 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, участвуя, как предполагается, в инициации сигналов, природа которых зависит от внутриклеточного расположения интернализованной везикулы[19].
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.
[править]
Олигомеризация рецепторов
Считается общепринятым, что рецепторы, связанные с G-белками могут образовывать гомо- и/или гетеродимеры, а возможно и более сложные олигомерные структуры. Исследования олигомеризации GPCR активно ведутся в настоящее время.
[править]
Растения
Рецептором, связанным с G-белками для фитогормона (абсцизовой кислоты) является GCR2, который был выявлен в Arabidopsis thaliana. Другим вероятным рецептором является GCR1, но лиганд для него ещё не обнаружен[20].
Циклический аденозинмонофосфат (циклический AMФ, цAMФ, cAMP) — производное АТФ, выполняющее в организме роль вторичного посредника, использующегося для внутриклеточного распространения сигналов некоторых гормонов (например, глюкагона или адреналина), которые не могут проходить через клеточную мембрану.Содержание [убрать]
1 Метаболизм цAMФ
2 Протеинкиназа А
3 цAMФ как вторичный посредник в сигнальной трансдукции
4 См.также
5 Литература
[править]
Метаболизм цAMФ
цAMФ синтезируется аденилатциклазой в ответ на некоторые гормональные стимуляторы; действует как вторичный посредник при клеточном гормональном контроле путем стимуляции протеинкиназ. цАМФ является аллостерическим эффектором протеинкиназ A и ионных каналов. Синтезируется цАМФ мембранными аденилатциклазами (семейство ферментов, катализирующих реакцию циклизации АТФ с образованием цАМФ и неорганического пирофосфата). Расщепление цАМФ с образованием АМФ катализируется фосфодиэстеразами. Ингибируются цАМФ только при высоких концентрациях метилированных производных ксантина, например, кофеина. Аденилатциклазы активируются G-белками (активность которых в свою очередь зависит от метаботропных рецепторов, связанных с G-белками) .
[править]
Протеинкиназа А
В неактивном состоянии протеинкиназа A является тетрамером, в котором две К (каталитические) субъединицы самоингибированы регуляторными (R) субъединицами. При связывании цAMФ R-субъединицы диссоциируют из комплекса и происходит активация К-субъединиц. Активированная протеинкиназа А фосфорилирует остатки серина и треонина в более чем 100 различных белках, в том числе во многих ферментах.
[править]
цAMФ как вторичный посредник в сигнальной трансдукции
цAMФ осуществляет функции вторичного внутриклеточного посредника в действии первичных посредников (веществ, имеющих короткий период биодеградации) — например, ряда гормонов и нейромедиаторов. цAMФ опосредует биологическую функцию гормонов путем активации (инактивации) клеточных протеинкиназ (фосфатаз). Протеинкиназы, в свою очередь, фосфорилируют эффекторные белки и изменяют (увеличивают или уменьшают) их активность.
При активации аденилатциклазы, катализирующей образование цAMФ из АТФ, или блокировании фосфодиэстеразы, осуществляющей деградацию этого цAMФ, концентрация цAMФ в клетке увеличивается. Таким образом, содержание cAMP в клетке определяется соотношением активностей этих двух ферментов. Связь между гормоном или др. химическим сигналом (первый посредник) и цAMФ (второй посредник) осуществляет аденилатциклазный комплекс, включающий рецептор, настроенный на определённый гормон (или др. биологически активное вещество) и расположенный на внешней стороне клеточной мембраны, и аденилатциклазу, расположенную на внутренней стороне мембраны. Гормон, взаимодействуя с рецептором, активирует аденилатциклазу, которая образует цAMФ из АТФ.
Концентрация цAMФ, образующегося в клетке, превышает концентрацию действующего на клетку гормона в 100 раз. В основе механизма действия цAMФ в тканях животных и человека лежит его взаимодействие с протеинкиназами, например, протеинкиназы А. Связывание цAMФ с регуляторной субъединицей протеинкиназы приводит к диссоциации фермента и активации его каталитической субъединицы, которая, освободившись от регуляторной субъединицы, способна фосфорилировать определённые белки (в том числе ферменты). Изменение свойств этих макромолекул путём фосфорилирования меняет и соответствующие функции клеток. цAMФ играет определённую роль в морфологии, подвижности, пигментации клеток, в кроветворении, клеточном иммунитете, вирусной инфекции и др.
Ras — это семейство генов, а также белки, которые они кодируют — так называемые малые G-белки (малые ГТФазы). Ras являются мембраносвязанными белками, участвующими в передаче сигнала. Они осуществляют один из первых этапов передачи сигнала извне клетки и, как правило, регулируют размножение клеток. Некоторые мутации могут приводить к постоянной активации Ras, что нарушает регуляцию деления клеток. Ошибки в регуляции Ras могут привести к росту опухоли и метастазированию. [1] Действительно, в 20-25% опухолей человека обнаружены мутации в гене Ras, повышающие его активность, а в некоторых типах опухолей эта цифра доходит до 90%.[2] Суперсемейство белков Ras представляет собой малые ГТФазы и включает в себя Ras, Rho, Arf, G-белок Rab и Ran.Содержание [убрать]
1 История
2 Суперсемейство
3 Функции
4 Примечания
[править]
История
Гены Ras впервые были идентифицированы как трансформирующие онкогены, которые вызывали опухоли при заражении вирусом саркомы Харви и Кирстен (онкогены HRAS и KRAS, соответственно) Эдвином Скольником и соавт. в National Institutes of Health (NIH), США. Эти вирусы впервые были выделены у крыс в 1960х Дженифер Харви и Вернером Кирстеном.
В 1982 г. активирующие и трансформирующие гены человека Ras были открыты в раковых клетках человека Джеффри Купером в Гарварде, Стьюартом Ааронсоном в NIH и Робертом Вейнбергом в МТИ. Последующие исследования клеток нейробластомы привели к открытию третьего гена RAS у человека, названного NRAS.
[править]
Суперсемейство
К суперсемейству Ras относится более сотни структурно сходных белков человека, к подсемейству собственно Ras — более десятка. Белков Ras в узком смысле у человека четыре — с гена KRAS считывается две формы белка за счет альтернативного сплайсинга.
[править]
Функции
Участвуя в передаче сигнала от мембранных рецепторов, белки Ras могут влиять на размножение клеток, прикрепление их к внеклеточному матриксу, состояние актинового цитоскелета, злокачественную трансформацию и другие процессы. Ras задействованы в различных каскадах передачи сигнала, из которых наиболее изучен MAP-киназный каскад. К злокачественной трансормации клеток могут приводить как конститутивные точечные мутации Ras, вызывающие постоянную активацию белка из-за нарушения его способности гидролизовать ГТФ, так и мутации многих белков, участвующих в том же пути передачи сигнала (например, приводящая к утрате функции мутация гена-супрессора GAP-белка NF1, который способствует гидролизу ГТФ белком Ras).