G-білки

Гетротримерний G-білок, приєднаний до ліпідного бішару: фосфоліпіди зафарбовані зеленим, α-субодиниця — жовтим, субодиниці β та γ — синім, ГДФ — чорним.

G-білки (англ. Guanine nucleotide-binding proteins, білки, що зв'язують гуанілові нуклеотиди) — це родина білків, що беруть участь у клітинному сигналюванні еукаріот. 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^[1].

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^[2]: 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)^[3].

Гетеротримерні G-білки були вікриті Альфредом Гілманом та Мартіном Родбеллом, за що у 1994 році вони отримали Нобелівську премію з фізіології та медицини^[4].

Структура гетеротримерних G-білків

Структрура гетеротримерного G-білка, що складається із химерної α_t/α_i-субодиниці (синя) та βγ-комплексу (зелене, жовте, червоне)

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^[5]. 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^[1].

Рецептори, спряжені із G-білками

Основна стаття: Рецептори, спряжені із G-білками

Структура рецептора, спряженого із G-білком: наявні 7 трансмембранні домени.

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.^[2]

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.^[6]

Функціональний цикл G-білків

Функціональний цикл G-білків

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^[2].

Регуляція активності G-білків

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^[6]. 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^[2].

Сигнальні шляхи, що активуються G-білками

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

Аденілатциклаза — фермент, на активність якого впливають білки G_s та G_i

Циклічний аденозинмонофосфат (цАМФ) — вторинний посередник, на концентрацію якого впливає сигналювання через G-білки

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^[2].

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^[2].

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.^[2]

Активація фосфоліпази С-β

Сигнальний шлях ІФ₃/ДАГ, що може активуватись G_q-білком

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 Ca²⁺ 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.^[2]

Регуляція іонних каналів G-білками

Трансдукція світлового сигналу у паличці сітківки здійснюється за участі G-бліка трансдуцину

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.^[2]

Родини G-білків

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

Основні родини гетеротримерних G-білків на основі амінокислотної послідовності α-субодиниці[2]
Родина	Деякі члени	Субодиниця, що відповідає за ефект	Деякі функції
I	Gs	α	Активація аденілатциклази, відкриття кальцієвих каналів
	Golf	α	Активація аденілатциклази у нюхових нейронах
II	Gi	α	Інгібування аденілатциклази
		βγ	Відкривання калієвих каналів
	Go	βγ	Відкривання калієвих каналів, закривання кальцієвих каналів
		α і βγ	Активація фосфоліпази С-β
	Gt (трансдуцин)	α	Активація цГМФ-фосфодіестерази у фоторецепторах хребетних
III	Gq	α	Активація фосфоліпази С-β
IV	G12/13	α	Активація мономерних ГТФаз родини Rho, що регулюють актиновий цитоскелет

Джерела

1. Gomperts BD, Kramer IM, Tatham PER (2003). Signal Transduction (вид. 1st). Academic Press. ISBN 0122896327.
2. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). Molecular Biology of the Cell (вид. 5th). Garland Science. ISBN 978-0-8153-4105-5. Архів оригіналу за 22 липня 2011. Процитовано 23 липня 2011.
3. G protein [Архівовано 27 липня 2011 у Wayback Machine.] Molecule of the Month by David Goodsell PDB doi: 10.2210/rcsb_pdb/mom_2004_10
4. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994. Архів оригіналу за 6 квітня 2016. Процитовано 23 липня 2011.
5. Hamm HE (1998). The many faces of G protein signaling. J Biol Chem. 273: 669—72. doi:10.1074/jbc.273.2.669. PMID 9422713.
6. Kraus G (2003). Biochemistry of Signal Transduction and Regulation (вид. 3rd). Wiley-VCH. ISBN 3-527-30591-2.

Посилання

• 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.)