GTPasa

GTPasas son una gran familia de enzimas hidrolasas que se unen al nucleótido guanosina trifosfato (GTP) y lo hidrolizan a guanosina difosfato (GDP). La unión e hidrólisis de GTP tiene lugar en el 'dominio G' del bucle P altamente conservado, un dominio de proteína común a muchas GTPasas.

Funciones

Las GTPasas funcionan como interruptores moleculares o temporizadores en muchos procesos celulares fundamentales.

Ejemplos de estos roles incluyen:

• Transducción de señales en respuesta a la activación de los receptores de superficie celular, incluyendo los receptores transmembrana como aquellos que median gusto, olor y visión.
• Biosíntesis proteína (a.k.a. traducción) en el ribosoma.
• Regulación de la diferenciación celular, proliferación, división y movimiento.
• Translocación de proteínas a través de membranas.
• Transporte de vesículas dentro de la célula, y secreción mediada de vesícula y absorción, a través del control de GTPase del montaje del abrigo vesical.

Las GTPasas están activas cuando están vinculadas a GTP e inactivas cuando están vinculadas a GDP. En el modelo de señalización receptor-transductor-efector generalizado de Martin Rodbell, las GTPasas de señalización actúan como transductores para regular la actividad de las proteínas efectoras. Este cambio inactivo-activo se debe a cambios conformacionales en la proteína que distinguen estas dos formas, particularmente del "cambio" regiones que en estado activo son capaces de hacer contactos proteína-proteína con proteínas asociadas que alteran la función de estos efectores.

Mecanismo

La hidrólisis de GTP unido a una GTPasa de dominio G (activa) conduce a la desactivación de la función de señalización/temporizador de la enzima. La hidrólisis del tercer (γ) fosfato de GTP para crear guanosina difosfato (GDP) y P_i, fosfato inorgánico, ocurre por el mecanismo S_N2 (ver sustitución nucleófila) a través de un estado de transición pentavalente y depende de la presencia de un ion magnesio Mg²⁺.

La actividad de GTPasa sirve como mecanismo de cierre para las funciones de señalización de las GTPasas al devolver la proteína activa unida a GTP al estado inactivo unido a GDP. La mayoría de las "GTPasas" tienen actividad GTPasa funcional, lo que les permite permanecer activos (es decir, unidos a GTP) solo por un corto tiempo antes de desactivarse al convertir GTP unido a GDP unido. Sin embargo, muchas GTPasas también usan proteínas accesorias llamadas proteínas activadoras de GTPasas o GAP para acelerar su actividad GTPasa. Esto limita aún más el tiempo de vida activo de las GTPasas de señalización. Algunas GTPasas tienen poca o ninguna actividad GTPasa intrínseca y dependen completamente de las proteínas GAP para su desactivación (como el factor de ribosilación de ADP o la familia ARF de pequeñas proteínas de unión a GTP que están involucradas en el transporte mediado por vesículas dentro de las células).

Para activarse, las GTPasas deben unirse a GTP. Dado que se desconocen los mecanismos para convertir el GDP unido directamente en GTP, las GTPasas inactivas son inducidas a liberar el GDP unido por la acción de distintas proteínas reguladoras llamadas factores de intercambio de nucleótidos de guanina o GEF. La proteína GTPasa libre de nucleótidos se vuelve a unir rápidamente al GTP, que en las células sanas es muy superior al GDP, lo que permite que la GTPasa entre en el estado de conformación activo y promueva sus efectos en la célula. Para muchas GTPasas, la activación de GEF es el principal mecanismo de control en la estimulación de las funciones de señalización de GTPasas, aunque las GAP también juegan un papel importante. Para las proteínas G heterotriméricas y muchas proteínas pequeñas de unión a GTP, la actividad de GEF es estimulada por los receptores de la superficie celular en respuesta a señales fuera de la célula (para las proteínas G heterotriméricas, los receptores acoplados a proteína G son en sí mismos GEF, mientras que para las pequeñas GTPasas activadas por receptores). sus GEF son distintos de los receptores de la superficie celular).

Algunas GTPasas también se unen a proteínas accesorias llamadas inhibidores de disociación de nucleótidos de guanina o GDI que estabilizan el estado inactivo unido a GDP.

La cantidad de GTPasa activa se puede cambiar de varias formas:

1. Aceleration of GDP dissociation by GEFs speeds up the accumulation of active GTPase.
2. La inhibición de la disociación del PIB por los inhibidores de la disociación del nucleótido guanino disminuye la acumulación de GTPas activas.
3. La aceleración de la hidrolisis GTP por los GAP reduce la cantidad de GTPase activa.
4. Artificial Analógicas de GTP como GTP-γ-S, β,γ-metileno-GTP, y β,γ-imino-GTP que no puede ser hidrolizado puede bloquear la GTPase en su estado activo.
5. Las mutaciones (como las que reducen la tasa de hidrolisis GTP intrínseca) pueden bloquear la GTPase en el estado activo, y tales mutaciones en las pequeñas Ras de GTPase son particularmente comunes en algunas formas de cáncer.

GTPasas de dominio G

En la mayoría de las GTPasas, la especificidad por la base guanina frente a otros nucleótidos la imparte el motivo de reconocimiento de bases, que tiene la secuencia consenso [N/T]KXD. La siguiente clasificación se basa en características compartidas; algunos ejemplos tienen mutaciones en el motivo de reconocimiento de bases que cambian su especificidad de sustrato, más comúnmente a ATP.

Clase TRAFAC

La clase TRAFAC de proteínas de dominio G lleva el nombre del miembro prototípico, las proteínas G del factor de traducción. Desempeñan funciones en la traducción, la transducción de señales y la motilidad celular.

Superfamilia de factores de traducción

Las GTPasas de la familia de factores de traducción clásicos múltiples desempeñan funciones importantes en la iniciación, la elongación y la finalización de la biosíntesis de proteínas. Compartiendo un modo similar de unión al ribosoma debido al dominio β-EI que sigue a la GTPasa, los miembros más conocidos de la familia son los factores de liberación EF-1A/EF-Tu, EF-2/EF-G y clase 2. Otros miembros incluyen EF-4 (LepA), BipA (TypA), SelB (paralog bacteriano selenocisteinil-tRNA EF-Tu), Tet (resistencia a la tetraciclina por protección ribosomal), y HBS1L (proteína de rescate de ribosomas eucariotas similar a los factores de liberación).

La superfamilia también incluye la familia Bms1 de levadura.

Superfamilia similar a Ras

Proteínas G heterotriméricas

Los complejos de proteínas G heterotriméricas están compuestos por tres subunidades proteicas distintas denominadas alfa (α), beta (β) y gamma (γ) subunidades Las subunidades alfa contienen el dominio de unión a GTP/GTPasa flanqueado por largas regiones reguladoras, mientras que las subunidades beta y gamma forman un complejo dimérico estable denominado complejo beta-gamma. Cuando se activa, una proteína G heterotrimérica se disocia en una subunidad alfa unida a GTP activada y una subunidad beta-gamma separada, cada una de las cuales puede desempeñar distintas funciones de señalización. Las subunidades α y γ son modificadas por anclajes lipídicos para aumentar su asociación con la valva interna de la membrana plasmática.

Las proteínas G heterotriméricas actúan como transductores de los receptores acoplados a proteína G, acoplando la activación del receptor a los efectores de señalización y segundos mensajeros aguas abajo. En las células no estimuladas, las proteínas G heterotriméricas se ensamblan como el trímero inactivo unido a GDP (complejo G_α-GDP-G_βγ). Tras la activación del receptor, el dominio intracelular del receptor activado actúa como GEF para liberar GDP del complejo de proteína G y promover la unión de GTP en su lugar. El complejo unido a GTP sufre un cambio de conformación de activación que lo disocia del receptor y también rompe el complejo en sus componentes de proteína G alfa y subunidad beta-gamma. Si bien estas subunidades de proteína G activadas ahora son libres para activar sus efectores, el receptor activo también es libre para activar proteínas G adicionales; esto permite la activación y amplificación catalítica donde un receptor puede activar muchas proteínas G.

La señalización de la proteína G termina con la hidrólisis del GTP unido al GDP unido. Esto puede ocurrir a través de la actividad GTPasa intrínseca de la subunidad α, o ser acelerado por proteínas reguladoras separadas que actúan como proteínas activadoras de GTPasa (GAP), como los miembros de la familia Reguladora de señalización de proteínas G (RGS). La velocidad de la reacción de hidrólisis funciona como un reloj interno que limita la duración de la señal. Una vez que G_α vuelve a estar unido a GDP, las dos partes del heterotrímero se vuelven a asociar al estado inactivo original.

Las proteínas G heterotriméricas se pueden clasificar por homología de secuencia de la unidad α y por sus dianas funcionales en cuatro familias: familia G_s, familia G_i, Gq y familia G₁₂. Cada una de estas familias de proteínas G_α contiene múltiples miembros, de modo que los mamíferos tienen 16 genes de subunidad _α distintos. El G_β y el G_γ también están compuestos por muchos miembros, lo que aumenta la diversidad estructural y funcional del heterotrímero. Entre las moléculas diana de las proteínas G específicas se encuentran las enzimas generadoras de segundos mensajeros adenilil ciclasa y fosfolipasa C, así como varios canales iónicos.

Pequeñas GTPasas

Las GTPasas pequeñas funcionan como monómeros y tienen un peso molecular de aproximadamente 21 kilodaltons que consiste principalmente en el dominio GTPasa. También se denominan proteínas reguladoras de unión a nucleótidos de guanina pequeñas o monoméricas, proteínas de unión a GTP pequeñas o monoméricas, o proteínas G pequeñas o monoméricas, y debido a que tienen una homología significativa con la primera proteína identificada, denominada Ras, también son denominadas GTPasas de la superfamilia Ras. Las GTPasas pequeñas generalmente sirven como interruptores moleculares y transductores de señales para una amplia variedad de eventos de señalización celular, que a menudo involucran membranas, vesículas o citoesqueleto. De acuerdo con sus secuencias de aminoácidos primarias y sus propiedades bioquímicas, las GTPasas pequeñas de la superfamilia Ras se dividen en cinco subfamilias con funciones distintas: Ras, Rho ("Ras-homología"), Rab, Arf y Ran. Mientras que muchas GTPasas pequeñas son activadas por sus GEF en respuesta a las señales intracelulares que emanan de los receptores de la superficie celular (particularmente los receptores del factor de crecimiento), los GEF reguladores para muchas otras GTPasas pequeñas se activan en respuesta a señales celulares intrínsecas, no a señales de la superficie celular (externas).

Superfamilia de miosina-kinesina

Esta clase se define por la pérdida de dos cadenas beta y cadenas N-terminales adicionales. Ambos homónimos de esta superfamilia, la miosina y la kinesina, han pasado a utilizar ATP.

Grandes GTPasas

Vea a dynamin como un prototipo de GTPasas monoméricas grandes.

Clase SIMIBI

Gran parte de la clase SIMIBI de GTPasas se activa por dimerización. El nombre de la partícula de reconocimiento de señales (SRP), MinD y BioD, la clase está involucrada en la localización de proteínas, la partición de cromosomas y el transporte de membrana. Varios miembros de esta clase, incluidos MinD y Get3, han cambiado en la especificidad de sustrato para convertirse en ATPasas.

Factores de translocación

Para obtener una discusión sobre los factores de translocación y el papel de GTP, consulte partículas de reconocimiento de señales (SRP).

Otras GTPasas

Si bien la tubulina y las proteínas estructurales relacionadas también se unen e hidrolizan GTP como parte de su función para formar túbulos intracelulares, estas proteínas utilizan un dominio de tubulina distinto que no está relacionado con el dominio G utilizado por las GTPasas de señalización.

También hay proteínas que hidrolizan GTP que utilizan un bucle P de una superclase distinta de la que contiene el dominio G. Los ejemplos incluyen las proteínas NACHT de su propia superclase y la proteína McrB de la superclase AAA+.