Молекулярная биология: Структура и функции белков - Степанов В.М. 2005

G-белки
Стимулирующий белок Gs и ингибирующий белок Gі аденилатциклазной системы

Как известно, аденилатциклаза, катализирующая образование циклического аденозинмонофосфата из АТФ, определяет внутриклеточный уровень цАМФ - вторичного мессенджера, который в свою очередь регулирует целый ряд биохимических процессов. Активность этого весьма важного для физиологии клетки фермента зависит от внеклеточных факторов, в частности адреналина, взаимодействующего со специфическим рецептором в клеточной мембране. Сигнал от рецептора к собственно аденилатциклазе передается стимулирующим белком G_s. Последний является гетеротримером и состоит из трех различных субъединиц. Субъединица G_s-a с молекулярной массой 45 или 52 кДа у животных является продуктом экспрессии одного и того же гена. Различие в длине ее пептидной цепи вызвано альтернативным сплайсингом, который не одинаково протекает в различных клетках. Эта субъединица связывает ГДФ или ГТФ и катализирует гидролиз последнего. Комплекс G_s—ГТФ растворим в воде и способен активировать аденилатциклазу без участия других субъединиц.

Способ действия G_і-белка представляется следующим. Комплекс G_s-a-субъединицы и ГДФ вступает во взаимодействие с комплексом ß- и у-субъединиц, образуя неактивную форму белка — а-ГДФ-ß-y. Замещение ГДФ на ГТФ в таком комплексе идет медленно, однако оно резко ускоряется при взаимодействии C_s-белка со стимулирующим рецептором, находящимся в мембране. В результате замещения ГДФ на ГТФ построенная из трех субъединиц структура распадается, отщепляя комплекс ß—у, в котором у-субъединица, видимо, играет роль якоря, позволяющего белку присоединиться к мембране.

Высвободившаяся a-субъединица, содержащая связанный ГТФ, представляет собой собственно активную форму белка. Она образует комплекс с аденилатциклазой, активируя этот фермент. Результатом является возрастание концентрации цАМФ внутри клетки в ответ на относительно слабый внеклеточный сигнал, например присоединение гормона к рецептору. Продолжительность действия этого сигнала задается временем, которое необходимо для внутримолекулярного гидролиза a-субъединицей связанного ГТФ до ГДФ, после чего комплекс G_s-a— ГДФ вновь соединяется с ß—у-комплексом и белок возвращается в неактивное состояние.

Такая схема подтверждается тем, что негидролизующиеся аналоги ГТФ, связываясь с a субъединицей, постоянно поддерживают аденилатциклазу в активированном состоянии. Субъединица G_s-a может подвергаться АДФ-рибозилированию, которое катализируется холерным токсином и состоит в модификации одного из остатков аргинина (Arg-207). Это вызывает снижение ГТФ-азной активности белка, что влечет за собой постоянную активацию аденилатциклазы и нарушение регуляции метаболических процессов.

Клеточные мембраны содержат и такие рецепторы, которые в ответ на связывание внешних эффекторов посылают сигналы, не активирующие, а, наоборот, ингибирующие аденилатциклазу. Действие таких рецепторов опосредовано особым «ингибирующим» G_i-белком и протекает, видимо, следующим образом. После связывания эффектора рецептор взаимодействует с G_i-белком, образованным субъединицами a, ß у. Как и в рассмотренном выше случае, это приводит к диссоциации белка на a-субъединицу, сохраняющую связь с рецептором до тех пор, пока не пройдет внутримолекулярный гидролиз ГТФ, и ß—у-комплекс. Последний построен из ß-субъединицы, такой же, как и в активирующем C_s-белке, и у-субъединицы, которая точно так же играет роль мембранного якоря. Комплекс ß—у связывает a-субъединицу стимулирующего белка aG_s в тройной неактивный комплекс aG_s—ГДФ—ß—у, не позволяя ей активировать аденилатциклазу. Таким образом, ингибирующий G_i-белок действует, высвобождая в ответ на связывание эффектора ингибитор активирующего G_s-белка — комплекс ß—у. Время, в течение которого этот комплекс свободен от контакта с a-субъединицей, зависит от того, насколько быстро последняя расщепит связанный ГТФ.

В заключение отметим распространенность G-белков как передатчиков сигналов со своего рода встроенным таймером. Обнаружено около 150 генов таких белков. Для многих из них функция пока неизвестна, не установлено даже, принадлежат ли они к стимулирующему G_s- или ингибирующему G_i-типу; соответственно их относят к G₀-белкам. В то же время возрастает число G-белков, участвующих в усилении слабых внешних сигналов. Например, найден G-белок, вовлеченный в восприятие запахов.

G-белками являются многие белковые факторы трансляции. Как уже упоминалось, фактор EF-Tu, состоящий из 393 аминокислотных остатков, содержит G-домен (остатки 1-199). При образовании этим белком комплекса с фактором EF-T_S последний как бы раскрывает молекулу EF-Tu и «вставляет» в нее ГТФ, выталкивая ГДФ. Вызванные этим конформациокные изменения G-домена (остатки 1-199) передаются двум другим доменам, взаимодействующим с аминоацил-тРНК и рибосомой. После образования комплекса EF-Tu—ГТФ-рибосома—аминоацил—тРНК ускоряется гидролиз ГТФ в каталитическом центре G-домена. Очевидно, что ГТФазная активность G-домена в значительной мере зависит от того, изолирован ли EF-Tu-фактор или находится в комплексе с рибосомой и аминоацил-тРНК. Иными словами, существует многосторонняя связь между тонкой структурой каталитического центра G-домена и лиганд связывающими участками поверхности EF-Tu-белка, которая реализуется, по-видимому, за счет относительно небольших, но функционально важных конформационных изменений.

После гидролиза ГТФ до ГДФ связь EF-Tu-фактора с рибосомой и аминоацил-тРНК резко ослабевает. Если по каким-либо причинам гидролиз ГТФ произойдет слишком быстро, EF-Tu-фактор не успеет выполнить свою роль организатора комплекса аминоацил-тРНК с рибосомой, что приведет к понижению точности трансляции.

Таким образом, G-белки представляют собой эффективные регуляторы, способные усиливать внешний сигнал и определять длительность его действия. Они используют для этого весьма чувствительные конформационные изменения, сопровождающие связывание ГТФ или ГДФ, а также способность к внутримолекулярному гидролизу ГТФ, причем все эти факторы могут существенным образом изменяться при образовании комплексов G-белков с другими белками.

12.3. Стимулирующий белок G_s и ингибирующий белок G_і аденилатциклазной системы

Как известно, аденилатциклаза, катализирующая образование циклического аденозинмонофосфата из АТФ, определяет внутриклеточный уровень цАМФ - вторичного мессенджера, который в свою очередь регулирует целый ряд биохимических процессов. Активность этого весьма важного для физиологии клетки фермента зависит от внеклеточных факторов, в частности адреналина, взаимодействующего со специфическим рецептором в клеточной мембране. Сигнал от рецептора к собственно аденилатциклазе передается стимулирующим белком G_s. Последний является гетеротримером и состоит из трех различных субъединиц. Субъединица G_s-a с молекулярной массой 45 или 52 кДа у животных является продуктом экспрессии одного и того же гена. Различие в длине ее пептидной цепи вызвано альтернативным сплайсингом, который не одинаково протекает в различных клетках. Эта субъединица связывает ГДФ или ГТФ и катализирует гидролиз последнего. Комплекс G_s—ГТФ растворим в воде и способен активировать аденилатциклазу без участия других субъединиц.

Способ действия G_і-белка представляется следующим. Комплекс G_s-a-субъединицы и ГДФ вступает во взаимодействие с комплексом ß- и у-субъединиц, образуя неактивную форму белка — а-ГДФ-ß-y. Замещение ГДФ на ГТФ в таком комплексе идет медленно, однако оно резко ускоряется при взаимодействии C_s-белка со стимулирующим рецептором, находящимся в мембране. В результате замещения ГДФ на ГТФ построенная из трех субъединиц структура распадается, отщепляя комплекс ß—у, в котором у-субъединица, видимо, играет роль якоря, позволяющего белку присоединиться к мембране.

Высвободившаяся a-субъединица, содержащая связанный ГТФ, представляет собой собственно активную форму белка. Она образует комплекс с аденилатциклазой, активируя этот фермент. Результатом является возрастание концентрации цАМФ внутри клетки в ответ на относительно слабый внеклеточный сигнал, например присоединение гормона к рецептору. Продолжительность действия этого сигнала задается временем, которое необходимо для внутримолекулярного гидролиза a-субъединицей связанного ГТФ до ГДФ, после чего комплекс G_s-a— ГДФ вновь соединяется с ß—у-комплексом и белок возвращается в неактивное состояние.

Такая схема подтверждается тем, что негидролизующиеся аналоги ГТФ, связываясь с a субъединицей, постоянно поддерживают аденилатциклазу в активированном состоянии. Субъединица G_s-a может подвергаться АДФ-рибозилированию, которое катализируется холерным токсином и состоит в модификации одного из остатков аргинина (Arg-207). Это вызывает снижение ГТФ-азной активности белка, что влечет за собой постоянную активацию аденилатциклазы и нарушение регуляции метаболических процессов.

Клеточные мембраны содержат и такие рецепторы, которые в ответ на связывание внешних эффекторов посылают сигналы, не активирующие, а, наоборот, ингибирующие аденилатциклазу. Действие таких рецепторов опосредовано особым «ингибирующим» G_i-белком и протекает, видимо, следующим образом. После связывания эффектора рецептор взаимодействует с G_i-белком, образованным субъединицами a, ß у. Как и в рассмотренном выше случае, это приводит к диссоциации белка на a-субъединицу, сохраняющую связь с рецептором до тех пор, пока не пройдет внутримолекулярный гидролиз ГТФ, и ß—у-комплекс. Последний построен из ß-субъединицы, такой же, как и в активирующем C_s-белке, и у-субъединицы, которая точно так же играет роль мембранного якоря. Комплекс ß—у связывает a-субъединицу стимулирующего белка aG_s в тройной неактивный комплекс aG_s—ГДФ—ß—у, не позволяя ей активировать аденилатциклазу. Таким образом, ингибирующий G_i-белок действует, высвобождая в ответ на связывание эффектора ингибитор активирующего G_s-белка — комплекс ß—у. Время, в течение которого этот комплекс свободен от контакта с a-субъединицей, зависит от того, насколько быстро последняя расщепит связанный ГТФ.

В заключение отметим распространенность G-белков как передатчиков сигналов со своего рода встроенным таймером. Обнаружено около 150 генов таких белков. Для многих из них функция пока неизвестна, не установлено даже, принадлежат ли они к стимулирующему G_s- или ингибирующему G_i-типу; соответственно их относят к G₀-белкам. В то же время возрастает число G-белков, участвующих в усилении слабых внешних сигналов. Например, найден G-белок, вовлеченный в восприятие запахов.

G-белками являются многие белковые факторы трансляции. Как уже упоминалось, фактор EF-Tu, состоящий из 393 аминокислотных остатков, содержит G-домен (остатки 1-199). При образовании этим белком комплекса с фактором EF-T_S последний как бы раскрывает молекулу EF-Tu и «вставляет» в нее ГТФ, выталкивая ГДФ. Вызванные этим конформациокные изменения G-домена (остатки 1-199) передаются двум другим доменам, взаимодействующим с аминоацил-тРНК и рибосомой. После образования комплекса EF-Tu—ГТФ-рибосома—аминоацил—тРНК ускоряется гидролиз ГТФ в каталитическом центре G-домена. Очевидно, что ГТФазная активность G-домена в значительной мере зависит от того, изолирован ли EF-Tu-фактор или находится в комплексе с рибосомой и аминоацил-тРНК. Иными словами, существует многосторонняя связь между тонкой структурой каталитического центра G-домена и лиганд связывающими участками поверхности EF-Tu-белка, которая реализуется, по-видимому, за счет относительно небольших, но функционально важных конформационных изменений.

После гидролиза ГТФ до ГДФ связь EF-Tu-фактора с рибосомой и аминоацил-тРНК резко ослабевает. Если по каким-либо причинам гидролиз ГТФ произойдет слишком быстро, EF-Tu-фактор не успеет выполнить свою роль организатора комплекса аминоацил-тРНК с рибосомой, что приведет к понижению точности трансляции.

Таким образом, G-белки представляют собой эффективные регуляторы, способные усиливать внешний сигнал и определять длительность его действия. Они используют для этого весьма чувствительные конформационные изменения, сопровождающие связывание ГТФ или ГДФ, а также способность к внутримолекулярному гидролизу ГТФ, причем все эти факторы могут существенным образом изменяться при образовании комплексов G-белков с другими белками.