Las GTPasas son una gran familia de enzimas hidrolasas que se unen al nucleótido trifosfato de guanosina (GTP) y lo hidrolizan a difosfato de guanosina (GDP) . [1] La unión e hidrólisis de GTP tiene lugar en el "dominio G" del bucle P altamente conservado , un dominio proteico común a muchas GTPasas. [1]
Las GTPasas funcionan como interruptores o temporizadores moleculares en muchos procesos celulares fundamentales. [2]
Ejemplos de estos roles incluyen:
Las GTPasas son activas cuando están unidas a GTP e inactivas cuando están unidas a GDP. [2] [3] En el modelo de señalización generalizado de receptor-transductor-efector de Martin Rodbell , las GTPasas de señalización actúan como transductores para regular la actividad de las proteínas efectoras. [3] Este cambio inactivo-activo se debe a cambios conformacionales en la proteína que distingue estas dos formas, particularmente de las regiones de "interruptor" que en el estado activo son capaces de establecer contactos proteína-proteína con proteínas asociadas que alteran la función de estas. efectores. [1]
La hidrólisis del GTP unido a una GTPasa del dominio G (activa) conduce a la desactivación de la función de señalización/temporizador de la enzima. [2] [3] La hidrólisis del tercer fosfato (γ) de GTP para crear difosfato de guanosina (PIB) y Pi , fosfato inorgánico , se produce mediante el mecanismo S N 2 (ver sustitución nucleofílica ) a través de un estado de transición pentacoordinado y se depende de la presencia de un ion magnesio Mg 2+ . [2] [3]
La actividad de la GTPasa sirve como mecanismo de cierre de las funciones de señalización de las GTPasas al devolver la proteína activa unida a GTP al estado inactivo unida a GDP. [2] [3] La mayoría de las "GTPasas" tienen actividad GTPasa funcional, lo que les permite permanecer activas (es decir, unidas a GTP) sólo por un corto tiempo antes de desactivarse al convertir GTP ligado en GDP ligado. [2] [3] Sin embargo, muchas GTPasas también utilizan proteínas accesorias llamadas proteínas activadoras de GTPasa o GAP para acelerar su actividad GTPasa. Esto limita aún más la vida activa de las GTPasas de señalización. [4] Algunas GTPasas tienen poca o ninguna actividad GTPasa intrínseca y dependen completamente de las proteínas GAP para su desactivación (como el factor de ribosilación ADP o la familia ARF de pequeñas proteínas de unión a GTP que participan en el transporte mediado por vesículas dentro de las células). . [5]
Para activarse, las GTPasas deben unirse al GTP. Dado que se desconocen los mecanismos para convertir el GDP unido directamente en GTP, se induce a las GTPasas inactivas a liberar GDP unido mediante la acción de distintas proteínas reguladoras llamadas factores de intercambio de nucleótidos de guanina o GEF. [2] [3] La proteína GTPasa libre de nucleótidos se vuelve a unir rápidamente a GTP, que en las células sanas se encuentra en un exceso muy superior al GDP, lo que permite que la GTPasa entre en el estado de conformación activa y promueva sus efectos en la célula. [2] [3] Para muchas GTPasas, la activación de GEF es el principal mecanismo de control en la estimulación de las funciones de señalización de la GTPasa, aunque las GAP también desempeñan un papel importante. Para las proteínas G heterotriméricas y muchas proteínas pequeñas de unión a GTP, la actividad del GEF es estimulada por receptores de la superficie celular en respuesta a señales externas a la célula (para las proteínas G heterotriméricas, los receptores acoplados a la 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 la disociación de nucleótidos de guanina o GDI que estabilizan el estado inactivo unido a GDP. [6]
La cantidad de GTPasa activa se puede cambiar de varias formas:
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. [8]
La clase TRAFAC de proteínas de dominio G lleva el nombre del miembro prototípico, las proteínas del factor G de traducción. Desempeñan funciones en la traducción, la transducción de señales y la motilidad celular. [8]
Las GTPasas de la familia de múltiples factores de traducción clásicos desempeñan funciones importantes en el inicio , el alargamiento y la terminación de la biosíntesis de proteínas . Compartiendo un modo similar de unión a ribosomas debido al dominio β-EI que sigue a la GTPasa, los miembros más conocidos de la familia son EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G , [9] y clase 2. factores de liberación . Otros miembros incluyen EF-4 (LepA), BipA (TypA), [10] SelB (parálogo bacteriano de selenocisteinil-ARNt EF-Tu), Tet ( resistencia a la tetraciclina por protección ribosómica), [11] y HBS1L (proteína de rescate de ribosomas eucarióticos similar). para liberar factores).
La superfamilia también incluye la familia Bms1 de levadura. [8]
Los complejos de proteína G heterotriméricos están compuestos por tres subunidades proteicas distintas denominadas subunidades alfa (α), beta (β) y gamma (γ) . [12] 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 . [13] 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 realizar distintas funciones de señalización. [2] [3] Las subunidades α y γ son modificadas por anclajes lipídicos para aumentar su asociación con la valva interna de la membrana plasmática. [14]
Las proteínas G heterotriméricas actúan como transductores de los receptores acoplados a la proteína G , acoplando la activación del receptor a los efectores de señalización posteriores y a los segundos mensajeros . [2] [3] [15] En las células no estimuladas, las proteínas G heterotriméricas se ensamblan como el trímero inactivo unido al GDP (complejo G α -GDP-G βγ ). [2] [3] 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. [2] [3] El complejo unido a GTP sufre un cambio de conformación activador que lo disocia del receptor y también descompone el complejo en sus componentes de subunidad alfa y beta-gamma de proteína G. [2] [3] 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 catalítica y la amplificación donde un receptor puede activar muchas proteínas G. [2] [3]
La señalización de la proteína G finaliza mediante la hidrólisis del GTP unido al GDP unido. [2] [3] 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 del Regulador de la señalización de la proteína G (RGS). familia). [4] 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. [2] [3]
Las proteínas G heterotriméricas se pueden clasificar por homología de secuencia de la unidad α y por sus objetivos funcionales en cuatro familias: familia G s , familia G i , familia G q y familia G 12 . [12] Cada una de estas familias de proteínas G α contiene múltiples miembros, de modo que los mamíferos tienen 16 genes distintos de subunidad α . [12] G β y G γ también están compuestos de muchos miembros, lo que aumenta la diversidad estructural y funcional de los heterotrímeros. [12] 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 . [dieciséis]
Las GTPasas pequeñas funcionan como monómeros y tienen un peso molecular de aproximadamente 21 kilodaltons que consiste principalmente en el dominio GTPasa. [17] También se les llama 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, llamada Ras , también se les conoce como 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. [18] [17] Según sus secuencias de aminoácidos primarias y propiedades bioquímicas, las muchas GTPasas pequeñas de la superfamilia Ras se dividen en cinco subfamilias con funciones distintas: Ras , Rho ("homología de Ras"), Rab , Arf y Ran . [17] Mientras que muchas GTPasas pequeñas son activadas por sus GEF en respuesta a señales intracelulares que emanan de los receptores de la superficie celular (particularmente receptores del factor de crecimiento ), los GEF reguladores de muchas otras GTPasas pequeñas se activan en respuesta a señales celulares intrínsecas, no a la superficie celular (externas). ) señales.
Esta clase se define por la pérdida de dos hebras beta y hebras N-terminales adicionales. Ambos homónimos de esta superfamilia, miosina y kinesina , han pasado a utilizar ATP. [8]
Considere la dinamina como un prototipo de GTPasas monoméricas grandes.
Gran parte de la clase SIMIBI de GTPasas se activa mediante dimerización. [8] La clase, que lleva el nombre de la partícula de reconocimiento de señales (SRP), MinD y BioD, participa en la localización de proteínas, la partición de cromosomas y el transporte de membranas. Varios miembros de esta clase, incluidos MinD y Get3, han cambiado en su especificidad de sustrato para convertirse en ATPasas. [19]
Para una discusión sobre los factores de translocación y el papel de GTP, consulte Partícula de reconocimiento de señales (SRP).
Si bien la tubulina y las proteínas estructurales relacionadas también se unen e hidrolizan el 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. [20]
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+ . [8]
