Las GTPasas son una gran familia de enzimas hidrolasas que se unen al nucleótido guanosina trifosfato (GTP) y lo hidrolizan a guanosina difosfato (GDP) . [1] La unión y la hidrólisis del GTP tienen lugar en el "dominio G" del bucle P altamente conservado , un dominio proteico común a muchas GTPasas. [1]
Las GTPasas funcionan como interruptores moleculares o temporizadores en muchos procesos celulares fundamentales. [2]
Algunos 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 generalizado de señalización 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 distinguen estas dos formas, particularmente de las regiones de "cambio" que en el estado activo pueden hacer contactos proteína-proteína con proteínas asociadas que alteran la función de estos efectores. [1]
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. [2] [3] La hidrólisis del tercer fosfato (γ) de GTP para crear guanosina difosfato (GDP) y P i , fosfato inorgánico , ocurre por el mecanismo S N 2 (ver sustitución nucleofílica ) a través de un estado de transición pentacoordinado y depende de la presencia de un ion magnesio Mg 2+ . [2] [3]
La actividad GTPasa sirve como mecanismo de apagado para las funciones de señalización de las GTPasas al devolver la proteína activa unida a GTP al estado inactivo unido a GDP. [2] [3] La mayoría de las "GTPasas" tienen actividad GTPasa funcional, lo que les permite permanecer activas (es decir, unidas a GTP) solo por un corto tiempo antes de desactivarse convirtiendo el GTP unido en GDP unido. [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 la 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). [5]
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 proteínas reguladoras distintas llamadas factores de intercambio de nucleótidos de guanina o GEF. [2] [3] La proteína GTPasa sin nucleótidos se une rápidamente al GTP, que está en un exceso muy superior al GDP en las células sanas, 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 los GEF es el mecanismo de control principal en la estimulación de las funciones de señalización de la GTPasa, aunque los GAP también desempeñan un papel importante. Para las proteínas G heterotriméricas y muchas proteínas pequeñas que se unen a GTP, la actividad de los 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 la proteína G son en sí mismos GEF, mientras que para las GTPasas pequeñas activadas por receptor sus GEF son distintos de los receptores de la superficie celular).
Algunas GTPasas también se unen a proteínas accesorias llamadas inhibidores de la disociación del nucleótido de guanina o GDI, que estabilizan el estado inactivo unido al GDP. [6]
La cantidad de GTPasa activa se puede cambiar de varias maneras:
En la mayoría de las GTPasas, la especificidad por la base guanina frente a otros nucleótidos se imparte mediante el motivo de reconocimiento de bases, que tiene la secuencia de 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 al ATP. [8]
La clase TRAFAC de proteínas del dominio G recibe su nombre de su miembro prototípico, las proteínas del factor de traducción G. Desempeñan funciones en la traducción, la transducción de señales y la motilidad celular. [8]
La familia de factores de traducción clásicos múltiples GTPasas desempeñan papeles importantes en la iniciación , elongación y terminación de la biosíntesis de proteínas . Compartiendo un modo similar de unión a los 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 los factores de liberación de clase 2. Otros miembros incluyen EF-4 (LepA), BipA (TypA), [10] SelB (parálogo bacteriano de selenocisteína-ARNt EF-Tu), Tet ( resistencia a la tetraciclina por protección ribosómica), [11] y HBS1L ( proteína de rescate de ribosomas eucariota similar a los factores de liberación).
La superfamilia también incluye a la familia Bms1 de la levadura. [8]
Los complejos de proteína G heterotriméricos se componen de tres subunidades proteicas distintas llamadas subunidades alfa (α), beta (β) y gamma (γ) . [12] Las subunidades alfa contienen el dominio de unión de 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 funciones de señalización distintas. [2] [3] Las subunidades α y γ son modificadas por anclajes lipídicos para aumentar su asociación con la capa interna de la membrana plasmática. [14]
Las proteínas G heterotriméricas actúan como transductores de receptores acoplados a proteína G , acoplando la activación del receptor a efectores de señalización descendentes y segundos mensajeros . [2] [3] [15] En células no estimuladas, las proteínas G heterotriméricas se ensamblan como el trímero inactivo unido a 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 rompe el complejo en sus componentes de subunidades alfa y beta-gamma de proteína G. [2] [3] Si bien estas subunidades de proteína G activadas ahora son libres de activar sus efectores, el receptor activo también es libre de activar proteínas G adicionales, lo que permite la activación y amplificación catalítica donde un receptor puede activar muchas proteínas G. [2] [3]
La señalización de la proteína G se termina por hidrólisis del GTP unido a GDP unido. [2] [3] Esto puede ocurrir a través de la actividad intrínseca de la GTPasa 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 de reguladores de la señalización de la proteína G (RGS). [4] La velocidad de la reacción de hidrólisis funciona como un reloj interno que limita la longitud 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 original inactivo. [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 de subunidad α distintos. [12] Las G β y G γ también están compuestas por muchos miembros, lo que aumenta la diversidad estructural y funcional del heterotrímero. [12] Entre las moléculas objetivo de las proteínas G específicas se encuentran las enzimas generadoras de segundo mensajero adenilil ciclasa y fosfolipasa C , así como varios canales iónicos . [16]
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 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 de este tipo, llamada Ras , también se las 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 primarias de aminoácidos y propiedades bioquímicas, las numerosas GTPasas pequeñas de la superfamilia Ras se dividen en cinco subfamilias con funciones distintas: Ras , Rho ("homología 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 los receptores de factores de crecimiento ), los GEF reguladores de muchas otras GTPasas pequeñas se activan en respuesta a señales celulares intrínsecas, no a señales de la superficie celular (externas).
Esta clase se define por la pérdida de dos cadenas beta y cadenas N-terminales adicionales. Las dos homónimas de esta superfamilia, la miosina y la 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 por dimerización. [8] La clase, que lleva el nombre de la partícula de reconocimiento de señales (SRP), MinD y BioD, 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 su especificidad de sustrato para convertirse en ATPasas. [19]
Para una discusión de los factores de translocación y el papel del GTP, consulte partícula de reconocimiento de señales (SRP).
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. [20]
También existen proteínas hidrolizadoras de GTP que utilizan un bucle P de una superclase distinta a la que contiene el dominio G. Algunos ejemplos son las proteínas NACHT de su propia superclase y la proteína McrB de la superclase AAA+ . [8]
