GTPase

En bioquímica, as GTPases ou guanosina trifosfatases (EC 3.6.5) son unha superfamilia de encimas que consta de máis de 100 proteínas estruturalmente relacionadas, que regulan diversas funcións biolóxicas. Son enzimas de tipo hidrolase que poden unirse e hidrolizar a molécula guanosina trifosfato (GTP). A unión da GTPase ao seu substrato, o GTP, ten lugar nunha rexión do encima moi conservada denominada dominio G e é unha rexión común a todas as GTPases. A GTPase está activa cando está unida ao GTP e inactiva cando está unida ao GDP.

Variante da GTPase placentaria CDC42, na súa forma inactiva (unida a GDP).

Clasificación

As GTPases son unha numerosa superfamilia de encimas, que baseándose na súa función se poden dividir en dúas grandes clases:

• Clase TRAFAC (do inglés TRAnslation FACtors, Factores de Tradución), son as GTPases que participan na tradución (iniciación, elongación etc.) e transdución de sinais, motilidade celular e transporte intracelular.
• Clase SIMIBI (do inglés, SIgnal recognition particle, MinD, and BioD, Partícula de recoñecemento de sinal MinD e BioD), son GTPases para o recoñecemento de sinais relacionadas co transporte de proteínas, a ensamblaxe de encimas ATPases do tipo MinD (de aí o nome nas siglas), localización de proteínas, a partición de cromosomas, transporte a nivel da membrana plasmática e un grupo con actividade quinase ou transferase de fosfatos.

Estas dúas clases poden conter en conxunto unhas 20 familias de encimas que poden subdividirse en 57 subfamilias baseándose nos motivos estruturais que comparten entre si, e na arquitectura de certas rexións ou dominios.

GTPase Ras

A superfamilia das GTPases Ras son un grupo numeroso de proteínas monoméricas pequenas homólogas da proteína Ras. Tamén se chaman GTPases pequenas, xa que teñen pesos moleculares de só uns 21 KDa e, en xeral, serven como interruptores moleculares para unha gran variedade de rutas de transmisión de sinais celulares. Baseándose nas súas secuencias de aminoácidos primarias e as súas propiedades bioquímicas, a superfamilia Ras divídese en cinco sub-familias: Ras, Rho, Rab, Arf e Ran.

Familia de factores de tradución

A familia de factores de tradución son GTPases que teñen funcións na iniciación, elongación e terminación da síntese de proteínas nos ribosomas, como o factor de elongación Tu (EF-Tu).

Factores de translocación

Son complexos proteicos, entre os que está a partícula de recoñecemento do sinal, os cales recoñecen e transportan proteínas específicas cara ao retículo endoplasmático e outros destinos, especialmente en procariotas, e que teñen actividade de GTPase.

Funcións

As GTPases teñen funcións importantes en:

• Transdución de sinais nas partes intracelulares de receptores transmembrana que median o recoñecemento de sinais, por exemplo, sabores, olores e a visión.
• Síntese proteica, é dicir, tradución nos ribosomas.
• Control da diferenciación celular durante a división celular.
• Translocación de proteínas a través das membranas celulares.
• Transporte de vesículas dentro da célula, especificamente a ensamblaxe da cuberta das vesículas.

Mecanismo

A hidrólise do fosfato γ do GTP dando unha guanosina difosfato (GDP) e o fosfato inorgánico (P_i) ocorre polo mecanismo de substitución nucleófila (S_N2) vía un intermediario pentavalente, e é dependente do ión magnesio Mg²⁺.

Recoñecemento

Na maioría das GTPases, a especificidade pola base nitroxenada guanina débese a unha rexión da molécula ou motivo, que posúe unha secuencia consenso ([N/T]KXD) presente en todas as proteínas que recoñecen e se unen a nucleótidos. Naquelas GTPases con menor afinidade pola guanina, o motivo [N/T]KXD está ausente ou está substituído por outros nucleótidos, como no caso do grupo de GTPases inducidas por interferón-γ, que no seu lugar teñen un motivo igualmente conservado composto polos aminoácidos arxinina-ácido aspártico (RD), polo que se unen á guanina cunha baixa afinidade.

GTPasas reguladoras

As GTPasas reguladoras, chamadas tamén superfamilia das GTPases, son encimas que regulan outros procesos bioquímicos, entre eles os máis importantes son as proteínas G.

Interruptores

Todas as GTPases reguladoras teñen un mecanismo común que lles permite "acender" ou "apagar" a transdución de sinais. O interruptor funciona por medio do cambio unidireccional da GTPase da forma activa (unida ao GTP) á forma inactiva (unida ao GDP). Este cambio efectúase cunha simple hidrólise do GTP por medio da actividade intrínseca da mesma GTPase, o que fai que o interruptor pase ao estado "apagado". Esta reacción iníciana proteínas específicas denominadas proteínas activadoras de GTPase (GAP) que proveñen dunha transdución de sinais diferente. A inactivación da GTPase pode reverterse ao seu estado de "acendido" por efecto doutras proteínas chamadas factor intercambiador de nucleótidos de guanina (GEF) que causan que se disocie o GDP da GTPase, o que fai que se asocie de novo con outro GTP. Isto pecha o ciclo ao estado activado da GTPase, o cal é o único estado no que a GTPase pode transducir un sinal a unha reacción en cadea augas abaixo.

Regulación

A eficiencia na transdución de sinais vía GTPases depende da relación entre os estados activos e inactivos do encima. A ecuación de equilibrio é:

${\frac {{\mbox{GTPasa}}*{\mbox{GTP}}}{{\mbox{GTPasa}}*{\mbox{GDP}}}}={\frac {k_{\mbox{diss.GDP}}}{k_{\mbox{cat.GTP}}}}$

na que k_{diss. GDP} é a constante de disociación para o GDP e k_{cat. GTP} a constante de hidrólise do GTP para a GTPase específica. Ambas as constantes poden ser reguladas por proteínas reguladoras individuais. A cantidade de GTPase activa pode ser modificada de varias formas:

1. A aceleración na disociación do GDP polas GEF aumenta a cantidade de GTPase activa.
2. A inhibición da disociación de GDP por inhibidores da disociación de nucleótidos de guanina (GDI) reduce a acumulación de GTPase activa.
3. A aceleración na hidrólise de GTP polas GAP reduce a cantidade de GTPase activa.
4. Os Análogos da GTP tales como o γ-S-GTP, β,γ-metileno-GTP, e a β,γ-imino-GTP, non poden ser hidrolizados, polo que manteñen á GTPase no seu estado activo.

Proteínas G heterotriméricas

Estas proteínas G son importantes GTPases reguladoras que constan de tres subunidades, e levan o dominio G na subunidade máis grande (a alfa); e ademais teñen outras dúas subuinidades máis pequenas (beta e gamma), que entre todas forman un complexo fortemente asociado. As subunidades α e γ están asociadas coa membrana mediante unha áncora lipídica. As proteínas G heterotriméricas actúan conxuntamente cos receptores acoplados á proteína G. A GTPase está normalmente inactiva. Despois da activación do receptor, o dominio receptor intracelular activa a GTPase, a cal á súa vez activa outras moléculas da cadea da transdución de sinais, por medio da unidade α ou do complexo βγ. Entre as moléculas diana destas GTPases activas están a adenilato ciclase e canles iónicas. Hai catro familias de proteínas G heterotriméricas: G_s, G_i, G_q e G₁₂. Pola combinación de diferentes subunidades α, β e γ, pode producirse unha gran variedade de proteínas G (>1000).

Ciclo de activación das proteínas G heterotriméricas

No estado básico, o complexo G_α-GDP-G_βγ e o receptor que pode activalo están asociados á membrana por separado. Coa activación do receptor, este aumenta a súa afinidade polo complexo proteína G-GDP. Ao unirse ao complexo, o GDP disóciase do complexo; o receptor funciona como un factor intercambiador GDP-GTP (GEF); o complexo libre ten unha alta afinidade polo GTP. Unha vez que se une o GTP, tanto o G_α-GTP coma o G_βγ sepáranse do receptor e un do outro. Dependendo da duración do estado activo do receptor, poden activarse máis proteínas G deste modo.

Tanto o G_α-GTP coma o G_βγ poden agora activar ás mesmas ou a distintas moléculas efectoras, enviando así un sinal por medio dunha reacción en cadea ao interior da célula. A velocidade da reacción de hidrólise do GTP funciona como un reloxo interno que controla a duración do sinal.

Véxase tamén

Outros artigos

• Proteína G