结构生物化学/GTPase

概述

GTPases是一个庞大的家族，由结合并水解鸟苷三磷酸（GTP）的水解酶组成。GTP的结合和水解发生在所有GTPases中一个共同的区域，即高度保守的G域。

功能

GTPases在多个功能中发挥着重要作用
跨膜受体（味觉、嗅觉和光觉）的细胞内空间信号转导
核糖体中的蛋白质翻译
细胞分裂过程中的调节，蛋白质通过膜的易位
细胞中囊泡的运输和组装控制。

机制

亲核取代，特别是SN2，是GTP中γ磷酸酯水解使其转化为GDP和无机磷酸（Pi）的机制。该机制还涉及一个五价中间体和一个镁离子（Mg2+）。

超家族

在GTPases家族中，存在着几个“超家族”。

调节性GTPases

调节性GTPases是负责调节生化过程的GTPases。G蛋白是该超家族中最突出的成员。

GTP开关机制

所有调节性GTPases都具有一个共同的机制，使它们能够“切换”信号转导链的开和关。GTPase激活蛋白，或GTPase加速蛋白（GAPs），是一个调节蛋白家族，能够与活性G蛋白结合并刺激其GTPase活性。它们通常来自另一个信号转导链。GAPs与GTPases的结合刺激GTPase在两种形式之间的转换，这就是导致信号转导链“开关”切换的原因。GTP结合状态是活性状态，当它水解为非活性GDP结合状态时，GTPase随之失活。当然，这种失活可以通过鸟苷酸交换因子（GEFs）逆转。GEFs通过启动GDP从GTPase上的释放，使其重新结合新的GTP分子，从而激活GTPases，使其恢复到活性GTP结合状态。重要的是要注意，GTP水解为GDP是不可逆的，这使得GTPase的活性GTP结合形式的循环闭合。只有活性GTPases才能向新的反应链发出信号。

通过活性GTPase的信号转导效率取决于GTPase的活性与非活性比例

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

有两个常数可以通过特殊的调节蛋白进行修改：kdiss.GDP = GDP的解离常数 kcat.GTP = GTP的水解常数

活性GTPase的量可以通过多种方式进行修改

GEFs加速GDP解离，显着加快了活性GTP结合GTPase的构建
GAPs加速GTP水解，减少了活性GTP结合GTPase的量
通过鸟苷酸解离抑制剂（GDIs）抑制GDP解离，减缓了活性GTP结合GTPase的构建。（GDIs与小Rho和Rab GDP结合GTPases结合，并使GTPase失活，同时阻止GTPase定位到其作用部位，即其膜上。）
不能水解的GTP类似物（γ-S-GTP、β,γ-亚甲基-GTP和β,γ-亚氨基-GTP）可以使GTPase保持活性。

Ras GTPases/小GTPases

Ras GTPases，或小GTPases，充当细胞信号传导的开关。它们的名字来源于一个名为Ras亚家族的蛋白家族，该家族的蛋白参与细胞信号传递，因为这些GTPases是与Ras蛋白同源的小型单体蛋白。此外，Ras GTPases可以细分为5个亚类

Ras
Rho
Rab
Ran
Arf

细胞内膜运输

Ras GTPase超家族的Rab和Arf分支的成员存在于细胞内膜运输的每一步中。它们通过各种机制相互联系，协调单个阶段的独立事件与整个运输途径的其他阶段，从而调节这些步骤。这些机制包括许多不同的变量

GEFs级联
GAPs级联
结合许多GTPases的效应器
源于交换因子-效应器相互作用的正反馈环路。

当这些机制汇聚在一起时，就会发生从一个GTPase到另一个GTPase的有序转换系列。由于每个GTPase都具有自己独特的效应器组，因此发生的转换有助于定义它们所关联的膜隔室的功能差异。

大型GTPases--Dynamin

动力蛋白被认为是大GTP酶的模型。它负责胞吞作用，这是一个细胞通过吞噬吸收分子的过程。具体来说，它参与了从一个隔室的膜到另一个隔室的融合过程中新形成的囊泡的分裂——无论是在细胞表面还是高尔基体。除了囊泡的分裂外，动力蛋白还参与细胞器分裂、胞质分裂和病原体抵抗（微生物）。在哺乳动物中，有 3 种不同的基因类型

动力蛋白 I：在大多数细胞中表达
动力蛋白 II：在神经元中表达
动力蛋白 III：在心脏、大脑、肺和睾丸中表达。

机制

当囊泡折叠使得外表面成为内表面时，动力蛋白将在囊泡颈部形成螺旋。然后，螺旋将通过GTP水解进行延伸，然后收缩。这个过程产生一个扭曲运动，并导致囊泡从其主体上掐断。扭曲运动取决于其动力蛋白GTP酶活性。到目前为止，动力蛋白是唯一一个产生扭曲运动（右手扭曲）的右手螺旋。

翻译因子GTP酶

翻译因子GTP酶在蛋白质生物合成的起始、延伸和终止中起着重要作用。

参考文献

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