結構生物化學/GTPase

概述

GTPases是一個龐大的家族，由結合並水解鳥苷三磷酸（GTP）的水解酶組成。GTP的結合和水解發生在所有GTPases中一個共同的區域，即高度保守的G域。

功能

• GTPases在多個功能中發揮著重要作用
• 跨膜受體（味覺、嗅覺和光覺）的細胞內空間訊號轉導
• 核糖體中的蛋白質翻譯
• 細胞分裂過程中的調節，蛋白質透過膜的易位
• 細胞中囊泡的運輸和組裝控制。

機制

親核取代，特別是SN2，是GTP中γ磷酸酯水解使其轉化為GDP和無機磷酸（Pi）的機制。該機制還涉及一個五價中間體和一個鎂離子（Mg2+）。

超家族

在GTPases家族中，存在著幾個“超家族”。

調節性GTPases

調節性GTPases是負責調節生化過程的GTPases。G蛋白是該超家族中最突出的成員。

GTP開關機制

所有調節性GTPases都具有一個共同的機制，使它們能夠“切換”訊號轉導鏈的開和關。GTPase啟用蛋白，或GTPase加速蛋白（GAPs），是一個調節蛋白家族，能夠與活性G蛋白結合並刺激其GTPase活性。它們通常來自另一個訊號轉導鏈。GAPs與GTPases的結合刺激GTPase在兩種形式之間的轉換，這就是導致訊號轉導鏈“開關”切換的原因。GTP結合狀態是活性狀態，當它水解為非活性GDP結合狀態時，GTPase隨之失活。當然，這種失活可以透過鳥苷酸交換因子（GEFs）逆轉。GEFs透過啟動GDP從GTPase上的釋放，使其重新結合新的GTP分子，從而啟用GTPases，使其恢復到活性GTP結合狀態。重要的是要注意，GTP水解為GDP是不可逆的，這使得GTPase的活性GTP結合形式的迴圈閉合。只有活性GTPases才能向新的反應鏈發出訊號。

透過活性GTPase的訊號轉導效率取決於GTPase的活性與非活性比例

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

有兩個常數可以透過特殊的調節蛋白進行修改：kdiss.GDP = GDP的解離常數 kcat.GTP = GTP的水解常數

活性GTPase的量可以透過多種方式進行修改

• GEFs加速GDP解離，顯著加快了活性GTP結合GTPase的構建
• GAPs加速GTP水解，減少了活性GTP結合GTPase的量
• 透過鳥苷酸解離抑制劑（GDIs）抑制GDP解離，減緩了活性GTP結合GTPase的構建。（GDIs與小Rho和Rab GDP結合GTPases結合，並使GTPase失活，同時阻止GTPase定位到其作用部位，即其膜上。）
• 不能水解的GTP類似物（γ-S-GTP、β,γ-亞甲基-GTP和β,γ-亞氨基-GTP）可以使GTPase保持活性。

Ras GTPases/小GTPases

Ras GTPases，或小GTPases，充當細胞訊號傳導的開關。它們的名字來源於一個名為Ras亞家族的蛋白家族，該家族的蛋白參與細胞訊號傳遞，因為這些GTPases是與Ras蛋白同源的小型單體蛋白。此外，Ras GTPases可以細分為5個亞類

• Ras
• Rho
• Rab
• Ran
• Arf

細胞內膜運輸

Ras GTPase超家族的Rab和Arf分支的成員存在於細胞內膜運輸的每一步中。它們透過各種機制相互聯絡，協調單個階段的獨立事件與整個運輸途徑的其他階段，從而調節這些步驟。這些機制包括許多不同的變數

• GEFs級聯
• GAPs級聯
• 結合許多GTPases的效應器
• 源於交換因子-效應器相互作用的正反饋環路。

當這些機制匯聚在一起時，就會發生從一個GTPase到另一個GTPase的有序轉換系列。由於每個GTPase都具有自己獨特的效應器組，因此發生的轉換有助於定義它們所關聯的膜隔室的功能差異。

大型GTPases--Dynamin

動力蛋白被認為是大GTP酶的模型。它負責胞吞作用，這是一個細胞透過吞噬吸收分子的過程。具體來說，它參與了從一個隔室的膜到另一個隔室的融合過程中新形成的囊泡的分裂——無論是在細胞表面還是高爾基體。除了囊泡的分裂外，動力蛋白還參與細胞器分裂、胞質分裂和病原體抵抗（微生物）。在哺乳動物中，有 3 種不同的基因型別

• 動力蛋白 I：在大多數細胞中表達
• 動力蛋白 II：在神經元中表達
• 動力蛋白 III：在心臟、大腦、肺和睪丸中表達。

機制

當囊泡摺疊使得外表面成為內表面時，動力蛋白將在囊泡頸部形成螺旋。然後，螺旋將透過GTP水解進行延伸，然後收縮。這個過程產生一個扭曲運動，並導致囊泡從其主體上掐斷。扭曲運動取決於其動力蛋白GTP酶活性。到目前為止，動力蛋白是唯一一個產生扭曲運動（右手扭曲）的右手螺旋。

翻譯因子GTP酶

翻譯因子GTP酶在蛋白質生物合成的起始、延伸和終止中起著重要作用。

參考文獻

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