結構生物化學/G蛋白機制

介紹

G蛋白於1994年首次被Alfred Gilman和Martin Rodbell發現，他們後來獲得了諾貝爾生理學或醫學獎。G蛋白代表“鳥嘌呤核苷酸結合蛋白”。Martin Rodbell和Alfred Gilman使用遺傳和生化技術來鑑定和純化G蛋白。他們發現，一個轉導器提供了激素受體和放大器之間的聯絡。他們使用淋巴瘤細胞，這些細胞通常可以透過受體啟用來形成環狀AMP。發現突變的淋巴瘤細胞通常含有正常的受體和正常的環狀AMP生成酶，但仍無法響應，因為它缺少轉導器。這是一個很好的系統來分析純化的G蛋白。可以從正常的腦組織中分離出G蛋白並插入突變的細胞中，從而恢復其功能。此外，G蛋白是化學開關的關鍵。它們結合鳥嘌呤核苷酸GDP和GTP。此外，它們是與質膜內表面相關的異三聚體。

G蛋白家族

一些G蛋白家族包括

7-TM受體訊號傳導中的異三聚體G蛋白
蛋白質合成的起始、延伸、終止因子（IF1、EF-Tu、EF-TS）
訊號識別顆粒及其受體，內質網中新生多肽鏈的轉運
Ras樣GTPase（Ras、Rap、Rho、Ran、Rab、Arf、Arl、Sar），訊號轉導中的分子開關
動力蛋白超家族的GTPase，膜重塑等。動力蛋白相關GTPase家族是經典的動力蛋白：Dyn1、Dyn2和Dyn3。

動力蛋白相關蛋白是Mx和線粒體融合蛋白；GBP相關蛋白：GBPs和連線蛋白以及細菌動力學。共同特徵是

對核苷酸的親和力低
模板誘導的自寡聚化
GTP水解促進組裝。

Ras樣G蛋白

Ras樣G蛋白：分子開關
效應器：與GTP結合形式穩定相互作用
GEF：鳥嘌呤核苷酸交換因子
GAP：GTPase啟用蛋白

兩種形式的開關區域

GTP形式
GDP形式

GTPase反應

GTPase反應的內在GTPase速率在10^(-2)到10^(-3) min^(-1)的範圍內很慢。然後，反應進行Sn2親核進攻，具有三角雙錐過渡態。磷酸水解反應在熱力學上非常有利，但在動力學上非常緩慢。
主要有兩種酶促策略用於GTP水解

用精氨酸作為催化劑來抵消磷酸上的負電荷
用谷氨醯胺作為催化劑定位進攻性親核試劑。

不可水解的GTP類似物

GTP-y-S
GMPPCP
GMPPNP

GTPase啟用蛋白將內在GTPase加速10^5到10^6倍。Ras、Rap、Rho、Rab、Ran具有完全無關的GAPs。與GTP結合形式的高親和力結合，與GDP結合形式的低親和力相互作用。

週轉測定

1）多次週轉測定

監測GAP催化的G蛋白水解的幾個迴圈。G蛋白作為底物，GAP以催化量存在。改變G蛋白的濃度以確定米氏常數。

2）單次週轉測定

單次GTP水解迴圈的分析，通常透過一個細胞中熒游標記的G蛋白，另一個細胞中過量的GAP來監測。改變GAP的濃度是多引數擬合，首先允許確定K1、K2、KD等。生化特徵是與腺嘌呤結合而不是與鳥嘌呤核苷酸結合，親和力在低微摩爾範圍內，與帶負電荷的脂質體結合，刺激ATP水解。

膜重塑

參與膜重塑/去穩定化的膜重塑因子的意義：在脂質模板周圍形成寡聚體環；疏水殘基插入外膜雙層；與高度彎曲的膜相互作用位點垂直於脂質管的彎曲；ATP水解後構象變化。

參考

Alfred Wittinghofer

Vetter和Wittinghofer "鳥嘌呤核苷酸結合開關的三維結構。" 科學 (2001)
Bos、Rehmann、Wittinghofer "GEFs和GAPs是控制G蛋白的關鍵元素。" 細胞 (2007)
A. Wittinghofer, H. Waldmann. "Rad-A是參與腫瘤形成的分子開關。" Angew.Chem.Int.Ed (2000)
Scheffzek、Ahmadian、Kabsch、Wiesmuller、Lautwein、Schmitz& Wittinghofer "Rass-RasGAP複合體：GTPase啟用及其在致癌Ras突變體中丟失的結構基礎。" 科學 (1997)

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/G/G_Proteins.html

Harvey McMahon

Prafcke, McMahon. "動力蛋白超家族：普遍的膜管化和裂變分子？" Nat Rev Mol cell Biology (2004)
McMahon, Gallop "膜曲率和動態細胞膜重塑機制" 自然 (2005)