Struttura e funzione delle proteine G

LE PROTEINE INTERRUTTORE

Le proteine interruttore sono tutte quelle che legano il GTP. Le G proteine hanno, per l’appunto un dominio

specializzato per l’idrolisi del nucleotide guanosidico. Questo è un fold comune a molte proteine che debbano svolgere,

però, svariate funzioni: la specificità per il nucleotide sta nell’affinità che il dominio ha per la base azotata.

Nucleotide, N. B.: i gruppi fosfato sono alfa, beta e gamma. Il primo è legato con un legame estere, molto più difficile da scindere rispetto agli altri

due, che sono di tripo anidridico.

Proteine G trimeriche : (Gilman e Rodbell hanno scoperto come avveniva il meccanismo di idrolisi del GTP e il

funzionamento di tutta la proteina) sono formate da tre subunità: alfa ha una data struttura quando è complessata alle

altre due, un’altra quando è in forma monomerica; beta e gamma, invece, formano un dimero stabile. In base al tipo di

subunità alfa si identificano classi diverse di proteine.

Subunità alfa:

Sono presenti ventuno tipi di subunità alfa nell’uomo; si distingueranno quelle che avranno effetto induttivo o effetto

inibitorio per la sintesi di AMPciclico; o ancora, le Gq deputate all’attivazione della fosfolipasi C etc.

La subunità è composta da due diversi domini, detti dominio alfa e dominio GTPasico G(che è quello comune a tutte le

proteine specializzate nel legame al GTP). Il dominio alfa è chiamato in questo modo perché formato completamente da

alfa eliche, un’alfa elica centrale che funge da impalcatura per altre cinque più piccole. Il GTP va a legarsi

nell’interfaccia tra i due domini, nel dominio GTPasico che contiene il sito attivo mentre il dominio alfa funge da

coperchio; il dominio G, però, lavora anche in assenza del dominio alfa; è il caso delle piccole proteine G

monomeriche, che vedremo di seguito (questo proprio perché il sito attivo è al suo interno, indipendentemente dall’altro

dominio).

Modifiche post traduttive della subunità alfa (ricordiamo che una sola modifica non è capace di stabilizzare la proteina,

ne occorrono sempre due):

- Meristilazione all’estremità amino terminale (Gly): determina l’assunzione della struttura alfa anche senza i

dimeri beta-gamma. Essendo la meristilazione un processo non reversibile, la rimozione della meristilazione

deve obbligatoriamente essere fatta mediante un cambiamento conformazionale che comporta

l’internalizzazione della coda della proteina nella proteina stessa (switch);

- Palmitolazione: a livello di una Cys all’estremità amino terminale; si forma un legame tioestere reversibile;

infatti, per rimuovere il palmitolo basta ricorrere all’azione di un enzima.

۰ dominio GTPasico: Dominio a sei filamenti beta paralleli con i loop di connessione che formano alfa eliche disposte

al di sopra e al di sotto del piano. Invece i piccoli segmenti che uniscono i foglietti e le eliche sono 10 loop di

connessione che corrono lateralmente alla molecola, 5 per ogni lato. I loop indicati in rosso nella prima figura(G1, G2,

G3, G4, G5) sono quelli che contengono il sito di legame per il GTP, quindi estremamente importanti per la funzione

della proteina.

-G1 (alfa1+beta1): chiamato anche P-loop, è presente in tutte le strutture che legano i nucleotidi in quanto in grado di

legare i fosfati in alfa e in beta (una lisina contatta le cariche negative dei fosfati);

-G2 (alfa1+beta2): è il loop che prende contatto con il fosfato in gamma e con ioni Magnesio. Contiene lo switch1;

-G3 (beta3+alfa2): è il loop rappresentativo lo switch 2. Ha una sequenza Aspartato XX Gly e la glicina è importante

perché forma un legame idrogeno sia con il Magnesio che con il fosfato in gamma. Inoltre vi è una Glutammina

importante per il meccanismo catalitico;

-G4 e G5: legano stabilmente la base azotata, per discriminare il tipo di nucleotide su cui l’enzima deve agire. Infatti

legano con la stessa forza sia il GTP che il GDP.

Gli switch, sostanzialmente, permettono il passaggio da una conformazione all’altra, T o R in base al legame al GDP o

al GTP. Dopo l’idrolisi del GTP la proteina deve “sentire” la differenza tra i due tipi di molecole e cambiare

conformazione; i sensori, dunque, sono lo switch 1 e lo switch 2 che si legano al fosfato in gamma che rappresenta

l’unico fattore discrepante tra le due molecole.

I due switch sono mantenuti in una posizione “costretta” nell’enzima, come se fossero legati da una molla al fosfato in

gamma; la molla è rappresentata dai due legami idrogeno che intercorrono tra una treonina 35 del G2 e una Gly60 del

G3.

I legami idrogeno sono altamente favoriti perché gli amminoacidi che li formano sono disposti nella posizione più

adatta rispetto al fosfato e, quindi, la suddetta struttura della proteina risulta stabile (N.B.: nella Gly è l’H dell’ NH della

catena principale a formare il legame e la presenza di questo piccolo amminoa impedisce l’ingombro sterico nella

struttura). Inoltre vi sono ioni magnesio coordinati con:

-una serina del loop G1;

-la catena laterale della stessa treonina dello switch 1 impegnata nel legame H con il fosfato;

-il fosfato in beta (si ricordi che G1 lega i fosfati in alfa e in beta);

-il fosfato in gamma;

cio’ stabilizza ulteriormente la struttura.

Quando la catalisi avviene e il fosfato in gamma viene tagliato, i loop assumono automaticamente una posizione più

rilassata, provocando il cambio conformazionale.

N. B. :La regione switch non è solo presente tra le GNBPs ma anche nelle famiglie di motoproteine leganti ATP. La

chinesina e la miosina hanno anche delle regioni di switch che avvertono la presenza del gamma fosfato; lo switch I

contiene una serina conservata e lo switch II lo stesso motivo invariante DXXG.

Detto questo, le motoproteine e le proteine leganti GTP potrebbero avere un comune progenitore.

Subunità Beta (6 tipi nell’uomo): Struttura a pala con sette ripetizioni WD formata da subdomini a foglietti beta (beta

elica). 4 filamenti vanno a formare la struttura a pala e sono presenti 5 residui invarianti che permettono la connessione

tra pale successive.

L’N-terminale della proteina assume una struttura ad alfa elica che va a formare un coiled coil con l’alfa elica N

terminale della sub unità gamma.

Inoltre, la subunità beta, dovendosi distaccare dalla alfa deve avvertire il suo cambio conformazionale e per questo deve

prendere contatto con essa a livello degli switch1 e 2.

Subunità Gamma (12 tipi nell’uomo): Elica loop elica; due alfa eliche di cui una forma la superelica con l’N-terminale

della sub unità beta e l’altra prende contatto con le pale 5 e 6.

Meccanismo della GTPasi: La subunità alfa prende contatto soltanto con beta quando lega il GDP, però gamma segue

ovviamente il destino di beta.