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G-Protein

Synonyme: GTP-bindendes Protein, GTPase, Guaninnukleotid-bindendes Protein
Englisch: G protein

1 Definition

Als G-Proteine oder GTPasen bezeichnet man eine inhomogene Gruppe von Proteinen innerhalb von Zellen, die in der Lage sind, die Guanin-Nucleotide GDP und GTP zu binden. Innerhalb der Familie der G-Proteine unterscheidet man u.a. heterotrimere und sogenannte "kleine" G-Proteine. Gemeinsames Merkmal aller G-Proteine ist eine hoch konservierte G-Domäne.

2 Biochemie

Bei Hydrolyse von GTP wird dessen γ-Phosphatgruppe abgespalten, wodurch GDP und anorganisches Phosphat entsteht. Chemisch gesehen handelt es sich um eine nukleophile Substitution (SN2-Reaktion), welche die Anwesenheit von Mg2+ benötigt.

3 Heterotrimere G-Proteine

Diese G-Proteine bestehen aus drei verschiedenen Proteinketten (Heterotrimer), die eine α- und eine βγ-Untereinheit bilden. Diese Proteine sind in die Signalkaskade zwischen G-Protein-gekoppelten Rezeptoren der Zellmembran und Second Messengers eingeschaltet.

3.1 Molekularer Mechanismus

Die beiden Untereinheiten des G-Proteins hängen zusammen, wenn die α-Untereinheit das Molekül GDP gebunden hat und sind über einen Lipidanker an die intrazelluläre Seite der Zellmembran gebunden. Nach Ligandenbindung an den G-Protein-gekoppelten Rezeptor ändert dieser seine Konformation. Dabei tauscht die α-Untereinheit (unter Einwirkung des GEF) ihr gebundenes GDP gegen GTP aus.

Nach dem Austausch von GDP gegen GTP durch einen Guanine nucleotide Exchange Factor (GEF) dissoziieren die beiden Bestandteile und liegen in der aktiven Form vor. In dieser aktiven Form werden bei der α-Untereinheit Peptidschleifen exponiert, die dann mit dem Effektormolekül interagieren können. Von wenigen Ausnahmen abgesehen, aktiviert dabei die α-Einheit Bestandteile einer nachgeschalteten Signalkaskade. Nach einer bestimmten Zeit wird durch die intrinsische GTPase-Aktivität der α-Untereinheit das gebundene GTP-Molekül zu GDP dephosphoryliert; damit binden die beiden Untereinheiten wieder und formen das inaktive G-Protein. Die Dephosphorylierung kann durch GTPase-aktivierende Proteine (CAPs) beschleunigt werden. An einen Rezeptor können mehrere G-Proteine binden, sodass es zu einem Verstärkereffekt kommt.

Trimere G-Proteine sind in die Signalkaskade vieler Rezeptoren eingeschaltet. Sie aktivieren so intrazelluläre Signalwege wie die Bildung von cAMP oder Inositol-1,4,5-Trisphosphat.

3.2 Systematik

Man kennt heute mehr als 20 verschiedene Isoformen von trimeren G-Proteinen, die sich anhand der Struktur ihrer α-Untereinheit in etwa 5 Familien einteilen lassen:

G-Protein- Familie α-Untereinheit Nachgeschaltete Signalkaskade Beispiele
Gt αt Aktivierung der cGMP-abhängigen Phosphodiesterase 6 Photorezeptoren des Auges
Golf αolf Aktivierung der Adenylatzyklase Olfaktorische Rezeptoren des Riechepithels
Gs αs Aktivierung der Adenylatzyklase Beta-Adrenozeptoren
Gi/o αi, αo Hemmung der Adenylatzyklase α2-Adrenozeptoren
βγ Öffnung von Kalium-Kanälen Kir-Kanäle ("Inward Rectifier"-Kanäle des Herzens und anderer Gewebe)
Gq αq, α11, α14, α15, α16 Aktivierung der Phospholipase Kalzium-abhängige Erregungsverarbeitung
G12/13 α12; α13 Aktivierung von Rho Regulation des Zytoskeletts

4 Kleine G-Proteine

Bei den "kleinen G-Proteinen" oder "kleinen GTPasen" handelt es sich um monomere GTP-bindene Proteine mit einer Molekülmasse zwischen 20 und 40 kDa. Derzeit (Stand 2015) kennt man über 100 verschiedene kleine G-Proteine, die in 5 Familien eingeteilt werden:

Die kleinen G-Proteine sind an zahlreichen Zellfunktionen, sowie am Zellwachstum und der Zelldifferenzierung beteiligt. Dazu zählen unter anderem die Steuerung der Genexpression, des Vesikeltransports und des Zytoskeletts.

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Fachgebiete: Biochemie

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