G-Protein - DocCheck Flexikon

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

Inhaltsverzeichnis

1 Definition
2 Biochemie
3 Heterotrimere G-Proteine
- 3.1 Molekularer Mechanismus
- 3.2 Systematik
4 Kleine G-Proteine

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 (S_N2-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
G_t	α_t	Aktivierung der cGMP-abhängigen Phosphodiesterase 6	Photorezeptoren des Auges
G_olf	α_olf	Aktivierung der Adenylatzyklase	Olfaktorische Rezeptoren des Riechepithels
G_s	α_s	Aktivierung der Adenylatzyklase	Beta-Adrenozeptoren
G_i/o	α_i, α_o	Hemmung der Adenylatzyklase	α2-Adrenozeptoren
	βγ	Öffnung von Kalium-Kanälen	Kir-Kanäle ("Inward Rectifier"-Kanäle des Herzens und anderer Gewebe)
G_q	α_q, α₁₁, α₁₄, α₁₅, α₁₆	Aktivierung der Phospholipase Cβ	Kalzium-abhängige Erregungsverarbeitung
G_12/13	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.