G-белок состоит из трёх субъединиц, обладающих, каждая по-отдельности, ферментативной активностью: α, β, γ. Активирование метаботропного рецептора воздействует на G-белок так, что заставляет его поменять связанную с его α-субъединицей энергетически бедную молекулу гуанозиндифосфата (ГДФ) на энергетически богатую молекулу гуанозинтрифосфата (ГТФ). G-белок как раз и назван так потому, что он через свою α-субъединицу связан либо с ГДФ (GDP), либо с ГТФ (GTP), где буква «G» означает «гуанозин».
В результате такой новой «богатой связи», полученной за счёт ГТФ, G-белок распадается, и вследствие этого из него высвобождается активная α-субъединица, обладающая ферментативной активностью. Важно то, что после отделения она по-прежнему несет с собой богатый энергией субстрат, т.е. присоединённую к ней -ГТФ* (значком * мы обозначили то, что данное соединение энергетически активно) и ищет, где бы ей расщепить эту самую -ГТФ* с высвобождением энергии.
β-Субъединица G-белка, так же как и его γ-субъединица, высвобождающиеся вместе с α-субъединицей, тоже могут действовать в качестве ферментов, но только в других биохимических путях.
Мишенью для активированной субъединицы α-ГТФ* является фермент аденилатциклаза (АЦ).
Но тут возникает некоторая сложность. Дело в том, что α-субъединица бывает двух типов: αs — стимулирующая и αi — ингибирующая.
Поэтому в результате активации G-белка может произойти либо стимуляция АЦ, либо её ингибирование. Всё зависит от вида α-субъединицы G-белка.
Итак, освободившаяся из G-белка активированная α-субъединица-ГТФ* скользит по мембране по принципу латеральной диффузии и встречается со своей мишенью — связанным с мембраной ферментом аденилатциклазой (АЦ).
Стимулирующая α-субъединица-ГТФ* активирует АЦ, а ингибирующая, наоборот — ингибирует АЦ.
Активированная α-субъединица-ГТФ* не только активирует АЦ, но и сама после присоединения к ней приобретает небольшую ферментативную активность типа ГТФазы. Т.е. она гидролизует имеющуюся ГТФ* до бедной энергией ГДФ.
В результате расщепления ГТФ* сама α-субъединица после этого теряет свою активность. У неё восстанавливается неактивная конформация, она вследствие этого отделяется от АЦ и посредством латеральной диффузии возвращается, скользя по мембране, на своё прежнее место, где идёт на восстановление G-белка. И здесь — интересный момент: если метаботропный рецептор всё ещё связан со своим лигандом, то восстановившийся G-белок вновь включается в процесс активации, и всё повторится ещё раз. Это будет выглядеть так, как будто α-субъединица, как челнок, будет сновать между метаботропным рецептором и АЦ, каждый раз активируя АЦ.
Таким образом, G-белок со своими субъединицами является посредником, который передает команду на активацию (или ингибацию), от метаботропного рецептора на аденилатциклазу.
G-белки (англ. G proteins) — это семейство белков, относящихся к ГТФазам и функционирующих в качестве вторичных посредников во внутриклеточных сигнальных каскадах. G-белки названы так, поскольку в своём сигнальном механизме они используют замену GDP на GTP как молекулярный функциональный «выключатель» для регулировки клеточных процессов.
Типы G-белковG-белки делятся на две основных группы — гетеротримерные («большие») и «малые». Гетеротримерные G-белки — это белки с четвертичной структурой, состоящие из трёх субъединиц: альфа(α), бета (β) и гамма (γ). Малые G-белки — это белки из одной полипептидной цепи, они имеют молекулярную массу 20—25 кДа и относятся к суперсемейству Ras малых ГТФаз. Их единственная полипептидная цепь гомологична α-субъединице гетеротримерных G-белков. Обе группы G-белков участвуют во внутриклеточной сигнализации. Увсех гетеротримерных G-белков сходный механизм активации: они активируются при взаимодействии со специфическими рецепторами, сопряженными с G-белками, при этом обменивая ГДФ на ГТФ и распадаясь на α- и βγ-субъединицы. α-субъединица, связанная с ГТФ, воздействует на следующее звено в цепи передачи сигнала. βγ-субъединица также может вызывать собственные эффекты. Инактивация G-белков происходит в результате медленного гидролиза ГТФ до ГДФ α-субъединицей, после чего происходит реассоциация (объединение) субъединиц.В работе многих G-белков участвуют вспомогательные белки. GAPs (GTPase Activating Proteins, белки-активаторы ГТФазной активности) ускоряют гидролиз ГТФ, ускоряя инактивацию G-белков. Особенно важна функция GAPs для малых G-белков, так как альфа-субъединицы гетеротримерных G-белков часто сами обладают достаточной ГТФ-азной активностью. К GAP-белкам относятся белки семейства RGS. GEFs (Guanine nucleotide Exchange Factors, факторы обмена гуаниловых нуклеотидов), ускоряют обмен ГДФ на ГТФ и таким образом активируют G-белки. Обычно для G-белка GEF-ом служит активированный лигандом рецептор, однако в некоторых случаях белки AGS (Activator of G-protein Signaling, активаторы передачи сигнала G-белками) могут активировать G-белок независимо от воздействия на него рецептора.
Этап действия аденилатциклазы (АЦ)
АЦ состоит из трёх частей и представляет собой мембранный фермент, способный преобразовывать аденозинтрифосфат (АТФ) в циклическую молекулу — циклический аденозинмонофосфат (цАМФ).
В норме АЦ находится в неактивном состоянии на клеточной мембране и связана с ГДФ. Ей нужно заменить ГДФ на ГТФ, чтобы начать действовать в качестве фермента.
Как уже было сказано, активированная α-субъединица-ГТФ*, получившаяся после распада G-белка, натыкается на АЦ и активирует её.
Активированная АЦ начинает быстро штамповать цАМФ из АТФ.
За счёт работы активированной АЦ в клетке быстро возрастает концентрация цАМФ.
Таким образом, назначение активации АЦ заключалась в быстром нарастании в клетке концентрации цАМФ.
Этап действия протеинкиназы А (ПК-А)
Образно можно сказать, что цАМФ играет в клетке роль батареек, на которых работают её «молекулярные устройства». Поэтому после возрастания концентрации цАМФ чувствительные к ней клеточные структуры начинают активно работать.
Важной мишенью для цАМФ является протеинкиназа А (ПК-А), т.е. протеинкиназа, активируемая циклическим аденозинмонофосфатом. ПК-А обнаружена во всех нормальных клетках млекопитающих. Для её работы необходимы ионы магния Mg2+. ПК-А в неактивном состоянии включает в себя две каталитические субъединицы с ферментативной активностью и две подавляющих их регуляторные субъединицы.
Четыре молекулы цАМФ присоединяются к регуляторным субъединицам ПК-А и отщепляют их, освобождая две ферментативные субъединицы.
Одиночные каталитические субъединицы ПК-А приступают к фосфорилированию своих мишеней.
Этими мишенями могут быть вторые протеинкиназы, которые фосфорилируют уже свои мишени.
В конечном итоге соответствующие протеинкиназы фосфорилируют либо ферменты, переводя их в активное состояние, либо белки ионных каналов, заставляя каналы работать в новом режиме. Этим обеспечиваются клеточные эффекты, получаемые от стимуляции метаботропных рецепторов.
