GTPasen

GTPase ist ein zusammengesetztes Akronym für Guanosintriphosphat (GTP) und Hydrolase. Mit GTPasen wird  eine große Familie von Hydrolasen beziechnet, die das Nukleotid Guanosintriphosphat (GTP ) binden und zu Guanosindiphosphat (GDP) hydrolysieren. Die GTP-Bindung und -Hydrolyse findet in der hochkonservierten P-Schleife, der sog. „G-Domäne“ statt, einer Proteindomäne, die vielen GTPasen gemeinsam ist.

Zu den GTPasen gehören auch die G-Proteine (die auch als kleine GTPasen bezeichnet werden). Diese nehmen  eine zentrale Position in der Signalweiterleitung zwischen Rezeptor und Second-Messenger-Systemen ein. Sie fungieren durch die alternierende Bindung der Nukleotide GDP oder GTP als molekulare "Schalterelemenete" in Signaltransduktionsketten.

GTPasen fungieren als Schaltelemente, auch als Zeitgeber in vielen grundlegenden zellulären Prozessen. Beispiele für diese Funktionen sind:

• Signaltransduktion als Reaktion auf die Aktivierung von Zelloberflächenrezeptoren, einschließlich Transmembranrezeptoren, wie z. B. diejenigen, die Geschmack, Geruch und Sehen vermitteln.
• Proteinbiosynthese (Translation) an Ribosomen.
• Regulierung von Zelldifferenzierung, Proliferation, Teilung und Bewegung.
• Transduktion von Proteinen durch biologische Membranen.
• Transport von Vesikeln innerhalb der Zelle und Vesikel-vermittelte Sekretion und Aufnahme durch GTPase-Kontrolle des Vesikelmantels.

GTPasen sind aktiv, wenn sie an GTP gebunden sind. Sie sind inaktiv, wenn sie an GDP gebunden sind. Dieser Wechsel zwischen inaktiv und aktiv ist auf Konformationsänderungen des Proteins zurückzuführen, die diese beiden Formen unterscheiden, insbesondere der „Switch“-Regionen, die im aktiven Zustand in der Lage sind, Protein-Protein-Kontakte mit Partnerproteinen herzustellen, die die Funktion dieser Effektoren verändern.

Die hydrolytische Spaltung von GTP,  führt zur Deaktivierung der Signal-/Zeitgeberfunktion des Enzyms (Kahn et al. (1986). Die Hydrolyse des dritten (gamma-) Phosphats von GTP zur Bildung von Guanosindiphosphat (GDP) und anorganischem Phosphat ist abhängig von der Anwesenheit eines Magnesiumions Mg2+.

Die GTPase-Aktivität dient als Abschaltmechanismus für die Signalfunktionen von GTPasen, indem das aktive, GTP-gebundene Protein in den inaktiven, GDP-gebundenen Zustand zurückgeführt wird. Die meisten „GTPasen“ haben eine funktionelle GTPase-Aktivität, die es ihnen ermöglicht, nur für kurze Zeit aktiv (d. h. an GTP gebunden) zu bleiben, bevor sie sich selbst deaktivieren, indem sie gebundenes GTP in gebundenes BIP umwandeln (Kahn et al. 1986). Viele GTPasen verwenden jedoch auch akzessorische Proteine, die GTPase-aktivierenden Proteine (GAPs), um ihre GTPase-Aktivität zu beschleunigen. Dies schränkt die aktive Lebensdauer von Signal-GTPasen weiter ein (Berman DM et al. 1998). Einige GTPasen haben nur eine geringe oder gar keine intrinsische GTPase-Aktivität und sind zur Deaktivierung vollständig von den GAP-Proteinen abhängig (z. B. die ADP-Ribosylierungsfaktor- oder ARF-Familie kleiner GTP-bindender Proteine, die am Vesikel-vermittelten Transport innerhalb von Zellen beteiligt sind) (Kahn et al. 1986)

Um aktiviert zu werden, müssen GTPasen an GTP binden. Da die Mechanismen zur direkten Umwandlung von gebundenem BIP in GTP nicht bekannt sind, werden die inaktiven GTPasen durch die Wirkung bestimmter regulatorischer Proteine, die als Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren (GEFs) bezeichnet werden, zur Freisetzung von gebundenem BIP veranlasst. Das nukleotidfreie GTPase-Protein bindet schnell wieder GTP, das in gesunden Zellen in weitaus größerem Überschuss vorhanden ist als BIP, so dass die GTPase in den aktiven Konformationszustand übergehen und ihre Wirkung auf die Zelle entfalten kann (Gilman AG 1987).

Bei den heterotrimeren G-Proteinen und den vielen kleinen GTP-bindenden Proteinen (kleine GTPasen) wird die GEF-Aktivität durch Zelloberflächenrezeptoren als Reaktion auf Signale außerhalb der Zelle stimuliert (bei heterotrimeren G-Proteinen sind die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren selbst GEFs, während bei rezeptoraktivierten kleinen GTPasen die GEFs von den Zelloberflächenrezeptoren verschieden sind).

Einige GTPasen binden auch an akzessorische Proteine, so genannte Guanin-Nukleotid-Dissoziationsinhibitoren oder GDIs, die den inaktiven, GDP-gebundenen Zustand stabilisieren (Sasaki T et al. 1998).

1. Gilman AG (1987) G proteins: transducers of receptor-generated signals. Annual Review of Biochemistry 56: 615–649.
2. Rodbell M (1995). Nobel Lecture: Signal transduction: Evolution of an idea. Bioscience Reports 15: 117–133.
3. Berman DM et al. (1998). Mammalian RGS proteins: barbarians at the gate. Journal of Biological Chemistry 273: 1269–1272.
4. Kahn et al. (1986). The protein cofactor necessary for ADP-ribosylation of Gs by cholera toxin is itself a GTP binding protein. Journal of Biological Chemistry 261: 7906–7911
5. Sasaki T et al.( 1998) The Rho Small G Protein Family-Rho GDI System as a Temporal and Spatial Determinant for Cytoskeletal Control. Biochemical and Biophysical Research Communications 245): 641–645.