G-valgud

G-valgud ehk guaniininukleotiide siduvad valgud on valdavalt eukarüootsetel organismidel klassifitseeritud valkude perekond, mis tegeleb väljastpoolt rakku tulevate keemiliste signaalide ülekandega raku sisemusse. G-valgud kuuluvad ensüümiklasside nomenklatuuris suuremasse ensüümiklassi hüdrolaasid – GTP-aaside hulka. G-valgud toimivad kui molekulaarsed lülitid. Nende aktiivsust reguleerivad teatud tegurid, mis määravad nende võime siduda ja hüdrolüüsida guanosiintrifosfaati (GTP) guanosiindifosfaadiks (GDP). Kui G-valgud seovad GTP-d, võib öelda, et nad on "sisse lülitatud", ja kui nad seovad GDP-d, siis on nad "välja lülitatud".

G-valgu beeta-gamma kompleks. Beeta alaühik on sinine ja gamma alaühik punane

Guanosiindifosfaat

Guanosiintrifosfaat

G-valgud võib jaotada kaheks: monomeersed väikesed GTP-aasid ja heterotrimeersed G-valgud. Viimane neist koosneb kolmest alaühikust: alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ). Beeta ja gamma alaühikud võivad moodustada püsiva dimeerse kompleksi, mida nimetatakse beeta-gamma kompleksiks.

G-valgud aktiveeruvad G-valguga seotud retseptorite (GPCR) kaudu, mis asuvad raku membraanil ja millele on omane seitsme transmembraanne (7Tm- retseptor) struktuur. Virgatsaine seostub retseptorile ja sellega kaasnev konformatsiooni muutus aktiveerib retseptoriga seotud G-valgu. G-valk omakorda aktiveerib arvukalt signaaliradasid, mille tulemusena tekib muutus raku talitluses.

G-valkudega seotud signaali ülekannet on võimelised ajendama mitmed hormoonid, virgatsained ja teised signaaliülekandega seotud tegurid. G-valgud reguleerivad mitmeid rakus olevaid metaboolseid ensüüme, ioonkanaleid ja transportereid, mis omakorda mõjutavad funktsioone ja protsesse nagu näiteks loote areng, õppimisvõime ja mälu.

Ajalugu

Funktsioon

G-valgud on olulised signaaliülekandes osalevad molekulid rakus. Sellised haigused nagu diabeet, pimedus, allergiad, depressioon, südame-veresoonkonna haigused ja kindlad vähktõve vormid on seotud G-valkudega seotud retseptorite (GPCR) väärtalitlusega signaaliülekandes. Sellest tulenevalt on ligikaudu 40% tänapäeva ravimitest suunatud just GPCR-le.

Inimgenoomi on kodeeritud ligikaudu 950 G-valguga seotud retseptorit, mis detekteerivad footoneid, hormoone, kasvufaktoreid, ravimeid ja muid endogenoosseid ligande. Otstarve on teadmata umbes sajaviiekümnel GPCR-l.

G-valkude signaaliülekande tüübid

G-valgud võib jagada kahte rühma: heterotrimeersed ehk nn suured ja monomeersed ehk nn väiksed G-valgud. Heterotrimeerseid G-valke aktiveerivad GPCR-id ja need koosnevad alfa (α), beeta (β) ja gamma (γ) alaühikutest. Monomeersed G-valgud (20–25 kDa) kuuluvad väikeste GTP-aaside alla kuuluvasse Ras superperekonda. Monomeerne G-valk on homoloogiline heterotrimeerse G-valgu alfa alaühikuga. Ka monomeersed G-valgud seostuvad GTP ja GDP-ga ning osalevad signaaliülekandes.

Heterotrimeersed G-valgud

Heterotrimeerseid G-valke on mitut tüüpi, kuid neil on kõigil sama tööpõhimõte. Kui ligand seostub G-valguga seotud retseptorile, siis kaasneb sellega retseptori konformatsiooni muutus. See aktiveerib heterotrimeerse G-valgu ja GDP vahetub GTP vastu. Seejärel G-valk eraldub retseptorist ja alfa alaühik eraldub beeta-gammakompleksist. Eraldunud alaühikud saavad nüüd aktiveerida järgmisi virgatsaineid signaaliülekanderajal. Spetsiifiline mehhanism on aga erinevatel heterotrimeetsete G-valkude tüüpidel erinev.

Üldine tööpõhimõte

G-valkude aktivatsioon G-valkuga seotud retseptori kaudu

G-valgud on seotud raku membraani sisepinnaga. Need koosnevad G_α ja sellega tihedasti seotud G_βγ alaühikutest. G_α alaühikuid on mitut liiki: G_sα (aktiveeriv G-valk), G_iα (inhibeeriv G-valk), G_oα, G_g/11α ja G_12/13α on vaid mõned näited. Neil on sama aktivatsioonimehhanism, kuid nad reageerivad erinevate ligandide puhul erinevalt.

Aktivatsioon

Ligand, seostudes G-valguga seotud retseptorile, tekitab retseptoris konformatsiooni muutuse. Seetõttu toimib GPCR kui guaniininukleotiidi vahetustegur (inglise k. guanine nucleotide exchange factor, GEF), mis vahetab G_α alaühiku küljes oleva GDP GTP vastu. Traditsionaalse mudeli kohaselt põhjustab see GTP-ga seotud G_α alaühiku eraldumise G_βγ dimeerist ja retseptorist. Ka uusi mudeleid, kus viidatakse molekulaarsele ümberasetusele ja molekulide eel-komplekside moodustumisele on hakatud aktsepteerima. Nii G_α-GTP kui ka G_βγ alaühikud saavad seejärel osaleda signaalikaskaadide ja efektorvalkude aktiveerimisel. Retseptor on samal ajal aga võimeline aktiveerima järgmist G-valku.

Signaali peatamine

G_α alaühik hüdrolüüsib sellega seotud GTP tagasi GDP-ks oma loomupärase ensümaatilise aktiivsuse kaudu. Seega saab G_α alaühik uuesti G_βγ kompleksiga liituda ja uus signaaliülekande tsükkel alata. Grupp valke, mida nimetatakse G-valgu signaaliülekande regulaatoriteks (inglise k. Regulator of G protein signalling, RGS), toimivad kui GTP-aase aktiveerivad valgud (GAP) ning nad on G_α alaühikule spetsiifilised. Need valgud kiirendavad GTP hüdrolüüsi GDP-ks ja seeläbi peatavad signaaliülekande. Mõnel juhul võib efektormolekul ise loomuomast GAP-aktiivsust omada ja seeläbi signaaliülekande peatada. See kehtib näiteks fosfolipaas C beeta korral, mis omab GAP-aktiivsust oma C-otsa läheduses. See on alternatiivne G_α alaühiku reguleerimise viis.

Spetsiifilised mehhanismid

• G_sα stimuleerib cAMP tootmist adenosiintrifosfaadist (ATP), aktiveerides sellega cAMP-st sõltuva signaaliülekande raja. Sellega kaasneb otsene membraaniga seotud ensüümi adenülaaditsüklaas (AC) stimulatsioon. cAMP toimib kui sekundaarne virgatsaine, mis seostub ja aktiveerib proteiinkinaas A (PKA). Seejärel saab PKA fosforüleerida vajalikke molekule signaaliülekande rajal.

GPCR-ga on seotud kaks põhilist signaaliülekanderada, mis sõltuvad kas cAMP-st või fosfatidüülinositoolist.

cAMP-st sõltuvat signaaliülekande rada kasutavad mitmed hormoonid signaali edasiandmiseks. Nende hulka kuuluvad:

• ADH ehk antidiureeriline hormoon (vasopressiin) – soodustab vee tagasiimendumist neerudes;
• GHRH ehk kasvuhormooni vabastav hormoon (somatoliberiin) – stimuleerib kasvuhormooni (GH) sünteesi ja vabanemist;
• GHIH ehk kasvuhormooni inhibeeriv hormoon – takistab GH sünteesi ja vabanemist;
• CRH ehk kortikotropiini vabastajahormoon – stimuleerib adrenokortikotroopne hormoon ehk (ACTH) (kortikotropiin) sünteesi ja vabanemist;
• ACTH – stimuleerib kortisooli sünteesi ja vabanemist;
• TSH ehk kilpnääret stimuleeriv hormoon (türeotropiin) – stimuleerib suurema osa türoksiini (T4) sünteesi ja vabanemist;
• LH ehk luteiniseeriv hormoon (lutropiin) – toetab emastel ovulatsiooni ja corpus luteumi arengut ning isastel testosterooni tootmist ja spermatogeneesi;
• FSH ehk folliikuleid stimuleeriv hormoon (follitropiin) – stimuleerib emastel folliikuli arengut ja isastel spermatogeneesi;
• Kaltsitoniin – alandab kaltsiumitaset veres;
• Glükagoon – stimuleerib glükogeeni lagundamist glükoosikst;
• HCG ehk inimese kooriongonadotropiin – stimuleerib rakkude diferentseerumist;
• G_iα – inhibeerib cAMPi tootmist ATP-st;
• G_q/11α – stimuleerib rakumembraanil asuvat ensüümi fosfolipaas C beeta, mis lõhustab fosfoinositooli PIP2 kaheks sekundaarseks virgatsaineks, IP3 ja diatsüülglütserool (DAG).

Fosfatidüülinositoolist sõltuvat signaaliülekande rada kasutavad mitmed hormoonid signaali edasiandmiseks. Nende hulka kuuluvad:

• ADH
• TRH ehk türeotropiini vabastav hormoon – stimuleerib TSH sünteesi ja vabanemist.
• TSH
• Angiotensiin II – stimuleerib aldosterooni sünteesi ja vabanemist.
• GnRH ehk gonadotropiini vabastav hormoon – stimuleerib FSH ja LH sünteesi ja vabanemist.
• G_12/13α on seotud Rho perekonna GTP-aasi signaaliülekandega. See juhib raku tsütoskelett remodelleerumist, seega reguleerides raku liikumist.
• G_βγ kompleksil on samuti aktiivseid funktsioone. Näiteks G-valguga seotud sissepoole korrigeerivate kaaliumikanalite (inglise k. G protein-coupled inwardly-rectifying potassium channels, GIRK) aktiveerimine ja nendega seostumine.

Väiksesed GTP-aasid

Väikesed GTP-aasid seostuvad samuti GTP ja GDP-ga ning osalevad signaaliülekandes. Väikesed G-valgud on heterotrimeerse G-valgu alfa alaühiku homoloogid, kuid nad on monomeersed. Nad on väikesed (20–25 kDa) valgud. See valguperekond on homoloogiline Ras GTP-aasidega ning nad kuuluvad Ras superperekonda GTP-aasid.

Lipiidimine

Plasmamembraani sisemise kihiga seostumiseks on paljud G-valgud ja väikesed GTP-aasid lipideeritud. See tähendab, et neil on kovalentsete sidemetega seotud rasvamolekulid. Nad võivad olla seotud müristoüül-, palmitoüül- või prenüülrühmaga.

Osad guaniininukleotiide siduvad valkude retseptorid võivad käituda onkogeenidena.