GTPase เป็น เอนไซม์ไฮโดรเลส กลุ่มใหญ่ที่จับกับนิวคลีโอไทด์ กัว โนซีนไตรฟอสเฟต (GTP)และไฮโดรไลซ์ให้เป็นกัวโนซีนไดฟอสเฟต (GDP) [ ^{1 ] การ}จับและการไฮโดรไลซ์ GTP เกิดขึ้นในP-loop "โดเมน G" ที่มีการอนุรักษ์ สูง ซึ่งเป็น โดเมนโปรตีนที่พบได้ทั่วไปใน GTPase หลายชนิด^{[ 1 ]}

GTPase ทำหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุลหรือตัวจับเวลาในกระบวนการพื้นฐานของเซลล์หลายอย่าง^{[ 2 ]}

ตัวอย่างของบทบาทเหล่านี้ ได้แก่:

• การส่งสัญญาณตอบสนองต่อการกระตุ้นของตัวรับบนพื้นผิวเซลล์ รวมถึงตัวรับทรานส์เมมเบรนเช่นตัวรับที่ทำหน้าที่รับรสรับกลิ่นและมองเห็น^{[ 2 ]}
• กระบวนการสังเคราะห์โปรตีน (หรือเรียกอีกอย่างว่าการแปลรหัส ) ที่เกิดขึ้นที่ไรโบโซม
• การควบคุม การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์การเพิ่มจำนวนการแบ่งตัวและการเคลื่อนที่ของเซลล์
• การเคลื่อนย้ายโปรตีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
• การลำเลียงเวสิเคิลภายในเซลล์รวมถึงการหลั่งและการดูดซึมผ่านเวสิเคิล โดยผ่านการควบคุมการประกอบเปลือกเวสิเคิลด้วยเอนไซม์ GTPase

GTPase จะทำงานเมื่อจับกับ GTP และไม่ทำงานเมื่อจับกับ GDP ^{[ 2 ] [ 3 ]}ในแบบจำลองการส่งสัญญาณแบบตัวรับ-ตัวส่งสัญญาณ-ตัวกระตุ้นทั่วไปของMartin Rodbell GTPase ที่ส่งสัญญาณทำหน้าที่เป็นตัวส่งสัญญาณเพื่อควบคุมกิจกรรมของโปรตีนตัวกระตุ้น^{[ 3 ]}สวิตช์การทำงาน-ไม่ทำงานนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโปรตีนที่แยกความแตกต่างระหว่างสองรูปแบบนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริเวณ "สวิตช์" ซึ่งในสถานะทำงานจะสามารถสร้างการสัมผัสระหว่างโปรตีนกับโปรตีนกับโปรตีนคู่ค้าที่เปลี่ยนแปลงการทำงานของตัวกระตุ้นเหล่านี้^{[ 1 ]}

การไฮโดรไลซิสของ GTP ที่จับกับ G domain-GTPase (ที่ทำงานอยู่) นำไปสู่การปิดใช้งานฟังก์ชันการส่งสัญญาณ/จับเวลาของเอนไซม์^{[ 2 ] [ 3 ]}การไฮโดรไลซิสของฟอสเฟต ตัวที่สาม (γ) ของ GTP เพื่อสร้างกัวโนซีนไดฟอสเฟต (GDP) และ Pi _ซึ่งเป็นฟอสเฟตอนินทรีย์เกิดขึ้นโดยกลไก S _N 2 (ดูการแทนที่แบบนิวคลีโอฟิ ลิก ) ผ่านสถานะการเปลี่ยนผ่านแบบเพนตาโคออร์ดิเนต และขึ้นอยู่กับการมีอยู่^ของไอออนแมกนีเซียม Mg ^{2+ [ 2} ] ^{[ 3 ]}

กิจกรรม GTPase ทำหน้าที่เป็นกลไกปิดการทำงานสำหรับบทบาทการส่งสัญญาณของ GTPase โดยการเปลี่ยนโปรตีนที่ทำงานอยู่ซึ่งจับกับ GTP กลับไปเป็นสถานะที่ไม่ทำงานซึ่งจับกับ GDP ^{[ 2 ] [ 3 ]} "GTPase" ส่วนใหญ่มีกิจกรรม GTPase ที่ใช้งานได้ ทำให้พวกมันยังคงทำงานอยู่ (นั่นคือ จับกับ GTP) เพียงช่วงเวลาสั้นๆ ก่อนที่จะปิดการทำงานโดยการเปลี่ยน GTP ที่จับอยู่ให้เป็น GDP ที่จับอยู่^{[ 2 ] [ 3 ]}อย่างไรก็ตาม GTPase จำนวนมากยังใช้โปรตีนเสริมที่เรียกว่าโปรตีนกระตุ้น GTPaseหรือ GAP เพื่อเร่งกิจกรรม GTPase ของพวกมัน ซึ่งจำกัดอายุการใช้งานของ GTPase ที่ส่งสัญญาณให้สั้นลง^{[ 4 ]} GTPase บางตัวมีกิจกรรม GTPase น้อยมากหรือไม่มีเลย และขึ้นอยู่กับโปรตีน GAP อย่างสมบูรณ์ในการปิดการทำงาน (เช่นปัจจัยการไรโบซิเลชัน ADPหรือตระกูล ARF ของโปรตีนขนาดเล็กที่จับกับ GTP ซึ่งเกี่ยวข้องกับการขนส่งผ่านถุงเวสิเคิลภายในเซลล์) ^{[ 5 ]}

เพื่อให้ทำงานได้ GTPase ต้องจับกับ GTP เนื่องจากกลไกในการเปลี่ยน GDP ที่จับอยู่ให้เป็น GTP โดยตรงยังไม่เป็นที่รู้จัก GTPase ที่ไม่ทำงานจึงถูกกระตุ้นให้ปล่อย GDP ที่จับอยู่โดยการทำงานของโปรตีนควบคุมที่แตกต่างกันที่เรียกว่าปัจจัยแลกเปลี่ยนนิวคลีโอไทด์กัวนีนหรือ GEF ^{[ 2 ] [ 3 ]}โปรตีน GTPase ที่ปราศจากนิวคลีโอไทด์จะจับกับ GTP อย่างรวดเร็ว ซึ่งมีอยู่ในเซลล์ที่แข็งแรงมากกว่า GDP มาก ทำให้ GTPase สามารถเข้าสู่สถานะโครงสร้างที่ทำงานได้และส่งเสริมผลกระทบต่อเซลล์^{[ 2 ] [ 3 ]}สำหรับ GTPase จำนวนมาก การกระตุ้น GEF เป็นกลไกควบคุมหลักในการกระตุ้นการทำงานของการส่งสัญญาณของ GTPase แม้ว่า GAP ก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน สำหรับโปรตีน G แบบเฮเทอโรไตรเมอริกและโปรตีนขนาดเล็กที่จับกับ GTP จำนวนมาก กิจกรรมของ GEF จะถูกกระตุ้นโดยตัวรับบนพื้นผิวเซลล์เพื่อตอบสนองต่อสัญญาณจากภายนอกเซลล์ (สำหรับโปรตีน G แบบเฮเทอโรไตรเมอริก ตัวรับที่เชื่อมต่อกับโปรตีน G นั้น ก็คือ GEF นั่นเอง ในขณะที่สำหรับ GTPase ขนาดเล็กที่ถูกกระตุ้นโดยตัวรับ GEF ของพวกมันจะแตกต่างจากตัวรับบนพื้นผิวเซลล์)

GTPase บางชนิดยังจับกับโปรตีนเสริมที่เรียกว่าตัวยับยั้งการแยกตัวของนิวคลีโอไทด์กัวนีนหรือ GDI ซึ่งทำให้สถานะที่จับกับ GDP ที่ไม่ใช้งานมีเสถียรภาพ^{[ 6 ]}

ปริมาณของเอนไซม์ GTPase ที่ออกฤทธิ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้หลายวิธี:

1. การเร่งการแยกตัวของ GDP โดย GEF จะช่วยเร่งการสะสมของ GTPase ที่ออกฤทธิ์
2. การยับยั้งการแยกตัวของ GDP โดยสารยับยั้งการแยกตัวของกัวนีนนิวคลีโอไทด์ (GDIs) จะทำให้การสะสมของ GTPase ที่ทำงานอยู่ช้าลง
3. การเร่งปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของ GTP โดย GAP จะลดปริมาณ GTPase ที่ทำงานอยู่
4. สารอะนาล็อก GTPสังเคราะห์เช่นGTP-γ-S , β,γ-methylene-GTPและβ,γ-imino-GTPที่ไม่สามารถไฮโดรไลซ์ได้ สามารถล็อก GTPase ให้อยู่ในสถานะทำงานได้
5. การกลายพันธุ์ (เช่น การกลายพันธุ์ที่ลดอัตราการไฮโดรไลซิสของ GTP ภายใน) สามารถล็อก GTPase ให้อยู่ในสถานะทำงาน และการกลายพันธุ์ดังกล่าวใน GTPase ขนาดเล็ก Ras พบได้บ่อยเป็นพิเศษในมะเร็งบางชนิด^{[ 7 ]}

ใน GTPase ส่วนใหญ่ ความจำเพาะของเบสกัวนีนเมื่อเทียบกับนิวคลีโอไทด์อื่นๆ เกิดจากโมทีฟการจดจำเบส ซึ่งมีลำดับคอนเซนซัส [N/T]KXD การจัดประเภทต่อไปนี้ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะร่วมกัน ตัวอย่างบางส่วนมีการกลายพันธุ์ในโมทีฟการจดจำเบสที่ทำให้ความจำเพาะของสารตั้งต้นเปลี่ยนไป โดยส่วนใหญ่จะเป็น ATP ^{[ 8 ]}

โปรตีนโดเมน G ในกลุ่ม TRAFAC ได้รับการตั้งชื่อตามสมาชิกต้นแบบคือโปรตีน G ปัจจัยการแปล พวกมันมีบทบาทในการแปล การส่งสัญญาณ และการเคลื่อนที่ของเซลล์^{[ 8 ]}

GTPase ในกลุ่มปัจจัย การแปลแบบคลาสสิกหลายตัวมีบทบาทสำคัญในการเริ่มต้นการยืดและการสิ้นสุดของการสังเคราะห์โปรตีน สมาชิกที่รู้จักกันดีที่สุดในกลุ่มนี้ ได้แก่ EF-1A / EF-Tu , EF-2 / EF-G ^{[ 9 ]}และปัจจัยปลดปล่อยคลาส 2 เนื่องจากมี รูปแบบ การจับกับ ไรโบโซม ที่คล้ายคลึงกัน เนื่องจาก โดเมน β-EI ที่อยู่ถัดจาก GTPase สมาชิกอื่นๆ ได้แก่EF-4 (LepA), BipA (TypA) ^{[ 10 ]} SelB (แบคทีเรีย selenocysteinyl-tRNA EF-Tu paralog), Tet ( ความต้านทานต่อ เตตราไซคลินโดยการป้องกันไรโบโซม) ^{[ 11 ]}และHBS1L ( โปรตีน กู้ไรโบโซม ยูคา ริโอตที่คล้ายกับปัจจัยปลดปล่อย)

กลุ่มซูเปอร์แฟมิลียังรวมถึงกลุ่ม Bms1 จากยีสต์ด้วย^{[ 8 ]}

คอมเพล็กซ์ โปรตีน G แบบเฮเทอโรไตรเมอริกประกอบด้วยหน่วยย่อยโปรตีนที่แตกต่างกัน 3 หน่วย ได้แก่หน่วยย่อยอัลฟา (α) เบตา (β) และแกมมา (γ) ^{[ 12 ]} หน่วยย่อยอัลฟา ประกอบด้วยโดเมนการจับ GTP/GTPase ที่ขนาบข้างด้วยบริเวณควบคุมที่ยาว ในขณะที่หน่วยย่อยเบตาและแกมมาสร้างคอมเพล็กซ์ไดเมอริกที่เสถียรซึ่งเรียกว่าคอมเพล็กซ์เบตา-แกมมา [ ^{13 ] เมื่อ}ถูกกระตุ้น โปรตีน G แบบเฮเทอโรไตรเมอริกจะแยกตัวออกเป็นหน่วยย่อยอัลฟาที่ถูกกระตุ้นและจับกับ GTP และหน่วยย่อยเบตา-แกมมาที่แยกจากกัน ซึ่งแต่ละหน่วยสามารถทำหน้าที่ส่งสัญญาณที่แตกต่างกันได้^{[ 2 ] [ 3 ]}หน่วยย่อย α และ γ ถูกดัดแปลงโดยตัวยึดไขมันเพื่อเพิ่มการเชื่อมโยงกับชั้นในของเยื่อหุ้มพลาสมา^{[ 14 ]}

โปรตีน G แบบเฮเทอโรไตรเมอริกทำหน้าที่เป็นตัวส่งสัญญาณของตัวรับที่เชื่อมต่อกับโปรตีน Gโดยเชื่อมโยงการกระตุ้นตัวรับกับตัวส่งสัญญาณปลายทางและตัวส่งสัญญาณรอง [ ^{2 ] [ 3 ] [ 15 ] ใน}เซลล์ที่ไม่ได้รับการกระตุ้น โปรตีน G แบบเฮเทอโรไตรเมอริกจะประกอบกันเป็นไตรเมอร์ที่จับกับ GDP และไม่ทำงาน (คอมเพล็กซ์ G _α -GDP-G _βγ ) ^{[ 2 ] [ 3 ]}เมื่อตัวรับถูกกระตุ้น โดเมนภายในเซลล์ของตัวรับที่ถูกกระตุ้นจะทำหน้าที่เป็น GEF เพื่อปลดปล่อย GDP จากคอมเพล็กซ์โปรตีน G และส่งเสริมการจับของ GTP แทนที่^{[ 2 ] [ 3 ]}คอมเพล็กซ์ที่จับกับ GTP จะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่กระตุ้นการทำงาน ซึ่งจะแยกตัวออกจากตัวรับและยังทำให้คอมเพล็กซ์แตกออกเป็นส่วนประกอบย่อยของโปรตีน G อัลฟาและเบตา-แกมมา^{[ 2 ] [ 3 ]}ในขณะที่ซับยูนิตโปรตีน G ที่ถูกกระตุ้นเหล่านี้สามารถกระตุ้นตัวรับเอฟเฟกต์ได้อย่างอิสระ ตัวรับที่ทำงานอยู่ก็สามารถกระตุ้นโปรตีน G เพิ่มเติมได้เช่นกัน ซึ่งช่วยให้เกิดการกระตุ้นและการขยายสัญญาณเร่งปฏิกิริยา โดยที่ตัวรับหนึ่งตัวสามารถกระตุ้นโปรตีน G ได้หลายตัว^{[ 2 ] [ 3 ]}

การส่งสัญญาณของโปรตีน G จะสิ้นสุดลงด้วยการไฮโดรไลซิสของ GTP ที่จับอยู่ให้กลายเป็น GDP ที่จับอยู่^{[ 2 ] [ 3 ]}กระบวนการนี้สามารถเกิดขึ้นได้ผ่านกิจกรรม GTPase ภายในของซับยูนิต α หรือถูกเร่งโดยโปรตีนควบคุมแยกต่างหากที่ทำหน้าที่เป็นโปรตีนกระตุ้น GTPase (GAPs) เช่น สมาชิกใน กลุ่ม Regulator of G protein signaling (RGS) ^{[ 4 ]}ความเร็วของปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสทำหน้าที่เป็นนาฬิกาภายในที่จำกัดความยาวของสัญญาณ เมื่อ G _αกลับมาจับกับ GDP อีกครั้ง ส่วนประกอบทั้งสองของเฮเทอโรไตรเมอร์จะกลับมารวมตัวกันในสถานะเดิมที่ไม่ทำงาน^{[ 2 ] [ 3 ]}

โปรตีน G แบบเฮเทอโรไตรเมอริกสามารถจำแนกตามความคล้ายคลึงของลำดับของหน่วย α และตามเป้าหมายการทำงานของพวกมันได้เป็นสี่ตระกูล ได้แก่ ตระกูล G _s , ตระกูล G _i , ตระกูล G _qและตระกูล G ₁₂ ^{[ 12 ]}แต่ละตระกูลของโปรตีน G _α เหล่านี้ ประกอบด้วยสมาชิกหลายตัว ทำให้สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมี 16 ยีนย่อย_{α ที่แตกต่างกัน} ^{[ 12 ]} G _βและ G _γก็ประกอบด้วยสมาชิกหลายตัวเช่นกัน ซึ่งเพิ่มความหลากหลายทางโครงสร้างและการทำงานของเฮเทอโรไตร เมอริก ^{[ 12 ]}ในบรรดาโมเลกุลเป้าหมายของโปรตีน G เฉพาะ ได้แก่ เอนไซม์ที่สร้างสารสื่อประสาทตัวที่สอง เช่นอะเดนิลไซเคลสและ ฟอสโฟลิเป สCรวมถึงช่องไอออน ต่างๆ ^{[ 16 ]}

GTPase ขนาดเล็กทำหน้าที่เป็นโมโนเมอร์และมีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 21 กิโลดัลตัน ซึ่งประกอบด้วยโดเมน GTPase เป็นหลัก^{[ 17 ]}พวกมันยังถูกเรียกว่าโปรตีนควบคุมการจับนิวคลีโอไทด์กัวนีนขนาดเล็กหรือโมโนเมอร์ โปรตีนจับ GTP ขนาดเล็กหรือโมโนเมอร์ หรือโปรตีน G ขนาดเล็กหรือโมโนเมอร์ และเนื่องจากพวกมันมีความคล้ายคลึงกันอย่างมากกับโปรตีนชนิดแรกที่ระบุได้ ซึ่งมีชื่อว่าRasพวกมันจึงถูกเรียกว่า GTPase ใน กลุ่ม Ras superfamilyด้วย GTPase ขนาดเล็กโดยทั่วไปทำหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุลและตัวส่งสัญญาณสำหรับเหตุการณ์การส่งสัญญาณในเซลล์ที่หลากหลาย ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มเซลล์ ถุง หรือโครงร่างเซลล์^{[ 18 ] [ 17 ]}ตามลำดับกรดอะมิโนหลักและคุณสมบัติทางชีวเคมี GTPase ขนาดเล็กในกลุ่ม Ras superfamily จำนวนมากถูกแบ่งออกเป็นห้ากลุ่มย่อยที่มีหน้าที่แตกต่างกัน ได้แก่Ras , Rho ( "Ras-homology"), Rab , ArfและRan ^{[ 17 ]}ในขณะที่ GTPase ขนาดเล็กจำนวนมากถูกกระตุ้นโดย GEF ของพวกมันเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณภายในเซลล์ที่มาจากตัวรับบนพื้นผิวเซลล์ (โดยเฉพาะตัวรับปัจจัยการเจริญเติบโต ) GEF ควบคุมสำหรับ GTPase ขนาดเล็กอื่นๆ จำนวนมากจะถูกกระตุ้นเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณภายในเซลล์ ไม่ใช่สัญญาณบนพื้นผิวเซลล์ (ภายนอก)

คลาสนี้ถูกกำหนดโดยการสูญเสียเบต้าสแตรนด์สองอันและสแตรนด์ N-เทอร์มินัลเพิ่มเติม ทั้งสองชื่อในซูเปอร์แฟมิลีนี้ ได้แก่ไมโอซินและไคเนซินได้เปลี่ยนไปใช้ ATP ^{[ 8 ]}

มองไดนามินเป็นต้นแบบของ GTPase โมโนเมอร์ขนาดใหญ่

GTPase ในกลุ่ม SIMIBI ส่วนใหญ่จะถูกกระตุ้นด้วยการสร้างไดเมอร์^{[ 8 ]}กลุ่มนี้ตั้งชื่อตามอนุภาคการรับรู้สัญญาณ (SRP), MinD และ BioD ซึ่งเกี่ยวข้องกับการกำหนดตำแหน่งโปรตีน การแบ่งโครโมโซม และการขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ สมาชิกหลายตัวในกลุ่มนี้ รวมถึง MinD และ Get3 ได้เปลี่ยนความจำเพาะของสารตั้งต้นไปเป็น ATPase ^{[ 19 ]}

สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับ ปัจจัย การเคลื่อนย้ายและบทบาทของ GTP โปรดดูที่อนุภาคการรับรู้สัญญาณ (SRP)

ในขณะที่ทูบูลินและโปรตีนโครงสร้างที่เกี่ยวข้องยังจับและไฮโดรไลซ์ GTP ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของหน้าที่ในการสร้างท่อภายในเซลล์ โปรตีนเหล่านี้ใช้โดเมนทูบูลิน ที่แตกต่างกัน ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับโดเมน G ที่ใช้โดย GTPase ส่งสัญญาณ^{[ 20 ]}

นอกจากนี้ยังมีโปรตีนไฮโดรไลซ์ GTP ที่ใช้P-loopจากซูเปอร์คลาสอื่นที่ไม่ใช่ซูเปอร์คลาสที่มีโดเมน G ตัวอย่างเช่น โปรตีน NACHTของซูเปอร์คลาสของตัวเอง และโปรตีน McrB ของซูเปอร์คลาสAAA+ ^{[ 8 ]}

• ตัวรับที่เชื่อมต่อกับโปรตีนจี
• ตัวรับปัจจัยการเจริญเติบโต
• เซปตินส์

• GTPase ในฐานข้อมูล Medical Subject Headings (MeSH) ของหอสมุดแห่งชาติสหรัฐอเมริกา
• MBInfo - RhoGTPases