PROTÉINES G: STRUCTURE, TYPES ET FONCTIONS - LA BIOLOGIE - 2025

Les protéines G , ou protéines de liaison aux nucléotides de la guanine, sont des protéines associées à la membrane plasmique appartenant à une famille de protéines "coupleuses" de signal qui ont des fonctions importantes dans de nombreux processus de transduction de signal chez les organismes eucaryotes.

Dans la littérature, les protéines G sont décrites comme des commutateurs moléculaires binaires, car leur activité biologique est déterminée par les changements de leur structure donnés par les espèces nucléotidiques auxquelles elles sont capables de se lier: les nucléotides guanosine (diphosphate (GDP) et triphosphate (GTP)).

Structure de la protéine Ras, une protéine G monomère (Source: Mark 'AbsturZ' via Wikimedia Commons)

Ils sont généralement activés par les récepteurs d'une famille de protéines appelées récepteurs couplés aux protéines G (GPCR), qui reçoivent un signal initial externe et le convertissent en changements conformationnels qui déclenchent l'activation, qui elle est ensuite traduite en activation d'une autre protéine effectrice.

Certains auteurs considèrent que les gènes codant pour cette famille de protéines ont évolué par duplication et divergence d'un gène ancestral commun, dont le produit était de plus en plus raffiné et spécialisé.

Parmi la grande variété de fonctions cellulaires de ces protéines figurent la translocation des macromolécules lors de la synthèse protéique, la transduction des signaux hormonaux et des stimuli sensoriels, ainsi que la régulation de la prolifération et de la différenciation cellulaires.

Deux classes de ce type de protéines ont été décrites: les petites protéines G et les protéines G hétérotrimériques. La première structure tridimensionnelle d'une protéine G a été dérivée il y a plus de dix ans d'une petite protéine G connue sous le nom de Ras.

Structure

Structurellement, deux types de protéines G sont reconnus: les petites protéines G et les protéines G hétérotrimériques beaucoup plus complexes.

Les petites protéines G sont constituées d'un seul polypeptide d'environ 200 résidus d'acides aminés et d'environ 20 à 40 kDa, et dans leur structure il y a un domaine catalytique conservé (le domaine G) composé de cinq hélices α, six feuillets pliés en β et cinq boucles polypeptidiques.

Les protéines G hétérotrimériques, en revanche, sont des protéines membranaires intégrales qui sont composées de trois chaînes polypeptidiques, appelées sous-unités α, β et γ.

-La sous-unité α pèse entre 40 et 52 kDa, possède une région de liaison aux nucléotides guanine et possède une activité GTPase pour hydrolyser les liaisons entre les groupes phosphate de GTP.

Les sous-unités α de différentes protéines G partagent certains domaines structuraux tels que ceux de la liaison et de l'hydrolyse du GTP, mais sont très différentes dans leurs sites de liaison aux protéines réceptrices et effectrices.

-La sous-unité β a un poids moléculaire légèrement inférieur (entre 35 et 36 kDa).

-La sous-unité γ, par contre, est beaucoup plus petite et a un poids moléculaire approximatif de 8 kDa.

Toutes les protéines G hétérotrimériques ont 7 domaines transmembranaires et partagent une similarité de séquence avec les domaines β et γ. Ces deux domaines sont si fortement associés qu'ils sont considérés comme une seule unité fonctionnelle.

Les types

Comme mentionné ci-dessus, il existe deux types de protéines G: petites et hétérotrimériques.

Les petites protéines G jouent un rôle dans la croissance cellulaire, la sécrétion de protéines et l'interaction des vésicules intracellulaires. D'autre part, les protéines G hétérotrimériques sont associées à la transduction des signaux des récepteurs de surface, et agissent également comme des commutateurs qui alternent entre deux états en fonction du nucléotide associé.

Petites protéines G

Ces protéines sont également appelées petites GTPases, petites protéines de liaison au GTP ou superfamille des protéines Ras et forment une superfamille indépendante au sein de la grande classe des hydrolases GTP avec des fonctions régulatrices.

Ces protéines sont très diverses et contrôlent de multiples processus cellulaires. Ils sont caractérisés par un domaine de liaison GTP conservé, le domaine "G". La liaison de ce nucléotide phosphate provoque d'importants changements conformationnels dans leur domaine catalytique dans les petites protéines G.

Son activité est étroitement liée à la GTPase Activating Protein (GAP) et au Guanine Nucleotide Exchange Factor (GEF).

Cinq classes ou familles de petites protéines G ont été décrites chez les eucaryotes:

-Ras

-Rho

-Rab

-Sar1 / Arf

-Ran

Les protéines Ras et Rho contrôlent l'expression des gènes et les protéines Rho modulent également la réorganisation du cytosquelette. Les protéines des groupes Rab et Sar1 / Arf influencent le transport vésiculaire et les protéines Ran régulent le transport nucléaire et le cycle cellulaire.

Protéines G hétérotrimériques

Ce type de protéine mérite également une association avec deux autres facteurs protéiques, de sorte que la voie de signalisation de l'environnement externe vers l'intérieur de la cellule est composée de trois éléments dans l'ordre suivant:

1. Les récepteurs couplés aux protéines G
2. Les protéines G
3. Les effecteurs protéines ou canaux

Il existe une grande diversité de protéines G hétérotrimériques et ceci est lié à la grande diversité des sous-unités α qui existent dans la nature, dans lesquelles seulement 20% de la séquence d'acides aminés est conservée.

Les protéines G hétérotrimériques sont généralement identifiées grâce à la diversité de la sous-unité α, basée principalement sur leurs similitudes fonctionnelles et de séquence.

Les sous-unités α sont constituées de quatre familles (la famille Gs, la famille Gi / o, la famille Gq et la famille G12). Chaque famille est constituée d'un «isotype» différent qui, ensemble, totalise plus de 15 formes différentes de sous-unités α.

Famille G

Cette famille contient des représentants qui participent également à la régulation positive des protéines adénylate cyclase et est exprimée dans la plupart des types de cellules. Il est composé de deux membres: Gs et Golf.

L'indice «s» fait référence à la stimulation et l'indice «olf» se réfère à «odeur» (de l'anglais «olfaction»). Les protéines de golf sont particulièrement exprimées dans les neurones sensoriels responsables de l'odorat.

Famille G

C'est la famille la plus grande et la plus diversifiée. Ils sont exprimés dans de nombreux types de cellules et médient l'inhibition dépendante du récepteur de divers types d'adényl cyclase (l'indice "i" se réfère à l'inhibition).

Les protéines avec les sous-unités α du groupe Go sont exprimées notamment dans les cellules du système nerveux central et ont deux variantes: A et B.

Famille G

Les protéines de cette famille de sous-unités α sont responsables de la régulation de la phospholipase C. Cette famille se compose de quatre membres dont les sous-unités α sont exprimées par différents gènes. Ils sont abondants dans les cellules hépatiques, rénales et pulmonaires.

Famille G

Cette famille est exprimée de manière ubiquitaire dans les organismes et les processus cellulaires exacts régulés par les protéines avec ces sous-unités ne sont pas connus avec certitude.

Sous-unités Β et γ

Si la diversité des structures alpha est décisive pour l'identification des protéines hétérotrimériques, il existe également une grande diversité par rapport aux deux autres sous-unités: bêta et gamma.

Caractéristiques

Les protéines G participent à la «canalisation» des signaux des récepteurs de la membrane plasmique vers les canaux effecteurs ou les enzymes.

L'exemple le plus courant de la fonction de ce type de protéine est dans la régulation de l'enzyme adénylate cyclase, une enzyme responsable de la synthèse de l'adénosine 3 ', 5'-monophosphate ou simplement AMP cyclique, une molécule qui a des fonctions importantes en tant que second messager dans de nombreux processus cellulaires connus:

-Phosphorylation sélective de protéines aux fonctions spécifiques

-Transcription génétique

-Réorganisation du cytosquelette

-Sécrétion

-Dépolarisation de la membrane

Ils participent également indirectement à la régulation de la cascade de signalisation des inositols (phosphatidylinositol et ses dérivés phosphorylés), qui sont responsables du contrôle des processus calcium-dépendants tels que la chimiotaxie et la sécrétion de facteurs solubles.

De nombreux canaux ioniques et protéines de transport sont directement contrôlés par les protéines de la famille des protéines G. De même, ces protéines sont impliquées dans de nombreux processus sensoriels tels que la vision, l'odorat, entre autres.

Comment travaillent-ils?

Le mode d'interaction d'une protéine G avec des protéines effectrices est spécifique à chaque classe ou famille de protéines.

Pour les protéines G couplées à des récepteurs membranaires (protéines G hétérotrimériques), la liaison d'un nucléotide guanine tel que GDP ou guanosine diphosphate à la sous-unité α provoque l'association des trois sous-unités, formant un complexe appelé Gαβγ ou G-GDP, qui est attaché à la membrane.

Si la molécule de GDP est par la suite échangée contre une molécule de GTP, la sous-unité α liée au GTP se dissocie des sous-unités β et γ, formant un complexe distinct appelé Gα-GTP, qui est capable d'altérer l'activité de ses enzymes ou protéines porteuses cibles.

L'activité hydrolytique de cette sous-unité lui permet de terminer l'activation, en échangeant le GTP contre un nouveau GDP, en passant à la conformation inactive.

En l'absence des récepteurs excités qui s'associent aux protéines G, ce processus d'échange de GDP à GTP est très lent, ce qui signifie que les protéines G hétérotrimériques n'échangent le PIB contre GTP qu'à un taux physiologiquement significatif lorsqu'elles sont liées à leur récepteurs excités.

Références

1. Gilman, G. (1987). Protéines G: transducteurs de signaux générés par les récepteurs. Revues annuelles en biochimie, 56, 615-649.
2. Milligan, G., et Kostenis, E. (2006). Protéines G hétérotrimériques: une brève histoire. British Journal of Pharmacology, 147, 546–555.
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4. Simon, M., Strathmann, MP et Gautam, N. (1991). Diversité des protéines G dans la transduction du signal. Science, 252, 802-808.
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