miniatura|A estrutura de sete hélices alfa transmembrana do receptor acoplado á proteína G. Os receptores acoplados á proteína G (GPCRs), tamén chamados receptores de dominio de sete transmembrana, receptores 7TM, receptores heptahélice, receptores serpentina, e receptores ligados á proteína G (GPLR), forman unha grande familia de proteínas de receptores de membrana que detectan moléculas procedentes de fóra da célula e activan vías de transdución de sinais internas, que orixinan respostas celulares. Son receptores transmembrana porque abranguen todo o grosor da membrana dun lado a outro, e ademais, son receptores do tipo "sete transmembrana" porque a súa cadea polipeptídica pasa dun lado a outro da membrana sete veces.
Os receptores acoplados á proteína G encóntranse só en eucariotas, incluíndo a lévedos, coanoflaxelados, e animais. Entre os ligandos que se unen e activan estes receptores están compostos sensibles á luz, compostos olorosos, feromonas, hormonas, e neurotransmisores, e poden variar en tamaño desde pequenas moléculas ata péptidos ou proteínas grandes. Os receptores acoplados á proteína G están implicados en moitas doenzas, e son tamén a diana de aproximadamente o 40% de todas as drogas medicinais modernas. Brian Kobilka e Robert Lefkowitz recibiron o Premio Nobel de Química de 2012 polos seus traballos neste campo que foron "cruciais para comprender como funcionan os receptores acoplados á proteína G."
Hai dúas vías principais de transdución de sinais que implican aos receptores acoplados á proteína G (GPCR), que son: a vía de sinalización do AMP cíclico (AMPc) e a vía de sinalización do fosfatidilinositol. Cando se une un ligando ao GPCR isto causa un cambio de conformación no GPCR, que lle permite actuar como un factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF). O GPCR pode despois activar unha proteína G asociada a el ao intercambiar o GDP unido por un GTP. A subunidade α da proteína G, xunto co GTP unido, pode despois disociarse das subunidades β e γ para despois afectar a proteínas de sinalización intracelulares ou proteínas funcionais diana directamente dependendo do tipo de subunidade α de que se trate (Gαs, Gαi/o, Gαq/11, Gα12/13).páx. 1160
Clasificación dereita|miniatura|300px| Esquema da clasificación dos GPCRs. Clase A (tipo rodopsina), Clase B (tipo secretina), Clase C (tipo receptor do glutamato), Outros (Adhesión (33), Crepitado (Frizzled) (11), Gusto (Taste) de tipo 2 (25), non clasificados (23)).
Non se sabe o tamaño exacto da superfamilia dos GPCR, pero prediciuse que hai case 800 xenes humanos distintos (ou ≈4% de todo o xenoma que codifica proteínas) a partir de análises de secuencia xenómicos. Aínda que se propuxeron moitos esquemas de clasificación, a superfamilia é dividida clasicamente en tres clases principais (A, B, e C) entre as que non hai homoloxía de secuencia compartida detectable. A clase máis grande con diferenza é a clase A, que supón case o 85% de todos os xenes GPCR. Dos GPCR da clase A, predícese que arredor da metade codifican receptores olfactorios, mentres que os receptores restantes teñen ligandos endóxenos descoñecidos ou son clasificados como receptores orfos. Malia a falta de homoloxía de secuencia entre as clases, todos os GPCRs teñen unha estrutura terciaria común e un mesmo mecanismo de transdución de sinais.
Os GPCRs poden gruparse en 6 clases baseándose na homoloxía de secuencia e semellanza funcional, que son:InterPro Clase A (ou 1) (tipo rodopsina) Clase B (ou 2) (familia do receptor de secretina) Clase C (ou 3) (glutamato metabotrópico/feromona) Clase D (ou 4) (receptor de feromonas do apareamento de fungos) Class E (ou 5) (receptor do AMP cíclico) Clase F (ou 6) (Crepitado/Suavizado (Frizzled/Smoothened)).
O grande grupo A da rodopsina foi subdividido en 19 subgrupos (de A1 a A19). Máis recentemente, propúxose un sistema de clasificación alternativo chamado GRAFS (Glutamato, Rodopsina, Adhesión, Crepitado/Gusto2 (Frizzled/Taste2), Secretina).
O xenoma humano codifica miles de receptores acoplados á proteína G, e uns 350 deles detectan hormonas, factores de crecemento, e outros ligandos endóxenos. Aproximadamente 150 dos GPCRs que se encontran no xenoma humano teñen funcións descoñecidas.
Utilizáronse algúns servidores web e métodos de predición bioinformáticos para predicir a clasificación dos GPCRs utilizando só a súa secuencia de aminoácidos, por medio dun enfoque baseado na composición de pseudo aminoácidos.
Funcións fisiolóxicas Os GPCRs están implicados en moitos procesos fisiolóxicos. Algúns exemplos dos seus papeis fisiolóxicos son:
Sentido da vista: As opsinas usan unha reacción de fotoisomerización para traducir a radiación electromagnética en sinais celulares. A rodopsina, por exemplo, usa a conversión de 11-cis-retinal a todo-trans-retinal para este propósito. Sentido do gusto: Os GPCRs das células gustativas median a liberación de gustducina en resposta a substancias amargas ou doces. Sentido do olfacto: Os receptores do epitelio olfactorio líganse a substancias olorosas (nos receptores olfactorios) e feromonas (nos receptores vomeronasais). Regulación do comportamento e estado de ánimo: Os receptores do cerebro de mamíferos líganse a varios neurotransmisores, como a serotonina, dopamina, GABA, e glutamato. Regulación da actividade do sistema inmunitario e inflamación: Os receptores de quimiocina únense a ligandos que median a comunicación intercelular entre células do sistema inmunitario; receptores como os receptores de histamina únense a mediadores inflamatorios e implican ás células diana na resposta inflamatoria. Transmisión no sistema nervioso autónomo: Tanto o sistema nervioso simpático coma o parasimpático son regulados polas vías dos GPCR, responsables do control de moitas funcións automáticas do corpo como a presión sanguínea, frecuencia cardíaca, e procesos dixestivos. Detección da densidade celular: Un novo papel descuberto dos GPCR é a regulación da percepción da densidade de células. Modulación da homeostase (por exemplo, o equilibrio hídrico). Implicación no crecemento e metástases dalgúns tipos de tumores.
Estrutura do receptor Os GPCRs son proteínas integrais de membrana que posúen sete dominios que abranguen todo o grosor da membrana ou hélices transmembrana. As partes extracelulares do receptor poden estar glicosiladas. Estes bucles extracelulares tamén conteñen dous residuos de cisteína moi conservados que forman pontes disulfuro para estabilizar a estrutura do receptor. Algunhas proteínas de tipo hélice sete transmembrana (canalrodopsina) que lembran a GPCRs poden conter canles iónicas dentro das súas proteínas.
Similares aos GPCRs son os receptores de adiponectina 1 e 2 (ADIPOR1 e ADIPOR2) que tamén posúen 7 dominios transmembrana. Porén, ADIPOR1 e ADIPOR2 están orientados na membrana de forma oposta aos GPCRs (é dicir, o N-terminal é extracelular e o C-terminal é citoplasmático) e non se asocian con proteínas G.
Os modelos estruturais iniciais dos GPCRs estaban baseados na súa feble analoxía coa bacteriorrodopsina, da cal se determinou a estrutura por difracción electrónica (, ) e cristalografía de raios X (). En 2000, resolveuse a primeira estrutura cristalina dun GPCR de mamífero, o da rodopsina bovina (). Aínda que está conservada a principal característica, que son as sete hélices transmembrana, a orientación relativa das hélices difire significativamente da propia da bacteriorrodopsina. En 2007, resolveuse a primeira estrutura dun GPCR humano (, ). Isto foi seguido inmediatamente pola obtención dunha estrutura a maior resolución do mesmo receptor (). Esta estrutura do GPCR receptor β2-adrenérxico humano, era moi similar á da rodopsina bovina en termos da orientación relativa das hélices sete transmembrana. Porén, a conformación do segundo bucle extracelular é totalmente diferente entre as dúas estruturas. Como este bucle constitúe a "tapa" que cobre a parte superior do sitio de unión do ligando, esta diferenza conformacional ilustra as dificultades de construír modelos de homoloxía doutros GPCRs baseándose só na estrutura da rodopsina.
Tamén se determinaron as estruturas de GPCRs unidos a agonistas ou activados. Estas estruturas indican como a unión do ligando ao lado extracelular do receptor orixina cambios conformacionais no lado citoplasmático do receptor. O maior cambio é un movemento cara a fóra da parte citoplasmática das 5ª e 6ª hélices transmembrana (TM5 e TM6). A estrutura do receptor beta-2 adrenérxico activado en complexo con Gs confirmou que o Gα se une nunha cavidade creada por este movemento.
Relacións estrutura-función dereita|miniatura|500px|Esquema bidimensional dun GPCR xenérico nunha balsa lipídica. Clicar na imaxe para ver as estruturas con maior detalle. En termos de estrutura, os GPCRs caracterízanse por teren un N-terminal extracelular, seguido dun dominio de hélices alfa de tipo sete transmembrana (7-TM) (denominadas de TM-1 a TM-7) conectadas por tres bucles intracelulares (de IL-1 a IL-3) e outros tres extracelulares (de EL-1 a EL-3), e finalmente un dominio intracelular C-terminal. O GPCR presenta unha estrutura terciaria que lembra a un barril, no que as sete hélices transmembrana forman unha cavidade na membrana plasmática que serve como dominio para a unión do ligando, que está xeralmente cuberto por EL-2. Non obstante, os ligandos poden unirse tamén noutra parte, como no caso de ligandos máis masivos (por exemplo, proteínas ou péptidos relativamente grandes), os cales interaccionan cos bucles extracelulares, ou, como se ilustra co receptor de glutamato metabotrópico de clase C (mGluRs), coa cola N-terminal. Os GPCRs de clase C distínguense polas súas grandes colas N-terminais, que tamén conteñen un dominio de unión ao ligando. Despois da unión do glutamato a un mGluR, a cola N-terminal sofre un cambio conformacional que orixina a súa interacción cos residuos dos bucles extracelulares e dominios TM. O efecto eventual de todos estes tres tipos de activación inducida por agonista é un cambio nas orientacións relativas das hélices TM (comparables a un movemento de torsión) que dá lugar a que se forme unha superficie intracelular máis ampla e que queden expostos residuos das hélices intracelulares e dominios TM cruciais para a función de transdución de sinais (por exemplo, o acoplamento dunha proteína G). Os agonistas inversos e antagonistas poden tamén unirse a varios sitios diferentes, pero o efecto final debe ser impedir esta reorientación da hélice TM.
As estruturas das colas N- e C-terminais dos GPCRs poden tamén realizar importantes funcións máis alá da unión de ligandos. En particular, o C-terminal a miúdo contén residuos de serina (Ser) ou treonina (Thr) que, cando se fosforilan, incrementan a afinidade da superficie intracelular para a unión de proteínas de armazón chamadas β-arrestinas (β-arr). Unha vez unidas, as β-arrestinas impiden estericamente o acoplamento da proteína G e poden recrutar outras proteínas, o que dá lugar á creación de complexos de sinalización implicados na activación das vías das quinases reguladas por sinal extracelular (ERK) ou endocitose de receptor (internalización). Como a fosforilación destes residuos de Ser e Thr a miúdo ocorren como resultado da activación de GPCR, o desacoplamento da proteína G mediada por β-arr e a internalización de GPCRs son mecanismos importantes de desensibilización.