Receptores acoplados à Proteína G com produção de AMPc
Os receptores acoplados à proteína G (GPCR’s) são responsáveis pela grande maioria das respostas celulares a hormônios e neurotransmissores, bem como pelos sentidos da visão, olfato e paladarRasmussen SG, Devree BT, Zou Y, Kruse AC, Chung KY, Kobilka TS, Thian FS, Chae PS, Pardon E, Calinski D, Mathiesen JM, Shah ST, Lyons JA, Caffrey M, Gellman SH, Steyaert J, Skiniotis G, Weis WI, Sunahara RK, Kobilka BK. (2011). Crystal structure of the β(2) adrenergic receptor-Gs protein complex . Nature.477 (7366): 549–55. São membros de uma ampla família de receptores serpentina que transpassam a membrana celular 7 vezes e são alvos comuns para a formulação de fármacos pela indústria farmacêuticaKobilka BK.(2007). G protein coupled receptor structure and activation.BiochimBiophysActa.1768(4):794-807. Cada vez mais tem sido percebido que a regulação e sinalização desses receptores são muito mais complexas do que originalmente previsto, incluindo vias independentes através da proteína GLefkowitz RJ, Shenoy SK.(2005). Transduction of receptor signals by beta-arrestins. Science.308(5721):512-7 Azzi M, Charest PG, Angers S, Rousseau G, Kohout T, Bouvier M, Pineyro G. Beta-arrestin-mediated activation of MAPK by inverse agonists reveals distinct active conformations for G protein-coupled receptors. (2003). ProcNatlAcadSci USA. 100(20):11406-11.. Recentes análises do genoma humano demonstraram a existência de aproximadamente 800 únicos GPCRs, dentre os quais aproximadamente 460 são receptores olfatóriosFredriksson R, Lagerstrom MC, Lundin LG, Schioth HB. (2003). The G-protein-coupled receptors in the human genome form five main families. Phylogenetic analysis, paralogon groups, and fingerprints. MolPharmacol .63(6):1256-72. Baseado na similaridade dos segmentos desses receptores, eles podem ser organizados em 5 famílias: da Rodopsina (701 membros), dos receptores de adesão (24 membros), dos receptores frisados ou ligados ao paladar (24 membros), do glutamato (15 membros) e da secretina (15 membros). Os GPCRs têm uma estrutura bastante semelhante, com uma extremidade extracelular aminoterminal e uma carboxiterminal intracelular. Os segmentos transmembrana apresentam bastante homologia entre os diversos receptores. As estruturas com maior diversidade são as extremidades amino e carboxiterminal e os segmentos TM5 e TM6. A sequência com maior variabilidade estrutural é a aminoterminal, a qual é pequena (10 a 50 aminoácidos) para receptores de monoaminas e peptídeos e muito maior (350 a 600 aminoácidos) para receptores de hormônios glicoproteicos e os da família do glutamato e, principalmente, dos receptores de adesão. A diversidade de ligantes naturais dos GPCRs é muito grande, variando de partículas subatômicas (fótons) a íons (H+, Ca++) e pequenas moléculas orgânicas, como peptídeos e proteínasJi TH, Grossmann M, Ji I. (1998). G protein- coupled receptors. I. Diversity of receptor-ligand interactions. J BiolChem . 273(28):17299-302. Seus locais de ligação também são bem determinados: enquanto pequenos agonistas orgânicos se ligam aos segmentos transmembrana, hormônios peptídicos e proteínas se ligam preferencialmente à extremidade aminoterminal e às sequências extracelulares dos domínios transmembrana. No entanto, o tamanho molecular não é o critério para definição do local de ligação. Os hormônios glicoproteicos, glutamato e Ca2+ se ligam preferencialmente aos domínios aminoterminais grandes Pin JP, Galvez T, Prezeau L. (2003). Evolution, structure, and activation mechanism of family 3/C G-protein-coupled receptors. PharmacolTher. 98(3):325-54.
Ativação do receptor
Os receptores acoplados às proteínas G (GPCRs) podem ser ativados por ligantes como, por exemplo, hormônios, neurotransmissores, fatores de crescimento, odorantes e fótons de luz. Uma vez ativada, a proteína G intermedeia o processo de sinalização que é iniciado com a ativação do respectivo GPCR e termina com a resposta mediada pela ação de moléculas efetoras que incluem canais iônicos e enzimas que geram segundos mensageiros, como, por exemplo, a adenililciclase, a enzima que gera o segundo mensageiro AMP cíclico. Tais receptores compartilham uma estrutura comum caracterizada por sete domínios transmembranas, e uma característica funcional que é a ativação da proteína G dependente da ligação do agonista ao GPCRVaughan M. G Protein-coupled Receptors. Minireview Series. J BiolChem 1998;273:17297-98. Diferentes classes de GPCRs ligam-se exclusivamente ou preferencialmente a uma proteína G específica. Diferenças na estrutura e na sequência dentre os diversos GPCRs possivelmente contribuem para diferenças no reconhecimento de um ligante e no acoplamento específico a uma determinada proteína G. Um modelo largamente divulgado a respeito do mecanismo funcional dos GPCRs sugere que os mesmos são proteínas dinâmicas, apresentando conformações diferentes que conseqüentemente podem ou não favorecer o acoplamento da respectiva proteína G. De acordo com este modelo, a ligação de um hormônio agonista estabilizaria a conformação que favorece a ligação com a proteína G, ativando, desta forma, o receptorSpiegel AM. Mutations in G proteins and G protein coupled receptors in endocrine disease. J ClinEndocrinolMetab1996;81:2434-42.
Mecanismo de transdução
As proteínas G agem como interruptores, ou timing switches. Neste sentido, quando o GDP ligado às sub-unidades α β γ está presente, a sub-unidade α está associada com o dímero βγ, o mecanismo de transdução de sinal está "desligado" e a interação com o efetor não se concretiza. Os GPCR são as primeiras estruturas envolvidas na transdução celular. Logo após a interação do primeiro mensageiro com o GPCR, são vistas mudanças conformacionais na estrutura deste último, iniciando o ciclo de atividade da proteína G. A cascata de ativação intracelular inicia sua dinâmica graças à ação de uma proteína auxiliar chamada fator de troca de guanosina (guanosine nucleotide exchange factor - GEF) que desloca o GDP e dá lugar à ligação do GTP, configurando o estado ativo dessa proteína. Assim, a subunidade α dissocia-se do dímero βγ e inicia cascatas de sinalização intracelular. Isso resulta na ativação de efetores, tais como: adenilatociclases, pequenas GTPases, fosfolipases e cinases, em última análise podendo regular a expressão de genes envolvidos na sobrevivência, proliferação, diferenciação e outros processos celulares. Esse estado de ativação é mantido graças à ação da proteína inibidora da dissociação de guanina (guanine nucleotide dissociation inhibitor - GDI), que mantém o GTP ligado e a proteína ativa pelo tempo necessárioCoosta R. Departamento de Ciências da Vida. Faculdade de Ciências e Tecnologia. As proteínas G em vegetais. Coimbra: Universidade de Coimbra, Portugal, 2009 Zhang Y, Scoumanne A, Chen X. G Protein-coupled receptor 87: a promising opportunity for cancer drug discovery. MolCellPharmacol. 2010;2:111-6. Mesmo as sub-unidades βγ também podem modular a atividade de determinados efetores. Uma atividade intrínseca da GTPase da sub-unidade α funciona como um regulador de tempo de reação, fazendo com que o GDP seja novamente formado e que a sub-unidade α reassuma sua conformação "desligada". Finalizando o ciclo, o heterotrímero α β γ se associa novamente, aguardando que o receptor seja mais uma vez ativado para dar início a um novo cicloIiri T, Farfel Z, Bourne HR. G-protein diseases furnish a model for the turn-on switch.Nature 1998;394:35-8.
Sinalização Proteína G-dependente
Existem três principais vias de sinalização da proteína G, mediadas por quatro isoformas de proteínas G distinguidas umas das outras por homologia de sequência, em relação a subunidade α, sendo as três principais: Gs, Gq e Gi. Cada isoforma de proteína G consiste de múltiplas proteínas, cada uma sendo produto de múltiplos genes e/ou variações gênicas, que podem transmitir-lhes diferenças no que diz respeito às propriedades de sinalizaçãoWettschureck N, Offermanns S (October 2005). "Mammalian G proteins and their cell type specific functions". Physiol. Rev. 85 (4): 1159–204.
Proteína Gs
A proteína Gs (estimulatória), que ativa a adenilatociclase – enzima intracelular aderida à membrana plasmática que catalisa a formação de 3’-5’ adenosina monofosfato cíclico (AMPc) a partir do trifosfato de adenosina (ATP) – está relacionada com o aumento da resposta celular. Assim, após a formação do complexo ligante/GPCR, a subunidade α da proteína Gs, que interage com o nucleotídeo guanílico, catalisa a troca de GDP por GTP, assumindo a forma ativa dessa isoforma. A porção α da proteína desloca-se então do dímero βγ e ativa a adenilatociclase, resultando no aumento substancial da concentração de AMPcFragoso MCBV. Manifestações endócrinas das mutações da proteína Gs alfa e do imprinting do gene GNAS1. ArqBrasEndocrinolMetab. 2002;46:372-80Oka Y, Saraiva LR, Kwan YY, Korshing SI. The fifth class of Gα proteins. ProcNatlAcadSci USA. 2009;106:1484-9. O aumento na concentração de AMPc intracelular (na ordem de 10 nM) culmina na ativação da proteína cinase dependente de AMPc (PKA). Essa enzima é composta por duas subunidades: uma reguladora (R), com alta afinidade pelo AMPc, e uma catalítica (C). Na ausência de AMPc, a subunidade C é inativada pela formação de um complexo tetramérico R2C2. A ligação do AMPc à subunidade R induz mudanças conformacionais que resultam na dissociação da enzima inibida e consequente ativação da PKA, que em seguida pode fosforilar diversas estruturas intracelulares, obtendo uma resposta específica ao estímulo agonistaSilva BV, Horta BAC, Alencastro RB, et al. Proteínas quinases: características estruturais e inibidores químicos. Quim Nova. 2009;32:453-62.
Proteína Gq
A proteína Gq está envolvida na ativação da enzima fosfolipase C, que assim como a adenilatociclase participa da formação de segundos mensageiros. Depois de ativada, ela degrada o fosfatidilinositol 4,5 bifosfato (PIP2), presente na membrana, em 1,4,5 trifosfato de inositol (IP3) e 1,2 diacilglicerol (DAG). Estes são os dois segundos mensageiros envolvidos nas respostas fisiológicas mediadas pela proteína GqNelson DL, Cox MM. Biossinalização. In: Simões AA, Lodi WRN [Coord.] Tradução. Lehninger Princípios deBioquímica, 4º Ed. São Paulo: Ed. Sarvier; 2006. p. 440-4. O IP3, dada sua estrutura hidrossolúvel, migra pelo citosol e se liga a receptores específicos de IP3 no retículo endoplasmático e mitocôndrias, promovendo a liberação do íon Ca+2 no citosol e aumentando a concentração desse íon de forma brusca até cerca de 10-6 M. O íon cálcio funciona como um terceiro mensageiro que desencadeia respostas intracelulares, como exocitose nos neurônios e nas células endócrinas, contração muscular e rearranjos do citoesqueleto durante os movimentos amebóidesRuggiero GM, Rosa MA, de Mello MF. Mecanismo de ação do lítio: o papel do fosfatidilinositol. InfantoRevNeuropsiq da Infância e Adolescência. 1994;2:34-41. O DAG fica associado à membrana plasmática devido à sua estrutura hidrofóbica, tendo a função de ativar a proteína cinase C (PKC), uma enzima ligada à membrana plasmática que promove a fosforilação de radicais em diversas proteínas intracelulares.
Proteína Gi
A proteína Gi (inibitória) inibe a atividade da enzima adenilato ciclase. Essa isoforma, relacionada com a diminuição da resposta celular, é responsável pela mediação dos efeitos inibitórios de receptores nessa viaEvora PRB, Nobre F. O Papel das G proteínas na fisiopatologia das doenças cardiovasculares. Arq. BrasCardiol.1999;72:209-19.
Transdução de sinal/AMPc