мини|200п|7TM α-heliksna struktura receptora spregnutog s G proteinom

Receptori spregnuti s G proteinom (-{GPCR}-), takođe poznati kao sedam-transmembranski domen receptori, 7TM receptori, heptaheliksni receptori, serpentinski receptori, i G protein-vezani receptori (-{GPLR}-), sačinjavaju veliku proteinsku familiju transmembranskih receptora koji reaguju na molekule izvan ćelije i aktiviraju unutrašnje puteve prenosa signala. Krajnji rezultat je ćelijski odgovor. Receptori spregnuti s G proteinom su prisutni samo kod eukariota, što obuhvata kvasac, hoanoflagelate, i životinje. Ligandi koji se vezuju i aktiviraju ove receptore su: na fotosenzitivna jedinjenja, mirisi, feromoni, hormoni, i neurotransmiteri. Oni variraju po veličini od malih molekula do peptida, i do velikih proteina. Receptori spregnuti s G proteinom imaju učešća u mnogim bolestima i stoga su biološka meta za preko 30% svih savremenih lekova. Nobelova nagrada za hemiju je 2012. dodeljenja Brajanu Kobilki i Robertu Lefkovicu za njihov rad koji je bio „presudan za razumevanje načina na koji receptori spregnuti s G proteinom funkcionišu“.

Postoje dva osnovna načina prenosa signala posredstvom receptora spregnutih s G proteinom: -{cAMP}- signalni put i fosfatidilinozitolni signalni put. Kad se ligand veže za -{GPCR}-, on izaziva konformacionu promenu receptora, što omogućava receptoru da deluje kao faktor razmene guanin nukleotida (-{GEF}-). Nakon vezivanja liganda, -{GPCR}- može da aktivira vezani G-protein putem zamene za njega vezanog -{GDP}--a sa -{GTP}--om. G proteinska α podjedinica, zajedno sa vezanim -{GTP}--om, se tada može disocirati od β i γ podjedinica i formirati interakcije sa intraćelijskim signalnim proteinima, ili direktno sa ciljnim funkcionalnim proteinima, zavisno od tipa α podjedinice (-{Gαs}-, -{Gαi/o}-, -{Gαq/11}-, -{Gα12/13}-).

Klasifikacija

мини|Klasifikaciona šema. Klasa A (Rodopsinu-slični), Klasa B (Sekretinu-slični), Klasa C (Glutamat Receptoru-slični), Drugi (Adhezioni (33), Uvojiti () (11), Ukus tip-2 (25), neklasifikovani (23)).

Precizna veličina -{GPCR}- superfamilije je nepoznata. Oko 800 različitih ljudskih gena (ili ≈4% celokupnog protein-kodirajućeg genoma) je bilo predviđeno iz genomske analize sekvence. Mada su brojne klasifikacione šeme bile predložene, ova superfamilija se klasično deli u tri glavne klase (A, B i C). Između ovih klasa nema značajne aminokiselinske homologije. Daleko najveća među njima je klasa A, koja sačinjava skoro 85% -{GPCR}- gena. Od receptora klase A, preko polovine je predviđeno da kodira olfaktorne receptore, dok su ligandi preostalih receptora poznata endogena jedinjenja, ili su klasifikovani kao orfan receptori. Uprkos odsustva aminokiselinske homologije između klasa, svi -{GPCR}- receptori imaju zajedničku strukturu i mehanizam prenosa signala.

-{GPCR}- receptori se mogu grupisati u šest klasa na osnovu aminokiselinske homologije i funkcionalne sličnosti:InterPro Klasa A (ili 1) (Rodopsinu-slični) Klasa B (ili 2) (Sekretinska receptorska familija) Klasa C (ili 3) (Metabotropni glutamat/feromon) Klasa D (ili 4) (Gljivični feromonski receptori) Klasa E (ili 5) (Ciklični AMP receptori) Klasa F (ili 6) (Uvojiti/Zaglađeni)

Velika rodopsin A grupa je podeljena u 19 podgrupa (A1-A19). Naknadno je jedan alternativni klasifikacioni sistem pod imenom -{GRAFS}- (Glutamat, Rodopsin, Adhezija, Uvojiti/Ukus, Sekretin) bio predložen.

Ljudski genom kodira skoro hiljadu G protein-spregnutih receptora, oko 350 od kojih detektuje hormone, faktore rasta, i druge endogene ligande. Približno 150 -{GPCR}- receptora ljudskog genoma nema poznatu funkciju.

Postoji više bioinformatičkih metoda za predviđanje -{GPCR}- funkcije, kao i za njihovu klasifikaciju na osnovu aminokiselinske sekvence. Neki od njih koriste pristup pseudo aminokiselinske kompozicije.

Fiziološke uloge -{GPCR}- receptori učestvuju u širokom varijetetu fizioloških procesa. Primeri tih fizioloških uloga su: čulo vida: opsini koriste reakciju fotoizomerizacije za translaciju elektromagnetske radijacije u ćelijske signale. Rodopsin, na primer, koristi konverziju 11-cis-retinala u sve-trans-retinal za tu svrhu čulo mirisa: receptori mirisnog epitela (mirisni receptori) vezuju odorante i feromone (vomeronazalni receptori) regulacija ponašanja i raspoloženja: receptori u mozgu sisara vezuju više različitih neurotransmitera, kao što su serotonin, dopamin, -{GABA}- i glutamat regulacija aktivnosti imunskog sistema i inflamacije: hemokinski receptori vezuju ligande koji posreduju intercelularnu komunikaciju između ćelija imunskog sistema; receptori poput histaminskog receptora vezuju inflamatorne posrednike i dejstvuju na ciljne ćelijske tipove inflamatornog odgovora prenos signala autonomnog nervnog sistema: simpatički i parasimpatički nervni sistemi su regulisani GPCR putevima, odgovornim za kontrolu mnogih automatskih funkcija tela kao što su krvni pritisak, srčani puls i procesi varenja indikacija ćelijske gustine: nova -{GPCR}- uloga u regulaciji ćelijske gustine.

Struktura receptora

-{GPCR}- receptori su integralni membranski proteini koji poseduju sedam trans-membranskih domena, ili transmembranskih heliksa. Ekstracelularni delovi receptora mogu biti glikozilirani. Te ekstracelularne petlje takođe sadrže dva visokokonzervirana cisteinska ostatka koji formiraju disulfidni most kojom se stabilizuje receptorska struktura. Neki od sedam-transmembranskih heliksnih proteina (kanalni rodopsin), koji podsećaju na -{GPCR}- receptore, mogu da sadrže jonske kanale, unutar svojih proteina.

Rani strukturni modeli -{GPCR}- receptora su bili bazirani na njihovoj slaboj analogiji sa bakteriorodopsinom, čija struktura je bila utvrđena putem elektronske difrakcije (, ) i Rendgenske strukturne analize (). 2000. godine, prva kristalna struktura -{GPCR}- receptora sisara, goveđeg rodopsina (), je bila rešena. Dok su glavne osobine, sedam transmembranskih heliksa, očuvane, relativna orijentacija heliksa je znatno različita od bakteriorodopsina. 2007. godine je prva struktura ljudskog -{GPCR}- receptora bila rešena: (, ). Tome je ubrzo sledila struktura visoke rezolucije istog receptora (). Za ljudsku -{GPCR}- strukturu β2-adrenergičkog receptora, se ispostavilo da je veoma slična goveđem rodopsinu u pogledu relativne orijentacije sedam-transmembranskih heliksa. Međutim konformacija druge ekstracelularne petlje je potpuno različita kod ove dve strukture. Pošto ta petlja sačinjava „poklopac“ koji pokriva vrh ligand vezujućeg mesta, ova konformaciona razlika je dobra ilustracija poteškoća u konstruisanju homolognih modela drugih -{GPCR}- receptora na osnovu strukture rodopsina.

Strukturno-funkcioni odnosi мини|Dvodimenzioni šematski prikaz generičnog GPCR receptor u lipidnom sloju. Kliknite sliku da biste uvećali rezoluciju i mogli da vidite detaljne lokacije važnih struktura.

Struktura -{GPCR}- receptora sadrži karakteristični ekstracelularni -{N}--terminus, čemu sledi sedam transmembranskih (7-TM) α-heliksa (TM-1 do TM-7) povezanih sa tri intracelularne (-{IL}--1 do -{IL}--3) i tri ekstracelularne petlje (-{EL}--1 to -{EL}--3), i konačno intracelularni -{C}--terminus. -{GPCR}- formira tercijarnu strukturu koja podseća na bure. Sedam transmembranskih heliksa formira šupljinu unutar ćelijske membrane koja služi kao ligand-vezujući domen, koji je često prekriven sa -{EL}--2. Ligandi takođe mogu da se vežu na drugim mestima, kao što je slučaj sa glomaznijim ligandima (npr., proteinima, ili velikim peptidima) koji interaguju sa ekstracelularnim petljama, ili, kao što je to ilustrovano kod klase C metabotropnih glutamatnih receptora (-{mGluR}-), sa -{N}--terminalnim domenom. -{GPCR}- receptori klase C se imaju pozamašan -{N}--terminalni rep sa dobro definisanom tercijarnom strukturom. On sadrži ligand-vezujući domen. Nakon vezivanja glutamata za -{mGluR}- receptor, -{N}--terminalni rep podleže konformacionoj promeni koja dovodi do njegove interakcije sa ostacima ekstracelularnih petlji i TM domenom. Krajnji efekat svih tipova agonist-indukovane aktivacije je promena relativne orijentacije TM heliksa (praćena uvijajućim kretanjem) To dovodi do povećanja intracelularne površine i otvaranja pristupa dodatnim aminokiselinskim ostacima TM domena koji su kritični za funkciju prenosa signala (npr. za interakciju sa G-proteom). Inverzni agonisti i antagonisti se mogu vezati na istom i nekoliko drugih mesta. Njihov efekat je sprečavanje stabilizacije TM heliksne orijentacije koja je podesna za prenos signala.

Struktura -{N}-- i -{C}--kraja -{GPCR}- receptora može imati druge važne funkcije, pored vezivanja liganda. Specifično, -{C}--terminus često sadrži serin (-{Ser}-) ili treonin (-{Thr}-) ostatke koji nakon fosforilacije, povećavaju afinitet intracelularne površine za vezivanje skeletalnih proteina, poznatih pod imenom β-arestini (-{β-arr}-). Jednom vezani, β-arestini sterno sprečavaju formiranje G-protein sprege, i mogu da regrutuju druge proteine što dovodi do stvaranja signalnih kompleksa koji učestvuju u aktivaciji -{ERK}- signalnog puta, ili receptorske endocitoze (internalizacije). Pošto se fosforilacija tih -{Ser}- i -{Thr}- ostataka često javlja usled -{GPCR}- aktivacije, -{β-arr}--posredovano G-protein-razdvajanje i internalizacija -{GPCR}- receptora su važni mehanizmi desenzitizacije.

Još jedan zajednički strukturni motiv -{GPCR}- receptora je palmitoilacija jednog ili više mesta -{C}--terminala ili intracelularnih petlji. Palmitoilacija je kovalentna modifikacija cisteinskih (-{Cys}-) ostataka putem adicije hidrofobnih acil grupa. Ona ima efekat usmeravanja receptora ka holesterolom i sfingolipidom bogatim mikrodomenima membrane plazme koji se nazivaju lipidni splavovi. Kako su mnogi nizvodni transduktorski i efektorski molekuli -{GPCR}- receptora (u šta se uvrštavaju i oni koji učestvuju u negativnim povratnim signalnim putevima) takođe usmereni ka lipidnim splavovima, neto efekat palmitoilacije je veoma brza receptorska signalizacija.

-{GPCR}- receptori odgovaraju na ekstracelularne signale koji su posredovani velikim brojem različitih agonista, od proteina do biogenih amina do protona. Svi oni prenose signal mehanizmom G-proteinske sprege. To je omogućeno prisustvom faktora razmene guanin-nukleotida (-{GEF}-), koji je domen formiran kombinacijom intracelularnih petlji IL-2, IL-3 i obližnjih aminokiselinskih ostataka TM heliksa.

Mehanizam мини|Ilustracija osnovnog koncepta -{GPCR}- konformacione aktivacije. Vezivanje liganda narušava jonsku sponu između -{E/DRY}- motiva na TM-3 i kiselih ostataka na TM-6. Kao posledica toga -{GPCR}- se reorganizuje čime se omogućava aktivacija G-alfa proteina. Poprečna perspektiva je pogled od gore, sa strane -{GPCR}- receptora kao što stoji u lipidnoj membrani (membrane je izostavljena). Intracelularna perspektiva pokazuje pogled na više iz ćelije. G protein-spregnuti receptor se aktivira spoljašnjim signalom u obliku liganda ili nekog drugog signalnog medijatora. To uzrokuje konformacionu promenu receptora, te dolazi do aktivacije G proteina. Dalji efekat zavisi od tipa G proteina.

Vezivanje liganda