I neurotrasmettitori agiscono su due famiglie distinte:
• recettori canale
• recettori associati alle proteine G
I recettori accoppiati alle proteine G sono una classe eterogenea di trasmettitori.
GPCR funzioni :
• Vista: le opsonine usano la fotoisomerizzazione del retinale per tradurre l'energia elettromagnetica in segnali cellulari. La rodopsina ad esempio usa la conversione dell'I-cis-retinale al trans-retinale
• Olfatto: recettori dell'epitelio olfattivo legano gli odori (recettori olfattori e ferormoni, recettori vomeronasali)
• Regolazione del comportamento e dell'umore: recettori centrali per serotonina e dopamina
• Trasmissione del sistema nervoso autonomo: simpatico e parasimpatico usano recettori GPCR
Regolazione del sistema immunitario e dell'infiammazione
Un tipo di proteina su 30 ha a che fare con recettori accoppiati alle proteine G, sono target della maggioranza dei farmaci, tra quelli più venduti (40-50% del mercato).
Esempi:
• Olanzapina: antagonista dopaminergico (disturbi bipolari e schizofrenia)
• Desloratadina: H1 antagonista (anti allergico)
• Ranitidina: H2 antagonista (trattamento e prevenzione ulcere)
• Tageserod: 5HT4 agonista
Il recettore è costituito da una singola catena amminoacidica con 7 attraversamenti transmembrana, termina con un dominio C-terminale intracellulare, l'N-terminale è extracellulare. I domini attraversando la membrana si avvicinano, la vicinanza è fondamentale per poter trasdurre il segnale all'interno della cellula. Questi domini non attraversano lo strato fosfolipidico perpendicolarmente, ma hanno delle inclinazioni, in base all'inclinazione si ha una diversa risposta.
Classi di GPCRs: classe I (rodopsina) e classe II.
Classe I: Rhodopsin-like:
• pigmento visivo: rodopsina espresso sui bastoncelli
• recettori per neurotrasmettitori (muscarinici, dopaminergici)
• recettori per peptidi
• recettori per ormoni
• recettori attivati da proteasi
Nella seconda ansa intracellulare sono presenti 3 amminoacidi che definiscono un dominio importante. Esiste una quarta ansa che ha delle importanti funzioni soprattutto per quanto riguarda l'internalizzazione del recettore quando serve.
Classe II: glucagon-like:
• calcitonina
• secretina
• corticotropin realising factor CRF
• glucagone
• parathyroid hormone PTH
• PACAP
Classi III: mGlu-like:
• GABA
• metabotropic glumate mGlu
Interazioni tra GPCR e ligandi:
• ligandi di piccole dimensioni
• ligandi peptidici
• glutammato e trombina
Quando non si ha il legame con un ligando l'inclinazione dei domini è più spostata verso l'interno della cellula, è in uno stato di chiusura della superficie intracellulare. Quando arriva un ligando si formano dei legami non covalenti, che determinano un cambiamento conformazionale che fa in modo che la faccia extracellulare del recettore si restringa e che quella intracellulare si allarghi. Quando il ligando è di dimensioni maggiori, ad esempio un peptide o un glicopeptide, si lavora più in superficie, ma la modalità di cambiamento di conformazione della proteina G è simile. Quando abbiamo la trombina il legame provoca un cambiamento conformazionale.
Modifiche post-traduzionali.
Classe I:
• palmitolazione, modifica sui residui di cisteina con gruppi acilici idrofobici utili all'interazione con le aree di membrana ricche in colesterolo e sfingolipidi (lipid raft o caveole)
• determina la creazione di un quarto loop intracellulare (recettori rhodopsin-like)
• fondamentale nel processo di internalizzazione (desensitizzazione)
• contribuisce all'attivazione di chinasi intracellulari (es. ERK nel recettore per l'endotelina)
Classi I, II e III:
• glicosilazione che contribuisce alla stabilità, affinità per il ligando e signaling
• fosforilazione di solito su residui di serina e tirosina, che modula l'interazione con le proteine G, l'internalizzazione del recettore e il cross-talk tra recettori, cioè una comunicazione trasversale tra recettori di tipo diverso
Dimerizzazione: i recettori funzionano anche sotto forma di dimeri, non solo come monomeri, agiscono sia come omodimeri che eterodimeri:
• domini di assemblaggio
• dimeri di GABAbb R1/R2
• dimeri di rodopsina
• dimeri di recettori olfattivi
• cross-talk di recettori chimerici
Attraverso la dimerizzazione si può riattivare un recettore.
Es.: il recettore della somatostatina è SSTR5, se a questo recettore manca il carbossiterminale il complesso non è in grado di interagire con la proteina G, in questo caso si lega al recettore difettoso per la somatostatina un effettore D2, in questo modo viene ripristinato il segnale della SS.
Struttura GPCR e funzione.
Ci sono degli aminoacidi sul versante extracellulare che mediano il legame con il ligando, poi sul 3, 5, 6 e 7 dominio abbiamo degli amminoacidi sul versante intracellulare che interagiscono con la proteina. Sulla coda C-terminale verso la fine abbiamo le sequenze consenso. Il ligando consente l'interazione con le proteine G perché l'interazione del ligando con il recettore fa sì che alcuni dei domini transmembrana si accostino tra di loro e modifichino la loro inclinazione. Quando il ligando è presente avviene un'associazione tra il terzo dominio, 5, 6 e 7 dominio la seconda e la terza ansa intracellulare interagiscono con le subunità alfa della proteina e il C-terminale con il dimero beta-gamma. L'azione dell'agonista è quella di allineare i domini. Quando arriva il ligando si forma il sito di interazione tra la subunità alfa della proteina G e il ligando stesso. La proteina G è un complesso eterotrimerico formato da una subunità alfa, beta e gamma; quando il ligando si lega l'alfa si stacca dal dimero beta-gamma, la subunità alfa interagisce con il ligando, il dimero beta-gamma con il C terminale. Sia la subunità alfa che beta-gamma hanno degli effettori, l'interazione finisce grazie a uno stimolo dato dalla subunità alfa stessa, una volta inattivata si riforma il trimero. Essendo una proteina G la subunità alfa è in grado di legare a se sia il GTP che il GDP. In assenza di stimolazione la subunità alfa è occupata dal GDP ed è nella sua forma inattiva, quando arriva il ligando i cambiamenti conformazione fanno sì che avvenga l'interazione, questa interazione cambia l'affinità della subunità alfa per il GDP e aumenta quella per il GTP, il quale rimpiazza il GDP, assume quindi la sua conformazione attiva.
La subunità alfa è dotata di una attività GTPasica intrinseca, quindi idrolizza il GTP a GDP e ritorni della sua forma inattiva, l'interazione con il recettore cessa e si riassocia il trimero. La velocità con la quale la subunità alfa passa dalla forma attiva a quella inattiva può essere modificata dalla cellula mediante delle proteine intrinseche che favoriscono lo scambio di GDP con GTP, esistono poi delle proteine che agiscono sulla fase dello spegnimento, sono sempre proteine citosoliche, possono inibire l'attività idrolasica della subunità oppure possono stimolarla e ridurre il tempo di azione. Esistono diverse subunità alfa che interagiscono con effettori diversi, es. adenilato ciclasi, canali del potassio, fosfolipasi C, canali del calcio, guanilato ciclasi, fosfolipasi D, etc.
Effettori della subunità alfa:
• adenilato ciclasi
• fosfolipasi
• guanilato ciclasi
• canali ionici del potassio e del calcio
• fosfodiesterasi
• sfingomielinasi
• NOS