G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind die größte Familie von Zelloberflächenrezeptoren und übertragen Signale einer Vielzahl von Reizen, darunter Hormone, Neurotransmitter, Licht und Geruchsstoffe. Sie sind durch ihre Sieben-Transmembrandomänen-Struktur und ihre Kopplung an heterotrimere G-Proteine gekennzeichnet.

GPCR-Struktur

Alle GPCRs teilen eine gemeinsame Architektur von sieben alpha-helikalen Transmembrandomänen, die durch drei extrazelluläre und drei intrazelluläre Schleifen verbunden sind. Der N-Terminus ist extrazellulär und oft glykosyliert, während der C-Terminus intrazellulär ist und Phosphorylierungsstellen enthält, die für die Regulation wichtig sind. Die Ligandenbindungstasche variiert zwischen den Rezeptorklassen: kleine Liganden wie Katecholamine binden im Transmembrankern, während größere Peptidhormone an die extrazellulären Schleifen und den N-Terminus binden.

GPCRs werden basierend auf Sequenzhomologie in mehrere Familien eingeteilt. Klasse-A-Rhodopsin-ähnliche Rezeptoren sind die größte Gruppe und umfassen adrenerge, Dopamin-, Serotonin- und Opioidrezeptoren. Klasse-B-Sekretin-ähnliche Rezeptoren binden Peptidhormone. Klasse-C-metabotrope Glutamatrezeptoren haben eine große extrazelluläre Venusfliegenfallen-Domäne, an die Glutamat bindet.

G-Protein-Aktivierungszyklus

Heterotrimere G-Proteine bestehen aus Alpha-, Beta- und Gamma-Untereinheiten. Im inaktiven Zustand bindet die Alpha-Untereinheit GDP, und die drei Untereinheiten bilden einen stabilen Komplex. Der ligandenaktivierte GPCR wirkt als Guanimnukleotid-Austauschfaktor, der die Freisetzung von GDP und die Bindung von GTP fördert. Die GTP-gebundene Alpha-Untereinheit dissoziiert vom Beta-Gamma-Komplex, und beide Komponenten können nachgeschaltete Effektoren regulieren.

Das Signal wird beendet, wenn die Alpha-Untereinheit GTP durch ihre intrinsische GTPase-Aktivität zu GDP hydrolysiert, was eine Wiederassoziation mit dem Beta-Gamma-Komplex ermöglicht. Regulatoren der G-Protein-Signalisierung beschleunigen die GTP-Hydrolyse und bieten eine zusätzliche Regulationsebene. Die GTPase-Aktivität der Alpha-Untereinheit ist der Ausschalter der GPCR-Signalisierung.

G-Protein-Subtypen

Die Alpha-Untereinheiten werden basierend auf Sequenzähnlichkeit und Effektorregulation in vier Familien eingeteilt. G-alpha-s stimuliert die Adenylatcyclase und erhöht den cAMP-Spiegel. Es vermittelt die Wirkungen vieler Hormone, einschließlich Adrenalin über beta-adrenerge Rezeptoren, Glucagon und ACTH. G-alpha-i hemmt die Adenylatcyclase und senkt cAMP. Es vermittelt die Wirkungen von alpha-2-adrenergen Rezeptoren, muskarinischen M2-Rezeptoren und Opioidrezeptoren. G-alpha-q aktiviert die Phospholipase C-beta, die Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat in Inositoltrisphosphat und Diacylglycerin spaltet. G-alpha-12/13 reguliert Rho-GTPasen, die an der Zytoskelett-Reorganisation und Zellmigration beteiligt sind.

Der cAMP-Weg

Der kanonische Effektor von G-alpha-s ist die Adenylatcyclase, die ATP in den sekundären Botenstoff cyclisches AMP umwandelt. cAMP aktiviert die Proteinkinase A, ein Tetramer aus zwei regulatorischen und zwei katalytischen Untereinheiten. Die cAMP-Bindung an die regulatorischen Untereinheiten setzt aktive katalytische Untereinheiten frei, die Serin- und Threoninreste an Zielproteinen phosphorylieren. PKA phosphoryliert Stoffwechselenzyme wie die Glycogenphosphorylase-Kinase, Transkriptionsfaktoren wie CREB und Ionenkanäle. Das cAMP-Signal wird durch Phosphodiesterasen beendet, die cAMP zu AMP hydrolysieren.

Der Phospholipase-C-Weg

G-alpha-q aktiviert die Phospholipase C-beta, die Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat hydrolysiert, um Inositoltrisphosphat und Diacylglycerin zu produzieren. IP3 diffundiert zum endoplasmatischen Retikulum und bindet an IP3-Rezeptoren auf der ER-Membran, was die Freisetzung von Calciumionen ins Cytoplasma verursacht. Der resultierende Calciumanstieg aktiviert calciumbindende Proteine wie Calmodulin, das wiederum CaM-Kinasen und andere Effektoren aktiviert. Diacylglycerin verbleibt in der Membran und aktiviert zusammen mit Calcium die Proteinkinase C. PKC phosphoryliert Serin- und Threoninreste an verschiedenen Zielproteinen, die an Zellwachstum, Differenzierung und Sekretion beteiligt sind.

GPCR-Desensitivierung

Längere Agonistenexposition führt zur Rezeptordesensitivierung. G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinasen phosphorylieren den intrazellulären C-Terminus aktivierter GPCRs. Beta-Arrestin bindet dann an den phosphorylierten Rezeptor, verhindert weitere G-Protein-Kopplung und leitet die Internalisierung des Rezeptors über Clathrin-beschichtete Gruben ein. Internaliserte Rezeptoren können dephosphoryliert und zur Membran recycelt oder abgebaut werden. Beta-Arrestin bildet auch Gerüste für Signalkomplexe und aktiviert alternative Wege wie die MAP-Kinase-Signalisierung unabhängig von G-Proteinen. Dieses voreingenommene Signaling wird für die Arzneimittelentwicklung genutzt.