Los receptores acoplados a proteína G (GPCR, por sus siglas en inglés) representan la familia más grande y de mayor importancia terapéutica de receptores de superficie celular, y median los efectos de aproximadamente el 40 % de todos los fármacos comercializados. Estos receptores responden a una variedad notablemente diversa de ligandos que incluyen neurotransmisores, hormonas, quimiocinas y estímulos sensoriales. Comprender la estructura de GPCR y las vías de señalización es fundamental para comprender la acción de los fármacos en prácticamente todas las áreas terapéuticas, desde la medicina cardiovascular hasta la psiquiatría.
Estructura del GPCR
Los GPCR comparten una arquitectura estructural común caracterizada por siete dominios transmembrana que atraviesan la membrana celular siete veces, formando tres bucles extracelulares y tres bucles intracelulares. El extremo N extracelular y los bucles extracelulares normalmente contribuyen a la unión del ligando, mientras que el extremo C intracelular y el tercer bucle intracelular median las interacciones con proteínas G y otras moléculas de señalización. A pesar de esta estructura conservada, los GPCR exhiben una notable diversidad en sus propiedades de reconocimiento de ligandos y mecanismos de señalización.
Cuando un ligando se une al dominio extracelular de un GPCR, induce un cambio conformacional que se transmite a través de las hélices transmembrana a la superficie intracelular. Este cambio conformacional permite que el receptor interactúe y active proteínas G heterotriméricas ubicadas en la superficie interna de la membrana celular. La capacidad de un solo receptor para activar múltiples moléculas de proteína G crea una amplificación de la señal, lo que permite que incluso concentraciones bajas de ligando produzcan respuestas celulares sustanciales. Después de la activación, los GPCR generalmente se desensibilizan mediante la fosforilación por las quinasas del receptor de proteína G (GRK) y la unión de proteínas arrestina, que desacoplan el receptor de las proteínas G y pueden iniciar vías de señalización alternativas.
Subtipos de proteína G y sistemas efectores
Las proteínas G heterotriméricas constan de tres subunidades: alfa (α), beta (β) y gamma (γ). En estado inactivo, la subunidad α está unida al difosfato de guanosina (PIB). Tras la activación del receptor, el GDP se intercambia por trifosfato de guanosina (GTP), lo que hace que la proteína G se disocia en un complejo de subunidad α-GTP y un dímero βγ. Tanto la subunidad α activada como el dímero βγ pueden regular las moléculas efectoras, iniciando cascadas de señalización posteriores. Hay cuatro clases principales de subunidades Gα, cada una de las cuales acopla receptores a distintos sistemas efectores: Gs, Gi, Gq y G12/13.
Gs (proteína G estimulante) activa la adenilil ciclasa, una enzima que convierte el ATP en el segundo mensajero AMP cíclico (AMPc). Los niveles elevados de AMPc activan la proteína quinasa A (PKA), que fosforila varias proteínas intracelulares para producir respuestas celulares. Los beta-adrenoceptores son ejemplos clásicos de receptores acoplados a Gs. Cuando la norepinefrina o la epinefrina se unen a los adrenoceptores beta-1 en los miocitos cardíacos, la activación de la adenilil ciclasa mediada por Gs aumenta el AMPc, lo que lleva a la fosforilación de los canales de calcio y las proteínas contráctiles mediada por PKA, lo que en última instancia aumenta la frecuencia cardíaca y la contractilidad.
Gi (proteína G inhibidora) inhibe la adenilil ciclasa, lo que reduce la producción de AMPc y también puede regular directamente los canales iónicos. Los receptores opioides son receptores acoplados a Gi que median en la analgesia, la depresión respiratoria y la euforia. Cuando la morfina se une a los receptores opioides mu, la activación de Gi reduce la actividad de la adenilil ciclasa, cierra los canales de calcio dependientes de voltaje y abre los canales de potasio rectificadores internos (GIRK) acoplados a proteína G. Estos efectos reducen colectivamente la excitabilidad neuronal y la liberación de neurotransmisores, produciendo analgesia al inhibir las vías de señalización del dolor en el sistema nervioso central.
Gq activa la fosfolipasa C-β (PLC-β), que escinde el fosfolípido de membrana fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2) en dos segundos mensajeros: inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) y diacilglicerol (DAG). IP3 se une a receptores en el retículo endoplásmico, provocando la liberación de iones de calcio almacenados en el citoplasma. El DAG, que permanece en la membrana, activa la proteína quinasa C (PKC), que fosforila varias proteínas diana. Los receptores adrenérgicos alfa-1, los receptores H1 de histamina y los receptores 5-HT2A de serotonina son ejemplos de receptores acoplados a Gq que median diversas respuestas fisiológicas que incluyen la contracción del músculo liso, la secreción glandular y la excitación neuronal.
Segundos mensajeros y efectos posteriores
Los segundos mensajeros generados por la activación de GPCR (cAMP, IP3, DAG e iones de calcio) sirven como moléculas de señalización intracelular que amplifican y propagan la señal iniciada por la activación del receptor. Estas moléculas regulan una amplia gama de procesos celulares mediante la activación de proteínas quinasas, la modulación de la actividad de los canales iónicos y la regulación de la expresión genética. La respuesta celular específica depende del tipo de célula, de las proteínas G particulares activadas y del complemento de moléculas efectoras y factores de transcripción expresados por esa célula.
La señalización de GPCR está sujeta a amplios mecanismos de regulación de retroalimentación y de desensibilización que previenen la estimulación excesiva o prolongada. Después de la activación, las subunidades Gα poseen actividad GTPasa intrínseca que hidroliza el GTP a GDP, lo que permite que las subunidades se reasocian con los dímeros βγ y regresan al estado inactivo. Los mecanismos reguladores adicionales incluyen la fosforilación del receptor por GRK y quinasas activadas por segundos mensajeros, la unión de arrestina que conduce a desensibilización e internalización, y la regulación de las concentraciones de segundos mensajeros por fosfodiesterasas que degradan cAMP y cGMP. Estos procesos regulatorios aseguran que la señalización de GPCR se controle adecuadamente tanto temporal como espacialmente.
