Reseptor berpasangan G-protein (GPCR) mewakili keluarga reseptor permukaan sel terbesar dan paling penting secara terapeutik, yang memediasi efek sekitar 40% dari semua obat yang dipasarkan. Reseptor ini merespons beragam ligan termasuk neurotransmiter, hormon, kemokin, dan rangsangan sensorik. Memahami struktur GPCR dan jalur sinyal merupakan hal mendasar untuk memahami kerja obat di hampir semua bidang terapi mulai dari kedokteran kardiovaskular hingga psikiatri.
Struktur GPCR
GPCR memiliki arsitektur struktural umum yang ditandai dengan tujuh domain transmembran yang menjangkau membran sel sebanyak tujuh kali, membentuk tiga loop ekstraseluler dan tiga loop intraseluler. N-terminus ekstraseluler dan loop ekstraseluler biasanya berkontribusi pada pengikatan ligan, sedangkan terminal-C intraseluler dan loop intraseluler ketiga memediasi interaksi dengan protein G dan molekul pemberi sinyal lainnya. Meskipun strukturnya dilestarikan, GPCR menunjukkan keragaman yang luar biasa dalam sifat pengenalan ligan dan mekanisme pensinyalannya.
Ketika ligan berikatan dengan domain ekstraseluler GPCR, ligan tersebut menginduksi perubahan konformasi yang ditransmisikan melalui heliks transmembran ke permukaan intraseluler. Perubahan konformasi ini memungkinkan reseptor berinteraksi dan mengaktifkan protein G heterotrimerik yang terletak di permukaan bagian dalam membran sel. Kemampuan reseptor tunggal untuk mengaktifkan beberapa molekul protein G menciptakan amplifikasi sinyal, sehingga memungkinkan ligan dengan konsentrasi rendah sekalipun untuk menghasilkan respons seluler yang substansial. Setelah aktivasi, GPCR biasanya mengalami desensitisasi melalui fosforilasi oleh G-protein receptor kinases (GRKs) dan pengikatan protein penahan, yang memisahkan reseptor dari protein G dan dapat memulai jalur pensinyalan alternatif.
Subtipe G-Protein dan Sistem Efektor
Protein G heterotrimerik terdiri dari tiga subunit: alfa (α), beta (β), dan gamma (γ). Dalam keadaan tidak aktif, subunit α terikat pada guanosin difosfat (PDB). Setelah aktivasi reseptor, PDB ditukar dengan guanosin trifosfat (GTP), menyebabkan protein G berdisosiasi menjadi kompleks α-subunit-GTP dan βγ-dimer. Subunit α yang diaktifkan dan dimer βγ dapat mengatur molekul efektor, memulai kaskade sinyal hilir. Ada empat kelas utama subunit Gα, masing-masing menggabungkan reseptor ke sistem efektor berbeda: Gs, Gi, Gq, dan G12/13.
Gs (protein G stimulasi) mengaktifkan adenylyl cyclase, enzim yang mengubah ATP menjadi second messenger cyclic AMP (cAMP). Peningkatan kadar cAMP mengaktifkan protein kinase A (PKA), yang memfosforilasi berbagai protein intraseluler untuk menghasilkan respons seluler. Adrenoseptor beta adalah contoh klasik reseptor berpasangan Gs. Ketika norepinefrin atau epinefrin berikatan dengan adrenoseptor beta-1 di miosit jantung, aktivasi adenilil siklase yang dimediasi Gs meningkatkan cAMP, menyebabkan fosforilasi saluran kalsium dan protein kontraktil yang dimediasi oleh PKA, yang pada akhirnya meningkatkan detak jantung dan kontraktilitas.
Gi (inhibitory G-protein) menghambat adenylyl cyclase, mengurangi produksi cAMP, dan juga dapat mengatur saluran ion secara langsung. Reseptor opioid adalah reseptor berpasangan Gi yang memediasi analgesia, depresi pernapasan, dan euforia. Ketika morfin berikatan dengan reseptor mu-opioid, aktivasi Gi mengurangi aktivitas adenilil siklase, menutup saluran kalsium yang diberi gerbang tegangan, dan membuka saluran G-protein yang digabungkan ke dalam saluran kalium penyearah (GIRK). Efek-efek ini secara kolektif mengurangi rangsangan saraf dan pelepasan neurotransmitter, menghasilkan analgesia dengan menghambat jalur sinyal nyeri di sistem saraf pusat.
Gq mengaktifkan fosfolipase C-β (PLC-β), yang membelah membran fosfolipid fosfatidilinositol 4,5-bifosfat (PIP2) menjadi dua pesan kedua: inositol 1,4,5-trisfosfat (IP3) dan diacylgliserol (DAG). IP3 berikatan dengan reseptor di retikulum endoplasma, menyebabkan pelepasan ion kalsium yang disimpan ke dalam sitoplasma. DAG, yang tersisa di membran, mengaktifkan protein kinase C (PKC), yang memfosforilasi berbagai protein target. Adrenoseptor alfa-1, reseptor histamin H1, dan reseptor serotonin 5-HT2A adalah contoh reseptor berpasangan Gq yang memediasi beragam respons fisiologis termasuk kontraksi otot polos, sekresi kelenjar, dan eksitasi saraf.
Utusan Kedua dan Efek Hilir
Pembawa pesan kedua yang dihasilkan oleh aktivasi GPCR—cAMP, IP3, DAG, dan ion kalsium—berfungsi sebagai molekul pemberi sinyal intraseluler yang memperkuat dan menyebarkan sinyal yang dimulai oleh aktivasi reseptor. Molekul-molekul ini mengatur beragam proses seluler melalui aktivasi protein kinase, modulasi aktivitas saluran ion, dan regulasi ekspresi gen. Respon seluler spesifik bergantung pada tipe sel, protein G tertentu yang diaktifkan, dan komplemen molekul efektor serta faktor transkripsi yang diekspresikan oleh sel tersebut.
Pensinyalan GPCR tunduk pada regulasi umpan balik dan mekanisme desensitisasi ekstensif yang mencegah stimulasi berlebihan atau berkepanjangan. Setelah aktivasi, subunit Gα memiliki aktivitas GTPase intrinsik yang menghidrolisis GTP menjadi PDB, memungkinkan subunit tersebut berasosiasi kembali dengan dimer βγ dan kembali ke keadaan tidak aktif. Mekanisme pengaturan tambahan termasuk fosforilasi reseptor oleh GRK dan kinase teraktivasi pembawa pesan kedua, pengikatan penahan yang menyebabkan desensitisasi dan internalisasi, dan pengaturan konsentrasi pembawa pesan kedua oleh fosfodiesterase yang menurunkan cAMP dan cGMP. Proses regulasi ini memastikan bahwa sinyal GPCR dikontrol secara tepat baik secara temporal maupun spasial.
