La composición, características y funciones principales de las vías de señalización mediadas por receptores acoplados a proteína G
Receptor acoplado a proteína G: Receptor acoplado a proteína G
Receptor de la superficie celular acoplado a una proteína G trimérica. Con siete dominios transmembrana, es la superfamilia de receptores más grande descubierta hasta ahora, con más de 1.000 miembros. Después de unirse al ligando, activa la proteína G acoplada, iniciando diferentes vías de transducción de señales y provocando diversos efectos biológicos.
El receptor acoplado a proteína G es un receptor con siete hélices transmembrana que en su estructura incluye siete segmentos transmembrana que, tras unirse al ligando, se acoplan al receptor. La sustancia del segundo mensajero aumenta o disminuye, lo que a su vez cambia los canales iónicos de la membrana, provocando cambios en el potencial de membrana. Su acción es más lenta que la de los receptores de canales iónicos, y la relación de acoplamiento entre este tipo de receptor y la proteína G también es bastante compleja; un receptor puede acoplarse con múltiples proteínas G y activar múltiples sistemas efectores; también puede usarse simultáneamente para acoplarse; varios receptores o varias proteínas G con un sistema efector permiten que la información de diferentes receptores se concentre en el mismo sistema efector.
Las vías de señalización relacionadas con los receptores acoplados a proteína G incluyen: sistema de adenilato ciclasa (sistema AC), sistema de fosfoinosítido, sistema de transmisión de señales fotoeléctricas retinianas y sistema de transducción de señales relacionadas con el olfato, sistema de óxido nítrico, etc.
La proteína reguladora de unión a GTP trimérica (proteína reguladora de unión a GTP trimérica), denominada proteína G, se encuentra en el lado citoplasmático de la membrana plasmática y consta de tres subunidades: α, β y γ. Subunidades α y γ Unidas a la membrana a través de la cola de la cadena de ácidos grasos unida de forma valencia, la proteína G desempeña el papel de un interruptor molecular en el proceso de transducción de señales. Cuando la subunidad α se une al GDP, está en estado desactivado. se une al GTP, está en estado activado. La subunidad α tiene actividad GTPasa y puede catalizar la hidrólisis del ATP unido y restaurar el estado del trímero inactivo. Su actividad GTPasa puede mejorarse mediante RGS (regulador de la señalización de la proteína G). RGS también pertenece a GAP (proteína activadora de GTPasa). Los receptores acoplados a proteína G son proteínas de siete transmembranas. El dominio extracelular del receptor reconoce y se une a moléculas de señalización extracelulares, y el dominio intracelular está acoplado a la proteína G. Al acoplarse con las proteínas G, regula la actividad de enzimas relacionadas y genera segundos mensajeros en las células, transmitiendo así señales extracelulares a través de la membrana hacia el interior de la célula. Los receptores acoplados a proteína G incluyen receptores para una variedad de neurotransmisores, hormonas peptídicas y quimiocinas. Los receptores que aceptan factores físicos y químicos exógenos en el gusto, la visión y el olfato también son receptores acoplados a proteína G.
Las vías de señalización celular mediadas por receptores acoplados a proteína G incluyen principalmente: vía de señalización de AMPc y vía de señalización de fosfatidilinositol.
(1) vía de señalización del AMPc
En la vía de señalización del AMPc, las señales extracelulares se unen a los receptores correspondientes para regular la actividad de la adenilil ciclasa, a través del segundo mensajero los niveles de AMPc cambian que convierten las señales extracelulares en señales intracelulares.
1. Componentes de la señal del AMPc
①. Receptor de hormona activadora (Rs) o receptor de hormona inhibidora (Ri).
②. ) o proteína reguladora inhibidora (Gi);
③. Adenilil ciclasa (Adenilil ciclasa): Es una glicoproteína con un peso molecular relativo de 150 KD y atraviesa la membrana 12 veces. En presencia de Mg2 o Mn2, la adenilil ciclasa cataliza el ATP para generar AMPc.
④.Proteína Quinasa A (PKA): Consta de dos subunidades catalíticas y dos subunidades reguladoras. En ausencia de AMPc, existe en forma de complejo de pasivación. El AMPc se une a la subunidad reguladora, cambia la conformación de la subunidad reguladora, disocia la subunidad reguladora y la subunidad catalítica y libera la subunidad catalítica. La subunidad catalítica de la proteína quinasa A activada puede fosforilar los residuos de serina o treonina de ciertas proteínas en las células, cambiando así la actividad de estas proteínas y afectando aún más la expresión de genes relacionados.
⑤. AMP fosfodiesterasa cíclica (cAMP fosfodiesterasa): Puede degradar el AMPc para generar 5’-AMP, que actúa como señal de terminación.
2. Modelo de regulación de Gs
Cuando las células no son estimuladas por hormonas, Gs está en un estado inactivo, la subunidad α se une al GDP y la adenilil ciclasa no tiene actividad en ese momento. Cuando el ligando hormonal se une a Rs, hace que la conformación de Rs cambie, exponiendo el sitio de unión de Gs, permitiendo que el complejo hormona-receptor se una a Gs, y cambia la conformación de la subunidad α de Gs, repeliendo así el GDP; y unión a GTP para activación, disociando la subunidad α y el complejo de bases βγ de la proteína Gs trimérica, y exponiendo el sitio de unión de la subunidad α y la adenilato ciclasa que une la subunidad α de GTP a la adenilato ciclasa. ATP en AMPc. A medida que se hidroliza el GTP, la subunidad α vuelve a su conformación original y conduce a la disociación de la adenilil ciclasa, terminando la activación de la adenilil ciclasa. La subunidad α se recombina con la subunidad βγ, devolviendo la célula a un estado de reposo.
El complejo de la subunidad βγ activada también puede activar directamente moléculas diana intracelulares y tiene la función de transmitir señales. Por ejemplo, cuando el receptor acoplado a la proteína G en los cardiomiocitos se estimula mediante la unión de acetilcolina, la subunidad βγ activada. El complejo puede abrir canales de K en la membrana plasmática y cambiar el potencial de membrana de los cardiomiocitos. Además, el complejo de la subunidad βγ también puede unirse a enzimas efectoras en la membrana y desempeñar un papel sinérgico o antagonista en la unión de la subunidad α al GTP.
La toxina del cólera puede catalizar la unión positiva del ADP ribosilo a la subunidad α de Gs, provocando que la subunidad α pierda actividad GTPasa. Como resultado, el GTP se une permanentemente a la subunidad α de Gs, provocando la unión positiva del ADP ribosilo a la subunidad α de Gs, provocando que la subunidad α pierda actividad GTPasa. La subunidad α está en un estado activado continuamente y la adenilil ciclasa está activada permanentemente. Esto conduce a la salida continua de Na intracelular y agua en pacientes con cólera, lo que provoca diarrea grave y deshidratación.
La cadena de reacción implicada en esta vía de señalización se puede expresar como:
Hormonas → Receptores acoplados a proteína G → Proteínas G → adenilil ciclasa → AMPc → Proteínas dependientes de AMPc Quinasa A→ proteína reguladora de genes → transcripción de genes.
Diferentes células responden a diferentes velocidades a la vía de señalización del AMPc. En las células musculares, el glucógeno se puede degradar a glucosa 1-fosfato en 1 segundo (Figura 8-18), mientras que se inhibe la síntesis de glucógeno. En algunas células secretoras, la PKA activada tarda varias horas en ingresar al núcleo, fosforilar las proteínas de unión a CRE y regular la expresión de genes relacionados. CRE (elemento de respuesta a AMPc) es una región reguladora del ADN.
3. Modelo de regulación de Gi
El efecto inhibidor de Gi sobre la adenilil ciclasa puede realizarse a través de dos vías: ① Unión a la adenilil ciclasa a través de la subunidad α, inhibe directamente la actividad de la enzima. ② bloquea la activación de la adenilil ciclasa por la subunidad α de Gs uniéndose a la subunidad α de Gs libres a través del complejo de la subunidad βγ.
La toxina pertussis cataliza la ribosilación de ADP de la subunidad α de Gi. Como resultado, el nivel de unión de GTP a la subunidad α de Gi se reduce, de modo que la subunidad α de Gi no puede activarse. bloqueando así el receptor Ri. El cuerpo inhibe la adenilil ciclasa, pero aún no es posible explicar que los síntomas de la tos ferina estén relacionados con este mecanismo de acción.
(2) Vía del fosfatidilinositol
En la vía de señalización del fosfatidilinositol, las moléculas de señalización extracelular se unen a los receptores acoplados a la proteína G en la superficie celular y activan la fosfolipasa C (PLC-β) de la membrana plasmática. ) hidroliza el bifosfato de 4,5-fosfatidilinositol (PIP2) en la membrana plasmática en trifosfato de 1,4,5-inositol (IP3) y diacilglicerol (DG). Un segundo mensajero convierte las señales extracelulares en señales intracelulares. "sistema de doble mensajería".
IP3 se une al canal de calcio dependiente del ligando IP3 en el retículo endoplásmico, abriendo el canal de calcio y aumentando la concentración de Ca2 intracelular. Activa varias proteínas dependientes de iones de calcio. El tratamiento de las células con el portador de Ca2 ionomicina produjo resultados similares.
La DG se une a la membrana plasmática y puede activar la proteína quinasa C (Protein Kinase C, PKC) unida a la membrana plasmática. La PKC se distribuye en el citosol en forma inactiva. Cuando las células se estimulan y producen IP3, lo que aumenta la concentración de Ca2, la PKC se traslada a la superficie interna de la membrana plasmática y la DG la activa y puede producir residuos de serina/treonina. de proteínas La fosforilación hace que diferentes células produzcan diferentes respuestas, como secreción celular, contracción muscular, proliferación y diferenciación celular, etc. El efecto de la DG puede simularse mediante éster de forbol.
El Ca2 activa varias proteínas de unión a Ca2 para provocar respuestas celulares. La calmodulina (CaM) está compuesta por una única cadena peptídica y tiene cuatro sitios de unión a iones de calcio. La unión de iones de calcio provoca cambios conformacionales que activan la quinasa dependiente de calmodulina (CaM-quinasa). La respuesta celular al Ca2 depende de los tipos de proteínas intracelulares que se unen al calcio y de las quinasas dependientes de calmodulina. Por ejemplo: la quinasa II dependiente de calmodulina es muy abundante en las sinapsis de las neuronas cerebrales de los mamíferos y está relacionada con la formación de la memoria. Los ratones con mutaciones puntuales en esta proteína exhiben una importante incompetencia de memoria.
La señal de IP3 finaliza mediante desfosforilación para formar IP2, o fosforilación para formar IP4. El Ca2 se bombea fuera de la célula mediante la bomba de Ca2 y el intercambiador Na-Ca2 en la membrana plasmática, o hacia el retículo endoplásmico mediante la bomba de calcio en la membrana del retículo endoplásmico.
La DG termina su función de mensajero de dos maneras: en primer lugar, la DG-quinasa la fosforila en ácido fosfatídico y entra en el ciclo del fosfatidilinositol; en segundo lugar, la DG esterasa la hidroliza en monoacilglicerol. Dado que el ciclo metabólico de la DG es muy corto, es imposible mantener la actividad de la PKC durante mucho tiempo y los cambios en el comportamiento de proliferación o diferenciación celular requieren los efectos de la actividad de la PKC a largo plazo. Se ha descubierto otra vía de producción de DG, es decir, DG producida por la escisión de fosfatidilcolina catalizada por fosfolipasa en la membrana plasmática, que se utiliza para mantener los efectos a largo plazo de la PKC.
3) Otros receptores acoplados a proteína G
1. Proteínas G en quimiorreceptores
Las moléculas de olor se unen a los receptores acoplados a proteína G en los quimiorreceptores, activando la adenilil ciclasa, produciendo AMPc y abriendo canales catiónicos activados por AMPc (canal catiónico activado por AMPc), provocando la entrada de sodio. iones, despolarización de la membrana, generación de impulsos nerviosos y, en última instancia, formación del sentido del olfato o del gusto.
2． Proteína G en los receptores visuales
La concentración de cGMP en los fotorreceptores de bastón (o conos) es alta en condiciones de oscuridad. El canal de iones de sodio activado por cGMP se abre y los iones de sodio ingresan, lo que provoca la despolarización de la membrana. a las neuronas secundarias.
La rodopsina (Rh) es una proteína 7-transmembrana que contiene un 11-cis-retiniano. Es un receptor acoplado a proteína G en el receptor visual. La luz cambia la conformación del Rh retiniano a trans, el Rh se descompone en retinal y opsina (opsina), y la opsina con conformación cambiada activa la proteína G (transducina, Gt), proteína G. Activa la fosfodiesterasa de cGMP para hidrolizar el cGMP en las células. Esto cierra los canales de sodio, lo que hace que las células se hiperpolaricen y produzcan visión. Se puede observar que la señal negativa de la disminución de los niveles intracelulares de cGMP desempeña un papel en la transmisión de la estimulación luminosa.
La respuesta de transducción de los receptores visuales se puede expresar como:
Señal luminosa → Activación de Rh → Activación de Gt → Activación de cGMP fosfodiesterasa → Reducción de cGMP intracelular → Cierre del canal iónico Na → Disminución de la concentración iónica → hiperpolarización de la membrana → disminución de la liberación de neurotransmisores → respuesta visual.
(4) Proteína G pequeña
La proteína G pequeña (Proteína G pequeña) se llama así porque su peso molecular es de solo 20 ~ 30 KD. También tiene actividad GTPasa y desempeña un papel en. una variedad de reacciones celulares. La primera proteína G pequeña descubierta fue Ras, que es el producto del gen ras [5]. Otros incluyen Rho, SEC4, YPT1, etc. La subunidad β de tubulina también es una proteína G pequeña.
La característica única de las proteínas G pequeñas es que cuando se combina con GTP, se convierte en una forma activada. En este momento, puede actuar sobre las moléculas posteriores para activarlas, y cuando el GTP se hidroliza en GDP (en sí mismo). enzima GTP) vuelve a su estado inactivo. Esto es similar a Gα, pero el peso molecular de la proteína G pequeña es significativamente menor que el de Gα.
Existen algunos factores reguladores de la proteína G pequeña en las células que controlan específicamente la actividad de las proteínas G pequeñas, y algunos pueden mejorar la actividad de las proteínas G pequeñas, como el factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) y la guanina. inhibidor de la disociación de nucleótidos (GDI), algunos de los cuales pueden reducir la actividad de pequeñas proteínas G, como la proteína activadora de GTPasa (GAP).