Proteína G

Fosducina- transducina beta-gamma complexo. As subunidades beta e gama de proteína G são mostradas por azul e vermelho, respectivamente.

Difosfato de Guanosina

Trifosfato de Guanosina

proteínas G, também conhecidas como proteínas de ligação ao nucleotídeo guanina, são uma família de proteínas que atuam como interruptores moleculares dentro das células e estão envolvidas na transmissão de sinais de um variedade de estímulos de fora de uma célula para o seu interior. Sua atividade é regulada por fatores que controlam sua capacidade de se ligar e hidrolisar trifosfato de guanosina (GTP) em difosfato de guanosina (GDP). Quando estão vinculados ao GTP, estão 'on', e, quando estão vinculados ao PIB, estão 'off'. As proteínas G pertencem ao grupo maior de enzimas chamadas GTPases.

Existem duas classes de proteínas G. A primeira funciona como pequenas GTPases monoméricas (pequenas proteínas G), enquanto a segunda funciona como complexos de proteínas G heterotriméricas. A última classe de complexos é composta pelas subunidades alfa (α), beta (β) e gama (γ). Além disso, as subunidades beta e gama podem formar um complexo dimérico estável conhecido como complexo beta-gama. .

As proteínas G heterotriméricas localizadas dentro da célula são ativadas por receptores acoplados à proteína G (GPCRs) que atravessam a membrana celular. Moléculas sinalizadoras se ligam a um domínio do GPCR localizado fora da célula, e um domínio GPCR intracelular, por sua vez, ativa uma proteína G específica. Alguns GPCRs de estado ativo também demonstraram ser "pré-acoplados" com proteínas G, enquanto em outros casos acredita-se que ocorra um mecanismo de acoplamento de colisão. A proteína G desencadeia uma cascata de outros eventos de sinalização que finalmente resulta em uma mudança na função celular. Receptores acoplados à proteína G e proteínas G trabalhando juntos transmitem sinais de muitos hormônios, neurotransmissores e outros fatores de sinalização. As proteínas G regulam enzimas metabólicas, canais iônicos, proteínas transportadoras e outras partes da maquinaria celular, controlando a transcrição, motilidade, contratilidade e secreção, que por sua vez regulam diversas funções sistêmicas, como desenvolvimento embrionário, aprendizado, memória e homeostase.

História

As proteínas G foram descobertas em 1980, quando Alfred G. Gilman e Martin Rodbell investigaram a estimulação das células pela adrenalina. Eles descobriram que quando a adrenalina se liga a um receptor, o receptor não estimula as enzimas (dentro da célula) diretamente. Em vez disso, o receptor estimula uma proteína G, que então estimula uma enzima. Um exemplo é a adenilato ciclase, que produz o segundo mensageiro AMP cíclico. Por essa descoberta, eles ganharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1994.

Prêmios Nobel foram concedidos por muitos aspectos da sinalização por proteínas G e GPCRs. Estes incluem antagonistas de receptores, neurotransmissores, recaptação de neurotransmissores, receptores acoplados à proteína G, proteínas G, segundos mensageiros, as enzimas que desencadeiam a fosforilação de proteínas em resposta ao AMPc e consequentes processos metabólicos, como a glicogenólise.

Os exemplos proeminentes incluem (em ordem cronológica de premiação):

• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1947 a Carl Cori, Gerty Cori e Bernardo Houssay, por sua descoberta de como o glicogênio é dividido para a glicose e ressynthesized no corpo, para uso como uma loja e fonte de energia. A glicogenólise é estimulada por vários hormônios e neurotransmissores, incluindo adrenalina.
• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1970 a Julius Axelrod, Bernard Katz e Ulf von Euler por seu trabalho na liberação e retomada de neurotransmissores.
• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1971 a Earl Sutherland por descobrir o papel-chave da ciclase adenilato, que produz o segundo AMP cíclico mensageiro.
• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1988 para George H. Hitchings, Sir James Black e Gertrude Elion "para suas descobertas de princípios importantes para o tratamento de drogas" visando GPCRs.
• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1992 para Edwin G. Krebs e Edmond H. Fischer por descrever como a fosforilação reversível funciona como um interruptor para ativar as proteínas e regular vários processos celulares, incluindo glicogenólise.
• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 1994 a Alfred G. Gilman e Martin Rodbell por sua descoberta de "G-proteínas e o papel dessas proteínas na transdução de sinal em células".
• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2000 a Eric Kandel, Arvid Carlsson e Paul Greengard, para pesquisas sobre neurotransmissores como a dopamina, que atuam via GPCRs.
• O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2004 para Richard Axel e Linda B. Buck por seu trabalho em receptores olfativos coupled proteína G.
• O Prêmio Nobel de Química de 2012 para Brian Kobilka e Robert Lefkowitz por seu trabalho na função GPCR.

Função

As proteínas G são importantes moléculas transdutoras de sinal nas células. O mau funcionamento das vias de sinalização do GPCR [G Protein-Coupled Receptor] está envolvido em muitas doenças, como diabetes, cegueira, alergias, depressão, defeitos cardiovasculares e certas formas de câncer. Estima-se que cerca de 30% das drogas modernas' alvos celulares são GPCRs." O genoma humano codifica cerca de 800 receptores acoplados à proteína G, que detectam fótons de luz, hormônios, fatores de crescimento, drogas e outros ligantes endógenos. Aproximadamente 150 dos GPCRs encontrados no genoma humano ainda possuem funções desconhecidas.

Enquanto as proteínas G são ativadas por receptores acoplados à proteína G, elas são inativadas pelas proteínas RGS (para "Regulador da sinalização da proteína G"). Os receptores estimulam a ligação do GTP (ativando a proteína G). As proteínas RGS estimulam a hidrólise de GTP (criando GDP, desligando assim a proteína G).

Diversidade

Relação de seqüência entre os 18 humanos G_α proteínas.

Todos os eucariotos usam proteínas G para sinalização e desenvolveram uma grande diversidade de proteínas G. Por exemplo, os humanos codificam 18 proteínas G_α diferentes, 5 proteínas G_β e 12 proteínas G_γ.

Sinalização

A proteína G pode se referir a duas famílias distintas de proteínas. Proteínas G heterotriméricas, algumas vezes chamadas de proteínas "grandes" As proteínas G são ativadas por receptores acoplados à proteína G e são compostas pelas subunidades alfa (α), beta (β) e gama (γ). "Pequeno" As proteínas G (20-25kDa) pertencem à superfamília Ras de pequenas GTPases. Essas proteínas são homólogas à subunidade alfa (α) encontrada nos heterotrímeros, mas na verdade são monoméricas, consistindo em apenas uma única unidade. No entanto, como seus parentes maiores, eles também ligam GTP e GDP e estão envolvidos na transdução de sinal.

Heterotrimérico

Diferentes tipos de proteínas G heterotriméricas compartilham um mecanismo comum. Eles são ativados em resposta a uma mudança conformacional no GPCR, trocando GDP por GTP e dissociando-se para ativar outras proteínas em uma determinada via de transdução de sinal. Os mecanismos específicos, no entanto, diferem entre os tipos de proteínas.

Mecanismo

Ciclo de ativação de G-proteínas (rosa) por um receptor G-proteína-coupled (GPCR, azul claro) recebendo um ligante (vermelho). Ligação ligante a GPCRs (2) induz uma mudança de conformação que facilita o intercâmbio de PIB para GTP na subunidade α do complexo heterotrimérico (3-4). Ambos GTP-bound Gα na forma ativa e o dimer Gβγ liberado pode então ir para estimular um número de efetores a jusante (5). Quando o GTP em Gα é hidrolisado para o PIB (6) o receptor original é restaurado (1).

As proteínas G ativadas por receptores estão ligadas à superfície interna da membrana celular. Eles consistem nas subunidades G_α e G_βγ fortemente associadas. Existem muitas classes de subunidades G_α: G_sα (G estimulatório), G_iα (G inibitório), G _oα (G outro), G_q/11α e G_12/13α são alguns exemplos. Eles se comportam de maneira diferente no reconhecimento da molécula efetora, mas compartilham um mecanismo de ativação semelhante.

Ativação

Quando um ligante ativa o receptor acoplado à proteína G, ele induz uma mudança conformacional no receptor que permite que o receptor funcione como um fator de troca de nucleotídeos de guanina (GEF) que troca GDP por GTP. O GTP (ou GDP) está ligado à subunidade G_α na visão tradicional da ativação do GPCR heterotrimérico. Essa troca desencadeia a dissociação da subunidade G_α (que está ligada ao GTP) do dímero G_βγ e do receptor como um todo. Entretanto, modelos que sugerem rearranjo molecular, reorganização e pré-complexação de moléculas efetoras começam a ser aceitos. Ambos G_α-GTP e G_βγ podem então ativar diferentes cascas de sinalização (ou vias de segundos mensageiros) e efetores proteínas, enquanto o receptor é capaz de ativar a próxima proteína G.

Rescisão

A subunidade G_α acabará por hidrolisar o GTP anexado ao GDP por sua atividade enzimática inerente, permitindo que ele se reassociasse com G_βγ e iniciando um novo ciclo. Um grupo de proteínas denominadas reguladoras da sinalização da proteína G (RGSs), atuam como proteínas ativadoras de GTPase (GAPs), são específicas para as subunidades G_α. Essas proteínas aceleram a hidrólise de GTP a GDP, encerrando assim o sinal transduzido. Em alguns casos, o efetor próprio pode possuir atividade GAP intrínseca, que pode ajudar a desativar a via. Isso é verdade no caso da fosfolipase C-beta, que possui atividade GAP em sua região C-terminal. Esta é uma forma alternativa de regulação para a subunidade G_α. Tais G_α GAPs não possuem resíduos catalíticos (sequências de aminoácidos específicas) para ativar a proteína G_α. Em vez disso, eles trabalham diminuindo a energia de ativação necessária para que a reação ocorra.

Mecanismos específicos

Gαs

Gαs ativa a via dependente de cAMP estimulando a produção de AMP cíclico (cAMP) a partir de ATP. Isso é conseguido pela estimulação direta da enzima adenilato ciclase associada à membrana. O cAMP pode então atuar como um segundo mensageiro que passa a interagir e ativar a proteína quinase A (PKA). A PKA pode fosforilar uma miríade de alvos downstream.

A via dependente de cAMP é usada como uma via de transdução de sinal para muitos hormônios, incluindo:

• ADH – Promove a retenção de água pelos rins (criado pelas células neurosecretárias magnocelulares da hipófise posterior)
• GHRH – Estimula a síntese e liberação de GH (células somatotrópicas da pituitária anterior)
• GHIH – Inibi a síntese e liberação de GH (células somatotrópicas da pituitária anterior)
• CRH – Estimula a síntese e liberação de ACTH (anterior pituitary)
• ACTH – Estimula a síntese e liberação de cortisol (zona fasciculata do córtex adrenal nas glândulas supra-renais)
• TSH – Estimula a síntese e liberação de uma maioria de T4 (dlândula de tiróide)
• LH – Estimula maturação folicular e ovulação em mulheres; ou produção de testosterona e espermatogênese em homens
• FSH – Estimula o desenvolvimento folicular em mulheres; ou espermatogênese em homens
• PTH – Aumenta os níveis de cálcio no sangue. Isto é realizado através do receptor da hormona paratireóide 1 (PTH1) nos rins e ossos, ou através do receptor da hormona paratireóide 2 (PTH2) no sistema nervoso central e no cérebro, bem como os ossos e rins.
• Calcitonina – Diminui os níveis de cálcio no sangue (através do receptor de calcitonina nos intestinos, ossos, rins e cérebro)
• Glucagon – Estimula a degradação do glicogênio no fígado
• hCG – Promove a diferenciação celular, e está potencialmente envolvido na apoptose.
• Epinefrina – lançado pela medulla adrenal durante o estado de jejum, quando o corpo está sob abaca metabólica. Estimula a glicogenólise, além das ações do glucagono.

Gαi

Gαi inibe a produção de cAMP a partir de ATP. por exemplo. somatostatina, prostaglandinas

Gαq/11

Gαq/11 estimula a fosfolipase C beta ligada à membrana, que então cliva PIP₂ (um fosfoinositol de membrana menor) em dois segundos mensageiros, IP3 e diacilglicerol (DAG). A via dependente de fosfolipídeos de inositol é usada como uma via de transdução de sinal para muitos hormônios, incluindo:

• ADH (Vasopressina/AVP) – Induz a síntese e liberação de glucocorticóides (Zona fasciculata de córtex adrenal); Induz vasoconstrição (V1 Células de pituitária pós-erior)
• TRH – Induz a síntese e liberação de TSH (Anterior hipófise)
• TSH – Induz a síntese e liberação de uma pequena quantidade de T4 (Thyroid Gland)
• Angiotensin II – Induz a síntese e liberação de Aldosterona (zona glomerulosa do córtex adrenal no rim)
• GnRH – Induz a síntese e liberação de FSH e LH (Anterior Pituitary)

Gα12/13

• Gα12/13 estão envolvidos na sinalização Rho família GTPase (veja Rho família de GTPases). Isto é através da superfamília RhoGEF envolvendo o domínio RhoGEF das estruturas das proteínas). Estes estão envolvidos no controle da remodelação do cytoskeleton celular, e assim na regulação da migração celular.

Gβ

• O Gβγ complexos às vezes também têm funções ativas. Exemplos incluem acoplamento para e ativação G proteína-coupled interiormente-rectifying canais de potássio.

Pequenas GTPases

Pequenas GTPases, também conhecidas como pequenas proteínas G, ligam GTP e GDP da mesma forma e estão envolvidas na transdução de sinal. Essas proteínas são homólogas à subunidade alfa (α) encontrada em heterotrímeros, mas existem como monômeros. São proteínas pequenas (20 kDa a 25 kDa) que se ligam ao trifosfato de guanosina (GTP). Esta família de proteínas é homóloga às Ras GTPases e também é chamada de superfamília Ras GTPases.

Lipidação

Para se associar ao folheto interno da membrana plasmática, muitas proteínas G e pequenas GTPases são lipidadas, ou seja, modificadas covalentemente com extensões lipídicas. Podem ser miristoilados, palmitoilados ou prenilados.