Proteína G

Las proteínas G, también conocidas como proteínas de unión a nucleótidos de guanina, son una familia de proteínas que actúan como interruptores moleculares dentro de las células y participan en la transmisión de señales desde un variedad de estímulos del exterior de una célula a su interior. Su actividad está regulada por factores que controlan su capacidad para unirse e hidrolizar trifosfato de guanosina (GTP) a difosfato de guanosina (GDP). Cuando están vinculados al GTP, están 'encendidos' y, cuando están vinculados al PIB, están 'apagados'. Las proteínas G pertenecen al grupo más grande de enzimas llamadas GTPasas.

Hay dos clases de proteínas G. Las primeras funcionan como pequeñas GTPasas monoméricas (pequeñas proteínas G), mientras que las segundas funcionan como complejos de proteínas G heterotriméricas. La última clase de complejos está formada por subunidades alfa (α), beta (β) y gamma (γ). Además, las subunidades beta y gamma pueden formar un complejo dimérico estable denominado complejo beta-gamma. .

Las proteínas G heterotriméricas ubicadas dentro de la célula son activadas por receptores acoplados a proteína G (GPCR) que se extienden por la membrana celular. Las moléculas de señalización se unen a un dominio de GPCR ubicado fuera de la célula, y un dominio de GPCR intracelular luego, a su vez, activa una proteína G particular. También se ha demostrado que algunos GPCR en estado activo están "preacoplados" con proteínas G, mientras que en otros casos se cree que ocurre un mecanismo de acoplamiento por colisión. La proteína G activa una cascada de eventos de señalización adicionales que finalmente dan como resultado un cambio en la función celular. El receptor acoplado a proteína G y las proteínas G que trabajan juntas transmiten señales de muchas hormonas, neurotransmisores y otros factores de señalización. Las proteínas G regulan enzimas metabólicas, canales iónicos, proteínas transportadoras y otras partes de la maquinaria celular, controlando la transcripción, motilidad, contractilidad y secreción, que a su vez regulan diversas funciones sistémicas como el desarrollo embrionario, el aprendizaje y la memoria, y la homeostasis.

Historia

Las proteínas G se descubrieron en 1980 cuando Alfred G. Gilman y Martin Rodbell investigaron la estimulación de las células por la adrenalina. Descubrieron que cuando la adrenalina se une a un receptor, el receptor no estimula las enzimas (dentro de la célula) directamente. En cambio, el receptor estimula una proteína G, que luego estimula una enzima. Un ejemplo es la adenilato ciclasa, que produce el segundo mensajero AMP cíclico. Por este descubrimiento, ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1994.

Se han otorgado premios Nobel por muchos aspectos de la señalización por proteínas G y GPCR. Estos incluyen antagonistas de receptores, neurotransmisores, recaptación de neurotransmisores, receptores acoplados a proteínas G, proteínas G, segundos mensajeros, las enzimas que desencadenan la fosforilación de proteínas en respuesta al AMPc y los procesos metabólicos consiguientes, como la glucogenólisis.

Ejemplos destacados incluyen (en orden cronológico de adjudicación):

• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1947 a Carl Cori, Gerty Cori y Bernardo Houssay, por su descubrimiento de cómo el glucógeno se descompone a la glucosa y se resucita en el cuerpo, para su uso como una tienda y fuente de energía. La glucogenolisis es estimulada por numerosas hormonas y neurotransmisores incluyendo la adrenalina.
• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1970 a Julius Axelrod, Bernard Katz y Ulf von Euler por su trabajo en la liberación y recaptación de neurotransmisores.
• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1971 a Earl Sutherland por descubrir el papel clave del ciclosa adenilato, que produce el segundo AMP cíclico mensajero.
• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1988 a George H. Hitchings, Sir James Black y Gertrude Elion "por sus descubrimientos de principios importantes para el tratamiento de drogas" dirigidos a GPCRs.
• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1992 a Edwin G. Krebs y Edmond H. Fischer por describir cómo la fosforilación reversible funciona como un interruptor para activar proteínas, y para regular diversos procesos celulares, incluyendo glucogenolisis.
• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1994 a Alfred G. Gilman y Martin Rodbell por su descubrimiento de "proteínas G y el papel de estas proteínas en la transducción de señales en las células".
• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2000 a Eric Kandel, Arvid Carlsson y Paul Greengard, para la investigación sobre neurotransmisores como la dopamina, que actúan a través de GPCRs.
• El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 2004 a Richard Axel y Linda B. Buck por su trabajo en los receptores olfativos de proteína G.
• El Premio Nobel de Química 2012 a Brian Kobilka y Robert Lefkowitz por su trabajo en la función GPCR.

Función

Las proteínas G son importantes moléculas transductoras de señales en las células. El mal funcionamiento de las vías de señalización del GPCR [receptor acoplado a proteína G] está involucrado en muchas enfermedades, como diabetes, ceguera, alergias, depresión, defectos cardiovasculares y ciertas formas de cáncer. Se estima que alrededor del 30% de las drogas modernas' los objetivos celulares son GPCR." El genoma humano codifica aproximadamente 800 receptores acoplados a proteínas G, que detectan fotones de luz, hormonas, factores de crecimiento, fármacos y otros ligandos endógenos. Aproximadamente 150 de los GPCR encontrados en el genoma humano todavía tienen funciones desconocidas.

Mientras que las proteínas G son activadas por receptores acoplados a proteínas G, son inactivadas por proteínas RGS (para "Regulador de la señalización de proteínas G"). Los receptores estimulan la unión de GTP (activando la proteína G). Las proteínas RGS estimulan la hidrólisis de GTP (creando GDP, lo que apaga la proteína G).

Diversidad

Todos los eucariotas utilizan proteínas G para la señalización y han desarrollado una gran diversidad de proteínas G. Por ejemplo, los seres humanos codifican 18 proteínas G_α diferentes, 5 proteínas G_β y 12 proteínas G_γ.

Señalización

La proteína G puede referirse a dos familias distintas de proteínas. Las proteínas G heterotriméricas, a veces denominadas proteínas "grandes" Las proteínas G son activadas por receptores acoplados a proteínas G y están formadas por subunidades alfa (α), beta (β) y gamma (γ). "Pequeño" Las proteínas G (20-25kDa) pertenecen a la superfamilia Ras de pequeñas GTPasas. Estas proteínas son homólogas a la subunidad alfa (α) que se encuentra en los heterotrímeros, pero de hecho son monoméricas y consisten en una sola unidad. Sin embargo, al igual que sus parientes más grandes, también se unen a GTP y GDP y están involucrados en la transducción de señales.

Heterotrimérico

Diferentes tipos de proteínas G heterotriméricas comparten un mecanismo común. Se activan en respuesta a un cambio conformacional en el GPCR, intercambiando GDP por GTP y disociándose para activar otras proteínas en una vía particular de transducción de señales. Los mecanismos específicos, sin embargo, difieren entre los tipos de proteínas.

Mecanismo

Las proteínas G activadas por receptores se unen a la superficie interna de la membrana celular. Consisten en las subunidades G_α y G_βγ estrechamente asociadas. Hay muchas clases de subunidades G_α: G_sα (G estimulante), G_iα (G inhibidora), G _oα (G otro), G_q/11α y G_12/13α son algunos ejemplos. Se comportan de manera diferente en el reconocimiento de la molécula efectora, pero comparten un mecanismo de activación similar.

Activación

Cuando un ligando activa el receptor acoplado a proteína G, induce un cambio conformacional en el receptor que le permite funcionar como un factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) que intercambia GDP por GTP. El GTP (o GDP) está unido a la subunidad G_α en la visión tradicional de la activación de GPCR heterotrimérico. Este intercambio desencadena la disociación de la subunidad G_α (que está unida a GTP) del dímero G_βγ y del receptor en su conjunto. Sin embargo, los modelos que sugieren reordenamiento molecular, reorganización y precomplejamiento de moléculas efectoras están comenzando a ser aceptados. Tanto el G_α-GTP como el G_βγ pueden activar diferentes cascadas de señalización (o vías de segundos mensajeros) y efectores. proteínas, mientras que el receptor es capaz de activar la siguiente proteína G.

Terminación

La subunidad G_α eventualmente hidrolizará el GTP unido a GDP por su actividad enzimática inherente, lo que le permitirá volver a asociarse con G_βγ y comenzar un nuevo ciclo. Un grupo de proteínas denominadas Reguladoras de la señalización de proteínas G (RGS), que actúan como proteínas activadoras de GTPasa (GAP), son específicas de las subunidades G_α. Estas proteínas aceleran la hidrólisis de GTP a GDP, terminando así la señal transducida. En algunos casos, el efector en sí mismo puede poseer actividad GAP intrínseca, que luego puede ayudar a desactivar la vía. Esto es cierto en el caso de la fosfolipasa C-beta, que posee actividad GAP dentro de su región C-terminal. Esta es una forma alternativa de regulación para la subunidad G_α. Tales GAP G_α no tienen residuos catalíticos (secuencias de aminoácidos específicas) para activar la proteína G_α. En cambio, funcionan reduciendo la energía de activación requerida para que se produzca la reacción.

Mecanismos específicos

Gas

Gαs activa la vía dependiente de cAMP al estimular la producción de AMP cíclico (cAMP) a partir de ATP. Esto se logra mediante la estimulación directa de la enzima adenilato ciclasa asociada a la membrana. El AMPc puede entonces actuar como un segundo mensajero que interactúa con la proteína quinasa A (PKA) y la activa. La PKA puede fosforilar una miríada de objetivos aguas abajo.

La vía dependiente de AMPc se utiliza como vía de transducción de señales para muchas hormonas, entre ellas:

• ADH – Promueve la retención de agua por los riñones (creada por las células neurosecretarias magnocelulares de la pituitaria posterior)
• GHRH – Estimula la síntesis y liberación de GH (células somatotrópicas de la pituitaria anterior)
• GHIH – Inhibe la síntesis y liberación de GH (células somatotrópicas de la pituitaria anterior)
• CRH – Estimula la síntesis y liberación de ACTH (pituitaria exterior)
• ACTH – Estimula la síntesis y liberación del cortisol (zona fasciculata de la corteza suprarrenal en las glándulas suprarrenales)
• TSH – Estimula la síntesis y liberación de una mayoría de T4 (glándula tiroidea)
• LH – Estimula la maduración y ovulación folicular en mujeres; o la producción de testosterona y la espermatogénesis en hombres
• FSH – Estimula el desarrollo folicular en las mujeres; o la espermatogénesis en los hombres
• PTH – Aumenta los niveles de calcio en sangre. Esto se logra a través de la hormona paratiroidea 1 receptor (PTH1) en los riñones y los huesos, o a través de la hormona paratiroidea 2 receptor (PTH2) en el sistema nervioso central y el cerebro, así como los huesos y los riñones.
• Calcitonina – Disminuye los niveles de calcio en sangre (a través del receptor de calcitonina en los intestinos, huesos, riñones y cerebro)
• Glucagon – Estimula el colapso del glucógeno en el hígado
• hCG – Promueve la diferenciación celular, y está potencialmente involucrado en la apoptosis.
• Epinefrina – liberada por adrenal medulla durante el estado de ayuno, cuando el cuerpo está bajo coacción metabólica. Estimula la glucogenolisis, además de las acciones del glucago.

Gai

Gαi inhibe la producción de AMPc a partir de ATP. p.ej. somatostatina, prostaglandinas

Gαq/11

Gαq/11 estimula la fosfolipasa C beta unida a la membrana, que luego escinde el PIP₂ (un fosfoinositol menor de la membrana) en dos segundos mensajeros, IP3 y diacilglicerol (DAG). La vía dependiente de fosfolípidos de inositol se utiliza como vía de transducción de señales para muchas hormonas, entre ellas:

• ADH (Vasopressin/AVP) – Induce la síntesis y liberación de glucocorticoides (Zona fasciculata de corteza suprarrenal); Induce vasoconstriction (V1 Celdas de pituitaria Posterior)
• TRH – Induce la síntesis y liberación de TSH (glándula pituitaria posterior)
• TSH – Induce la síntesis y liberación de una pequeña cantidad de T4 (Tyroid Gland)
• Angiotensina II – Induce la síntesis y liberación de la aldosterona (zona glomerulosa de la corteza suprarrenal en el riñón)
• GnRH – Induce la síntesis y liberación de FSH y LH (Pituitaria Interna)

Gα12/13

• Gα12/13 están involucrados en la señalización de la familia Rho GTPase (ver familia Rho de GTPases). Esto es a través de la superfamilia RhoGEF que involucra el dominio RhoGEF de las estructuras de las proteínas. Estos están involucrados en el control de la remodelación de citoesqueleto celular, y así en la regulación de la migración celular.

Gβ

• El Gβγ complejos a veces también tienen funciones activas. Ejemplos incluyen el acoplamiento y la activación de los canales de potasio que contienen proteínas G.

Pequeñas GTPasas

Las GTPasas pequeñas, también conocidas como proteínas G pequeñas, se unen al GTP y al GDP del mismo modo, y están involucradas en la transducción de señales. Estas proteínas son homólogas a la subunidad alfa (α) que se encuentra en los heterotrímeros, pero existen como monómeros. Son proteínas pequeñas (20 kDa a 25 kDa) que se unen al trifosfato de guanosina (GTP). Esta familia de proteínas es homóloga a las GTPasas Ras y también se denomina GTPasas de la superfamilia Ras.

Lipidación

Para asociarse con la capa interna de la membrana plasmática, muchas proteínas G y pequeñas GTPasas se lipidan, es decir, se modifican covalentemente con extensiones de lípidos. Pueden ser miristoilados, palmitoilados o prenilados.