Wie funktionieren G-Protein-gekoppelte Rezeptoren?

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) sind die vielfältigste Gruppe von Membranrezeptoren in Eukaryoten. Die Hauptfunktion von GPCRs ist es, Lichtenergie oder Nährstoffe außerhalb der Zelle zu erkennen und Signalübertragungswege innerhalb der Zelle zu aktivieren. Letztendlich lösen GPCRs zelluläre Antworten aus. Die Agonisten (Chemikalien, die an einen Rezeptor binden, um durch Aktivierung des Rezeptors eine zelluläre Antwort zu erzeugen), die an den GPCR binden, können ein Hormon, ein Neurotransmitter oder ein äußerer Reiz wie ein Geruch oder ein Pheromon sein. Beim Binden eines Agonisten aktiviert der GPCR das assoziierte G-Protein für die Initiierung eines bestimmten zellulären Mechanismus.

Wichtige Bereiche

1. Was ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor?
     - Definition, Struktur, Rolle
2. Wie funktionieren G-Protein-gekoppelte Rezeptoren?
     - Mechanismus der Aktivierung von G-Protein

Schlüsselbegriffe: Effektorenzym, G-Protein, BIP (Guanosindiphosphat), G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs), GTP (Guanosintriphosphat), Second Messenger

Was ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor?

Die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) sind die größte Klasse von Membranproteinen in Eukaryoten, die die meisten physiologischen Reaktionen von Hormonen, Neurotransmittern und Umgebungsstimulanzien vermitteln. Sie sind auch für das Sehen, den Geruchssinn und den Geschmack verantwortlich. Ein Hauptmerkmal von GPCRs ist das Vorhandensein von sieben Membran-überspannende α-Helices die durch alternative intrazelluläre und extrazelluläre Schleifenregionen miteinander verbunden sind. Ein menschlicher GPCR ist in gezeigt Abbildung 1.

Abbildung 1: GPCR

Die Hauptaufgabe eines GPCR ist die Aktivierung eines heterotrimeren G-Proteins bei der Bindung eines Agonisten an den Rezeptor.

Wie funktionieren G-Protein-gekoppelte Rezeptoren?

GPCRs sind eine Art Rezeptoren, die sich auf der Zellmembran befinden. Wenn der Agonist an den GPCR bindet, findet eine Reihe von Reaktionen statt, um eine zelluläre Antwort auszulösen. Die Schritte zum Auslösen einer zellulären Antwort durch Aktivierung von GPCR werden nachstehend beschrieben.

1. Wenn der G-Protein-gekoppelte Rezeptor nicht an einen Agonisten gebunden ist, bleibt er inaktiv. Das G-Protein bleibt auch auf der Zellmembran inaktiv. Die drei Untereinheiten des G-Proteins sind Gsα, Gβ und Gγ. Der inaktive Zustand des G-Proteins enthält ein an die Gsα-Domäne gebundenes GDP.
2. Beim Binden eines Liganden / Agonisten wie Hormonen oder Neurotransmittern unterliegt der GPCR einer Konformationsänderung, wodurch seine GEF-Domäne aktiviert wird. Die Änderung der Konformation im GPCR ermöglicht die Bindung von G-Protein an die GEF-Domäne. Das BIP des G-Proteins wird durch die Wirkung der GEF-Domäne durch ein GTP ersetzt, wodurch das G-Protein aktiviert wird. Die GEF-Domäne aktiviert monomere GTPase, um GDP von einem GTP zu ersetzen.
3. Nach der Aktivierung dissoziiert die Gsα-Domäne vom GPCR-G-Proteinkomplex und bindet an das Effektorenzym auf der Zellmembran, um es zu aktivieren. Das aktivierte Effektorenzym kann Adenylylcyclase, Phospholipase C usw. sein. Es erzeugt zweite Botenstoffe wie cAMP, Inosit 1,4,5-Triphosphat, 1,2-Diacylglycerol usw. Diese zweiten Botenstoffe aktivieren verschiedene Arten von Proteinen im Cytosol eine bestimmte zelluläre Antwort erzeugen. Second Messenger sind die initiierenden Komponenten der intrazellulären Signaltransduktionskaskaden, die einen bestimmten zellulären Mechanismus aktivieren.
4. Die Hydrolyse von GTP zu GDP in der Gsα-Domäne dissoziiert vom Effektorenzym und deaktiviert das Enzym.

Der Wirkungsmechanismus des GPCR ist in dargestellt Figur 2.

Abbildung 2: GPCR-Wirkmechanismus

Fazit

Der G-Protein-gekoppelte Rezeptor ist der am häufigsten vorkommende Rezeptortyp auf der Zellmembran von Eukaryoten. Es vermittelt Zellfunktionen bei der Aktivierung durch die Bindung von Agonisten wie Hormonen, Neurotransmittern oder äußeren Reizen. Die Aktivierung von GPCR führt zur Aktivierung von G-Protein auf der Zellmembran. Das aktivierte G-Protein bindet an ein Effektorenzym auf der Zellmembran, um zweite Botenstoffe zu generieren, die Zellreaktionen im Zytosol auslösen.

Referenz:

1. "GPCR". Nature News, Nature Publishing Group, hier verfügbar.

Bildhöflichkeit:

1. "Beta-2-adrenerger Rezeptor" von Opabinia regalis - Eigene Arbeit (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia
2. "G-Protein" von Tpirojsi - Eigene Arbeit (Public Domain) über Commons Wikimedia