G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) sind die vielfältigste Gruppe von Membranrezeptoren in Eukaryoten. Die Hauptfunktion von GPCRs besteht darin, Lichtenergie oder Nährstoffe außerhalb der Zelle zu erkennen und Signalübertragungswege innerhalb der Zelle zu aktivieren. Letztendlich lösen GPCRs zelluläre Reaktionen aus. Die Agonisten (Chemikalien, die an einen Rezeptor binden, um durch Aktivierung des Rezeptors eine zelluläre Reaktion hervorzurufen), die an den GPCR binden, können ein Hormon, ein Neurotransmitter oder ein externer Stimulus wie ein Geruch oder ein Pheromon sein. Nach Bindung eines Agonisten aktiviert der GPCR das zugehörige G-Protein zur Initiierung eines bestimmten zellulären Mechanismus.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

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

Schlüsselbegriffe: Effektorenzym, G-Protein, GDP (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 Umweltstimulanzien vermitteln. Sie sind auch für das Sehen, den Geruchs- und Geschmackssinn verantwortlich. Eines der Hauptmerkmale von GPCRs ist das Vorhandensein von sieben membranüberspannende α-Helices die durch alternative intrazelluläre und extrazelluläre Schleifenregionen miteinander verbunden sind. Ein menschlicher GPCR ist in 1 gezeigt.

Abbildung 1: GPCR

Die Hauptaufgabe eines GPCR besteht darin, ein heterotrimeres G-Protein nach der Bindung eines Agonisten an den Rezeptor zu aktivieren.

Wie funktionieren G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

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

1. Wenn der G-Protein-gekoppelte Rezeptor nicht an einen Agonisten gebunden ist, bleibt er inaktiv. Auch auf der Zellmembran bleibt das G-Protein 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. Bei Bindung eines Liganden/Agonisten wie Hormonen oder Neurotransmittern durchläuft der GPCR eine Konformationsänderung, wodurch seine GEF-Domäne aktiviert wird. Die Änderung der Konformation im GPCR ermöglicht die Bindung von G-Protein an die GEF-Domäne. Das GDP des G-Proteins wird durch die Wirkung der GEF-Domäne durch ein GTP ersetzt, wodurch das G-Protein aktiviert wird. Die GEF-Domäne aktiviert die monomere GTPase, um GDP von einer GTP zu ersetzen.
3. Bei 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 Second Messenger wie cAMP, Inositol 1, 4, 5-Triphosphat, 1,2-Diacylglycerin usw. Diese sekundären Botenstoffe aktivieren verschiedene Arten von Proteinen im Zytosol um eine bestimmte zelluläre Antwort zu 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, wodurch das Enzym deaktiviert wird.

Der Wirkmechanismus des GPCR ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: GPCR-Wirkungsmechanismus

Abschluss

Der G-Protein-gekoppelte Rezeptor ist der am häufigsten vorkommende Rezeptortyp auf der Zellmembran von Eukaryoten. Es vermittelt zelluläre Funktionen bei Aktivierung durch die Bindung von Agonisten wie Hormonen, Neurotransmittern oder externen Stimuli. 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 Second Messenger zu erzeugen, die zelluläre Reaktionen im Zytosol auslösen.

Referenz:

1. „GPCR“. Nature News, Nature Publishing Group, hier verfügbar.

Bild mit freundlicher Genehmigung:

1. „Beta-2-adrenerge-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