G-Protein gekoppelte Rezeptoren Bedeutung, Funktionen, Liganden Prinzipielle Funktionsmechanismen Klassifizierung und Eigenschaften von G-Proteinen Desensitivierung Beispiele
G-Protein gekoppelte Rezeptoren Sehprozess (Rhodopsin) Sensorik Riechen und Schmecken (mehrere 100 verschiedene GPCR) Neuronale Prozesse 5-Hydroxytryptamin-Rezeptoren Dopamine-Rezeptoren Glutamate-Rezeptor Mucarinische Acetylcholin-Rezeptoren Steuerung Cardiovasculäre Prozesse Adrenerge Rezeptoren, Mucarinische Acetylcholin-Rezeptoren schnelle, spezifische Response geradlinige Signaltransduktion
GPCRs als drug targets
GPCRs als drug targets
Klassifizierung der GPCR
Ligandenbindung
Kristallstruktur eines GPCR: Rhodopsin
Signalpropagation durch die Membran Konformationsänderung durch Bindung des Liganden Agonisten und inverse Agonisten Konformationsänderung ist geschwindigkeitsbestimmend...weitere Einflüsse Homo- und Heterodimerisierung von GPCR Direkte Interaktion mit anderen Proteinen in der Membran Homer, A Kinase Anker Proteine (AKAP)
Ligandenbindung: Agonisten und Antagonisten
Konformationsänderung inaktiv aktiv
Wie wird Konformationsänderung ausgelöst?
Sequentielles 2-Zustandsmodell
G-Proteine Große α und β-untereinheiten (37-46 kda) Kleine γ-untereinheit (8kDa) α-untereinheit hat GTPase-Aktivität β und γ-untereinheiten fest assoziiert 20 Gene für α-untereinheit, 5 für β-untereinheit 12 für γ-untereinheit Theoretische >1000 Kombinationen möglich Spezifität ist durch α-einheit bestimmt, die Rolle von βγ-einheit komplex
Aufbau der G-Proteine
PTM: Membran-Verankerung
GPCR-G-Protein
Hamm
Aktivierung der heterotrimeren G-Proteine 0.01-0.05 GTP/s
Effektor-Aktivierung Transducin-GDP Transducin-GTP Schalter II/III vermittelt zum Effektor (AC, PDEγ) Interaktion mit βγ-untereinheit im Bereich Schalter I/II
Effektor-Aktivierung 1-5 GTP/s
Klassifizierung der heterotrimeren G-Proteine G s : Stimulierung von Adenylatcyclase (aktiviert durch Cholera-Toxin) G i : Inhibition von Adenylatcyclase, Ca 2+ -Kanäle (inhibiert durch Pertussis-Toxin) G q : aktiviert Phospholipase Cβ (IP 3, DAG) (von keinem Toxin inhibiert) G 12 : kleine G-Proteine
Klassifizierung der heterotrimeren G-Proteine G s α s α olf ubiquitär Nasales Epithelium β-adrenergischer Rezeptor Glucagon Rezeptor Olfaktorische Rezeptoren Adenylylcyclase (akt.) Ca 2+ -Kanäle (akt.) Adenylylcyclase (akt.) G i α i1,α i2,α i3 α oa α t1,transducin α g (gustducin) α z meist ubiquitär Gehirn Retina Geschmacksknospen Gehirn α2-adrenergischer Rezeptor Rhodopsin??? K + -Kanäle (akt) Ca 2+ -Kanäle (deakt.) cgmp-spezifische Phosphodiesterase (akt.) Adenylylcyclase (deakt.) Adenylylcyclase (deakt.) G q α q α 11,α 14,α 15,α 16 ubiquitär α1-adrenergischer Rezeptor PhospholipaseCβ (akt) G 12 α 12,α 13 ubiquitär GEF p115 (->Rho)
Funktionen der βγ-untereinheit Adenylatcyclase K + -Kanäle GRKs (GPCR-Kinasen) RGS (Regulatoren des G-Protein Signaling) Phospholipase Cβ Ca 2+ -Kanäle Phosducin PI3-Kinase γ
Regulatoren von GPCR-Signaling Phosducin GRK: GPCR-Kinasen, Desensitivierung RGS: Regulatoren des G-Protein Signaling (GAP-Funktion) Phosducin: blockiert Gβγ
Desensitivierung über β-arrestin Rezeptor-Phosphorylierung über GPCR-Kinase (GRK)
Phosphorylierung durch PKA Feedback von der Aktivierung der Adenylatcyclase Außerdem: AKAPs lokalisieren PKA nahe an GPCR
Neue Paradigmen der GPCR-Aktivierung Dimerisierung, Oligomerisierung Kreuz-Regulation Multiproteinkomplexe, Microdomänen/Rafts Effizienz Aktivierung von weiteren Signalwegen
Die zwei wichtigsten Signalwege
Übersicht über die Effektoren von Gα und Gβγ
Aktivierungs-Zyklus AC
Rhodopsin ist im Dunklen stabil und läßt sich in mg-mengen gewinnen Konstitutiver Ligand 11-cis Retinal dient als photochemisch aktiver Chromophor photolytische cis-trans-isomerisierung löst Signaltransduktion aus kovalente Bindung zwischen Retinal und Rhodopsin (Carbonlygruppe bildet Schiffsche Base mit Lysinrest)
Topologie von Rhodopsin
Kristallstruktur von Rhodopsin
Bindungstasche
Konformationsänderung
Signaltransduktion Extrem schnelle Signaltransduktion Rhodopsin rekrutiert G i -Protein Transducin α-untereinheit von Transducin aktiviert Phosphodiesterase Phosphodiesterase spaltet cgmp cgmp dissoziert von Na-Kanälen, die daraufhin geschlossen werden
Aktivierung von Rhodopsin in Stäbchen-Zellen
Signalamplifikation
Funktionszyklus
β-adrenerge Rezeptoren Zentrale Rolle für die cardiovaskuläre Performance Zwei verschiedene Rezeptoren, β1 und β2 71% Homologie und 54% Identität Beide wirken über Aktivierung der Adenylatcyclase (G s ) Desensitivierung über GRK, PDE und Phosphatasen
Topologie