VL 4 Gimpl: GPCRs Flashcards
Wie sind GPCRs aufgebaut?
- 7 TMD, C-Terminus im Cytosol, N-Terminus im Extrazellulären Raum
- extrazelluläre Loops e1-e3 und intrazelluläre Loops: i1-13
- S-S-Brücke zwischen e1 und e2
- DRY-Motiv in TM3-i2
- N-Glykoslyierung
- Palmitoylierung von Cys am C-Terminus
Was macht das DRY-Motiv im GPCR im inaktiven und im aktiven Zustand?
- “ionic lock” im inaktiven Zustand Arg.3.50 bindet an Glu 6.30> Rezeptor ist blockiert
- Bindung des Liganden bewriktt Rotation der TM5 und TM6.
-> DRY Motiv bricht und Bindungsstelle für G𝛼 wird frei. GPCR wirkt dann als GEF für G𝛼.
GPCRs werden in 5 Familien klassifiziert.
Was ist die größte Klasse?
Rhodopsin-Familie (701)
Welche anderen 4 GPCR Familien neben der Rhodopsin-Familie gibt es noch?
- Secretin-Familie (15)
- metabotrope Glutamat-Rezeptoren (22)
- Frizzled/Taste -Familie (11)
- Adhesion (33)
Aus welchen Zellen besteht die Retina?
-> Wie viele jeweils?
-> Farb-oder Schwarz/Weiß-Sehen?
In der Retina befinden sich Stäbchenzellen (ca. 120 Mio, fürs Schwarz/weiß sehen) und Zapfenzellen (ca. 6 Mio, fürs Farbsehen).
Rhodopsin spielt im Sehprozess eine zentrale Rolle und befindet sich in Stäbchen-Photorezeptorzellen,( in den Discs).
Welche Rolle spielt Rhodopsin bei der Glutamat Freisetzung aus der Synapse der Sinneszelle?
-> Beschreibe die Signalkaskade von Rhodopsin.
- Bei absoluter Dunkelheit fließt ein Dunkelstrom in der Stäbchenzelle, der zur Glutamat-Sekretion führt.
- Diese wird unterbrochen wenn Licht den Rhodopsin-Rezeptor aktiviert und der seine Konformation ändert.
- Aktives Rhodopsin ist ein GEF für Transducin, einem G Alpha-Protein.
- Tranducin aktiviert eine Phosphodiesterase, diese spaltet cGMP zu GMP.
- Durch die Spaltung von cGMP schließt sich der Natrium Kanal und es kommt zur Hyperpolarisation.
Retinal absorbiert Licht bei 500 nm und aktiviert den Rhodopsin Rezeptor. 11-cis-Retinal liegt als Schiffsche Base protoniert gebunden an Opsin in Rhodopsin vor.
Wie funktioniert der erste Schritt im Mechanismus ?
- Bei Absorption von einem Photon ändert es seine Konformation zu all-trans Retinal und wird dabei deprotoniert.
- Durch die Konformationsänderung des 11-cis-Retinals ändert sich die Rhodopsins-Konformation: (TM-Domäne 6 wird verschoben).
- Regeneration: Protonierung des all-trans-Retinals mit H+ aus Cytosol. Abdiffundieren des Trans- Isomers, neues 11-cis-Retinal bindet an Opsin.
Die Ballesteros-Weinstein-Nomenklatur wird zu Benenung von Aminosäuren genutzt und ermöglicht Sequenzvergleiche innerhalb von GPCRs.
Welchen Regeln folgt sie?
Beispiel: TM1Asn55(1.50)
- Die erste Zahl gibt die Transmembrandomäne an.
- Die zweite Zahl gibt Auskunft über die Position relativ zu dem am meisten konservierten Rest der Helix, die Nummer 50.
Beta2-adrenerge Rezeptoren sind Vertreter der Rhodopsin-Familie und dienen als Modell vieler GPCRs.
Welche gemeinsamen Merkmale haben sie?
- Palmitoylierung des Cysteins am C-terminus
- Disulfid-Brücke zwischen e1 und e2 Loop
- DRY-Motiv (ähnlich dem ERY Motif beim Rhodopsin): Arg3.50 bildet eine Salzbrücke mit Glu 6.30, welche den inaktiven Zustand des Rezeptors stabilisiert (ionic lock). Das muss bei AKtivierung aufgebrochen werden.
- NPxxY Motiv in TM7: H-Brückennetzwerk
Was macht ein GEF?
An dem G alpha Protein wird GDP mit GTP getauscht.
Was sind Odoronat-Rezeptoren?
- größte Gruppe der GPCRs (ca. 1000 Gene) für den Geruchssinn
- jeder Geruchsrezeptor kann von einer Vielzahl ähnlicher Gerüche (Liganden) aktiviert werden
- Liganden binden mehr als an einem Rezeptortypen
- Geruchsstoffe binden mit sehr niedrigen Affinitäten (meistens 1mM bis 100µM)
Was passiert nach Aktivierung der Odorant-Rezeptoren? (Signalkaskade)
- Heterotrimeres G-Protein wird aktiviert.
- G alpha aktiviert die Adenylatcyclase.
- Aus ATP wird cAMP, welches viele Funktionen hat:
Welche Funktionen kann cAMP haben bei der Aktivierung von Odoorant-Rezeptoren?
- Aktivierung der Proteinkinase A Einfluss auf Gen Transkripion.
- cAMP bindet an CNGC (cyclic nucleotide gated channel), dieser öffnet sich und Na+ und Ca2+ strömen in die Zelle. ->Depolarisation.
- Es kommt zu einer weiteren Depolarisation da der CaCC (Ca2+ dependent chloride channel) sich öffnet und Cl- aus der Zelle strömt.
- cAMP leitet ein Signal weiter zur Nervenzelle.
PAR-Rezeptoren gehören zur Rhodopsin-Familie und spielen u.a. eine wichtige Rolle bei der Blutdruckregulation, der Thrombozytenaggregation und bei Entzündungsprozessen.
Wofür steht PAR?
Wie werden sie aktiviert?
Welche Protease inaktiviert den Rezeptor?
Protease-aktivierte Rezeptoren
- Werden durch Serinproteasen (v.a. Thrombin oder Trypsin) aktiviert:
-> Proteolyse am Aminoterminus des Rezeptors. Das abgespaltene Fragment wird abgebaut.
-> Der neue Aminoterminus ist ein “tethered” Ligand: Ein festgehaltener Ligand, der Konformationsänderung des PAR-Rezeptors durchführt und G-Proteine aktivert. - Cathepsin Inaktiviert PAR,. Es schneidet außerhalb der Region schneidet und der Ligand wird abgebaut.
Glucagon Rezeptor
Zu welcher Klasse GPCRs gehört der Glucagon- Rezeptor?
Mit welchem G-Protein ist er gekoppelt und wie vermittelt er seine Wirkung?
Klasse B GPCR, Gs gekoppelt
- Aktivierung der Adenylatzyklase -> cAMP-Konzentration steigt -> Aktivierung der Proteinkinase A
- Vermehrte Lipolyse: Phosphorylierung von Perilipin (Oberflächenprotein auf Adipozyten) und Aktivierung der Hormon Sensitiven Lipase (HSL)
- Steigerung der Gluconeogenese: Aktivierung der Fructose-2,6-bisphosphatase führt zu weniger Fructose-2,6-bisphosphat
(Fructose-2,6-bisphosphat ist Aktivator der Phosphofructokinase-1in der Glykolyse) - Phophorylierung der Glykogenphosphorylase: Abbau von Glykogen zu Glukose-1-phosphat
Ein hervorstechendes Merkmal der Klasse C GPCRs ist das Vorhandensein einer Ligandbindedomäne vom Typ “Venusfliegenfalle.”
Wie sind diese Rezeptoren aufgebaut?
- Rezeptoren liegen als Homo-und Heterodimere vor.
- Eine Domäne (=VFTM Venus flytrap module) besteht aus zwei Halbschalen, die durch eine Scharnierregion miteinander verbunden sind. Die Ligandbindungsstelle liegt in der Schnittstelle.
- Es gibt zwei Konformationen: Offen (ohne Ligand) und geschlossen (mit Ligand)
- VFTM ist über Cysteinreiche Domäne mit Transmembrandomänen verbunden.
Metabotroper Glutamat Rezeptor (mGluR)
Der mGLuR kommt wie der ionotrope Glutamatrezeptor in der postsynaptischen Region von Neuronen vor. Er vermittelt über Calcium oder Aktivierung der PKC metabolische Effekte.
Wie wird er aktiviert?
- Glutamat bindet
- Venusfliegenfallen-Modul schließt. Im Vergleich zum inaktiven Zustand ist der Abstand des N-Terminus zu den TM-Domänen kleiner geworden.
- Der Rezptor verfügt über eine cytosolische Domäne mit Homer1-Motiv. Das Homer-Adapterprotein kann dort binden und somit Signalkomplexe rekrutieren.
- Nach Aktivierung zerfällt das heterotrimere G-Protein, die beta-gamma Untereinheit wird abgespalten.
- Beide Komponenten können Signale weiterleiten und z.B. Die PLC aktivieren.
Frizzled Rezeptoren stehen am Anfang des WNT-Signalwegs.
Was sind Kontrollmechanismen des Wnt-Wegs?
- Der Aminoterminus des Frizzled-Rezeptors besitzt eine Cysteinreiche Domäne, die die Andockstelle des Wnt-Liganden (etwa 40kDA großes Protein,lipid-modifiziert) ist.
- Zur Aktivierung ist ein weiterer Rezeptor notwendig: Der Corezeptor LRP.
- Kontrolle durch E3-Ligase (mit Ringfingerdomänen), die Ubiquitin bindet oder E2-Ubiquitin-Thioester. Die E3 Ligase baut den Frizzled-Rezeptor ab um die Aktivität des Signalwegs zu reduzieren.
- Die E3 Ligase wird durch z.B. den Liganden RSPO aktiviert.
Ein anderer GPCR Rezeptor, LGR5, bindet an anderer Seite des gebunden Linganden und wird deshalb von E3 internalisiert und in Lysosomen abgebaut. (Der gesamte Komplex mit E3). Durch den Wegfall von E3 ist Frizzled-Rezeptor stabilisiert.
Das Level von Beta Catenin wird durch den Wnt Pathway geregelt.
Wie läuft der Wnt-Pathway ab?
a) In Abwesenheit von Wnt:
- Phosphorylierung von beta-Catenin durch GSK3.
- Dadurch kann beta-Catenin ubiquitinyliert und vom Proteasom abgebaut werden.
b) In Anwesenheit von Wnt:
- Aktivierung des Frizzled Rezeptors und dadurch von DSH (Dishevelled)
- DSH verhindert die Phosphorylierung und den Abbau von Beta-Catenin
G-Protein-Zyklus:
Im inaktiven Zustand ist die G-Gamma (einfach) und die G-Alpha Untereinheit (zweifach) des G-Proteins membrangebunden. Die Beta- und Gamma Untereinheit sind fest miteinander verknüpft.
Was passiert mit dem G-Protein, nachdem ein Agonist an einem GPCR bindet?
- Durch die Bindung des Liganden wird der Rezeptor aktiviert und es findet eine Konformationsänderung des Rezeptors statt, wodurch der heterotrimere G-Protein-Komplex über die G alpha Einheit mit dem Rezeptor verbunden ist.
- Es kommt zum Nukleotid-Austausch: GDP dissoziiert ab und GTP (viel höhere Konzentration in der Zelle) wird eingebaut.
- Der G-Protein-Komplex zerfällt: Die G-Alpha Untereinheit ist an einen Effektor, wie z.B. der Adenylatcyclase (bei Gs) gebunden. Die Beta-Gamma-Untereinheit kann z.B. an Ionenkanäle binden und sie öffnen.
- Regenerationsphase: GTP wird hydrolysiert -G Alpha hat eine intrinsische GTPase Aktivität und wird wieder zu GDP. Der heterotrimere G-Proteinkomplex bildet sich.
Die G Alpha Untereinheit wird hinsichtlich ihrer Funktion in 4 Unterfamilien eingeteilt: Gs , Gi/0, Gq/11 und G12/13.
Welche Funktion hat dabei jeweils die G Alpha Untereinheit?
Alle Signalwege der GPCRs können bis zur Transkriptionsebene führen. Beschreibe kurz, ausgehend von der G Alpha Untereinheit, die Signalkaskade, die zur Transkriptionsebene führt.
Gs: Stimulierende Funktion der Adenylatcyclase.
Gi/0: Inhibitorische Wirkung auf die Adenylatcyclase (G0 kommt im Gehirn vor und ist eine spezielle Form von Gi).
Gq/11: Leitet Signale auf Lipide weiter (Phospholipase), IP3 und DAG.
G12/13: Wirkt auf das Cytoskelett und Aktin bindende Proteine.
Welche Effektoren besitzt die jeweilige G-Protein Untereinheit?
Zeichne die Rezeptoraktivierung von GPCRs in der Draufsicht.
