G-Proteine Bağlı Reseptörler ve Sinyal Yolakları

G-proteine bağlı reseptörler oldukça büyük bir protein ailesini oluşturmaktadır. Örnek vermek gerekirse, insan genomu yaklaşık 800 adet GPCR ( G-protein coupled receptor = G-proteine bağlı receptör) kodlamaktadır. Bu reseptörlerin hepsi hücre zarında G-proteinine bağlı bulunur ve 7 TM ( Transmembrane = transmembran yani hücre zarını boydan boya geçen ) yapıya sahiptir.

Vücutta hormon aktivasyonu, hormon salınımı, kemotaksis, ekzositoz, hücre büyümesi ve farklılaşması vb. gibi önemli ve çeşitli rolleri olan GPCR'lar şu zamana kadar dizayn edilmiş ilaçların 1/3 'ü tarafından hedef alınmıştır. Burada ayrıca belirtilmelidir ki ilaç dizaynı sırasında en çok zorlanılan adım membrandan ayrıldığı zaman yapısı bozulan GPCR'ları izole etmektir.

GPCR'ların en bilinen örneklerinden biri görmemizde büyük rol oynayan -yukarıdaki resimde yapısı gösterilen- rodopsin proteinidir.

Yukarıda sürekli olarak bahsedilen ve GPCR'lara bağlı bulunan G-protein aslında heterotrimerik G-proteindir. [ Bunun özellikle belirtilmesi gerekli çünkü monomerik G-proteinler heterotrimerik G-proteinlerden oldukça farklıdır ve aynı heterotrimerik G-proteinler gibi fizyolojik olarak çok önemlidir.] Heterotrimerik G-protein isminden de anlaşılabileceği üzere ( hetero = aynı olmayan, tri = 3) 3 farklı alt birimden meydana gelmiştir: alfa, beta ve gama. Normal şartlar altında yani ligand reseptöre bağlı değilken bu üç alt birim bir arada ve reseptöre bağlı bulunur. Ayrıca resimde de görülebileceği gibi alfa ve gama alt birimleri kovalent bağlı lipidleri sayesinde membrana da bağlı bulunur.
Reseptöre ligand bağlandığında ise öncelikle reseptörün konformasyonu değişir. Ve bu değişiklik ona bağlı bulunan heterotrimerik G-proteininde konformasyon değişikliğine yol açar. Tüm bu olayların sonucunda G-proteinin alfa alt biriminde bağlı bulunan GDP, GTP ile yer değiştirir, alfa, beta ve gama alt birimleri reseptörden ayrılır. Beta ve gama alt birimi bir arada durmaya devam ederken alfa alt birimi beta-gama kompleksinden ayrılır. Ayrıca belirtilmelidir ki G-proteinler GDP bağlı iken her zaman inaktif, GTP bağlı bulunurken ise aktiftir.  Özet olarak olan tüm bu değişimlerden sonra GTP bağlı bulunan alfa alt birimi sinyal yolundaki bir sonraki adımı aktifleştirmeye hazırdır.

*Detay bilgi: Yukarıda anlatılan alfa alt birimi üzerindeki GDP'nin GTP ile yer değiştirmesi normalde GEF diye bilinen başka bir protein tarafından yapılmaktadır. Burada ise GPCR yani G-proteine bağlı reseptör GEF gibi davranıp GTP'nin lokalizasyonunu sağlamaktadır.

Alfa alt birim tarafından aktifleştirilecek diğer adım tamamen G-proteinin çeşidine bağlıdır. Eğer G-protein, Gs protein ise beta-gama kompleksinden ayrılan alfa alt birim hücre zarında bulunan adenilat siklaz enziminin yanına giderek onu aktive eder. Adenilat siklaz enzimi ise ATP'den cAMP sentezler ve cAMP molekülleri [ cAMP en önemli ikincil mesajcılardan biridir.] hücre içerisinde çeşitli yolakları tetikler.Bu yolaklardan en önemlisi PKA (Protein kinase A or cAMP dependent kinase) enzimini içerir. PKA cAMP bağlandığından aktifleşen bir kinazdır. Bir başka deyişle cAMP bağlı PKA hücre içerisinde çeşitli proteinleri fosforlayarak onları aktive veya deaktive eder.

Gs proteini tarafından aktive edilen ve ikincil mesajcı olarak cAMP içeren bu yolağın en önemli özelliklerinden biri gelen sinyali amplifiye etmesidir. Bu amplifikasyonun nedeni ise adenilat siklaz enziminin birden fazla hatta çokça cAMP sentezlemesi ve PKA enziminin birden fazla proteini fosforlayabilmesidir.

Tabii ki fosforlanan proteinler sayesinde belli bir cevap oluşturulduktan bir müddet sonra bu sinyal yolağının durdurulması gerekir. Durdurulma cAMP moleküllerinin fosfodiesteraz enzimi ile parçalanmasıyla ve alfa alt biriminin kendi üzerinde bulunan GTP molekülünü hidrolize etmesiyle başarılır.

*Detay bilgi: Her ne kadar alfa alt birimi GTPase aktivitesine sahip olsa da bu hidroliz normalde GAP adı verilen bir proteinden indüklenir. Burada ise genellikle GAP proteini görev almaz. GTP hidrolizi başka bir enzim örneğin adenilat siklaz ile olan etkileşimle indüklenir.

Gq da bir heterotrimerik G-protein çeşididir ve adenilat siklaz enzimini aktive eden Gs proteininin aksine Gq fosfolipaz C enzimini aktive eder. Fosfolipaz C enzimi aynı adenilat siklaz enzimi gibi hücre membranında konumlanır. Görevi ise hücre membranında bulunan PIP2 adlı fosfolipidi diaçilgliserol ve IP3 oluşturacak şekilde parçalamaktadır.

Kısaca ligand reseptörü, reseptör G-proteini, G-protein alfa alt birimi aracılığıyla fosfolipaz C enzimini, fosfolipaz C enzimi ise PIP2 fosfolipidini aktive eder. Ardından suda çözünebilen IP3 sitoplazmaya doğru yayılır ve ER membranında bulunan ligand-bağlı Ca++ kanallarını açar yani sitoplazmadaki Ca++ konsantrasyonunu arttırır. Ca++ iyonları hem kalmoduline bağlarak hem de hücre zarında kalan DAG ( diaçilgliserol ) ile birlikte yine hücre zarında konumlanan protein kinaz C enzimini aktive ederek hücrenin liganda cevap vermesini sağlar.

Gq ve Gs gibi heterotrimerik G proteini olan Gi proteinini içeren sinyal yolağında diğerlerinden farklı olarak bir sonraki adımın aktifleşmesi alfa alt birim yerine beta-gama kompleksi aracılığıyla yapılır. Ligandın reseptöre bağlanmasıyla aktifleşen beta-gama kompleksi hücre zarında bulunan ligand-bağlı iyon kanallarına bağlanarak onları aktifleştirir. Yani sitoplazmadaki iyon konsantrasyonunu değiştirerek hücrenin gelen sinyale cevap vermesini sağlar.

Referans: Essential Cell Biology 4th Edition ( Bu linkten indirilebilir: http://www.academia.edu/33910466/ESSENTIAL_CELL_BIOLOGY_ESSENTIAL_CELL_BIOLOGY )