Circa l’80% di tutti gli ormoni e
neurotrasmettitori e neuromodulatori
inducono le loro risposte combinandosi
con recettori che sono accoppiati agli
effettori con proteine G
Classificazione dei GPCRs
da Gether, Endocr.Rev. 21,90,200o
Ai recettori accopiati alle proteine G si
legano agonisti chimicamente molto diversi:
• Amine biogene (noradrenalina,
dopamina, serotonina)
• Peptidi (sostanza P, angiotensina)
• Ormoni glicoproteici (LH, FSH, TSH)
• Fotoni (nel caso il recettore sia il
pigmento visivo rodopsina)
Ciclo di funzionamento delle G-proteine
da Milligam e Kostenis, Br J. Phacol., 147, S46, 2006
La transizione tra forma inattiva e forma
attiva e indotta dal recettore che agisce
come promotore di scambio dei nucleotidi
guanilici accendendo il segnale
Il ritorno alla forma inattiva è garantita
dalle stesse proprietà intrinseche della
subunità  che dopo un certo tempo di
interazione con l’effettore, idrolizza il GTP
spegnendo il segnale
Le proteine G sono eterotrimeri
costituiti da 3 subunità    di peso
molecolare decrescente
Membrana cellulare
GDP
  41000-45000
  35000
  10000
Subunità delle proteine G
Ad oggi si conoscono:
• 16 subunità 
• 5 subunità 
• 14 subunità 
Probabilmente quindi un complesso   può
formare un eterotrimero con diverse
subunità 
Struttura subunità 
• Le diverse subunità  hanno una elevata omologia
di sequenza che spiega le loro proprietà comuni
• Sono ad es. altamenti conservati 5 segmenti di
pochi aminoacidi ( G1-5) che formano il sito di
legame e di idrolisi dei nucleotidi guanilici
• Sono differenti invece le regioni che interagiscono
con i recettori (carbossiterminale) ed effettori. Esse
conferiscono la specificità d’azione delle subunità
Una delle principali funzioni della
proteina G è quella di promuovere la
formazione di secondi messaggeri
cioè molecole che permettono di
trasmettere il segnale dato dal primo
messaggero (ligando endogeno o
Farmaco)
I PRINCIPALI BERSAGLI DELLE PROTEINE G SONO:
1. L’adenilato ciclasi (AC) che catalizza la
formazione di AMP-ciclico cAMP)
2. La fosfolipasi C che catalizza la produzione
di inositolo-3-fosfato (IP3)
3. La guanilato ciclasi
4. I canali ionici in particolare quelli del
calcio e del potassio
5. L a Rho A/Rho chinasi che controlla
l’attività di diverse vie di segnale per la
proliferazione e crescita cellulare
I secondi messaggeri derivati
dall’attivazione degli enzimi bersaglio
comprendono:
•
•
•
•
•
cAMP
cGMP
IP3/DAG
Ca2+
Acido Arachidonico (AA)
I secondi messaggeri regolano molti aspetti
funzionali cellulari (effettori finali) attraverso
l’attivazione di proteine ad attività chinasica
(PKG, PKA PKC):
•Enzimi coinvolti nel metabolismo energetico
•La divisione e differenziamento cellulare
•Il trasporto ionico
•I canali ionici
•Le proteine contrattili della muscolatura
liscia
Spegnimento del segnale
• In alcuni sistemi l’effettore partecipa alla
fase di spegnimento del segnale
accelerando l’drolisi del GTP da parte della
subunità 
• Un’intera famiglia di proteine denominate
RGS interagiscono con la subunità  legata
al GTP e accelerano l’idrolisi del nucleotide
AMPLIFICAZIONE DEL SEGNALE
• Il segnale evocato dal recettore viene
amplificato perché:
• Una singola molecola recettoriale può attivare
più di una proteina G
• La subunità  può permanere in forma attiva
per un certo tempo
In base alla sequenza aminoacidica e alla capacità di
modulare l’attività di effettori differenti le subunità 
possono essere suddivise in tre classi:
• s stimola l’adenilato ciclasi (Gs: recettori
adrenergici (β), dopaminergici (D1,D3,D5) e TSH
• i ; o inibiscono l’adenilato ciclasi (Gi:
recettori adrenergici (α2), dopaminergici (D2,D4)
muscarinici (M2,M4) e somatostatina) (Go:
abbondanti nel SNC) anche Gτ nel processo di
fototrasduzione
• q regolazione fosfolipasi C (Gq)
• 12 e α 13 media effetti acido arachidonico
Le subunità  di alcune proteine G vengono
alterate nel loro normale funzionamento dalla
tossina del colera e dalla tossina della pertosse
Entrambe sono dotate di attività ADP-Ribosil
transferasica (cioè trasferiscono un gruppo di
ADP-ribosio)
ADP-RIBOSILAZIONE
Tossina del colera
• ADP-ribosila la subunità s in corrispondenza
di una arginina localizzata in G2 una delle
regioni coinvolte nella idrolisi del GTP
• La conseguenza funzionale è l’inibizione
della attività GTP-asica della proteina che
rimane bloccata nella sua forma attiva
inducendo una stimolazione persistente
dell’adenilato ciclasi ed una continua
produzione di cAMP
Tossina della pertosse
• ADP-ribosila le subunità i e o in corrispondenza
di una Cys localizzata ad una distanza di 4
aminoacidi dal terminale carbossilico
• Tale regione è implicata nel legame con il recettore
e di conseguenza la ADP-ribosilazione impedisce
l’attivazione della proteina G da parte del recettore
• La tossina della pertosse mantiene quindi la
Proteina G in uno stato inattivo
Esistono 10 isoforme di AC:
•9 di membrana
•1 solubile
Sono divisibili i 5 famiglie :
Forme sensibili alla Ca2+ -Calmodulina: AC1, AC3,
AC8
Le stimolate dai recettori β :AC2, AC4, AC7
Quella caratterizzate da inibizione da Ca 2+ : A5, A6
Quella insensibile al diterpene Forskolina: AC9
La più simile alle forme batteriche: sAC
Struttura dell’adenilato ciclasi (AC)
da Cooper, Biochem. J. , 375:517-529, 2003
Molti effetti trasduzionali del cAMP sono
mediati dalla Proteinchinasi A (PKA)
PKA in forma inattiva è formata da due subunità: una
catalitica e una regolatrice.
Il legame con cAMP libera l’unità catalitica che
esplica così la sua attività chinasica su numerosi
specifici substrati proteici a livello dei residui
serina/treonina.
cAMP ha anche altri bersagli
cellulari in maniera non mediata da
PKA, in particolare alcuni canali
ionici coinvolti in processi
sensoriali di fototrasduzione e di
recezione olfattiva
L’AMPc prodotto dell’AC viene
idrolizzato a AMP dalle Fosfodiesterasi
(PDE)
Se ne conoscono 11 isoforme
( alcuni farmaci specifici come le metilxantine
utilizzate nella profilassi e trattamento dell’asma
bronchiale sono inibitori di molte PDE)
Le fosofodiesterasi
da , Bender e Beavo, Pharmacol Rev., 58, 488, 2006
cGMP come secondo messaggero
La ciclizzazione del cGMP è ad opera di una Guanidilato
Ciclasi GC a partire dal GTP.
Ci sono due forme di GC: le solubili attivate direttamente dal
NO e quelle di membrana (classe di circa 7 isoenzimi).
cGMP attiva la Proteinchinasi G (PKG)
Molti degli effetti sono ancora poco conosciuti
Complesso 
• Nell’eterotrimero  il complesso  inibisce la
dissociazione del GDP garantendo che, in assenza di
stimolazione recettoriale, l’ subunità mantenga la
conformazione inattiva
• Il complesso è necessario per l’interazione della proteina
G con il recettore. Il recettore attivato è in grado di legare
con alta affinità solamente l’eterotrimero  e non l’ GDP
• Il complesso  liberato dall’attivazione recettoriale
agisce anche come molecola segnale capace di interagire
direttamente con effettori specifici
Effettori delle proteine G
Comprendono:
• effettori enzimatici (portano alla
formazione nel citoplasma di sostanze
biologicamente attive)
• effettori canali (portano a modificazioni
della concentrazione ionica intracellulare)
Effettori delle subunità 
•
•
•
•
Attivano i canali ionici per il K
Inibiscono specifici canali del Ca
Stimolano alcune forme di fosfolipasi C
Attivano l’enzima fosfatidilinositolo 3chinasi
• Innescano la cascata delle chinasi MAP e
ERK
I recettori legati alle proteine G
possono direttamente controllare i
canali ionici oltre che con il complesso
βϒ anche attraverso l’interazione
diretta con la subunità α attiva della
proteina G senza l’intervento dei
secondi messaggeri
CIÒ CHE ACCOMUNA GLI EFFETTORI
ENZIMATICI È
La produzione di metaboliti che prendono il
nome di secondi messaggeri in quanto
fungono da anello di congiunzione tra
l’attivazione recettoriale e la risposta della
cellula
I secondi messaggeri sono definiti da due
caratteristiche:
• Generano una o più risposte legandosi
all’interno della cellula a substrati specifici dei
quali ne modulano l’attività
• Hanno una attività transitoria e dipendente
dallo stimolo primario che l’ha generata, in
quanto ci sono sistemi deputati alla loro
degradazione o rimozione
Gli effettori delle proteine G quindi
possono essere, con o senza secondo
messaggero:
• Enzimi
• Canali ionici
Effettori enzimatici delle
Proteine G
Comprendono:
• L’adenilato ciclasi
• La guanilato ciclasi
• La fosfolipasi C
• La fosfolipasi A
• La fosfolipasi D
Tra gli effettori delle proteine G con
funzione di canale ionico i più studiati
sono:
• I canali del calcio
• I canali del potassio tra cui quello presente
nelle cellule pace-maker cardiache
I secondi messaggeri
FOSFOINOSITIDI (PI)
Il Fosfatidil inositolo- 4,5- bifosfato (PIP2) è
substrato dell’enzima di membrana Fosfolipasi C
(PLC)
La reazione origina:
1. Diaclicilglicerolo (DAG)
2. Inositolo 1,4,5-trifosfato (IP3)
IP3 è un secondo messaggero solubile
che ha come recettore specifico un
canale del Ca attivato da ligando e
localizzato nella membrana del REL.
Controlla il rilascio di Ca2+ dai siti di
accumulo intracellulare
Il ciclo dei polifosfoinositidi e le fosfolipasi C
da Balla, J. Endocrinol. 188, 135, 2006
DAG ha come azione principale l’attivazionedella
Protein-Chinasi C (PKC)
PKC a sua volta fosforila varie proteine intracellulari a
livello serina/treonina
analogamente a PKA
Contribuisce in particolare alla regolazione di:
•processi di secrezione ghiandolare
•attivazione delle piastrine e dei neutrofili
•regolazione dell’espressione genica
•crescita cellulare
•metabolismo
L’Acido Arachidonico (AA)
AA è un acido grasso che in forma esterificata è
localizzato nei fosfolipidi di membrana
È precursore della formazione di acidi grassi che
in modo autocrino o paracrino modulano un
ampia varietà di tipi cellulari.
È un mediatore di risposte cellulari in risposta
a:
• stimoli fisiologici a(istamina, bradichinina,
angiotensina II),
• fisici (es. ischemia) e
•farmacologici (es, sostanze ionofore del Calcio)
Molte sostanze generate dal
metabolismo dell’AA tra cui
Eicosanoidi endogeni come
prostaglandine, trombossani,
esercitano la loro azione
attivando specifici GPCRs
Acidi grassi essenziali
Acidi grassi esterificati (fosfolipidi)
Stimolo patologico
Fosfolipasi A2
Lipocortina
Acido arachidonico
Fans
Ciclossigenasi
Lipossigenasi
Endoperossidi ciclici
Eicosanoidi
Prostaglandine
Prostaciclina
Trombossani
Leucotrieni
-Dolore
-Vasodilatazione
-Vasocostrizione
-Febbre
-Inibizione della
aggregazione
piastrinica dei
trombociti
-Aumento della
aggregazione dei
trombociti
-Reazioni allergiche (per
es. asma bronchiale),
leucotassi
-Infiammazione
-Acido gastrico
-Mucosa gastrica
-Doglie
-Reni: escrezione di
Na+ e H2O
DESENSITIZZAZIONE E TOLLERANZA NEI RECETTORI
ACCOPPIATI A PROTEINE G
•La desensitizzazione non è intrinseca
•Segue un trattamento cronico con famaci
agonisti
•I meccanismi alla base sono:
1.
processi di fosforilazione su residui di
serina e treonina
2.
internalizzazione del complesso legato
IL FENOMENO DI DESENSITIZZAZIONE SI OSSERVA ad.es esponendo una linea cellulare
che esprime recettori beta adrenergici ad un agonista beta-adrenergico
In queste condizioni se si misura l’incremento di AMPc nel
tempo si osserva quanto segue:
Risposta AMPc
Agonista
Tempo
La desensitizzazione del recettore 
adrenergico si attua mediante tutti i tre
meccanismi generali di desensitizzazione:
• Perdita di affinità per l’agonista
• Riduzione della capacità di attivare la proteina
G
• Riduzione del numero(downregulation)
• I tre eventi hanno caratteristiche cinetiche
diverse ma sono tutti dipendenti da
fosforilazione del recettore