Els receptors metabotròpics, també anomenats GPCR (de l'anglès G-protein coupled receptors), 7TM, receptors serpentina o receptors helicoidals, són un tipus de receptors de neurotransmissors (i altres transmissors o molècules senyal diversos, com fotons, olors, gustos, feromones i hormones, que poden variar en mida) localitzats a la membrana plasmàtica de cèl·lules eucariotes (inclosos els llevats, els coanoflagel·lats i els animals) que actuen fent ús d'un o més missatgers secundaris, és a dir, depenen d'un o més passos metabòlics. La principal característica d'aquest tipus de receptors, que estan associats a proteïnes G (proteïnes de fixació de GTP), és que no tenen un canal iònic pertanyent a la seva estructura.
La funció dels receptors de membrana és transferir informació des de l'entorn fins a l'interior d'una cèl·lula i també entre cèl·lules, atès que la majoria de les molècules senyal són massa grans i polars com per passar a través de la membrana cel·lular o a través de transportadors. Tenint en compte les seves característiques estructurals i funcionals, els receptors de neurotransmissors es poden classificar en dues grans categories: els receptors ionotròpics i els receptors metabotròpics. Els receptors ionotròpics, també anomenats canals iònics amb porta de lligand, estan constituïts per un canal iònic. Per contra, els receptors metabotròpics estan indirectament associats a canals iònics de la membrana plasmàtica a través de mecanismes de transducció de senyals, normalment proteïnes G. Conseqüentment, els receptors acoblats a aquestes proteïnes són metabotròpics.
D'entre el gran grup de receptors acoblats a proteïnes G, es coneix el lligand concret que és rebut en 200 d'ells. Això prova la importància en recerca mèdica que tenen aquestes estructures i el motiu pel qual són un punt d'actuació per aproximadament un 40 per cent dels fàrmacs (o més del 50 per cent si no es tenen en compte els antibiòtics).
El primer receptor metabotròpic que va ser cristal·litzat i identificat va ser la rodopsina. Després de la delimitació completa del genoma humà, va ser possible identificar més de 800 seqüències de GPCR humanes i analitzar paral·lelament 342 seqüències de GPCR humanes no olfactòries i funcionals amb anàlisis filogenètiques.
Estructura i localització Els receptors metabotròpics són proteïnes majoritàriament monomèriques de membrana, concretament proteïnes integrals transmembranoses. Tot i així, també trobem exemples concrets, com els receptors de GABAB, que requereixen l'heterodimerització per funcionar correctament. La seva mida oscil·la entre els 415 i 480 residus (aminoàcids), és a dir, tenen un pes molecular d'uns 45650 a 52800 Da. Generalment es troben a la membrana plasmàtica o a la membrana d'una vesícula. A les neurones, els podem trobar al soma, les dendrites o l'axó, on exerceixen una funció moduladora de l'activitat glial. L'estructura d'aquests receptors és variable, ja que n'hi ha molts tipus, però tots tenen característiques comunes:
Domini extracel·lular El domini extracel·lular d'aquests receptors està constituït per l'extrem N-terminal de la proteïna i tres loops extracel·lulars que uneixen els diferents segments transmembrana. Aquest domini pot estar glicosilat, i està format per bucles que contenen dos residus de cisteïna molt ben conservats que formen ponts disulfur, estabilitzant l'estructura del receptor.
Dominis transmembrana miniatura|Estructura general dels GPCR Extrem amino extracel·lular, 7 hèlixs transmembrana i extrem carboxil intracel·lular, amb 3 loops externs i 3 loops citosòlics El domini transmembrana (TMD, de l'anglès transmembrane domain) de la immensa majoria de receptors metabotròpics és heptahelical, és a dir, està constituït per 7 subdominis transmembrana conservats (posseeixen una homologia de seqüència compartida i detectable) de forma alfa-helicoidal (per això aquests receptors també es coneixen com a receptors 7TM). El TMD és hidrofòbic, i és l'encarregat de fixar el receptor a la membrana plasmàtica.
Domini intracel·lular El domini intracel·lular (o citosòlic) és l'encarregat de la transducció del senyal i és on trobem l'extrem C-terminal de la proteïna, juntament amb tres loops citosòlics que uneixen les diferents hèlixs transmembranoses. És la part del receptor (concretament el tercer loop) on es produeix la interacció amb les proteïnes G i que, per tant, permet activar les cascades de senyalització intracel·lulars un cop s'ha unit el lligand.
A més, aquest domini té molts residus de serina i treonina que es poden fosforilar, impossibilitant l'acoblament de les proteïnes G i provocant, així, una modificació en l'activitat del receptor.
Unió lligand-receptor Les 7 hèlixs dels receptors metabotròpics constitueixen un nucli compacte (no formen un canal, com succeeix en els receptors ionotròpics), i la unió del lligand és reversible. Hi ha diverses possibilitats d'unió receptor-lligand, fet que serà important a l'hora de dissenyar fàrmacs:
Unió del lligand a unes butxaques presents als dominis hidrofòbics transmembrana del receptor. Hi ha d'haver una obertura de les hèlixs per tal que el lligand pugui arribar a les zones més internes. Les monoamines (adrenalina, serotonina, dopamina) presenten receptors d'aquest estil. Unió amb un domini mixt, que reconeix parts del domini transmembrana i de l'extracel·lular, com és el cas dels pèptids. Una butxaca més superficial, formada al centre de les 7 hèlixs-alfa, conté diferents aminoàcids específics (com l'aspartat, la serina o la fenilalanina) que seran els encarregats d'establir els enllaços d'unió amb el lligand. Unió del lligand a dominis extracel·lulars, típicament al primer domini (N-terminal). Lligands com les glicoproteïnes, el glutamat, el GABA o el Ca2+ presenten aquest tipus d'unió. En els receptors de classe C, aquest lloc d'unió és conegut com a Venus flytrap domain (VFD). El VFD té dos lòbuls diferenciats i està compost d'uns 600 aminoàcids, i dins de la seva cavitat integra una petita butxaca molt selectiva d'unió al glutamat, que interacciona amb els grups α-carboxil i α-amino d'aquest.
Un cas especial és l'activació per proteòlisi. El receptor no activat presenta un domini extracel·lular que, quan és tallat per una proteasa, es desplaça i fa de lligand amb el receptor, activant- lo. El lligand és part del receptor, però el senyal que en desencadena l'activació és la proteasa extracel·lular: en condicions normals, el domini activador no es pot unir al receptor, per la qual cosa aquest es troba inactiu. El sistema s'activa a partir d'un canvi de conformació (proteòlisi), de manera que llavors el domini sí que pot interaccionar i activar el receptor. Aquests receptors són d'un únic ús (només poden ser activats una vegada).
Classificació Els GPCRs formen una superfamília gran i diversa de receptors, que els autors han classificat, per la seva homologia seqüencial i semblança funcional, en 5 famílies:
Classe A (tipus rodopsina). Està dividit en 19 subgrups, anomenats des d'A1 fins a A19. Classe B (receptors de secretina) Classe C (receptors metabotròpics de glutamat/feromones), que comprèn quatre grups: grup I, format pels receptors sensors de calci (CaSR), els receptors de la feromona V2R, els receptors del gust T1R i el GPRC6A activat per aminoàcids; grup II, que inclou els mGluRs; grup III, que consisteix en el receptor de l'àcid γ-aminobutíric B (GABAB), i grup IV, format pel receptor orfe GPRC5. Classe D (receptor d'AMP cíclic) Classe E (receptor de feromones d'aparellament de fongs) Classe F (receptors frizzle/taste2)
S'ha proposat també un sistema de classificació alternatiu anomenat GRAFS (glutamat, rodopsina, adhesió, frizzle/taste2, secretina).
Funció La unió d'un lligand amb el receptor es dona de manera concreta i lleugerament diferent per cadascun dels casos. Cada lligand té una zona específica d'unió. Quan té lloc aquesta unió, els bucles citoplasmàtics i l'extrem carboxil pateixen uns canvis que acaben sent conformacionals (d'estructura terciària o quaternària, inclòs el domini extracel·lular), que reorganitzen les seves cadenes hèlix alfa i que són detectables a nivell intracel·lular. Un cop ha tingut lloc aquest canvi, es diu que el receptor ha passat a la seva forma activa. És aquí on entren en joc les proteïnes G, que s'uneixen al receptor per la seva subunitat α.
Acoblament del receptor amb les proteïnes G La majoria de les proteïnes G són heterotrimèriques: les tres subunitats que les conformen són les α, β i ɣ, que poden moure's gràcies a la fluïdesa de la membrana. Les proteïnes G monomèriques, en canvi, tenen una única subunitat, i es troben lliures al citosol i al nucleoplasma. La Gα forma part de la família de les NTPases amb bucle P, el qual permet la unió de la subunitat amb el nucleòtid (procés d'hidrolització). Aquestes proteïnes no són integrals, sinó que estan ancorades a la membrana per les seves subunitats α i ɣ i mitjançant estructures hidrofòbiques, de tipus àcid gras o isoprenoide. La tercera subunitat, la β, s'associa a la subunitat ɣ.
Fins al moment en què el lligand entra en contacte amb el receptor, les proteïnes G es troben en la seva forma inactiva unides per la subunitat α a un GDP. Quan es dona un moviment de les hèlix transmembrana cinquena i sisena (TM5 i TM6), es crea una cavitat a la qual podrà unir-se la subunitat Gα. La unió de la proteïna G amb el receptor provoca canvis conformacionals en la seva estructura proteica, concretament en la subunitat α. Aquests canvis permeten que es produeixi l'obertura del lloc d'unió Gα-GDP i que el GDP es canviï per una molècula de GTP provinent del citosol, mitjançant el factor intercanviador del nucleòtid de guanina (GEF, de l'anglès guanine nucleotide exchange factor). A continuació, la Gα se separa del receptor i també de les subunitats Gβɣ. Quan la subunitat Gα es troba lliure, amb GTP i amb la conformació adequada, és capaç de reconèixer la proteïna efectora i unir-s'hi, així com també ho poden fer els complexos βɣ.
Pel que fa a les proteïnes G, se'n coneixen molts subtipus d'unitats α, β i ɣ. De les subunitats Gα, que són les que realment defineixen les funcions de les proteïnes G, se’n distingeixen quatre famílies diferents: Gαs, Gαi /Gαo, Gαq/Gα11, i Gα₁₂/Gα13. Els diferents tipus dintre de cadascuna de les famílies tenen propietats molt similars així com una estructura gairebé igual.
Majoritàriament, els receptors tenen la capacitat d'activar més d'un subtipus proteic de Gα. L'activació d'una proteïna G acoblada fa que el receptor activi diverses cascades de transducció de senyal a través de subgrups Gα i Gβɣ. Quan el subtipus activat depèn del lligand acoblat al receptor, aquest fenomen es denomina selectivitat funcional. Les respostes cel·lular i biològica que s'esdevenen posteriorment activen uns determinats receptors que comporten uns efectes a nivell cel·lular similars i acostumen a activar el mateix tipus de subgrups.
No tots els receptors metabotròpics són estrictament fidels a les proteïnes G, ja que les proves creixents indiquen que poden interaccionar directament, a través del seu domini C-terminal, amb proteïnes que contenen domini PDZ (un domini estructural comú d'entre 80 i 90 aminoàcids), present en proteïnes de senyalització en bacteris, llevats, plantes, virus i animals. Aquestes proteïnes organitzen els receptors NMDA i alguns canals K+ mentre que els seus dominis PDZ generalment uneixen 3-4 trams d'aminoàcids de seqüències C-terminals de proteïnes diana.
Activació de proteïnes efectores i canals