22.5: I GPCR regolano l'attività dell'adenilil cilasi

Alcuni GPCR trasmettono segnali attraverso l'adenilil ciclasi (AC), un enzima transmembrana. L'AC aiuta a sintetizzare l'adenosina monofosfato ciclico del secondo messaggero (cAMP). L'AC catalizza la reazione di ciclizzazione e converte l'ATP in cAMP rilasciando un pirofosfato. Il pirofosfato viene ulteriormente idrolizzato a fosfato dall'enzima pirofosfatasi, che porta a compimento la sintesi del cAMP. Tuttavia, il cAMP viene rapidamente degradato a 5' AMP dagli enzimi fosfodiesterasi (PDE), prevenendo la sovrastimolazione delle cellule.

Due tipi di proteine G eterotrimeriche regolano l'AC.

1. La proteina G stimolatrice (G_s) si lega e attiva l'AC, aumentando i livelli di cAMP.
2. La proteina G inibitoria (G_i) si lega e inattiva l'AC, abbassando i livelli di cAMP.

L'AC è costituito da un piccolo dominio N-terminale, due transmembrana ripetute e un dominio citoplasmatico. Il dominio citoplasmatico forma il nucleo catalitico ed è costituito dal sito di legame della proteina G. Il legame della proteina G_s con l'AC aiuta ad aprire il suo nucleo catalitico, facilitando il legame del substrato, l'ATP. Al contrario, il legame della proteina G_i porta al riorientamento dei residui catalitici, chiudendo così il nucleo catalitico, che impedisce il legame dell'ATP.

Molte tossine batteriche patogene interrompono questo meccanismo di regolazione delle adenilil ciclasi nelle cellule ospiti. Ad esempio, il Vibrio choleraentra nelle cellule epiteliali intestinali e rilascia le tossine del colera. La tossina induce la ribosilazione dell'ADP della subunità G_⍺s della proteina G stimolatrice. L'aggiunta di ADP-ribosio inibisce l'attività intrinseca della GTPasi della subunità G_⍺s. Pertanto, la subunità G_⍺s modificata rimane costitutivamente attiva, attivando l'adenilil ciclasi senza stimolazione esterna. L'attivazione continua della corrente alternata prolunga la sintesi del cAMP. Il conseguente aumento della concentrazione di cAMP provoca l'efflusso di acqua ed elettroliti dalle cellule intestinali al lume. Questo porta a grave diarrea e disidratazione eccessiva, caratteristica del colera.

Un altro patogeno che infetta le vie aeree, Bordetella pertussis, produce una tossina che catalizza la ribosilazione dell'ADP della subunità G_⍺i della proteina G inibitoria. Questa modifica impedisce al GDP di lasciare la subunità G_⍺i, mantenendo così la proteina G_i nello stato inattivo. La proteina G_i non può legarsi e inibire l'attività dell'adenilil ciclasi. Pertanto, il cAMP rilasciato nelle cellule epiteliali delle vie aeree porta alla perdita di liquidi ed elettroliti insieme a una maggiore secrezione di muco, causando pertosse.

Quando i GPCR legano ligandi come il glucagone o l'epinefrina , le proteine G stimolanti vengono attivate e, a loro volta, attivano l'enzima adenilil ciclasi legato alla membrana.

L'enzima attivato converte l'ATP in un secondo messaggero ciclico AMP che utilizza chinasi a valle come la proteina chinasi A o PKA per regolare il metabolismo dei grassi e degli zuccheri.

L'esposizione prolungata ad un'alta concentrazione di ligandi induce la fosforilazione di GPCR da parte di PKA. La fosforilazione del recettore blocca il legame di ulteriori G e inibisce l'attivazione dell'adenilil ciclasi, prevenendo la sovrastimolazione dei GPCR.

Il legame di ormoni come la prostaglandina E₁ o l'adenosina ai GPCR attiva le proteine G inibitorie.

La G_ɑi attivata si dissocia dal GPCR, si lega e inibisce l'adenilil ciclasi, impedendo la sintesi ciclica dell'AMP.