1

Transmembran-Rezeptoren

Enzym-gekoppelteRezeptoren

Ionenkanal-gekoppelteRezeptoren

G-Protein-gekoppelteRezeptoren

2

G-Protein-gekoppelte RezeptorenN

C

Extracellular

Intracellular

G-Protein(guanine nucleotide-binding protein)

3

wichtige pharmazeutische Zielmoleküle

GPCRs gehören zu den wichtigsten Zielmolekülenvon Arzneistoffen

Liganden

4

C1 C2 C3

NH3+

-OOC

E1 E2 E3

GDP

Biogene Aminesadrenaline, dopamine,

histamine, 5-HT

Amino Acidsglutamate

Lipidsprostaglandinsthromboxanescannabinoids

Peptides and Proteinsangiotensin, NPFF, NPY, bradykinin,

endothelin, chemokines

Nucleosides and Nucleotides

adenosine ATP, ADP, UTP

ion channels,PI3KPLC-

adenylyl cyclases

adenylyl cyclases,inhibition of

cAMP production,ion channels,

phosphodiesterases,phospholipases

PLC-DAG, Ca2+,

PKC

iGTP

qGTP

sGTP

adenylyl cyclases,increased cAMP

concentration

TM

RhoGEFs,Rho

12GTP

EX

IN

5

GPCR Architektur – 7TM

N

I II III IV V VI VII

Extracellular Loops

Intracellular Loops

N-terminalDomain(ECD)

C-terminus

ECL1ECL2 ECL3

CICL1 ICL2ICL3

PlasmaMembrane

300-600 amino acids7 Transmembran-Helices Heptahelix-Receptors

6

GPCR Architektur

N

C

X-raystructure

7

RhodopsinMorphin-RezeptorAdrenalin-Rezeptor

Sekretin-RezeptorCalcitonin-Rezeptor

Glutamat-RezeptorGeschmacksrezeptoren

Klassische Nomenklatur

Evolution: GRAFS-Nomenklatur

8

GlutamateRhodopsinAdhesionFrizzledSecretin

9

N

Frizzled/Taste24

Secretin(class B)

15 

Rhodopsin(class A)701

Glutamate(class C)

15

Adhesion24

Evolution: GRAFS-Nomenklatur

10

Rhodopsin-ähnliche Rezeptoren

11

Cryo-Elektronenmikroskopie, 1997

Schertler et al., 1997

12

RhodopsinStructur-Modele

13

14

zytoplasmatisch extrazellulaer

V

VI

IV

III

VIIVIII

II

I

I

III IV VVIVII

II

VIII

CPalczewski et al.Science 289 (2000) 739.

RöntgenstrukturanalyseErste Struktur: Rhodopsin, 2000PDB 1F88Auflösung 2.8 ÅLigand: Retinal, kovalent gebunden

GPCR-Kristallographie

15

März 2016:> 135 Strukturen> 33 verschiedene GPCRs

GPCR-Kristallographie

17

Skiniotis, G., Sexton, P. M. 2017Phase-plate cryo-EM structure of a class B GPCR–G-protein complex

Cryo-Elektronenmikroskopie, 2017

18

Skiniotis, G., Sexton, P. M. 2017, resolution ~ 4 ÅPhase-plate cryo-EM structure of a class B GPCR–G-protein complex

Cryo-Elektronenmikroskopie, 2017

19

G-Proteine

-helicaldomain

(AH domain)

20

G

G

G

21

Aktivierung des G-Proteins

GTP

“off”

“on”

22

GPCR-G-Protein Aktivierung

23c13SigTr 2,5

24

G-Proteine sind GTPasen

G-Protein

G-Protein

Beschleunigt von Zielprotein oder

RGS Protein(Regulator of

G-protein signaling)

Stimuliert vomRezeptor

25

G-Proteine aktivieren “Effektoren”

“Effektor” GTP

GDP

Aktivierungszyklus

hormone

GDP

receptor activation

dissociationof heterotrimer

ground state

GDP

H

GDP

H H

empty state

GTP

E1 E2

GTP

GDP

GTPase RGS

ground state

HH

GDP

GTPbinding

Signal 2Signal 1

27

GDP GTP

R*

inactive active

Signal: Light, odors, tastesHormones: adrenaline, glucagon etc.

GTP

GDP

Effektor molecules

Adenylyl cyclase

cGMP - phosphodiesterase

K channels

Phospholipase C

+

Adenylyl cyclase

Phospholipase A2

K channels (I )

Phospholipase C

-adrenergic receptor kinase

+K. Ach

Examples:

Signaltransduktion

28

G-Protein-gekoppelteRezeptoren

• koppeln an unterschiedliche G-Proteine

• aktivieren unterschiedliche Signalwege

Signaltransduktion

29

G-Protein -Untereinheit; Typen

Milligan, G., and Kostenis, E. (2006). Heterotrimeric G-proteins: a short history. British journal of pharmacology 147 Suppl 1, S46-55.

30

G-Protein -Untereinheit Typen

G-Untereinheit Aktivierende Rezeptoren(Beispiele)

Effekt auf Zielprotein Signal

Gs(stimulatorisch)

Glucagon, Histamin, Serotonin, Dopamin,-Adrenorezeptoren

Stimulation von Adenylylcyclase (AC)

Erhöhung von [cAMP]

Gi(inhibitorisch)

Somatostatin, Opioid,Serotonin, 2-Adrenorezeptoren

Inhibition von Adenylylcyclase (AC)

Abnahme von [cAMP]

Gq Vasopressin V1, acetylcholin M1, 1-Adrenorezeptor

Stimulation von Phospholipase C (PLC)

Erhöhung von zytoplasmatisch [Ca2+]

Gt , Transducin(inhibitorisch)

Rhodopsin und Opsine Stimulation von cGMPPhosphodiesterase

Abnahme von [cGMP]

Gs

Adenylylcyclase

e.g. adrenaline dopamine adenosine

Gs-Protein

Adenylylcyclase

M1 M2

C1 C2

ATP cAMP

33

PKA-CREB Signalweg

ATP cAMP

Adenylylcyclase

Gi/o

PLC-PI3-K

Ca2+

K+

e.g. GABA, chemokines

Gi/o-Protein

Gq/11 G12/13

RhoGEF

Rho

PLC-

Ca , PKC2+

e.g. 5-HT, adrenaline

DAG, Ip3

Gq-Protein / G12-Protein

PCL-

36

Phospholipase C

PIP2IP3

DAG

37

38

Calmodulin dependent Proteinkinase

39

Calmodulin dependent Proteinkinase

Riechen

40

Diallyldisulfid

Furylmethanthiol

p-Hydroxyphenol-2-butanon

41

Geruchsrezeptor(Nervenzelle)

42

GPCR

GPCR*

G-Protein(Golf)

GTP GDP

GTP

Adenylatcyclase

ATPcAMP

7TM

Geruchsmolekül

Kationen-kanäle

Ca2+

Na+Na+

Ca2+

Cl- Cl-

43

Geruchsrezeptoren in der Nase

ca. 1000 Verschiedene!!

2. Loop ist höchst variable

spezielle Verteilungin der Nase

Sehvorgang: Rhodopsin

44

TransducinDisk Membran

Licht

RhodopsinPhosphodiesterase

cGMPNa+-Kanal geöffneter Kanal

geschlossener Kanal

Stäbchen

Stäbchen Membran

45

11-cis-Retinal NH+

Lys 296

TM VII

Glu 113NH+

all-trans-Retinal Licht

Rhodopsin

TM III

46

Glu113

Lys296

Retinal

rhod-bac.kin

47

Licht

Rhodopsin

Metarhodopsin

Transducin

GTP GDP

GTP

Phosphodiesterase

5’GMP cGMP

7TM

Retinal

Ca2+

Na+

Kationen-kanäle

äussereM

embran

Diskmembran

cGMP

48

t

49

Ende des G-Protein-vermittelten Signals

50

https://www.youtube.com/watch?v=V_0EcUr_txk

51

GPCR – Nobelpreis 2012

52

α βγ

extrazellulär

intrazellulärα γ

βGDP GTP- +

Bindung des Liganden

GDP

inaktiver Zustand des GPCR

GTP

GPCR

G-Protein

Signale

Zell-membran

Lefkowitz: Ligandenbindung (Agonist) führt zur Rezeptor-aktivierung, dadurch erfolgt der GDP/GTP-Austausch am G-Protein

Kobilka: vom Schemazur molekularenAuflösung