Liganzi & receptori

La fel cum o călătorie de o mie de mile începe cu un singur pas, la fel și o cale de semnalizare complexă din interiorul unei celule începe cu un singur eveniment cheie – legarea unei molecule de semnalizare, sau ligand, la molecula care îi primește sau la receptor.

Receptorii şi liganzii se prezintă sub multe forme, dar toţi au un singur lucru în comun: vin în perechi apropiate, cu un receptor care recunoaște doar unul (sau câțiva) liganzi specifici și un ligand care se leagă doar de unul sau mai mulți receptori țintă. Legarea unui ligand de un receptor îi modifică forma sau activitatea, permițând transmiterea unui semnal sau producerea directă a unei modificări în interiorul celulei

În această secțiune, vom analiza diferitele tipuri de receptori și liganzi, observând cum interacționează pentru a transforma informația din afara celulei într-o schimbare în interiorul celulei.

Receptorii sunt de multe tipuri, dar pot fi împărţiţi în două categorii: receptori intracelulari, care se găsesc în interiorul celulelor (în citoplasmă sau nucleu), precum şi receptorii de pe suprafaţa celulelor, care se găsesc în membrana celulară.

Receptorii intracelulari sunt proteine de receptori care se găsesc în interiorul celulei, de obicei în citoplasmă sau nucleu. În majoritatea cazurilor, liganzii receptorilor intracelulari sunt molecule mici, hidrofobe (cărora nu le place apa), deoarece acestea trebuie să poată traversa membrana celulară pentru a ajunge la receptorii lor. De exemplu, receptorii primari ai hormonilor steroizi hidrofobi, precum ar fi hormonii sexuali estradiol (un estrogen) şi testosteronul, sunt intracelulari${}^{1,2}$‍.

Atunci când un hormon pătrunde într-o celulă şi se leagă de receptorul său, acesta determină modificarea formei receptorului, permițând pătrunderea receptorului hormonal în nucleu (dacă nu a fost deja prezent) şi reglarea activităţii genetice. Legarea hormonilor expune regiuni ale receptorului care au activitate de legare a ADN-ului, ceea ce înseamnă că se pot ataşa la secvenţe specifice de ADN. Aceste secvențe se găsesc lângă anumite gene din ADN-ul celulei și, când receptorul se leagă de aceste gene, își modifică nivelul de transcripţie al acestora.

Multe căi de semnalizare, care implică atât receptori intracelulari, cât şi receptori de suprafaţă celulară, determină modificări ale transcrierii genelor. Cu toate acestea, receptorii intracelulari sunt unici deoarece cauzează aceste modificări foarte direct, legându-se de ADN şi modificând ei înşişi transcrierea.

Receptorii de pe suprafaţa celulelor sunt proteine ancorate în membrană care se leagă de liganzii de pe suprafaţa exterioară a celulei. În acest tip de semnalizare, ligandul nu trebuie să traverseze membrana celulară. Astfel, multe tipuri diferite de molecule (inclusiv molecule mari, hidrofile sau „iubitoare de apă”) pot acționa ca liganzi.

Un receptor tipic de suprafață celulară are trei domenii diferite sau regiuni proteice: un domeniu de legare extracelulară a liganzilor („în afara celulelor”), un domeniu hidrofob care se întinde prin membrană şi un domeniu intracelular („interiorul celulei”), care transmite adesea un semnal. Dimensiunea şi structura acestor regiuni poate varia mult în funcţie de tipul de receptor, iar regiunea hidrofobică poate consta din mai multe întinderi de aminoacizi care traversează membrana.

Există multe tipuri de receptori de suprafață celulară, dar aici ne vom uita la trei tipuri comune: canale ionice de liganzi, receptori acoperiți cu proteina G și tirozin-kinazele receptorilor.

Canale de ioni cu liganzi sunt canale ionice care se pot deschide ca răspuns la legarea unui ligand. Pentru a forma un canal, acest tip de receptor de suprafață celulară are o regiune care acoperă membrana cu un canal hidrofilic (iubitor de apă) prin mijlocul acestuia. Canalul permite ionilor să traverseze membrana fără a fi nevoie să atingă miezul hidrofob al stratului dublu de fosfolipide.

Atunci când un ligand se leagă de regiunea extracelulară a canalului, structura proteinelor se modifică astfel încât ionii de un anumit tip, cum ar fi ${\text{Ca}}^{2+}$‍ sau ${\text{Cl}}^{-}$‍, pot trece prin ele. În unele cazuri, inversul este de fapt adevărat: canalul este de obicei deschis, iar liganzii îl fac să se închidă. Modificările nivelului ionic din interiorul celulei pot modifica activitatea altor molecule, cum ar fi enzimele de legare ionică şi canalele sensibile la tensiune, pentru a produce un răspuns. Neuronii, sau celulele nervoase, au canale de legare cu liganzi, legate de neurotransmițători.

Receptorii cu proteine G (GPCR-uri) sunt o familie mare de receptori de suprafaţă celulară care au o structură comună şi o metodă de semnalizare. Toţi membrii familiei GPCR au şapte segmente proteice diferite care traversează membrana, şi transmit semnale în interiorul celulei printr-un tip de proteină numită proteina G (mai multe detalii mai jos).

GPCR-urile sunt diverse şi leagă multe tipuri diferite de liganzi. O clasă deosebit de interesantă de GPCR-uri sunt receptorii odorizanți (de miros). La om, există aproximativ $800$‍ din aceștia şi fiecare îşi leagă propria „moleculă de miros” – cum ar fi o anumită substanţă chimică din parfum, sau un anumit compus eliberat prin putrezirea peștelui – și provoacă trimiterea unui semnal creierului, făcându-ne să simțim mirosul! ${}^3$‍

Când liganzii ei nu sunt prezenţi, un receptor codificat cu proteina G aşteaptă la nivelul membranei celulare, în stare inactivă. Pentru cel puţin unele tipuri de GPCR-uri, receptorul inactiv este deja ancorat la ţinta de semnalizare, o proteină G${}^4$‍.

Proteinele G sunt de diferite tipuri, dar toate leagă nucleotidul guanozină trifosfat (GTP), pe care îl pot descompune (hidroliza) pentru a forma GDP-ul. O proteină G legată de GTP este activă sau „on”, în timp ce o proteină G legată de GDP este inactivă sau „off”. Proteinele G care se asociază cu GPCR-urile sunt un tip format din trei subunităţi, cunoscute sub numele de proteine G heterotrimerice. Când sunt atașați de un receptor inactiv, se află în forma „off” (legate de GDP).

Legarea liganzilor schimbă însă imaginea: GPCR este activat și determină proteina G să schimbe GDP-ul în GTP. Proteina G activă în prezent se separă în două părți (una numită subunitatea α, celelalte subunităţi fiind β şi γ), care sunt eliberate din GPCR. Subunităţile pot interacţiona cu alte proteine, declanşând o cale de semnalizare care duce la un răspuns.

În cele din urmă, subunitatea α va hidroliza GTP înapoi la GDP, moment în care proteina G devine inactivă. Proteina G inactivă se reasamblează ca unitate cu trei piese asociată cu un GPCR. Semnalizarea celulară utilizând receptori legați de proteina G, este un ciclu, unul care se poate repeta de mai multe ori ca răspuns la legarea liganzilor.

Receptorii cu proteine G joacă multe roluri diferite în corpul uman, iar întreruperea semnalizării GPCR poate cauza boli.

Receptorii legaţi de enzime sunt receptori ai suprafeţei celulare cu domenii intracelulare care sunt asociate cu o enzimă. În unele cazuri, domeniul intracelular al receptorului de fapt este o enzimă care poate cataliza o reacție. Alţi receptori legaţi enzimatic au un domeniu intracelular care interacţionează cu o enzimă${}^5$‍.

Receptorii tironchinazelor (RTKs) sunt o clasă de receptori legaţi de enzime, care se găsesc la om şi la multe alte specii. O kinază este doar un nume pentru o enzimă care transferă grupuri de fosfat către o proteină sau o altă țintă, iar un receptor tirozinchinază transferă grupările de fosfat în mod specific în aminoacidul tirozină.

Cum funcționează semnalizarea RTK? Într-un exemplu tipic, moleculele de semnalizare se leagă mai întâi de domeniile extracelulare ale celor doi receptori de tironchinază din apropiere. Cei doi receptori vecini se întâlnesc sau formează un dimer. Ulterior, receptorii atașează fosfații la tirozină din domeniile intracelulare ale celeilalte părți. Tirozina fosforilată poate transmite semnalul către alte molecule din celulă.

În multe cazuri, receptorii fosforilați servesc ca platformă de ancorare pentru alte proteine care conțin tipuri speciale de domenii de legare. O varietate de proteine conțin aceste domenii și atunci când se leagă de una dintre aceste proteine, poate iniția o cascadă de semnalizare în aval, care duce la un răspuns celular${}^{6,7}$‍.

Receptorii de tironchinaze sunt cruciali pentru multe procese de semnalizare la om. De exemplu, se leagă de factori de creștere, semnalizând molecule care promovează diviziunea celulară și supraviețuirea. Factorii de creștere includ factorul de creștere derivat din trombocite (PDGF), care participă la vindecarea plăgii, şi factorul de creştere a nervilor (NGF), care trebuie alimentat continuu cu anumite tipuri de neuroni pentru a-i păstra în viaţă${}^8$‍. Datorită rolului lor în semnalizarea factorului de creştere, receptorii tironchinazelor sunt esenţiale în organism, dar activitatea lor trebuie menţinută în echilibru: receptorii hiperactivi ai factorului de creştere sunt asociaţi cu anumite tipuri de cancer.

Liganzii, care sunt produși prin semnalizare şi interacţionează cu receptorii din sau de pe celulele ţintă, provin din multe varietăţi diferite. Unele sunt proteine, altele sunt molecule hidrofobice, cum sunt steroizii, iar altele sunt gaze precum oxidul de azot. Aici, ne vom uita la câteva exemple de diferite tipuri de liganzi.

Liganzii hidrofobi mici pot trece prin membrana celulară şi se pot lega de receptorii intracelulari de la nivelul nucleului sau citoplasmului. În corpul uman, unii dintre cei mai importanţi liganzi de acest tip sunt hormonii steroizi.

Hormonii steroizi familiari includ hormonul sexual feminin, estradiolul, care este un tip de estrogen şi hormonul sexual masculin, testosteronul. Vitamina D, o moleculă sintetizată în piele, folosind energie din lumină, este un alt exemplu de hormon steroid. Deoarece sunt hidrofobi, aceşti hormoni nu au probleme la traversarea membranei celulare, dar trebuie să se lege de proteinele transportoare pentru a trece prin fluxul sanguin (apos).

Oxidul de azot (NO) este un gaz care acționează ca ligand. Ca şi hormonii steroizi, poate difuza direct prin membrana celulară, datorită dimensiunii sale mici. Unul dintre rolurile sale cheie este de a activa calea de semnalizare în muşchiul neted din jurul vaselor de sânge, unul care produce relaxarea muşchilor şi permite vaselor de sânge să se extindă (dilatate). De fapt, medicamentul nitroglicerină tratează bolile cardiace declanşând eliberarea de NO, dilatând vasele pentru a restabili fluxul sanguin către inimă.

NO a devenit recent mai bine cunoscută, deoarece calea pe care o afectează este ţinta medicamentelor eliberate pe bază de prescripție medicală pentru disfuncţia erectilă, cum este Viagra.

Liganzii solubili în apă sunt polari sau încărcaţi şi nu pot traversa cu uşurinţă membrana celulară. Deci majoritatea liganzilor solubili în apă se leagă de domeniile extracelulare ale receptorilor pe suprafaţa celulelor, rămânând pe suprafaţa exterioară a celulei.

Peptida (proteinele) reprezintă cea mai mare și mai diversă clasă de liganzi solubili în apă. De exemplu, factorii de creştere, hormonii precum insulina şi anumiţi neuro-transmiţători se încadrează în această categorie. Liganzii de peptide pot varia de la doar câțiva aminoacizi lungime, ca în cazul encefalinelor, care suprimă durerea, la o sută sau mai mulți aminoacizi, în lungime${}^9$‍.

După cum s-a menționat mai sus, unii neuro-transmițători sunt proteine. Cu toate acestea, mulți alți neuro-transmițători sunt molecule organice mici, hidrofile (iubitoare de apă). Unii neuro-transmiţători sunt aminoacizi standard, cum ar fi glutamatul şi glicina, iar alţii sunt aminoacizi modificaţi sau non-standard.