Οι GPCRs (G -protein-coupled receptors) με τη χαρακτηριστική δομή των 7 διαμεμβρανικών α-ελίκων αντιπροσωπεύουν το πιο επιτυχημένο μοντέλο εξέλιξης.
Από την εμφάνιση της ροδοψίνης των αρχαίων, αυτή η συγκεκριμένη πρωτεϊνική δομή εξελίχθηκε στα ζώα ως η μεγαλύτερη οικογένεια υποδοχέων. Πλέον αποτελεί μια από τις μεγαλύτερες οικογένειες γονιδίων και πρωτεϊνών γενικότερα. Ενώ ο ζυμομύκητας Saccharomyces cerevisiae περιέχει μόνο τρία γονίδια GPCR, ο νηματώδης Caenorhabditis elegans έχει πάνω από 1.000 γονίδια. Αυτά αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη οικογένεια γονιδίων του ζώου και κωδικοποιούν κυρίως χημειοϋποδοχείς, που αναγνωρίζουν περιβαλλοντικές οσμές και γευστικά ερεθίσματα, χαρακτηρίζοντας τον ιδιαίτερο τρόπο ζωής του νηματώδη.
Στον άνθρωπο, έχουν αναγνωριστεί 865 γονίδια που κωδικοποιούν GPCRs, περίπου το 1% του ανθρώπινου γονιδιώματος. Από τους υποδοχείς αυτούς, οι 400 είναι οσφρητικοί υποδοχείς. Η ανακάλυψη της πληθώρας των οσφρητικών GPCRs οφείλεται στον Richard Axel (βραβείο Nobel 2004). Ο οποίος απέδειξε ότι κάθε οσφρητικός νευρώνας εκφράζει ένα μόνο, ξεχωριστό, είδος οσφρητικού υποδοχέα. Οι 370 μη-οσφρητικοί GPCRs θεωρούνται λειτουργικοί, ενώ οι υπόλοιποι 90 χαρακτηρίζονται ως «ορφανοί». Αυτός ο χαρακτηρισμός σημαίνει ότι δεν έχει αναγνωριστεί ακόμη ο ενδογενής τους προσδέτης.
Το δομικό χαρακτηριστικό των 7 αλληλοσυνδεδεμένων διαμεμβρανικών περιοχών έχει «εφευρεθεί» πολλές φορές κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Αυτό συμβαίνει διότι δεν υπάρχει σημαντική ομολογία αλληλουχιών μεταξύ αυτών των πρωτεϊνών των προκαρυωτών, των ασπόνδυλων και των θηλαστικών. Μια τέτοια έντονη εξελικτική σύγκλιση δείχνει ότι αυτή η δομή είναι κατάλληλη για την αλληλεπίδραση με σηματοδοτικά μόρια και τη μεταγωγή σημάτων διαμέσου της κυτταρικής μεμβράνης.
Δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι αυτό το εξελικτικά επιτυχημένο μοντέλο συναντάται μόνο στα ζώα. Στα φυτά και στους προκαρυώτες οι υποδοχείς 7 ελίκων φαίνεται να είναι αρκετά σπάνιοι ή απόντες. Η μεταγωγή σήματος σε αυτούς τους οργανισμούς κυριαρχείται από υποδοχείς συνδεδεμένους με κινάσες πρωτεϊνών.
Λόγω του σημαντικού ρόλου που παίζουν οι GPCRs στη λειτουργία του οργανισμού, το βραβείο Nobel Χημείας 2012, απονεμήθηκε στους Brian Kobilka και Robert Lefkowitz γα την έρευνά τους πάνω στους GPCRs.
Ενδεικτικά παραδείγματα αποτελούν τα παρακάτω.
Φωτόνια, οσμές, νευροδιαβιβαστές, ορμόνες, χημειοκίνες, λιπίδια, νουκλεοτίδια, ιόντα ενεργοποιούν τους GPCRs και επάγουν μια πληθώρα φυσιολογικών λειτουργιών:
- Όραση: οι φωτοϋποδοχείς (η ροδοψίνη είναι ένας GPCR) μέσω μιας αντίδρασης φωτοϊσομερίωσης, μετατρέπουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε χημικό σήμα.
- Όσφρηση: οσμές και φερομόνες ενεργοποιούν τους GPCRs των νευρώνων του οσφρητικού επιθηλίου και μεταφέρουν το οσφρητικό μήνυμα στον εγκέφαλο.
- Διαβίβαση σημάτων στο Κεντρικό Νευρικό Σύστημα: οι νευροδιαβιβαστές, πχ σεροτονίνη, ακετυλοχολίνη, ενεργοποιούν τους GPCRs του ΚΝΣ ελέγχοντας ποικίλες λειτουργίες, όπως η συμπεριφορά (σεροτονίνη), η ρύθμιση της κίνησης (ντοπαμίνη), η μνήμη και η μάθηση (ακετυλοχολίνη).
- Διαβίβαση σημάτων στο Αυτόνομο Νευρικό Σύστημα: η αδρεναλίνη και η ακετυλοχολίνη ενεργοποιούν GPCRs των ιστών-στόχων, ελέγχοντας λειτουργίες, όπως η πίεση του αίματος και ο καρδιακός ρυθμός.
- Ρύθμιση της δραστηριότητας του ανοσοποιητικού συστήματος και της φλεγμονής: οι χημειοκίνες ενεργοποιούν GPCRs επάγοντας τη χημειοταξία κυττάρων του ανοσοποιητικού κατά τη φλεγμονή. Από την άλλη η ισταμίνη μέσω της σύνδεσής της στους GPCRs επιβάλλει στα κύτταρα στόχους την έναρξη της φλεγμονώδους αντίδρασης.
- Ρύθμιση της ομοιόστασης: GPCRs στον υποθάλαμο ρυθμίζουν πολλές λειτουργίες, όπως π.χ. το ισοζύγιο του νερού.
