- 1 - 6.3 Phospholipide und Signaltransduktion Allgemeines Bei der

Biochemieseminar 6.3 Phospholipide und Signaltransduktion
6.3
erstellt von H. Wolfes und J. Alves
Phospholipide und Signaltransduktion
Allgemeines
Bei der Signaltransduktion, das heißt der Weiterleitung von Signalen über die Zellmembran in
das Innere der Zelle, denkt man zuerst einmal vor allem an die Proteine in und an der Membran. Es hat sich aber herausgestellt, dass die Membranlipide auch ihren Anteil daran haben.
Zum einen schaffen sie eine spezielle Umgebung, in der die Rezeptoren und andere membranständige Proteine optimal arbeiten können. Hierbei sind die „Lipid-Rafts“ zu nennen, die
Sphingolipide und Cholesterin stark angereichert enthalten. In ihnen sind Rezeptoren für
Wachstumsfaktoren und G-Protein gekoppelte Rezeptoren nicht nur angereichert, sondern sie
benötigen diese Umgebung auch für eine optimale Aktivität. Zum anderen sind Phospholipide
auch direkt an der Signaltransduktion beteiligt, da sie
selbst in Signalmoleküle und second messenger umgewandelt werden. Hierbei spielen Phosphatidylinositol und Sphingomyelin eine große Rolle. Ersteres
ist im cytosolischen Blatt der Plasmamembran, während letzteres hauptsächlich auf der extrazellulären
Seite angereichert ist.
Signalkaskaden ausgehend vom Phosphatidylinositol
Kinasen können schrittweise Phosphatgruppen
von ATP auf die Hydroxylgruppen an den Positionen 5 und 4 des Inositolringes übertragen.
Hierdurch
entsteht
Phosphatidylinositol-4,5-
biphosphat (PIP2), welches nur knapp 10 % der
Phosphatidylinositol-Lipide und nur knapp 1 %
der gesamten Lipide des inneren Membranblattes
ausmacht aber das Hauptsubstrat für zwei Signalwege darstellt. Es kann durch die Phosphoinositol-3-Kinase (PI3K) noch weiter phosphoryliert oder durch die Phopholipase C gespalten werden. Es gibt verschiedene Isoformen beider
Enzyme mit unterschiedlichen regulatorischen Domänen, die dadurch auf verschiedene Signale antworten können.
Die PI3K wird an die Plasmamembran rekrutiert, wenn Hormonrezeptoren (zum Beispiel für
Wachstumshormone und auch Insulin) mit Tyrosinkinaseaktivität sich selbst und auch
Adapterproteine phosphorylieren und die PI3K an diese Tyrosinphosphate bindet. Von hier
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aus wird PIP2 zu PIP3 phosphoryliert. Eine Reihe Enzyme haben eine PH-Domäne, die direkt
an PIP3 bindet. Sie werden so an die Plasmamembran gebracht und aktiviert. Darunter ist zum
Beispiel die Akt-Kinase (Proteinkinase B), die über eine Kaskade von Proteinmodifikationen
die Proliferation stimuliert und die Apoptose hemmt. Spezielle Phosphatasen können das
Phosphat am 3´-OH wieder abspalten und das Signal so ausschalten. Sie werden zum Teil in
einem Feedback-Loop durch das Signal selbst aktiviert.
Die Phospholipase C wird durch das trimere G-Protein Gq aktiviert, das analog den Elongationsfaktoren am Ribosom in einer GDP- und einer GTP-Form vorkommen kann. Die letztere
aktive Form wird an einem mit dem entsprechenden Hormon (zum Beispiel Adrenalin an α1Rezeptoren oder viele Neurotransmitter) beladenen Rezeptor durch Austausch des gebundenen GDP gegen GTP hergestellt. Die für die GTP-Bindung verantwortliche α-Untereinheit
von Gq dissoziiert von βγ ab und lagert sich an die Phospholipase C. Diese spaltet dann PIP2,
wobei Ca2+, das für die Reaktion der Phospholipase benötigt wird, mit den negativ geladenen
Phosphatgruppen am Inositol im aktiven Zentrum des Enzyms wechselwirkt. Beide Spaltprodukte von PIP2 dienen als second messenger:
Inositol- 1,4,5 Triphosphat (IP3 )
Diacylglycerin (DAG)
IP3 aktiviert Ca2+-Kanäle im endoplasmatischen Retikulum. Im ER gespeicherte
Calciumionen
werden
in
das
Cytosol abgegeben. Die Erhöhung
der Ca2+-Konzentration wird in
allen Zellen als Signal interpretiert.
Es gibt dafür Sensorproteine wie
das Calmodulin, die durch die
Bindung an Ca2+ in ihrer Struktur
so verändert werden, dass sie
andere Proteine binden und so
aktivieren oder hemmen können.
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Das Abschalten des Ca2+-Signals erfolgt durch die Entfernung von Ca2+ aus dem Cytosol
durch Ca2+-ATPasen.
In diesem speziellen Signalweg spielen die Calciumionen noch eine weitere Rolle. Zusammen
mit Ca2+ aktiviert das Diacylglycerin die Proteinkinase C, die verschiedene zelluläre Proteine
phosphoryliert und damit die Aktivitäten dieser Proteine verändert.
Die schrittweise Dephosphorylierung
von
IP3
durch enzymkatalysierte
Hydrolyse generiert Inositol und inaktiviert so
diesen second messenger.
Die Rolle von IP3 in der innerzellulären Signaltransduktion:
1. Ein Ligand bindet an einen membranständigen Rezeptor an der Zelloberfläche, dieses
Signal wird von dem trimeren G-Protein wahrgenommen.
2. Das G-Protein tauscht GDP gegen GTP aus und wandelt sich von der inaktiven in die
aktive Form um. Hierbei dissoziieren die βγ-Untereinheiten von der α-Untereinheit ab.
3. Die aktive α-Untereinheit stimuliert die Phospholipase C. Die Phospholipase C
katalysiert die Spaltung von PIP2 in IP3 und Diacylglycerin (DAG).
4. Das wasserlösliche IP3 stimuliert die Freisetzung von Ca2+Ionen, die im
endoplasmatischen Retikulum gespeichert sind.
5. Die Ca2+-Ionen binden an Calmodulin, das wiederum vielfache zelluläre Prozesse
stimuliert.
6. Das unpolare DAG verbleibt in der Membran und stimuliert die Proteinkinase C, die
Proteine phosphoryliert und damit deren Aktivität moduliert.
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IP3 kann aber auch von spezifischen Kinasen zu IP4, IP5 oder IP6 phosphoryliert werden.
Auch diese Moleküle haben Signalfunktion. Beispielsweise stimuliert IP4 (Inositol-1,3,4,5tetraphosphat) in einigen Zellen den weiteren Calciumeinstrom durch die Aktivierung der
Calciumkanäle der Plasmamembran.
Sphingolipid Signalkaskaden
Während die oben beschriebenen Signalwege schon länger bekannt und sehr gut untersucht
sind, steht die Erforschung der Sphingolipide als Signalgeber erst am Anfang. Es ist aber
schon eindeutig gezeigt, dass vor allem das Ceramid als Abbauprodukt des Sphingomyelins
als second messenger dient, der wie das DAG in der Membran verbleibt. Das abgespaltene
Phosphorylcholin hat keine Signalwirkung. Ceramid spielt vor allem in Stressantworten der
Zelle, die zur Apoptose führen, eine Rolle und ist dort an der Ausbildung morphologischer
Änderungen wie der Blasenbildung an der Plasmamembran verantwortlich.
Bei der Bildung des second messengers Ceramid muss man zwei Wege unterscheiden. Zum
einen kann eine Sphingomyelinase an die Außenseite der Plasmamembran transportiert
werden, wo sich ca. 90 % des Sphingomyelins befinden. Das dort generierte Ceramid
wechselwirkt mit Transmembranrezeptoren und aktiviert diese. Zum anderen bewirkt eine
Spaltung des Sphingomyelins an der inneren Membranseite die Rekrutierung und Aktivierung
zum Beispiel einer Proteinphosphatase, die der Phosphorylierung von Proteinen
entgegenarbeitet.
Signalmoleküle, die aus Sphingomyelin gebildet werden können.
Aus dem Ceramid können weitere Signalmoleküle gebildet werden. So führt die Abspaltung
der Fettsäure durch die Ceramidase zu Sphingosin, das Zellwachstum und Differenzierung
stimuliert. Die Sphingosinkinase kann daraus das Sphingosin-1-phosphat generieren. Dieses
wird vor allem mit Differenzierung und Migration von Zellen in Verbindung gebracht. Hier
ist auch nachgewiesen, dass Sphingosin-1-phosphat extrazellulär auf G-Protein gekoppelte
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Rezeptoren wirkt, während es intrazellulär direkt als second messenger wirken soll.
Sphingosin und Sphingosin-1-phosphat sind auch nicht mehr strikt membranständig, was eine
Wirkung auf cytosolische Proteine erleichtert.
Grundlegende Literatur:
Löffler, Basiswissen Biochemie, 7. Auflage S. 119-124, 327-331
Löffler Petrides Heinrich, Biochemie & Pathobiochemie, 8. Auflage S. 35-38, 571572, 783, 788-789
Rassow Hauser Netzker Deutzmann, Biochemie, 3. Auflage S. 541-545, 559-560
Themen, die im Vortrag angesprochen werden sollten:
Phosphatidylinositol und Sphingolipide
Phosphatidylinositol 3-Kinase Signalweg
•
PH-Domäne
•
Proteinkinase B
Phospholipase C Signalweg
•
Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat
•
Trimere G-Proteine
•
IP3
•
DAG
•
Proteinkinase C
•
Ca2+
Sphingolipid Signalwege
•
Ceramid
•
Sphingosin
•
Sphingosin-1-phosphat
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