Signalwege 2.

Signalwege 2.
Folie 1 Das Schema eines simplen Signalpfades Erster Schritt des Signalprozesses
ist also die Ankoppelung des Liganden (primärer Sender) an den Rezeptor (auf dem Bild ist
ein G-Protein verkoppelter Rezeptor zu sehen). Das G Protein ist der Transducer
(Umwandler), welcher auf den primären Effektor wirkt (bei dem cAMP System ist dies die
Adenylatcyclase, bei dem Phosphoinositol System Phospholipase C). Der primäre Effektor
bildet das sekundäre Botenstoff-Molekül (bei dem cAMP System das cAMP selbst, und bei
dem Phosphoinositol-System das IP3 und DAG, welche von PIP2 stammen), welches in der
Regel eine kleineres Molekül ist. Der sekundäre Botenstoff aktiviert das sekundäre EffektorMolekül ( Bei dem cAMP System das Proteinkinase A; bei dem Phosphoinositol System das
Proteinkinase C und Ca2+; Bemerkung: Ca2+ wird oft als sekundärer Botenstoff betrachtet),
welches weitere Effektor Moleküle aktiviert (eventuell Hemmt). Der typischste
Aktivierungs-Mechanismus ist die Phosphorylierungskaskade, im Laufe derer
unterschiedliche Kinase Moleküle einander in der entsprechenden Reihenfolge
phosphorylieren. Die Phosphorylierung verändert die räumliche Struktur der Proteine,
wodurch in der Regel ein Aktivierungs-Zustand erreicht wird. Die Deaktivierung wird von
unterschiedlichen Phosphorylase Enzymen durch die Entfernung der Phosphatgruppen
erreicht. Im Säugetiergenom kommen mehrere Hunderte von Kinase-Enzymen codierende
Gene vor, was auf die wichtige Rolle dieser deutet. Die Signaltransduktionskaskade richtet
sich auf die Veränderung der Funktionsmechanismen der Zielproteine, was wiederum die
Änderung der Zellenfunktion herbeiführt, bzw. herbeiführen kann (Zellenantwort).
Zielproteine können die Enzyme des Stoffwechsels sein (der Stoffwechsel kann sich ändern);
ein Ionenkanal (das Ionenmillieu kann sich ändern); ein Transkriptionsfaktor (die
Genexpression kann sich ändern); Zytoskeletales-Protein (Form und/oder Bewegung der Zelle
kann sich ändern). Die Anwendung der Vorausgesetzten Form ist deshalb begründet, weil
eine Zelle ein Automat ist, welcher fähig ist die Wirkung eines Signals (auf Hinwirken eines
anderen Signals) zu wiederrufen, oder einen Befehl nicht zu folgen, falls das Signal nicht
intensiv genug ist. Die Antwort der Zelle hängt meistens von der Intensität des Signals ab: ist
das Signal stärker, ist auch die Antwort intensiver. Die in die Nervenzellen eintreffenden
Inputs (Neurotransmitter) rufen im Zellenkörper schrittweise eine Antwort hervor (ständiger
Iongradient), aber das austretende Signal (Aktionspotential) ist diskret, das heißt, dass sie
stets gleichgroß, und deshalb digital (ja/nein basiert) ist. Das bedeutet, dass die Stärke eines
Signals in einem Neuron die Häufigkeit (und nicht die Stärke) der Aktionspotentiale codiert
Folie 2-3 Die SIGNALMOLEKÜLE (Liganden) Die Aufgabe der Signalmolekülen ist der
Transport von Informationen zwischen den Zellen. Wenn man vorhat sie von den
Komponenten der Signalprozesse innerhalb der Zellen zu unterscheiden, dann nennt man sie
äußere (oder primäre) Signalmoleküle. Die Signalmoleküle werden von den sendenden Zellen
ausgestoßen, und müssen sich durch den - die Zellen voneinander abtrennenden - Spalt
dringen, wo sie dann an die Rezeptoren der annehmenden Zelle koppeln und aus der
Empfängerzelle eine Antwort lösen. Die Hauptgruppen der Signalmoleküle sind folgende:
Hormone,
Wachstumsund
Differenzierungsfaktoren,
Chemokine,
Zytokine,
Neurotransmittern, Nitrogen Monoxid (NO), usw. (Weiteres in der Annotation.) Zu den
Signalmolekülen des Organismus ähnliche Moleküle können auch in der Natur vorgefunden
werden, bzw. der Mensch kann auch selbst solche produzieren. Koffein, Nikotin und einige
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Drogen ähneln bestimmten natürlichen Liganden, und werden deshalb von den
entsprechenden Rezeptoren erkannt. Ein Teil der Medikamente und Gifte ist auch ein sich an
unsere Rezeptoren ankoppelnder Stoff. Mit diesen Stoffen kann also die Kommunikation
unserer Zellen, dass heißt der Funktionsmechanismus unseres Organismus von außen
gesteuert werden.
Folie 4-8 Die REZEPTOREN Die Aufgabe der Rezeptoren ist das Annehmen und
Umwandeln der Signale in andere Signale, welche dann von dem auf die Aufarbeitung der
Signale spezialisierten Apparat erkannt werden, welcher dann den eintreffenden „Befehl“
entweder folgt oder abweist. Das Verhältnis zwischen den Rezeptoren und den Liganden
können mit dem Schlüssel-Schloss Beispiel dargestellt werden; die räumliche Struktur des
signalempfangenden Teils - des Rezeptors - ist solch eine, in die das Ligand gerade passt.
Aber die räumliche „Komplementarität” ist nicht genug, die beiden Moleküle müssen auch
zur Bildung von den entsprechenden chemischen Bindungen geeignet sein. Die Rezeptoren
können unter anderem auch anhand der Platzierung innerhalb der Zelle in Gruppen geteilt
werden. So kann von zytoplasmischen (auch nuklear genannt) oder Zelloberflächen
Rezeptoren geredet werden. Die typischen Liganden der zytoplasmischen Rezeptoren sind
Steroidhormone, welche, da sie Lipophile (Fettlöslich) Moleküle mit geringem
Molekulargewicht sind, leicht durch die Zellenmembran dringen, wo sie an den Rezeptor
binden und diesen in einen Transkriptionsfaktor umwandeln. Das Rezeptor-Ligand Komplex
koppelt sich durch die Kernmembran dringend an den es erkennenden Promoter oder
enhancer- DNS Sequenz, und fördert dadurch die Expression der entsprechenden Gene. Es
gibt 3 Arten der Rezeptoren an der Zellenoberfläche, dies sind die Ionotrope (Ionkanalgekoppelte), G-Protein-gekoppelte, und Enzym-gekoppelte Rezeptoren (Näheres siehe später
in der Anmerkung).
0. Signalwege ohne Rezeptoren
FOLIE 5-6 1. Signalwege ohne Rezeptoren, NO
NO wird unter Verbrauch von NADPH durch NO-Synthasen (NOS) aus der Aminosäure LArginin und Sauerstoff hergestellt. NO bewirkt indirekt, durch Erhöhung des cGMP
(Cyclisches Guanosinmonophosphat)-Spiegels die Relaxation der glatten Gefäßmuskulatur,
was zu einer Vasodilatation und damit zu einer Absenkung der Nachlast des Herzens und des
Blutdrucks führt. Durch diese Reaktion wurde die Wirkungsweise einer ganzen Gruppe von
Medikamenten verständlich, darunter Amylnitrit, Nitroprussid und Nitroglycerin. Diese
Medikamente setzen NO im Körper frei. Der gleiche Mechanismus liegt bei der diätetischen
Behandlung von Arteriosklerose-Patienten mit Arginin selbst zugrunde. Das gasförmige NO
wird im Rahmen spezieller Herzkatheteruntersuchungen verabreicht, um die Reaktion der
Lungengefäße darauf zu testen.
Wirkmechanismus des Viagra: Ein Teil des physiologischen Prozesses der Erektion beinhaltet
die Freisetzung von Stickstoffmonoxid (NO) im Corpus cavernosum. Dadurch wird das
Enzym Guanylatzyklase aktiviert, welches die Ausschüttung von cyclischen
Guanosinmonophosphat (cGMP) erhöht. So wird eine leichte Muskelentspannung im Corpus
Cavernosum ausgelöst, welche das Einströmen von Blut und damit die Erektion ermöglicht.
Der Wirkstoff des Viagra ist ein potenter selektiver Hemmer der cGMP-spezifischen
Phosphodiesterase vom Typ 5 (PDE-5), die für die Herabsetzung von cGMP im Corpus
Cavernosum verantwortlich ist. Als Resultat wird beim Einsatz von diese Arzneistoff eine
normale sexuelle Stimulation zu erhöhten Blutspiegeln von cGMP im Corpus cavernosum
und damit zu einer verstärkten Erektion führen. Ohne eine sexuelle Stimulation und
Aktivierung des NO/cGMP-Systems löst Sildenafil keine Erektion aus.
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1. Durch intrazelluläre Rezeptoren vermittelte Signalwege
FOLIE 7-9 Die hydrophobe Moleküle, wie Cortisole (Glycocorticoid), Östradiol und
Testosteron (Sexhormone) und die Tiroidhormone wie Tiroxin sind imstande, die
Zellenmembran durchzudringen, wo sich an einen interzellularen, anders genannt nuklearen
Rezeptor anschließen. Der interzellulare Rezeptor ist u. a. ein inaktiver Transkriptionsfaktor,
den die Anschließung des Hormons aktiviert. Die Rezeptoren der Steroidhormone spielen
beim Steuern der Lebensprozesse eine grundlegend wichtige Rolle, was durch die Mangel an
Testosteronhormon beim Menschen wohl gezeigt wird. Solche Einzelnen sind genetisch
Männer (haben ein Y-Chromosom), entwickeln sie sich aber als Frauen. Ein Beispiel: der
Glycocortide-Rezeptor ist im Zytoplasma in einem inaktiven Zustand (er wird durch hsp29
chaperon bei ihrem Anschluss an ihm gehindert). Die Verbindung des Steroidhormons
entfernt den chaperon, woraus der Rezeptor eine dimere Struktur gewinnt, deshalb der dimere
Rezeptor / Hormonkomplex dringt in den Zellkern ein, in dem der sich an einem sich in der
Promoterregion befindenden DNA-Motiv anschließt (GRE: glucocorticoid response element),
was den Beginn der Funktionierung GRE enthaltender Gene ergibt (Transkription fängt ab
ihnen an).
2. Durch Rezeptoren auf der Zellenoberfläche vermittelte Signalwege
Die überwiegende Mehrheit der Signalmoleküle ist zu groß oder hydrophil, deshalb kann die
Membran der Zielzelle nicht durchdringen. Diese Signalmoleküle schließen sich an solche
Rezeptoren an, die die Membran übergreifen. Diese Transmembranrezeptoren detektieren den
Signal nun von außen, den sie in eine neue Form transformieren, und schicken ihn
zelleneinwärts weiter. Die Rezeptoren der Zellenoberfläche gehören zu drei großen
Gattungen:
(1) Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren;
(2) G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, bzw.
(3) Enzym-gekoppelte Rezeptoren.
FOLIE 14 1. Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren (anders gesagt: ionotrope Rezeptoren,
ligandgesteuerte Ionenkanale, durch Neurotransmitter gesteuerte Ionenkanale). Wenn sich die
Neurotransmitter anschließen, wechseln diese Rezeptoren ihre Struktur so, dass sich ihre
Poren öffnen und die Ionen (Na+, K+, Ca2+, Cl-) können zwischen dem Zytoplasma und dem
extrazellularen Raum ihren elektrochemischen Gradient entlang frei wandern, was die
Veränderung des Membranpotenzials innerhalb einer Millisekunde ergibt. Die Veränderung
kann neuralen Impuls unvermittelt ergeben, oder verändert die Fähigkeit anderer Signale bei
dem Produzieren von Aktionspotenzial. Während die Ionenkanal-gekoppelten Rezeptoren für
die reizbaren Zellen (Nerv, Muskel) charakteristisch sind, die G Protein und die Enzymgekoppelten Rezeptoren sind praktisch in allen Zellen vorhanden. Ausführlicher: siehe die
Vorlesung Neurale Kommunikation.
FOLIE 15-16 2. G-Protein-gekoppelte-Rezeptoren G Protein gekoppelte Rezeptoren
(GPCR) machen die größte Gattung aus. Für ihre Grundaufbau ist die 7
Transmembransegment charakteristisch. Auf Wirkung eines äußeren Zeichens verändert sich
die Raumstruktur des Rezeptors, der sie sich in der Nähe befindenden G-Proteine aktiviert.
Der Name des G-Proteins stammt aus der Abkürzung des Namens GTP-bindender Proteine.
An GCPR schließt sich ein sogenanntes trimeres (aus drei untereinheiten bestehendes α, β, γ)
Protein an. Die G-Proteine haben unterschiedliche Arte, jedes ist für GPCRs und
intrazellulare Proteine spezifisch. In nichtstimuliertem Zustand schließt sich GDP zu αUntereinheit an. Wenn sich ein Ligand an den Rezeptor anschließt, aktiviert die veränderte
Struktur das G-Protein, wodurch die α-Untereinheit ihre Affinität zu dem GDP verliert und
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durch GTP ersetzt. Auf Wirkung der GTP-Bindung das βγ-Komplext schließt sich von der αUntereinheit ab, und aktiviert sich auch. Die zwei aktivierten Teile des G-Proteins – αUntereinheit und βγ-Komplex – tritt danach mit anderen Komponenten in Verbindung,
wodurch sie sie aktivieren. Die im dissoziierten Zustand verbrachte Zeit wird die GPPaseAktivität der α-Untereinheit limitiert.
Das Symptom der Cholera (verursacht: Vibrio cholerae) ist eine massive Diarrhöe, verursacht
durch große Mengen an Wasser, die aus dem Blut in den Dünndarm gelangen. Das
Choleratoxin eine ADP-Ribose-Einheit auf die Gas -Untereinheit kovalent überträgt. Die
modifizierte GSa -Untereinheit kann Adenylat-Cyclase aktivieren, aber kann nicht GTP auf
GDP hydrolysieren, dadurch bleibt Adenylat-Cyclase permanent aktiviert. Als der cAMPSpiegel steigt, erhöht die Aktivität Ionenkanal-Proteine in Darmepithelzellen, die einen
massiven Ausstrom von Na+ Ionen und Wasser aus dem Blut in das Darmlumen katalysieren.
2. Einige G Proteine regulieren direkt Ionenkanäle: Die βγ-Komplexe von G-Proteinen
können manchmal direkt Ionenkanäle in der Plasmamembran der Zielzelle verändern.
Ionenkanäle werden normalerweise indirekt durch PKA, PKC und CaMK geregelt.
Ionenkanäle werden durch cyclische Nukleotide (cAMP, cGMP) gesteuert (Geruchssinn…).
Phosphorilierung kann G Protein gekoppelte Rezeptoren direkt desensibilisieren, wenn eine
zuständigen Aktivierung auftritt: G Protein-gekoppelte Rezeptor Kinase phosphorilieren den
G-Protein gekoppelten Rezeptor, so Arrestin (ein Inhibitor) Proteine können zum Rezeptor
binden, und die weitere Signaltransduktionsprozesse hemmen. zB: ein übler Geruch wird nach
einer halben Stunde in einem Zimmer nicht gefühlt.
3. Enzym-gekoppelte Rezeptoren:
a. Ein Enzym bindet zu dem Rezeptor
b. Der Rezeptor ist selbst das Enzym.
cAMP Signalweg
(a) Adenylyl (oder adenyl, oder adenylate) cyclase wird aktiviert durch eine spezifische
Familie von G Proteinen, die Gs Proteine, so gennant, weil ihre Wirkung auf adenylyl cyclase
stimulierend ist (s). Das Enzym katalysiert die Umwandlung von ATP zu cAMP. Dieser
Second messenger diffundiert frei durch das Zytoplasma und bindet an ein Kinaseenzym,
Proteinkinase A (PKA), welche deshalb eingeschaltet wird. Die Kinase phosphoryliert dann
eine Vielzahl von Zielkanälen, die die passende Aminosäuersequenz besitzen, die von der
Kinase erkannt wird. Die Phosphorylierung eines Kanals bestimmt häufig, ob dieser geöffnet
oder geschlossen bleibt. Ein einzelnes aktives PKA Molekül ist in der Lage, viele Zielproteine
zu phosphorylieren und trägt somit zum Verstärkereffekt bei. cAMP wird durch cAMP
Phosphodiesterase abgebaut.
(b) Regelung der Transkription. Der cAMP/PKA Weg ist im oben dargestellten Fall im
Vergleich zur Funktionierung ionotroper Rezeptoren langsam, ist es aber in Bezug auf dem
die Genexpression verändernden Weg schnell. Hier ist das aktivierte PKA den CREB (CRE:
auf cAMP reagierendes Element, cAMP response element; CREB: CRE bindendes Protein,
CRE binding protein) Transkriptionsfaktor durch Phosphorilierung aktiviert, der wegen seiner
Wirkung das CBP bindet (CREB bindendes Protein, CREB binding protein), das die RNAPolymerase II aktiviert, was bewirkt die Expression der in ihren Promotern CRE Motiv
enthaltenden Gene.
FOLIE 33 Ca2+ dient als intrazellulärer Messenger PKC wird also durch oben erwähntes
Calcium und von Diacylglycerol aktiviert und phosphoryliert dann Zielproteine. Calcium
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kann als Signal benutzt werden, da seine Konzentration im Cytosol normalerweise sehr
niedrig, und die in der extrazellulären Flüssigkeit im ER Lumen hoch gehalten wird. Dabei
gibt es drei Ca2+-Kanäle: 1. Spannungsabhängige Ca2+ Kanäle: öffnen auf
Membrandepolarisation 2. IP3-gesteuerte Ca2+ Freisetzungskanäle: entlassen Calcium aus
dem ER bei Aktivierung des oben erwähnten Signalweges 3. RyanodinRezeptoren: reagieren
hauptsächlich auf Potentialänderungen in der Plasmamembran um Calcium aus dem
Sarkoplasmatischen Reticulum zu entlassen, was die Muskelkontraktion stimuliert. Ca2+
Konzentration wird im Cytosol durch mehrere Mechanismen niedrig gehalten, dabei nutzen
Ca2+- Pumpen Energie aus ATP-Hydrolyse, um Ca2+ aus dem Cytosol zu pumpen: Muskelund Nervenzellen besitzen in der Plasmamembran ein Ca2+-Transportaustauschprotein: Sie
koppeln Ausströmen von Ca2+ mit Einströmen von Na+. Pumpe im ER hält
Cytosolkonzentration
niedrig,
indem
sie
viel
Ca2+
ins
ER
aufnimmt.
Mitochondrieninnenmembran hat Ca2+-Pumpe, die die Ca2+ Konzentration nach einem
Signal wieder auf ein Normalniveau zurückführt.
FOLIE 34 A CAM-Kinase-II aktivität Ca2+ bindende Proteine formen cytosolisches Ca2+Signal um. Calmodulin ist ein intrazellulärer Ca2+ bindende Protein mit vier Ca2+
Bindungsstellen in einer Polypeptidkette. Es erfährt eine Konformationsänderung bei Bindung
von mindestens zwei Ca2+ (allosterische Aktivierung). Calmodulin hat keine eigene
katalytische Aktivität wie PKA. Es bindet an andere Proteine und verändert deren Aktivität.
Viele Ca2+ Wirkungen werden durch Proteinphosphorylierung vermittelt, katalysiert durch
Ca2+/Calmodulin abhängige Proteinkinasen, CaM-Kinasen, welche Serine oder Threonine
phosphorylieren. CaM-Kinase II wird durch Ca2+/Calmodulin aktiviert und wirkt als
molekulares Gedächtnis. CaM-Kinase kann sich autophosphorylieren und ist so auch noch bei
Abwesenheit von Ca2+ aktiv.
http://www.bio.davidson.edu/courses/Immunology/Flash/IP3.html
FOLIE 35,36 Signalisierung durch Enzymgekoppelte Zelloberflächenrezeptoren:
Enzym gekoppelte Rezeptoren haben ein Transmembransegment. Die cytosolische Domäne
hat entweder eine eigene Enzymaktivität oder vereinigt sich mit einem Enzym. Diese Klasse
von Rezeptoren ist die größte und sie spielen eine große Rolle bei wichtigen Krankheiten wie
Krebs. Die Signalproteine für Rezeptor-Tyrosinkinasen enthalten Wachstumsfaktoren und
Hormone. Wachstumsfaktoren sind kleine Proteine, die in geringer Konzentration Wachstum,
Teilung, Wanderung, Differenzierung und Überleben von Zellen regulieren. Ephrine gehören
zur größten Klasse von Signalmolekülen, die an Eph-Rezeptoren binden, der grössten Klasse
von Rezeptor-Tyrosinkinasen. Eine Bindung eines Signalmoleküls an einen Rezeptor aktiviert
intrazelluläre Tyrosinkinasedomäne, die eine Phosphatgruppe von ATP auf
Tyrosinseitenketten überträgt. Bei Ligandenbindung kommen zwei oder mehr Rezeptorketten
zusammen und bilden ein Dimer oder ein Oligomer oder umgekehrt. Das Umstellen der
Kettenenden der Rezeptoren bewirkt den intrazellulären Signalisierungsvorgang. Die
Kinasedomänden der verschiedenen Rezeptorseitenketten phosphorylieren sich nach
Reorganisation der Struktur gegenseitig (Autophosphorylation). Um Rezeptorkinase zu
aktivieren, muss der Ligand an zwei beieinanderliegende Rezeptor-ketten binden. Die
extrazellulären Signalmoleküle bilden Dimere, Cluster an Proteoglykane oder sind bei der
signalisierenden Zelle Membrangebunden. Die gegenseitige Phosphorylierung der
Tyrosinseitenketten der Rezeptoren erhöht die Kinaseaktivität des Enzyms und die
Phosphorylierung schafft Andockstellen für intrazelluläre Signalproteine. Das intrazelluläre
Signalprotein wird nach dem Binden selbst phosphoryliert und dadurch aktiviert. Insgesamt
bewirkt die Autophosphorylierung eine Ansammlung eines großen intrazellulären
Signalkomplex, der Signale in verschiedene Richtungen sendet.
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