VL Signaltransduktion Michael Altmann

Institut für Biochemie und Molekularbiologie
VL Signaltransduktion
Michael Altmann
FS 2011
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Vorlesung: Signaltransduktion
Prinzipielle Möglichkeiten der interzellulären
Signalübermittlung
a) Kommunikation über interzelluläre Botenstoffe
b) Kommunikation über Gap-Junctions
c) Kommunikation über Oberflächenproteine
Aus: Krauss S. 124
Endokrine, parakrine und autokrine
Signalübertragung
a) Endokrine Signalübertragung: das Hormon wird in
dem spezialisierten endokrinen Gewebe gebildet, an
den Extrazellulärraum abgegeben und über das
Gefässsystem zu den Zielzellen transportiert.
b) Parakrine Signalübertragung: das Hormon gelangt
durch Diffussion zu den Zielzellen, die sich in enger
räumlicher Nachbarschaft zur hormonproduzierenden
Zelle befinden.
c) Autokrine Signalübertragung: das Hormon wirkt auf
den selben Zelltyp, in dem es gebildet wurde.
Aus: Krauss S. 136
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Signaltransduktion
Komponenten der intrazellulären Signalübertragung
(schematisches Beispiel)
-Rezeptoren sind transmembränere Proteine, die eine Kommunikation
zwischen Umgebung und das Zellinnere ermöglichen. Der Empfang
eines extrazellulären Signals durch einen membranständigen Rezeptor
aktiviert ihn für die weitere Signalleitung. Nach Bindung des
Liganden/Hormons wird der Rezeptor aktiviert
(Konformationsveränderung) und gibt das Signal an nachgeschaltete
Effektorproteine E (E1 und E2 sind sog. Transduktoren) weiter. Die
Signalleitung vom Rezeptor läuft vielfach membranassoziert ab. -An der Verknüpfung der Effektorproteine können auch
Adaptorproteine beteiligt sein. Mit Hilfe des gebundenen Adapters
wird eine katalytische Einheit aktiviert (E3), die durch Konversion von
A in B einen signalamplifizierenden intrazellulärer Botenstoff (=
„second messenger“) produziert, der wiederum ein cytoplasmatisches
Enzym (E4), zB. eine Kinase aktiviert. 3
Signaltransduktion
Membranständige Rezeptoren
a) G-Protein gekoppelte Rezeptoren: Der Ligand bindet an die
extrazelluläre Domäne eines Transmembranrezeptors, wodurch der
Rezeptor für die Signalübertragung zur cytosolischen Seite aktiviert
wird. Die cytosolische Domäne des Rezeptors aktiviert ein
heterotrimeres G-Protein (alpha-Untereinheit), das wiederum ein
Effektorprotein (meistens ein Enzym) aktiviert. Bsp: Adrenalin
-Rezeptor
b) Rezeptoren mit intrinsischer Kinaseaktivität: Der Ligand bindet an
die extrazelluläre Seite eines Rezeptors, der im cytosolischen Teil eine
intrinsische Kinaseaktivität hat. Die cytolischen Teile des Rezeptors
werden autophosphoryliert, wodurch ein Effektorprotein binden kann.
Dadurch kann dieser (oft durch die intrinsische Kinaseaktivität des
Rezeptors phosphoryliert) weitere Proteine aktivieren. Bsp: Insulin
-Rezeptor.
c) Rezeptoren mit assozierter Kinaseaktivität: Der Ligand bindet an die
extrazelluläre Seite des Rezeptors, der wiederum eine assozierte Kinase
aktiviert. Dadurch wird der cytosolische Teil des Rezeptors
phosphoryliert, wodurch wiederum Effektorproteine aktiviert werden.
Bsp: Wachstumshormon-Rezeptor.
Beim Typus b) und c) handelt es sich meistens um sog. Tyrosin
-Kinasen, da Tyrosinreste (am OH-Rest der Seitenkette durch
Veresterung mit Phosphat) phosphoryliert werden.
Bei allen diesen Aktivierungstypen handelt es sich um
Reaktionskaskaden, die über mehrere intrazelluläre Schritte
weitergeleitet und amplifiziert werden.
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Signaltransduktion
Signalamplifikation bei der intrazellulären
Weiterleitung
Auf einen auslösenden Stimulus hin wird in der
signalgebenden Zelle das Signal in Form eines
chemischen Botenstoffes erzeugt. Der Botenstoff (first
messenger)wird sekretiert und zur Zielzelle
transportiert, wo das Signal in einer definierten
biochemischen Reaktion umgesetzt wird, die die
Produktion eines zweiten intrazellulären Botenstoffes
(second messenger) auslöst. Als Beispiele für second
messenger dienen cAMP oder InsP3. Diese aktivieren
wiederum intrazelluläre Enzyme wie zB. Protein
-Kinase A oder öffnen ligandengesteuerte Ca2+-Kanäle.
Die daraus resultierenden zellulären Antworten
manifestieren sich in Veränderungen • der Genexpression
• des Stoffwechsels
Nicht wiedergegeben sind Prozesse der Termination oder
Regulation der Signalamplifizikation, die auf allen
Stufen wirksam sein können.
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Signaltransduktion
Organisierte Kinasekaskaden
- Ein gut untersuchter Signalübertragungsweg geschieht über sog.
mitogen-aktivierte Proteinkinase-Kaskaden (MAPK-Kaskaden).
Dabei sind mehrere Kinasen hintereinander geschaltet, die sich
wiederum mit Hilfe eines Scaffold-Proteins in nächster Nähe
befinden. - Die Kinasen-Kaskaden können sowohl durch aktivierte G-Proteine
wie zB. Ras, Rho oder Cdc42 (kleine, monomere G-Proteine; siehe
auch Tab 25.3 im L&P) wie auch durch Rezeptorkinasen
(intrinsische oder assozierte) ausgelöst werden.
- MAP-Kinasen sind in einer Vielfalt von wachstumsfördernden
Bedingungen, aber auch bei Stressreaktionen involviert.
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Das Prinzip der Signaltransduktion
G-Proteine als molekulare Schalter
- G-Proteine sind oft in
Signaltransduktionsvorgängen hormoneller
aber auch nicht-hormoneller Art involviert.
Es gibt verschiedene Typen von G-Proteinen
(heterotrimere Proteine, kleine G-Proteine,
etc.).
- G-Proteine sind in aktiver Form mit GTP, in
inaktiver Form mit GDP beladen. Mit Hilfe
einer GTPase (GAP) wird GTP zu GDP und
Pi hydrolysiert. Zur Wiederaktivierung des G
-Proteins wird mit Hilfe eines
Guaninnukleotid-austauschenden Proteins
(GNRP/GEF) GDP gegen GTP ausgetauscht.
-> GAPs sind negative Effektoren, GNRPs
sind positive Effektoren der G-Protein
-Aktivität.
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Das Prinzip der Signaltransduktion
Heterotrimäre G-Proteine als Stimulatoren und als Inhibitoren
- G-Proteine können sowohl in stimulierende wie auch hemmende Transduktionsreaktionen involviert sein, die
entsprechenden Rezeptoren für entgegengesetzte Reaktionen können in der Membran ein- und derselben Zellart
vorkommen (siehe Abb. 25.17 L & P). -Interessanterweise erfolgt die Informationsübertragung in beiden Fällen nach dem gleichen Muster. Durch die
Interaktion des Effektors/Liganden mit dem Rezeptor wird dessen GEF-Aktivität induziert. GDP dissoziert ab und
GTP wird dafür gebunden, der heterotrimäre Komplex zerfällt in alpha bzw. beta-gamma Untereinheiten. Je nach
Rezeptor kann die aktivierte alpha-Untereinheit entweder die Adenylatcyclase aktivieren oder inhibieren.
-Eine intrinsische GTPase-Aktivität der alpha-Untereinheit spaltet GTP zu GDP und anorganischem Phosphat, es bildet
sich wieder der inaktive heterotrimäre Komplex.
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Signaltransduktion: cAMP (Beispiel für einen „second messenger“)
Aktivierung der Adenylatcyclase
- Ein durch G-Proteine häufig beeinflusstes System ist das
der Adenylatcyclase. Heterotrimäre G-Proteine aktivieren
eine membranständige Adenylatcyclase, die unter
Abspaltung von PPi ATP in cyclisches AMP verwandelt.
cAMP ist der „2. Messenger“ (der „1. Messenger“ ist das
Hormon, das den Rezeptor aktiviert), der die
Signalreaktion amplifiziert.
- Als (dämpfender) Gegenspieler der Adenylatcyclase
dienen Phosphodiesterasen, die cAMP in offenes 5‘-AMP
verwandeln und somit inaktivieren.
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Signaltransduktion: cAMP (Beispiel für einen „second messenger“)
Aktivierung der Proteinkinase A durch cAMP
- cAMP bindet an die regulatorische Untereinheiten der Proteinkinase A, PKA abgekürzt. Somit trennen
sich die katalytischen C-Einheiten vom inaktiven PKA-Komplex, die somit Substratproteine binden und
phosphorylieren können. - Eine Vielzahl von metabolisch wichtigen Enzymen wird durch PKA-Phosphorylierung aktiviert oder
inaktiviert. Als Beispiel dienen die im Glycogen-Stoffwechsel involvierten Gegenspieler
-Schlüsselenzyme Glycogen-Phosphorylase (durch Phosphorylierung aktiviert) und Glycogen-Synthase
(durch Phosphorylierung inaktiviert).
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Retinol / Vitamin A
Zyklus des Retinals
Stäbchen aus der
Retina
Vitamin A, das wir mit der Nahrung in Form des
Provitamins beta-Carotin oder als Retinol
aufnehmen, kommt als 11-cis- bzw. all-trans-Retinal
in den stäbchenförmigen Sinneszellen der Retina des
Auges vor. Dort liegt es kovalent an das Protein
Opsin gebunden vor. Beide zusammen bilden das
Sehpigment Rhodopsin. -Bei Belichtung der Membran wird der
Photorezeptor aktiviert (R*), es kommt zu einer
Stereoisomerisierung des 11-cis- zur all-trans-Form
des Retinals, das in einer Reaktionskette
schliesslich vom Opsin abgespalten wird.
-Die Regenerierung des Rhodopsins erfolgt durch
eine enzymatische Isomerisierung der all-trans- zur
cis-Form. Bei sehr starker Belichtung kann es zu
einer Reduktion des Retinals zu Retinol kommen,
das mit Hilfe einer NAD+-abhängigen
Retinoldehydrogenase zum Retinal rückoxidiert
wird.
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Retinol / Vitamin A
Reaktionskaskade bei der Reizübertragung in
photosensiblen Zellen
-Eine der zwischenaktiviererten R*-Formen ist für die
Signalübermittlung verantwortlich.
-Die R*-Form aktiviert das heterotrimäre G-Protein
Transducin, das durch vorübergehende Ablösung der alpha
-Untereinheit eine cGMP-abhängige Phosphodiesterase
aktiviert, was zu einem Abfall der cGMP-Konzentration
führt.
-Der cGMP-Abfall führt zu einer Schliessung von
Ionenkanälen, einem Abfall der intrazellulären Ca2+
-Konzentration und zu einer Hyperpolarisierung der
Sehzelle. Dies hat wiederum zur Folge, dass weniger
Glutamat an der Synapse zwischen Photorezeptorzelle und
afferenten Neuronen der Retina freigesetzt wird, was als
„Lichtsignal“interpretiert wird.
-Weitere Funktionen von Vit-A-Derivate: Vitamin-A-Säure
-Derivate, sog. Retinoide, können via Aktivierung
spezifischer Transkriptionsfaktoren die Expression
unterschiedlicher Gene beeinflussen.
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Signaltransduktion: InsP3 (weiteres Beispiel für einen „second messenger“)
Biosynthese und Spaltung von PIP2 - Hauptwirkung von Inositol-(1,4,5)-triphosphat (InsP3) ist die Erhöhung des intrazellulären Ca2+-Spiegels, das
wiederum verschiedene Enzymaktivitäten beeinflusst.
- Nach Aktivierung des Rezeptors durch den jeweiligen Liganden wird über ein heterotrimäres Protein (nicht in
der Abb. gezeigt) eine Phospholipase C (PLC) aktiviert, die PIP2 zu Diacylglycerol (DAG) und InsP3 spaltet.
InsP3 bindet an intramolekulare Ca2+-Kanäle, es kommt zur vorübergehenden Ca2+-Ausschüttung.
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Signaltransduktion: InsP3 (Beispiel für einen „second messenger“)
Wege zur Erhöhung und Erniedrigung der
cytosolischen Ca2+-Konzentration -Der Einstrom von Ca2+ aus dem Extrazellulärraum
oder aus Speicherorganellen in der Zelle erfolgt über
Ca2+-Kanäle. In der Zelle ist InsP3 der Ligand, der an
den Membranrezeptor bindet und somit das
Ausströmen von Ca2+- ins Cytosol ermöglicht. Von
aussen einströmendes Ca2+ (Ionenkanal durch weitere
Liganden geöffnet) kann in der Zelle auch an den
InsP3-Rezeptor binden und somit den Ca2+-Einstrom
verstärken. - Das einströmende Ca2+ bindet zB. in Muskelzellen an
Troponin oder in Nichtmuskelzellen an Calmodulin
(CaM), das wiederum CaM-Kinasen aktiviert, die eine
Vielzahl von Enzymen in ihrer Aktivität beeinflussen. Für den Rücktransport von Ca2+-Ionen sorgen ATP
-abhängige Ca2+-Transporter. Krauss, S. 232
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Signaltransduktion von Tyrosinkinase-Rezeptoren / Proteinkinase C
Mechanismus der Aktivierung der Proteinkinase C durch Tyrosinkinase-Rezeptoren
Die Aktivierung der Proteinkinase C (abgekürzt PKC; bestehend aus einer Familie von mindestens 12
Isoformen; spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation von Wachstum und Zelldifferenzierung)
erfolgt über eine komplexe Reaktion von Membranlipiden und Kinasen (siehe Abb.). PKC wird durch
DAG und Ca2+ aktiviert.
Wieviele Kinasen sind in dieser Kaskade involviert?
Was sind die jeweiligen Substrate der Kinasen?
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