Signal 2 - Uni
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Biologie für Mediziner WS 2012/13 Praktikum 26.11.+ 27.11. Dr. Carsten Heuer: Sinneswahrnehmung, Signaltransduktion Æ Skript Sinne herunterladen !! Download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre/medi1 Biologie für Mediziner WS 2012/13 Teil Allgemeine Genetik 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantwort 9. Enzymgekoppelte Rezeptor-Signalwege 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/ Oberflächenrezeptoren: verschiedene intrazelluläre Signale Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie G-Protein-aktivierte Enzyme • Adenylylcyclase: über Gαs, Gαi ATP Æ cAMP Æ Proteinkinase A • Phospholipase C: über Gαo, Gαq Produktion von Inositoltrisphosphat (IP3) Diacylglycerol (DAG) Æ Durch Enzymaktivierung werden sekundäre Botenstoffe erzeugt Phospholipase C Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Reaktionen der Phospholipase C Stryer (1991) Biochemie, Abb. 38.13 Phospholipase C: Diacylglycerol (DAG) und Inositoltrisphosphat (IP3) Ca++-Anstiege in einer Eizelle nach der Befruchtung durch ein Spermium Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle Kontrolle der intrazellulären Ca++Konzentration im Cytosol ~ 10-7M Calzium-bindende Proteine: Calmodulin Bindung an CaM-Kinase IP3- und Ca++-abhängige Signalwege Campell et al. (2006) Biologie Signale über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Sek. Messenger: cAMP, IP3, Ca++, DAG • Aktivierung von Proteinkinasen: A-Kinase, C-Kinase, CaM-Kinase • Genregulation Anstieg der intrazell. Ca++-Konzentration • durch Ionenkanalrezeptor • durch G-Protein-gekoppelten Rezeptor Æ Unterschied? Anstieg der intrazell. Ca++-Konzentration • durch Ionenkanalrezeptor (µsec) • durch G-Protein-gekoppelten Rezeptor (msec-min) Æ Unterschied? Geschwindigkeit! Signaltransduktion Signale werden von Rezeptoren detektiert und transduziert in intrazelluläre Signale, mit • großer Empfindlichkeit • hoher zeitlicher Koordination und • hoher Spezifität Wie erreicht man Schnelligkeit? Wie erreicht man Empfindlichkeit? Wie erreicht man Spezifität? Schnelligkeit Liganden-abhängige Ionenkanäle: sehr schnelle (µsec), transiente Signaltransduktion Empfindlichkeit G-Proteingekoppelte Rezeptoren: Langsamer, aber gut regulierbare verstärkte Signaltransduktion Stimulation des Glykogenabbaus durch Adrenalin Verstärkung! Spezifität bei Säugern: 21 verschiedene G-Protein α-Untereinheiten Gαs, Gαi, Gαq, Gαo, etc. 12 verschiedene G-Protein γ-Untereinheiten 5 verschiedene G-Protein β-Untereinheiten Spezifität G-Protein aktivierte Enzyme: Adenylylcyclasen (cAMP) Phospholipase C (IP3, DAG) Phospholipase A2 (Arachidonsäure) Phosphodiesterasen (cAMP-, cGMP-Abbau) Beendigung der Reaktion Hydrolyse zu GDP Negatives Feedback = Stopp durch Phosphorylierung Synergismen = Koinzidenzen Zusammenfassung Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren Æ hohe Schnelligkeit G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Æ hohes Maß an Verstärkung Æ hohe Spezifität Æ nicht die schnellsten Rezeptoren Zellantworten (über G-Proteine) schnelle, transiente Zustandsänderungen z.B. durch Phosphorylierungen langsame, langfristige Zustandsänderungen durch Genregulation verändern das Verhalten der Zellen Langsame und schnelle Antworten auf externe Signale Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Oberflächenrezeptoren: verschiedene intrazelluläre Signale Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Enzymgekoppelte Rezeptoren Umfangreichste Klasse: Rezeptor-Tyrosinkinasen: cytoplasmatische Domäne fungiert als tyrosinspezifische Kinase, d.h. phosphoryliert Tyrosinseitenketten ausgewählter Proteine Signalproteine, die über Rezeptor-Tyrosinkinasen wirken Epidermaler Wachstumsfaktor (EGF) stimuliert Proliferation verschiedener Zelltypen Insulin stimuliert Kohlenhydratverwertung und Proteinsynthese Nervenwachstumsfaktor (NGF) stimuliert Überleben und Wachstum von Neuronen Blutplättchen-abgeleitete Wachstumsfaktoren (PDGF) stimulieren Überleben, Wachstum und Proliferation verschiedener Zelltypen Fibroblasten-Wachstumsfaktor stimuieren Proliferation verschiedener (FGF-1 bis FGF-24) Zelltypen Ephrine (Typen A,B) leiten Zell-, Axonmigration Initiation der Mitose Regulation der Cdks Wachstumsfaktoren Initiation der DNA-Replikation Rezeptor-Tyrosinkinase: Aktivierung und Signalbildung • sind nur als Dimere aktiv • werden z.T. nur von dimeren Signalmolekülen aktiviert (PDGF) • aktivieren verschiedene Signalwege gleichzeitig Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie RezeptorTyrosinkinase viele verschiedene Signalwege gleichzeitig Phosphorylierung eines Tyrosins: Bindestelle für SH2-Domänen SH2-Domäne erstmals gefunden im Onkoprotein Src welches Sarcome produziert Proteine mit SH2 und SH3 Domänen SH3-Domänen binden prolinreiche Motive anderer Proteine Rezeptor-Tyrosinkinasen aktivieren Ras, eine Familie monomerer G-Proteine GRB2 Ras: Rat Sarcoma Ras: molekularer Schalter GEF: Guaninnucleotide-exchange factor GAP: GTPase activating enzyme Ras aktiviert eine Phosphorylierungskaskade MAP-Kinase = Mitogen aktivierte Proteinkinase Rezeptoren: Dimere Phosphorylierungskaskaden Genregulation Bedeutung des Ras-Signalweges Blockade von Ras (durch Antikörper) Æ keine Reaktion der Zelle auf Wachstumsfaktoren Daueraktivierung von Ras (hyperaktive Ras-Mutanten) Æ Zellteilungen ohne Wachstumsfaktoren Ras und Produkte im Ras Signalübertragungsweg sind Proto-Onkogene: 30% aller humanen Krebsarten zeigen Mutationen in ras-Genen! Gerüstproteine steigern die Effizienz der Signalübertragung: Beispiel Sprosshefe Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle Komplexität und Verbindungen in intrazellulären Signalkaskaden Alberts et al (1999) Lehrbuch der molekularen Zellbiologie Zusammenfassung Signaltransduktion • Signalmoleküle führen zu spezifischen Antworten in Zellen • Signalübertragung häufig über Proteinkinasen (ca. 2% aller Gene kodieren für Proteinkinasen; in einer Zelle bis zu 1000 verschiedene Proteinkinasen) • Spezifität der Reaktion abhängig von der zellspezifischen Ausstattung mit Rezeptoren und Proteinen der Signalkaskade • Mannigfaltige Interaktion und Integration zwischen verschiedenen parallelen Signalwegen Biologie für Mediziner WS 2012/13 Teil Allgemeine Genetik 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren, Signalantworten 9. Enzymgekoppelte Rezeptor-Signalwege 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download: http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/ Zwei Formen des Zelluntergangs Nekrose Apoptose Nekrose Absterben von Zellen infolge einer Zellschädigung (pathologischer Zelltod) Wie entsteht eine Nekrose? Welche Formen von Nekrosen gibt es? Ursachen einer Nekrose Vielfältig: • UV-Strahlung, Radioaktivität, Verbrennungen; • Gifte (Schlagenbiss), Bakterien; • Nährstoff-, Sauerstoffmangel (Gefäßverengung, Gefäßverschluss) • Ischämie (Minderdurchblutung) führt zu Schwellung der Zellen (Onkose) Æ Nekrose Morphologisches Bild der Nekrose Volumenzunahme Æ Zelle platzt, Karyorhexis (Fragmentierung des Zellkerns) Karyolyse (Auflösung des Zellkerns) Kernpyknose (Verdichtung des Zellkerns) Verlauf der Onkose Æ Nekrose Sauerstoffunterversorgung (Hypoxie, Ischämie) Æ Reduktion der ATP-Synthese Æ Reduktion ATP-abhängiger Ionenpumpen Æ Ca++-Einstrom Æ aktiviert Phospholipasen, ATPasen, Proteasen, Endonucleasen Abfall des pH-Wertes Æ Denaturierung von Proteinen, Aggregatbildung H2O-Einstrom Æ Anschwellen, Platzen Typen von Nekrosen Koagulationsnekrosen (Zellen mit hohem Proteinanteil) Proteine koagulieren, Karyolyse Kolliquationsnekrosen (hoher Fettanteil, z.B. Gehirn) Proteine lysieren, werden verflüssigt, Pyknose gefolgt von Karyorhexis Verkäsende Nekrosen weißlich-krümeliges Aussehen, hohe Glykolipidanhäufung, typisch für Tuberkulose Apoptose • häufige Form von programmiertem Zelltod = „Selbstmord“ der Zelle, physiologischer Zelltod • ohne Überlebenssignale von anderen Zellen Æ Apoptose Apoptose Zelle schrumpft: DNA wird zwischen den Nukleosomen durch Endonuclease in kleine Fragmente gespalten Kernmembran blasig viele Lysosomen Abbau essenzieller Proteine Apoptose bei der Entwicklung der Mäusepfote Apoptotische Zellen in A sind als grüne Punkte sichtbar Alberts et al. (2004) Molekuarbiologie der Zelle Apoptose während der Metamorpose einer Kaulquappe zum Frosch Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle Apoptose Proliferation und Apoptose sind zwei gegenläufige Prozesse in der Entwicklung, die die Größe und Form von Organen bestimmen. Apoptose auslösende Signale und Ziele • Hormone: Glucocorticoide Æ Lymphozyten • Entzug von Östrogenen Æ Brustdrüsen und Entzug von Testosteron Æ Prostata • Viren (HIV-Infekt) Æ Helfer-T-Lymphozyten • Entzug von Wachstumsfaktor (NGF) Æ Neurone Ablauf der Apoptose Liganden (von Killer-Lymphozyten) binden an membranständigen Todesrezeptor Fas Æ Fas-Protein bildet Komplex mit Adaptorprotein Æ aktivieren Pro-Caspase 8 Moleküle Æ aktivieren eine proteolytische Kaskade Mechanismus der Aktivierung von Caspasen Caspase = Cystein-Aspartyl-Proteasen Alberts (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Kaskade von CaspaseAktivierungen Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie Rolle von Proliferation bei Tumorentstehung Mutation in Proto-Onkogen Onkogen Tumore durch unbeschränkte Zellproliferation Einfluss von Apoptose auf Tumorverhalten • Gene die Proteine kodieren, die als Apoptosehemmer wirken, befördern Tumorwachstum • Gene, die Proteine kodieren, die Apoptose fördern, befördern die Regression des Tumors Æ Strategie in Tumortherapie: epigenetic gene silencing: Gewebe-spezifische Inaktivierung von Genen, die Apoptose hemmen Zusammenfassung Nekrose - Apoptose Nekrose = pathologischer Zelltod Schwellung der Zellen (Onkose) Æ Lyse Apoptose = physiologischer Zelltod Schrumpfung der Zellen Fragmentierung, Phagozytose Auslösung: Fas-Rezeptor + Kaskade von Caspase Aktivierungen Æ Strategien zur Tumorbekämpfung Vielen Dank!
