Hormonelle Regulation und zelluläre Signaltransduktion

Hormonelle Regulation und zelluläre
Signaltransduktion
Teil II
1. Allgemeine Prinzipien der zellulären Kommunikation und Signaltransduktion
2. Die G-Protein-gekoppelte Signaltransduktionskaskade: Komponenten und
Mechanismen
3. Durch Defekte in der G-Proteinaktivität verursachte Krankheitsbilder
1. Allgemeine Prinzipien der zellulären Kommunikation und Signaltransduktion
Der Informationsaustausch zwischen den Zellen kann auf elektrischem oder chemischem
Wege stattfinden. Die elektrische Informationsübertragung wird von unserem Nervensystem
für eine schnelle Regulation genutzt, unser Hormonsystem hingegen nutzt zum
Informationsaustausch den langsameren chemischen Weg.
Diese chemische Kommunikation geschieht über Botenstoffe wie Hormone und Mediatoren.
Die klassischen Hormone werden von einer endokrinen Drüse gebildet und ins Blut
abgegeben, wo sie dann an einer anderen Stelle wirken.
Man unterscheidet 4 verschiedene chemische Kommunikationswege.
Endokrine Wirkung:
Der Pankreas schütte Insulin ins Blut aus, welches dann an z.B. Muskeln wirkt.
Als Mediatoren werden Substanzen bezeichnet die
nicht direkt ins Blut abgegeben werden sonder
gleich auf die Nachbarzellen wirken, was man als
parakrine Wirkung bezeichnet.
Eine Mediator produzierende Zelle kann sich aber
auch selber stimulieren was man als autokrine
Wirkung bezeichnet.
Neurotransmitter wirken ebenfalls parakrin. Sie
werden von der Nervenzelle hergestellt und in den
synaptischen Spalt abgegeben. Das Nervensystem
ist im Gegensatz zum Hormonsystem zweisprachig,
es kommuniziert elektrisch und chemisch.
Signaltransduktion
Als Signaltransduktion wird die Übertragung eines hormonellen Signals auf die
entsprechenden Effektormoleküle im Inneren einer Zelle bezeichnet.
Die gleichen Hormone können an verschiedenen Zelltypen unterschiedliche Wirkungen
haben. Das liegt daran, dass das intrazelluläre Zielprotein je nach Zelltyp unterschiedlich auf
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die produzierten second messenger reagieren kann. So führt zum Beispiel eine Erhöhung des
second messenger cAMP in glatten Muskelzellen zu einer Kontraktion, in Herzzellen
hingegen zu einer Erschlaffung.
Innerhalb einer Zelle bewirkt eine cAMP Erhöhung allerdings immer das gleiche, egal durch
welches Hormon diese Konzentrationserhöhung verursacht wurde.
Der Mechanismus der Signaltransduktion ist auch wichtig, um das hormonale Signal zu
verstärken. Ein Hormon, das an seinen Rezeptor bindet, ist in der Lage, viele
Effektormoleküle zu aktivieren und damit – zum Teil sich ergänzende – Effekte im
Zellinneren zu erzeugen.
Man unterscheidet dabei zwischen hydrophilen und lipophilen Hormonen
Hydrophile Hormone:
Bei den Rezeptortypen I-III handelt es sich um Membranrezeptoren, an denen hydrophile
Hormone von außen an die Zelle binden.
Mittels eines second messenger werden dann die Signale ans Zellinnere vermittelt.
Die second messenger greifen direkt in den Zellstoffwechsel ein indem sie vorhandene
Proteine verändern.
Lipohile Hormone
Der vierte Rezeptor liegt intrazellulär und dient lipohilen Hormonen als Andockstelle.
Lipohile Hormone könne die Zellmembran einfach überwinden. Der Hormon-RezeptorKomplex bindet z.B. an die DNA im Zellkern und verändert die Genexpression einer Zelle.
Sie beeinflussen damit die Anzahl bestimmter Proteine in einer Zelle.
Man unterscheidet bei den Hormonen drei verschiedene chemische Grundgerüste:

hydrophile Peptidhormone
Über second messenger wird die Wirkung in das Zellinnere vermittelt, wo sie
dann eine Umstellung des Stoffwechsel bewirken.
Ihr Abbau geschieht entweder im Blut durch Peptidasen oder sie fallen der
Nieren zum Opfer wo sie filtriert, resorbiert und dann intrazellulär abgebaut
werden.
 lipophile Steroidhormone
da sie apolar und im Blut nicht ausreichend gelöst werden können benötigen
sie Proteine um transportiert zu werden. Ein solches Transportprotein ist für
das Kortisol das Transkortin.
Vor der Zielzelle muss sich dann das Steroidhormon von seinem polaren
Transportprotein trennen um die lipophile Schicht der Membran überwinden zu
können.
Die Wirkung besteht in der langfristigen Änderung der Enzymausstatung
bestimmter Zellen, indem deren Expression verändert wird.
Im Rahmen der Biotransformation in der Leber werden sie inaktiviert und dann
über Niere oder Darm ausgeschieden. Im Fordergrund der Metabolisierung der
Hormone stehen dabei die Sulfanierung und die Glukuronidierung.
 Aminosäure-Derivate (bis auf Thyroxin hydrophil)
Entsteht durch chemische Veränderung an einzelnen Aminosäuren.
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Hydrophile Hormone regulieren die Aktivität vorhandener Enzyme, lipophile Hormone die
Menge der Enzyme.
Aktivierung oder Deaktivierung brauchen wesentlich weniger Zeit als die Neuproduktion
eines Enzyms. Daher werden kurzfristige Regulationsaufgaben von hydrophilen,
längerfristige von lipophilen Hormonen übernommen.
Bsp. Adrenalin beim Schreck -> hydrophil, Kortisol bei Dauerstress –> lipophil
Rezeptortypen
Unser Hormonsystem ist nicht in der Lage, irgendwelche Botenstoffe gerichtet an ein
bestimmtes Ziel zu schicken. Für die Selektivität ist allein die Rezeptorverteilung im Körper
entscheidend.
In unserem Körper existieren 4 verschieden Mechanismen, über die eine Hormonwirkung
vermittelt werden kann.
Typ-I-Rezeptor / Tyrosinkinase-Rezeptoren
Die Bindung des Hormons lösen eine oder mehrere Autophosphorylierungen an Tyrosylresten
des Rezeptorproteins aus.
Sie werden also selbst katalytisch aktiv werden.
Insulinrezeptor, das Enzym ist dabei in den meisten Fällen Tyrosinkinase, also ein Enzym,
das tyrosinreste von Proteinen phosphoyliert.
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Typ-II-Rezeptoren / Ligandenaktivierte Ionenkanäle
Werden durch extrazelluläre Liganden
(Signalstoffe) aktiviert:
 Acetylcholin
 Glutamat
 Serotonin
 GABA
Nach der Hormonbildung werden
Ionenkanäle
geöffnet,
was
eine
Depolarisation der Zelle zu folge haben
kann.
Typ-III-Rezeptor / G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
Sie bilden die größte Gruppe an Hormonrezeptoren.
Die Aktivierung der intrazellulären Enzyme übernehmen G-Proteine (Guaninnukleotidbindende Proteine), die von den extrazellulären Hormonen über deren Rezeptor aktiviert
werden.
Die aktivierten Enzyme produzieren dann ihrerseits weitere Botenstoffe, die den
Hormoneffekt in der Zelle auslösen.
Intrazelluläre Rezeptoren Typ-IV
Im Gegensatz zu den membranständigen
Rezeptoren wirken die intrazellulären
Rezeptoren in erster Linie auf DNA-Ebene,
indem sie dort die Expression verschiedener
Gene variieren.
Die Rezeptoren sind im
 Cytosol -> Cortisolrezeptor
 Nucleär
anzutreffen.
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2. Die G-Protein-gekoppelte
Mechanismen
Signaltransduktionskaskade:
Komponenten
und
G-Proteine befinden sich an der Innenseite der Membran. Nach ihrem Aufbau kann man sie
unterscheiden in:
o große heterotrimere G-Proteine
o monomere G-Proteine
Sie machen 80% aller Rezeptoren aus. Über diese Klasse von Rezeptoren binden Liganden
wie: Hormone, Wachstumshormone, Neurotransmitter, autokrine und parakrine Faktoren,
olfaktorische und geschmackliche Stoffe, Photonen.
Liganden sind chemischer und physikalischer Natur, Proteine oder Aminosäuren.
Ihre Aufgabe ist die Übermittlung von Signalen extrazellulärer Rezeptoren in das Zellinnere.
Sinn der Signaltransduktion durch eine Reaktionskaskade über G-Proteine ist zum einen eine
deutliche Verstärkung des Signals (bis zum Faktor 107), weil ein Rezeptor viele G-Proteine
aktiviert, von denen wiederum jedes einzelne unzählige Mengen an primären
Effektorenzymen beeinflusst. Ein weiterer Vorteil der G-Proteine ist, dass sie sich selbst
rechtzeitig „abschalten“ und es so zu keine Daueraktivierung kommt.
G-Protein gekoppelte Rezeptoren sind aus einer einzelnen Peptidkette aufgebaut und
durchdringen die Membran siebenfach.
Ihr N-Terminus liegt extrazellulär, der C-Terminus reicht in den Intrazelulärraum hinein.
Zwischen den sieben Transmembranhelices, die in der Zellmembran ringförmig gruppiert
sind, bilden sich zu beiden Seiten der Zellmembran je drei Schleifen aus. Zwischen fünfter
und sechster Transmembrandomäne befindet sich eine große cytoplastische Schleife, die den
mit dem G-Protein kommunizierenden teil des Rezeptors darstellt.
Am wichtigsten sind die heterotrimeren G-Proteine, welche man in drei Komponenten
aufteilen kann.
Die -, - und -Untereinheiten.
Die -Untereinheit hält dabei im inaktiven Zustand ein GDP gebunden, im aktiven ein GTP.
Lange ist man davon ausgegangen, das nur die -Untereinheit in der Lage ist Effektor
Systeme anzusteuern, neuerdings ist aber bekannt, dass auch die - und -Untereinheiten dazu
in der Lage sind.
Es sind 20 verschiedene Subtypen von G, 6 von G und 12 von G bekannt.
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Aktivierung der heterotrimeren G-Proteine
1. Durch Bindung eines Hormons an die Außenseite erfolgt die Aktivierung des
Rezeptors, wodurch dieser seine Konformation ändert und das GDP von der Untereinheit des G-Proteins abspaltet. Aufgrund der hohen Affinität des
Guaninnucleotid-freien G-Protein zu GTP bindet dieses anstelle des GDP sogleich ein
GTP. Dabei geht es vom inaktiven in seine aktive Form über.
2. Das aktive G-Protein löst sich von der Zellmembran ab und dissoziiert in die aktive GTP-Untereinheit sowie den --Komplex.
3. Die -GTP Untereinheit des G-Proteins stimuliert nun z.B. die Adenylatzyklase und
es kommt zum Anstieg des „second messengers“ cAMP.
4. Um die stimulierende Wirkung zu beenden, muss die aktive -GTP in die inaktive GDP Form überführt werden. Hierzu besitzt das G-Protein eine GTPase, die oftmals
durch ein GTPase aktivierendes Protein aktiviert wird.
5. Die inaktive -Untereinheit lagert sich wieder an die -/-Untereinheit des G-Proteins
an.
Die von der -GTP-Untereinheit aktivierbaren Enzyme sind die Produzenten des second
messenger, die den Zellstoffwechsel beeinflussen.
G-Proteine können eine second messenger stimulierende Gs oder inhibitorische Wirkung
haben Gi.
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Wichtige G-Protein gekoppelte Enzyme sind:
-
Adenylatzyklase welche bei Stimulation cAMP bildet
Guanylatzyklase welche bei Stimulation cGMP bildet
Phospholipase C welche durch Spaltung von PIP2 die second messenger IP3 und
Diazylglycerol synthetisiert.
IP3 setzt nach seiner Bindung an seinem Rezeptor aus einem intrazellulären Speicher Ca2+Ionen frei -> diese aktivieren oder hemmen dann Botenstoffe intrazellulärer Enzyme und
Ionenkanäle.
Diazylglycerol stimuliert Ca2+ abhängig die Proteinkinase C welche die Phosphorylierung
von Proteinen fördert.
Enzymaktivierung am Beispiel von Adenylatzyklase und dem Liganden Glukagon
-
-
-
-
-
Glukagon lagert sich an das N-Terminale Ende des G-Protein gekoppelten Rezeptors
und aktiviert das G-Protein.
Die aktive -GTP-Untereinheit des G-Proteins aktiviert nun
die
Adenylatzyklase,
welche
aus
ATP
durch
Pyrophosphatabspaltung den second messenger cAMP
produziert.
Das cAMP übt dann seinen Einfluss auf die Proteinkinase A
aus.
Die Proteinkinase A liegt in unseren Zellen in inaktiver Form
vor und besteht aus zwei katalytischen (C2) und zwei
regulatorischen (R2) Untereinheiten.
Jeweils vier Moleküle cAMP binden allosterisch an die
regulatorischen Untereinheiten und aktivieren die damit.
Die beiden aktiven katalytischen C-Untereinheiten der
Proteinkinase A gehen dann der Aufgabe eine Kinase nach,
sie phospholrylieren Proteine.
Die Zielproteine der Proteinkinase A sind verschiedene
Proteine des Stoffwechsels, vor allem Enzyme, die durch
Anhängen eines Phosphatrestes aktiviert oder inaktiviert
werden können.
Im Beispiel des Glukagon als Hormons aktiviert die
Proteinkinase A Enzyme für die Glukoneogenese.
Bei der Phosphorylierung von Enzymen handelt es sich um einen molekularen Schalter, durch
den Enzyme einfach und schnell ein- und ausgeschaltet werden können.
Die Gegenspieler der Proteinkinase A sind verschiedene Phosphatasen, die die Phosphatreste
von den Enzymen wieder entfernen.
Entgegen aller bisherigen Aussagen können auch hydrophile
Hormone die Transkription einiger Gene beeinflussen.
Nicht die Hormone selbst, sondern intrazelluläre second
messenger vermitteln die Effekte auf die DNA und die
Genexpression.
Die Proteinkinase A wandert zu diesem Zweck in den Zellkern
und phosphoryliert dort das cAMP-responsive-ElementBindeprotein. Auf diese Weise aktiviert, bindet CREB auf der
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DNA an bestimmte Regionen, wodurch die Genexpression eines bestimmten Gens aktiviert
wird.
Der Abbau des cAMP erfolgt durch die cAMP-spezifische Phosphatdiesterase, die es
hydrolytsich zu AMP spaltet.
Die Zielproteine der PK A werden dann durch den überwiegenden Einfluss der Phosphatasen
zunehmend in die dephosphorylierte Form überführt.
Koffein greift genau an diese Stelle ein, indem es die cAMP spezifische PDE hemmt. Dies
führt zu einem erhöhten cAMP-Spiegel. Folgen z.B. fördert dies in der Leber die
Glucosemobilisation, wodurch der Blutglukosespiegel steigt – man strotzt also nur so vor
Energie und hat keine Lust mehr, sich schlafen zu legen …
Weiter gibt es noch G-Protein gekoppelte Rezeptoren, die Phospholipase C akktivieren.
Phospholipase
C
ist
spezifisch
für
das
MembranPhospholipid PIP2.
Dieses wird gespalten zu Diacylglycerin (DAG) und zu
Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3).
Während DAG in der Membran gebunden bleibt führt
IP3 durch eine Öffnung der Ca2+-Kanälen am ER zu
einer Erhöhung der Ca2+-Konzentration.
Calcium wiederum aktiviert als dritten Botenstoff zusammen mit dem DAG die Proteinkinase
C. Welche spezifische Proteine aktiviert oder inaktiviert.
Die Phopholipase C kann aber nicht nur über G-Protein
abhängige sondern auch über Tyrosinkinase Rezeptoren aktiviert
werden.
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Übersicht über Hormone und second messenger Systeme
Zielgewebe
Hormon
Nebennierenrinde Adrenocorticotropes
second
Wirkung
messenger
cAMP
Cortison-Sekretion
Hormon (ACTH)
Skelettmuskel
Adrenalin
cAMP
Glycogen-Abbau
glatter Muskel
Acetylcholin
IP3
Kontraktion
Mastzellen
Antigen
IP3
Histamin-Sekretion
Blutplättchen
Thrombin
IP3
Aggregation
Herz
Adrenalin
cAMP
Zunahme von
Herzschlagfrequenz und amplitude
Leber
Glucagon
cAMP
Glycogen-Abbau
Leber
Vasopressin
IP3
Glycogen-Abbau
Niere
Vasopressin
cAMP
Wasserresorption
Fettgewebe
Adrenalin, ACTH,
cAMP
Triglycerid-Abbau
Glucagon, TSH
3. Durch Defekte in der G-Proteinaktivität verursachte Krankheitsbilder
Krankheitserreger können mit der
Funktion von G-Proteinen interferieren.
Dafür 2 Beispiele eins für eine Wirkung
auf die Gs-gekoppelten Rezeptoren
und eins für die Gi-gekoppelten
Rezeptoren.
Der Erreger der Cholera Vibrio
cholerae führt zu einer ADPRiboyslierung, wodurch die GTPase
Aktivität blockiert wird und das GProtein in seinem Aktiven zustand
bleibt. Der Abbau von GTP-bindenden
Gs-Proteinen wird verhindert, was zu
einer kontinuierlichen cAMP-Bildung
führt. Dieser second messenger öffnet
im Darm Chlorid-Kanäle und bewirkt so
einen
starken
Wasser
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Elektrolytverlust, was zu Durchfall, Tachykardie, Anurie,
ect. Führt. Die Letalität beträgt unbehandelt 30-60%
Das Pertussitoxin dagegen bindet an Gi-Proteinen, GDP bleibt gebunden, so dass diese die
Adenylatcyclase nicht hemmen können. Im Trachealepithel kommt es dann, vermittelt durch
cAMP, zu stark vermehrter Sekretion, was zu Keuchhusten führt.
Mutationen von G-Proteinen oder deren Effektoren kann zu Tumoren führen, da dann evtl.
andauernde Signale von Wachstumshormonen vorgetäuscht werden und die Zellen sich
unkontrolliert vermehren.
Der Diabetes Typ I hängt mit der Störung eines Gi /Adenylatcylase Systems zusammen.
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