Intrazelluläre Signalwege Flashcards
Rezeptorklassifizierungen
Funktionsprinzipien von Rezeptoren [Ionenkanal-, G-Protein-, Kinase-gekoppelte Rezeptror, Intrinsische katalytische Aktivität]
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) [Allgemein, Funktion]
Zelloberflächenrezeptoren, die nach Bindung eines extrazellulären Liganden intrazelluläre heterotrimere G-Proteine aktivieren und damit Stoffwechselveränderungen induzieren
ca. 1000 GPCR Gene im humanen Genom
geringer Grad an Sequenzhomologie
55% aller GPCR sind olfaktorisch
vermitteln Signale, welche die Funktion verschiedener funktioneller Systeme des Organismus beeinflussen
Sinneswahrnehmung (Sehen, Riechen, Schmecken)
ZNS (Neuronenfunktionen)
VNS (Neuronenfunktion)
Immunsystem (Lymphozytenfunktion)
Zell-Zell-Interaktion (Adhäsion)
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR) [Aufbau, Wirkung]
7 Transmembranhelices (7 TM-Rezeptoren) außen: 3 Exoloopdomänen + N-terminales Peptid (Ligandenbindung) innen: 4 Cytoloopdomänen + C-terminales Peptid (Phosphorylierung) Zytoloop 4 über Membrananker (Palmitinsäure) fixiert (lipid rafts)
Ligandenbindung induziert Konformationsänderung für G-Proteinbindung -> G-Protein verändert Konfirmation, GDP dissoziiert und GTP bindet -> Abspaltung der α-UE (aktiviert) -> inaktivierte α-UE mit GDP setzt wieder an und kann erneut von GPCR aktiviert werden solange Ligand gebunden ist
G-Protein
GTP-bindende Proteine, die eine Schlüsselstellung bei
der intrazellulären Signalwandlung einnehmen und
Informationen zwischen Rezeptoren und Effektor-proteinen vermitteln. Dabei wird GTP meist hydrolysiert
4 Gruppen: inhibitorische Gi (hemmen AC), GS(aktivieren AC), Gqaktivieren PLC), G12,13(aktivieren Rho)
monomere und heterotrimere G-Proteine
heterotrimere:
- membrangebunden (Ankerhelices)
- 3 verschiedene Untereinheiten
- 20 α-,5 β- und 10 γ-Isoformen
- Signalwandlung (GPCR)
Ligand bindet an Rezeptor
- >Konformationsänderung des Rezeptors und Bindung des G-Proteins (Aktivierung des G-Proteins)
- > G-Protein dissoziiert vom Rezeptor und GDP wird durch GTP ersetzt (ist nun aktiviert) und a- Untereinheit dissoziiert von ß- und g-Untereinheit ab
α-Untereinheit kann sich nun zum Effektorprotein bewegen, aufgrund des Lipidankers aber nicht von Membran entfernen und bindet am Effektorprotein
Durch GTPase-Aktivität wird GTP langsam in GDP + Pi hydrolisiert
inaktive α-Untereinheit assoziert wieder mit β- und γ-Untereinheit ist für erneute Aktivierung bereit (Signalkaskade + ~amplifizierung)
Ist Ligang noch gebunden, beginnt Zyklus von neuem (=> schon bereits hier ist Verstärkung des Signals möglich, denn: 1 Ligand =>mehere G-Proteine können Signal weiterleiten)
Es kann auch während das 1. G-Protein aktiviert ist ein weiteres inaktives G-Protein binden und ebenfalls aktiviert werden (ebenfalls Signalverstärkung)
Adenylatzyklasen (AC)
ATP-spaltende Enzyme (Lyasen), die sowohl in Pro- als auch in Eukaryonten vorkommen
produzieren cAMP und werden in 3 Hauptklassen (I, II, III) eingeteilt. Die eukaryotischen AC sind Vertreter der Gruppe III
AC verfügt über zwei Transmembrandomänen + 2 katalytische Domänen, die Substrat (ATP), Hemmstoffe (Adenosin) und Aktivatoren (Forskolin) binden
cAMP
sekundärer/zweiter Botenstoff (second messenger)
Synthese durch Adenylatkinase (AC) aus ATP zu cAMP + Diphosphat
Abbau durch Phosphodiesterase (PDE) zu AMP
aktivieren Proteinkinase A
(cGMP: Synthese durch Guanysilkinase und Abbau durch PDE 4 -> Inaktivierung der MLC-Kinase und Aktivierung der MLC-Phosphatase -> Glattmuskelrelaxion (Vasodilatation))
Phospholipase C (PLC)
katalysiert die Hydrolyse von Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (Membranphospholipid) zu 1,4,5-Inositoltrisphosphat (IP3) und Diacylglyzerol (DAG)
vorrangestellte Reaktion: Phosphoinositol (PI) + 2 ATP durch PI-Kinase zu PI-4,5-bisphosphat (PIP2)
PIP2 durch PLC zu IP3 + DAG
1,2-DAG:
- second messenger
- Abbau durch DAG-Hydrolase zu Glyzerol + FS
- aktiviert Proteinkinase C
1,4,5-Inositoltriphosphat:
- second messenger
- Abbau durch Phosphatase zu Insositol + Phosphat
- Ligand eines ligandengesteuerten Ca2+-Kanals in Membran des ER -> Ca2+ Anstieg im Zytosol
Choleratoxin
hemmt GTPase Aktivität der G-Proteine (Gαs-UE) durch ADP-Ribosylierung (aus NAD) -> G-Protein bleibt aktiviert -> aktiviert weiter die Adenylatcyclase (AC) -> vermehrt cAMP -> verstärkter/gehemmter Einbau/Aktivität von membrankanälen, zB wird CFTR vermehrt eingebaut -> verlust Cl- und Wasser -> Dehydratation, Elektrolytmangel -> klinisches Bild Cholera
Hormone
biochemische Signalsubstanzen
Synthese ind spezialisierten Zellen (zB Drüsen)
Freisetzung ins Blut (oder zT in interstitiellen raum
Transport über große Distanz möglich (im Gegensatz zu neurotransmittern)
biologische Wirkung über zelluläre Rezeptoren & Signaltransuktionssystemen
Spezifität & Konzentrations-Wirkungsbeziehung
Große Wirkung- kleinste Konzentrationen (nM-fM)
Estradiol
- (weibliches) Sexualsteroidhormon (C18, aromatischer Ring)
- Expression des weibichen Phänotyps; Effekte aber auch beim Mann
- in Ovarien, Fettgewebe, etc aus Cholesterol (C27) synthetisiert; Bildung aus Androgenvorläufern durch Aromatase
- durch zellmembran freigesetzt (?)
- gebunden im Blut durch Sexualhormone-bindendes Globulin (SHBG)
- wirken auf nukleäre Rezeptoren Estradiolrezeptoren ERα, ERβ, Ligandenabhängige homodimere Transkriptionsfaktoren; Plasmamembran und cytosolische Kinasekaskaden
- bewirkt Zelldifferenzierung, Proliferation, Permission; Reproduktionsfunktionen, Knochenachstum, Stoffwechsel
- Abbau durch Oxidation und Sulfatierung
Endogene Estrogene
Steroidhormongruppe, die an Estrogenrezeptoren (ER) bindet
3 Arten (E1,2,3)
E1: Estron
- Prädominantes Estrogen im Blut nach der Menopause, ensteht aus Androstendion oder durch Oxidation von Estradiol (E2); schwaches Estrogen
E2: Estradiol-17β
- Primäres Estrogen, produziert im Ovar
E3: Estriol
- schwaches Estrogen, zur Behandlung (post-)menopausaler Symptome
Sexualhormone [Funktion,Synthese]
Funktionen:
- jegliche phänotypische Differenzierung in der Embryogenese zwischen männlich und weiblich ist ausschließlich vom Vorhandensein beziehungsweise der Abwesenheit der Wirkung männlicher Sexualhormone abhängig
- Androgene
- Ausbildung des männl. Phänotyps und männl. Verhaltensweisen
- Östrogene & Gestagene
- Ausbildung des weibl. Phänotyps und weibl. Verhaltensweisen
- Regulation des Menstruationszyklus und der Schwangerschaft (s. Bild)
Prozess
- Cholesterol (C27)
- Dehydrogenase
- Progresterone (C21)
- Dehydrogenase
- Androgene (C19)
- Aromatase (irreversibel)
- Estrogene (C18)
- Oxidation zu weiteren Formen
Orte
- Ovarien (Androgenvorläufer, Estrogen)
- Testes (Androgene)
- Nebennierenrinde (Androgenvorläufer)
- Fettgewebe, Brustdrüsen
Beispiele: Estradiol (primäres estrogen
geschlechterspezifische kardiovaskuläre Symptome
bei Frau:
- Übelkeit, Erbrechen Atemnot ungewöhnl. Müdigkeit Schwindel Schmerzen im Oberbauch, Hals, Kiefer, Nacken
bei Mann:
- Atemnot ungewöhnl. Müdigkeit Schwindel Schmerzen im Oberbauch, Hals, Kiefer, Nacken, Blässe kalter Schweiß Schmerzen in Brust, linken Arm Bewusstlosigkeit
Wirkung von Steroidhormonen über Kernrezeptoren [klassischer Weg]
Hormon bindet an neukleären Rezeptor/Chaperon-Komplex (NR/Hsp-Komplex). das Chaperon geht nach vollständiger Bindung ab und der Hormon-Rezeptor-Komplex bindet mit einem weiteren Komplex zu einem Dimer -> gelangt über Kernporen in Nukleus und bindet dort mit Koaktivatoren und RNA Polymerase an hormonresponsive Elemente -> Genexpression
Signalübertragung durch Estradiol Rezeptoren
- A: klassischer Weg
- B: ER interagiert mit anderen Transkriptionsfaktoren (TF) (z.B. AP1)
- C: E2-unabhängige ER Aktivierung durch ER Phosphorylierung (P) induziert durch Wachstumsfaktor Rezeptor Tyrosinkinase (RTK) Signalübertragung (z.B. EGF)
- D: membranassoziierte ER rekrutieren Proteinkinasen (z.B. Src, PI3K) und aktivieren cytosolische Kinasekaskaden (Akt, ERK): “schnelle Signalünertragung”
- RE: Response Element
- P: Phosphorylierung
- CoReg: Coregulatoren
- Hsp90: Hitzeschockprotein90
- ER: steht fürERα & ERβ
Beeinflussung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen
Die Bildung von Ligand-Rezeptor-Komplexen erfolgt über nicht-kovalente Bindungen, korreliert mit der Signalstärke und ist von verschiedenen Parametern abhängig:
- Konzentration des Liganden
- Rezeptordichte
- Bindungsaffinität (KM-Wert)
Affinität:
- Maß für die Bindungsstärke
- durch die Dissoziationskonstante KD beschrieben
- Stärke der intermolekulare Wechselwirkungen
Signalumwandlungsmechanismen verschiedener Rezeptor
- 7TM-Rezeptoren (Glukagon, Adrenalin): Nukleotidaustausch (G-Proteine)
- Rezeptortyrosinkinasen (Insulin, EGF): Substratphosphorylierung
- Tyrosinkinase-assoziierte Rezeptoren (TNF): Aktivierung einer Kinase
- ligandengesteuerte Ionenkanäle (IP3-Rezeptor): Regulation des Ionenflusses
- Guanylatcyclasen (NO): cGMP-Synthese
Glukagon-Rezeptor
Glukagon bindet an Glukagon-Rezeptor -> Nukleotidausstausch und bdissoziation GαS-UE -> aktiviert Adenylatkinase, die ATOP zu cAMP spaltet -> cAMP wirkt auf Proteinkinase A -> Hemmung Glykolyse, Glykogenbiosynthese und Aktivierung Glukoneogenese und Glykogenabbau
Insulinrezeptor
ein Membranprotein (Kinase-gekoppelter Rezeptor)
bei Insulinbindung an die α-Untereinheit gibt es eine Konfirmationsänderung, die β-Untereinheiten phosphorylieren sich gegenseitig (trans-Autophopholysierung) und werden dadurch aktiviert.
Nach Aktivierung werden auch die benachbarten Kinase-Domänen phophoryliert, die dann Insulinrezeptorsubstrate aktivieren können, die dann wiederum eine Signalkaskade beginnen
→ dadurch kommt es zB zu einer vermehrten Gucose-Transporter Synthetisierung und Einbau in die Zelmmembran (außerdem Glycogen- und fettsynthese und die verminderte Bildung von Glucose aus Glycogen und Fett) → Blut-Glucose-Spiegel geht runter
Erythropoetin-Rezeptor
gehört zur Superfamilie der Zytokinrezeptoren
besteht aus einer extrazellulären, einer transmembranen und einer intrazellulären Domäne
Signalweiterleitung nach Bindung von Erythropoetin an seinen Rezeptor erfolgt mittels Tyrosinphosphorylierung, welche eine intrazelluläre Signalkaskade in Gang setzt
normalerweise besitzen Rezeptoren eigene (intrinsische) Tyrosinkinase-Aktivität -> sonst übernimmt es die rezeptorassoziierte Januskinase -> phosphorylieren Tyrosine
Phosphotyrosine stellen Bindungsstellen der SRC-Homology (SH2)-Domänen von Signaltransduktion und Aktivatoren der Transkription (STAT) da -> Entstehung eines aktiven STAT-Dimers -> wirken als Transkriptionsfaktoren an der DNA -> genexpression
Ablauf der intrazellulären Verarbeitung von Stressreizen
- Sensor: nimmt Stressreiz wahr
- Vermittler: leitet Stresssignal weiter
- Effektor: löst Reaktion auf Stressreiz aus
- Sofortantwort: kurzfristige Lösung eines Problems, kurzzeitiger Stresseinfluss
- verzögerte Antwort: langfristige Lösung eines Problems, langzeitiger Stresseinfluss
ionisierende Strahlung als Stressreiz
Teilchen- oder elektromagnetische Strahlung wie z. B. Röntgen
Folgen: DNA-Doppelstrangbrüche,Translokation
langfristige Antwort/Verarbeitung: Zellzyklusarrest (Zelle mit geschädigter DNA verbleibt in einer Phase des Zellzyklus bis Reparatur erfolgt ist, um Beginn der Mitose zu verhindern) oder Apoptose
Hitze als Stressreiz
Folgen
- Denaturierung der Proteine
- Proteine werden nach Translation nicht mehr korrekt gefaltet
- gefaltete Proteine verlieren Quartär-, Tertiär- und Sekundärstruktur
- entfaltete Proteine verlieren enzymatische Funktion
- entfaltete Peptidketten exponieren hydrophobe Bereiche und bilden Aggregate (lockere Zusammenlagerungen) -> Aggregate sind zytotoxisch
- Umstrukturierung des Zytoskeletts
- Fragmentierung von Golgi und ER
- Reduktion der Zahl an Mitochondrien
- Veränderung des Metabolismus
- Sequestrierung (Abkapselung) von ribosomaler RNA und Protein in „Stress Granules”
- Zellmembran wird „flüssiger”
osmotischer Stress
Zellen müssen osmotisches Gleichgewicht beibehalten
Folgen:
- DNA-Schädigung
- Störung der DNA-Reparatur
- Zellzyklusarrest
- Apoptose
- Störung der mitochondrialen Funktion
- Störung des Zytoskeletts
- oxidativer Stress
mechanische Belastung als Stressreiz
Druck und Dehnung, Reibung
Folgen
- Proliferation (schnelleres Zellwachstum)
- Differenzierung
- Matrixsynthese
- Mineralisierung
- Apoptose
Zellverhalten bei Stressreizen
β-Blocker
β-Adrenozeptoren blockieren und so die Wirkung des “Stresshormons“ Adrenalin und des Neurotransmitters Noradrenalin hemmen
Senkung HF und RR
bei Hypertonie und KHK
β-Agonist
β2-Sympathomimetika
Imitierung der Wirkung der Catecholamine Adrenalin und Noradrenalin im Sympathikus über eine Aktivierung von β2-Adrenozeptoren
wirkt bronchodilletatierend
eingestzt bei Asthma bronchiale und COPD
schnell wirksame Medikamente: Salbutamol, Fenoterol und Reproterol
Corticoide
Hormone, die Einfluss auf den Stoffwechsel, das Herz-Kreislauf- und Nervensystem und den Wasser- und Elektrolythaushalt habe
Gruppe von ca. 50 in der Nebennierenrinde (adrenaler cortex) gebildeten Steroidhormonen sowie chemisch vergleichbarer synthetischer Stoffe. Alle Corticoide entstehen dabei aus dem Ausgangsstoff Cholesterin
- Mineralocorticoide (Hauptvertreter Aldosteron): Beeinflussung Kalium-Natrium-Haushalt -> Wassergehalt des Körpers
- Glucocorticoide (Hauptvertreter Cortisol): wichtige Wirkungen im Glucose-, Lipid- und Proteinstoffwechsel
- Androgene (Hauptvertreter Dehydroepiandrosteron (DHEA)) und Estrogene
intrazellulärer Rezeptor (Kernrezeptor
Transkriptionsfaktoren, die erst durch Bindung eines Liganden (meist Hormone) in Lage sind, an DNA zu binden und Transkription eines oder mehrerer Gene unterdrücken/ in Gang bringen
Unterscheidung nach Wirkmechanismus (Ligand im Zytosol gebunden oder bereits im Zellkern gebunden an DNA ):
- klassische Steroidrezeptoren (z. B. Androgenrezeptor)
- befinden sich im inaktiven Zustand an Hitzeschockproteine gebunden im Zytoplasma
- nach Bindung ihres Liganden wird Hitzeschockprotein abgetrennt
- Rezeptor transloziert in Zellkern unb bindet als Dimer an DNA
- Kernrezeptoren (z. B. Estrogenrezeptor)
- befinden sich bei Ligandenbindung bereits im Zellkern
- haben Zinkfinger-Strukturmotiv, das an DNA-Basensequenz bindet
Rezeptor [Definition]
Protein oder Proteinkomplex, welcher verschied. Teilchen oder Signalmoleküle binden kann und eine Reaktion auslöst (zB autophosphorylierung, Neukleotidaustausch, …)
befindet sich in Zellmembran oder Zellplasma
Ligand [Definition]
Protein, das an Rezeptor binden kann und dadurch die Konfirmation des Rezeptors verändert -> Reaktion
Ligand-Rezeptor-Komplex [Definition]
Verbindung von Ligand und Rezeptor, die Signaltransduktion in Zelle aktiviert
Affinität [Definition]
Bindungsstärke zwischen Ligand und Rezeptor
beruht auf intermolekularen Wechselwirkungen
intrinsische Aktivität [Definition]
Wirkstärke eines Ligand-Rezeptor Komplexes
Agonist [Definition]
Ligand, der durch Besetzung eines Rezeptors Signaltransduktion in der Zelle aktiviert
stabilisiert den aktiven Zustand des Rezeptors
Antagonist [Definition]
Kompetitiver Antagonist: Ligand, der an Liganden-Stelle des Rezeptors bindet und diesen reversibel hemmt ohne selbst einen Effekt auszulösen und vom Rezeptor durch einen Agonisten wieder verdrängt werden kann
Nicht-kompetitiver Antagonsit: Ligand, der an Rezeptor bindet (nicht unbedingt an Ligand-Stelle) und diesen hemmt ohne selbst einen Effekt auszulösen und vom Rezeptor nicht verdrängt werden kann
inverser Agonist [Definition]
Ligand, der an spontan aktiven Rezeptor bindet und zu dessen Inaktivierung führt
stabilisiert den inaktiven Zustand des Rezeptors
Pharmakodynamik [Definition]
Pharmakokinetik: beschreibt, was Körper mit Arznei macht
Pharmakodynamik: beschreibt, was Arznei mit Körper macht
Glukokortikoid-Rezeptor
intrazellulärer Hormonrezeptor, der Glukokortikoide bindet
gehört zur Klasse der Liganden-aktivierten Transkriptionsfaktoren (nukleären Rezeptoren Typ 1)
Nukleäre Rezeptoren benötigen zum Funktionieren zunächst zwei Domänen, eine, die an der DNA und eine, die am Liganden bindet. Des Weiteren gibt es noch eine N-terminale Domäne, eine Hinge Region und eine C-terminale Domäne
In Abwesenheit seines Schlüsselhormons ist der Glukokortikoid-Rezeptor im Zytosol an HSP90 und HSP70 gebunden. Nach dem das Glukokortikoid an den Rezeptor gebunden ist -> aktiviert wird, werden diese Begleitproteine freigesetzt
- Möglichkeit: Transaktivierung -> zwei aktivierte Glukokortikoid-Rezeptoren bilden ein Homodimer, das aktiv in den Zellkern transportiert wird -> Dimer beeinflusst direkt die DNA, indem es an hormonrezeptive Abschnitte der Erbinformation bindet, die so genannten “glucocorticoid response elements” (in Promotorregionen für steroidabhängige Gene) -> vermehrte Proteinsynthese
- Möglichkeit: Transrepression: indirekter Wirkmechanismus: Glukokortikoid-Rezeptor interagiert mit anderen Transkriptionsfaktoren wie NF-kB und AP-1 -> hemmt diese Faktoren und führt dadurch zu einer verminderten Bildung der von ihnen abhängigen Proteine
Retinsäure-Rezeptor
Typ 2 Kernrezeptor
Nukleäre Rezeptoren benötigen zum Funktionieren zunächst zwei Domänen, eine, die an der DNA und eine, die am Liganden bindet. Des Weiteren gibt es noch eine N-terminale Domäne, eine Hinge Region und eine C-terminale Domäne
im Gegensatz zum Typ 1 Rezeptor sind sie immer (auch ohne Ligandbindung) in Heterodimerform (mit RXR) im Kern an der DNA vorhanden
ohne Ligand ist es an Corepressor-Proteine gebunden
Ligandenbindung -> Abdissoziation von Corepressor und Bindung von Coaktivator-Protein + RNA-Polymerase II -> Genexpression
Signalerkennungsdomänen (SH-Domäne)
SH Domänen (Src Homology) (auch: PTB Domänen)
- SH2 Domäne bindet an Phosphotyrosin-Rest
- SH3 Domäne erkennt Bindemotive reich an Prolin-Resten
Das Andocken der Signaltransduktionsmoleküle an Phosphotyrosinreste der zytosolischen Rezeptordomäne erfolgt mit Hilfe sog. SH2-Domänen
SH2-Domänen besitzen eine mit positiven Aminosäureresten ausgekleidete Bindungstasche für die Bindung des Phosphotyrosinrests
Variationen der die Bindungstasche umgebenden Aminosäuresequenzen ermöglichen die spezifische Erkennung eines Rezeptors
Signalerkennungsdomäne (PH-Domäne)
Pleckstrin homology domäne
PH-Domäne ist ein Bereich von der Proteinkinase B, mit welcher sie an die PIP3-Kinase bindet
PH Domänen erkennen mehrfach phosphorylierte Pl
