Regulation der Genexpression second Messanger

Question 1

Was ist die Zusammenfassung der VL zur Regulation via second Messenger?

Answer 1

◼ Hydrophilic (cAMP, cGMP, Ca2+, InsP3,NO) and hydrophobic (DAG, PIP3) second messenger
◼ Control of Ca 2+ channels (Change in conformation, Voltage- and ligand dependent, GPCR and RTK-dependent)
◼ EF-hand motive (helix-loop-helix) is the basic structure for Ca2+ binding of Ca2+ regulated proteins (e.g. Calmodulin)
◼ NO functions as second messenger and is involved in relaxation of blood vessels, neurotransmitter releasing, immunmodulation
◼ NO is generated by NO synthases (I, II, III)

Question 2

Was sind second Messenger?

Answer 2

◼ niedermolekulare Substanzen,
◼ Werden über spezifische Enzymreaktionen gebildet
◼ Dienen als Effektormoleküle, mit deren Hilfe die Aktivität von Proteinen flussabwärts reguliert wird

Question 3

Was sind die zwei Substanzklassen der second Messenger?

Answer 3

❑ hydrophile Substanzen (z.B. cAMP, cGMP, Inosit-Phosphate und Ca2+)
❑ hydrophobe Substanzen, sind membranassoziiert (z.B. Diacylglycerol (DAG) und Phosphoinositolphosphat)

Question 4

Was ist der Unterschied der second Messenger im Signaling Pathway?

Answer 4

Hydophile Messenger
❑ bleiben im Zytoplasma und aktivieren Proteine

Hydrophobe Messenger
❑ bleiben an der Zellmembran und diffundieren zum Target- Protein, welches sich an der Membran befinde

Question 5

Was sind wichtige Features of intrazellulären Messenger?

Answer 5

◼ können in spezifischen Enzymreaktionen gebildet und wieder abgebaut werden
◼ Schnelle Erzeugung auf enzymatischem Weg und Inaktivierung
◼ Speicherung in spezifischen Speicherorganellen (z.B. Ca2+) und
rasche Freisetzung durch ein Signal
◼ Ortsspezifische Produktion, Entfernung und Aktivierung – bedeutend für die Spezifität der Regulation

Question 6

Was ist cAMP?

Answer 6

3‘ – 5‘-cyclic AMP
◼ Beeinflusst viele zelluläre und physiologische Funktionen
◼ Funktion über Regulation von Ionenkanälen und Aktivierung von Proteinkinasen

Question 7

Wie werden cAMP regulierte Proteinkinasen bezeichnet?

Answer 7

PKA
tetrameres Protein:
❑ Zwei regulatorische und zwei katalytische Untereinheiten

Question 8

Was sind Beispiele für Ca2+ abhänge Reaktion (mit Ca2+ als Second Messenger)?

Answer 8

❑ Muskelkontraktion
❑ Sehvorgang
❑ Zellproliferation
❑ Sekretion
❑ Zellmobilität, Ausbildung des Zytoskeletts
❑ Genexpression
❑ Reaktionen des Intermediärstoffwechsels

Question 9

Wie sind die Ca2+ Konzentration Intra- und Extrazellulär?

Answer 9

sehr niedrige Ca2+-Konzentration, etwa10-7 M
sehr hohe Ca2+-Konzentration (etwa 10-3 M)

Question 10

Wo wird Ca2+ gespeichert und in welcher Form?

Answer 10

große Speicherkapazität in Mitochondrien und Speicherorganellen im endoplasmatischen und sarcoplasmatischen (Muskelzellen) Ritikulum
◼ Bei Speicherung im ER liegt Ca2+ in Komplex mit Calreticulin vor
❑ Freisetzung nach Signaltransduktion
◼ Bei Speicherung im SR liegt Ca2+ in Komplex mit Calsequestrin vor
❑ Freisetzung über neuronalen Stimulus führt zu Muskelkontration

Question 11

Was sind die 4 Mechanismen die Intrazellulärer Ca2+ Konzentration zu regulieren?

Answer 11

• Ca2+ Einstrom aus dem Extrazellularraum
• Ca2+ Ausstrom aus dem Intrazellularraum
• Freisetzung aus den Ca2+ Speichern
  -Ca2+ Rücktransport in die Speicher

Question 12

Was sind die 5 Wege Ca2+ vom intrazellularen Speicher freizusetzen?

Answer 12

1. Rezeptor-Konformationsänderungen
2. Ca2+-abhängige spannungs- und ligandengesteuerte Ca2+-Kanäle
3. G-Protein und Rezeptor-Tyrosinkinase abhängige Signalwege
4. NAADP
5. cADP Ribose

Question 13

Wie sieht die Rezeptor-Konformationsänderungen detaillierter aus?

Answer 13

◼ Der Dihydropyridin-Rezeptor ist strukturell an den RyR gekoppelt
◼ Änderung des Membranpotentials ändert die Konformation des Dihydropyridin- Rezeptors in Skelettmuskelzellen
◼ Dadurch erfolgt eine Signalweiterleitung auf den RyR und Ca2+-Freisetzung in das Zytosol

Question 14

Was ist eine kleine Zusammenfassung von Ca2+ Freisetzung von intrazellulären Speichern?

Answer 14

◼ Viele Pathways führen zur Ca2+-Freisetzung aus dem ER/SR
◼ Es gibt Kits, um die einzelnen Pathways zu stimmulieren

◼ 1. Änderung der Membanpotentials
◼ 2. Aktivierung von GPCR und RTK
◼ 3. cADPR induziert
◼ 4. NAADP induziert
◼ 5. Sphingosin induziert
◼ 6. aus Mitochondrien

Question 15

Wann beginnt der Rücktransport aus dem Zytosol?

Answer 15

wenn eine bestimmte Ca2+-Konzentration erreicht ist.
1. In den Extrazellularraum
◼ Ca2+ ATP asen
❑ Aktiver Transport gegen das Konzentrationsgefälle unter ATP Verbrauch
◼ Na+- Ca2+-Austauschproteine
❑ Bes. Muskelzellen und Neurone

2. In die intrazellulären Speicher (ER, SR, Mitochondrien)
   ◼ Ca2+ ATP asen
   ❑ Transport gegen das Konzentrationsgefälle

Question 16

Was sind die zwei Mechanismen der Interaktion von Ca2+ mit anderen Proteinen?

Answer 16

❑ Ca2+-bindende Proteine (Proteine besitzen Bindungsstellen für Ca2+ und werden so direkt über Ca2+ aktiviert)
❑ Ca2+-Rezeptoren

Question 17

Was sind Merkmale von Ca2+ Sensoren? Wodurch erfolgt die Aktivierung und was ist am weitesten verbreitet?

Answer 17

Merkmale:
❑ 1. Ca2+ bindend
❑ 2. regulatorische Funktion
❑ 3. Aktivierung durch Ca2+-Bindung
❑ 4. Aktivierung von Zielproteinen

◼ Aktivierung der Proteine erfolgt durch eine Erhöhung der
Ca2+-Konzentration
◼ Am weitesten verbreitet und hochkonserviert bei
Eukaryonten: Calmodulin

Question 18

Mit wie vielen Proteinen interagiert Calmodulin? Wi liegt eine hohe Konzentration vor und welche Funktionen hat es?

Answer 18

◼ Interagiert mit 300 Proteinen
❑ Modulator von Proteinkinasen
◼ Extrem hohe Konzentration im Gehirn, hier besondere Bedeutung für die Gehirnfunktion
◼ Interagiert mit Proteinkanälen, Ionenpumpen und gap junctions
◼ Viele Funktionen
❑ Zellteilung
❑ Zelldifferenzierung
❑ Transkription
❑ Neuronale Signaltransduktion
❑ Muskelkontraktion
❑ Glukose Metabolismus

Question 19

Was ist die EF-Hand?

Answer 19

Ca2+-binding Modul
◼ Ca2+-bindendes Motiv = EF-hand motif
❑ Charakteristisch: helix-loop-helix-Struktur
◼ EF-hand Motiv ist paarweise organisiert, diese Struktur bezeichnet man als EF-hand Domain

Question 20

Wie sieht Calmodulin als Sensor aus?

Answer 20

◼ Hat 150 AS
◼ Besitzt 4 EF-hand motif
◼ Bindet 4 Ca2+ Ionen mit hohen Affinität (KD = 5x10-7 bis 5x10-6) in 2 EF-hand Domainen, welche durch einen flexiblen a-Helix Linker verbunden sind

Question 21

Welche Kiansen/Cyclasen interagieren mit Calmodulin nach Calcium Bindung?

Answer 21

◼ CaM-CAMKK
❑ Ca2+/Calmodulin-dependent Proteinkinase Kinase
◼ CaM-CAMKII
❑ Ca2+/Calmodulin-dependent Proteinkinase II
◼ CaM-MLCK
❑ Ca2+/Calmodulin-dependent myosin light chain kinase

Question 22

Was sind die 3 Mechanismen der Aktivierung von Ziel-Proteinen durch Ca2+/Calmodulin Komplexen?

Answer 22

❑ Aufhebung der Autoinhibition
❑ Konformationsänderungen im Targetprotein
❑ Induktion der Dimerisierung von K+-Kanälen

Question 23

Was sind weiter Ca2+-Sensoren?

Answer 23

❑ S100 Proteine
◼ Dimere mit zwei EF-Domänen
◼ Regulieren verschiedene Targetproteine, welche mit Zellwachstum, Proliferation, Transkription assoziiert sind
❑ Troponin C
◼ Gehört zum Kontraktionsapparat der Muskelzelle
◼ zwei EF-Domänen
◼ Eine bindet Ca2+ permanent, die andere nur wenn eine hohe Konzentration vorliegt:
❑ Recoverin
◼ Am Sehvorgang beteiligt
❑ Calcineurin

Question 24

Welche Physiologische Funktion hat NO (Stickstoffmonoxid)

Answer 24

❑ Primär erkannt im Zusammenhang mit der Kontraktion und Relaxation von Blutgefäßen (1996 gefunden)
❑ Sehr kurze biologische Halbwertzeit (2-4s)

Question 25

Wo hat NO eine große Bedeutung im Körper?

Answer 25

Gefäßsystem
❑ Vasodilatation
❑ Unterdrückt infiltrative enzündliche Prozesse in der Gefäßwand
❑ Anti-ateriosklerotisch (senkt Proliferation von glatten Muskelzellen)

Nervensystem
❑ Neurotransmitter in Nervenzellen (Vermittlung von Schmerzreizen)
❑ zu viel NO (beim Schlaganfall) induziert den Untergang von Nervenzellen

Immunsystem
❑ Beteiligt an der durch Makrophagen vermittelten Immunabwehr (unsp. Abwehr)

Heute ist klar: NO ist ein universeller (intrazellulärer und extrazellulärer) Botenstoff

Question 26

Erfolgt der NO-Synthase PAthway Ca2+-unabhängig und abhängig?

Answer 26

Ja

Question 27

Wie sind NO-Synthasen aufgebaut?

Answer 27

komplex aufgebaut
❑ 300 kDa
❑ Monomere: inaktiv
❑ Dimere: aktiv

Question 28

Was sind die 3 NO-Synthasen, die NO generieren?

Answer 28

◼ NOS I oder nNOS:
❑ Ca2+/Calmodulin reguliert, konstitutiv aktiv, in neuronalen Zellen
◼ NOS II oder iNOS:
❑ auf Genebene induzierbar
❑ Induziert durch proinflammatorische Zytokine (TNF-a, Interferone (IFN)-g und Interleukine (IL)), Stress, bakterielle Lipopolysaccharide
◼ NOS III oder eNOS :
❑ Ca2+/Calmodulin reguliert, konstitutiv aktiv, in endothelialen Zellen

Question 29

Was sind Ausgangsstoff und Enzym bei der NO-Synthese?

Answer 29

Stoff: Arginin
◼ Intermediat des Harnstoff- (urea engl.)wechsels
Enzym: NO-Synthetase + Co-Faktoren

Question 30

Was dient bei Hämoglobin als Transportmittel für NO?

Answer 30

b-Kette besitzt reaktive Cys-SH Gruppe (Cys93)

An sich Hämoglobin Aufbau:
❑ Tetramer, zwei a und zwei b-Ketten
❑ Jede Kette enthält ein Häm-System

Question 31

Was reguliert beim Hämoglobin die NO-Freisetzung ins Gewebe?

Answer 31

Die Sauerstoffbindung

◼ Hohe O2 Konzentration
❑ Bildung der R-Form des Hb
❑ Dies erleichtert die Bindung als S-Nitrosyl (Hb-SNO)
◼ Niedrige O2 Konzentration
❑ Bildung der T-Form des Hb
❑ führt zur Abdissoziation von NO und SNO-Bindung an Gluthadion und Cystein

FOLGE:
❑ selektive NO Freisetzung in O2
verarmten Geweben
◼ Es kommt zur Relaxation der Blutgefäße
und erhöhtem Blutdurchfluss