Regulation der Genexpression second Messanger Flashcards
Was ist die Zusammenfassung der VL zur Regulation via second Messenger?
◼ 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)
Was sind second Messenger?
◼ niedermolekulare Substanzen,
◼ Werden über spezifische Enzymreaktionen gebildet
◼ Dienen als Effektormoleküle, mit deren Hilfe die Aktivität von Proteinen flussabwärts reguliert wird
Was sind die zwei Substanzklassen der second Messenger?
❑ hydrophile Substanzen (z.B. cAMP, cGMP, Inosit-Phosphate und Ca2+)
❑ hydrophobe Substanzen, sind membranassoziiert (z.B. Diacylglycerol (DAG) und Phosphoinositolphosphat)
Was ist der Unterschied der second Messenger im Signaling Pathway?
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
Was sind wichtige Features of intrazellulären Messenger?
◼ 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
Was ist cAMP?
3‘ – 5‘-cyclic AMP
◼ Beeinflusst viele zelluläre und physiologische Funktionen
◼ Funktion über Regulation von Ionenkanälen und Aktivierung von Proteinkinasen
Wie werden cAMP regulierte Proteinkinasen bezeichnet?
PKA
tetrameres Protein:
❑ Zwei regulatorische und zwei katalytische Untereinheiten
Was sind Beispiele für Ca2+ abhänge Reaktion (mit Ca2+ als Second Messenger)?
❑ Muskelkontraktion
❑ Sehvorgang
❑ Zellproliferation
❑ Sekretion
❑ Zellmobilität, Ausbildung des Zytoskeletts
❑ Genexpression
❑ Reaktionen des Intermediärstoffwechsels
Wie sind die Ca2+ Konzentration Intra- und Extrazellulär?
sehr niedrige Ca2+-Konzentration, etwa10-7 M
sehr hohe Ca2+-Konzentration (etwa 10-3 M)
Wo wird Ca2+ gespeichert und in welcher Form?
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
Was sind die 4 Mechanismen die Intrazellulärer Ca2+ Konzentration zu regulieren?
- Ca2+ Einstrom aus dem Extrazellularraum
- Ca2+ Ausstrom aus dem Intrazellularraum
- Freisetzung aus den Ca2+ Speichern
-Ca2+ Rücktransport in die Speicher
Was sind die 5 Wege Ca2+ vom intrazellularen Speicher freizusetzen?
- Rezeptor-Konformationsänderungen
- Ca2+-abhängige spannungs- und ligandengesteuerte Ca2+-Kanäle
- G-Protein und Rezeptor-Tyrosinkinase abhängige Signalwege
- NAADP
- cADP Ribose
Wie sieht die Rezeptor-Konformationsänderungen detaillierter aus?
◼ 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
Was ist eine kleine Zusammenfassung von Ca2+ Freisetzung von intrazellulären Speichern?
◼ 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
Wann beginnt der Rücktransport aus dem Zytosol?
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
- In die intrazellulären Speicher (ER, SR, Mitochondrien)
◼ Ca2+ ATP asen
❑ Transport gegen das Konzentrationsgefälle
Was sind die zwei Mechanismen der Interaktion von Ca2+ mit anderen Proteinen?
❑ Ca2+-bindende Proteine (Proteine besitzen Bindungsstellen für Ca2+ und werden so direkt über Ca2+ aktiviert)
❑ Ca2+-Rezeptoren
Was sind Merkmale von Ca2+ Sensoren? Wodurch erfolgt die Aktivierung und was ist am weitesten verbreitet?
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
Mit wie vielen Proteinen interagiert Calmodulin? Wi liegt eine hohe Konzentration vor und welche Funktionen hat es?
◼ 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
Was ist die EF-Hand?
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
Wie sieht Calmodulin als Sensor aus?
◼ 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
Welche Kiansen/Cyclasen interagieren mit Calmodulin nach Calcium Bindung?
◼ CaM-CAMKK
❑ Ca2+/Calmodulin-dependent Proteinkinase Kinase
◼ CaM-CAMKII
❑ Ca2+/Calmodulin-dependent Proteinkinase II
◼ CaM-MLCK
❑ Ca2+/Calmodulin-dependent myosin light chain kinase
Was sind die 3 Mechanismen der Aktivierung von Ziel-Proteinen durch Ca2+/Calmodulin Komplexen?
❑ Aufhebung der Autoinhibition
❑ Konformationsänderungen im Targetprotein
❑ Induktion der Dimerisierung von K+-Kanälen
Was sind weiter Ca2+-Sensoren?
❑ 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
Welche Physiologische Funktion hat NO (Stickstoffmonoxid)
❑ Primär erkannt im Zusammenhang mit der Kontraktion und Relaxation von Blutgefäßen (1996 gefunden)
❑ Sehr kurze biologische Halbwertzeit (2-4s)
Wo hat NO eine große Bedeutung im Körper?
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
Erfolgt der NO-Synthase PAthway Ca2+-unabhängig und abhängig?
Ja
Wie sind NO-Synthasen aufgebaut?
komplex aufgebaut
❑ 300 kDa
❑ Monomere: inaktiv
❑ Dimere: aktiv
Was sind die 3 NO-Synthasen, die NO generieren?
◼ 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
Was sind Ausgangsstoff und Enzym bei der NO-Synthese?
Stoff: Arginin
◼ Intermediat des Harnstoff- (urea engl.)wechsels
Enzym: NO-Synthetase + Co-Faktoren
Was dient bei Hämoglobin als Transportmittel für NO?
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
Was reguliert beim Hämoglobin die NO-Freisetzung ins Gewebe?
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
