Physiologie Funktion Rezeptoren second messenger

Abbildung: Signale an der Zellmembran können die Aktivierung von Calciumionen auslösen
Nach einer Vorlage in Clapham DE, TRP channels as cellular sensors. Nature 2003; 426: 517-24

Aktivierung von G-Proteinen durch Signalstoffe wie Acetylcholin (links) oder Eindringen von Ca⁺⁺-Ionen durch Calciumkanäle (rechts) bewirkt Folgereaktionen in der Zelle. Eine davon kann die Aktivierung intrazellulärer Ca⁺⁺-Ionen aus dem endoplasmatischen Retikulum sein.

G, G-Protein - steht für GTP-bindendes Protein, ein Bestandteil der Signaltransduktion in der Zellmembran

GPCR, G-protein coupled receptor, ein Rezeptor der Zellmembran, der extrazelluläre Signale über GTP-bindende Proteine weiterleitet

IP₂, Inositolbiphosphat

IP₃R, Inositoltriphosphat-Rezeptor

PLC, Phospholipase C, hydrolysiert die Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP₂) zu Inositoltrisphosphat (IP₃) und Diacylglycerol (DAG)

PKC, Proteinkinase C

SERCA, Calciumpumpe des endo/sarkoplasmatischen Retikulums

TRP, TRP-Kanal

Phospholipase C (PLC) ist der Sammelbegriff für membrangebundene Enzyme, die - angeregt durch die Bindung extrazellulärer Signalstoffe an GPCR, Tyrosinkinasen, Calciumionen u.a. - Phospholipide der Zellmembran spalten (mehrere Isotypen). Aus PIP₂ entstehen dabei die Botenstoffe (second messenger) DAG und IP₃.
Proteinkinase C (PKC) ist eine Klasse von Enzymen (mehrere Isoformen), die verschiedene Zielproteine an Serin oder Threonin phosphorylieren. Dadurch beeinflussen sie die Signaltransduktion in der Zelle, an deren Ende die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren steht.

Viele grundlegende Vorgänge, die den Organismus am Leben erhalten, lassen sich schon bei einzelnen Zellen beobachten. Sie greifen dabei auf biochemische und biophysikalische Mechanismen zurück, die - mit verschiedenen Abwandlungen - in der gesamten Biosphäre Verwendung finden: Beispielsweise der metabolische Grundplan mit seinen genetischen und enzymatischen Steuerungen, die Art der "Übersetzung" extrazellulärer Signale zu zellulären Antworten, oder die Verwendung von Molekülen, welche der Zelle Form und Beweglichkeit verleihen.

Abbildung: Signalkaskaden extra- zu intrazellulär
Nach: Downard J, The ins and outs of signalling. Nature 2001; 411: 759-62

Generelle Signaltransduktionskomponenten (grüne Boxen) mit spezifischen Beispielen (rosa Boxen). Auf die Bindung eines Liganden an den Rezeptor folgt eine Veränderung intrazellulärer rezeptorabhängiger Enzymaktivität.

Effektoren können zum Zellkern wandern und dort (direkt oder indirekt) die Genexpression verändern. Oder es werden kleine Moleküle beeinflusst - weitere Signalstoffe entstehen bzw. der Stoffwechselzustand wird verändert. Die Wirkmechanismen können unterschiedlich kombiniert sein

Zellen können kommunizieren, indem sie sich über extrazelluläre Kontakte gegenseitig beeinflussen, die Ladung ihrer Zellmembranen verändern (gap junctions), oder in der Empfängerzelle sekundäre chemische Mechanismen auslösen (second messenger: Intrazellulär aktivierte Signalstoffe).

Die Second-messenger-Systeme ermöglichen eine chemische Verstärkung des extrazellulären Signals (

Abbildung): Ihre Produkte erreichen eine wesentlich höhere Konzentration als die des Liganden ("first messenger") an der Zellmembran - es kommt über mehrere Zwischenschritte zu einer lawinenartigen Intensivierung, der gewünschte Effekt in der Zelle wird dadurch gesichert.

Rezeptormoleküle in der Zellmembran sind so etwas wie kleine Sinnesorgane: Sie reagieren auf Schlüsselreize (Anlagerung passender Signalmoleküle, mechanische Beeinflussung u.a.) und lösen intrazellulär entsprechende Reaktionen aus. Bindet die extrazelluläre Domäne eines Rezeptormoleküls "ihr" Signalmolekül, erfährt die intrazelluläre Domäne eine Konformationsänderung. Das verändert ihre Eigenschaften: Der Rezeptor kann mit einem anderen (intrazellulären) Protein interagieren oder er entfaltet enzymatische (z.B. Kinase-) Aktivität. Oftmals phosphoryliert sich der Rezeptor dabei selbst und andere Proteine (die auch Kinasen sein können), was diese wiederum zur Phosphorylierung anderer Proteine in der Zelle aktiviert (Kinase-Kaskade). Am Ende kann erhöhte oder gehemmte Transkription / Neusynthese bestimmter Proteine stehen, je nach Erfordernis.

Je nach involviertem Rezeptortyp werden verschiedene membranständige und intrazelluläre Mechanismen aktiviert. Man kann vier grundsätzliche Rezeptortypen unterscheiden (s. auch dort):

Rezeptortypen Nach Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020 (Elsevier)
	Ligandengesteuerter Ionenkanal (ionotroper oder Typ-1- Rezeptor)	G-Protein-gekoppelt (metabotroper oder Typ-2- Rezeptor)	Enzym: Rezeptorkinase (Typ-3- Rezeptor)	Nukleärer Rezeptor (Typ-4- Rezeptor)
wo?	Membran	Membran	Membran	intrazellulär
Effektor	Ionenkanal	Kanal oder Enzym	Proteinkinase	Gentranskription
Kopplung	direkt	G-Protein oder Arrestin	direkt	über DNA
Beispiele: Rezeptoren für	Acetylcholin (nikotinisch) GABA_A	Acetylcholin (muskarinisch) Acetylcholinrezeptor Katecholamine	Insulin Wachstumsfaktoren Zytokine	Steroide
Struktur	Untereinheiten um zentrale Pore (oligomer) Rezeptordomäne extrazellulär	Heptahelikal, mono- oder oligomer, G-Protein-Kopplung intrazellulär Rezeptordomäne extrazellulär	Einfach transmembranal, Kinasedomäne intrazellulär Rezeptordomäne extrazellulär	Monomer, mit Rezeptor- und DNA-bindender Domäne

Diese vier Rezeptor-Superfamilien enthalten jeweils mehrere Subtypen (molekulare Variationen), die durch ähnlichen Aufbau, aber differierende Aminosäuresequenzen charakterisieret sind. Daraus ergeben sich Unterschiede in physiologischer Funktion und pharmakologischer Ansprechbarkeit (und Gewebeverteilung). Diese Diversität ist einerseits durch die genetischen Baupläne (DNA), andererseits auch durch alternatives mRNA-Splicing (oder auch mRNA-Editing) bedingt.

Rezeptortypen

vgl. auch dort

Ionotrop

GPCR (metabotrop)

Enzyme (Kinasen)

Nukleär (intrazellulär)

Es gibt in der Zellmembran verankerte (transmembrane receptors) und intrazelluläre (im Zytoplasma / Zellkern wirksame) Rezeptoren. An ersteren wirken wasserlösliche Hormone, welche die mittlere Schichte der Zellmembran nicht durchdringen (Peptide, Amine u.a.) wie Neurotransmitter, Katecholamine; an letzteren lipophile Hormone wie Steroide, T4, Retinoide.

Zellmembranrezeptoren übertragen das Signal an intrazelluläre Signalmoleküle, es kommt zu Signalverstärkung und rascher Hormonwirkung, z.B. über Permeasen in Membranen; intrazelluläre Rezeptoren beeinflussen vorwiegend die Transkription und damit Neusynthese von RNA und Proteinen, die Wirkung erfolgt verzögert.

Membrangebundene Rezeptoren verfügen über drei Anteile: Eine extrazelluläre Domäne, welche den Liganden (Signalstoff: Hormon, Transmitter..) spezifisch binden kann; eine oder mehrere lipophile transmembranale Domäne(n); und eine intrazelluläre Domäne, welche Sekundärreaktionen in der Zelle auslöst. Bindet der spezifische Ligand (extrazellulär) an den Rezeptor, erfahren alle drei Anteile eine Konformationsänderung, und das Signal wird (intrazellulär) "gezündet". Der gesamte Vorgang kann einen oder mehrere der folgenden Schritte enthalten: Aktivierung eines Guaninaustauschs (G-Protein); Homo- und/oder Hetero-Dimerisierung von Rezeptormolekülen (u.U. Corezeptoren); Aktivierung von Signalproteinen im Zytoplasma.

Versagen Schritte der Signaltransduktion durch die Membran, kommt es zu Hormonresistenz - das Hormon ist zwar im Blut vorhanden, kann aber an der Zielzelle nicht wirken (Rezeptordefekt).

Systematik: Rezeptoren können nach verschiedenen Kriterien klassifiziert werden, wie molekulare Struktur, Positionierung in der Zelle, Wirkungsmechanismus oder benutzter Signalweg. Angesichts zahlreicher Überschneidungen und Ausnahmen ist jede durchgehende Einteilung in bestimmte Klassen bis zu einem gewissen Grad willkürlich.

Ionenkanal-Rezeptoren

vgl. dort

TRP-Kanäle s. nächster Abschnitt

An ionotropen

Rezeptoren (ligandengesteuerten Ionenkanälen, LICs, ligand-gated ion channels, ionotropic receptors) greifen rasch wirkende Neurotransmitter an. Sie dienen vor allem rascher synaptischer Signalübertragung, absolvieren Ligandenbindung und Kanalöffnung in Bruchteilen einer Millisekunde. Ionotrope Rezeptoren finden sich in der Zellmembran, aber auch in der Zelle (IP3-Rezeptor, Ryanodinrezeptor - beide lassen Ca⁺⁺ aus intrazellulären Speichern in das Zytoplasma strömen).

Diese Rezeptoren bestehen aus 4 oder 5 Proteinen mit jeweils vier Transmembran-Domänen, die zusammen eine Pore formieren, deren Permeabilität ligandenabhängig ist (d.h. die Ionendurchgängigkeit wird durch Bindung des Liganden reguliert). Öffnet ein Ionenkanal ("Pore") in der Zellmembran, können Ionen entsprechend ihrem elektrochemischen Gradienten hindurchströmen. Dieser Ionenstrom (pro Ionenkanal etwa 10⁴ Ionen / ms) endet meist nach wenigen Millisekunden, wenn sich die "Poren" wieder schließen.

Abbildung: Beispiele ligandengesteuerter Ionenkanäle (Ionotrope Rezeptoren)
Nach: Khakh BS, Molecular physiology of P2X receptors and ATP signalling at synapses. Nature Rev Neurosci 2001; 2: 165-74

P2X-Rezeptoren lassen nach Bindung ihres Liganden positiv geladene Teilchen (Kationen) durch die Zellmembran treten.

Nikotinische Rezeptoren binden den Transmitterstoff Acetylcholin und lassen dann ebenfalls Kationen durch die Membran diffundieren.

Glutamatrezeptoren können ionotrop (NMDA, Kainat, AMPA), aber auch metabotrop sein.

Die zylinderförmigen Teile der Rezeptoren stellen α-helikale Sequenzen dar, mit denen sie die Membran durchspannen und den Rezeptor in dieser verankern

Beispiele für ligandengesteuerte Ionenkanäle an der Oberfläche der Zelle sind (

Abbildung):

Purinerge P2X-Rezeptoren

Nikotinische Acetylcholinrezeptoren

Glutamatrezeptoren

vom NMDA-, AMPA- und Kainat-Typ

GABA_A-Rezeptoren

Serotoninrezeptoren

TRP-Kanäle

Zu den Ionenkanalrezeptoren gehören auch TRP- (transient receptor potential) Ionenkanäle für Kationen (Ca⁺⁺, Na⁺⁺, Mg⁺⁺, auch Zn⁺⁺, Fe⁺⁺) mit unterschiedlich ausgeprägter Ionenselektivität. Sie ermöglichen Ionenaustausch über Membranen (Plasmalemm, auch innere Membranen) und vermitteln physikalische, chemische und toxische Reize. Dazu zählen Hitze / Kälte, Osmolalitätsänderungen, Protonengradienten (pH-Gefälle), auch diverse Substanzen pflanzlichen Ursprungs (z.B. verstärkt Capsaicin Schmerzreize).

Abbildung: Verteilung verschiedener TRP-Kanäle im Körper des Menschen
Nach Zhang M, Ma Y, Ye X, Zhang N, Pan L, Wang B: TRP (transient receptor potential) ion channel family: structures, biological functions and therapeutic interventions for diseases. Signal Transduct Target Ther. 2023; 8: 261

TRP-Kanäle sind in den Geweben weit verbreitet und weisen je nach ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Permeabilitätsmuster auf. Die Farben deuten die Zugehörigkeit zu TRP-Familien an.

Versorgungsbereich des Trigeminus (N.V) s. dort und des Vagus (N.X) s. dort

Offene TRP-Kanäle sind für Kationen durchgängig. Sie sind aus vier gleichen Untereinheiten zusammengesetzt, diese bestehen aus 6 transmembranalen α-Helices. Einige TRP-Kanäle verfügen über intrazelluläre Ankyrin-Repeat-Domänen (Zytoskelett-Bindungsproteine).

TRP-Ionenkanäle sind multimodal: Sie sprechen auf verschiedene Reizqualitäten an (pH, Temperatur, Osmolalität, chemische Charakteristika). Man unterscheidet mehrere Untergruppen (

Abbildung), wobei die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Substanzen (z.B. TRPV für Vanilloid etc) namensgebend war. Die Bezeichnung der verschiedenen TRP-Ionenkanäle richtet sich nach der genetischen Subfamilie und der "Mitgliedsnummer". So steht z.B. TRPA1 für Ankyrin-1, TRPM8 für Melastatin-8, TRPV1 für Vanilloid-1 usw.

Zur Gruppe 1 zählt man TRPC (Canonical), TRPV (Vanilloid), TRPM (Melastatin), TRPN (No mechanoreceptor potential), TRPA (Ankyrin repeats).

Zur Gruppe 2 zählt man TRPP (Polycystic), TRPML (Mucolipin).

Die Rezeptoren beider Gruppen weisen 6 Transmembran-Domänen auf (S1-S6), die Poren für den Ionendurchtritt werden durch S5 und S6 gebildet.

Die funktionellen Eigenschaften dieser Kanäle sind äußerst unterschiedlich - sie dienen u.a. der Detektion mechanischer Reizung der Haut (Berührung etc), Schmerz (z.B. TRPA1-, TRPV1-Kanäle sind besonders stark in Schmerzfasern ausgeprägt), Temperatur, Geschmack (Schärfe), oder der Mobilisierung intrazellulären Calciums und der Ca⁺⁺ / Mg⁺⁺- Regulation.

Zur Familie der TRP-Kanäle gehören auch Calciumkanäle in Endothelzellen (TRPC, TRPV); dies sind rezeptorbetriebene Calciumkanäle (ROCs).

Mehr zu TRP-Kanälen und Schmerz s. dort, zu TRP-Kanälen und Temperatur s. dort

Pharmaka können Ionenkanäle auf mehrere Arten beeinflussen: Durch Bindung an das Kanalprotein (orthosterisch oder allosterisch), durch Beeinflussung von second-messenger-Mechanismen, oder durch Veränderung der Expression von Ionenkanälen an der Zelloberfläche.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

vgl. dort

GPCR- (G-protein coupled receptor), metabotrope

oder G-Protein-gekoppelte (GTP-bindende: G-Proteine binden Guanosinphosphat), heptahelikale (7-TM, 7-transmembrane, heptahelical, serpentine) Rezeptoren (

s. auch dort) bestehen meist aus 350-400 Aminosäuren, können aber auch wesentlich größer sein (N_AS>1000). Ihre sieben transmembranalen α-Helices sind mittels intra- bzw. extrazellulären Verbindungsstücken miteinander verbunden (zwischen den Helices 5 und 6 liegt eine lange intrazelluläre Schleife), das gesamte Molekül windet sich schlangenförmig ("serpentinisch") durch die Zellmembran. Der glykolsylierte N-Terminus liegt extrazellulär, der hydrophile C-Terminus intrazellulär. Binden GPCRs ihren Liganden (z.B. ein Hormon), aktivieren sie ein assoziiertes G-Protein, indem sie gebundenes GDP gegen GTP tauschen (

s. dort).

G-Proteine sind membranständige Eiweißmoleküle, die mit Guaninnukleotiden (GTP, GDP) interagieren (daher ihr Name); ihre Aufgabe ist es, auf die Aktivierung von GPCRs zu reagieren und ein rezeptorabhängiges Signal in die Zelle weiterzuleiten, wo Effektorsysteme (Kinasen, Ionenkanäle etc) eine entsprechende Antwort der Zelle bewirken.

G-Proteine sind heterotrimer: Sie bestehen aus drei unterschiedlichen Untereinheiten (α, β, γ). Man kennt beim Menschen 21 verschiedene α-, 6 β- und 12 γ-Untereinheiten (daraus ergeben sich etwa 1500 Kombinationsmöglichkeiten). Im "Ruhezustand" bilden α, β und γ-Untereinheit ein Trimer und können (müssen aber nicht) am Rezeptormolekül angedockt sein. In diesem Zustand hat die α-Untereinheit GDP gebunden.

Die folgende Tabelle informiert über die wichtigsten Subtypen der G-Proteine und ihre Funktionen (es gibt zahlreiche weitere, z.B. für visuelle, olfaktorische und gustatorische Reizdetektion):

Wichtigste G-Protein-Subtypen und ihre Funktion Nach Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020
Subtyp	Effekte
Gα_s	Anregung der Adenylylcyclase (Bildung von cAMP)
Gα_i	Hemmung der Adenylylcyclase
Gα_o	vermutlich über βγ
Gα_q	Aktivierung von Phospholipace C (mehr IP3 / DAG), Freisetzung Ca⁺⁺, Aktivierung Proteinkinase C
Gα_12/13	Aktivierung von Rho-Kinase (ROCK1, Protein mit vielfachen Funktionen)
Gβγ	Aktivierung von Kaliumkanälen Hemmung spannungsgesteuerter Calciumkanäle Aktivierung von GPCR-Kinasen Interaktion mit Adenylylcyclase / PLC

Die G-Protein-Hauptklassen vom Typ Gα_s, Gα_i, Gα₀ und Gα_q haben die größte pharmakologische Bedeutung. Beim Menschen sind 21 Gα-Subtypen bekannt, 6 Gβ- und 12 Gγ-Subtypen (theoretische Gesamtzahl der möglichen Kombinationen 1,5.10³).

GPCRs stellen die umfangreichste Gruppe von Rezeptormolekülen an der Zelloberfläche dar. Sie vermitteln die Wirkung zahlreicher Peptidhormone, Neurotransmitter, Prostaglandine und sind in die Perzeption von Licht, Geruch und Geschmack involviert. Der Mensch verfügt über mehr als achthundert GPCR-Varianten (davon an die 500 alleine für den Geruchssinn). GPCRs kommen in der Zellmembran sowie in der Endosomenmembran vor.

GPCRs werden in drei Klassen (A - bei weitem die umfangreichste Klasse -, B, C) eingeteilt (weitere Beispiele sind Adhäsions-GPCRs, Pheromone, frizzled GPCRs):

Drei Hauptklassen metabotroper Rezeptoren Nach Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020
Klasse	Rezeptoren	Strukturelle Merkmale
A: Rhodopsin- Familie	Größte Gruppe, Rezeptoren für die meisten Amin-Neurotransmitter, viele Neuropeptide, Purine, Prostanoide, Glucagon, Calcitonin	Kurzer N-terminaler extrazellulärer Anteil, Ligand bindet an Transmembranhelices (Amine) oder extrazelluläre Schleifen (Peptide)
B: Sekretin- / Glukagonrezeptor- Familie	Peptidhormonrezeptoren (Sekretin, Glucagon, Calcitonin etc)	Ligandenbindende Domäne auf extrazellulärer Zwischensequenz
C: Metabotrope Glutamatrezeptor- / Calciumsensor- Familie	Kleine Gruppe; Metabotrope Glutamatrezeptoren, GABA_B-Rezeptoren, Ca⁺⁺-sensing receptors	Langer extrazellulärer Anteil mit ligandenbindender Domäne

Angehörige jeweils einer Klasse (A, B, C) haben sehr ähnliche Aminosäuresequenzen (Sequenzhomologie), zwischen den Klassen existieren hingegen diesbezüglich erhebliche Unterschiede, auch was die (orthosterische) Bindungsstellen der Antagonisten betrifft. Über den calciumsensitiven Rezeptor (CaSR, calcium-sensing receptor) s. dort.

Das "Umschalten" zwischen GDP- und GTP-gebundener Form wird im Allgemeinen durch zwei Proteintypen erleichtert: GTPase activating proteins (GAPs - diese fördern die GDP-gebundene Form und inaktivieren GTPasen) und Guanine nucleotide exchange factors (GEFs - sie aktivieren GTPasen).

Abbildung: Struktur und Signalauslösung an GPCRs

Nach einer Vorlage in Liqun Luo, Principles of Neurobiology, 2nd ed. CRC Press 2021

GPCRs binden extrazelluläre Liganden (z.B. Hormone). Sie bestehen aus jeweils 7 transmembranalen Domänen (grün).

G-Proteine liegen im Ruhezustand (links) als trimereKomplexe vor und binden an die Zellmembran - Gα und Gγ kovalent an Lipide (rote Zickzack-Linien).

Bei (1) bindet der extrazelluläre Signalstoff an den Rezeptor, was einen allosterischen Effekt bewirkt (2): In Gα bildet sich eine Bindungstasche, und der aktivierte Rezeptor tauscht GDP gegen GTP aus, GTP-gebundenes Gα dissoziiert vom Rezeptor und die frei gewordenen G-Proteine aktivieren ihre Effektprproteine (in diesem Beispiel: Effektor 1 ist ein Ionenkanal, Effektpr 2 ein Enzym). Bei (4) lagert sich wieder GDP an Gα. Bei (5) schließlich bildet sich wieder der trimere G-Protein-Komplex

Alle GPCRs nutzen den in der Abbildung skizzierten G-Protein-Zyklus zur Signalübertragung, und der Wechsel zwischen GDP-gebundener und GTP-gebundener Form definiert die Zugehörigkeit zur G-Protein-Superfamilie (zu dieser zählt man auch kleine monomere GTPasen wie z.B. Mitglieder der Ras-Superfamilie

kleiner G-Proteine wie Rab, Ras und Rho).

G-Proteine können stimulierend (G_s), inhibierend (G_i) oder auf andere Weise wirken (z.B. regen Gq-Proteine die Bildung von IP3 und DAG an, wie im Signalweg von Vasopressin, GnRH, TRH, TSH, oder Angiotensin II).

Nach Aktivierung durch den Rezeptor trennen sich α-Untereinheiten von GDP und lagern stattdessen GTP an, das sie dann spalten (sie wirken als GTPase), worauf sie vom Molekülkomplex dissoziieren. Verschiedene α-Untereinheiten binden an unterschiedliche Klassen von Effektoren und haben unterschiedliche Wirkungen. Eine besonders wichtige ist die Aktivierung von Adenylylcyclase: Diese lässt cAMP (zyklisches Adenosin-Monophosphat) entstehen. Dieser klassische zweite Botenstoff diffundiert in die Zelle und aktiviert Proteinkinase A (PKA), ein Schlüsselenzym des Zellstoffwechsels (

Abbildung). Die β- und γ-Untereinheit bleiben zusammen, können sich in der Membranebene bewegen (die γ-Untereinheit ist über Fettsäureketten in der Membran verankert) und diverse Ziele (Ionenkanäle, Enzyme) beeinflussen.

Abbildung: Aktivierung der Adenylylcyclase und Proteinkinase A durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)

Oben: Im gezeigten Beispiel koppelt der mit seinem Signalstoff besetzte Rezeptor an ein Gs-Protein (s für stimulierend). Ist seine α-Untereinheit "eingeschaltet", tauscht sie ihr gebundenes GDP (Guanosindiphosphat) gegen GTP (Guanosintriphosphat) und dissoziiert von dem beim Rezeptor verbleibenden βγ-Komplex. Inhibitorische G-proteine (Gi) hemmen die Adenylylcyclase.

Anschließend koppelt die α-Untereinheit an das Enzym Adenylylcyclase und regt es zur Bildung von cAMP (zyklisches Adenosin-Monophosphat) aus ATP an. cAMP ist ein klassischer second messenger. Solange die Zyklase auf "on" steht, produziert sie weiter cAMP (Signalverstärkung in der Zelle).

Anschließend dissoziiert die α-Untereinheit - die wieder GDP gebunden hat - zurück zum βγ-Komplex (die Zyklase beendet ihre cAMP-Bildung) und rekombiniert zum kompletten Gs-Protein, wenn sich der Signalstoff vom Rezeptor gelöst hat.

Unten: In der Zelle binden 4 cAMP-Moleküle an die regulatorischen Komponenten des Enzyms Proteinkinase A (PKA). Dadurch lösen sich die katalytischen Komponenten vom Molekül und sind aktiv, d.h. sie phosphorylieren spezifische Substratproteine.

Reguliert wird der Vorgang durch Schlüsselenzyme: Phosphodiesterase inaktiviert cAMP zu AMP, Proteinphosphatasen inaktivieren Proteine, indem sie Phosphatreste von ihnen entfernen

Jeder ligandenaktivierte Rezeptor aktiviert ~100 oder auch deutlich mehr G-Proteine (erste Stufe der Signalverstärkung). Die Adenylylcyclase produziert cAMP, so lange die α-Untereinheit gebunden bleibt und sie aktiviert. Dadurch entsteht viel mehr cAMP als G-Proteine aktiviert wurden (zweite Stufe der Signalverstärkung).

Mehrere second messengers werden durch hydrolytische Spaltung von Phospholipiden aus dem inneren Blatt der Zellmembran gewonnen - katalysiert durch Phospholipasen (C, D, A₂), die durch spezifische Rezeptor- G-Protein- Aktivierungen eingeschaltet werden. Es gibt Untergruppen der Phospholipasen, die sich in Expression (zellspezifisch), Aktivierungsmodus und katalytischer Aktivität (Spaltungsort im Phosphatidylcholin) unterscheiden. So gibt es die β- (typischerweise im G-Protein-Weg), γ- (Tyrosinkinaseweg) und δ- Familien der Phospholipasen C (PLC).

Phosphatidylinositole wie PIP2 und PIP3 stellen zwar mengenmäßig nur einen kleinen Teil des Membranmaterials, sind aber für die Signaltransduktion von großer Bedeutung. Phospholipase C setzt aus PIP2 die Botenstoffe IP3 und DAG frei (

Abbildung).

Abbildung: Aktivierung des DAG / IP3-Systems durch G-Protein- gekoppelte Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Kandel / Koester / Mack / Siegelbaum (eds), Principles of Neural Sciences, 6th ed. 2021 (McGraw Hill)

Bindet der Signalstoff an seinen Rezeptor, wird in diesem Fall über den G-Protein- Mechanismus Phospholipase C aktiviert (Gq-, vielleicht auch andere G-Proteine). Dieses Enzym spaltet PIP2 (Phosphatidylinositol 4,5-Biphosphat) in zwei second messengers: DAG (Diacylglycerin) und IP3 (Inositoltriphosphat).

IP3 ist wasserlöslich und gelangt zum (Ca⁺⁺ speichernden) endoplasmatischen Retikulum. Hier bindet es an IP3-Rezeptoren (ITPR), was zu Freisetzung von Calciumionen in das Zytoplasma und entsprechenden Aktivierungen führt.

DAG ist lipophil, verbleibt in der Zellmembran und aktiviert Proteinkinase C.

Inset rechts unten: Proteinkinase C ist abhängig von Ca⁺⁺/Calmodulin. Dieses phosphoryliert Zielproteine und ändert dadurch ihre Aktivität

Zeitverlauf der intrazellulären Konzentrationen:

IP3 erreicht innerhalb von Sekunden nach Rezeptoraktivierung einen Gipfelwert (der rasch wieder abklingt),

DAG einen kleinen frühen Gipfelwert ebenfalls innerhalb von Sekunden (durch PIP2 verursacht) und einen späteren, intensiveren und über Minuten und Stunden anhaltenden Maximalwert (Mitwirkung von Phospholipase D).

Phospholipase C spaltet Phosphatidylinositol-Biphosphat (PIP2)

zu Diazylglyzerin (DAG) und Inositol-Triphosphat (IP3). DAG ist fettlöslich und wirkt in der Zellmembran, IP3 diffundiert durch die Zelle und erreicht das endoplasmatische Retikulum, wo es über IP3-Rezeptoren die Freisetzung von Ca⁺⁺ und damit intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert.

Calciumionen beeinflussen die Funktion zahlreicher Proteine / Enzyme (auch Kinasen und Phosphatasen), Kanäle, Transporter, Transkriptionsfaktoren, synaptischer Vesikelproteine u.a. Sie tun das entweder durch

direkte Anlagerung an das Zielprotein, oder über

Bindung an Vermittlerproteine, wie das ubiquitäre und multifunktionale Steuerprotein Calmodulin.

So aktiviert der Ca⁺⁺/Calmodulinkomplex Ca-abhängige Proteinkinase (CaM-Kinase), woraufhin sie sich durch intermolekulare Wirkung selbst phosphoryliert. Dadurch errlangt das Enzym eine von Ca⁺⁺ unabhängig gewordene, länger wirksame Funktion, was z.B. im Rahmen des Gedächtnisaufbaus bei synaptischer Verstärkung eine Rolle spielen kann.

Phospholipase D spaltet Phospholipide, die Arachidonsäure enthalten. Dabei entsteht Anandamid, ein Endocannabonoid.

Phospholipase A₂ sind Enzyme, welche von Phospholipiden Fettsäuren abspalten (Arachidonsäure-System, Prostaglandinsynthese).

s. auch dort

Proteinkinase C (PKC) wird von beiden second messengers - DAG in der Zellmembran, Ca/Calmodulin im Zytoplasma - aktiviert, worauf Proteine phosphoryliert werden und entsprechende Reaktionen der Zelle erfolgen. PKC unterliegt ihrerseits verschiedenen regulatorischen Einflüssen, z.B. Ubiquitinierung ihrer regulatorischen und/oder katalytischen Einheit.

Man kennt mehr als ein Dutzend Proteinkinasen C, die sich in Gewebeverteilung, zellulärer Lokalisation und Ansprechen auf Ca⁺⁺ bzw. DAG unterscheiden.

Zur Funktion von Proteinkinasen s. auch dort

Die wichtigsten Ziele der G-Proteine, über welche sie Funktionen der Zelle beeinflussen, sind die folgenden:

Adenylylcyclase (Bildung von cAMP)

Phospholipase C (Bildung von IP3 und DAG)

Ionenkanäle (vor allem für Ca⁺⁺ und K⁺)

Rho A / Rho-Kinase (reguliert zahlreiche Signalwege, z.B. betreffend Zellwachstum, Motilität, glattmuskuläre Kontraktion)

MAP-Kinase (beteiligt an mehreren Funktionen, u.a. Zellteilung)

GPCRs ändern bei Bindung ihres Liganden ihre Konformation, die Gα-Untereinheit tauscht GTP gegen GDP, dissoziiert vom verbleibenden βγ-Dimer ab und wirkt als der primäre Signalübermnittler (Abbildungen): Es koppelt "downstream" an Effektorproteine wie z.B. Adenylylcyclase (Adenylatzyklase) oder Phospholipase C. Das beeinflusst wiederum die Bildung von cAMP, DAG und IP3 und führt zu spezifischen zellulären Antworten (

Abbildung).

Abbildung: Signalwere von GPCR durch Phospholipase C und Calciumionen
Nach einer Vorlage in Liqun Luo, Principles of Neurobiology, 2nd ed. CRC Press 2021

Von links: Bindung eines Signalmoleküls (z.B. Glutamat, Acetylcholin, Serotonin) an einen metabotropen Rezeptor aktiviert Gq (eine Variante von Gα). Gq-GTP aktiviert seinerseits Phospholipase C (PLC), diese regt die Phosphorylierung des Phospholipids Phosphatidylinositol-4,5-biphosphat (PIP2) zu Inositoltriphosphat (IP3) sowie die Dissoziation der Glycerinverbindung Diacylglycerol (DAG) an.

IP3 öffnet sodann den IP3-aktivierbaren Calciumkanal IP3-Rezeptor (IP3R), was zur Freisetzung von Ca⁺⁺ aus dem endoplasmatischen Retikulum in das Zytoplasma führt. DAG und Ca⁺⁺ coaktivieren die Proteinkinase C (PKC). Calciumionen binden auch an Calmodulin (CaM), der resultierende Komplex aktiviert CaM-Kinasen

Phosphatidylinositol (PI) ist der Ausgangsstoff für die Bildung von Phosphoinositiden wie z.B. IP3 (Inositoltriphosphat). Dies sind phosphorylierte PIs, sie entstehen durch Einwirkung spezifischer Enzyme auf PI in der Membran. Ebenfalls in der Membran befindet sich Phospholipase C (PLC), ein Effektor der G-Proteine metabotroper Rezeptoren (GPCRs), der durch Gq (eine Gα-Variante) aktiviert wird. Das hat die Bildung von IP3 und Diacylglycerol (DAG) zur Folge. DAG bindet an Proteinkinase C (PKC) und aktiviert sie. Weil dazu auch freie Calciumionen notwendig sind (IP3 setzt diese via Bindung an den Calciumkanal IP3-Rezeptor aus endoplasmatischem Retikulum frei), wirken Ca⁺⁺ und DAG als Coaktivatoren der Proteinkinase C.

Ca⁺⁺ wirkt auch auf mehrere weitere Effektoren in der Zelle, nicht zuletzt auf Calmodulin (

Abbildung).

Calmodulin (CaM, von calcium-modulated protein) ist ein calciumbindendes Signalprotein (148 Aminosäuren, ähnlich dem Muskeleiweiß Troponin aufgebaut), das alle eukaryoten Zellen exprimieren. Durch intrazelluläre Bindung von Ca⁺⁺-Ionen aktiviert (Konformationsänderung des Moleküls: allosterischer Effekt), interagiert es mit Zielproteinen (mehr als 300 verschiedene Phosphatasen, Kinasen u.a.). So spielt es eine Rolle z.B. für die Kontraktion glatter Muskelzellen, im Glucose- und Fettstoffwechsel, aber auch für synaptische Plastizität (Kurz- und Langzeitgedächtnis).

Wirkungsbegrenzung: Hydrolyse von cAMP (zu 5'-AMP) erfolgt durch Phosphodiesterasen (PDE4, PDE7, PDE8 bauen spezifisch nur cAMP ab, PDE1, 2, 3, 10 und 11 auch cGMP). DAG wird durch durch Lipasen abgebaut, IP3 durch IP3-Phosphatase dephosphoryliert. Aktive Proteine werden durch Proteinphosphatasen dephosphoryliert, dadurch können die angestoßenen Vorgänge in der Zelle wieder ausgeschaltet werden. Der Signalvorgang über G-Proteine ist durch deren Abbau limitiert: GTPase spaltet vom GTP ein Phosphat ab, es entsteht wieder GDP. Dazu kommt die Endozytose der Rezeptoren (Herunterregulation), wobei ß-Arrestin eine wichtige Rolle spielt. Bei dieser Desensitierung der Zelle wird auch rezeptorgebundenes Hormon aufgenommen und abgebaut, der extrazelluläre Hormonspiegel sinkt.

Phosphodiesterasen (PDE) sind zelleigene Enzyme, die Phosphodiestergruppen aufbrechen - insbesondere in zyklischen Nukleotiden (cAMP, cGMP werden zu AMP / GMP - 3',5'-zyklische Nukleotide-PDE

: PDE4, PDE7, PDE8 bauen spezifisch nur cAMP ab, PDE1, 2, 3, 10 und 11 auch cGMP), DNA / RNA, aber auch anderen Verbindungen, z.B. Phospholipiden. Es gibt mehrere PDE-Isoenzyme mit unterschiedlicher Gewebeverteilung und unterschiedlichem Wirkungsprofil. Beispielsweise wirken Phosphodiesterase-Isoenzyme vom Typ 5 (PDE5) cGMP-spezifisch auf Gefäße und Bronchialmuskulatur in der Lunge und Gefäße im Penis (corpora cavernosa / spongiosa), solche vom Typ 3 (PDE3A) in Oozyten. Insgesamt 21 Phosphodiesterasen sind bekannt.

Unterschiedliche Phosphodiesterase-Isoenzyme können durch Pharmaka z.T. spezifisch beeinflusst werden. So bewirken PDE5-Hemmer (Beispiel Sildenafil: Viagra) Vasodilatation in Lungenkreislauf und Genitalien (

vgl. dort). Phosphodiesterasehemmer wie Theophyllin erhöhen den cAMP-Spiegel in Muskelzellen der Bronchien, wirken also bronchodilatierend (

s. dort).

Die G-Proteinrezeptor-Superfamilie - definiert über den Wechsel zwischen GDP-gebundener und GTP-gebundener Form - weist insgesamt mehr als tausend Mitglieder auf. Sie reagieren auf verschiedenste Reize, wie Licht, Duftstoffe, Aminosäuren, biogene Amine, Neurotransmitter, Peptide.

Etwa 80% aller transmembranalen Signalmeldungen erfolgen über diesen Rezeptortyp.

Abbildung: G-Protein und Zellmembran
Nach einer Vorlage bei nature.com/scitable

Die Abbildung zeigt G-Protein-abhängige Rezeptoraktivierung. Nach Austausch von GDP gegen GTP an der α-Untereinheit können sowohl diese als auch der βγ-Komplex mit anderen Molekülen interagieren und eine Signalkaskade triggern.

Sowohl die α-Untereinheit als auch der βγ-Komplex bleiben auch im aktivierten Zustand an die Membran befestigt. Sie können sowohl auf Ionenkanäle einwirken als auch auf Enzyme und Botenmoleküle, die durch die Zelle wandern

Über G-Protein-betriebene Rezeptoren wirken z.B.

Acetylcholin (muskarinisch)

Adrenalin / Noradrenalin (α, β)

Glutamat (mGlu)

Opiate

Leukotriene, Prostaglandine

Chemokine

Komplementfaktoren (C3a, C5a)

Vasopressin

Histamin

Serotonin

Calcitonin

Parathormon

Calcium (CaSR: Ca⁺⁺-sensing receptor)

Glucagon

Corticotropin

Gonadotropine

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind der häufigste Angriffspunkt therapeutischer Pharmaka (Rezeptoren für Acetylcholin, Amine, Peptide, Purine u.a.).

Kinase-gekoppelte Rezeptoren

vgl. dort

Die umfangreiche und heterogene Gruppe der (membranständigen) enzymgekoppelten Rezeptoren spricht mit ihren großen extrazellulären Teilen vorwiegend auf Signalmoleküle an, die Proteine sind (wie Peptidhormone, Zytokine, Wachstumsfaktoren, pattern recognition-Rezeptoren). Die Innenseite dieser - mit einer einzelnen membrandurchspannenden Sequenz versehenen - Rezeptoren ist entweder selbst enzymatisch aktiv (Proteinkinase, Guanylatzyklase) oder tut sich bei Aktivierung über Adapterproteine mit intrazellulären Enzymen zusammen. Intrazelluläre Signalpfade sind vor allem der Ras/Raf/Mitogen-aktivierte Protein- (MAP) sowie der Jak/Stat-Signalweg.

Diese kinasegekoppelten Rezeptoren steuern hauptsächlich Wachstum und Differenzierung von Zellen über Einfluss auf die Gentranskription.

Kinasen nennt man Enzyme, die Phosphatreste auf Tyrosin-, Serin- oder Threonin-Seitenketten von Zielproteinen übertragen (sie phosphorylieren), entweder direkt oder über Adapterproteine. Dadurch kann die Signaltransduktion in der Zelle angeregt werden. Phosphatasen (Proteinphosphatasen) sind Hydrolasen, welche Phosphatgruppen von Proteinen (die Teile von intrazellulären Signalkaskaden sein können) entfernen (sie dephosphorylieren) - und damit die Wirkung von Kinasen wieder aufheben können. Sie haben meist hemmende Wirkung auf die Signaltransduktion - und damit auf die Transkription von Genen.

Das Genom des Menschen beinhaltet hunderte verschiedener Subtypen für Kinasen und Phosphatasen. Die Interaktion dieser Enzyme - untereinander und in ihrer Wirkung auf die Transkriptionsvorgänge im Zellkern - ist komplex und öffnet zahlreiche Angriffspunkte für pharmakologische Beeinflussung einerseits, die Deutung pathophysiologischer Vorgänge (z.B. Neurodegeneration, Krebsentstehung) andererseits.

Abbildung: Enzymatisch aktive Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Rezeptoren nach verwendeten Enzymen, Beispiele: Atriale natriuretische Peptide (ANP), TGF, Wachstumsfaktoren wie NGF, Wachstumshormon (hGH), oder für CD45 (reguliert Lymphozytenaktivierung) wirken in der Zelle enzymatisch.

Diese Rezeptoren sind transmembranal mittels (hydrophober) α-helikaler Sequenzen aus ~20 Aminosäuren (schraubenförmige Strukturen) in der Membran verankert

Man unterscheidet (

Abbildung)

Rezeptor-Guanylatzyklasen, über die z.B. natriuretische Peptide wirken

Rezeptor-Serin / Threoninkinasen, z.B. für TGF-ß

Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTK) haben intrinsische Tyrosinkinase-Aktivität (auf diesem Weg wirken viele Wachstumsfaktoren, Zytokine, Insulin, IGF, Adipokine, Ephrine)

Tyrosinkinase-assoziierte Rezeptoren haben selbst keine Kinase-Aktivität, sondern aktivieren zytoplasmatische Nichtrezeptor-Tyrosinkinasen (so wirken zahlreiche Interleukine, Interferone, Erythropoetin, Somatotropin, Prolactin, Leptin)

Rezeptor- Tyrosinphosphatasen, die man zur Aktivierung von Lymphozyten benötigt. Bei Anregung erlangen Rezeptor Tyrosinphosphatasen hohe Aktivität. In unstimulierten Zellen ist ihre Zahl gering, und ihre Halbwertszeit ist kurz, was ihre Wirkung begrenzt.

Rezeptor-Tyrosinkinasen (Tyrosinkinase-Rezeptoren) sind integrale Bestandteile der Zellmembran. Meist liegen sie in monomerer Form vor, mit einer extrazellulären Liganden-Bindungsdomäne, einem transmembranalen, und einem intrazellulären Abschnitt mit einer Proteinkinase-Domäne. Bei Bindung "ihres" Signalmoleküls (z.B. Wachstumsfaktoren wie NGF, EGF, FGF, BDNF) dimerisieren sie und werden aktiv - sie phosphorylieren sich selbst und andere Proteine (an Tyrosin), die wiederum auf Ionenkanäle wirken können.

Resultat kann dann z.B. Aktivierung der MAP-Kinase-Kaskade sein (MAP: Mitogen-activated protein), was wiederum Transkriptionsfaktoren einschaltet, Wachstumsfaktor-Rezeptoren bilden lässt (das erhöht die Wirkung dieser Faktoren) und die Zelle zur Teilung (Mitose) veranlassen kann. Man kann hier zwei Hauptgruppen unterscheiden: Rezeptoren für Wachstumsfaktoren (wie EGF, PDGF) und solche für Insulin und IGFs.

Rezeptor-Tyrosinkinasen können auch Phospholipase C(γ) aktivieren und so PIP2 zu IP3 und DAG spalten (s. weiter unten).

Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTK) wirken über mehrere Schritte:

Ein Signalmolekül / Ligand bindet an die extrazelluläre Domäne der RTK → Gestaltsänderung des Rezeptors → Dimerisierung des Rezeptors ("aus 2 mach' 1")

Der dimerisierte Rezeptor phosphoryliert spezifische Tyrosingruppen (Autophosphorylierung)

Die Phosphotyrosingruppen binden an Adapter- / Dockingproteine, diese aktivieren Signalkaskaden

Die Signalwege triggern die Phosphorylierung von Zielproteinen in Zellkern, Zytoplasma und Zellmembran

Der Mechanismus wird beendet durch Abbau von Signalmolekülen durch extrazelluläre Proteasen, ligandenaktivierte Endozytose und lysosomalen Abbau der Rezeptoren u.a.

Nichtrezeptor-Tyrosinkinasen sind modular aufgebaut, was ihnen eine breite funktionelle Vielfalt verleiht: An die Kinase-Domäne reihen sich - in verschiedener Zusammensetzung - phosphotyrosinbindende (SH2-), prolinreiche (SH3-) und andere Domänen, welche die Bindung an weitere Signalproteine vermitteln. Adapterproteine verknüpfen verschiedene Enzyme und erleichtern die Bildung von Signalmolekül-Komplexen.

Eine Sonderform der Kinasen sind Janus-Kinase-Rezeptoren:

Januskinasen

Rezeptoren mit Janus-Kinasen (JAKs) - die Abkürzung JAK stand ursprünglich für "just another kinase" - liegen dimer vor (zwei aktive Zentren, zwei "Gesichter" (Janus!).

JAKs (Januskinasen) sind Tyrosinkinasen (sie phosphorylieren Proteine am Tyrosin), die sich an den intrazellulären Teil von Rezeptoren anlagern und diese phosphorylieren (aktivieren) können. Unterschiedliche Rezeptoren binden unterschiedliche JAKs.

Abbildung: JAK-STAT-Mechanismus
Nach einer Vorlage bei open.edu/openlearn

Schematische Darstellung. Bindet ein Signalstoff (z.B. α-Interferon) an den Rezeptor, dimerisiert dieser; JAK's phosphorylieren einander gegenseitig, an Tyrosinresten binden anschließend STAT-Proteine, die ebenfalls phosphoryliert werden. STAT-Dimere gelangen dann in den Zellkern, initiieren die Transkription von Zielgenen und damit die Synthese bestimmter Proteine

Die Bindung des Hormons an einen solchen Rezeptor führt zu einer Konformationsänderung des Moleküls, bringt zwei JAKs am Rezeptorkomplex näher zusammen, und diese werden transphosphoryliert und dadurch aktiviert. Das phosphoryliert Tyrosinreste am intrazellulären Ende des Rezeptors. Das wiederum aktiviert sogenannte STATs:

STATs (Signal transducer and activator of transcription) sind Transkriptionsfaktoren, die monomer im Zytoplasma vorliegen und bei Aktivierung (z.B. durch Zytokine) an intrazelluläre Domänen von Zytokinrezeptoren binden, von JAKs phosphoryliert werden, vom Rezeptorkomplex dissoziieren, dimerisieren, in den Zellkern wandern und Transkriptionsvorgänge regulieren (

Abbildung).

Dabei gibt es auch eine "Bremse": STATs regen die Expression von Hemmfaktoren an, sogenannten SOCS- (suppressors of cytokine signaling) Proteinen. Diese konkurrieren mit STATs um entsprechende Bindungsstellen und unterbrechen damit den Signalweg. SOCS-Proteine können auch durch Insulinwirkung exprimiert werden (das kann die Insulinsensitivität bei hyperinsulinämischen Patienten reduzieren).

Man kennt vier JAKs (JAK 1 bis 3, TYK 2) und sieben STATs (1 bis 4, 5a, 5b, 6). Spezifische Aminosäuresequenzen unterschiedlicher Rezeptoren bedingen vermutlich über das räumliche Muster der Bindung / Aktivierung verschiedener JAKs und STATs ganz bestimmte Wirkprofile - eine begrenzte Anzahl von JAK und STAT Proteinen erlaubt eine große Vielfalt von Kombinationen.

Mitglieder der Zytokinrezeptor-Familie liegen in dimerer Form vor, haben keine intrinsische Proteinkinaseaktivität, aber ihre zytoplasmatische Domäne ist mit JAK-Kinase-Molekülen assoziiert. Dadurch haben sie Zugriff auf die Genexpression der Zielzelle. Hierher gehören Rezeptoren für Zytokine, für GH, Prolactin, Erythropoetin und Leptin.

Zum Mechanismus der Transkriptionssteuerung durch Interferone s. auch dort

Intrazelluläre Rezeptoren

vgl. dort

Intrazelluläre Rezeptoren (nukleäre Rezeptoren, nuclear receptors) sind Transkriptionsfaktoren (

Abbildung). Sie warten auf die Ankunft "ihrer" Hormone - Steroide, Vitamin D-Hormon, Schilddrüsenhormone - im Zytoplasma oder im Zellkern. Binden sie an entsprechende DNA-Sequenzen (HRE, Hormone response elements), geben sie den Kopiervorgang entsprechender Gene und damit die Synthese bestimmter Proteine (insbesondere Enzyme) frei.

Bindung eines Corticoids an seinen Rezeptor führt zur Dissoziation des HSP 90, und ein Kernlokalisierungssignal (NLS: nuclear localization sequence) wird aktiv. Der Komplex wandert in den Zellkern und reagiert mit einer als hormonresponsives Element bezeichneten Gensequenz - z.B. Glucocorticdoid response element (GRE), Estrogen response element (ERE), Androgen response element (ARE).

Dadurch wird die Transkription von Zielgenen positiv oder negativ beeinflusst (Induktion oder Repression), und die Folgen auf den Stoffwechsel (Erhöhung bzw. Senkung bestimmter Enzymaktivitäten, positiver / negativer Effekt auf die Synthese konstitutioneller Proteine) stellen die Hormonwirkung dar.

Im Unterschied zu anderen Rezeptoren können nukleäre direkt mit der DNA interagieren und die Expression verschiedenster Proteine steuern, man könnte sie auch als ligendenaktivierte Transkriptionsfaktoren bezeichnen. Diese Eigenschaft macht sie zu Schlüsselelementen für die Regulierung von Stoffwechsel, Wachstum und anderer physiologischer Vorgänge.

Abbildung: Wie Hormone über intrazelluläre Rezeptoren die Proteinsynthese einschalten
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Links: Glucocorticoide sind lipophil und gelangen durch freie Diffusion in die Zelle. Im Zytoplasma binden sie an ihre Rezeptoren. Das führt zur Ablösung von Hitzeschockprotein (HSP90) und Freiwerden eines Kernlokalisierungssignals. Dieses erlaubt den Eintritt in den Zellkern und die Ankopplung an DNA-Sequenzen, die als Hormone response element (HRE) bezeichnet werden. Ergebnis ist mRNA-Synthese (Transkription) und Aufbau von Enzymen (Translation), die zur Glukokortikoidsynthese benötigt werden.

Rechts: Schilddrüsenhormone gelangen durch Diffusion und Carriertransport in die Zelle (sie haben hydrophile Eigenschaften). Sie finden ihre Rezeptoren im Zellkern. Diese binden (hormonbeladen) an einen Retinoid X-Rezeptor (der durch verschiedene Transkriptionsfaktoren aktiviert werden kann), und der Komplex koppelt an ein HRE - die Transkription der zur Bildung von Schilddrüsenhormon notwendigen Enzyme wird freigegeben

Nukleäre Rezeptoren (monomer, 50-100 kDa) bestehen aus mehreren Abschnitten:

Einer Domäne am N-Ende (ATD: Amino terminus domain), die hormonunabhängig transkriptionsaktivierend wirkt;

einer DNA-bindenden Domäne (DBD: DNA binding domain), die mit Zinkfingermotiven, die HREs der DNA binden können;

dem C-Ende (LBD: Ligand binding domain), das den Liganden (das Hormon) bindet, koregulatorische Proteine (HSP) anlagert, dimerisiert, mit Chaperonen assoziiert und allenfalls die Verlagerung in den Zellkern orchestriert.

Chaperone

sind Proteine, welche die Faltung oder Entfaltung von großen Proteinmolekülen oder Proteinkomplexen bei deren Synthese oder Denaturierung unterstützen. Sie beteiligen sich auch an Transfer und Abbau von Eiweißen, im endoplasmatischen Retikulum kommen sie besonders häufig vor. Hier kümmern sie sich u.a. um die korrekte Faltung von Eiweißmolekülen (folding chaperones), um Lektinwirkung etc. Chaperonproteine machen etwa 10% des menschlichen Proteoms aus und werden stark exprimiert.

Viele Chaperone werden als Hitzeschockproteine (HSP, heat shock proteins) bezeichnet, da sie hitzebedingte Fehlfaltungen verhindern können (mit der Temperatur nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass es zur Aggregation von Proteinmolekülen kommt).

Zu Hitzeschockproteinen s. auch dort

Ein besonders flexibler Mittelteil des Rezeptormoleküls (hinge region) wirkt auf die Bewegung des Rezeptors durch die Zelle, erleichtert seine Dimerisierung und kann die Anlagerung an verschiedene DNA-Abschnitte beeinflussen.

Es gibt mehrere Typen (I bis IV) nukleärer Rezeptoren, insbesondere:

Typ-I-NR: Corticoidrezeptoren finden sich vorwiegend im Zytoplasma, Östrogern- und Progesteronrezeptoren auch im Zellkern. Ohne Anwesenheit von Liganden (Hormonen) sind die Rezeptoren komplexiert mit Hitzeschock- oder anderen Proteinen, Chaperone stabilisieren den Rezeptor in seiner inaktiven Form. Die Liganden gelangen durch Diffusion (vielleicht auch Transport) in die Zelle. Ihre Bindung an den Rezeptor führt zu Dissoziierung vom Hitzeschockprotein (HSP), aktiven Transport (Translokation) in den Zellkern, Rekrutierung von koregulatorischen Proteinen (Co-Aktivatoren / Co-Repressoren bewirken Transaktivierung / Transrepression) und Dimerisierung, was die Ablesung von DNA-Sequenzen ermöglicht:

Die Rezeptoren binden an hormone response elements (HREs) auf der DNA. HREs sind kurz (meist nur 4-6 Basenpaare) und befinden sich in den Genen, die durch diese Rezeptorgruppe gesteuert werden. Durch Anlagerung der Rezeptoren können viele Zielgene gleichzeitig beeinflusst werden (beispielsweise beeinflusst der Glucocorticoid-Rezeptor etwa 1% des gesamten Genoms), auch solche für Co-Aktivatoren und/oder Co-Repressoren ("positive" vs. "negative" HREs). Nukleäre Rezeptoren können Gene aktivieren oder auch abschalten und können ihrerseits durch Agonisten aktiviert oder durch (kompetitive) Antagonisten ausgeschaltet werden.

Bestimmte nukleäre Rezeptoren haben bestimmte HRE-Präferenzen (consensus sequences). HREs sind spezifisch, man unterscheidet solche für

Androgene (ARE: androgen-response element),

Östrogene (ERE: estrogen-response element),

Progesteron (PRE: progesterone-response element),

Cortisol (GRE: glucocorticoid-response element),

Mineralcorticoide (MRE: mineralcorticoid-response element).

Typ-II-NR: Diese Rezeptoren verbleiben im Zellkern, wo sie konstitutiv vorliegen und an HREs gebunden sind. Ihre Liganden sind meist Lipide. Sie fungieren als Sensoren für Cholesterin, Fettsäuren, Gallensäuren, Xenobiotika, Pharmaka.

In beiden Fällen bildet sich ein Hormon-Rezeptor-Komplex (HRC), dieser beeinflußt koregulatorische Proteine und die Genexpression (verschiedene Gene werden teils aktiviert, teils supprimiert). Co-Aktivatoren können auch in der zugehörigen Promotorregion Histone acetylieren oder deacetylieren, was diese Region für die Ablesung (Transkription) zugänglicher bzw. weniger verfügbar macht (chromatin remodeling).

Proteolytische Signalerweiterung

Kommt es dazu, dass ein Signalprotein ein anderes spaltet - wie im Rahmen der Apoptose -, kann dies ebenfalls Signalwege in der Zelle aktivieren. Ein Beispiel ist der Wnt-Signalweg, ein anderes der NF-κB-Weg, oder der Notch-Signalweg:

Notch-Signalweg

Rezeptoren der Notch-Familie (Notch-Signalweg) haben eine Transmembran- und eine großen extrazelluläre Domäne. ("Notches" sind Kerben, die auf den Flügeln von Fruchtfliegen mit einer einschlägigen Mutation auftreten.) Der Rezeptor bindet einen Liganden auf der Oberfläche einer Nachbarzelle und löst eine proteolytische Kaskade aus. Ein Bruchstück diffundiert zum Zellkern (intracellular Notch) und steuert als Teil eines Transkriptionskomplexes die Expression von Notch-Response-Genen.

Was bewirken aktivierte Rezeptoren in der Zelle?

Ist ein Membranrezeptor aktiviert worden, setzt er intrazellulär Mechanismen in Gang, die im Allgemeinen eine Verstärkung des molekularen Signals zur Folge haben. Beispiele zeigt die folgende

Abbildung:

Ankerverbindungen Nach Alberts et al, Molekularbiologie der Zelle, 6. Aufl. 2017
Art	Transmembranes Adhäsionsprotein	Extrazellulärer Ligand	Intrazelluläre Verbindung	Intrazelluläre Adapterproteine
Adhärente Verbindung	Klassische Cadherine	Cadherin auf Nachbarzelle	Aktin- filamente	Catenine (α, β), Vinculin u.a.
Desmosomen	Nichtklassische Cadherine	Nichtklassische Cadherine auf Nachbarzelle	Intermediär- filamente	γ-Catenin, Vinculin u.a.
Aktinverknüpfte Zell-Matrix- Verbindungen	Integrin	Extrazelluläre Matrixproteine	Aktin- filamente	Talin, Vinculin u.a.
Hemi- desmosomen	Integrin, Kollagen (Typ XVII)	Extrazelluläre Matrixproteine	Intermediär- filamente	Plektin u.a.