Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte
 
Rezeptor- und second-messenger-Systeme, Kommunikation zwischen Zellen


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© H. Hinghofer-Szalkay

Azetylcholin: acetum = Essig, χολή = Galle (Cholin 1849 in Schweinegalle entdeckt)
Claudin: claudere = schließen
glutamaterg: gluten = Leim, Amin von Ammonium - Ἄμμων = Gottheit, in der Nähe des Tempels wurde Ammoniumchlorid als 'sal ammoniacus' gesammelt; ἔργον = Wirken
Inositol: "Muskelzucker", von
ς, νος = Muskel
ionotrop: ἰόν = gehend (zu einer Elektrode), τρόπος = Richtung, Wendung
metabotrop: μετα-βολισμός = Um-wurf,
τρόπος = Richtung, Wendung
Occludin: occludere = verschließen
phospho-: φως-φορος = licht-tragend (weißer Phosphor leuchtet bei Kontakt mit Sauerstoff)


Die Kommunikation zwischen Zellen kann über Signalstoff-Rezeptor-Interaktion (Sender-Empfänger-Prinzip) oder direkte Schaltstellen (gap junctions) erfolgen. Letztere erlauben Stromflüsse zwischen Zellen (Übertragung von Aktionspotentialen, z.B. im Herzmuskel) oder auch interzellulären Austausch von Molekülen.

Rezeptoren in der Zellmembran oder im Zellinneren sind Moleküle, die Information aus dem extrazellulären Raum aufnehmen, indem sie Signalstoffe binden und Sekundärprozesse auslösen. Je nach Funktionstyp unterscheidet man u.a.
   -- Direkt enzymatisch aktive (Typ-1-) Rezeptoren, sie dimerisieren nach Bindung ihres Bindungspartners (Insulin, ANF..) und haben an der Zellinnenseite Enzymfunktion (Tyrosinkinase, Guanylatzyklase). Das kann Transkriptionsvorgänge, eventuell auch Zellteilung bewirken
   -- Ionotrope (Typ-2-) Rezeptoren, z.B. für Neurotransmitter - 4 oder 5 Proteine bilden zusammen einen
Ionenkanal, dessen Permeabilität ligandenabhängig ist
   -- Metabotrope (Typ-3-) Rezeptoren sind sehr häufig (≈
80% aller transmembranalen Signalmeldungen): Es sind G-Protein-gekoppelte (GTP-bindende) Rezeptoren, die auf verschiedenste Reize reagieren (Geruchsstoffe, Licht, Transmitter, Aminosäuren, Proteohormone..)
   -- Nukleäre (Typ-4-) Rezeptoren sind intrazellulär, binden nach Anlagerung ihrer Hormone (meist Steroide) an hormone response elements der Zielgene oder andere Transkriptionsfaktoren, und können sehr viele Gene gleichzeitig beeinflussen.



Übersicht Rezeptortypen Folgereaktionen Interzellulärer und Zell-Matrix- Kontakt


>Abbildung:
Signale an der Zellmembran können die Aktivierung von Kalziumionen auslösen
Nach einer Vorlage in Harvard Med School / Childrens Hosp Boston

Durch Aktivierung von G-Proteinen (links) oder Eindringen von Ca++-Ionen (rechts) werden Folgereaktionen in der Zelle "eingeschaltet". Eine davon kann die Aktivierung intrazellulärer Ca++-Ionen aus dem endoplasmatischen Retikulum sein

 
ACh, Azetylcholin   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   PLC, Phospholipase C, hydrolysiert die Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) zu Inositoltrisphosphat (InsP3) und Diacylglycerol (DAG)   PKC, Proteinkinase C, eine Enzymklasse zur Signaltransduktion in der Zelle   SERCA, Sarcoplasmic/endoplasmic reticulum calcium ATPase, Kalziumpumpe des endo/sarkoplasmatischen Retikulums   TRP, TRP-Kanal

Zellen nehmen miteinander in vielfacher Weise Kontakt auf - mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, biochemisch. Dabei wird eine Fülle von Information ausgetauscht. Diese Fähigkeit ermöglicht das normale Funktionieren des Körpers.

Viele grundlegende Vorgänge, die den Organismus am Leben erhalten, lassen sich schon bei einzelnen Zellen beobachten: Austausch von Energie (vor allem Wärme) mit der Umgebung, Gasaustausch (Atmung), Austausch fester Substanzen (Ernährung: Aufnahme von Nahrungsstoffen, Salzen, Mineralien, Vitaminen, anderen Wirkstoffen; Abgabe von Stoffwechsel-Endprodukten, Signalstoffen), Kraftentfaltung und Bewegung, Kommunikation.


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

Graue Boxen: Generelle Signaltransduktionskomponenten; weiße Boxen: spezifische Beispiele. Auf die Bindung eines Liganden an den Rezeptor folgt eine Veränderung intrazellulärer rezeptoranhängiger 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

Die Zelle greift dabei auf biochemische und biophysikalische Mechanismen zurück, die - mit verschiedenen Abwandlungen - im Prinzip 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.

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: 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.



Man unterscheidet mehrere "Superfamilien" an Rezeptortypen (vgl. auch dort):

Enzym (Typ I) Ionotrop (Typ II) Metabotrop (Typ III) Intrazellulär (Typ IV) Janus-Kinasen TRP-Kanäle


>Abbildung: Enzymatisch aktive Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology. Philadelphia, Saunders, 2003

   
  Typ-1-Rezeptoren: Außen Mediatorbindung, innen Enzym (Tyrosinkinase oder Guanylatzyklase - >Abbildung).

Beispiele: Zytokinrezeptoren; ANF-Rezeptor; Wachstumsfaktor-Rezeptoren; Insulinrezeptor; Adipokinrezeptoren.

Tyrosinkinase-Rezeptoren dimerisieren bei der Bindung des Signalmoleküls, dadurch werden sie aktiv und phosphorylieren
"nachgeordnete" Proteine (Effektoren), entweder direkt oder über Adapterproteine.

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.

  Typ 2- oder ionotrope Rezeptoren (=ligandengesteuerte Ionenkanäle). Hier greifen rasch wirkende Neurotransmitter an (z.B. purinerge P2X-, nikotinische Azetylcholin-,  Glutamatrezeptoren vom NMDA-, AMPA- und Kainat-Typ, <Abbildung; GABAA-Rezeptoren; Serotoninrezeptoren). 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).
 

<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 Azetylcholin und lassen dann ebenfalls Kationen durch die Membran diffundieren. Glutamatrezeptoren können ionotrop (NMDA, Kainat, AMPA), aber auch metabotrop sein

  Typ 3-, metabotrope oder G-Protein-gekoppelte (GTP-bindende) Rezeptoren (G-Proteine binden Guanosinphosphat - GPCR = G-protein coupled receptor).

G-Proteine
kommen in mehreren Varianten vor:
Große, aus drei Untereinheiten (α, β, γ) aufgebaute (heterotrimere) - bei Bindung eines Hormonmoleküls an den Rezeptor dissoziieren sie die γ-Einheit ab, diese koppelt an ein Enzym in der Zellmembran (z.B. Adenylatzyklase oder Phospholipase C), das triggert den Hormoneffekt; solche Proteine können stimulierend (Gs), inhibierend (Gi) oder auch anders wirken (z.B. regen Gq-Proteine die Bildung von IP3 und DAG an, wie im Signalweg von Vasopressin, GnRH, TRH, TSH, oder Angiotensin II).

Die G-Proteinrezeptor-Superfamilie
weist mehr als tausend Mitglieder auf (etwa 500 davon sind Geruchsrezeptoren). Sie reagieren auf verschiedenste Reize, wie Licht, Duftstoffe, Aminosäuren, biogene Amine, Neurotransmitter, Peptide. Etwa 80% aller transmembranalen Signalmeldungen erfolgen über diesen Rezeptortyp.

Beispiele: Muskarinischer
Azetylcholin-Rezeptor; katecholaminempfindliche Adrenozeptoren (α, β); metabotrope Glutamatrezeptoren (mGlu); Chemokinrezeptoren; Vasopressinrezeptoren; Histamin- und Serotoninrezeptoren; Kalzitonin- und Parathormonrezeptoren; Glukagonrezeptoren; Kortikotropinrezeptoren.
 

>Abbildung: Nukleäre Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Alberts B et al: Molecular Biology of the Cell, 4th ed. New York, Garland Science, 2002

Mineral- und Glukokortikoide, Geschlechtshormone, Schilddrüsenhormone, Vitamin D diffundieren durch die Zellmembran und binden - im Zell- oder Kernplasma - an Rezeptoren. DNS wird dadurch abgelesen und RNS gebildet (Transkription), was zu Translation (Proteinsynthese) führt

  Typ 4: Intrazelluläre oder nukleäre Rezeptoren (NR) finden sich in Zellkern (Kern-Rezeptoren) und Zytoplasma (zytoplasmatische Rezeptoren, >Abbildung). Es gibt mehrere Typen dieser Rezeptoren, insbesondere:

      Klasse-I-NR: Bindung des Liganden an den zytosolischen Rezeptor führt zur Dissoziierung von Hitzeschockproteinen, Dimerisierung, aktiven Transport (Translokation) in den Zellkern und Bindung an hormone response elements (HREs) der Zielgene auf der DNS. Auf diesem Wege können viele Gene gleichzeitig beeinflusst werden.


      Klasse-II-NR verbleiben im Zellkern; sie binden Lipide und andere Substanzen.

   Beispiele: Rezeptoren für Steroide, Vitamin D, Schilddrüsenhormone.

  Zu Hitzeschockproteinen s. auch dort

  Weitere Rezeptoren. Mit dem Fortschreiten der molekularbiologischen Forschung sind auch weitere Rezeptoren gefunden worden, die nicht in das Typ 1 bis 4-Schema passen, z.B. dimerisierende ohne Tyrosinkinase-Aktivität. Diese aktivieren sogenannte Janus-Kinasen (JAKs); die Abkürzung JAK stand ursprünglich für "just another kinase", dann wurde erkannt, dass die Rezeptoren über Dimerisierung wirken (zwei aktive Zentren, zwei "Gesichter": Janus!). Sie aktivieren dann in der Zelle sogenannte STATs (Signal transducer and activator of transcription), die in den Zellkern wandern und Transkriptionsvorgänge freigeben.

   
  Zum JAK-STAT-Mechanismus s. auch dort

Zahlreiche Rezeptoren für Interleukine, andere Zytokine und Wachstumsfaktoren, sowie für Somatotropin und Prolaktin funktionieren als Januskinasen.

 

<Abbildung: TRP-Kanal
Nach einer Vorlage bei kuleuven.be

Vier transmembranale Untereinheiten bestimmen die Selektivität des Kanals ("Selektivitätsfilter")

  TRP-Kanäle (Transient receptor potential bei Drosophila-Augen mit mutiertem TRP-Gen) sind Kationenkanäle, die einen geregelten Übertritt von Kationen (Ca++, Na+, Mg++, auch Zn++, Fe++) über Biomembranen - in der Zellmembran, aber auch intrazellulär - ermöglichen (<Abbildung).

Die funktionellen Eigenschaften dieser Kanäle sind äußerst unterschiedlich - sie dienen der Detektion von Schmerz (
TRPV-Kanäle - V für vanilloid - sind u.a. besonders stark an Schmerzfasern ausgeprägt), Temperatur, Geschmack (Schärfe), Mechano- und Photosensibilität, der Mobilisierung intrazellulären Kalziums und der Ca++ / Mg++-Regulation, Knochenwachstum, Gefäßtonus.

Es gibt mehrere Untergruppen:

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).


Was bewirken aktivierte Rezeptoren in der Zelle?




Je nach involviertem Rezeptortyp werden verschiedene membranständige und intrazelluläre Mechanismen aktiviert:

  Andocken des entsprechenden "first messenger" führt

  im Fall der Tyrosinkinase zu Phosphorylierung zellulärer Signalproteine, oder

  bei der Guanylatzyklase zu Bildung des zweiten Botenstoffs cGMP

  Ionotrope Rezeptoren lassen Ionen durch Kanalproteine treten, welche die Zelle aktivieren (gilt vor allem für Neurotransmitter, wie Glutamat, Glyzin, GABA, Azetylcholin)
 

  Viele Rezeptoren sind an G-Proteine gekoppelt und übertragen auf diese bei Bindung des Liganden an den Rezeptorteil eine Konformationsänderung (die eine Funktionsveränderung zur Folge hat). Diese führt intrazellulär zu Enzymaktivierung und Produktion des second messenger. Die wichtigsten Enzyme sind

  die Adenylatzyklase, sie lässt cAMP (zyklisches Adenosin-Monophosphat) entstehen; und

  die Phospholipase C, welche Phosphatidyl-Inositole zu Diazylglyzerin (DAG) und Inositol-Triphosphat (IP3) spaltet.
  

>Abbildung: Wie fettlösliche Hormone die Proteinsynthese einschalten

Bindung des Hormons (H) an intrazelluläre Rezeptoren (R) führt zur Ablösung des HSP (Hitzeschockprotein), und eine nukleäre Lokalisierungssequenz (NLS) wird frei. Diese erlaubt die Ankopplung an DNS-Sequenzen im Zellkern, die als hormone responsive elements (HRE) bezeichnet werden. Ergebnis ist Transkription (mRNS-Synthese) und Eiweißbildung (Translation)

   Intrazelluläre Rezeptoren warten auf die Ankunft "ihrer" Hormone - Steroide, Vitamin D-Hormon, Schilddrüsenhormon - meist im Zytoplasma, gebunden an Hitzeschockprotein 90 (HSP 90) und deshalb inaktiv.

Bei Bindung des Hormonmoleküls entfernt sich das HSP 90, und eine nukleäre Lokalisierungssequenz (NLS) des Rezeptormoleküls wird frei, der Komplex wandert in den Zellkern und reagiert mit einer als hormonresponsives Element (HRE, Hormone response element)
bezeichneten Gensequenz (>Abbildung) - z.B. Estrogen response elements (EREs) oder Androgen response elements (AREs).

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.

Die Zellmembran ist Angriffspunkt für Kontaktstellen zwischen mehreren Zellen, die der mechanischen Festigkeit dienen (Desmosomen z.B. zwischen Epithelzellen, Herzmuskelzellen), der Abdichtung des Extrazellulärraums (tight junctions) oder der Verbindung der Zellinnenräume (gap junctions).

  Anheftung, Kontakt, Festigung:  Gürteldesmosomen (zonulae adhaerentes), Streifendesmosomen (fasciae adhaerentes) und Punktdesmodomen (puncta adhaerentia) gehören zur Gruppe der Adhäsionsverbindungen (adherens junctions). Solche mechanischen Verstärkungen finden sich vor allem zwischen Epithelzellen; sie werden in den Zellen über Aktinfilamente hergestellt.
 

<Abbildung: Kontakt zwischen Epithelzellen
Nach Wells JM et al, Homeostasis of the gut barrier and potential biomarkers. Amer J Physiol 2017; 312: G171-93

Links: Tight junctions ermöglichen selektive Diffusion von Ionen und kleinen Molekülen durch parazelluläre Spalträume, größere Moleküle können nicht passieren. Desmosomen und gap junctions heften Zellen aneinander und beteiligen sich am Informationsaustausch.

Rechts:
Tight junctions sind aus verschiedenen Molekülen aufgebaut (Occludin, Claudine, Tricellulin, JAM-(Junctional adhesion molecule)-Proteine. Diese wirken über Gerüstproteine (scaffold proteins) zusammen, wie die zonula occludens-Proteine ZO1 bis ZO3, und "kooperieren" mit Proteinen des Zytoskeletts, insbesondere Aktin

An der zellübergreifenden Verbindung sind Adhäsionsmoleküle beteiligt. Zu diesen zählen die Cadherine (Ca++-abhängige transmembrane Glykoproteine), die man in Anhaftungsorganellen findet, dazu zählen - je nach Ausformung - Gürteldesmosomen, Streifendesmosomen und Punktdesmosomen. Diese stabilisieren interzelluläre Kontakte und spielen auch eine Rolle für die die Übertragung von Signalen von einer Zelle auf die andere, für die Erhaltung der Polarität von Zellen (apikal - basolateral), sowie in der Embryogenese.

Adhäsionsmoleküle stellen weiters Verbindungen zwischen Zellen und extrazellulärer Matrix her. Diese
Transmembranproteine dienen auch der interzellulären Kommunikation. Zu ihnen zählen außer den Cadherinen

   
  Integrine: Sie verbinden Zellen mit der umgebenden Matrix und kommen außer an Erythrozyten überall vor. Sie beteiligen sich an der Regulation von Zellproliferation und Differenzierung

   
  Zelladhäsionsmoleküle (Cell Adhesion Molecules, CAMs) - z.B. Selektine: E-Selektin in der Membranen von Endothelzellen, P-Selektin auf Blutplättchen (platelets), L-Selektin auf Leukozyten. CAMs dienen dem mechanischen Zusammenhalt und der interzellulären Kommunikation. S. auch dort


>Abbildung: Verbindungen zwischen Zellen
Nach einer Vorlage bei Benjamin Cummings / Addison Wesley Longman Inc. 2001

Desmosomen dienen der Anheftung, Tight Junctions der Abdichtung, Gap Junctions der elektrischen Verschaltung und dem Stoffaustausch

  Austausch:  Gap junctions ermöglichen mittels Konnexonen (Proteinkanälen) den Austausch von Stoffen oder das Fließen von elektrischen Membranströmen (Signalfunktion). Solche Verbindungskanäle finden sich zwischen Herz- und glatten Muskelzellen, in Gallenkapillaren, in der Augenlinse, im Knochen, in Glia- und Drüsenzellen und ermöglichen die Fortpflanzung von Aktionspotentialen, z.B. im Lauf eines Herzschlags.

  Abdichtung:  Schlussleisten (zonulae occludentes, tight junctions) umgürten Zellen und heften sie parazellulär aneinander. Dabei beschränken sie die Seitwärtsbewegung von Membranmolekülen auf ein apikales und ein basolaterales Kompartiment. Diese "Zaunfunktion" erhält die Polarität von Zellen, deren Membranbestandteile sich zwischen apikalem und balolateralem Abschnitt stark unterscheiden und verschiedene Funktionen (gerichteter Stofftransport!) erfüllen.

Der wichtigste Bestandteil der tight junctions sind Claudine,
sie bauen hauptsächlich die "parazelluläre Barriere" auf und minimieren die (unkontrollierte) Diffusion von Molekülen und Ionen zwischen Epithelzellen hindurch. Weitere beteiligte Proteine sind ist Occludin, Junctional adhesion molecules und Tricellulin. Diese Moleküle haben intra-, trans- und extrazelluläre Domänen und übernehmen spezifische Rollen bei der Abdichtung von Schlussleistensystemen, indem sie mit Hilfe von Gerüstproteinen (scaffold proteins) untereinander und mit Proteinen des Zytoskeletts (z.B. Aktinfilamenten) zusammenwirken.




Die Mehrzahl der klinisch bedeutsamen Medikamente greift an Rezeptoren an: Agonisten fördern, Antagonisten hemmen den jeweiligen physiologischen Vorgang der Signaltransduktion.

      So werden
ß-Agonisten zur Entspannung der Gebärmutter (Tokolyse) oder bei asthma bronchiale eingesetzt,

      ß-Blocker (Antagonisten) bei Bluthochdruck, Herzinsuffizienz, Rhythmusstörungen und Migräne.

Der Rezeptor-G-Protein-Mechanismus ist Angriffsstelle zahlreicher Medikamente, z.B. mit Wirkung auf Herz, Gefäße, Schilddrüse, Leber, Pankreas oder Niere. Zu den nachgeschalteten Enzymen gehören z.B. Proteinkinasen.



Eine Reise durch die Physiologie


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