Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

    
Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte
 
Rezeptoren, second messenger, Kommunikation zwischen Zellen
© H. Hinghofer-Szalkay

Acetylcholin: acetum = Essig, χολή = Galle (Cholin 1849 in Schweinegalle entdeckt)
Chaperone: chaperone (engl) = Anstandsdame (cappa = Kappe) - "bewahren unreife Proteine vor schädlichen Kontakten"
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)
Ras-GTPasen: Rat sarcoma virus


Die Kommunikation zwischen Zellen kann über Signalstoff-Rezeptor-Interaktion (Sender-Empfänger-Prinzip) oder direkte Schaltstellen (z.B. gap junctions) erfolgen. Letztere erlauben Stromflüsse zwischen Zellen (Übertragung von Aktionspotentialen, z.B. im Herzmuskel) und 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 zelluläre Sekundärprozesse auslösen. Je nach Funktionstyp unterscheidet man u.a.

   -- Direkt enzymatisch aktive 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 Rezeptoren, z.B. für Neurotransmitter - 4 oder 5 Proteine bilden zusammen einen Ionenkanal, dessen Permeabilität ligandenabhängig ist

   -- Metabotrope 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 Rezeptoren sind intrazellulär, binden nach Anlagerung ihrer Hormone (Steroide, Schilddrüsenhormone) an hormone response elements der Zielgene oder andere Transkriptionsfaktoren, und können viele Gene gleichzeitig beeinflussen.



Übersicht Rezeptortypen Folgereaktionen Interzellulärer und Zell-Matrix- Kontakt


Kinasen
    Phospholipase C / Proteinkinase C   Calmodulin    Januskinasen    STATs    Chaperone      Divergenz, Konvergenz    G-Proteine

 Praktische Aspekte      Core messages
  

Zellen nehmen miteinander in vielfacher Weise Kontakt auf - mechanisch, elektrisch, elektromagnetisch, biochemisch. Dabei wird eine Fülle von Information ausgetauscht. Ohne diese Fähigkeit ist ein normales Funktionieren des Körpers nicht möglich.
 
Zellen agieren nie alleine

Bei der biochemischen Kommunikation senden Zellen Nachrichten in Form von Signalstoffen an ihre Umgebung aus. Das kann auf folgenden Wegen erfolgen:
 
  Durch Exozytose vorgefertigter Stoffe aus Speichervesikeln (Granula) - dies trifft auf die große Mehrzahl von Signalstoffen zu, wie Neurotransmitter, Neuromodulatoren, Hormone, Wachstumsfaktoren, Zytokine
   Durch Produktion und Freisetzung (transmembranal durch Diffusion oder Transport) nach aktuellem Bedarf - wie bei Lipidmediatoren oder Gasotransmittern
   Manche vesikulär gespeicherte Signalstoffe gelangen zusätzlich zu Exozytose auch direkt nach außen (mittels carrier-mediated release), z.B. Noradrenalin, Acetylcholin, Prostaglandine, Endocannabinoide (insbesondere wenn Pharmaka auf Transportsysteme in der Zellmembran wirken)
   Einige Signalstoffe entstehen extrazellulär durch enzymatische Wirkung aus Vorstufen, wie Angiotensin (durch ACE) aus Angiotensinogen, oder Kinine (durch Kallikrein) aus Kininogenen.
 

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
 
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

Graue Boxen: Generelle Signaltransduktionskomponenten; weiße Boxen: spezifische Beispiele. 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.

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)

GABAA
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
 
 
   Je besser die Struktur und Funktionsweise von Rezeptoren verstanden ist, desto präziser können neue Medikamente gefunden oder entwickelt werden, die über sie wirken.

Grundsätzlich unterscheidet man in der Zellmembran verankerte (transmembrane receptors) und intrazelluläre (im Zellkern wirksame - nuclear receptors) Rezeptoren. An Ersteren wirken z.B. Proteo / Peptidhormone, Neurotransmitter, Katecholamine; an Letzteren fettlösliche Hormone.

Zellmembranrezeptoren
übertragen das Signal an intrazelluläre Signalmoleküle, es kommt zu Signalverstärkung und typischerweise rascher Hormonwirksamkeit, z.B. über Permeasen in Membranen (aber auch Einwirkung auf den Zellkern); 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. Korezeptoren); Aktivierung von Signalproteinen im Zytoplasma.

Versagen entscheidende Schritte dieser 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. Ein einheitliches System, das allen Kriterien gleichermaßen gerecht wird, existiert bisher nicht.

Angesichts der Fülle verschiedenster Rezeptoren ist es dennoch oft nützlich, eine Zuordnung nach Rezeptortypen vornehmen zu können.
 
Ionenkanal-Rezeptoren
  TRP-Kanäle s. dort
 
An ionotropen (ligand-gated ion channels, ionotropic receptors) Rezeptoren (ligandengesteuerten Ionenkanälen) 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).
 

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
 
    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). Bei Öffnung des Ionenkanals (der "Pore") kommt es in erster Linie zu einem Einstrom von Na+, auch oft von Ca++, in die Zelle. Dieser Ionenstrom (pro Ionenkanal etwa 104 Ionen / ms) endet automatisch nach wenigen Millisekunden.
   
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 et al, 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
 
   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 (NAS>1000). Sie bestehen aus sieben transmembranalen α-Helices, die sich schlangenförmig ("serpentinisch") durch die Zellmembran winden, und dazwischenliegenden (intra- / extrazellulären) Verbindungsstücken. Der glykolsylierte N-Terminus liegt extrazellulär, der hydrophile C-Terminus intrazellulär; zwischen den Helices 5 und 6 liegt eine lange inrtrazelluläre Schleife.

Diese
Polypeptide stellen die umfangreichste Gruppe von Rezeptormolekülen an der Zelloberfläche dar (865 GPCRs beim Menschen, entsprechend 1,6% des gesamten Genoms - davon an die 500 für den Geruchssinn). Binden sie ihren Liganden (z.B. ein Hormon), aktivieren sie ein assoziiertes G-Protein, indem sie gebundenes GDP gegen GTP tauschen.

GPCRs werden in drei Klassen (A - beiweitem 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, GABAB-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


Abbildung: Struktur und Signalauslösung an GPCRs
Nach einer Vorlage in Liqun Luo, Principles of Neurobiology, 2nd ed. CRC Press 2021
Im Ruhezustand (links) liegen trimere G-Protein-Komplexe vor und binden an die Zellmembran, da Gα und Gα kovalent an Lipide fixiert sind (rote Zickzack-Linien).
 
Bei (1) bindet der extrazelluläre Signalstoff an den Rezeptor, was einen allosterischen Effekt bewirkt (2): In G
α 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


Jeder ligandenaktivierte Rezeptor aktiviert ~100 oder auch deutlich mehr G-Proteine (Verstärkungseffekt). G-Proteine sind heterotrimer: Sie bestehen aus drei Untereinheiten (α, β, γ). 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 die GTPase) und Guanine nucleotide exchange factors (GEFs - sie aktivieren die GTPase).
 
A
lle GPCRs nutzen diesen 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).

Bei Bindung eines Liganden an den Rezeptor tauscht die Gα-Untereinheit 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).

Der Effekt der intrazellulären Signalverstärkung kann sehr unterschiedlich sein: Das Genom des Menschen codiert für 18 verschiedene
Gα-, 5 Gβ- und 12 Gγ-Proteine, die sich im Bindungsverhalten zum Rezeptor und der Effektorprotein-Aktivierung unterscheiden. G-Proteine können stimulierend (Gs), inhibierend (Gi) 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). GPCR kommen in der Zellmembran sowie in der Endosomenmembran vor.

Der am häufigsten von der Zelle genutzte cAMP-Effektor ist die cAMP-abhängige Proteinkinase (Proteinkinase A, PKA, A-Kinase). Dieses Enzym fügt Phosphatgruppen an bestimmte Serin- oder Threoninreste von Zielproteinen und verändert dadurch ihre Eigenschaften.

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.
Die G-Proteinrezeptor-Superfamilie
- definiert über den Wechsel zwischen GDP-gebundener und GTP-gebundener Form (Abbildungen) - 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: Rezeptoren für
 
    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) enzymgekopppelten 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.

Im menschlichen Genom finden sich hunderte verschiedener Subtypen für Kinasen und Phosphatasen. Die Interaktion dieser Enzyme - untereiunander und in ihrer Wirkung auf die Transkriptionsvorgänge im Zellkern - ist sehr 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, Prolaktin, 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 u
nterschiedlicher 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, Prolaktin, Erythropoetin und Leptin.

  Zum Mechanismus der Transkriptionssteuerung durch Interferone s. auch dort
  
Intrazelluläre ("Nukleäre") Rezeptoren
 
Nukleäre Rezeptoren (NR, Abbildung) finden sich in Zellkern (Kern-Rezeptoren) und Zytoplasma (zytoplasmatische Rezeptoren - diese Rezeptorgruppe sollte man besser "intrazelluläre Rezeptoren" nennen). Betreffende Signalmoleküle sind gut fettlöslich und diffundieren durch die Zellmembran. Hierher gehören Steroidhormone (Sexual-, Nebennierenrindenhormone) und fettlösliche Vitamine (Vit-D-Hormon, Vit. A - vgl. dort. 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;
 
     und 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 P
roteinmolekülen 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).

 
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.

Der
Notch-Signalweg ist in die Entwicklung zahlreicher Gewebe involviert, insbesondere beeinflusst er Entwicklungsschritte im Nervensystem. Zellen können über ihn ihre Funktionen aufeinander abstimmen, er synchronisiert embryonale Entwicklungsschritte. Auch für die Reifung und Aktivierung von Lymphozyten spielt dieser Signalweg eine bedeutende Rolle.
 
   Über Immunrezeptoren s. dort.

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:
 

Abbildung: Signalverstärkung
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Links: Ein Neurotransmitter (NT) bindet an einen Ionenkanal, wodurch dieser aktiviert wird, seine Öffnungswahrscheinlichkeit erhöht und eine große Zahl an Ionen durchtreten lässt. Dieser Mechanismus funktioniert sehr rasch (Millisekunden).
 
Mitte: Ein Neurotransmitter bindet an einen Rezeptor, der dadurch 10-20 G-Proteine aktiviert (der αβγ-Komplex dissoziiert). In diesem Beispiel aktivieren βγ-Untereinheiten direkt einen Kaliumkanal, α-Untereinheiten die Adenylylcyclase (AC). Jedes AC-Molekül produziert zahlreiche cAMP-Moleküle, die Proteinkinase A (PKA) aktivieren. Dieser Mechanismus beansprucht 20-300 ms; G-Protein-Untereinheiten diffundieren in der Membran seitwärts und beeinflussen nur benachbarte Ionenkanäle.
 
Rechts: Jedes PKA-Molekül kann zahlreiche Ionenkanäle phosphorylieren und dadurch modulieren. Der komplexe Gesamtvorgang benötigt mehr Zeit, um wirksam zu werden


Die Mehrstufigkeit intrazellulärer Informationsflüsse hat nicht nur den Vorteil der Signalverstärkung, sondern bietet auch zahlreiche Ansatzpunkte für regulatorische Einflüsse. Auch können mehrere Signalwege interferieren, insbesondere wenn sie auf identische second messenger zugreifen (Konvergenz); andererseits kann ein und derselbe Rezeptor mehrere verschiedene Botenketten anstoßen (Divergenz). Die Informationsverarbeitung ist oft schon auf der Ebene der Einzelzelle vernetzt.

     Divergenz bedeutet, dass ein bestimmter Transmitter verschiedene Neurone (oder auch verschiedene Teile ein und desselben Neurons) ungleich beeinflusst - mittels unterschiedlicher Rezeptoren (z.B. adrenerge α- vs. β-Rezeptoren); Divergenz kann auf jeder Stufe der Signalverarbeitung auftreten. Konvergenz bedeutet, dass unterschiedliche Transmitter - über unterschiedliche Rezeptoren - auf ein un denselben Ionenkanal wirken. Die Konvergenz kann sich auf der Ebene der second messenger oder der Ionenkanäle ergeben.
 
Je nach involviertem Rezeptortyp werden verschiedene membranständige und intrazelluläre Mechanismen aktiviert:

  Membranständige Rezeptoren
 
     Andocken des Signalstoffs (first messenger) - Hormon, Neurotransmitter o.ä. - führt

    
im Fall der Tyrosinkinase zur Phosphorylierung zellulärer Signalproteine, oder

     bei der Guanylatzyklase zur Bildung des zweiten Botenstoffs cGMP
 
     Ionotrope Rezeptoren lassen Ionen durch Kanalproteine treten (direktes Gating), welche die Zelle aktivieren (gilt vor allem für Neurotransmitter, wie Glutamat, Glyzin, GABA, Acetylcholin)
 
     Viele Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelt und übertragen auf diese bei Bindung des Liganden an den Rezeptorteil eine Konformationsänderung (die eine Funktionsänderung zur Folge hat). Diese führt zur Bildung "zweiter Botenstoffe" (second messenger) - intrazelluläre (sie wirken in der Zelle, z.B. cAMP) und transzelluläre (sie passieren die Zellmembran und wirken als first messengers auf benachbarte Zellen - z.B. NO, Arachidonsäure, Endocannabinoide).

Etwa 35% der Gene des Menschen (davon viele für das Geruchsempfinden) codieren für GPCR (G-Protein-gekoppelte Rezeptoren) - bei Säugetieren über 1000 Gene. Sie alle bestehen aus einem Protein, das die Zellmembran 7-mal durchspannt (heptahelikale Rezeptoren). Sie vermitteln die Wirkung zahlreicher Peptidhormone, Neurotransmitter, Prostaglandine und sind in die Perzeption von Licht, Geruch und Geschmack involviert.

     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 bestehen aus drei Untereinheiten, genannt α, β und 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
s Anregung der Adenylylcyclase
(Bildung von cAMP)
i Hemmung der Adenylylcyclase
o vermutlich über βγ
q Aktivierung von Phospholipace C
(mehr IP
3 / DAG), Freisetzung Ca++, Aktivierung Proteinkinase C
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 Gαs, Gαi, Gα0  und Gαq 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).

Nach Aktivierung durch den Rezeptor trennen sich α-Untereinheiten vom 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 Rezeptoren und Effektoren, und haben unterschiedliche Wirkungen.

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

Über G-Proteine 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)


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

      Adenylylcyclase 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 Adenylylcyclase produziert so lange cAMP wie die α-Untereinheit gebunden bleibt und sie aktiviert. Dadurch entsteht viel mehr cAMP als Rezeptoren aktiviert wurden (Signalverstärkung).
Die Hydrolyse von cAMP (zu 5'-AMP) erfolgt durch Phosphodiesterasen (PDE4, PDE7, PDE8 bauen spazifisch nur cAMP ab, PDE1, 2, 3, 10 und 11 auch cGMP - man kennt insgersamt 21 Phosphodiesterasen).
 
Proteinphosphatasen dephosphorylieren Proteine. Dadurch können die angestoßenen Vorgänge in der Zelle wieder "ausgeschaltet" werden.

     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 mehrere 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++-Ionen und damit intrazelluläre Signalkaskaden aktiviert.

Ca++-Ionen 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
 
  Abbau der second messenger: cAMP wird durch Phosphodiesterase abgebaut, DAG durch Lipasen, IP3 durch IP3-Phosphatase dephosphoryliert.
 
  Intrazelluläre (nukleäre) Rezeptoren

Intrazelluläre Rezeptoren ( s. oben) sind Transkriptionsfaktoren. Sie warten auf die Ankunft "ihrer" Hormone - Steroide, Vitamin D-Hormon, Schilddrüsenhormone - im Zytoplasma (Corticoide, Abbildung oben) oder im Zellkern (Schilddrüsenhormone). 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.

 
Interzellulärer Kontakt 

vgl. dort



Abbildung: Interzelluläre Verbindungen
Nach einer Vorlage in Strachan / Read, Human Molecular Genetics, 5th ed. 2020 (CRC Press)

Beispiel Darmepithel (oben intestinales Lumen, unten Basalmembran). Aktinfilamente rot, intermediäre Filamente blau dargestellt. Aktinfilamente fixieren die Zellen an die Basalmembran über Fokalkontakte, an Nachbarztellen über Adherens junctions. Intermediäre Filamente fixieren die Zellen an die Basalmembran über Hemidesmosomen, an Nachbarzellen über Desmosomen.
 
Tight junctions teilen die Seitenwände der Zellen in einen apikalen und einen basolateralen Teil (diese Membranen sind unterschiedlich mit transmembranalen Transportsystemen ausgestattet). Parazellulär üben sie eine Art Filterfunktion aus.
 
Gap junctions sind näher am basalen Pol untergebracht und dienen der elektrischen und chemischen Kommunikation benachbarter Zellen


Interzelluläre Kontaktverbindungen können unterschiedlichen Funktionen dienen:
 
  Der gegenseitigen mechanischen Verankerung (anchoring cell junctions). Hierher zählt man
 
      Adhäsionsverbindungen (adherens junctions) über Cadherine (diese sind intrazellulär über Ankerproteine wie Catenine, Vinculin und α-Actinin an Aktinfilamente in der Zelle fixiert),
 
      Desmosomen in Form von Punktdesmosomen (puncta adhaerentes), Gürteldesmosomen (zonulae adhaerentes) oder Streifendesmosomen (fasciae adhaerentes). Dabei binden Desmocolline und Desmogleine einer Zelle an Moleküle desselben Typs einer Nachbarzelle. Desmoplakine und Plakoglobin knüpfen sie an intermediäre Filamente in der Zelle
 
      Aktinverknüpfte fokale Adhäsionen (Fokalkontakte. actin-linked focal adhesions) verknüpfen punktförmig das Aktingerüst des Zytoskeletts über Integrine mit der extrazellulären Matrix. Die Integrine sind intrazellulär via Ankerproteine wie Talin, Vinculin, Filamin und α-Actinin an Aktinfilamenten befestigt
 
      Hemidesmosomen verknüpfen epitheliale Zellen mit Basalmembranen. Integrine binden intrazellulär an intermediäre Filamente via Ankerproteine wie Plectin, extrazellulär an Laminin der Basalmembran.
 
  Dem Aufbau von Barrieren (tight junctions)
 
  Der Kommunikation zwischen Zellen (gap junctions)

Die Zellen eines vielzelligen Organismus müssen einander erkennen und gegenseitig (mechanisch) verankern können. Dazu dienen Zelladhäsionsproteine (Rezeptoren und deren Liganden bilden interzelluläre Brücken), bis zu mehrere hunderttaused solcher Moleküle können in die Membran einer einzigen Zelle eingelagert sein und sehr tragfähige Vernetzungen bewirken. Diese müssen andererseits auch wieder kontrolliert gelöst werden können (z.B. bei Zellmigration).

Auch molekulare Kontakte mit umgebenden Strukturen des Interstitiums sind unverzichtbar. Die extrazelluläre Matrix reguliert das Zellwachstum im Zusammenspiel mit Zellen, Wachstumsfaktoren und Proteinasen (wie Matrix- Metalloproteinasen). Einerseits steuern
Zellen durch Sekretion von Zytokinen und Wachstumsfaktorern die Produktion der extrazellulären Matrix, andererseits werden diese Faktoren in das extrazelluläre Maschenwerk sequestriert oder durch Proteinasen wieder freigesetzt - die Wirkung ist also wechselseitig.

Die Gewebe des Körpers können mechanischen Verformungskräften nur durch den Zusammenhalt der Zellen untereinander und ihre Anknüpfung an extrazelluläre Strukturen widerstehen. Dabei geht es nicht nur um Integrität, sondern auch um die Reaktion der Zellen auf mechanische Einwirkungen. Darüber hinaus sind diese Verknüpfungen dynamisch, wie sich bei Wachstums-, Reparatur- und Heilungsvorgängen zeigt.

Im Bindegewebe übernimmt den Part der mechanischen Belastbarkeit
die extrazelluläre Matrix (Sehnen, Bänder, Knochen) - die Rolle der Zellen konzentriert sich auf die Herstellung dieser Strukturen.

In Epithelien ist die Matrix weniger stark ausgeprägt (Basalmembran), die Kräfte werden von intrazellulären Filamenten des Zytoskeletts und interzelluläre Adhäsionsstellen
aufgefangen - die Zellen selbst übernehmen die Verteilung von Zugkräften. Die Zytoskelette benachbarter Zellen werden durch zwei Arten von Strukturen verknüpft:
 
 
  Adhärenten Verbindungen (adherens junctions) für Aktinfilamente, und
 
    Desmosomen (maculae adherentes) für Intermediärfilamente.

Zwischen Zelle und Matrix (Basalmembran) gibt es zwei weitere Brückenbildungen:

 
 
  Aktinverknüpfte und
 
    über Intermediärfilamente verknüpfte (s. Tabelle).
 

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.
 
All diese Verankerungstypen beruhen auf der Anwesenheit transmembranaler Adhäsionsproteine, die den Kontakt zwischen den Zellen sowie zwischen Zellen und extrazellulärer Matrix herstellen. Zelladhäsionsmoleküle (Cell Adhesion Molecules, CAMs) dienen dem mechanischen Zusammenhalt und der interzellulären Kommunikation. Sie haben drei Teile:
Eine intrazelluläre Domäne, welche sich an Elemente des Zytoskeletts (Aktin- und intermediäre Filamente) knüpft,
eine transmembranale (lipophile) Domäne zur Verankerung in der Zellmembran,
eine extrazelluläre Domäne, die Kontakt mit einerm identen (homophile Bindung) oder einem unterschiedlichen CAM einer Nachbarzelle (heterophile Bindung) oder mit Komponenten der extrazellulären Matrix aufbaut.

Man unterscheidet vier Hauptgruppen an Zelladhäsionsmolekülen:

  Cadherine sind Ca++-abhängige (daher die Bezeichnung) transmembranale Proteine, die für Zell-Zell-Adhäsion, Zellpolarität, Signaltransduktion und Morphogenese wichtig sind. Cadherine können homophile interzelluläre Bindungen herstellen.
 
  Integrine sind Adhäsione-Heterodimere (sie bestehen aus zwei Komponenten) mit einer Anlagerungsstelle für RGD (Arg-Gly-Asp) - einer Bindungssequenz, die besonders häufig in Matrixproteinen vorkommt, z.B. in Fibronektin. Sie verbinden Zellen - z.B. Leukozyten - mit der umgebenden Matrix (Bindung an spezifische Aminosäuresequenzen in Kollagen, Fibronektin, Laminin) und kommen außer an Erythrozyten überall vor. Sie beteiligen sich an der Regulation von Zellproliferation und Differenzierung (sie "integrieren" durch extrazelluläre Liganden getriggerte Signale mit Gestaltsänderung, Bewegung und phagozytotischer Aktivität der Zelle). Intrazelluläre Signale können die Affinität der Integrine zu ihren Liganden durch Konformationsänderung erhöhen (inside-out signaling).
 
  Selektine stellen vorübergehende Verbindungen zwischen bestimmten Zellarten im Blutkreislauf her. Beispielsweise finden frisch differenziertte Lymphozyten den richtigen Entwicklungsweg, indem ihr L-Selektin mit Adhäsionsmolekülen an Endothelzellen in Lymphknoten interagieren. E-Selektin findet sich in der Membranen von Endothelzellen, P-Selektin auf Blutplättchen (platelets), L-Selektin auf Leukozyten. Auf diese Weise kann der Austritt von Leukozyten in das Gewebe (Extravasation) reguliert werden.
 
  Ig-CAMs (immunoglobulin superfamily cell adhesion molecules) besitzen Ig-ähnliche Domänen und bilden eine große funktionelle Proteinfamilie, die sowohl homo- als auch heterophile Bindungen etablieren. Zu ihnen gehören zahlreiche Proteingruppen, wie ICAMs (interzellulär), NCAMs (neuronal), VCAMs (vaskulär), PECAMs (Plättchen und Endothelien) usw.
 
Die Zellmembran ist Angriffspunkt für Kontaktstellen zwischen mehreren Zellen, diese dienen
 
      der mechanischen Festigkeit - scheibenförmige Desmosomen (maculae adhaerentes) und gürtelförmige Zonulae adhaerentes (adhering junctions) z.B. zwischen Epithelzellen (Keratine u.a.), Muskelzellen (Desmin u.a.). Besonders zahlreich sind Desmosomen in Geweben ausgebildet, die starker Krafteinwirkung unterworfen sind.  Intermediärfilamente übertragen die Kraft auf das Zytoskelett;
 
      der Abdichtung des Extrazellulärraums kombiniert mit einem Siebeffekt (Schlussleisten, tight junctions, s. Abbildung unten), oder
 
      der Verbindung der Zellinnenräume (Nexus, gap junctions) - das macht den direkten Austausch von Stoffen und elektrischen Ladungen zwischen benachbarten Zellen möglich.
 

Abbildung: Verbindungen zwischen Zellen
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Desmosomen dienen der Anheftung, tight junctions (zonulae occludentes) der Abdichtung bzw. "Siebung"; Schlussleisten und Streifendesmosomen liegen am Übergang von apikaler zu basolateraler Membran. Gap Junctions der elektrischen Verschaltung und dem Stoffaustausch benachbarter Zellen.
 
Gezeigt sind zwei exemplarische Epithelzellen mit ihrer apikalen (luminale Oberfläche, z.B. Darmrohr) und basolateralen Membran (grenzt an das Interstitium, also extrazelluläre Flüssigkeit). Letztere ruht auf einer Basalmembran, die von den Epithelzellen gebildet wird und vor allem aus Kollagen, Laminin und Proteoglykanen besteht


Interzellulärer Austausch: Gap junctions (Nexus, Porengröße ~1,4 nm, Spaltbreite 2-4 nm) liegen in der Nähe der Zellbasis und erlauben den interzellulären Austausch kleiner Moleküle und Ionen und wirken auch als "elektrische Brücken", z.B. bei der Erregungsausbreitung im Herzmuskel. Sie bilden direkte Verbindungen zwischen dem Zytoplasma zweier benachbarter Zellen (
Abbildung).
 
Proteinkanäle (aus Connexinen bestehende
Connexone) bilden die kanalförmigen Brücken zwichen den Zellen in gap junctions. Kleine Moleküle (<1 kDa) können sie passieren, Makromoleküle (Nukleinsäuren, Proteine) sind dafür zu groß und können durch gap junctions nicht hindurchtreten.
 
Gap junctions ermöglichen nicht nur den Austausch von Stoffen, sondern auch elektrische Membranströme (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. So bilden durch elektrische Brücken verbundene Zellen ein funktionelles Synzytium.

Gap junctions stehen nicht ständig offen, sondern wechseln zwischen geschlossenem und offenem Zustand (ähnlich wie Ionenkanäle). Der Öffnungszustand kann unter dem Einfluss extrazellulärer Signalstoffe (wie Neurotransmittern) verändert werden; auch pH-Wert, Ca++-Konzentration oder Membranpotential beeinflussen die Öffnungswahrscheinlichkeit von gap junctions.

   Näheres zu gap junctions s. dort

Abdichtung und Siebung: Tight junctions (Schlussleisten, zonulae occludentes) grenzen apikale und basolaterale Membran voneinander ab. 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 ( Abbildung) stark unterscheiden und verschiedene Funktionen (gerichteter Stofftransport!) erfüllen.
 
 
Abbildung: Tight junctions und Claudin
Nach einer Vorlage bei klinphys.charite.de

Tight junctions enthalten Proteine, die benachbarte Epithel- oder Endothelzellen miteinander verknüpfen. Je nach Dichtigkeit oder Durchlässigkeit können dadurch impermeable Barrieren (Epidermis, distale Nierentubuli, Blasenwand, Dickdarm, Hirnkapillaren) oder für parazellulären Transport geeignete Pfade entstehen (proximale Nierentubuli, Dünndarm, Peritoneum).
 
Claudine haben je 4 transmembranale Domänen und zwei extrazelluläre Schleifen mit funktionsspezifischen Aminosäuresequenzen und Disulfidbrücken (z.B. porenbildend). Benachbarte Claudine derselben Zellseite wirken ebenso aufeinander (Cis-Interaktionen) wie Claudine benachbarter Zellen (Trans-Interaktionen)


Schlussleisten umgürten Zellen, heften sie parazellulär aneinander und bauen so interzelluläre Haftstellen auf - aufgebaut aus zahlreichen Brückenproteinen, vor allem Claudinen (Menschen haben 26 verschiedene Claudin-Gene), Occludin, Cadherin, Cingulin, Catenin.

Die Kontakte, die sie formen, sind nicht von vorne herein undurchlässig: So stellen einerseits einige Claudine eine Barriere für die Passage von Molekülen dar (Abdichtungsfunktion), andere wiederum funktionieren eher wie Poren. Kleine
Moleküle finden dann ihren Weg durch Lücken zwischen den Haftproteinen, große werden hingegen "ausgesiebt" - für sie besteht eine parazelluläre Diffusionsbarriere.

Claudine scheinen die Passage von Molekülen spezifisch begünstigen oder restringieren zu können; das Expressionsmuster bestimmter Claudine bestimmt, welche Eigenschaften überwiegen. Bestimmte Claudine bilden Poren für Kationen, andere für Anionen; z.B. bildet Claudin-2 im proximalen Nierentubulus Poren (geschätzte 30-40 nm Durchmesser), durch die Na+- und (in geringerem Ausmaß) Cl--Ionen sowie Wassermoleküle resorbiert werden (parazelluläre Route). Eine spezifische Claudinausstattung
bestimmt weiters die Dichtigkeit der Schlussleisten zwischen Endothelzellen und damit die Durchlässigkeit der betreffenden Gefäßwände für Ultrafiltrat. In der Blasenwand kommt es hingegen darauf an, mit tight junctions eine möglichst verlässliche Barriere aufzubauen, welche den Durchtritt von Harn (also auch von Mikromolekülen) verhindert.
 

Abbildung: Tight junction
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep, Medical Physiology, 3rd ed., Elsevier 2016

Auch tight junctions dichten nicht komplett ab: Die aus Claudinen und Occludinen aufgebauten Interzellulärbrücken erlauben zwischen ihnen die Passage von Wassermolekülen (blaue Pfeile), die zwischen diesen Kontaktstellen liegenden Lücken (gaps, 'small pores') auch von kleinen gelösten Molekülen.
 
Kleine Moleküle können auch durch das Maschenwerk aus interzellulären Glykoproteinen passieren (gelbe Pfeile)


Claudine bauen - "reißverschlussartig" - eine parazelluläre Barriere auf und minimieren die (unkontrollierte) Diffusion von Molekülen und Ionen zwischen Epithelzellen hindurch. Sie können sehr dicht sein (z.B. Gehirn, distale Nierentubuli) oder auch ziemlich durchlässig (z.B. Peritoneum, proximale Nierentubuli) und stellen dann für Moleküle / Ionen eher einen Transportweg als ein Hindernis dar.
  
Weitere beteiligte Proteine sind 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.

Anheftung, Kontakt, FestigungGürteldesmosomen (zonulae adhaerentes), Streifendesmosomen (fasciae adhaerentes) und Punktdesmosomen (puncta adhaerentia) gehören zur Gruppe der Adhäsionsverbindungen (adhering junctions). Solche mechanischen Verstärkungen finden sich zum Beispiel zwischen Epithelzellen. Sie 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.
 
Adhäsionsverbindungen bilden sich, wenn Cadherine - Ca++-abhängig - aktiviert werden, sich an der Innenseite der Membran Cateninkomplexe bilden und diese wiederum als Ansatzpunkt für die Anknüpfung von Aktinfilamenten dienen.

 

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 - s. nächstes Bild -, 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

s. auch dort



 
Ein Beispiel für eine toxische Veränderung der intrazellulären Informationskette ist die Wirkung des Choleratoxins. Nach Passage durch die Zelle bewirkt dieses (durch ADP-Ribosylierung) ein Verweilen von Gαs im aktivierten Zustand. Es kommt zu unkontrollierter Aktivierung der Adenylylcyclase, Anstieg des cAMP-Spiegels in der Zelle um das Hundertfache, und Überaktivierung der Proteinkinase A (PKA). Diese phosphoryliert CFTR-Chloridkanäle, der resultierende Cl--Ausstrom regt die die Sekretion von anderen Ionen (Natrium, Bikarbonat, Kalium) und Wasser an, die Natriumaufnahme durch die Epithelzellen wird gehemmt..
 
Als Folge kommt es zu erhöhter Flüssigkeitsausscheidung über die Darmmukosa und das Auftreten von "Reiswasserstühlen". Der Flüssigkeitsverlust kann bis zu 2 Liter pro Stunde betragen und führt zu lebensgefährlicher Dehydrierung.

     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.
 

 
      Rezeptormoleküle in der Zellmembran reagieren auf Schlüsselreize und lösen zelluläre Reaktionen aus. Zellen beeinflussen einander über Veränderungen des Membranpotentials oder der Konzentration intrazellulärer Signalstoffe. Es gibt in der Zellmembran verankerte (extrazelluläre, transmembranale, intrazelluläre Domäne; Angrifspunkt für Proteo- / Peptidhormone, Neurotransmitter, Katecholamine; bewirken Signalverstärkung und wirken rasch) und intrazelluläre Rezeptoren (für fettlösliche Hormone; wirken über Transkription und Translation)
 
      Rezeptoren werden nach verschiedenen Kriterien eingeteilt (Struktur, Position, Wirkungsmechanismus, Signalweg): Enzymatisch aktive Rezeptoren (z.B. Insulinrezeptor), Ionenkanäle (z.B. Glutamatrezeptor), G-Protein-gekoppelte (z.B. muskarinischer Rezeptor), nukleäre (z.B. Östrogenrezeptor). Die Bindung einen "agonistischen" Signalstoffs an einen Rezeptor führt zu Konformationsänderungen, die Ionen durch die Membran treten lassen, second messenger freisetzen, Enzyme aktivieren und/oder die Ablesung von Genen (in)aktivieren. Bindung eines Antagonisten blockiert den Rezeptorweg
 
      Interzelluläre Kontakte dienen der mechanischen Festigkeit und Anheftung (Desmosomen) sowie Verbindungen zwischen Zellen und extrazellulärer Matrix (Integrine etc); der Abdichtung (tight junctions: Permeabilität, Siebeffekt, selektive Diffusion, Erhaltung der Zellpolarität - apikal / basolateral: "Zaunfunktion"); oder der Verbindung der Zellinnenräume (gap junctions mit Connexonen: Elektrische Brücke, Stoff- und Informationsaustausch). Signalstoffe, Membranpotential, pH-Wert und Ca++-Konzentration beeinflussen die Durchlässigkeit von gap junctions
 

 




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