Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
Signaltransduktion
© H. Hinghofer-Szalkay
Kalium: القلية "al-qalya", Pflanzenasche
Calcium: calx = Kreide, Kalkstein
Natrium: ناترون "natrun“, Natron
Ras: Nach "rat sarcoma virus", ein kleines G-Protein, codiert durch ein Protoonkogen
Signal: signum = Zeichen
Steroid: στερεός = fest, εἶδος = Aussehen - abgeleitet von Cholesterin,
das im 18. Jh. in Gallensteinen gefunden wurde (χολή = Galle)
Tyrosinkinase: τυρός = Käse, κίνησις = Bewegung
Die Folgewirkung der Bindung eines Hormons an seinen Rezeptor kann verschiedene Mechanismen auslösen:
-- Rezeptoren triggern enzymatische
Wirkung, Proteine werden phosphoryliert; mehrere Enzyme sind
hintereinandergeschaltet und verstärken das Signal
(Phosphorylierungskaskade)
-- Rezeptoren verändern die Ionendurchgängigkeit
der Membran (ligandengesteuerte Permeasen) und bewirken erhöhte Diffusion von Natrium-,
Kalium-, Calcium-, Chloridionen (und entsprechende Veränderungen des
Membranpotentials, also De- oder Hyperpolarisierung)
-- Rezeptoren aktivieren nachgeschaltete Membranproteine (G-Proteine), man nennt sie metabotrop. Sie aktivieren Phospholipase C und setzen damit IP3 (Inositoltriphosphat) und DAG (Diacylglycerin) frei, oder sie aktivieren Adenylylcyclase (Adenylatzyklase), was zur Bildung von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) führt. cAMP aktiviert Proteinkinase A und Ionenkanäle; auch Transkriptionsfaktoren, z.B. CREB: cAMP response element-binding protein, dieses koppelt an bestimmte DNA-Abschnitte und regt die Bildung von mRNA an, wie auch
-- Nukleäre Rezeptoren beeinflussen Transkription und Translation (Proteinsynthese).
Manche dieser Signalwege interagieren im Stoffwechsel der Zelle (Crosstalk).
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Enzymatische Aktivität / Kinasen
vgl. dort
Kinasegekoppelte
Rezeptoren sind von großer Bedeutung für die Steuerung von Zellwachstum
und -teilung, Differenzierung, Stoffwechsel, Immunreaktionen,
Gewebeheilung und Apoptose. Das Genom des Menschen enthält 90 Tyrosinkinase-Gene, die Mehrzahl davon (58) codieren für Rezeptor-Tyrosinkinasen.
Kinasegekoppelte Rezeptoren sind - in Aufbau und Funktion - sehr verschieden von ligandengesteuerten Ionenkanälen oder G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Sie bestehen aus
einer großen (extrazellulären) Rezeptordomäne,
einer transmembranalen α-Helix
sowie
einer intrazellulären Domäne, mit je nach Rezeptor
unterschiedlicher Größe, Form und Funktion.
Diese Rezeptoren sind
Angriffspunkt einer breiten Palette von Peptidhormonen. Die Rezeptoren phosphorylieren Effektorproteine, entweder direkt oder über
Adapter- (Kopplungs-) Proteine.
Direkte enzymatische Aktivität 
findet sich z.B. bei Wachstumsfaktor-Rezeptoren (wie für EGF, PDGF, NGF, FGF, VEGF), Immunrezeptoren, Zytokinrezeptoren, Leptinrezeptoren.
Sie bestehen aus einer, der Insulinrezeptor aus zwei Aminosäureketten
(α und β). Bindung des Liganden an den Rezeptor (extrazellulär) führt
zu dessen Dimerisierung und Aktivierung der Tyrosinkinase (intrazellulär).
Die Haupttypen kinaseverknüpfter Rezeptoren sind
Rezeptor-Tyrosinkinasen
(RTKs) haben eine extrazelluläre Domäne zur Bindung des Signalmoleküls,
eine alphahelikale transmembranale Domäne, sowie eine intrazelluläre
Domäne mit Tyrosinkinase-Aktivität. Über sie wirken zahlreiche Wachstumsfaktoren, wie EGF, PDGF oder NGF. Diese Rezeptoren weisen hohe Affinität
auf und sind Bindungspartner für zahlreiche Polypeptide (Hormone,
Wachstumsfaktoren, Zytokine). Man teilt sie in 20 Klassen ein (Klasse
I, EGF-Rezeptorfamilie; Klasse II, Insulinrezeptorfamilie; etc).
Die Aktivierung
von RTKs hat sowohl kurzfristige (Sekunden bis Minuten, z.B.
Aktivitätsveränderungen von Proteinen) als auch Stunden bis Tage
anhaltende Wirkungen (z.B. Veränderungen der Gentranskription).
Die größte RTK-Subfamilie ist die Klasse IX (Ephs: Eph-Rezeptoren, Abkürzung für erythropoetin-producing human hepatocellular receptors); Proteine mit der Bezeichnung Ephrine sind ihre Bindungspartner.
Unter Ephrinen versteht man Proteine, die an Ephrinrezeptoren (Klasse IX-Tyrosinkinasen) binden.
Diese Rezeptorwirkung erfordert einen direkten (juxtakrinen) Kontakt von Zelle zu Zelle, u.a.
im Rahmen der embryonalen Entwicklung (Steuerung vorwachsender Wachstumsendigungen von Axonen - s. Abbildung: Synaptische Molekülnetze -, Migration embryonaler Zellen, Bildung
von Gewebsgrenzen, Zellmigration, Stammzelldifferenzierung, Gefäßneubildung),
beim Aufbau von Langzeitgedächtnis.
Rezeptor Serin / Threoninkinasen - diese eher kleine Gruppe phosphoryliert nicht Tyrosin, sondern Serin und/oder Threonin
Zytokinrezeptoren sind ebenfalls enzymatisch aktiv, sie aktivieren u.a. Januskinasen.
Die Vermittlung des Signals erfolgt über mehrere Schritte:
Bindung des Signalmoleküls (Liganden) an den Rezeptor, der eine Konformationsänderung durchläuft
Rezeptor-Dimerisierung durch Autophosphorylierung
Phosphotyrosinreste binden an Adapter- und Dockingproteine, die Kinasen aktivieren
Phosphorylierung von Zielproteinen (in Zellkern, Zytoplasma, Zellmembran)
Veränderte Gentranskription und Proteinaktivitäten
Intrazellulär übermitteln und verstärken Signalketten den Effekt der Bindung Ligand-Rezeptor über mehrere Systeme, z.B.
über Ras/Raf-Mitogen-aktiviertes Protein (MAP) Kinase oder
über den Jak/Stat-Pfad:
Der Pfad über MAP-Kinase (MAP: mitogen-activated protein) wird durch die GTPase Ras aktiviert (
Abbildung).
Abbildung: Transkriptionssteuerung durch den Ras-Signalweg
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
1: Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTK) dimerisieren nach Bindung ihres Liganden.
2: Das führt zu Autophosphorylierung der beiden intrazellulären Domänen und
3: Anlagerung eines Proteins mit SH2-Domäne (Src Homology 2), über welche
4: das Adapterprotein GRB2 (Growth factor receptor-bound protein 2) phosphoryliertes Tyrosin erkennt.
5: Der entstandene Komplex lagert über eine SH3-Domäne den Ras-Guanin- Austauschfaktor SOS (Son of Sevenless) an und dieser aktiviert Ras.
6: Aktiviertes Ras schaltet wiederum das Enzym Raf-1 (von Rapidly Accelerated Fibrosarcoma) zu,
7: dieses aktiviert MEK (Mitogen-activated protein kinase kinase)..
8: ..und diese wiederum MAPK (mitogen-activated protein kinase).
9: Aktivierte MAPK wandert in den Zellkern und phosphoryliert dort Transkriptionsfaktoren, beeinflusst also die Proteinsynthese
Ras ist
eine kleine GTPase (ein Mitglied der Ras Superfamilie), die in
zahlreiche zelluläre Signalwege eingebunden ist und Zellen zur
Proliferation anregt. Ras ist Produkt eines Proto-Onkogens (Proto-Onkogene
sind physiologische Gene für Zellwachstum und Apoprosesteuerung, die
bei Fehlsteuerung durch Mutation krebsartiges Wachstum begünstigen
können).
Abbildung: Aktivierungs- / Inaktivierungszyklus von Ras G-Protein
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Ras ist ein monomeres G-Protein.
An GDP (Guanosin-Diphosphat) gebunden ist es inaktiv, an GTP
(Guanosin-Triphosphat) gebunden aktiv. Die Aktivierung erfolgt unter
der Wirkung eines GTP-Austauschfaktors (GEF, guanine nucleotide exchange factor).
Intrinsische GTPase-Aktivität hydrolysiert - innerhalb von Sekunden - G-Protein-gebundenes GTP, ein Phosphat (Pi) wird dabei abdissoziiert, das
G-Protein kehrt zur inaktiven Form zurück. Beschleunigt wird dieser
Vorgang durch GTPase-aktivierende Proteine (GAP), welche die
intrinsische GTPase-Aktivität des G-Proteins anregen
Der Ras/Raf-Weg vermittelt den Effekt zahlreicher Wachstumsfaktoren und
Mitogene. Ras funktioniert als kleines G-Protein: Es vermittelt ein Signal
von Grb (einem SH2-Domäne-Protein),
aktiviertes Ras regt seinerseits Raf an, das erste einer Reihe von
Serin / Threonin- Kinasen (Kinasen phosphorylieren ihre Zielproteine).
Das letzte dieser Reihe ist die MAP-Kinase (die auch durch G-Proteine
aktiviert werden kann). Die so ausgelöste MAP-Kinasen-Kaskade schließlich aktiviert über Transkriptionsfaktorem die Expression bestimmter Gene (was u.a. zu Mitosen führen kann).
MAP-Kinase (mitogen-activated protein kinase) ist
eine Serin / Threonin-spezifische Proteinkinase. Sie ist an
verschiedenen Reaktionen der Zelle auf Reize wie Hitzeeinfluss,
osmotische Belastung, Mitogene, Wachstumsfaktoren, Zytokine, GPCR-Liganden (solche GPCRs können an MAP-Kinasen koppeln). Das MAP-Kinase-System reguliert eine
breite Palette zellphysiologischer Schlüsselmechanismen, z.B. Überleben
oder Apoptose, Genexpression, Wachstum, Teilung, Differenzierung der
Zelle und Regeneration. MAP-Kinase beteiligt sich auch an der Regulation der Embryogenese.
Mindestens drei Kinasen sind in Serie durch Phorphorylierung
eingeschaltet (Phosphorylierungskaskade). Aktivierte MAP-Kinase wandert
in den Zellkern und aktiviert dort entsprechende Gengruppen (Transkription), deren Produkte daraufhin von der Zelle exprimiert werden.
Die Aktivierungsdauer eines bestimmten MAP-Kinase-Signalwegs hängt auch vom betreffenden Rezeptor ab, wie am Beispiel von Wachstumsfaktor-Rezeptoren
gezeigt werden kann: So aktiviert der EGFR seinen Signalweg für nur
wenige Minuten, der NGFR den seinen für mehrere Stunden.
Über den MAP/ERK-Pfad können Proteine von Rezeptoren in der Zellmembran Signale an DNA-Sequenzen übertragen (ERK = Extracellular signal-regulated kinase).
Aktiviert wird der ERK-Mechanismus über Liganden, die den
G-Proteinmechanismus aktivieren (Wachstumsfaktoren, Zytokine..),
Virusinfekte, Carcinogene u.a. Anschließend kommt es zu
Phosphorylierungen in der Zelle (Ras → RAF-Kinase →
MAPK/ERK-Kinase etc). Ziel dieser Kaskade ist die Steuerung des
Zellzyklus (Mitose) bzw. die Beeinflussung der Transkription von
DNA-Sequenzen und damit die Synthese von Proteinen.
Eine andere Gruppe von Rezeptoren mit Enzymaktivität (wie Prolaktin und viele Zytokine, z.B. γ-Interferon) nutzen den JAK-STAT- Mechanismus ( s. dort).
Limitierung der Signalwirkung kinasegekoppelter Rezeptoren: Der Vorgang wird beendet durch
Abbau des Signalproteins (extrazelluläre Proteasen),
ligandeninduzierte Rezeptorendozytose gefolgt von lysosomalem Abbau,
beschleunigte Inaktivierung von Ras,
Dephosphorylierung von Zielproteinen durch Phosphoprotein-Phosphatasen.
Ionotrope Rezeptoren
vgl. dort
Veränderte Durchlässigkeit von Membrankanälen ("Permeasen") und
Ionenbewegungen (ionotrope Rezeptoren) → De- (Natriumeinstrom ) oder
Hyperpolarisation (Kaliumausstrom), Ca++-Einstrom und entsprechende sekundäre Vorgänge.
Speziell hinter Kaliumkanälen steht eine große Gruppe von Genen, und sie werden durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst:
Intrazelluläre Ca
++-Konzentration ([Ca
++]-Anstieg öffnet calciumabhängige K
+-Kanäle),
Membranpotential (Depolarisation - insbesondere durch Natriumeinstrom - öffnet spannungsgesteuerte K
+-Kanäle),
Gβγ-Untereinheit (s. unten - öffnet K
+-Kanäle; offene Kaliumkanäle bewirken
Hyperpolarisation),
Verhältnis ATP/ADP, oder
mehrere davon kombiniert.
Die stärkere Öffnung von Kaliumkanälen bewirkt eine Repolarisierung (und allenfalls Wiedererregbarkeit) der Zelle. Das gilt auch für Chloridkanäle (Beispiele: GABAA-Rezeptor, Glyzinrezeptor): Je höher ihre Öffnungswahrscheinlichkeit, desto mehr Cl- strömt in die Zelle, was das Membranpotential erhöht (sofern das Cl--Gleichgewichtspotential nicht überschritten ist).
Abbildung: Intrazelluläre Calc
iumkonzentration und Ca++-Speicher
Nach Syntichaki P, Tavernarakis N. The biochemistry of neuronal necrosis: rogue biology? Nature Rev Neurosci 2003; 4: 672-84
Die intrazelluläre Calc
iumkonzentration ([Ca2+], ~10-4
mM) wird in engen Grenzen reguliert. Der Einstrom aus dem
Extrazellulärraum ([Ca2+] ~1 mM) erfolgt über verschiedene Membrankanäle, meist über Austausch mit Natrium (NCX).
[Ca2+] kann auch steigen durch Einstrom aus intrazellulären Reserven - wie aus dem sarkoplasmatischen Retikulum SERCA (Ryanodinrezeptoren RyR, Inositoltriphosphatrezeptoren IP3) oder Mitochondrien (mitochondrialer Natrium-Calc
ium-Austauscher MNCX, oder Uniporter).
Calc
iumbindende Proteine in Zytoplasma und endoplasmatischem Retikulum verstärken die Calc
ium-Pufferkapazität der Zelle.
MMCA, mitochondrial membrane Ca2+ ATPase; PMCA, plasma membrane calcium pump
Der Ca++-Einstrom ( Abbildung) erfolgt generell pulsatil, die Calciumionen haben in der Zelle vielfache Ziele:
Proteine des Zytoskeletts - u.a. kontraktile, was zu Verformung / Bewegung / Verkürzung führt
Chlorid- und Kalium-aktivierte Membranpumpen
Enzyme, z.B. die ubiquitären Calpaine (1 bis 17), Cysteinproteasen, die u.a. Gefäßtonus und Hirnfunktionen beeinflussen
Ca++-bindende
Proteine wie Calmodulin, das an Vorgängen wie intrazellulärem
Transport, Kontraktion glatter Muskelzellen, Kurz- und
Langzeitgedächtnis oder Immunantworten beteiligt ist
Metabotrope Rezeptoren und G-Proteine
vgl. dort
Metabotrope Rezeptoren sind mit etwa 103 bekannten Varianten die umfangreichste Rezeptorgruppe in Zellmembranen. Sie haben heptahelikale Struktur,
d.h. sieben durch die Zellmembran "gesteckte" α-helikale Sequenzen; ihr
extrazelluläres Ende trägt den N-Terminus und ist glykosyliert,
zwischen den Helices 5 und 6 liegt eine große intrazelluläre Schleife,
das C-Terminus liegt intrazellulär.
Diese Rezeptorklasse benötigt für ihre Wirkung G-Proteine (guanine nucleotide-binding proteins), die ihren Namen wegen der Tatsache erhalten haben, dass sie GDP / GTP gebunden haben. Sie fungieren als molekulare Schalter,
indem sie Signale von der Außenwelt in das Zellinnere vermitteln. Dabei
wechseln sie zwischen einer inaktiven (mit GDP gebunden) und einer
aktiven Form (mit GTP gebunden) ( Abbildung).
Faktoren, welche den Phosphorylierungsgrad des G-Proteins beeinflussen,
können so die Signalkette in die Zelle ein- oder ausschalten.
Abbildung: Zyklus der Aktivierung / Inaktivierung trimerer G-Proteine
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Dieses G-Protein besteht aus drei Einheiten (
α, β, γ - trimer).
Gα bindet GDP oder GTP und interagiert mit (meist membranständigen) Effektorproteinen wie z.B. der Adenylylcyclase; die Gβγ-Einheit
interagiert mit anderen Effektorproteinen der Signaltransduktion. Die
Interaktion kann das jeweilige Zielprotein - und damit entsprechende
Folgeaktivitäten - aktivieren oder inhibieren. Das Produkt dieser
Enzymaktivitäten sind second messengers: Kleine Moleküle wie cAMP, cGMP, DAG, IP3, auch in das Zytoplasma freigesetzte Calciumionen.
In der
inaktiven Form hat das G-Protein-Trimer ein Molekül Guanosin-Diphosphat
(GDP) gebunden. Um aktiv zu werden, wechselt das G-Protein von GDP als
Bindungspartner gegen GTP (Guanosin-Triphosphat). Dies erfolgt unter
der Wirkung eines GTP-Austauschfaktors (GEF,
guanine nucleotide exchange factor)
- in diesem Fall ein GPCR-Rezeptor, der "seinen" Liganden (z.B. ein
Hormon) gebunden hat. Ist das geschehen, dann dissoziiert die
βγ-Untereinheit von der mit GTP gekoppelten α-Untereinheit - das G-Protein ist "eingeschaltet"
Binden metabotrope Rezeptoren einen passenden Liganden, interagieren
sie mit G-Proteinen (daher G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, G Protein Coupled Receptors, GPCRs). Die G-Protein-Untereinheiten α, β und γ existieren in verschiedenen Spielarten, was hunderte molekulare
Kombinationen ergibt, die jeweils an verschiedene Rezeptoren und
Effektoren binden: Rezeptoren interagieren mit unterschiedlichen Typen von G-Proteinen, wie
Gs (stimulieren die Adenylylcyclase, steigern den cAMP-Spiegel in der Zelle),
Gi (inhibieren die Adenylylcyclase, senken den cAMP-Spiegel in der Zelle),
Gq (aktivieren Phospholipase C, erhöhen die Konzentration an DAG, IP3 und Ca++),
Gt (Transducine, aktivieren die cGMP-Phosphodiesterase, senken den cGMP-Spiegel in der Zelle).
Weitere Unterformen und Wirkungen sind bekannt.
Die Wirkung auf die Second-messenger-Produktion hängt vom jeweiligen Gleichgewicht fördernder (wie Gsα, Gq) und hemmender Einflüsse (wie Giα) auf beteiligte Enzyme ab.
Einige Toxine können Gα-Untereinheiten
durch ADP-Ribosylierung (Anfügen von ADP-Ribosen an ein Protein)
modifizieren. Die Produktion des second messenger kann direkt oder
indirekt angeheizt werden: So verhindert Choleratoxin die Inaktivierung von Gsα
- die Folge ist Überproduktion von cAMP und Öffnung von Chloridkanälen
in Darmschleimhautzellen, mit der Folge großen Wasser- und
Elektrolytverlusts (Diarrhoe). Pertussistoxin andererseits verhindert die Aktivierung von Giα
- die Hemmung der Adenylylcyclase entfällt, es wird ebenfalls mehr cAMP
produziert; in diesem Fall steigt die Sekretion in den Luftwegen, was
Keuchhusten verursacht.
GPCRs gehören zu einer Superfamilie GTP-bindender Proteine, u.a. "kleine", zu denen auch Ras gehört ( s. dort),
weiters die Rho, Rab, Arf und Ran-Proteinfamilioen. Sie hydrolysieren
GTP und wechseln zwischen aktivem (GTP gebunden) und inaktivem Zustand
(GDP gebunden). Kleine GTP-bindende Proteine beteiligen sich an einer
Fülle zellulärer Vorgänge; einige bleiben membranassoziiert (z.B. Ras),
andere diffundieren in das Zytoplasma.
G-Proteine sind
molekulare Schalter, die inaktiv sind, wenn sie GDP
gebunden haben, und aktiv, wenn sie GTP binden (Anlagerung an ein
Zielmolekül verstärkt ihre GTPase-Aktivität). Werden sie durch
Guaninnukleotid- Austauschfaktoren (GEFs, guanine nucleotide exchange factors)
aktiviert, binden sie GTP.
Die Aktivierung
von G-Proteinen ist ein wichiger Verstärkungsfaktor in der Signalkette:
Ein einziger aktivierter Rezeptor kann mehrere G-Proteine
"einschalten", und diese wiederum erreichen jeweils mehrere
Zielmoleküle.
Hat ihre inhärente GTPase-Aktivität das GTP zu GDP hydrolysiert, dissoziiert die α-Untereinheit von ihrem Effektormolekül (Enzym, Ionenkanal) und vereint sich wieder mit einer βγ-Untereinheit (das Trimer ist inaktiv). Der GTP-Abbau erfolgt innerhalb von Sekunden, was die Wirkungsdauer begrenzt (Selbstlimitierung).
Über
G-Proteine s. auch
dort
Die GTPase-Aktivität wird
auch durch regulierende Proteine (RGS proteins: Regulators of G-protein signaling)
verstärkt. Diese Proteinfamilie hat etwa 20 Mitglieder, die mit einer (hochkonservierten) Aminosäuresequenz so an Gα binden, dass seine GTPase-Aktivität zunimmt. So haben RGS mit der Begrenzung der second-messenger-Wirkung eine regulierende Funktion.
GPCR mit stimulierenden G-Proteinen: Ist der Rezeptor mit einem anregenden G-Protein gekoppelt (d.h. einem Protein mit einer Gsα-Einheit),
wird die Adenylylcyclase angeregt, was Proteinkinase A einschaltet und
zur Phosphorylierung / Aktivierung von Zielproteinen führt ( Abbildung):
Abbildung: Anlagerung eines Signalstoffes, der die cAMP-Konzentration in der Zelle steigert
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Die Gsα-Untereinheit stimuliert die Adenylylcyclase (AC),
was zur Produktion von cAMP führt. Dieses aktiviert seinerseits
Proteinkinase A, was zur Phosphorylierung verschiedener Zielproteine
führt und so die Zellaktivität beeinflusst.
Das membranständige Enzym Phosphodiesterase (PDE)
baut zyklisches (aktives) zu nichtzyklischem (inaktivem) AMP ab. Ihre
Aktivität kann durch Coffein gehemmt werden, die Folge ist eine
Erhöhung des intrazellulären cAMP-Spiegels.
cAMP-abhängige
Proteinkinase A ist aus zwei regulatorischen (R) und zwei katalytischen
(C) Einheiten aufgebaut, der Komplex gibt unter cAMP-Einfluss die
katalytischen Einheiten ab, worauf diese Zielproteine phosphorylieren /
aktivieren
GPCRs können - unabhängig von second messenger-Mechanismen - auch Ionenkanäle als direkte Ziele beeinflussen. Dies erfolgt über die βγ-Untereinheiten von Gi- und Go-Proteinen und scheint ein allgemeiner Mechanismus zur Steuerung von K+- und Ca++-Kanälen
zu sein. Auf diese Weise erhöhen z.B. muskarinische
Acetylcholinrezeptoren die Kaliumleitfähigkeit im Herzmuskel und
dämpfen dadurch dessen elektrische Aktivität (negative Chronotropie).
Einige GPCRs - die an G12/13-Proteine koppeln - können des Rho/Rho-Kinase- System
aktivieren:
Rho ist eine Gruppe von GTPasen (Rho-Kinasen).
Sind sie - durch
Austausch von GDP gegen GTP - "eingeschaltet", aktivieren sie eine
Vielzahl von Zielproteinen. Dadurch sind sie in die Steuerung mehrerer
zellulärer Aktivitäten involviert (Zellmigration, Bewegung,
Kontraktion, Umbau von Synapsen, Gefäßneubildung..).
Das MAP Kinase-System kann ebenfalls durch GPCR-Mechanismen aktiviert werden.
GPCR mit inhibitorischen G-Proteinen: Ist der Rezeptor mit einem inhibitorischen G-Protein gekoppelt (d.h. einem Protein mit einer Giα-Einheit), wird die Adenylylcyclase nicht angeregt, sondern gehemmt ( Abbildung):
Abbildung: Anlagerung eines Signalstoffes, der die cAMP-Konzentration in der Zelle senkt
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Die aktivierte
Giα-Untereinheit
hemmt die Aktivität der Adenylylcyclase (AC), [cAMP] in der Zelle
sinkt, Proteinkinase A wird nicht aktiviert. Die Phosphodiesterase
(PDE) findet weniger cAMP zum Abbau.
Über diesen Mechanismus wirken α2-Adrenozeptoren (s. dort) u.a. an
Blutgefäßen (Vasodilatation), Thrombozyten (Aggregation), Inselzellen
im Pankreas (Steigerung der Glukagonsekretion, Senkung der
Insulinfreisetzung, Hebung des Blutzuckerspiegels), Nervenzellen (präsynaptische Inhibition der Noradrenalinfreisetzung)
Die Aktivierung / Inaktivierung membranständiger Enzyme bewirkt direkte intrazelluläre Auswirkungen bzw. über G-Proteine erhöhte / gehemmte Bildung von second messengers, wie
cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) - durch Aktivität der Adenylylcyclase, die aus ATP cAMP abspaltet.
cAMP aktiviert Proteinkinase A (und damit zahlreiche Sekundärreaktionen
der Zelle) sowie cAMP-abhängige Ionenkanäle, die u.a. bei Riech- und
Sehvorgängen eine Rolle spielen;
IP3 (Inositoltriphosphat) und DAG (Diacylglycerin) - durch Aktivität der Phospholipase C
(Phosphoinositid-Phospholipase C), die
Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) zu Inositoltrisphosphat
(IP3) und Diacylglycerol (DAG) hydrolysiert.
Bei längerer Einwirkung von Agonisten auf "ihre" GPCRs können diese
ihre Wirkung verlieren (adaptieren) und durch vorübergehende
Internalisierung aus dem Spiel gebracht werden (Herunterregulierung, downregulation), wobei Arrestine eine Schlüsselrolle spielen:
Abbildung: Desensitierung, Internalisierung, Recycling von GPC-Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020
Bei längerer Aktivierung der Rezeptoren durch einen angelagerten Signalstoff (Agonist) können GPCR-Kinasen (GRK) die Wirkung der G-Proteine durch Anlagerung von Phosphatresten (P) unterbrechen. Dadurch verlieren die GPCRs ihre Aktivität - sie adaptieren.
Die Phosphorylierung durch GRK bereitet den Rezeptor für eine Bindung von Arrestinen (ARR) - eine kleine Familie von Proteinen - vor. Bei der anschließenden Endozytose spielt u.a. die GTPase Dynamin (Dyn) eine Rolle (es beteiligt sich an der Schließung der Membranlücke über dem entstehenden Endosom).
Der internalisierte Rezeptor wird anschließend wieder dephosphoryliert (PP2A:
Phosphatase 2A) und in die Zellmembran zurücktransportiert, wo er
wieder als Bindungspartner für Agonisten (oder Antagonisten) zur
Verfügung steht
Arrestine
(Arr) sind eine Familie von Proteinen, die nach Phosphorylierung - und
damit Inaktivierung - von GPCRs (G Protein- gekoppelten Rezeptoren)
durch selektive Kinasen (GRKs: GPC-Rezeptor-Kinasen) den Rezeptor an
Endozytosevesikel Dynamin-abhängig binden (coated vesicles, vgl. dort).
Anschließend koppelt Arrestin vom Rezeptor wieder ab, dieser wird
dephosphoryliert, gelangt in die Außenmembran zurück (Recycling) und
ist wieder für neue Bindung eines Signalstoffs (z.B. Hormon,
Transmitter) verfügbar ( Abbildung).
Zahlreiche weitere Mechanismen im Bereich der GPCRs wurden nachgewiesen, wie die Oligomerisierung
der Rezeptoren (Bildung von - homomeren (gleiches Molekül) oder
heteromeren (verschiedene Moleküle) - Komplexen, wie z.B. bei Glutmat-
oder Opioidrezeptoren; konstitutive
- also spontane, reizunabhängige - Aktivität, z.B. von Histamin- oder
Opioidrezeptoren; Wirkung modifizierender Proteine (RAMPs: receptor activity-modifying proteins), z.B. bei CGRP (calcitonin gene-retated peptide); oder auch G-Protein unabhängige Signalübertragung.
Die wichtigsten GPCR-Signalwege
stimulieren (Gs) oder hemmen (Gi) die Aktivität der Adenylylcyclase und
damit die Produktion von cAMP, oder sie aktivieren (Gt) die
cGMP-Phosphodiesterase und senken damit die Konzentration von cGMP in
der Zelle.
Enzyme, welche zyklische Nukleotide aufspalten (z.B. cAMP- oder cGMP-
Phosphodiesterasen), reduzieren die Konzentration des entsprechenden
"zweiten Botenstoffs" (cAMP, cGMP). Solche Enzyme werden durch
zahlreiche - natürlich vorkommende oder pharmazeutische - Substanzen
gehemmt, was die Wirkung des second messenger verstärkt (er wird
weniger stark abgebaut). Beispiele: Coffein hemmt Phosphodiesterasen und steigert [cAMP] (Abbildung); das erektionsfördernde Sildenafil hemmt Typ 5-cGMP Phosphodiesterase und erhöht [cGMP].
Der Weg über zyklische Nukleotide (cAMP, cGMP)
Sehr häufig nutzen GPCRs Adenylylcyclase als Substrat ihrer Aktivierung; dabei wird ATP dephosphoryliert und cAMP freigesetzt.. Die Signalkaskade des cAMP-Wegs hat folgende Struktur ( Abbildung):
Abbildung: Adenylylcyclase-cAMP-Weg
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Bindung
(extrazellulär) des Signalmoleküls an den Rezeptor führt
(intrazellulär) über einen Gs-Protein-Mechanismus zur Bildung
zahlreicher cAMP-Moleküle (second messenger). Diese aktivieren Proteinkinase, welche Zielproteine phosphoryliert und
dadurch aktiviert. Bei jeder Stufe wird die Zahl der beteiligten
Moleküle erhöht (Multiplikationseffekt)
Signalstoff (Hormon, der "first messenger") bindet an extrazelluläre Bindungsdomäne des Rezeptormoleküls, dieses ändert daraufhin seine Konformation
Dies aktiviert anliegendes G-Protein, GDP wird durch GTP ersetzt
Das aktivierte G-Protein reagiert mit der intrazellulär liegenden Adenylylcyclase (AC), die aus ATP cAMP bildet - Gs stimuliert, Gi hemmt die AC
cAMP (der second messenger) aktiviert eine Proteinkinase A (PKA) im Zytosol
Die PKA phosphorlyiert Zielproteine, die dann die Hormonwirkungen vermitteln.
cAMP-abhängige Proteinkinase A (PKA, Abbildung) erleichtert die
Phosphorylierung (Übertragung eines Phosphats von ATP) auf Serin- oder
Threoningruppen von Zielproteinen (z.B. Rezeptoren, Ionenkanälen,
Signalproteinen, Enzymen) und wirkt sich so auf deren Aktivität oder
Lokalisierung aus. Ihre Konzentration wird von der Zelle über cAMP sehr genau reguliert.
Abbildung: cAMP-abhängige Proteinkinase A
Dieses Enzym besteht aus zwei regulatorischen
(R) und zwei katalytischen (C) Einheiten. In der Ausgangsform hat der
Komplex geringe Aktivität. Bindet cAMP an die regulatorischen
Einheiten, nimmt deren Affinität zu den katalytischen Einheiten ab, und
diese dissoziieren vom Molekülkomplex.
Die katalytischen Einheiten diffundieren zu Zielptoteinen, die sie
anschließend (durch Übertragung eines Phosphats aus ATP) aktivieren -
zum Teil auch im Zellkern, wo sie transkriptionsaktivierend wirken können
PKA besteht aus regulatorischen und katalytischen
(PKAc) Untereinheiten; durch Anlagerung von cAMP-Molekülen an die
regulatorischen Einheiten dissoziieren die katalytischen vom
Molekül ab, werden dadurch aktiv und diffundieren frei durch die Zelle,
wo sie z.B. in die Steuerung des Energiestoffwechsels eingreifen oder
Ionenkanäle an Synapsen regulieren.
Die meisten Zellen haben dieselbe katalytische Untereinheit; verschiedene Zelltypen nutzen hingegen unterschiedliche
regulatorische Untereinheiten. Die PKA-Aktivität wird auch durch
Verlagerung zu bestimmten zellulären Kompartimenten gesteuert; dazu
gibt es ein Verankerungsprotein (AKAP: A-kinase anchoring protein), das seinerseits an bestimmte Filamente des Zytoskeletts oder an Zellorganellen bindet.
Das dynamische Gleichgewicht der Aktivitäten von Kinasen (bilden z.B. cAMP) und Phosphatasen
(dephosphorylieren und inaktivieren damit PKA-aktivierte Proteine) hat
einen wichtigen Einfluss auf die Konzentration aktiver Signalstoffe in
der Zelle. Phosphatasen können ihrerseits durch Phosphatase-Inhibitoren
ausgeschaltet werden.
Adenylylcyclase kann die [cAMP] in der Zelle innerhalb weniger Sekunden um ein Mehrfaches erhöhen.
cAMP wird durch Phosphodiesterase
abgebaut; diese kann z.B. durch Koffein oder Theophyllin gehemmt werden
(dadurch verlängert sich die Anwesenheit des cAMP und die
Hormonwirkung).
cAMP wirkt sehr oft durch Erhöhung der PKA-Aktivität (cAMP-abhängige PKA wird auch als PKAc bezeichnet). PKAc phosphoryliert zahlreiche Proteine an ihren Serin- oder Threoninresten, unter anderem Transkriptionsfaktoren wie CREB (cAMP response element-binding proteins).
Ein response element ist eine kurze DNA-Strecke, die in zahlreichen Promotern (DNA-Abschnitten, an die Proteine binden, um eine Transkription zu starten) und Enhancern (DNA-Abschnitten, an die Aktivatorproteine binden, um die Wahrscheinlichkeit eines Transkription zu erhöhen) enthalten ist. Die Kopplung von response elements regt dann Transkription der entsprechenden DNA-Sequenz (mRNA-Synthese) an. Bei CREB wirkt der Mechanismus über einen Koaktivator (CREB-binding protein).
cAMP wirkt weiters an Epac-Proteinen (exchange protein activated by cAMP); diese wirken als Guaninnukleotid-Austauschfaktoren (GEFs, s. oben) und beeinflussen u.a. Adhäsion der Zelle an extrazellulärer Matrix, Calc
iumfreisetzuung aus intrazellulären Speichern (vor allem im Herzmuskel), oder die Verstärkung der Insulinfreisetzung durch GLP im Pankreas.
cAMP (auch cGMP) bindet schließlich an, und aktiviert, Ionenkanäle; Ionenkanäle verfügen oft über Phosphorylierungsstellen für PKA, wie auch Rezeptoren, Enzyme und Signalproteine.
Hydrolyse von GTP beendet den Übertragungsmechanismus innerhalb von
Sekunden, die Untereinheiten rekombinieren anschließend wieder.
Zahlreiche Hormone nutzen den Adenylylcyclase-cAMP-Weg:
ACTH (Hormon des Hypophysenlappens, das die Nebennierenrinde steuert - daher adreno-cortico-tropes Hormon)
Angiotensin II
an Epithelzellen - im Gegensatz zum vaskulären Angriffspunkt, dessen
Transformation über den Inositolphosphatweg funktioniert (s. unten)
CRH (Kortikoliberin, ein Liberin, d.h. hypothalamisches Hormon, das die ACTH-Freisetzung beeinflusst - corticotropin releasing hormone)
FSH ("Follikel-stimulierendes Hormon", Follitropin), ein Gonadotropin des Hypophysenvorderlappens)
Glukagon, ein Peptid, das u.a. in der Bauchspeicheldrüse gebildet wird
HCG: Chorion-Gonadotropin (Human chorionic gonadotropin), ein Peptidkormon aus dem Syncytiotrophoblasten, das ähnliche Wirkung wie LH hat und auf den LHCG-Rezeptor wirkt
Calcitonin senkt den Calciumspiegel. Es ist ein aus den Epithelkörperchen stammendes Peptidhormon
Katecholamine (α2-, ß-Rezeptoren) stehen im Zentrum der sympathischen Übertragung im peripheren Nervensystem und spielen auch im Gehirn eine zentrale Rolle
LH
(luteinisierendes Hormon, Lutropin) ist ein Glykoprotein, das an der Steuerung der Fortpflanzung beteiligt
ist; bei der Frau fördert es Eisprung und Gelbkörperbildung, beim Mann
wird es Interstitial cell stimulating hormone (ICSH) genannt
Parathormon
wird bei Absinken des Calciumspiegels rasch von Epithelkörperchenzellen
in die Blutbahn freigesetzt und verhindert so Hypocalcämie
Sekretin
ist ein Mitglied der Gukagon-Hormonfamilie, es regt die
Bauchspeicheldrüse zur Sekretion bicarbonathaltigen (basischen) Sekrets
an und hemmt die Produktion der Magensäure
Somatoliberin
(GHRH: Growth hormone releasing hormone) besteht aus 40 Aminosäuren und
regt die Bildung und Freisetzung des Wachstumshormons an
Somatostatin (GHIH: Growth hormone inhibiting hormone) hat sowohl im endokrinen wie auch im
Nervensystem regulierende Aufgaben; gebildet wird es von δ-Zellen des
Pankreas, einzelnen Zellen des Gastrointestinaltrakts sowie des Hypothalamus
TSH
(Thyreoidea-stimulierendes Hormon, Thyreotropin) regt in der Schilddrüse
die Sekretion von Thyroxin (T4) und Triiodthyronin (T3) an
Vasopressin bewirkt an Nierentubuli über V2-Rezeptoren die Rückresorption von Wasser aus dem extratubulären Kompartiment. Dieser Mechanismus benützt cAMP
Diversität: Verschiedene Zellen
verfügen über verschiedene G-Proteine, die nach ihren Untereinheiten in
entsprechende Klassen eingeteilt werden und die wiederum verschiedene
Effektoren beeinflussen können.
G-Proteine
regulieren so verschiedenste zelluläre Funktionen: Erregbarkeit der
Zelle
(z.B. durch Aktivierung von Kalium-Kanälen), Transmitterfreisetzung,
Hyperpolarisierung (Sehvorgang), Depolarisierung (Riechen), Kontraktion
und Bewegung, Sekretion von Signalstoffen, usw.
Beispielsweise wird die Adenylylcyclase ubiquitär durch Gαs angeregt (s = stimulierend), durch Gαi gehemmt (i = inhibierend); Gαolf stimuliert die Adenylylcyclase im Riechepithel.
cGMP: Einige Rezeptoren stimulieren auch die Synthese von zyklischem Guanosin-Monophosphat (cGMP). Besonders zu erwähnen sind hier die Rezeptoren für natriuretische Peptide (ANP, BNP, CNP) - diese regen membranständige Guanylatzyklase an. Stickstoffmonoxid (NO) aktiviert lösliche Guanylatzyklase.
Das entstandene cGMP stimuliert dann cGMP-abhängige Proteinkinasen
(PKG), Ionenkanäle und Phosphodiesterasen - diese bauen cAMP ab.
Abbildung: Das retinale G-Protein Transducin aktiviert eine Phosphodiesterase
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Wenn Licht auf ein Rhodopsinmolekül trifft, entsteht All-trans-Retinal. Dieses aktiviert Transducin, und dessen abdissoziierte (GTP-hältige) α-Untereinheit
aktiviert Phosphodiesterase E (PDE).
Das führt zum Abbau von cGMP und dadurch zum
Schließen cGMP-abhängiger Ionenkanäle. Die Folge ist eine
Hyperpolarisierung des Sinnesrezeptors und herabgesetzter Freisetzung des Photorezeptor-Transmitters Glutamat
Abbau zyklischer Nukleotide: G-Proteine können auch über Enzyme wirken, die zyklische Nukleotide abbauen. So aktiviert das G-Protein Transducin - mit seiner Gαt-Untereinheit - cGMP-Phosphodiesterase in der Netzhaut, was aus cGMP GMP macht ( Abbildung).
In diesem Fall (Sinneszelle in der Netzhaut des Auges) ist es nicht ein
Molekül, sondern es sind Photonen, die den Rezeptor anregen; und der
Reiz löst eine Hyperpolarisierung (nicht Depolarisierung) der Zelle
aus, was die intrazelluläre Calciumkonzentraion absenkt und die
Freisetzung des Signalstoffes Glutamat herabsetzt. Diese Antwort
erfolgt in Sekundenbruchteilen.
Einige G-Proteine interagieren auch direkt mit Ionenkanälen. So bewirkt Aktivierung der Gα-Untereinheit
an Typ-L-Calciumkanälen an Skelett- und Herzmuskelzellen nicht nur
deren Öffnung durch cAMP-abhängige Phosphorylierung, sondern auch durch
direkte Interaktion mit dem Kanal.
Der Phospholipase-DAG-IP3-Weg
G-Proteine
können sich auch an Phospholipasen koppeln. Phosphatidylinositol (PI) in der Zellmembran wird durch Einwirkung von Enzymen zu Phosphoinositiden (PIPs) wie z.B. z.B. IP3. Je nach der Stelle, an der Phospholipidmoleküle gespalten werden, unterscheidet man u.a. Phospholipasen A und C ( Abbildung:
).
Abbildung: Wirkung von Phospholipasen auf Phosphatidylinositol (PI)
Nach Lolicato F, Nickel W, Haucke V, Ebner M.
Phosphoinositide switches in cell physiology - From molecular
mechanisms to disease. J Biol Chem 2024; 300: 105757
Gezeigt ist, an welchen Stellen des PI-Moleküls die Phospholipasen A1, A2 und C angreifen
Phospholipase C (PLC) spaltet Phosphatidylinositol-4,5-Biphosphat (PIP2) zu
Diacylglycerol (DAG),
das stark lipophil ist, membranassoziiert bleibt und Proteinkinase C
(PKC) - die an zahlreichen Zielproteinen wirkt (Transkriptionsfaktoren,
Enzyme, Rezeptoren, Ionenkanäle, Zytoskelett) - aktiviert (der DAG-PKC-Mechanismus kommandiert eine ganze Armada von Kontrollmolekülen); und
Inositol-1,4,5-Triphosphat (IP3), das wasserlöslich ist und in das Zytoplasma diffundiert und an spezifischen IP3-Rezeptoren - das sind (wie Ryanodinrezeptoren) ligandengesteuerte Calciumkanäle in der Membran des endoplasmatischen Retikulums - wirkt.
PLC kommt in Form dreier Proteinfamilien
vor, die sich in Exprimierung (je nach Zelltyp), enzymatischen
Eigenschaften und Aktivierungsmodus unterscheiden: PLCα, PLCβ (oft
aktiviert durch Gq-Protein, steigert [IP3]) und PLCγ (oft aktiviert durch Tyrosinkinasen).
Die Signalkaskade des DAG-IP3-Wegs hat folgende Struktur ( Abbildung):
Abbildung:
DAG-IP3-Weg
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Bindung eines Signalmoleküls an den GPCR-Rezeptor führt zu Aktivierung von Gqα. Diese Untereinheit aktiviert (alle Formen der) Phospholipase C (PLC). PLC spaltet PIP2 (Phosphatidylinositol- Biphosphat) in IP3 (Inositol- Triphosphat) und DAG (Diacylglycerol). DAG aktiviert Proteinkinase C (PKC), Zielproteine werden phosphoryliert. Bei jeder Stufe wird die Zahl der beteiligten Moleküle erhöht (Multiplikationseffekt).
IP3 bewirkt die
Freisetzung von Calciumionen aus dem endoplasmatischen Retikulum in das
Zytoplasma. Dies bringt zytoplasmatische Proteinkinase C (PKC)-Moleküle dazu, sich in die Zellmembran einzulagern; hier werden sie durch DAG aktiviert und phosphorylieren Zielproteine in der Zelle.
Calciumionen binden auch an das zytoplasmatische Protein Calmodulin.
Der entstandene Komplex aktiviert zahlreiche Proteine, darunter
Ca++-Calmodulin-abhängige (CaM)-Kinasen (diese phosphorylieren Zielproteine), Ionenkanäle, Phosphatasen, Proteine des Zytoskeletts,
Myosin-Leichkettenkinase (MLC-Kinase, sie bringt glatte Muskelzellen zur Kontraktion)
Angiotensin II an Gefäßen nützt diesen Weg zur Auslösung einer Vasokonstriktion
GnRH
(Gonadoliberin) wird wie die meisten Vorderlappenhormone pulsatil ins
Blut freigesetzt. Es stimuliert über GnRH-Rezeptoren die LH- und
FSH-Freisetzung in der Adenohypophyse
Katecholamine nutzen außer dem cAMP- (s.oben) auch den PL-DAG-IP3-Weg
Oxytozin
steuert Verhalten und Gefühle, und unterstützt im Rahmen des
Geburtsvorganges über Anregung der Uterus-Myometriumzellen die
Wehentätigkeit
TRH (Thyreoliberin) besteht aus nur 3 Aminosäuren; es wirkt über einen speziellen Rezeptor anregend auf die TSH-Ausschüttung in der Adenohypophyse
Vasopressin (antidiuretisches Hormon, ADH, Adiuretin) wirkt an Gefäßen über den V1-Rezeptor
vasokonstriktorisch; dieser Mechanismus nützt den PC-IP3-Weg (im
Gegensatz zur cAMP-vermittelten Wasserrückresorption in den Niere)
Hormone der Gastrin-Familie
Die folgende Abbildung fasst Wirkungen von G-Proteinen und second messengers auf zelluläre Funktionen zusammen:
Abbildung: Kontrolle zellulärer Effektorsysteme
Nach einer Vorlage in Ritter / Flower / Henderson / Loke / MacEwan / Rang, Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. Elsevier 2020
GPCRs wirken in Kombination mit
G-Proteinen. Diese können die Aktivität von Zielenzymen
(Guanylatzyklase, Adenylylcyclase, Phospholipase C) und damit die
Synthese von "zweiten Botenstoffen" wie cGMP, cAMP, IP3 und DAG
steuern. DAG seinerseits beeinflusst die Umsetzung von Membranlipiden
(AA: Arachidonsäure) zu
Eikosanoiden (die
als lokale Wirkstoffe in ihre Umgebung freigesetzt werden können).
Statt G-Proteinen können auch Arrestine die Kopplung zu zellulären
Folgereaktionen übernehmen.
Second messengers wirken auf Enzyme, welche die Aktivität von
Zielproteinen beeinflussen (Proteinkinasen). Auf diese Weise können
Transportsysteme, Enzymaktivitäten, der Kontraktionszustand der Zelle
sowie die Öffnungswahrscheinlichkeit zahlreicher Ionenkanäle gesteuert
werden.
Die Mehrgliedrigkeit dieser Systeme erlaubt eine multiple Einflussnahme
zur Steuerung, Rückkopplung und Feinregulierung. Eine wesentliche
Eigenschaft dieser intrazellulären Signalketten ist weiters der
Verstärkungsfaktor: Nur wenige Rezeptoren müssen aktiviert werden, um
eine molekulare Multiplikation des Wirkeffekts zu erzielen
vgl. dort
Intrazelluläre Rezeptoren ( Abbildung) sind modulär aufgebaute Moleküle, die aus mehreren Teilen bestehen:
Einem
Teil
(ligand binding region), der
Signalstoff (Hormon,
sekundären Botenstoff, Cofaktoren)
bindet
Eine Zinkfingerdomäne
(DNA binding domain), die
kurze
DNA-Sequenzen (hormone resoponse elements) erkennt, an sie
bindet und die Ablesung
des regulierten Gens beeinflusst
Zinkfingerproteine enthalten
"Zinkfingerdomänen" mit
einem oder mehreren Zinkatomen, welche die besondere räumliche
Anordnung dieser Peptidstrukturen stabilisieren. Es gibt zahlreiche
Zinkfingermotive mit unterschiedlicher räumlicher Struktur, was sie
befähigt, bestimmte molekulare Muster (an DNA, RNA, Proteinen u.a.) zu
erkennen und zu binden.
Einem
Teil, der die
Transkription reguliert.
Abbildung: Beispiele für die Wirkungsweise nukleärer Rezeptoren
Links: Monomer-, rechts: Dimerbindung an das response element
der DNA. Durch die Bindung wird die Proteinsynthese freigegeben.
Wachstumsfaktoren und die große Gruppe G-Protein-aktivierender Hormone,
Transmitter und Zytokine binden an Rezeptoren an der Zellmembran -
intrazelluläre Folgeaktivierungen finden an MAPK (mitogen-activated protein kinase) und PKA (Proteinkinase A; cAMP-abhängig) statt.
Steroidhormone dringen durch die Zellmembran und verdrängen den Hitzeschockproteinkomplex von der Bindung an den Steroidrezeptor
Lokalisation: Intrazelluläre Rezeptoren können
im Zytoplasma
auf ihr Hormon "warten" (typischerweise: Glucocorticoid-,
Mineralcorticoidrezeptoren) - und hier mit Chaperonen
kombiniert vorliegen,
im Plasma des Zellkerns (Östrogen-, Progesteronrezeptoren) oder
an DNA gebunden (Thyroidhormon-, Retinsäurerezeptoren).
Diese Rezeptoren binden Steroide
(Androgene, Östrogene, Progesteron, Corticoide), Schilddrüsenhormone,
Vitamin D und andere. Um wirksam zu werden, müssen sie Rezeptoren
gleichzeitig ihren Liganden, das entsprechende hormone resoponse element und auch
Koregulatoren (Aktivatoren und/oder Repressoren) binden, um ihre
Zielgene zu erreichen. Koaktivatoren rekrutieren Enzyme an den
Transkriptionskomplex, die das Chromatin transkriptionsgerecht
herrichten (Histon-Acetylasen "entfalten" das Chromatin). Umgekehrt
hemmen Korepressoren (z.B. über Histon-Deacetylasen) den DNA-Ablesungvorgang.
Nukleäre Rezeptoren wirken auf bzw. als
Transkriptionsfaktoren und können eine Vielzahl verschiedener Gene beeinflussen; dadurch sind die in der Lage, ganze metabolische Programme zu steuern.
Dynamik der Signaltransduktion: Crosstalk und Desensitisierung
Crosstalk zwischen Signalkaskaden.
Die Signalwege in der Zelle können sich kreuzen und interagieren: So
konvergieren die von verschiedenen Rezeptortypen angestoßenen
Faktoren auf identische Ziele in der Zelle (wobei verschiedene Zellen
über unterschiedliche Isoenzyme der Signalkaskaden verfügen). Beispielsweise wird Phospholipase C
sowohl über heptahelikale ("metabotrope") Rezeptoren als auch über
Rezeptor-Tyrosinkinasen reguliert - das heißt, unterschiedliche
Rezeptortypen wirken über idente Signalkaskaden. Offenbar haben sich im
Laufe der
Evolution bestimmte Variationen eines beschränkten Sets einzelner
Themen als jeweils optimal erwiesen.
Variabilität: Wie stark sich ein bestimmtes exogenes Signal bemerkbar macht, hängt
von der Gesamtsituation ab, in der sich eine Zelle gerade befindet: Zu
jedem konkreten Zeitpunkt wirken verschiedene Signale auf sie ein, die
unterschiedliche Rezeptoren und Folgemechanismen involviert. Außerdem
kann sich die Zelle in einem anderen Zustand befinden als zu einem
Vergleichszeitpunkt; Stoffkonzentrationen, Membranpotential,
Transkriptionsstatus u.a. ändern sich ständig.
Komplexität: Keine
Nachricht aus dem
Extrazellulärraum steht für sich allein, vielmehr muß eine Vielzahl
gleichzeitig einwirkender Rezeptorsignale zu einer sinnvollen
Gesamtfunktion der Zelle integriert werden. Die
dabei aktivierten Signalwege in der Zelle können sich gegenseitig
verstärken oder auch abschwächen, das Ergebnis sind komplexe
Wirkmuster, deren Effekte nicht ohne weiteres exakt vorausberechnet
werden können (Heraklit hätte seine Freude damit).
Desensitisierung: Heptahelikale Rezeptoren werden nach längerer Aktivierung
unempfindlich (Adaptation), was durch mehrere Mechanismen bedingt ist.
Dabei gibt es rasche und langsame Anpassungsvorgänge:
Im
Sekunden- bis Minutenbereich
greifen Modifikationen am Rezeptormolekül, welche seine Affinität für
den jeweiligen Signalstoff ändern (Phosphorylierung, Bindung von
Arrestin, intrazelluläre Sequestrierung)
Herunterregulierung der Rezeptorzahl und Beeinflussung der
Proteinsynthese (Transkription, Translation) beansprucht
Stunden bis Tage.
Der Sinn dieser Empfindlichkeitsanpassung liegt in der Angleichung der
Ansprechbarkeit der zellulären Signalumsetzung an den jeweiligen Bedarf
des Gesamtorganismus.
Verfügbare Rezeptorzahl
Hormonwirkungen schwächen sich oft bei längerdauernder Stimulation von
Zielgewebe ab (Desensitivierung). Zwei hauptsächliche Mechanismen
können diese abnehmende Empfindlichkeit der Zelle gegenüber Liganden,
die an den Rezeptor binden, bewirken ( Abbildung):
Phosphorylierung der Rezeptoren (durch PKA, PKC, spezifische
GPCR-Kinasen). Dadurch lagern sich Arrestine an den Rezeptor, was ihre
Interaktion mit G-Proteinen blockiert. Arrestine bewirken auch
Verlagerung
von Rezeptormolekülen von der Oberfläche in die Tiefe der Zelle (Clustering, coated pit-Bildung, Endozytose), wo sie
vom Transmitter nicht mehr erreicht werden kann (receptor downregulation).
Werden Rezeptormoleküle aus der Zellmembran entfernt, bewirkt dies eine Desensitivierung
der Zelle, sie wird weniger empfänglich für die betreffenden
hormonellen Signale.
Die Abbildung stellt einige molekulare Details der
Vorgänge dar. Wird
der endozytierte Rezeptor in Lysosomen abgebaut, ist er inaktiviert.
Wird er wieder dephosphoryliert und in die Außenmembran rückgeführt,
ist er wieder funktionsfähig (resensitiviert).
AP2, ß2-Adaptin,
Eiweiß, das die Bildung von Clathrin-ausgestatteten Einsenkungen
(clathrin-coated pits) durch Interaktion mit Membranrezeptoren bewirkt
Arrestine schwächen die Signalwirkung an Rezeptoren ab
Clathrin bewirkt die endozytotische Einstülpung der Zellmembran
Dynamine sind für die Endozytose benötigte GTPasen
GRK, G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase
Je nach Art des
involvierten Signaltransduktionsweges stellt sich der Mechanismus
verschieden dar. Beispielsweise kann nach Bindung von Hormonmolekülen
Endozytose und lysosomaler Abbau eingeleitet werden (wie durch Proteine, die als Arrestine
bezeichnet werden - diese dämpfen die Signalübertragung über
G-Proteine und reduzieren so die Wirkung von Hormonen,
Neurotransmittern oder sensorischen Reizen).
Weiters können RGS-Proteine
(Regulators of G protein signaling) α-Untereinheiten des G-Proteins inaktivieren, indem sie den hydrolytischen Zerfall
von GTP beschleunigen. Schließlich kann auch auf der Ebene des second
messenger selbst reguliert werden, wie durch Abbau von cAMP durch eine Phosphodiesterase.
Phosphodiesterasen (PDE) sind zelleigene Enzyme, die second messenger (cAMP, cGMP) zu AMP / GMP abbauen. Es gibt mehrere
PDE-Isoenzyme mit unterschiedlicher Gewebeverteilung und
unterschiedlichem Wirkungsprofil. Beispielsweise wirken
Phosphodiesterase-Isoenzyme vom Typ 5 (PDE5) cGMP-spezifisch auf Gefäßwände in der Lunge und im Penis (corpora cavernosa / spongiosa).
Unterschiedliche PDE-Isoenzyme können durch Pharmaka z.T. spezifisch beeinflusst werden. So bewirken PDE5-Hemmer (Beispiel Sildenafil: Viagra) Vasodilatation in Lungenkreislauf und Genitalien.
Variierende Ansprechbarkeit der Zielzellen: Die Empfindlichkeit einer Zelle gegenüber extrazellulären
Informationsmolekülen kann z.B. durch folgende Faktoren variieren:
Zahl verfügbarer
Rezeptormoleküle (upregulation: Erhöhung durch Verlagerung in die Außenmembran; downregulation:
Erniedrigung durch Endozytose, s. Abbildung)
Interaktion mit anderen Molekülen
(Agonisten - Verstärkung, Antagonisten - kompetitive Hemmung)
Veränderte Signalverstärkung
 Enzymrezeptoren phosphorylieren Effektorproteine, z.B. die MAP-Kinase
(Embryogenese, Zelldifferenzierung, Zellwachstum, Mitose, Apoptose).
Mindestens drei Kinasen wirken in Serie (Phosphorylierungskaskade),
aktivierte MAP-Kinase aktiviert Genexpression. Die Aktivierungsdauer
hängt u.a. von den Rezeptoren ab; einige nutzen den JAK-STAT-Mechanismus
(Zugriff auf Transkription)
Ionotrope Rezeptoren verändern die Durchlässigkeit von Membrankanälen. So bewirkt höhere Öffnungswahrscheinlichkeit von Kaliumkanälen Re- und Hyperpolarisierung der Zelle; Ca++-Einstrom hat vielfache Wirkung (Verformung, Bewegung, intrazellulärer Transport, Gedächtnis, Immunantworten)
Metabotrope Rezeptoren sind heptahelikal aufgebaut und wirken über G-Proteine (GPCRs): Gs (stimulierend), Gi (inhibierend), Gq und andere. Ihre Untereinheiten (α, β, γ) sind am nicht aktivierten Rezeptor angelagert. Wird dieser aktiviert, bindet die
α-Untereinheit GTP, die β- und γ-Untereinheit dissoziieren und
aktivieren membranständige Effektoren. Solange die Dissoziation anhält,
ist der Signalweg eingeschaltet (Multiplikation des molekularen
Effekts).
Gsα stimuliert Adenylylcyclase (→ cAMP → Proteinkinase A), Giα
hemmt sie, Gqα aktiviert Phospholipase C → IP3, DAG. Proteinkinase A besteht aus regulatorischen und katalytischen (PKAc) Untereinheiten. PKAc phosphoryliert u.a. Transkriptionsfaktoren wie CREB, dieses bindet an eine DNA-Strecke (cAMP response element), die in zahlreichen Promotern enthalten ist, das regt die Transkription an. Typ III- Rezeptoren werden nach längerer Aktivierung unempfindlich. Einige Rezeptoren nutzen cGMP als second messenger (ANP)
Nukleäre Rezeptoren bestehen aus mehreren Teilen: Einer
bindet den Signalstoff, ein "Zink-Finger" erkennt kurze DNA-Sequenzen,
um ihre Zielgene zu erreichen. Koaktivatoren rekrutieren Enzyme an den
Transkriptionskomplex, Histon-Acetylasen machen das Chromatin ablesbar. Korepressoren
hemmen die Transkription. Nukleäre Rezeptoren können eine
Vielzahl verschiedener Gene beeinflussen; so können sie metabolische Programme steuern
Hormonwirkungen
schwächen sich oft bei längerdauernder Stimulation von Zielgewebe ab
(Desensitivierung). Dabei kommt es zu einer Verlagerung von
Rezeptormolekülen von der Zellmembran in die Zelle, wo sie vom
Transmitter nicht erreicht werden (receptor downregulation).
Die Empfindlichkeit einer Zelle gegenüber extrazellulären Signalmolekülen kann z.B. durch folgende Faktoren variieren: Zahl
verfügbarer Rezeptormoleküle, Interaktion mit Agonisten / Antagonisten, veränderte Signalverstärkung
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Lehrbüchern, Reviews, Originalarbeiten u.a. Sie
sollen zur Auseinandersetzung mit physiologischen Fragen, Problemen und
Erkenntnissen anregen. Soferne Referenzbereiche angegeben sind, dienen diese zur Orientierung; die Grenzen sind aus biologischen, messmethodischen und statistischen Gründen nicht absolut. Wissenschaft fragt, vermutet und interpretiert; sie ist offen, dynamisch und evolutiv. Sie strebt nach Erkenntnis, erhebt aber nicht den Anspruch, im Besitz der "Wahrheit" zu sein.
Der Weg über zyklische Nukleotide 
Ras 
