Humoral-neuronale Steuerung und Kontrolle von Organsystemen

Wege der Signaltransduktion (intrazelluläre Antworten), Gewebeeffekt, Adaptation
 
 
© H. Hinghofer-Szalkay

 Kalium: القلية‎ "al-qalya", Pflanzenasche
Kalzium: calx = Kreide, Kalkstein
 Natrium: ناترون‎ "natrun“, Natron
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 involvieren:

   -- An Typ-I-Rezeptoren wird enzymatische Wirkung getriggert, Proteine werden phosphoryliert; mehrere Enzyme sind hintereinandergeschaltet und verstärken das Signal (Phosphorylierungskaskade)

   -- Typ-II-Rezeptoren verändern die Ionendurchgängigkeit der Membran ("Permeasen") und bewirken erhöhte Diffusion von Natrium-, Kalium-, Kalzium-, Chloridionen (und entsprechende Veränderungen des Membranpotentials, also De- oder Hyperpolarisierung)

   -- Typ-III-Rezeptoren aktivieren nachgeschaltete Membranproteine (G-Proteine), man nennt sie "metabotrop". Sie aktivieren Phospholipase C und setzen damit IP3 (Inositoltriphosphat) und DAG (Diazylglyzerol) frei, oder sie aktivieren Adenylatzyklase, was zur Freisetzung von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) führt. cAMP aktiviert Proteinkinase A und Ionenkanäle; auch Transkriptionsfaktoren können so aktiviert werden, z.B. CREB: cAMP response element-binding protein, dieses koppelt an bestimmte DNS-Abschnitte und regt Transkription (Bildung von mRNS) an

   -- Typ-IV-Rezeptoren sind nukleär, auch sie regen Proteinsynthese an.

Diese Signalwege können in der Zelle auch interagieren (Crosstalk).


Wege der Signaltransduktion Dynamik der Signaltransduktion: Crosstalk und Desensitierung cAMP-Weg PC-DAG-IP3-Weg Wirkung auf Zellkern und Translation, verfügbare Rezeptorzahl
 

>Abbildung: Aktivierung von Hormonrezeptoren
Nach einer Vorlage bei Pearson Education Inc. 2004
  Hormonelle Effekte können z.B. über cAMP oder über Kalziumionen ausgelöst werden. Calmodulin ist ein Protein, das Ca++-Ionen bindet und dadurch ein Signal auf Zielproteine (Enzyme) übertragt

Die Kommunikation zwischen Zellen im Organismus erfolgt zu einem großen Teil über Signalmoleküle (Hormone, Transmitter. Mediatoren, Zytokine). Diese binden an Rezeptoren (in der Zellmembran oder intrazellulär - vgl. Rezeptortypen) und bewirken dort Folgereaktionen (Signaltransduktion), wie:


Enzymatisch Ionotrop Metabotrop Nukleär

  Direkte enzymatische, insbesondere Tyrosinkinaseaktivität (Typ-I-Rezeptoren) - z.B. ANF-Rezeptor, Zytokinrezeptoren, Insulinrezeptor, Wachstumsfaktor-Rezeptoren. Sie phosphorylieren Effektorproteine, entweder direkt oder über Adapterproteine.

Ein Beispiel ist die MAP-Kinase (MAP: mitogen-activated protein), die sich u.a. an der Regulation der Embryogenese, der Zelldifferenzierung, des Zellwachstums und der Apoptose beteiligt. Dabei sind mindestens drei Kinasen in Serie durch Phorphorylierung eingeschaltet (Phosphorylierungskaskade).

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.


  Veränderte Durchlässigkeit von Membrankanälen ("Permeasen") und Ionenbewegungen ("ionotrope" Typ-II-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 kalziumabhängige 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 Kalziumkonzentration und Ca++-Speicher
Nach Syntichaki P, Tavernarakis N. The biochemistry of neuronal necrosis: rogue biology? Nature Rev Neurosci 2003; 4: 672-84
Die intrazelluläre Kalziumkonzentration ([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-Kalzium-Austauscher MNCX, oder Uniporter).

Kalziumbindende Proteine in Zytoplasma und endoplasmatischem Retikulum verstärken die Kalzium-Pufferkapazität der Zelle.
 
  MMCA, mitochondrial membrane Ca2+ ATPase 

  PMCA, plasma membrane calcium pump

Der Ca++-Einstrom (<Abbildung) erfolgt generell pulsatil, die Kalziumionen 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



  Sekundäre Vorgänge über nachgeschaltete Proteine (Typ-III- oder "metabotrope" Rezeptoren - diese haben heptahelikale Struktur, d.h. sieben durch die Zellmembran "gesteckte" α-helikale Sequenzen) → Aktivierung / Inaktivierung membranständiger Enzyme, dementsprechend direkte intrazelluläre Auswirkungen bzw. über G-Proteine erhöhte / gehemmte Bildung von second messengers, wie

  IP3 (Inositoltriphosphat) und DAG (Diazylglyzerol) - durch Aktivität der Phospholipase C, oder

  cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) - durch Aktivität der Adenylatzyklase. cAMP aktiviert Proteinkinase A (und damit zahlreiche Sekundärreaktionen der Zelle) sowie cAMP-abhängige Ionenkanäle, die u.a. bei Riech- und Sehvorgängen eine Rolle spielen.
 
cAMP-abhängige Proteinkinase A (PKA, <Abbildung) besteht aus regulatorischen und katalytischen Untereinheiten; durch Anlagerung von cAMP-Molekülen an die regulatorischen Untereinheiten 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.

Auch können über PKA Transkriptionsfaktoren "eingeschaltet" werden: CREB (cAMP response element-binding proteins). CREB bindet an ein cAMP response element, eine DNS-Strecke, die in zahlreichen Promotern enthalten ist. Die Kopplung von CREB regt dann Transkription der entsprechenden DNS-Sequenz (mRNS-Synthese) an. Der Mechanismus wirkt über einen Koaktivator (CREB-binding protein).
 


G-Proteine

 G-Proteine (sie heißen so, weil sie Guanosinphosphat binden) bestehen aus einer α-Untereinheit, die bei Aktivierung GTP binden und (zu GDP) hydrolysieren kann, sowie einer β- und γ-Untereinheit; diese dissoziieren nach Bindung eines (von außen gekommenen) Signalmoleküls vom Gαβγ-Komplex und aktivieren (von innen) membranständige Effektoren. Solange die Dissoziation anhält, ist der Signalweg eingeschaltet (Multiplikation des molekularen Effekts: "Relaiswirkung").

Hydrolyse von GTP beendet den Übertragungsmechanismus innerhalb von Sekunden, die Untereinheiten rekombinieren anschließend wieder.

>Abbildung: Beispiele für die Wirkungsweise nukleärer Rezeptoren
Modifiziert nach Glass CK, Ogawa S. Combinatorial roles of nuclear receptors in inflammation and immunity. Nature Rev Immunol 2006; 6: 44-55
Links: Monomer-, rechts: Dimerbindung an das response element der DNS. 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
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 Adenylatzyklase ubiquitär durch Gαs angeregt (s = stimulierend), durch Gαi gehemmt (i = inhibierend); Gαt (Transduzin) stimuliert die Phosphodiesterase in der Netzhaut, Gαolf die Adenylatzyklase im Riechepithel.


  Direkte intrazelluläre Wirkung: Typ-IV- oder nukleäre Rezeptoren (>Abbildung). Sie wirken auf Transkriptionsfaktoren, modulär aufgebaute Moleküle, die zwei Teilen bestehen:
      Einem Teil, der regulativen Einflüssen (z.B. Bindung eines Hormons oder sekundären Botenstoffs) zur Verfügung steht, und

      einer Domäne, die kurze DNS-Sequenzen erkennt (diese können sehr spezifisch oder in mehreren Genen vorhanden sein), an sie bindet und deren Ablesung beeinflusst.

Wachstumsfaktoren können sowohl die Synthese als auch die Aktivität von Transkriptionsfaktoren anregen.


Crosstalk zwischen Signalkaskaden. Die Signalwege in der Zelle können sich kreuzen und interagieren: So konvergieren die von Typ I- und Typ III-Rezeptoren angestoßenen Faktoren auf identische Ziele in der Zelle, wobei verschiedene Zellen über unterschiedliche Isoenzyme der Signalkaskaden verfügen. Damit divergieren auch die enzymatisch gesteuerten Funktionen, die je nach Zelltyp anders ausfallen können. 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).

Desensitierung: Typ III- (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.
 
 

 

<Abbildung: Adenylatzyklase-cAMP-Weg
Nach einer Vorlage in droualb.faculty.mjc.edu
Bindung (extrazellulär) des Signalmoleküls an den Rezeptor führt (intrazellulär) über einen G-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)
      
   Folgende Hormone nützen den Adenylatzyklase-cAMP-Weg als second messenger:
   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

    Kalzitonin senkt den Kalziumspiegel. 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 Kalziumspiegels rasch von Epithelkörperchenzellen in die Blutbahn freigesetzt und verhindert so Hypokalzämie

    Sekretin ist ein Mitglied der Gukagon-Hormonfamilie, es regt die Bauchspeicheldrüse zur Sekretion bikarbonathaltigen (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

 

 
>Abbildung: DAG-IP3-Weg
Nach einer Vorlage in droualb.faculty.mjc.edu
Bindung (extrazellulär) des Signalmoleküls an den Rezeptor führt (intrazellulär) über einen G-Protein-Mechanismus zu Aktivierung der (membranständigen) Phospholipase C. Diese verwandelt PIP2 zu IP3 und DAG, was Proteinkinase C aktiviert; Zielproteine werden phosphoryliert. Bei jeder Stufe wird die Zahl der beteiligten Moleküle erhöht (Multiplikationseffekt)
 
  Den Phospholipase C - DAG - IP3-Weg (Diazylglyzerol, Inositoltriphosphat) nützen
  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 nützen 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)


  Ein direkter Weg der Hormonwirkung ist die Veränderung (Aktivierung / Hemmung) der Ablesevorgänge (Transkription) von Erbinformation im Zellkern. Diesen Mechanismus machen sich fettlösliche Hormone zunutze, wie Steroide (Kortisol, Aldosteron. Geschlechtshormone) und das D-Hormon, aber auch Schilddrüsenhormone.
 

<Abbildung: Empfindlichkeitsanpassung der Zelle: Grundlage von Rezeptor- upregulation / downregulation
Nach: Luttrell LM, Lefkowitz RJ, The role of beta-arrestins in the termination and transduction of G-protein-coupled receptor signals. J Cell Sci 2002; 115: 455-65
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.
 
   AP2, ß2-Adaptin, Eiweiß, das die Bildung von Clathrin-ausgestatteten Einsenkungen (clathrin-coated pits) durch Interaktion mit Membranrezeptoren bewirkt

   ß-Arr, beta-Arrestin - Arrestine schwächen die Signalwirkung an Rezeptoren ab

   Clathrin bewirkt die endozytotische Einstülpung der Zellmembran

   Dyn, Dynamin. Dynamine sind für die Endozytose benötigte GTPasen

   GRK, G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase

Hormonwirkungen schwächen sich oft bei längerdauernder Stimulation von Zielgewebe ab (Desensitivierung). Dabei kommt es zu einer Verlagerung von Rezeptormolekülen von der Oberfläche in die Tiefe der Zelle, wo sie vom Transmitter nicht mehr erreicht werden kann (receptor downregulation).

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 vermutlich die Signalübertragung über G-Proteine und reduzieren so die Wirkung von Hormonen, Neurotransmittern oder sensorischen Reizen, <Abbildung). Oder G-Proteine aktivieren Kinasen, welche den Rezeptor inaktivieren (Phosphorylierung).

Weiters können RGS-Proteine (Regulators of G protein signaling) alpha-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 (PDE).

Phosphodiesterasen bauen auch cGMP ab; so ist PDE-5 cGMP-spezifisch. Hemmer dieses Enzyms (Beispiel Sildenafil: Viagra) bewirken z.B. 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


Eine Reise durch die Physiologie


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