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

     
Humoral-neuronale Steuerung und Kontrolle von Organsystemen

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:

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

   -- Typ-II-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)
 
   -- Typ-III-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 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 DNS-Abschnitte und regt die Bildung von mRNS an, wie auch
 
   -- Typ-IV-Rezeptoren: Diese sind definitiv nukleär, d.h. sie beeinflussen Transkription und Translation (Proteinsynthese).

Manche dieser Signalwege interagieren im Stoffwechsel der Zelle (Crosstalk).



Wege der Signaltransduktion  Der Weg über zyklische Nikleotide Der Phospholipase-DAG-IP3-Weg   Dynamik der Signaltransduktion: Crosstalk und Desensitierung Verfügbare Rezeptorzahl

Core messages
 
Wirkungsweise extrazelluläre Signalstoffe
 
Die Kommunikation zwischen Zellen im Organismus erfolgt zu einem großen Teil über Signalmoleküle (Hormone, Transmitter. Mediatoren, Zytokine).
 

>Abbildung: Aktivierung von Hormonrezeptoren
Nach einer Vorlage bei Pearson Education Inc. 2004

  Hormonelle Effekte können z.B. über cAMP oder über Calciumionen ausgelöst werden. Calmodulin ist ein Protein, das Ca++-Ionen bindet und dadurch ein Signal auf Zielproteine (Enzyme) übertragt


Diese Signalmoleküle binden an Rezeptoren (in der Zellmembran oder intrazellulär - vgl. Rezeptortypen) und bewirken dort Folgereaktionen (Signaltransduktion), wie:



Enzymatisch
Ionotrop Metabotrop Nukleär
 
Enzymatische Aktivität
 

Direkte enzymatische, insbesondere Tyrosinkinaseaktivität (Typ-I-Rezeptoren) - z.B. Insulinrezeptor, Wachstumsfaktor-Rezeptoren (wie für EGF, PDGF, NGF, FGF, VEGF), Immunrezeptoren, Zytokinrezeptoren. 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).

Typ-I-Rezeptoren phosphorylieren Effektorproteine, entweder direkt oder über Adapter- (Kopplungs-) Proteine.
Ein Beispiel dafür ist die MAP-Kinase (MAP: mitogen-activated protein), die durch die GTPase  Ras aktiviert werden kann (<Abbildung):
 

<Abbildung: Transkriptionssteuerung durch den Ras-Signalweg
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTK) phosphorylieren sich nach (extrazellulärer) Bindung eines Liganden selbst. Über eine sogenannte SH2-Domäne (nach Src Homology 2) erkennt das Adapterprotein GRB2 (Growth factor receptor-bound protein 2) phosphoryliertes Tyrosin. Der entstandene Komplex lagert über eine SH3-Domäne den Ras-Guanin- Austauschfaktor SOS (Son of Sevenless) an und dieser aktiviert Ras.

Aktiviertes Ras schaltet wiederum das Enzym Raf-1 (von Rapidly Accelerated Fibrosarcoma) zu; dieses aktiviert MEK (Mitogen-activated protein kinase kinase) und diese wiederum MAPK
(mitogen-activated protein kinase). 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.
 
MAP-Kinase beteiligt sich u.a. an der Regulation der Embryogenese, der Zelldifferenzierung, des Zellwachstums, der Mitose (z.B. Lymphozyten), der Insulinwirkung und der Apoptose. Dabei sind mindestens drei Kinasen 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.


Bei einigen Rezeptoren mit Enzymaktivität (Prolaktin, Wachstumshormon, γ-Interferon) ist der JAK-STAT-Mechanismus
in den Signaltransduktionsweg integriert; auf diese Weise wird direkt auf Transkriptionsvorgänge im Zellkern zugegriffen.
 
Ionotrope Rezeptoren
 

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 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 Calciumkonzentration und Ca++-Speicher
Nach Syntichaki P, Tavernarakis N. The biochemistry of neuronal necrosis: rogue biology? Nature Rev Neurosci 2003; 4: 672-84

Die intrazelluläre Calciumkonzentration ([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-Calcium-Austauscher MNCX, oder Uniporter).

Calciumbindende Proteine in Zytoplasma und endoplasmatischem Retikulum verstärken die Calcium-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
 

Typ-III- oder "metabotrope" Rezeptoren sind mit über 1000 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.

Binden diese Rezeptoren einen passenden Liganden, interagieren sie mit G-Proteinen (daher G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, G Protein Coupled Receptors, GPCRs). Diese bestehen aus drei Untereinheiten,
die am nicht aktivierten Rezeptor als Trimer angelagert sind (α, β, γ - jeweils in verschiedenen Spielarten, was hunderte molekulare Kombinationen ergibt, die jeweils mit unterschiedlichen Rezeptoren und Effektoren interagieren). Bei Rezeptoraktivierung dissoziieren sie in einen Gα- und einen Gβγ-Teil. Gα bindet GTP und interagiert mit Effektorproteinen wie der Adenylatzyklase, Gβγ mit anderen Effektorproteinen der Signaltransduktion.

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 binden
Guanosinphosphat (deshalb heißen sie so). Es sind molekulare Schalter, die inaktiv sind, wenn sie GDP gebunden haben. Werden sie durch Guaninnukleotid-Austauschfaktoren (GEFs, guanine nucleotide exchange factors) aktiviert, binden sie GTP (das sie auch innerhalb von Sekunden wieder abbauen, was die Wirkungsdauer begrenzt). G-Proteine mit angekoppeltem GTP aktivieren Enzyme, die zu zellulären Signalketten gehören.

Die GTPase-Aktivität wird auch durch regulierende Proteine (RGS proteins: Regulators of G-protein signaling) verstärkt. Es ergibt sich eine zyklische Abfolge von Reaktionsschritten, bei der es durch Bindung eines Ligenden an den GPCR-Rezeptor zur Aktivierung sekundärer Vorgänge in der Zelle kommt (<Abbildung):
 

<Abbildung: Enzymatischer Funktionszyklus heterotrimerer G-Proteine
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Im inaktiven Zustand liegen heterotrimere G-Proteine als Gαβγ-Komplex mit gebundenem GDP vor (1). Bindet ein Ligand (blaue Kugel), wird GDP gegen GTP ausgetauscht (2). Das wiederum fördert die Ablösung des Gαβγ-Komplexes vom Rezeptor R, der Ligand löst sich vom Rezeptor ab (3).
 
Anschließend dissoziiert die
α-Untereinheit (mit gebundenem GTP), diffundiert in der Membranebene (4) und reagiert mit einem Effektor (E1, z.B. Adenylatzyklase); die βγ-Untereinheit reagiert ebenfalls mit einem Effektor (E2), das kann z.B. einen Ionenkanal aktivieren (5).
 
Schließlich verliert das GTP der α-Untereinheit ein Phosphat, und die Einheit vereinigt sich wieder mit einer βγ-Untereinheit (6). Als RGS (Regulators of G protein signaling) bezeichnete Proteine bzw. Domänen aktivieren die GTPase-Aktivität der α-Untereinheit


Die α-Untereinheit bindet bei Aktivierung des G-Proteins GTP und hydrolysiert zu GDP. Die β- und γ-Untereinheit dissoziiert nach Bindung eines (von außen gekommenen) Signalmoleküls vom Gαβγ-Komplex und aktiviert (von innen) membranständige Effektoren. Solange die Dissoziation anhält, ist der Signalweg eingeschaltet (Multiplikation des molekularen Effekts: "Relaiswirkung").

G-Proteine gibt es in mehreren Arten mit jeweils mehreren Vertretern: Gs (stimulierend), Gi (inhibierend), Gq und andere. Die Gsα-Untereinheit stimuliert die Adenylatzyklase, die Giα-Untereinheit hemmt einige ihrer Isoformen, die Gqα-Untereinheit aktiviert (alle Formen der) Phospholipase C.

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 Adenylatzyklase, 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.
 
Der Weg über zyklische Nukleotide (cAMP, cGMP)
  
Sehr häufig nutzen GPCRs Adenylatzyklase als Substrat ihrer Aktivierung; dabei wird ATP dephosphoryliert und cAMP freigesetzt.. Die Signalkaskade des cAMP-Wegs hat folgende Struktur (>Abbildung):
 

>Abbildung: Adenylatzyklase-cAMP-Weg
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

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)


    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 Adenylatzyklase (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.


  Adenylatzyklase 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).

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).


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, Calciumfreisetzuung 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.
 
Folgende Hormone nutzen den Adenylatzyklase-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 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
 
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); Gαolf  stimuliert die Adenylatzyklase 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 α-Untereinheit Phosphodiesterase E (PDE). Das führt zum Abbau von cGMP und zum Schließen cGMP-abhängiger Ionenkanäle. Die Folge ist eine Hyperpolarisierung des Sinnesrezeptors und Reduktion der Glutamatfreisetzung


Abbau zyklischer Nukleotide: G-Proteine können auch über Enzyme wirken, die zyklische Nukleotide abbauen. So aktiviert das G-Prorein 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. Je nach der Stelle, an der das Phospholipid gespalten wird, unterscheidet man Phospholipase A2, C und D. Phospholipase C (PLC) spaltet Phosphatidylinositol-4,5-Biphosphat (PIP2) zu Diacylglycerol (DAG, bleibt membranassoziiert) und Inositol-1,4,5-Triphosphat (IP3, gelangt in das Zytoplasma). 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 Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021

Bindung (extrazellulär) des Signalmoleküls an den Rezeptor führt (intrazellulär) über einen G-Protein-Mechanismus zu Aktivierung der (membranständigen) Phospholipase C. Diese verwandelt PIP2 (Phosphatidylinositol- Biphosphat) zu IP3 (Inositoltriphosphat) und DAG (Diacylglycerol).
   
DAG aktiviert Proteinkinase C aktiviert; Zielproteine werden phosphoryliert. Bei jeder Stufe wird die Zahl der beteiligten Moleküle erhöht (Multiplikationseffekt).
   
IP3 führt zu Freisetzung von Calciumionen aus dem endoplasmatischen Retikulum

PLC = Phospholipase C, PKC = Proteinkinase C


    Signalstoff (Hormon, der "first messenger") bindet an extrazelluläre Bindungsdomäne des Rezeptormoleküls, dieses ändert daraufhin seine Konformation
 
    G-Protein (hier gibt es kein inhibierendes) wird aktiviert, die abdissoziierte α-Untereinheit schaltet Phospholipase C (PLC) in der Zellmembran ein
 
    PLC spaltet - aus in der Zellmembran vorhandenem Phosphatidylinositol-Biphosphat (PIP2) - die second messenger Diacylglycerin (DAG) und Inositoltriphosphat (IP3) ab
 
    DAG aktiviert die Proteinkinase C (PKC) an der Innenseite der Zellmembran
 
    IP3 bewirkt - über einen IP3-Rezeptor (ITPR - inositol triphosphate receptor) - die Freisetzung von Ca++ aus dem endoplasmatischen Retikulum.
In Muskelzellen aktiviert das eine Calmodulin-abhängige Kinase (CAMK): Bindet das zytoplasmatische Calmodulin Ca++-Ionen, dann ändert es seine Konfiguration, lagert ein inaktives Protein (Kinase) an und aktiviert es dadurch
 
    Beide - PKC und CAMK - phosphorylieren Zielproteine, was die Hormonwirkung (teilweise über veränderte Genexpressionen) mediiert.
 
Den DAG-IP3-Weg nutzen z.B.

     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
 
Intrazelluläre Rezeptoren
 
Typ-IV- oder intrazelluläre Rezeptoren (>Abbildung) sind modulär aufgebaute Moleküle, die aus mehreren Teilen bestehen:
 
     Einem Teil (ligand binding region), der Signalstoff bindet (Hormon, sekundären Botenstoff, Kofaktoren) 

     Einer "Zink-Finger" enthaltenden Domäne (DNA binding domain), die kurze DNS-Sequenzen (hormone resoponse elements) erkennt, an sie bindet und die Ablesung des regulierten Gens beeinflusst

     Einem Teil, der die Transkription reguliert
 

>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

Lokalisation: Intrazelluläre Rezeptoren können
 
     im Zytoplasma auf ihr Hormon "warten" (typischerweise: Glucocorticoid-, Mineralcorticoidrezeptoren) - und hier mit Chaperonen (Hitzeschockprotein) kombiniert vorliegen,
 
     im Plasma des Zellkerns (Östrogen-, Progesteronrezeptoren) oder
 
     an DNS 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 DNS-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 Desensitierung
 
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.

 
Verfügbare Rezeptorzahl

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).
 

<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


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
 

 
      Typ-I-Rezeptoren sind Enzyme: Sie 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)
 
      Typ-II-Rezeptoren sind ionotrop, sie 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)
 
      Typ-III-Rezeptoren sind "metabotrop", sie 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 Adenylatzyklase (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 DNS-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)
 
      Typ-IV-Rezeptoren sind nukleäre Rezeptoren, die aus mehreren Teilen bestehen: Einer bindet den Signalstoff, ein "Zink-Finger" erkennt kurze DNS-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
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


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