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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von Rezeptoren findet sich z.B. bei Insulinrezeptoren, 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).
Diese 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.
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).
Calciumbindende 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
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.
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 Adenylylcyclase, 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 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 (dieses 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.
Der G-Protein-Mechanismus zeigt 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. Adenylylcyclase); 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 Adenylylcyclase, die Giα-Untereinheit hemmt einige ihrer Isoformen, die Gqα-Untereinheit aktiviert (alle Formen der) Phospholipase C.
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, die zahlreiche
Zellfunktionen steuern (Kontraktion glatter Muskeln, Zellmigration,
synaptischer Umbau, Proliferation, Angiogenese). Sind sie - durch
Austausch von GDP gegen GTP - "eingeschaltet", aktivieren sie eine
Vielzahl von Zielproteinen.
Das MAP Kinase-System kann ebenfalls durch GPCR-Mechanismen aktiviert werden.
Die folgende Abbildung fasst Wirkungen von G-Proteinen und second messengers auf zelluläre Funktionen zusammen:
>Abbildung: Kontrolle zellulärer Effektorsysteme
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020
G-Proteine und second messengers sind
zwischen den Rezeptor und Proteinkinasen geschaltet, um Effektoren wie
Enzyme, Transportproteine, Kontraktionen oder Ionenkanäle zu steuern.
Statt G-Proteinen können Arrestine die Kopplung zu zellulären Folgereaktionen übernehmen (vgl. nächste Abbildung)
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.
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 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 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).
CREB bindet an ein cAMP response element, eine DNA-Strecke, die in zahlreichen Promotern enthalten ist. Die Kopplung von CREB regt dann Transkription der entsprechenden DNA-Sequenz (mRNA-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, 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.
Folgende 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 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),
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 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
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 (>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 DNA-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
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
(Hitzeschockprotein) 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 Desensitierung
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).
Desensitierung: 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
 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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Der Weg über zyklische Nukleotide 
