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:

    -- 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).


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


Ephrine    GTPasen    Ras    MAP-Kinase    G-Protein    Rho    PKA  / Phosphatasen    Response element    Zinkfingerdomäne    Arrestine

Core messages
  
Eine Fülle von Stoffen im Extrazellulärraum hat Signalcharakter, d.h. trägt spezifische Information, die von Zellen zum Anlass zu entsprechenden Reaktionen genommen werden. Solche Stoffe können lokal wirken (z.B. Neurotransmitter an Synapsen) oder systemisch (z.B. Hormone). Wie sie wirken, ist von großer Bedeutung - die involvierten Mechanismen können Ansatzpunkt für pharmakologische Intenvention sein.
 
 Wirkungsweise extrazellulärer 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 bindet Ca++-Ionen und übertragt dadurch ein Signal auf Zielproteine (Enzyme)

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


Enzymatisch Ionotrop Metabotrop Nukleär
 
Enzymatische Aktivität / Kinasen
  vgl. dort
Kinasegekoppelte Rezeptoren sind von großer Bedeutung für die Steuerung von Zellwachstum und -teilung, Differenzierung, Stoffwechsel, Immunreaktionen, Gewebeheilung und Apoptose. Das Genom des Menschen enthält 90 Tyrosinkinase-Gene, die Mehrzahl davon (58) codieren für Rezeptor-Tyrosinkinasen.

Kinasegekoppelte Rezeptoren sind - in Aufbau und Funktion - sehr verschieden von ligandengesteuerten Ionenkanälen oder G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Sie bestehen aus
      einer großen (extrazellulären) Rezeptordomäne,
      einer transmembranalen α-Helix sowie
      einer intrazellulären Domäne, mit je nach Rezeptor unterschiedlicher Größe, Form und Funktion.

Diese Rezeptoren sind Angriffspunkt einer breiten Palette von Peptidhormonen. Die Rezeptoren phosphorylieren Effektorproteine, entweder direkt oder über Adapter- (Kopplungs-) Proteine.
 
Direkte enzymatische Aktivität findet sich z.B. bei Wachstumsfaktor-Rezeptoren (wie für EGF, PDGF, NGF, FGF, VEGF), Immunrezeptoren, Zytokinrezeptoren, Leptinrezeptoren. Sie bestehen aus einer, der Insulinrezeptor aus zwei Aminosäureketten (α und β). Bindung des Liganden an den Rezeptor (extrazellulär) führt zu dessen Dimerisierung und Aktivierung der Tyrosinkinase (intrazellulär).

Die Haupttypen kinaseverknüpfter Rezeptoren sind
 
   Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) haben eine extrazelluläre Domäne zur Bindung des Signalmoleküls, eine alphahelikale transmembranale Domäne, sowie eine intrazelluläre Domäne mit Tyrosinkinase-Aktivität. Über sie wirken zahlreiche Wachstumsfaktoren, wie EGF, PDGF oder NGF. Diese Rezeptoren weisen hohe Affinität auf und sind Bindungspartner für zahlreiche Polypeptide (Hormone, Wachstumsfaktoren, Zytokine). Man teilt sie in 20 Klassen ein (Klasse I, EGF-Rezeptorfamilie; Klasse II, Insulinrezeptorfamilie; etc).
 
Die Aktivierung von RTKs hat sowohl kurzfristige (Sekunden bis Minuten, z.B. Aktivitätsveränderungen von Proteinen) als auch Stunden bis Tage anhaltende Wirkungen (z.B. Veränderungen der Gentranskription).
 
Die größte RTK-Subfamilie ist die Klasse IX (Ephs: Eph-Rezeptoren, Abkürzung für erythropoetin-producing human hepatocellular receptors); Proteine mit der Bezeichnung Ephrine sind ihre Bindungspartner.
 
    Unter Ephrinen versteht man membrangebundene Proteine, die an Ephrinrezeptoren (Eph receptors, Klasse IX-Tyrosinkinasen) binden. Beides sind membrangebundene Proteine, daher erfordert diese Rezeptorwirkung einen direkten (juxtakrinen) Kontakt von Zelle zu Zelle, u.a.
  im Rahmen der embryonalen Entwicklung (Steuerung vorwachsender Wachstumsendigungen von Axonen - s. Abbildung: Synaptische Molekülnetze -, Migration embryonaler Zellen, Bildung von Gewebsgrenzen, Zellmigration, Stammzelldifferenzierung, Gefäßneubildung),
   beim Aufbau von Langzeitgedächtnis.

   Rezeptor Serin / Threoninkinasen - diese eher kleine Gruppe phosphoryliert nicht Tyrosin, sondern Serin und/oder Threonin

   Zytokinrezeptoren sind ebenfalls enzymatisch aktiv, sie aktivieren u.a. Januskinasen.
 
Die Vermittlung des Signals erfolgt über mehrere Schritte:
Bindung des Signalmoleküls (Liganden) an den Rezeptor, der eine Konformationsänderung durchläuft
 Rezeptor-Dimerisierung durch Autophosphorylierung
 Phosphotyrosinreste binden an Adapter- und Dockingproteine, die Kinasen aktivieren
Phosphorylierung von Zielproteinen (in Zellkern, Zytoplasma, Zellmembran)
 Veränderte Gentranskription und Proteinaktivitäten

Intrazellulär übermitteln und verstärken Signalketten den Effekt der Bindung Ligand-Rezeptor über mehrere Systeme, z.B.
 
      über Ras/Raf-Mitogen-aktiviertes Protein (MAP) Kinase oder
 
      über den Jak/Stat-Pfad:
 
  Der Pfad über MAP-Kinase (MAP: mitogen-activated protein) wird durch die GTPase Ras aktiviert ( Abbildung).

     Unter GTPasen versteht man eine große Familie von Enzymen (Hydrolasen), die Guanosintriphosphat (GTP) binden und zu Guanosindiphosphat (GDP) hydrolysieren. GTPasen sind an GTP gebunden aktiv, an GDP gebunden inaktiv und können die Aktivität von Zielproteinen steuern. Sie wirken auf zahlreiche Stoffwechselprozesse (Signaltransduktion nach Aktivierung von Rezeptoren in der Zellmembran; Translation an Ribosomen; transmembranaler Proteintransport; Vesikeltransport durch die Zelle; Differenzierung, Wachstum, Bewegung, Teilung von Zellen).
 

Abbildung: Transkriptionssteuerung durch den Ras-Signalweg
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
 1: Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTK) dimerisieren nach Bindung ihres Liganden.
 
 2: Das führt zu Autophosphorylierung der beiden intrazellulären Domänen und
 
 3: Anlagerung eines Proteins mit SH2-Domäne (Src Homology 2), über welche
 
 4: das Adapterprotein GRB2 (Growth factor receptor-bound protein 2) phosphoryliertes Tyrosin erkennt.
 
 5: Der entstandene Komplex lagert über eine SH3-Domäne den Ras-Guanin- Austauschfaktor SOS (Son of Sevenless) an und dieser aktiviert Ras.
 
 6: Aktiviertes Ras schaltet wiederum das Enzym Raf-1 (von Rapidly Accelerated Fibrosarcoma) zu,
 
 7: dieses aktiviert MEK (Mitogen-activated protein kinase kinase)..
 
 8: ..und diese wiederum MAPK (mitogen-activated protein kinase).
 
 9: Aktivierte MAPK wandert in den Zellkern und phosphoryliert dort Transkriptionsfaktoren, beeinflusst also die Proteinsynthese

     Ras ist eine kleine GTPase (ein Mitglied der Ras Superfamilie), die in zahlreiche zelluläre Signalwege eingebunden ist und Zellen zur Proliferation anregt. Ras ist Produkt eines Proto-Onkogens (Proto-Onkogene sind physiologische Gene für Zellwachstum und Apoprosesteuerung, die bei Fehlsteuerung durch Mutation krebsartiges Wachstum begünstigen können).
  

Abbildung: Aktivierungs- / Inaktivierungszyklus von Ras G-Protein
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Ras ist ein monomeres G-Protein. An GDP (Guanosin-Diphosphat) gebunden ist es inaktiv, an GTP (Guanosin-Triphosphat) gebunden aktiv. Die Aktivierung erfolgt unter der Wirkung eines GTP-Austauschfaktors (GEF, guanine nucleotide exchange factor).
 
Intrinsische GTPase-Aktivität hydrolysiert - innerhalb von Sekunden - G-Protein-gebundenes GTP, ein Phosphat (Pi) wird dabei abdissoziiert, das G-Protein kehrt zur inaktiven Form zurück. Beschleunigt wird dieser Vorgang durch GTPase-aktivierende Proteine (GAP), welche die intrinsische GTPase-Aktivität des G-Proteins anregen

Der Ras/Raf-Weg vermittelt den Effekt zahlreicher Wachstumsfaktoren und Mitogene. Ras funktioniert als kleines G-Protein: Es vermittelt ein Signal von Grb (einem SH2-Domäne-Protein), aktiviertes Ras regt seinerseits Raf an, das erste einer Reihe von Serin / Threonin- Kinasen (Kinasen phosphorylieren ihre Zielproteine). Das letzte dieser Reihe ist die MAP-Kinase (die auch durch G-Proteine aktiviert werden kann). Die so ausgelöste MAP-Kinasen-Kaskade schließlich aktiviert über Transkriptionsfaktorem die Expression bestimmter Gene (was u.a. zu Mitosen führen kann).
 
     MAP-Kinase (MAPK, mitogen-activated protein kinase) ist eine Serin / Threonin-spezifische Proteinkinase. Sie ist an verschiedenen Reaktionen der Zelle auf Reize wie Hitzeeinfluss, osmotische Belastung, Mitogene, Wachstumsfaktoren, Zytokine, GPCR-Liganden (solche GPCRs können an MAP-Kinasen koppeln). Das MAP-Kinase-System reguliert eine breite Palette zellphysiologischer Schlüsselmechanismen, z.B. Überleben oder Apoptose, Genexpression, Wachstum, Teilung, Differenzierung der Zelle und Regeneration. MAP-Kinase beteiligt sich auch an der Regulation der Embryogenese.

Mindestens drei Kinasen sind in Serie durch Phorphorylierung eingeschaltet (Phosphorylierungskaskade). Aktivierte MAP-Kinase wandert in den Zellkern und aktiviert dort entsprechende Gengruppen (Transkription), deren Produkte daraufhin von der Zelle exprimiert werden.
 
Die Aktivierungsdauer eines bestimmten MAP-Kinase-Signalwegs hängt auch vom betreffenden Rezeptor ab, wie am Beispiel von Wachstumsfaktor-Rezeptoren gezeigt werden kann: So aktiviert der EGFR seinen Signalweg für nur wenige Minuten, der NGFR den seinen für mehrere Stunden.

Über den MAP/ERK-Pfad können Proteine von Rezeptoren in der Zellmembran Signale an DNA-Sequenzen übertragen (ERK = Extracellular signal-regulated kinase). Aktiviert wird der ERK-Mechanismus über Liganden, die den G-Proteinmechanismus aktivieren (Wachstumsfaktoren, Zytokine..), Virusinfekte, Carcinogene u.a.  Anschließend kommt es zu Phosphorylierungen in der Zelle (Ras → RAF-Kinase → MAPK/ERK-Kinase etc). Ziel dieser Kaskade ist die Steuerung des Zellzyklus (Mitose) bzw. die Beeinflussung der Transkription von DNA-Sequenzen und damit die Synthese von Proteinen.

  Eine andere Gruppe von Rezeptoren mit Enzymaktivität (wie Prolaktin und viele Zytokine, z.B. γ-Interferon) nutzen den JAK-STAT- Mechanismus ( s. dort).
 
Limitierung der Signalwirkung kinasegekoppelter Rezeptoren: Der Vorgang wird beendet durch
  Abbau des Signalproteins (extrazelluläre Proteasen),
  ligandeninduzierte Rezeptorendozytose gefolgt von lysosomalem Abbau,
  beschleunigte Inaktivierung von Ras,
  Dephosphorylierung von Zielproteinen durch Phosphoprotein-Phosphatasen.
 
Ionotrope Rezeptoren
 vgl. dort

Veränderte Durchlässigkeit von Membrankanälen ("Permeasen") und Ionenbewegungen (ionotrope Rezeptoren) → De- (Natriumeinstrom ) oder Hyperpolarisation (Kaliumausstrom), Ca++-Einstrom und entsprechende sekundäre Vorgänge.

Speziell hinter Kaliumkanälen steht eine große Gruppe von Genen, und sie werden durch unterschiedliche Faktoren beeinflusst:

      Intrazelluläre Ca++-Konzentration ([Ca++]-Anstieg öffnet calciumabhängige K+-Kanäle),

      Membranpotential (Depolarisation - insbesondere durch Natriumeinstrom - öffnet spannungsgesteuerte K+-Kanäle),

      Gβγ-Untereinheit (s. unten - öffnet K+-Kanäle; offene Kaliumkanäle bewirken Hyperpolarisation),

      Verhältnis ATP/ADP, oder

      mehrere davon kombiniert.

Die stärkere Öffnung von Kaliumkanälen bewirkt eine Repolarisierung (und allenfalls Wiedererregbarkeit) der Zelle. Das gilt auch für Chloridkanäle (Beispiele: GABAA-Rezeptor, Glyzinrezeptor): Je höher ihre Öffnungswahrscheinlichkeit, desto mehr Cl- strömt in die Zelle, was das Membranpotential erhöht (sofern das Cl--Gleichgewichtspotential nicht überschritten ist).
 

Abbildung: Intrazelluläre 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

G-Protein-gekoppelte ("metabotrope") Rezeptoren
  vgl. dort
G-Protein-gekoppelte ("metabotrope") Rezeptoren (G Protein Coupled Receptors, GPCRs) sind die umfangreichste Rezeptorgruppe in Zellmembranen. Sie benötigt für ihre Wirkung G-Proteine (guanine nucleotide-binding proteins), die so heißen, weil sie GDP / GTP gebunden haben. Dabei wechseln sie zwischen einer inaktiven (mit GDP gebunden) und einer aktiven Form (mit GTP gebunden) ( Abbildung). Faktoren, welche den Phosphorylierungsgrad des G-Proteins beeinflussen, können so die Signalkette in die Zelle ein- oder ausschalten.
  

Abbildung: Zyklus der Aktivierung / Inaktivierung trimerer G-Proteine
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Dieses G-Protein besteht aus drei Einheiten (α, β, γ - trimer). Gα bindet GDP oder GTP und interagiert mit (meist membranständigen) Effektorproteinen wie z.B. der Adenylylcyclase; die Gβγ-Einheit interagiert mit anderen Effektorproteinen der Signaltransduktion. Die Interaktion kann das jeweilige Zielprotein - und damit entsprechende Folgeaktivitäten - aktivieren oder inhibieren. Das Produkt dieser Enzymaktivitäten sind second messengers: Kleine Moleküle wie cAMP, cGMP, DAG, IP3, auch in das Zytoplasma freigesetzte Calciumionen.
 
In der inaktiven Form hat das G-Protein-Trimer ein Molekül Guanosin-Diphosphat (GDP) gebunden. Um aktiv zu werden, wechselt das G-Protein von GDP als Bindungspartner gegen GTP (Guanosin-Triphosphat). Dies erfolgt unter der Wirkung eines GTP-Austauschfaktors (GEF, guanine nucleotide exchange factor) - in diesem Fall ein GPCR-Rezeptor, der "seinen" Liganden (z.B. ein Hormon) gebunden hat. Ist das geschehen, dann dissoziiert die βγ-Untereinheit von der mit GTP gekoppelten α-Untereinheit - das G-Protein ist "eingeschaltet"

Die G-Protein-Untereinheiten α, β und γ existieren in verschiedenen Spielarten, was hunderte molekulare Kombinationen ergibt, die jeweils an verschiedene Rezeptoren und Effektoren binden: Rezeptoren interagieren mit unterschiedlichen Typen von G-Proteinen, wie
  Gs (stimulieren die Adenylylcyclase, steigern den cAMP-Spiegel in der Zelle),
  Gi (inhibieren die Adenylylcyclase, senken den cAMP-Spiegel in der Zelle),
  Gq (aktivieren Phospholipase C, erhöhen die Konzentration an DAG, IP3 und Ca++),
  Gt (Transducine, aktivieren die cGMP-Phosphodiesterase, senken den cGMP-Spiegel in der Zelle).
  Weitere Unterformen und Wirkungen sind bekannt.

Die Wirkung auf die Second-messenger-Produktion hängt vom jeweiligen Gleichgewicht fördernder (wie Gsα, Gq) und hemmender Einflüsse (wie Giα) auf beteiligte Enzyme ab.

  Einige Toxine können Gα-Untereinheiten durch ADP-Ribosylierung (Anfügen von ADP-Ribosen an ein Protein) modifizieren. Die Produktion des second messenger kann direkt oder indirekt angeheizt werden: So verhindert Choleratoxin die Inaktivierung von Gsα - die Folge ist Überproduktion von cAMP und Öffnung von Chloridkanälen in Darmschleimhautzellen, mit der Folge großen Wasser- und Elektrolytverlusts (Diarrhoe). Pertussistoxin andererseits verhindert die Aktivierung von Giα - die Hemmung der Adenylylcyclase entfällt, es wird ebenfalls mehr cAMP produziert; in diesem Fall steigt die Sekretion in den Luftwegen, was Keuchhusten verursacht.

GPCRs gehören zu einer Superfamilie GTP-bindender Proteine, u.a. "kleine", zu denen auch Ras gehört ( s. dort), weiters die Rho, Rab, Arf und Ran-Proteinfamilioen. Sie hydrolysieren GTP und wechseln zwischen aktivem (GTP gebunden) und inaktivem Zustand (GDP gebunden). Kleine GTP-bindende Proteine beteiligen sich an einer Fülle zellulärer Vorgänge; einige bleiben membranassoziiert (z.B. Ras), andere diffundieren in das Zytoplasma.

     G-Proteine sind molekulare Schalter, die inaktiv sind, wenn sie GDP gebunden haben, und aktiv, wenn sie GTP binden (Anlagerung an ein Zielmolekül verstärkt ihre GTPase-Aktivität). Werden sie durch Guaninnukleotid- Austauschfaktoren (GEFs, guanine nucleotide exchange factors) aktiviert, binden sie GTP.
Die Aktivierung von G-Proteinen ist ein wichiger Verstärkungsfaktor in der Signalkette: Ein einziger aktivierter Rezeptor kann mehrere G-Proteine "einschalten", und diese wiederum erreichen jeweils mehrere Zielmoleküle.

Hat ihre inhärente GTPase-Aktivität das GTP zu GDP hydrolysiert, dissoziiert die α-Untereinheit von ihrem Effektormolekül (Enzym, Ionenkanal) und vereint sich wieder mit einer βγ-Untereinheit (das Trimer ist inaktiv). Der GTP-Abbau erfolgt innerhalb von Sekunden, was die Wirkungsdauer begrenzt (Selbstlimitierung).

Die GTPase-Aktivität wird auch durch regulierende Proteine (RGS proteins: Regulators of G-protein signaling) verstärkt. Diese Proteinfamilie hat etwa 20 Mitglieder, die mit einer (hochkonservierten) Aminosäuresequenz so an Gα binden, dass seine GTPase-Aktivität zunimmt. So haben RGS mit der Begrenzung der second-messenger-Wirkung eine regulierende Funktion.
 
GPCR mit stimulierenden G-Proteinen: Ist der Rezeptor mit einem anregenden G-Protein gekoppelt (d.h. einem Protein mit einer Gsα-Einheit), wird die Adenylylcyclase angeregt, was Proteinkinase A einschaltet und zur Phosphorylierung / Aktivierung von Zielproteinen führt ( Abbildung):
 

Abbildung: Anlagerung eines Signalstoffes, der die cAMP-Konzentration in der Zelle steigert
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Die Gsα-Untereinheit stimuliert die Adenylylcyclase (AC), was zur Produktion von cAMP führt. Dieses aktiviert seinerseits Proteinkinase A, was zur Phosphorylierung verschiedener Zielproteine führt und so die Zellaktivität beeinflusst.
 
Das membranständige Enzym Phosphodiesterase (PDE) baut zyklisches (aktives) zu nichtzyklischem (inaktivem) AMP ab. Ihre Aktivität kann durch Coffein gehemmt werden, die Folge ist eine Erhöhung des intrazellulären cAMP-Spiegels.
 
cAMP-abhängige Proteinkinase A ist aus zwei regulatorischen (R) und zwei katalytischen (C) Einheiten aufgebaut, der Komplex gibt unter cAMP-Einfluss die katalytischen Einheiten ab, worauf diese Zielproteine phosphorylieren / aktivieren

GPCRs können - unabhängig von second messenger-Mechanismen - auch Ionenkanäle als direkte Ziele beeinflussen. Dies erfolgt über die βγ-Untereinheiten von Gi- und Go-Proteinen und scheint ein allgemeiner Mechanismus zur Steuerung von K+- und Ca++-Kanälen zu sein. Auf diese Weise erhöhen z.B. muskarinische Acetylcholinrezeptoren die Kaliumleitfähigkeit im Herzmuskel und dämpfen dadurch dessen elektrische Aktivität (negative Chronotropie).
 
Einige GPCRs - die an G12/13-Proteine koppeln - können des Rho/Rho-Kinase- System aktivieren:
 
     Rho ist eine Gruppe von GTPasen (Rho-Kinasen). Sind sie - durch Austausch von GDP gegen GTP - "eingeschaltet", aktivieren sie eine Vielzahl von Zielproteinen. Dadurch sind sie in die Steuerung mehrerer zellulärer Aktivitäten involviert (Zellmigration, Bewegung, Kontraktion, Umbau von Synapsen, Gefäßneubildung..).
 
Das MAP Kinase-System kann ebenfalls durch GPCR-Mechanismen aktiviert werden.

GPCR mit inhibitorischen G-Proteinen: Ist der Rezeptor mit einem inhibitorischen G-Protein gekoppelt (d.h. einem Protein mit einer Giα-Einheit), wird die Adenylylcyclase nicht angeregt, sondern gehemmt ( Abbildung):
 

Abbildung: Anlagerung eines Signalstoffes, der die cAMP-Konzentration in der Zelle senkt
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Die aktivierte Giα-Untereinheit hemmt die Aktivität der Adenylylcyclase (AC), [cAMP] in der Zelle sinkt, Proteinkinase A wird nicht aktiviert. Die Phosphodiesterase (PDE) findet weniger cAMP zum Abbau.
 
Über diesen Mechanismus wirken α2-Adrenozeptoren (s. dort) u.a. an Blutgefäßen (Vasodilatation), Thrombozyten (Aggregation), Inselzellen im Pankreas (Steigerung der Glukagonsekretion, Senkung der Insulinfreisetzung, Hebung des Blutzuckerspiegels), Nervenzellen (präsynaptische Inhibition der Noradrenalinfreisetzung)

Die Aktivierung / Inaktivierung membranständiger Enzyme bewirkt direkte intrazelluläre Auswirkungen bzw. über G-Proteine erhöhte / gehemmte Bildung von second messengers, wie
 
     cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) - durch Aktivität der Adenylylcyclase, die aus ATP cAMP abspaltet. cAMP aktiviert Proteinkinase A (und damit zahlreiche Sekundärreaktionen der Zelle) sowie cAMP-abhängige Ionenkanäle, die u.a. bei Riech- und Sehvorgängen eine Rolle spielen;

     IP3 (Inositoltriphosphat) und DAG (Diacylglycerin) - durch Aktivität der Phospholipase C (Phosphoinositid-Phospholipase C), die  Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) zu Inositoltrisphosphat (IP3) und Diacylglycerol (DAG) hydrolysiert.

Bei längerer Einwirkung von Agonisten auf "ihre" GPCRs können diese ihre Wirkung verlieren (adaptieren) und durch vorübergehende Internalisierung aus dem Spiel gebracht werden (Herunterregulierung, downregulation), wobei Arrestine eine Schlüsselrolle spielen:
  

Abbildung: Desensitierung, Internalisierung, Recycling von GPC-Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. 2020
Bei längerer Aktivierung der Rezeptoren durch einen angelagerten Signalstoff (Agonist) können GPCR-Kinasen (GRK) die Wirkung der G-Proteine durch Anlagerung von Phosphatresten (P) unterbrechen. Dadurch verlieren die GPCRs ihre Aktivität - sie adaptieren.
 
Die Phosphorylierung durch GRK bereitet den Rezeptor für eine Bindung von Arrestinen (ARR) - eine kleine Familie von Proteinen - vor. Bei der anschließenden Endozytose spielt u.a. die GTPase Dynamin (Dyn) eine Rolle (es beteiligt sich an der Schließung der Membranlücke über dem entstehenden Endosom).
 
Der internalisierte Rezeptor wird anschließend wieder dephosphoryliert (PP2A: Phosphatase 2A) und in die Zellmembran zurücktransportiert, wo er wieder als Bindungspartner für Agonisten (oder Antagonisten) zur Verfügung steht

Arrestine (Arr) sind eine Familie von Proteinen, die nach Phosphorylierung - und damit Inaktivierung - von GPCRs (G Protein- gekoppelten Rezeptoren) durch selektive Kinasen (GRKs: GPC-Rezeptor-Kinasen) den Rezeptor an Endozytosevesikel Dynamin-abhängig binden (coated vesicles, vgl. dort). Anschließend koppelt Arrestin vom Rezeptor wieder ab, dieser wird dephosphoryliert, gelangt in die Außenmembran zurück (Recycling) und ist wieder für neue Bindung eines Signalstoffs (z.B. Hormon, Transmitter) verfügbar ( Abbildung).
 
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.

Zahlreiche weitere Mechanismen im Bereich der GPCRs wurden nachgewiesen, wie die Oligomerisierung der Rezeptoren (Bildung von - homomeren (gleiches Molekül) oder heteromeren (verschiedene Moleküle) - Komplexen, wie z.B. bei Glutmat- oder Opioidrezeptoren; konstitutive - also spontane, reizunabhängige - Aktivität, z.B. von Histamin- oder Opioidrezeptoren; Wirkung modifizierender Proteine (RAMPs: receptor activity-modifying proteins), z.B. bei CGRP (calcitonin gene-retated peptide); oder auch G-Protein unabhängige Signalübertragung.
Die wichtigsten GPCR-Signalwege stimulieren (Gs) oder hemmen (Gi) die Aktivität der Adenylylcyclase und damit die Produktion von cAMP, oder sie aktivieren (Gt) die cGMP-Phosphodiesterase und senken damit die Konzentration von cGMP in der Zelle.
  Enzyme, welche zyklische Nukleotide aufspalten (z.B. cAMP- oder cGMP- Phosphodiesterasen), reduzieren die Konzentration des entsprechenden "zweiten Botenstoffs" (cAMP, cGMP). Solche Enzyme werden durch zahlreiche - natürlich vorkommende oder pharmazeutische - Substanzen gehemmt, was die Wirkung des second messenger verstärkt (er wird weniger stark abgebaut). Beispiele: Coffein hemmt Phosphodiesterasen und steigert [cAMP] (Abbildung); das erektionsfördernde Sildenafil hemmt Typ 5-cGMP Phosphodiesterase und erhöht [cGMP].

Der Weg über zyklische Nukleotide
   
cAMP    cGMP
Sehr häufig nutzen GPCRs Adenylylcyclase (Adenylatzyklase) als Substrat ihrer Aktivierung; dabei wird ATP dephosphoryliert und cAMP freigesetzt.. Die Signalkaskade des cAMP-Wegs hat folgende Struktur ( Abbildung):
 
Abbildung: Adenylylcyclase-cAMP-Weg
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Bindung (extrazellulär) des Signalmoleküls an den Rezeptor führt (intrazellulär) über einen Gs-Protein-Mechanismus zur Bildung zahlreicher cAMP-Moleküle (second messenger). Diese aktivieren Proteinkinase, welche Zielproteine phosphoryliert und dadurch aktiviert. Bei jeder Stufe wird die Zahl der beteiligten Moleküle erhöht (Multiplikationseffekt)

    Signalstoff (Hormon, der "first messenger") bindet an extrazelluläre Bindungsdomäne des Rezeptormoleküls, dieses ändert daraufhin seine Konformation
 
    Dies aktiviert anliegendes G-Protein, GDP wird durch GTP ersetzt
 
    Das aktivierte G-Protein reagiert mit der intrazellulär liegenden Adenylylcyclase (AC), die aus ATP cAMP bildet - Gs stimuliert, Gi hemmt die AC
 
    cAMP (der second messenger) aktiviert eine Proteinkinase A (PKA) im Zytosol
 
    Die PKA phosphorlyiert Zielproteine, die dann die Hormonwirkungen vermitteln.
 
     Die Proteinkinase A (PKA) phosphoryliert Zielproteine in der Zelle, vor allem Enzyme ("molekularer Schalter", der eine rasche Aktivierung / Inaktivierung von Stoffwechselschritten erlaubt). Manche Enzyme sind in dephosphorylierter Form aktiv (z.B. solche der Glykolyse), andere in phosphorylierter Form (z.B. Enzyme der Gluconeogenese). Gegenspieler der PKA sind Phosphatasen, diese entfernen Phorphat von ihren Zielproteinen.

cAMP-abhängige Proteinkinase A (PKA in der Abbildung) erleichtert die Phosphorylierung (Übertragung eines Phosphats von ATP) auf Serin- oder Threoningruppen von Zielproteinen (z.B. Rezeptoren, Ionenkanälen, Signalproteinen, Enzymen) und wirkt sich so auf deren Aktivität oder Lokalisierung aus. Ihre Konzentration wird von der Zelle über cAMP sehr genau reguliert.
 

 Abbildung: cAMP-abhängige Proteinkinase A
Dieses Enzym besteht aus zwei regulatorischen (R) und zwei katalytischen (C) Einheiten. In der Ausgangsform hat der Komplex geringe Aktivität. Bindet cAMP an die regulatorischen Einheiten, nimmt deren Affinität zu den katalytischen Einheiten ab, und diese dissoziieren vom Molekülkomplex.
 
Die katalytischen Einheiten diffundieren zu Zielptoteinen, die sie anschließend (durch Übertragung eines Phosphats aus ATP) aktivieren - zum Teil auch im Zellkern, wo sie transkriptionsaktivierend wirken können

PKA besteht aus regulatorischen und katalytischen (PKAc) Untereinheiten; durch Anlagerung von cAMP-Molekülen an die regulatorischen Einheiten dissoziieren die katalytischen vom Molekül ab, werden dadurch aktiv und diffundieren frei durch die Zelle, wo sie z.B. in die Steuerung des Energiestoffwechsels eingreifen oder Ionenkanäle an Synapsen regulieren.

Die meisten Zellen haben dieselbe katalytische Untereinheit; verschiedene Zelltypen nutzen hingegen unterschiedliche regulatorische Untereinheiten. Die PKA-Aktivität wird auch durch Verlagerung zu bestimmten zellulären Kompartimenten gesteuert; dazu gibt es ein Verankerungsprotein (AKAP: A-kinase anchoring protein), das seinerseits an bestimmte Filamente des Zytoskeletts oder an Zellorganellen bindet.
 
    Das dynamische Gleichgewicht der Aktivitäten von Kinasen (bilden z.B. cAMP) und Phosphatasen (dephosphorylieren und inaktivieren damit PKA-aktivierte Proteine) hat einen wichtigen Einfluss auf die Konzentration aktiver Signalstoffe in der Zelle. Phosphatasen können ihrerseits durch Phosphatase-Inhibitoren ausgeschaltet werden.
 
  Adenylylcyclase kann die [cAMP] in der Zelle innerhalb weniger Sekunden um ein Mehrfaches erhöhen.
 
  cAMP wird durch Phosphodiesterase abgebaut; diese kann z.B. durch Koffein oder Theophyllin gehemmt werden (dadurch verlängert sich die Anwesenheit des cAMP und die Hormonwirkung).

cAMP wirkt sehr oft durch Erhöhung der PKA-Aktivität (cAMP-abhängige PKA wird auch als PKAc bezeichnet). PKAc phosphoryliert zahlreiche Proteine an ihren Serin- oder Threoninresten, unter anderem Transkriptionsfaktoren wie CREB (cAMP response element-binding proteins).

     Ein  response element  ist eine kurze DNA-Strecke, die in zahlreichen Promotern (DNA-Abschnitten, an die Proteine binden, um eine Transkription zu starten) und Enhancern (DNA-Abschnitten, an die Aktivatorproteine binden, um die Wahrscheinlichkeit eines Transkription zu erhöhen) enthalten ist. Die Kopplung von response elements regt dann Transkription der entsprechenden DNA-Sequenz (mRNA-Synthese) an. Bei CREB wirkt der Mechanismus über einen Koaktivator (CREB-binding protein).

 cAMP wirkt weiters an Epac-Proteinen (exchange protein activated by cAMP); diese wirken als Guaninnukleotid-Austauschfaktoren (GEFs, s. oben) und beeinflussen u.a. Adhäsion der Zelle an extrazellulärer Matrix, 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.
 
Zahlreiche Hormone nutzen den Adenylylcyclase-cAMP-Weg:

       ACTH (Hormon des Hypophysenlappens, das die Nebennierenrinde steuert - daher adreno-cortico-tropes Hormon)

      Angiotensin II an Epithelzellen - im Gegensatz zum vaskulären Angriffspunkt, dessen Transformation über den Inositolphosphatweg funktioniert (s. unten)

      CRH (Kortikoliberin, ein Liberin, d.h. hypothalamisches Hormon, das die ACTH-Freisetzung beeinflusst - corticotropin releasing hormone)

      FSH ("Follikel-stimulierendes Hormon", Follitropin), ein Gonadotropin des Hypophysenvorderlappens)

      Glukagon, ein Peptid, das u.a. in der Bauchspeicheldrüse gebildet wird

      HCG: Chorion-Gonadotropin (Human chorionic gonadotropin), ein Peptidkormon aus dem Syncytiotrophoblasten, das ähnliche Wirkung wie LH hat und auf den LHCG-Rezeptor wirkt

      Calcitonin senkt den Calciumspiegel. Es ist ein aus den Epithelkörperchen stammendes Peptidhormon

      Katecholamine (α2-, ß-Rezeptoren) stehen im Zentrum der sympathischen Übertragung im peripheren Nervensystem und spielen auch im Gehirn eine zentrale Rolle

      LH (luteinisierendes Hormon, Lutropin) ist ein Glykoprotein, das an der Steuerung der Fortpflanzung beteiligt ist; bei der Frau fördert es Eisprung und Gelbkörperbildung, beim Mann wird es Interstitial cell stimulating hormone (ICSH) genannt

      Parathormon wird bei Absinken des Calciumspiegels rasch von Epithelkörperchenzellen in die Blutbahn freigesetzt und verhindert so Hypocalcämie

      Sekretin ist ein Mitglied der Gukagon-Hormonfamilie, es regt die Bauchspeicheldrüse zur Sekretion bicarbonathaltigen (basischen) Sekrets an und hemmt die Produktion der Magensäure

      Somatoliberin (GHRH: Growth hormone releasing hormone) besteht aus 40 Aminosäuren und regt die Bildung und Freisetzung des Wachstumshormons an

      Somatostatin (GHIH: Growth hormone inhibiting hormone) hat sowohl im endokrinen wie auch im Nervensystem regulierende Aufgaben; gebildet wird es von δ-Zellen des Pankreas, einzelnen Zellen des Gastrointestinaltrakts sowie des Hypothalamus

      TSH (Thyreoidea-stimulierendes Hormon, Thyreotropin) regt in der Schilddrüse die Sekretion von Thyroxin (T4) und Triiodthyronin (T3) an

      Vasopressin bewirkt an Nierentubuli über V2-Rezeptoren die Rückresorption von Wasser aus dem extratubulären Kompartiment. Dieser Mechanismus benützt cAMP
 
Diversität: Verschiedene Zellen verfügen über verschiedene G-Proteine, die nach ihren Untereinheiten in entsprechende Klassen eingeteilt werden und die wiederum verschiedene Effektoren beeinflussen können.

G-Proteine regulieren so verschiedenste zelluläre Funktionen: Erregbarkeit der Zelle (z.B. durch Aktivierung von Kalium-Kanälen), Transmitterfreisetzung, Hyperpolarisierung (Sehvorgang), Depolarisierung (Riechen), Kontraktion und Bewegung, Sekretion von Signalstoffen, usw.

Beispielsweise wird die Adenylylcyclase ubiquitär durch Gαs angeregt (s = stimulierend), durch Gαi gehemmt (i = inhibierend); Gαolf  stimuliert die Adenylylcyclase im Riechepithel.
 
cGMP: Einige Rezeptoren stimulieren auch die Synthese von zyklischem Guanosin-Monophosphat (cGMP). Besonders zu erwähnen sind hier die Rezeptoren für natriuretische Peptide (ANP, BNP, CNP) - diese regen membranständige Guanylatzyklase an.

Stickstoffmonoxid (NO) aktiviert lösliche Guanylatzyklase. Das entstandene cGMP stimuliert dann cGMP-abhängige Proteinkinasen (PKG), Ionenkanäle und Phosphodiesterasen - diese bauen cAMP ab.
 
Abbildung: Das retinale G-Protein Transducin aktiviert eine Phosphodiesterase
Nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Wenn Licht auf ein Rhodopsinmolekül trifft, entsteht All-trans-Retinal. Dieses aktiviert Transducin, und dessen abdissoziierte (GTP-hältige) α-Untereinheit aktiviert Phosphodiesterase E (PDE).
 
Das führt zum Abbau von cGMP und dadurch zum Schließen cGMP-abhängiger Ionenkanäle. Die Folge ist eine Hyperpolarisierung des Sinnesrezeptors und herabgesetzter Freisetzung des Photorezeptor-Transmitters Glutamat

G-Proteine können auch über Enzyme wirken, die zyklische Nukleotide abbauen. So aktiviert das G-Protein Transducin - mit seiner Gαt-Untereinheit - cGMP-Phosphodiesterase in der Netzhaut, was aus cGMP GMP macht ( Abbildung).
 
In diesem Fall (Sinneszelle in der Netzhaut des Auges) ist es nicht ein Molekül, sondern es sind Photonen, die den Rezeptor anregen; und der Reiz löst eine Hyperpolarisierung (nicht Depolarisierung) der Zelle aus, was die intrazelluläre Calciumkonzentraion absenkt und die Freisetzung des Signalstoffes Glutamat herabsetzt. Diese Antwort erfolgt in Sekundenbruchteilen.
Mehr dazu s. dort
 
Der Phospholipase-DAG-IP3-Weg
 
G-Proteine können sich auch an Phospholipasen koppeln. Phosphatidylinositol (PI) in der Zellmembran wird durch Einwirkung von Enzymen zu Phosphoinositiden (PIPs) wie z.B. z.B. IP3. Je nach der Stelle, an der Phospholipidmoleküle gespalten werden, unterscheidet man u.a. Phospholipasen A und C ( Abbildung: ).
 

 Abbildung: Wirkung von Phospholipasen auf Phosphatidylinositol (PI)
Nach Lolicato F, Nickel W, Haucke V, Ebner M. Phosphoinositide switches in cell physiology - From molecular mechanisms to disease. J Biol Chem 2024; 300: 105757
Gezeigt ist, an welchen Stellen des PI-Moleküls die Phospholipasen A1, A2 und C angreifen

 Phospholipase C (PLC) spaltet Phosphatidylinositol-4,5-Biphosphat (PIP2) zu
Diacylglycerol (DAG), das stark lipophil ist, membranassoziiert bleibt und Proteinkinase C (PKC) - die an zahlreichen Zielproteinen wirkt (Transkriptionsfaktoren, Enzyme, Rezeptoren, Ionenkanäle, Zytoskelett) - aktiviert (der DAG-PKC-Mechanismus kommandiert eine ganze Armada von Kontrollmolekülen); und
Inositol-1,4,5-Triphosphat (IP3), das wasserlöslich ist und in das Zytoplasma diffundiert und an spezifischen IP3-Rezeptoren - das sind (wie Ryanodinrezeptoren) ligandengesteuerte Calciumkanäle in der Membran des endoplasmatischen Retikulums - wirkt.

PLC kommt in Form dreier Proteinfamilien vor, die sich in Exprimierung (je nach Zelltyp), enzymatischen Eigenschaften und Aktivierungsmodus unterscheiden: PLCα, PLCβ (oft aktiviert durch Gq-Protein, steigert [IP3]) und PLCγ (oft aktiviert durch Tyrosinkinasen).

Die Signalkaskade des DAG-IP3-Wegs hat folgende Struktur ( Abbildung):
 

 Abbildung: DAG-IP3-Weg
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Bindung eines Signalmoleküls an den GPCR-Rezeptor führt zu Aktivierung von Gqα. Diese Untereinheit aktiviert (alle Formen der) Phospholipase C (PLC). PLC spaltet PIP2 (Phosphatidylinositol- Biphosphat) in IP3 (Inositol- Triphosphat) und DAG (Diacylglycerol). DAG aktiviert Proteinkinase C (PKC), Zielproteine werden phosphoryliert. Bei jeder Stufe wird die Zahl der beteiligten Moleküle erhöht (Multiplikationseffekt).
 
IP3 bewirkt die Freisetzung von Calciumionen aus dem endoplasmatischen Retikulum in das Zytoplasma. Dies bringt zytoplasmatische Proteinkinase C (PKC)-Moleküle dazu, sich in die Zellmembran einzulagern; hier werden sie durch DAG aktiviert und phosphorylieren Zielproteine in der Zelle.
 
Calciumionen binden auch an das zytoplasmatische Protein Calmodulin. Der entstandene Komplex aktiviert zahlreiche Proteine, darunter Ca++-Calmodulin-abhängige (CaM)-Kinasen (diese phosphorylieren Zielproteine), Ionenkanäle, Phosphatasen, Proteine des Zytoskeletts, Myosin-Leichkettenkinase (MLC-Kinase, sie bringt glatte Muskelzellen zur Kontraktion)

    Ein Signalstoff koppelt an die extrazelluläre Bindungsdomäne des Rezeptormoleküls, dieses ändert seine Konformation
 
    GDP wird gegen GTP getauscht, das G-Protein aktiviert, die abdissoziierte qα-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. Diese führen zur Translokation von PKC in die Zellmembran, wo sie durch DAG aktiviert wird. In Muskelzellen aktiviert Ca++ eine Calmodulin-abhängige Kinase (CAMK): Bindet das zytoplasmatische Calmodulin Ca++-Ionen, ändert es seine Konfiguration, lagert inaktive Kinase an und aktiviert sie dadurch
 
    Beide - PKC und CAMK - phosphorylieren Zielproteine, was die Hormonwirkung (teilweise über veränderte Genexpressionen) mediiert.
 
Den DAG-IP3-Weg nutzen ebenfalls zahlreiche Hormone:

      Angiotensin II an Gefäßen nützt diesen Weg zur Auslösung einer Vasokonstriktion

      GnRH (Gonadoliberin) wird wie die meisten Vorderlappenhormone pulsatil ins Blut freigesetzt. Es stimuliert über GnRH-Rezeptoren die LH- und FSH-Freisetzung in der Adenohypophyse

      Katecholamine nutzen außer dem cAMP- (s.oben) auch den PL-DAG-IP3-Weg

      Oxytozin steuert Verhalten und Gefühle, und unterstützt im Rahmen des Geburtsvorganges über Anregung der Uterus-Myometriumzellen die Wehentätigkeit
 
      TRH (Thyreoliberin) besteht aus nur 3 Aminosäuren; es wirkt über einen speziellen Rezeptor anregend auf die TSH-Ausschüttung in der Adenohypophyse

      Vasopressin (antidiuretisches Hormon, ADH, Adiuretin) wirkt an Gefäßen über den V1-Rezeptor vasokonstriktorisch; dieser Mechanismus nützt den PC-IP3-Weg (im Gegensatz zur cAMP-vermittelten Wasserrückresorption in den Niere)

      Hormone der Gastrin-Familie
 
Die folgende Abbildung fasst Wirkungen von G-Proteinen und second messengers auf zelluläre Funktionen zusammen:
 

Abbildung: Kontrolle zellulärer Effektorsysteme
Nach einer Vorlage in Ritter / Flower / Henderson / Loke / MacEwan / Rang, Rang & Dale's Pharmacology, 9th ed. Elsevier 2020
GPCRs wirken in Kombination mit G-Proteinen. Diese können die Aktivität von Zielenzymen (Guanylatzyklase, Adenylylcyclase, Phospholipase C) und damit die Synthese von "zweiten Botenstoffen" wie cGMP, cAMP, IP3 und DAG steuern. DAG seinerseits beeinflusst die Umsetzung von Membranlipiden (AA: Arachidonsäure) zu Eikosanoiden (die als lokale Wirkstoffe in ihre Umgebung freigesetzt werden können). Statt G-Proteinen können auch Arrestine die Kopplung zu zellulären Folgereaktionen übernehmen.
 
Second messengers wirken auf Enzyme, welche die Aktivität von Zielproteinen beeinflussen (Proteinkinasen). Auf diese Weise können Transportsysteme, Enzymaktivitäten, der Kontraktionszustand der Zelle sowie die Öffnungswahrscheinlichkeit zahlreicher Ionenkanäle gesteuert werden.
  
Die Mehrgliedrigkeit dieser Systeme erlaubt eine multiple Einflussnahme zur Steuerung, Rückkopplung und Feinregulierung. Eine wesentliche Eigenschaft dieser intrazellulären Signalketten ist weiters der Verstärkungsfaktor: Nur wenige Rezeptoren müssen aktiviert werden, um eine molekulare Multiplikation des Wirkeffekts zu erzielen
Intrazelluläre Rezeptoren
vgl. dort
 
Intrazelluläre Rezeptoren ( Abbildung) sind modulär aufgebaute Moleküle, die aus mehreren Teilen bestehen:
 
     Einem Teil (ligand binding region), der Signalstoff (Hormon, sekundären Botenstoff, Cofaktoren) bindet

     Eine Zinkfingerdomäne (DNA binding domain), die kurze DNA-Sequenzen (hormone resoponse elements) erkennt, an sie bindet und die Ablesung des regulierten Gens beeinflusst
 
     Zinkfingerproteine enthalten "Zinkfingerdomänen" mit einem oder mehreren Zinkatomen, welche die besondere räumliche Anordnung dieser Peptidstrukturen stabilisieren. Es gibt zahlreiche Zinkfingermotive mit unterschiedlicher räumlicher Struktur, was sie befähigt, bestimmte molekulare Muster (an DNA, RNA, Proteinen u.a.) zu erkennen und zu binden.

     Einem Teil, der die Transkription reguliert.
 

 Abbildung: Beispiele für die Wirkungsweise nukleärer Rezeptoren
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 DNA. Durch die Bindung wird die Proteinsynthese freigegeben.
 
Wachstumsfaktoren und die große Gruppe G-Protein-aktivierender Hormone, Transmitter und Zytokine binden an Rezeptoren an der Zellmembran - intrazelluläre Folgeaktivierungen finden an MAPK (mitogen-activated protein kinase) und PKA (Proteinkinase A; cAMP-abhängig) statt.
 
Steroidhormone dringen durch die Zellmembran und verdrängen den Hitzeschockproteinkomplex von der Bindung an den Steroidrezeptor

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

Diese Rezeptoren binden Steroide (Androgene, Östrogene, Progesteron, Corticoide), Schilddrüsenhormone, Vitamin D und andere. Um wirksam zu werden, müssen sie Rezeptoren gleichzeitig ihren Liganden, das entsprechende hormone resoponse element und auch Koregulatoren (Aktivatoren und/oder Repressoren) binden, um ihre Zielgene zu erreichen. Koaktivatoren rekrutieren Enzyme an den Transkriptionskomplex, die das Chromatin transkriptionsgerecht herrichten (Histon-Acetylasen "entfalten" das Chromatin). Umgekehrt hemmen Korepressoren (z.B. über Histon-Deacetylasen) den DNA-Ablesungvorgang.

Nukleäre Rezeptoren wirken auf bzw. als Transkriptionsfaktoren und können eine Vielzahl verschiedener Gene beeinflussen; dadurch sind die in der Lage, ganze metabolische Programme zu steuern.
 
Dynamik der Signaltransduktion: Crosstalk und Desensitisierung
 
Crosstalk zwischen Signalkaskaden. Die Signalwege in der Zelle können sich kreuzen und interagieren: So konvergieren die von verschiedenen Rezeptortypen angestoßenen Faktoren auf identische Ziele in der Zelle (wobei verschiedene Zellen über unterschiedliche Isoenzyme der Signalkaskaden verfügen). Beispielsweise wird Phospholipase C sowohl über heptahelikale ("metabotrope") Rezeptoren als auch über Rezeptor-Tyrosinkinasen reguliert - das heißt, unterschiedliche Rezeptortypen wirken über idente Signalkaskaden. Offenbar haben sich im Laufe der Evolution bestimmte Variationen eines beschränkten Sets einzelner Themen als jeweils optimal erwiesen.

Variabilität: Wie stark sich ein bestimmtes exogenes Signal bemerkbar macht, hängt von der Gesamtsituation ab, in der sich eine Zelle gerade befindet: Zu jedem konkreten Zeitpunkt wirken verschiedene Signale auf sie ein, die unterschiedliche Rezeptoren und Folgemechanismen involviert. Außerdem kann sich die Zelle in einem anderen Zustand befinden als zu einem Vergleichszeitpunkt; Stoffkonzentrationen, Membranpotential, Transkriptionsstatus u.a. ändern sich ständig.

Komplexität: Keine Nachricht aus dem Extrazellulärraum steht für sich allein, vielmehr muß eine Vielzahl gleichzeitig einwirkender Rezeptorsignale zu einer sinnvollen Gesamtfunktion der Zelle integriert werden. Die dabei aktivierten Signalwege in der Zelle können sich gegenseitig verstärken oder auch abschwächen, das Ergebnis sind komplexe Wirkmuster, deren Effekte nicht ohne weiteres exakt vorausberechnet werden können (Heraklit hätte seine Freude damit).

Desensitisierung: Heptahelikale Rezeptoren werden nach längerer Aktivierung unempfindlich (Adaptation), was durch mehrere Mechanismen bedingt ist. Dabei gibt es rasche und langsame Anpassungsvorgänge:
      Im Sekunden- bis Minutenbereich greifen Modifikationen am Rezeptormolekül, welche seine Affinität für den jeweiligen Signalstoff ändern (Phosphorylierung, Bindung von Arrestin, intrazelluläre Sequestrierung)

      Herunterregulierung der Rezeptorzahl und Beeinflussung der Proteinsynthese (Transkription, Translation) beansprucht Stunden bis Tage.

Der Sinn dieser Empfindlichkeitsanpassung liegt in der Angleichung der Ansprechbarkeit der zellulären Signalumsetzung an den jeweiligen Bedarf des Gesamtorganismus.
 
Verfügbare Rezeptorzahl
Hormonwirkungen schwächen sich oft bei längerdauernder Stimulation von Zielgewebe ab (Desensitivierung). Zwei hauptsächliche Mechanismen können diese abnehmende Empfindlichkeit der Zelle gegenüber Liganden, die an den Rezeptor binden, bewirken ( Abbildung):
    Phosphorylierung der Rezeptoren (durch PKA, PKC, spezifische GPCR-Kinasen). Dadurch lagern sich Arrestine an den Rezeptor, was ihre Interaktion mit G-Proteinen blockiert. Arrestine bewirken auch
    Verlagerung von Rezeptormolekülen von der Oberfläche in die Tiefe der Zelle (Clustering, coated pit-Bildung, Endozytose), wo sie vom Transmitter nicht mehr erreicht werden kann (receptor downregulation).
 

Abbildung: Empfindlichkeitsanpassung der Zelle durch Herunter- bzw. Hinaufregulierung von Rezeptoren
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. Wird der endozytierte Rezeptor in Lysosomen abgebaut, ist er inaktiviert. Wird er wieder dephosphoryliert und in die Außenmembran rückgeführt, ist er wieder funktionsfähig (resensitiviert).
 
AP2, ß2-Adaptin, Eiweiß, das die Bildung von Clathrin-ausgestatteten Einsenkungen (clathrin-coated pits) durch Interaktion mit Membranrezeptoren bewirkt    Arrestine (blau) schwächen die Signalwirkung an Rezeptoren ab    Clathrin bewirkt die endozytotische Einstülpung der Zellmembran    Dynamine sind für die Endozytose benötigte GTPasen    GRK, G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase
 
      Als Arrestine (Arr) bezeichnet man Proteine, welche sich an Desensitierung, Sequestrierung und intrazellulärem Transport von GPCRs beteiligen. Man unterscheidet mehrere Subtypen, die als Arr-1, Arr-2 (auch ß-Arrestin, Abbildung), Arr-3 und Arr-4 bezeichnet werden. Sie werden in Geweben unterschiedlich exprimiert.

Je nach Art des involvierten Signaltransduktionsweges stellt sich der Mechanismus verschieden dar. Beispielsweise kann nach Bindung von Hormonmolekülen Endozytose und lysosomaler Abbau eingeleitet werden (wie durch Proteine, die als Arrestine bezeichnet werden - diese dämpfen die Signalübertragung über G-Proteine und reduzieren so die Wirkung von Hormonen, Neurotransmittern oder sensorischen Reizen).

Weiters können RGS-Proteine (Regulators of G protein signaling) α-Untereinheiten des G-Proteins inaktivieren, indem sie den hydrolytischen Zerfall von GTP beschleunigen. Schließlich kann auch auf der Ebene des second messenger selbst reguliert werden, wie durch Abbau von cAMP durch eine Phosphodiesterase.

Phosphodiesterasen (PDE) sind zelleigene Enzyme, die second messenger (cAMP, cGMP) zu AMP / GMP abbauen. Es gibt mehrere PDE-Isoenzyme mit unterschiedlicher Gewebeverteilung und unterschiedlichem Wirkungsprofil. Beispielsweise wirken Phosphodiesterase-Isoenzyme vom Typ 5 (PDE5) cGMP-spezifisch auf Gefäßwände in der Lunge und im Penis (corpora cavernosa / spongiosa).
 
  Unterschiedliche PDE-Isoenzyme können durch Pharmaka z.T. spezifisch beeinflusst werden. So bewirken PDE5-Hemmer (Beispiel Sildenafil: Viagra) Vasodilatation in Lungenkreislauf und Genitalien.
 
Variierende Ansprechbarkeit der Zielzellen: Die Empfindlichkeit einer Zelle gegenüber extrazellulären Informationsmolekülen kann z.B. durch folgende Faktoren variieren:

     Zahl verfügbarer Rezeptormoleküle (upregulation: Erhöhung durch Verlagerung in die Außenmembran; downregulation: Erniedrigung durch Endozytose, s. Abbildung)

     Interaktion mit anderen Molekülen (Agonisten - Verstärkung, Antagonisten - kompetitive Hemmung)

     Veränderte Signalverstärkung
 

 
      Enzymrezeptoren phosphorylieren Effektorproteine, z.B. die MAP-Kinase (Embryogenese, Zelldifferenzierung, Zellwachstum, Mitose, Apoptose). Mindestens drei Kinasen wirken in Serie (Phosphorylierungskaskade), aktivierte MAP-Kinase aktiviert Genexpression. Die Aktivierungsdauer hängt u.a. von den Rezeptoren ab; einige nutzen den JAK-STAT-Mechanismus (Zugriff auf Transkription)
 
      Ionotrope Rezeptoren verändern die Durchlässigkeit von Membrankanälen. So bewirkt höhere Öffnungswahrscheinlichkeit von Kaliumkanälen Re- und Hyperpolarisierung der Zelle; Ca++-Einstrom hat vielfache Wirkung (Verformung, Bewegung, intrazellulärer Transport, Gedächtnis, Immunantworten)
 
      Metabotrope Rezeptoren sind heptahelikal aufgebaut und wirken über G-Proteine (GPCRs): Gs (stimulierend), Gi (inhibierend), Gq und andere. Ihre Untereinheiten (α, β, γ) sind am nicht aktivierten Rezeptor angelagert. Wird dieser aktiviert, bindet die α-Untereinheit GTP, die β- und γ-Untereinheit dissoziieren und aktivieren membranständige Effektoren. Solange die Dissoziation anhält, ist der Signalweg eingeschaltet (Multiplikation des molekularen Effekts). Gsα stimuliert Adenylylcyclase (→ cAMP → Proteinkinase A), Giα hemmt sie, Gqα aktiviert Phospholipase C → IP3, DAG. Proteinkinase A besteht aus regulatorischen und katalytischen (PKAc) Untereinheiten. PKAc phosphoryliert u.a. Transkriptionsfaktoren wie CREB, dieses bindet an eine DNA-Strecke (cAMP response element), die in zahlreichen Promotern enthalten ist, das regt die Transkription an. Typ III- Rezeptoren werden nach längerer Aktivierung unempfindlich. Einige Rezeptoren nutzen cGMP als second messenger (ANP)
 
      Nukleäre Rezeptoren bestehen aus mehreren Teilen: Einer bindet den Signalstoff, ein "Zink-Finger" erkennt kurze DNA-Sequenzen, um ihre Zielgene zu erreichen. Koaktivatoren rekrutieren Enzyme an den Transkriptionskomplex, Histon-Acetylasen machen das Chromatin ablesbar. Korepressoren hemmen die Transkription. Nukleäre Rezeptoren können eine Vielzahl verschiedener Gene beeinflussen; so können sie metabolische Programme steuern
 
      Hormonwirkungen schwächen sich oft bei längerdauernder Stimulation von Zielgewebe ab (Desensitivierung). Dabei kommt es zu einer Verlagerung von Rezeptormolekülen von der Zellmembran in die Zelle, wo sie vom Transmitter nicht erreicht werden (receptor downregulation). Die Empfindlichkeit einer Zelle gegenüber extrazellulären Signalmolekülen kann z.B. durch folgende Faktoren variieren: Zahl verfügbarer Rezeptormoleküle, Interaktion mit Agonisten / Antagonisten, veränderte Signalverstärkung
 

 




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