3. Second Messenger

• second messenger

• niedermolekulare, intrazelluläre Substanzen

• dienen der Übertragung Rezeptor-gesteuerter Primärsignale innerhalb der Zelle

• gehören zur Signaltransduktionskaskade

• zytosolosche Moleküle

• cAMP, cGMP, IP3 (Inositoltriphosphat) und Ca2+

• Signalübertragung durch Konzentrationsänderung im Zytosol

  
  

• Membran-gebundene Moleküle

• SAG (Diacylglycerol) und PIP (Phosphatidylinositol-Phosphat)

• Signalübertragung auf Membran-assoziierte Effektor-Proteine

• diffundieren in Membran und Zytosol

• Stickoxide (NO)

• Signalübertragung durch Aktivierung der cGMP-Bildung

• Funktioniert über Rezeptoren an der Zelloberfläche

• Weitergabe des Signals als Second Messenger

• Schnelle Wirkung

• Verändert die Aktivität eines bereits vorhanden Enzyms

• Beispiel:

  • Peptidhormon

  • Catecholamine

• Verfügbarkeit der Enzyme

• Verfügbarkeit der Second Messenger

• Hormon dringt in Zellkern ein

• Hormon-Rezeptor-Komplex wirkt im Zellkern

• Langsame Wirkung

• Verändert eine Menge neu synthetisierter Proteine

• Beispiele:

  • Steroidhormone

  • Schilddrüsenhormone

• g-Protein-Gekoppelter Rezeptor

• Enzym-gekoppelter Rezeptor

• wird durch Adenylatcyclasen gesteuert

• Proteinkinase A

• besteht aus 2 katalytischen und 2 regulatorschen Einheiten

• wird allosterisch durch cAMP reguliert

  • regulatorischen Einheiten werden bei Bindung von den katalytischen getrennt

• Phosphorylierung gekoppelter Zielproteine

• Phosphorylierung nukleärer Zielproteine

• Phosphrylierung cytoplasmatischer Zielproteine

• Glycogensynthase

• Glycogenphosphorylase

• PFK-2/F-2,6-BP

• Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

• Pyruvat-Kinase

• Hormonsensitive Lipase

• Hormonsensitive Lipase

• Tyrosinhydroxylase

• cAMP-response-Element-Bidning-Protein

• Setzt Fettsäuren aus Adipozyten frei

• Aktivierung des Glykogenabbaus und Hemmung der Glykogensynthese durch Glucagon

• reguliert Zielproteine im Cytosol durch Phosphorylierung

• phosphoryliert Transkritpionsfaktoren und kann so Genexpression beeifnlussen

• Beispiel:

  • Phosphorylierung des Transkriptionsfaktors CREB (cAMP-response-elemt-binding-protein)

    > phosphoryliertes CREB besitzt TRF typische Dimerstruktur und bindet an das CRE

• kann je nach Zelltyp und Zellstatus durch verschiedene Signalkaskaden aktiviert werden

• Beispiel:

  • Aktivierung des Thermogenin-gens (UCP1) im braunen Fettgewebe

• Transmembranprotein im braunen Fettgewebe (BAT)

• ermöglicht zitterfreie Wärmeproduktion durch Entkopllung der Atmungskette

• Aktiviert durch:

  • Wirkung von Norepinephrin (NE, Noradrenalin)

  • Schilddrüsenhormone

  • Retinsäure

  • regulatorische Substanzen wie Fettsäuren

  
  

• Unterschied BAT zu WAT:

  Einlagerung kleiner Lipidtröpfchen und Anzahl der Mitochondrien

• Funktion: Wärmeproduktion z.B. bei Winterschlaf oder Kälteexposition

• Kälteschutz durch BAT

• benötigt energie aus der ß-Oxidation

• ß-Oxidation liefert Elektronen der Atmungskette und bauen Protonengradient über Membran auf

• Damit Fettsäuren verfügbar werden, werden sie durch cAMP-abhängige Lipolyse aus Lipidtröpfchen in BAT freigesetzt

• Ausschüttung von Norepinephrin bei Kälte

• Aktivierung des GPCR im BAT

• Freisetzung von cAMP und Aktivierung der PKA

• Aktivierung der UCP1 Expresion durch aktiviertes CREB

• Phoyphorylierung von perilipin und der hormon-sensitiven Lipase (HSL)

• Aktivierung des Triglyceridabbaus führt zu freien Fettsäuren

• freie Fettsäuren heben Hemmung der UCP durch Nukleoride auf (ADP bzw. GDP)

• Oxidation der restlichen freien Fettsäuren in den Mitochondrien wird die Aktivierung wieder aufgehoben

• Rückkehr zur normalen Zellatmung mit ATP-Synthese

• Bindungsstelle für G-Protein

• Phosphorylierungsstelle für PKA

• Phosphorylierungsstelle für GPCR-Kinasen

• Durch GRK-Phosphorylierung wird die G-Protein-Bindung verhindert und ß-Arrestin kann an die intrazellulären rezeptordomänen binden

• werden durch ß-Arrestin inernalisiert

• aktivierte Rezeptoren werden Clathrin-vermittelt in die Zelle aufgenommen und regeneriert

• die regenierten inaktiven Rezeptoren werden danach wieder auf der Oberfläche präsentiert und können erneut aktiviert werden

• durch die cyclische Nucleotid-Phosphodiesterase (PDE)

• intrazelluläre Signal wirkt nur wenn Adrenalin bindet

• Koffein oder Theophyllin hemmen Phosphodiesterase

  • verlängert Halbwertszeit von cAMP und verstärkt Sustanz durch Wirkung der Adenylylcyklase

• regulatorische UE:

  Arg-Arg-Gln-Ser-Ile

  Serin wird phosphoryliert

• Rot: Hemmstoff (PKI) mit der Sequenz)

  Arg-Arg-Gln-Ala-Ile

• Blau: ATP im Zentrum

• PKi enthält Kerexportsequenz, die bei PKA Bindung aktiviert wird

• A-Kinase-Ankerproteine binden an R-Untereinheiten der PKA und an spezifische Strukturen der Zelle

• PKA-Wirkung wird auf bestimmte Zellbereiche konzentriert

  • auf Mikrotubuli, Actinfilamente, Ionenkanäle, Mitochondiren,Zellkern

• Ermöglicht zellspezifische lokale Begrenzung der Signalwirkung

• besitzen Domäne, an die die regulatorische UE der PKA binden kann

  • so kann PKA an verschiedene AKAps binden und an unterschiedliche Organelle oder regulatorische Proteine

• können PKA mit der PDE koppeln und so cAMP Signal begrenzen

• ai = Inhibition der Adenylatcyclase

• as = Aktivierung der Adenylatcyclase

• aq = Aktivierung der PLC

• a? = Aktivierung des Rho-Signalwegs

• katalytische Domäne= Bindungsstelle für ATP und Kinase-Region, die aktives Zentrum enthält

• regulatorische Domäne = Bindungsstelle für regulatorische Substanz (cAMP-Bindungsstelle) und Pseudosubstratdomäne, die aktives Zentrum inaktiv macht

• Phosphorylieren Zielproteine an Ser- oder Thr-Rest

• Verschiedene Isoenzyme werden durch DAG + Ca

• oder nur durch DAG aktiviert

• Sind an der Regulation der Zellproliferation beteiligt

• Phorbolester (Tumorpromotoren) aktivieren dauerhaft PKCs

• Weitere Funktionen zell-/organspezifisch

• im Zytoplasma geringer als extrazellulär bei höher entwickelten Organismen

• im ER/SR höher als im Zytoplasma

• Ca2+ strömt passiv durch geöffnete Kanäle aus dem extrazellulären Raum/E-SR ins Zytoplasma

• Aus dem Zytoplasma müssen Ca2+-Ionen durch Symport- und Antiport oder durch ATP-verbrauchende Pumpen zurück in ER/SR und ins Zytoplasma

• befindet sich im SR/ER

• induzierbarer Ca2+Kanal

• Bei Aktivierung der PLC entsteht DAG und IP3

• IP3 wir durch IP3-Bundung aktiviert

  > Ca2+-Ionen strömen ins ER/SR

• Ca2+-Kanäle der Plasmamebran, die durhc Ca2+ Konzentration gesteuert werden

• Bei Öffnung der Kanäle erhöht sich Ca2+-Konzentration im Zytosol von ca. 100nM auf ca. 5uM

• es können gleichzeitig 4-Ca+-Ionen binden

• durch Ca2+-Bindung wird Calmodulin aktiviert und kann an weitere regulatorische Proteine binden

• durch Ca2+-Calmodulin Bindung wird CAMKII aktiviert

• d´wird durch autophosphorylierung voll aktiv

• Aktivierung bleibt

• Inaktivierung durch Dephosphorylierung durch Phosphatase

• an neuronalen Prozessen, z.B. Steuerung und Verarbeitung von Erinnerungen

• kann schnell oder langsam dadruch binden

  • auch auf TRF, je nach Zelltyp und Zustand

• kann kombiniert werden

• aktiviertes Calzineurin (CaN) kann durch Dephosphorylierung z.Bn NFAT aktivieren, was bei der T-Zellaktivierung eine Rolel spielt

• Aktiviertes Myosin-Light-Chain Kinase (MLCK) phosphoryliert Myosin und vermittelt so die Kontraktion glatter Muskelzellen

• Aktivierung von Myosin durch Phosphorylierung mittels MLCK

1. Durch die Bindung eines Hormons kann die PLC aktiviert werden

2. Es entsteht IP3, das an IP3 Rezeptor bindet

3. IP3-Rezeptor bewirkt Ca2+-Ausstrom aus dem SR/ER

4. Erhöhte Ca2+ Konzentration im Zytosol öffnet SOCs und aktiviert Calmodulin

5. Ca2+-Calmodulin bindet an MLCK

6. Aktivierte MLCK phosphoryliert Myosin, welches dadruch in die aktiv lineare Form überführt wird und an Actin binden kann

7. Durch Kontraktion der Gefäßmuskelzellen verinngert sich der Gefäßdurchmesser (Blutdruckregulation)

Aktivierung der Gefäßmuskelzellen bewirkt Kontraktion der Blutgefäße

Aktivierung in Endothelzellen relaxiert Blutgefäße (beteiligt sind auch cGMP und NO)

1. Bindung von Acetylcholin induziert Freisetzung durch PLC in der Endothelzelle

2. Bindung von IP3 an IP3-Rezeptor setzt Ca2+-Ionen aus ER frei

3. Ca2+ und Calmodulin aktivieren NO Synthese

4. No diffundiert aus den Endothelzellen ind ie Gefäßmuskelzellen

5. NO aktiviert Guanylatcyclase und es wird cGMP gebildet

6. CGMP aktiviert PKG und relaxiert Blutgefäße

• NO können über Zellmembran an Endothelzelle und benachabrte Gefäßmuskel diffundieren und binden dort an Hämgruppe der Guanlyatcyclase

• Nitroglycerin und andere Nitrovasodilatoren lösen analog zu NO Entspanung des Herzmuskels aus

• werden z.B. bei Angina pectoris (Durchblutungsstörung) eingesetzt

• 
  

• cGMP-Konzentration wird durch die Umwandlung von cGMP zu 5`GMP durch PDE-5

• Wenn PDE-5 gehemmt wird, bleibt das cGMP Signal bestehen und die Relaxation der Blutgefäße erhalten

  • Relaxation = Erweiterung der Blutgefäße und verstärkte Durchblutung

• Viagra/Revatio

• wird bei pumonaler-arterieller Hypertonie eingesetzt

• Wirkung:

  Weitet die Lungenarterie. Der anormal hohe Blutdruck wird durch Entspannung und Dilation der Lungengefäße gesenkt.

• Glatte Muskulatur: Entspannung des Herzmuskels und Blutgefäße

• Darm: Änderung des Ionentransports/ der Wasserretention

• Niere: Regulation des Blutvolumens durch Na+-Ausscheidung und einhergehenden Wasserverlust in der Niere

• Gerhin: beteiligt an Entwicklung und Funktion des ZNS

• Retina: Regulation ionenspezifischer Kanäle

• Kontraktion:

  Aktivierung der Spannungs-gesteuerten Ca-Ionenn-Kanäle, die über Ca2+-Calmodulin und die Aktivierung der MLCK die Kontraktion vermittelt

• Relaxation: Aktivierung der Guanlatcyclase durch NO führt zur Aktivierung der MLC-Phosphatase. MLC-Phosphatase dephosphoryliert aktivierte Myosin-LG und diese wird inaktiv. Es kommt zur geringeren Ca-Ionenkonzentration und Relaxation.