02. Second Messenger-cAMP Weg

• Der intrazelluläre Gehalt an cAMP wird durch Adenylatcyclasen gesteuert

  —> wandeln ATP zu cAMP um

• durch G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCRs)

• Gs𝛼 UE ist die aktivierende, Gi𝛼 ist die inhibierende UE

• Beispiel: Noreponephrine (-) und Epinephrine (+)

• Bindung an einen ß-Adrenogenen Rezeptor

• Proteinkinase A (PKA)

• besteht aus 2 katalytischen und 2 regulatorischen Einheiten

• wird allosterisch durch cAMP aktiviert

  —> die regulatorischen Einheiten werden bei cAMP-Bindung von den katalytischen Einheiten getrennt

  —> Aktivierung der katalytischen Einheiten

• cAMP bindet nicht kovalent an die R Untereinheiten, die katalytischen Einheiten werden wieder inaktiviert, wenn sich cAMP von den R-UE löst

• die katalytischen Einheiten sind phosphorylierende Enzyme, die ATP benötigen

• die regulatorischen Untereinheiten haben eine Inhibitorsequenz, die für die Regulation im Kern wichtig ist

• A-Kinase-Ankerproteine, die Enzyme wie die PKA räumlich fixieren und so in räumliche nähe von anderen Proteinen bringen kann

• Wirkung der PKA wird dadurch auf bestimmte Zellbereiche konzentriert, z.B. Mikrotuboli, Actinfilamente, Ionenkanäle, Mitochondrien, Zellkern

  —> Dies ermöglicht zellspezifische lokale Begrenzung der Signalwirkung

• AKAPs besitzen eine Domäne, die an die regulatorischen Untereinheiten der PKA binden kann

• So kann die PKA über verschiedene AKAPs an unterschiedliche Organellen oder weitere regulatorische Proteine gebunden werden

• Beispiel: AKAPs können die PKA mit der PDE koppeln und so das cAMP-Signal begrenzen

• PKA reguliert nicht nur Zielproteine im Cytosol durch Phorsphorylierung, sondern kann auch Transkriptionsfaktoren phosphorylieren und so die Genexpression beeinflussen.

  —> Beispiel: Phosphorylierung des Transkriptionsfaktors CREB (cAMP-response-element-binding protein)

• Glycogensynthase

• Glycogenphosphorylase

• Phosphofructokinase-2 / Fructose-2,6-bisphosphatase

• Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex

• Pyruvat-Kinase

• Hormonsensitive Lipase

• Tyrosinhydroxylase

• cAMP-Response-Element-Binding-Protein (CREB)

• Bindungssequenz der regulatorischen UE: Arg-Arg-Gln-Ser-Ile

• Hemmstoff (PKI) mit der Sequenz: Arg-Arg-Gln-Ala-Ile

• PKI enthält eine Kernexportsequenz, die bei PKA-Bindung aktiviert wird

  —> regulierung der katalytischen Einheit im Kern

1. Anstieg der Triglyceridspaltung, Abnahme der AS-Aufnahme

   —> cAMP anstieg durch Adrenalin, ACTH, Glucagon im Fettgewebe

2. Anstieg der Glycogenspaltung unter Freisetzung von Glucose, Hemmung der Glykogensynthese

   —> cAMP anstieg durch Adrenalin, Noradrenalin und Glucagon in der Leber

3. Anstieg der Estrogen- und Progesteronsynthese

   —> cAMP anstieg durch FSH und LH im ovariellen Follikel

4. Anstieg der Colistolsynthese

   —> cAMP anstieg durch ACTH in der Nebennierenrinde

5. Anstieg der Pulsfrequenz

   —> cAMP anstieg durch Adrenalin im Herzmuskel

6. Anstieg der Thyroxinsekretion

   —> cAMP anstieg durch TSH in der Schulddrüse

7. Anstieg der Ca-Mobilisierung aus Knochen

   —> cAMP anstieg durch Parathormon in Kochenzellen

8. Anstieg der Glycogenspaltung zur Glucose

   —> cAMP anstieg durch Adrenalin im Skelettmuskel

9. Erhöhung der Flüssigkeitssekretion

   —> cAMP anstieg durch Adrenalin im Darm

10. Steigerung der Wasserreabsorbtion

    —> cAMP anstieg durch Vasopressin in der Niere

11. Hemmung der Plättchenaggregation

    —> cAMP anstieg durch Prostacyclin in Endothelzellen

• cAMP-Weg Aktivierung durch Glucagon

• die PKA aktiviert die Triglyceridlipase unter ATP verbrauch

  —> dadurch werden Fettsäuren aus Triglyceriden freigesetzt

• cAMP-Weg Aktivierung durch Glucagon

• die PKA inaktiviert die Gllycogensynthase und aktiviert die Phosphorylasekinase die dann wiederum die Phospjorylase a aktiviert

  —> dadurch wird die umwandlung der Glucose in Glycogen inhibiert und der Glycogenabbau aktiviert, was zur Freisetzung von Glucose führt

• Hydrophil: cAMP, cGTP, IP3 (Inositoltrisphosphat) und Ca2+

• Hydrophob: DAG (Diacylglycerol) und PIP (Phosphatidylinositol-Phosphate)

• die PKA phosphoryliert CREB (Transkriptionsfaktor), welches dann an das CRE (Promotor) bindet

  —> CREB besitzt die für Transkriptionsfaktoren typische Dimerstruktur

• CREB kann je nach Zelltyp und Zellstatus durch verschiedene Signalkaskaden aktiviert werden, nicht nur über den cAMP/Adenylatcyclase-Weg

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

• Thermogenin (UCP1) Expression wird nicht nur durch die Wirkung von Norepinephrin (NE, Noradrenalin) über den cAMP/Adenylatcyclase-Weg aktiviert

  —> kann auch durch andere Hormone (z.B. Schilddrüsen-hormone oder Retinsäure) oder regulatorische Substanzen wie Fettsäuren gesteuert werden

• Transmembranprotein, das ausschließlich in den Mitochondrien des braunen Fettgewebes (BAT)

  —> zitterfreie Wärmeproduktion durch die Entkopplung der Atmungskette

  —> kommt nur bei Säuglingen vor

  —> enthält Lipidtröpfchen und mehr Mitochondrien als weißes FG

• auch Erwachsene regulieren durch Thermogenin die Körpertemperatur und den Engergieverbrauch

  —> Thermogeninsynthese kann durch Noradrenalin auch durch Nahrungsaufnahme aktiviert werden

• benötigt Energie

  —> aus der ß- Oxidation von Fettsäuren

  —> liefert Reduktionsäquivalente (NADH+H+), die Elektronen in die Atmungskette einspeisen und den Protonengradient über die Membran aufbauen

  —> wird normalerweise gehemmt und der Protonengradient wird zur ATP synthese verwendet, wenn UCP aber vorhanden ist wird, wird die Atmungskette entkoppelt

• Dieser dient im braunem Fettgewebe nicht zur ATP-Synthese, sondern für die Wärmeerzeugung mittels Thermogenin.

• Um die Fettsäuren verfügbar zu machen, werden diese durch cAMP-abhängige Lipolyse aus den Lipidtröpfchen des braunen Fettgewebes freigesetzt

1. Ausschüttung von Norepinephrin bei Kälte

2. Aktivierung des ß3-Adrenorezeptors (GPCR) im braunen Fettgewebe

3. Freisetzung von cAMP und Aktivierung der PKA

4. Aktivierung der UCP1 Expression durch aktiviertes CREB

5. Phosphorylierung von Perilipin und der hormon-sensitiven Lipase (HSL)

6. Aktivierung de Triglyceridabbaus führt zu freien Fettsäuren

7. freie Fettsäuren heben die Hemmung von UCP durch Nukleotide (ADP bzw.

   GDP) auf

8. durch Oxidation der restlichen freien Fettsäuren in den Mitochondrien wird die Aktivierung wieder aufgehoben

9. Rückkehr zur normalen Zellatmung mit ATP-Synthese

• durch Noradrenalin

  —> Ausschüttung durch die postsynaptischen Neuronen des Sympathikus, wird durch den Hypothalamus als Reaktion auf Kälte oder Nahrungsaufnahme gesteuert

• durch das Vorhandensein von Nucleotiden (Hemmung) und Fettsäuren (Aktivierung)

• Schilddrüsenhormone und Retinsäure beeinflussen zudem die UCP1 Expression

• Bindungsstelle für das G-Protein

• Phosphorylierungsstellen für die Phosphorylierung durch PKA

• Phosphorylierungsstellen für die Phosphorylierung durch GPCR-Kinasen (GRKs)

Es gibt verschiedenen GRK-Subtypen, die sich durch ihre Verankerungsdomänen unterscheiden:

• GRK 1, 4, 6 und 7 besitzen hydrophobe Membrananker.

• GRK 2 und 3 haben Bindungsstellen für G-Protein Untereinheiten.

• GRK 5 enthält basische Aminosäuren, die die Bindung an Phospholipide vermitteln

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

• Aktivierte GPCRs können durch ß-Arrestin internalisiert und damit desensibilisiert werden:

  —> Aktivierte Rezeptoren werden Clathrin-vermittelt in die Zelle

  aufgenommen und regeneriert

  —> Dadurch wird eine Überstimulation der Zelle verhindert

  —> Die regenerierten inaktiven Rezeptoren werden danach wieder

  auf der Oberfläche präsentiert und können erneut aktiviert werden

• ß-Arrestin gibt das Signal zur Endozytose

• über Clathrin vermittelte Endozytose

Desensibilisierung des Adrenalin Rezeptors

• Regulation der intrazellulären cAMP- Konzentration durch cyclische Nucleotid-Phoshodiesterase (PDE)

  —> Wird durch Koffein und Theophyllin inhibiert

  —> Das cAMP-Signal bewirkt beispielsweise eine Dilatation der Bronchialmuskelzellen und erleichtert damit die Atmung. Daher hilft Kaffee bei Astma

• PKA kann die Aktivität der PDE durch Phoyphorylierung steuern

• hohe cAMP Konzentration aktiviert PKA, die wiederum PDE aktiviert, welches die cAMP Konzentration senkt