03.3_Second Messenger, PLC-Weg

—> erst die Bindung von Calcium, dann Bindung an Membran und Aktivierung!!!

Proteinkinasen (PKA, PKC u.a.) besitzen alle eine regulatorische und eine katalytische Domäne:

• Die katalytische Domäne besitzt eine Bindungsstelle für ATP und ein Kinase-Region, die das aktive Zentrum enthält

• Die regulatorischen Domänen besitzen in der Regel eine Bindestelle für die regulatorischen Substanzen

  • cAMP-Bindestelle für die PKA und DAG, Ca2+ und Phosphatidylserinbindungsstelle für die PKC

• und eine Pseudosubstratdomäne, die das aktive Zentrum im inaktiven Zustand besetzt.

• Außer den klassischen PKCs gibt es noch weitere, von denen einige unabhängig von Ca2+ und DAG sind

• Phosphorylieren Zielproteine an Ser- oder Thr-Resten

• Verschiedene Isoenzyme werden durch DAG + Ca2+ oder nur durch DAG aktiviert

• Sind an der Regulation der Zellproliferation beteiligt

• Phorbolester (Tumorpromotoren) aktivieren dauerhaft PKCs

• Weitere Funktionen sind zell- / organspezifisch

Calcium-Verteilung in Eukaryonten:

• Die Calcium-Konzentration im Zytoplasma ist bei höher entwickelten Organismen in der Regel geringer als die extrazelluläre

• Die Calcium-Konzentration im Endoplasmatischen Reticulum (ER) bzw. im Sarkoplasmatischen Retikulum (SR) ist in der Regel höher als im Zytoplasma

• aus dem extrazellulären Raum und aus dem ER bzw. SR strömen Ca2+-Ionen passiv über geöffnete Ca2+-Kanäle ins Zytoplasma der Zelle

• aus dem Zytoplasma müssen die Ca2+-Ionen durch Symport- oder Antiportprozesse oder durch ATP verbrauchende Pumpen zurück ins ER bzw. SR und in den extrazellulären Raum transportiert werden.

• Plasma membrane calcium-ATPase (PMCA)

• Sarkoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA)

• Mitochondrial sodium calcium exchanger (MNCX)

• Sodium calcium exchanger (NCX)

Der IP3-Rezeptor im ER oder im SR ist ein induzierbarer Ca2+-Kanal:

• Bei Aktivieung der PLC entsteht DAG und IP3

• Der IP3-Rezeptor wird durch IP3-Bindung aktiviert

• Ca2+-Ionen strömen aus dem ER/SR ins Zytosol.

Store operated Ca2+-Kanäle (SOCs):

• SOCs sind Ca2+-Kanäle in der Plasmamembran, die durch die Erhöhung der Ca2+-Konzentration im Zytosol reguliert werden.

• Ca2+-Ionen strömen bei Aktivierung der SOCs zusätzlich aus dem extrazellulären Raum ins Zytoplasma.

• Die Ca2+-Konzentration im Zytosol erhöht sich dadurch von ca. 100 nM auf ca. 5 µM.

• Zusätzlich können Ca2+-Ionen an weitere regulatorische Proteine binden

Zwei Wege möglich, um den Calcium Calmodulin Weg zu aktivieren

1. Über G-Protein gekoppelten Rezeptor

2. Tyrosinkinase-Rezeptor

Ca2+-Ionen und Calmodulin:

• Jeweils 4 Ca2+ Ionen können an das regulatorische Protein Calmodulin binden

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

Aktivierung der Calmodulinkinase II (CaMK II):

• Durch Ca2+-Calmodulin-Bindung wird die Kinasefunktion der CaMK II aktiviert

• Die CaMK II wird durch Autophosphorylierung voll aktiv

• Die Aktivierung bleibt bestehen, auch wenn die Ca2+ Calmodulin-Bindung durch die Verringerung von Ca2+-Ionen aufgehoben wird

• Die Inaktivierung der CaMK II erfolgt durch Dephosphorylierung mittels einer Phosphatase.

• Die CaMK II ist vielen an wichtigen neuronalen Prozessen beteiligt, beispielsweise auch an der Steuerung und Verarbeitung von Erinnerungen

• Ca2+-Calmodulin kann auch an andere regulatorische Proteine binden und je nach Zielprotein schnelle oder langsame Wirkungen erzeugen, die auch kombiniert werden können,

• beispielsweise durch die Regulation von CREB

• Ca2+-Calmodulin und die CaMK II wirken nicht nur auf CREB, sondern auch auf eine Reihe anderer Transkriptionsfaktoren, je nach Zelltyp und Zellzustand

Weitere Zielproteine für Ca2+-Calmodulin:

• Aktiviertes Calzineurin (CaN) kann durch Dephosphorylierung z.B. den NFAT aktivieren, was bei der T-Zellaktivierung eine Rolle spielt.

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

• Durch die Bindung eines Hormons kann die PLC aktiviert werden

• Dadurch entsteht IP3, das an den IP3-Rezeptor bindet

• Der aktivierte IP3-Rezeptor bewirkt den Ca2+-Ausstrom aus dem ER/SR

• Die erhöhte Ca2+-Konzentration im Zytosol öffnet die SOCs

• Durch die hohe Ca2+-Konzentration wird Calmodulin aktiviert

• Ca2+-Calmodulin bindet an die MLCK

• Die aktivierte MLCK phosphoryliert Myosin, welches dadurch in die aktive lineare Form überführt wird, die an Actin binden kann

• Durch die Kontraktion der Gefäßmuskelzellen verringert sich der Gefäßdurchmesser (Blutdruckregulation)

• Die Aktivierung von Ca2+-Calmodulin in Gefäßmuskelzellen bewirkt die KONTRAKTION der Blutgefäße !

• Die Aktivierung von Ca2+-Calmodulin in Endothelzellen bewirkt die RELAXATION der Blutgefäße !

  • Bei der Relaxation der Blutgefäße sind zusätzlich zu den Second Messengers des Ca2+ Calmodulin-Wegs die beiden Second Messenger cGMP und NO beteiligt.

Hydrophile Moleküle (zytosolisch):

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

• Signalübertragung durch Konzentrationsänderung im Zytosol

Hydrophobe Moleküle (Membran-gebunden):

• DAG (Diacylglycerol) und PIP (Phosphatidylinositol Phosphate)

• Signalübertragung auf Membran-assoziierte Effektor Proteine

Gase (diffundieren in Membran und Zytosol):

• Stickoxide (NO)

• Signalübertragung durch Aktivierung der cGMP-Bildung

1. Die Bindung von Acetylcholin induziert die IP3 Freisetzung durch die PLC in der Endothelzelle.

2. Durch Bindung IP3 an den IP3 Rezeptor werden Ca2+-Ionen aus dem ER freigesetzt

3. Ca2+-Ionen und Calmodulin aktivieren die NO-Synthase

4. NO diffundiert aus den Endothelzellen in die Gefäßmuskelzellen

5. NO aktiviert die Guanylatcyclase und cGMP wird gebildet

6. cGMP aktiviert die PKG und führt zur Relaxation der Gefäßmuskelzellen (Dilatation der Blutgefäße)

• Die NO-Synthase ist ein komplexes Enzym, das verschiedene Koenzyme und Cofaktoren benötigt

• Stickoxid-Moleküle können über die Zellmembranen hinweg aus der Endothelzellen in die benachbarten Gefäßmuskel diffundieren und binden dort an die Hämgruppe der Guanylat-Cyclase

Regulation der Relaxation von Gefäßmuskelzellen:

• Durch die NO-vermittelte Aktivierung der Guanylatcyclase wird die cGMP Konzentration in der Zelle erhöht

• cGMP aktiviert die Proteinkinase G (PKG) und weitere Proteine

• Die PKG hemmt den Ca-Ionen-Einstrom in die Zelle durch Hemmung der Ca-Ionen-Kanäle und durch Aktivierung der Kalium-Ionen-Kanäle

• Die Aktivierung der Kalium-Ionenkanäle bewirkt eine Hyperpolarisation der Membran, so dass Spannungs-abhängige Calzium-Ionen-Kanäle nicht mehr aktiviert werden können

• Zusätzlich wird der Rücktransport der Calzium-Ionen in das SR gefördert

• Die cGMP-Konzentration wird durch Umwandlung von cGMP zu 5‘GMP 48 durch die Phosphodiesterase 5 (PDE-5) reguliert

• Wenn Kalium ausströmt sind die Ca-Kanäle geschlossen und Ca kann nicht mehr einströmen —> Vasodilatation

• Wenn K-Kanäle inhibiert/ geschlossen sind kann kein Kalium mehr ausströmen

  • Führt zur Hyperpolaristaion der Membran, dass die Spannungsabhängigen Kalium-Kanäle aktiviert

• Calcium strömt wieder ein —> Vasokonstriktion

• NO-Agonisten wie Nitroglycerin und andere Nitrovasodilatatoren lösen analog zu NO die Entspannung des Herzmuskels aus

• Werden z.B. eingesetzt, um Angina pectoris zu lindern

• Effekt wurde um 1860 zufällig in Nitroglycerin-Fabriken entdeckt

• Wird in der Humanmedizin unter dem Namen Revatio bei pulmonaler-arterieller Hypertonie eingesetzt

Wirkung:

• Die Lungenarterie wird geweitet. Der anormal hohe Blutdruck wird durch die Entspannung und Dilatation der Lungengefäße gesenkt.

—> Zusätzlich verwendet gegen erektile Disfunktion

PDE-5 Inhibitoren:

• Die cGMP-Konzentration wird durch Umwandlung von cGMP zu 5‘GMP durch die Phosphodiesterase 5 (PDE-5) reguliert

• Die PDE-5 kann durch PDE-5 Inhibitoren gehemmt werden.

• Dadurch bleibt das cGMP-Signal bestehen und die Relaxation wird aufrechterhalten

• Die Relaxation bewirkt eine Erweiterung der Blutgefäße und damit eine verstärkte Durchblutung.

• PDE-5 Inhibitoren sind Blutdruckregulierende Therapeutika

Glatte Muskulatur (Herzmuskel, Gefäßmuskeln):

• Entspannung des Herzmuskels und der Blutgefäße (Vasodilatation)

Darm:

• Änderung des Ionentransports / der Wasserretention

Niere:

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

Gehirn:

• cGMP beteiligt an Entwicklung und an Funktionen des ZNS

Retina:

• Regulation ionenspezifischer Kanäle