03. Second Messenger-PLC Weg

• Phospholipase C (PLC)-Weg

1. Ein SIgnalmolekül bindet an einen GPCR und aktiviert ein G-Protein

2. die aktivierte Gq𝛼 UE aktiviert die PLC

3. Die PLC spaltet IP3 von einem inositol Phospholipid aus der Membran ab

4. durch die IP3 Abspaltung ist das Phospholilpid (DAG) verfügbar in der Membran und kann an die PKC binden

5. Das IP3 bewirkt die öffnung eines CA2+ kanals im ER oder SR, wodurch CA2+ ins Cytosol strömt

6. das Ca2+ bindet an die PKC, die dadurch an DAG binden kann und aktiviert sie so

• Beispiel: Adrenalin am 𝛼1-adrenerger Rezeptor

• Bindung von Ca2+ ermöglicht die Bindung an die Membran und bringt die PKC in die räumliche Umgebung von DAG

• DAG löst die Pseudosubstratregion aus dem aktiven Zentrum und aktiviert die Kinase Domäne

• 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

• 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

• Angiotensin II an Gefäßen nützt diesen Weg zur Auslösung einer Vasokonstriktion

• GnRH wird wie die meisten Vorderlappenhormone pulsatil ins Blut freigesetzt. Es stimuliert über GnRH-Rezeptoren die LH- und FSH-Freisetzung

• Katecholamine nützen außer dem cAMP- auch den PL-DAG-IP3-Weg

• Oxytozin steuert Verhalten und Gefühle und unterstützt die Wehentätigkeit

• TRH (Thyreoliberin) wirkt über einen speziellen Rezeptor anregend auf die TSH-Ausschüttung in der Adenohypophyse

• Vasopressin (antidiuretisches Hormon, ADH, Adiuretin) steuert den Wasserhaushalt im Körper und wirkt an Gefäßen vasokonstriktorisch

Phorbolester wirken Tumor-induzierend durch langanhaltende Aktivierung der PKC.

• Die Ca2+-Konzentration im Zytoplasma ist bei höher entwickelten Organismen in der Regel geringer als die extrazelluläre

• Die Ca2+-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

1. Plasmamembran gebundene Kanäle

   —> Liganden-abhängige Calziumkanäle

   —> Spannungs-abhängige Calziumkanäle

   —> Speicher-regulierte Calziumkanäle

2. Plasma membrane calcium-ATPase (PMCA)

3. Sarkoplasmic / endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA)

4. Mitochondrial sodium calcium exchanger (MNCX)

5. Sodium calcium exchanger (NCX)

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

  —> Bei Aktivierung 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

  —> die extrazelluläre Ca2+ Konzentration liegt im mM bereich

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

1. Ein Signalmolekül bindet an einen GPCR und aktivieren ein G-Protein

2. Das G-Protein aktiviert PLC, welche IP3 freisetzt

3. IP3 führt zu Freisetzung von Ca2+ aus dem ER ins Cytosol

4. 4 Ca2+ binden an Calmodulin, welches dann weitere Targets aktivieren kann

   —> aktiviert kann es an weitere regulatorische Proteine binden

• besteht aus zwei Domänen

• konformationsänderung bei Bindung an ein Zielprotein

• 4 Bindungstaschen für Ca2+

1. die CaMK II liegt inaktiv im Cytosol vor

2. Calmodulin wird durch Ca2+ aktiviert

3. CaM bindet an die Kinase II und aktiviertt diese so

4. die CaMK II führt eine Autophosphorylierung durch und wird dadurch vollständig aktiviert

5. Ca2+ wird von der CaM abgespalten

6. CaM ist inaktiv und geht von der Kinase II ab

7. CaMKII ist auch ohne CaM aktiv, bis sie durch eine Proteinphosphatase inaktiviert wird

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

• Lernen und Erinnern

• synaptische Plastizität

• Neurotransmittersynthese

• 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 und Zielproteine, je nach Zelltyp und Zellzustand

• aktiviert Calzineurin

  —> Aktiviertes Calzineurin (CaN) kann durch Dephosphorylierung z.B. den Nuclear Factor of Activated T-cells (NFAT) aktivieren, was bei der T-Zellaktivierung eine Rolle spielt.

• Aktiviert die MLCK

  —> aktivierte Myosin-Light-Chain Kinase (MLCK) phosphoryliert Myosin und vermittelt so die Kontraktion glatter Muskelzellen

• aktiviert entweder die CaMK (schnell) oder die MAPK rsk (langsamer) welche direkten Einfluss auf CREB haben

• ermöglicht die langandauernde regulierte Aktivierung der Transkription

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

2. Dadurch entsteht IP3, das an den IP3-Rezeptor bindet

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

4. Die erhöhte Ca2+-Konzentration im Zytosol öffnet die SOCs

5. Durch die hohe Ca2+-Konzentration wird Calmodulin aktiviert

6. Ca2+-Calmodulin bindet an die MLCK

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

8. Durch die Kontraktion der Gefäßmuskelzellen verringert sich der

   Gefäßdurchmesser (Blutdruckregulation)

9. Relaxion durch die MLC Phosphatase

• führt zu einer Kontraktion von Muskelzellen

• 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 in Endothelzellen die beiden Second Messenger cGMP und NO in den Gefäßmuskelzellen beteiligt

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

  —> Signalübertragung durch Konzentrationsänderung im Zytosol

• DAG (Diacylglycerol) und PIP (Phosphatidylinositol-

  Phosphate)

  —> Signalübertragung auf Membran-assoziierte Effektorproteine

• Stickoxide (NO)

  —> Signalübertragung durch Aktivierung der cGMP-Bildung

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

   —> G-Protein vermittelt

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

   dem ER freigesetzt

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

   —> Komplexes Enzym, welches Arginin + O2 zu Citrulin + NO umwandelt und hierfür viele Cofaktoren benötigt (z.B. NADPH)

4. NO diffundiert aus den Endothelzellen in die Gefäßmuskelzellen

   —> verschiedene Zielproteine

5. NO aktiviert die Guanylatcyclase und cGMP wird gebildet

   —> bindet an die Hämgruppe der Guanylatcyclase, welches eine aktivierende Konformationsänderung bedingt

6. cGMP aktiviert die PKG und führt zur Relaxation der Gefäßmuskelzellen

   (Dilatation der Blutgefäße)

• Proteinkinase G

• sorgt dafür, dass Ca2+ zurück ins ER/ SR transportiert wird und somit die Ca2+ Konzentration im Cytosol sinkt

  —> Relaxation

• inhibiert die PDE-5, die das cGMP Signal abstellen kann

• aktiviert die K+ Kanäle, sodass K+ aus der Zelle strömt und diese hyperpolarisiert, sodass ein Aktipnspotential nicht mehr ausreicht

  —> führt dazu, dass sich die spannungsabhängigen Ca2+ Kanäle schließen

  —> es ist immer K+ auf und Ca2´zu oder andersrum

  —> kein Ca2+ strömt mehr in die Zelle, Konzentration im Cytosol wird nicht mehr erhöht

• regulatorische Region enthält eine Pseudosubstrat-Domäne mit Leucin-Zipper-Bereich der 2 PKG-Moleküle verbindet

• Pseudosubstrat-Region besetzt die katalytische Domäne bis zur Aktivierung durch cGMP-Bindung

• regulatorische Region enthält zusätzlich Nucleotid-Binding-Sites zur Bindung von cGMP

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

  —> wirkt Gefäßerweiternd auf Herz und Lunge

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

• Nitroglycerin wird in den Mitochondrien durch die mitochondriale Aldehyddehydrogenase (mALDH) zu NO umgewandelt

  —> die aktivität des Enzyms verringert sich jedoch mit mehrmaliger Gabe von Nitroglycerin

  —> nitrofreie Phasen sind zur Resensibilisierung nötig

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

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

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

  —> PDE-5 Inhibitoren sind Blutdruckregulierende Therapeutika

  —> z.B. Sildenafil, erweitert die Lungenaterie, der anormal hohe Blutdruck führt zur Dilatation der Lungengefäße (Therapie von pulmonaler-arterieller Hypertonie)

  —> Sildenafil ist aufrund der gefäßerweitwernden Wirkung auch bestandteil von Viagra

• 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

• Kontraktion:

  —> die Aktivierung von Spannungs-gesteuerten Ca-Ionen-Kanälen,

  die über Ca2+-Calmodulin und die Aktivierung der MLCK die Kontraktion

  vermittelt

• Relaxation:

  —> Aktivierung der Guanylatcyclase durch NO führt zur Aktivierung der MLC-Phosphatase

  —> kann aktivierte Myosin-LG dephopshorylieren und damit in die inaktive Form überführen

  —> kommt zusammen mit der verringerten Ca-Ionenkonzentration zu einer Relaxation der vaskularen Muskelzelle