B2: KV5 Membranrezeptoren

• G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (7 TMD)
• Enzym-gekoppelte Rezeptoren (1 TMD)
• Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren (4 TMD)

Nach Struktur (Transmembrandomäne)

• Thyreotropin-Rezeptor (TSH)
• Adrencorticotropin-Rezeptor (ACTH)
• Luteinisierendes Hormon-Rezeptor (LH)
• Follikelstimulierendes Hormon-Rezeptor (FSH)
• Melanocortin-Rezeptor (MSH)
• Vasopressin-Rezeptor (ADH)
• Oxytocin-Rezeptor

• Wachstumshormon-Rezeptor (GH)
• Prolaktin-Rezeptor (PRL)
• Insulin-Rezeptor

Es gibt keine.

• = liganden-gesteuerte Ionenkanäle, ionotrope Rezeptoren
• Durch Bindung eines Signalmoleküls verändert der Ionenkanal-gekoppelte Rezeptor seine Konformation. Daraufhin öffnet oder schliesst sich in der Membran ein spezifischer Ionenkanal (z.B. für Na+, K+, Ca2+, Cl-). Das Signal ist ein Ionenfluss, der elektrische Effekte induziert. Das Membranpotential wird moduliert.
• Nervensystem, Muskelzellen

• extrazelluläre Domäne: Andockstelle für Ligand
• Transmembrandomäne: Verankerung des Rezeptors in der Membran
• Intrazelluläre Domäne: katalytische Aktivität

1. Ligand ist ein Dimer: Normalerweise liegen die Rezeptoren als Monomere in der Membran vor (= inaktiv). Sobald ein Ligand bindet (in Form eines Dimeres), wird die Bindung des 2. Rezeptors induziert = sog. Dimerisierung. Dadurch wird die intrazelluläre Domäne aktiv.

2. Ligand ist ein Monomer: Die Bindung des Liganden an ein Monomer löst auch eine Dimerisierung aus.

Die Enzym-gekoppelten Rezeptoren wirken direkt als Enzyme (links im Bild) oder verbinden sich direkt mit den Enzymen (rechts im Bild), die sie aktivieren. Die grosse Mehrheit sind Proteinkinasen (= Enzym) oder assozieren mit Proteinkinasen, wenn aktiviert.

= Enzyme, die bestimmte Proteine phosphorylieren. Der Phosphat-Rest von einem Donor (meist ATP) wird auf die OH-Gruppe einer Aminosäure-Seitenkette übertragen.

z.B. Tyrosin, Serin oder Threonin

Die meisten Enzym-gekoppelten Rezeptoren besitzen Tyrosin-Kinase-Aktivität.

• Rezeptoren mit intrinsischer Tyrosin-Kinase-Aktivität = Tyrosin-Kinase-Rezeptoren (die Proteinkinase ist Teil des Rezeptors)
• Rezeptoren mit assoziierter Tyrosin-Kinase-Aktivität = Tyrosin-Kinase-assoziierte Rezeptoren (die Proteinkinase ist an ein Rezeptor gebunden z.B. GH-Rezeptor)

Sie phosphorylieren spezifisch Tyrosinreste in ihrer eigenen Aminosäuresequenz = Autophosphorylierung und in den Sequenzen einer kleinen Gruppe intrazellulärer Signalmoleküle.

• Serin-Threonin-Kinase-Aktivität: Phosphorylierung von Serin- oder Threoninresten in ihrer eigenen Aminosäuresequen und in den Sequenzen von Genregulatorproteinen.
• Tyrosin-Phosphatase-Aktivität: Entfernen Phosphatgruppen von Tyrosinresten von spezifischen, intrazellulären Signalproteinen.
• Guanylatzyklase-Aktivität: Katalysieren direkt die Bildung von cGMP im Zytosol. cGMP fungiert auf ganz ähnliche Weise wie cAMP als kleiner intrazellulärer Mediator.

Tyrosin-Kinase-assoziierter Rezeptor.

Es gibt ungefähr 20 versch. TKR-Klassen und 4 grosse Klassen. Typische Vertreter sind die Wachstumshormone.

• Epidermal Growth factor (EGF) - Rezeptor: Cystein-reiche Domänen
• Tropomyosin-Rezeptor-Kinase (TRK): Immunglobulin-ähnliche Domänen
• Platelet-derived growth factor (PDGF) - Rezeptor: Immunglobulin-ähnliche Domänen
• Insulin-Rezeptor

• Dimer aus zwei identischen Untereinheiten (alpha, beta).
• Dia alpha Untereinheit bindet Insulin.
• Die beta-Untereinheit übermittelt das Signal ins Zellinnere.
• Disulfidbrücken zwischen alpha-beta und (beta-alpha) - (alpha-beta).

• GH-Rezeptor
• Prolaktin-Rezeptor
• alpha-Interferon
• gamma-Interferon
• Erythropoietin

• GH-Rzeptoren sind stabil mit Janus-Kinasen (JAKs) assoziiert.
• JAKs phosphorylieren und aktivieren signal transducers and activators of transcription (STATs)
• STATs sind Genregulatorproteine. Aktivierte STAT's regulieren im Zellkern die Gentranskription.

1. GH-Rezeptoren liegen als Monomere in der Membran vor.
2. Growth Hormon bindet an Rezeptor, dadurch kommt es zur Dimerisierung.
3. Die JAK-Kinase kann nun (durch die Nähe) die andere Kinase phosphorylieren = Autophosphorylierung.
4. Die phosphorylierten Tyrosin-Reste des Rezeptors.
5. STAT's werden dadurch aktiviert und binden an diese phosph. Tyrosin-Reste.
6. JAK-Kinasen phosphorylieren die STATs.
7. STATs und SH2-Domäne des Rezeptors lösen sich vom Rezeptor und dimerisieren.
8. Sie gelangen in den Zellkern und binden dort an ein GH-response-Element (= Genregulationsproteine) im Zielgen.
9. So wird die Gentranskription aktiviert.

Weil sie wichtige Zielproteine (Targets) für die Entwicklung von neuen Arzneistoffen sind. Es hat 950 GPCR-Gene im humanen Genom.

7 Transmembrandomänen.

1. extrazellulär gelegener N-Terminus
2. intrazellulär gelegener C-Terminus
3. Disulfidbrücken zwischen Loop 1 und 2
4. Palmitylierung
5. N-verbundene Glykosylierung, vorzugsweise auf Loop 2
6. Phosphorylierung (am C-Terminus)
7. hoch-konserviertes Aspartat-Arginin-Tyrosin (DRY)-Motiv

.

Grosse Vielfalt an unterschiedlichen Liganden:

• Katecholamine
  • Adrenalin
  • Noradrenalin
• Peptide
  • ADH
  • NonaPeptid
• Proteine
  • Glukagon
  • Thyreotropin (TSH)
  • Lutropin (LH)
  • Follikelstimulierendes Hormon (FSH)

A) Grundzustand: GPCR ohne Ligand mit GDP-beladenem G-Protein

B) Ligand bindet:

• Salzbrücke zwischen TM-Helizes 3 und 7 im GPCr geht auf
• GPCR wird flexibler und ändert Konformation
• Die zytoplasmatische Seite wirkt nun als Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor (GEF)

C) Aktivierung von G-Proteinen

• Die Bindung von GTP destabilisiert das G-Protein und führt zur Dissoziation des heterotrimeren G-Proteins in G-alpha (enthält GTP) und G-beta/gamma - Untereinheiten.
  • G-alpha und G-beta/gamma können mit Zielproteinen interagieren
  • Aktivierung oder Deaktivierung von Regulationsmolekülen (Effektoren), die in der Produktion oder Freisetzung von Second messenger involviert sind = Signaltransduktion

Die aktivierten G-Protein schalten sich selbst wieder ab. Die G-alpha-Untereinheit besitzt eine intrinsische GTPase-Aktivität, die GTP zu GDP und Pi hydrolysiert. Die GTP-Hydrolyse wird durch GTPase-aktivierene Proteine = GAP beschleunigt.

Die GDP-haltige inaktive G-alpha-Untereinheit kann nun freies G-beta/gamma binden = heterotrimes G-Protein = Grundzustand.

• alpha-Untereinheit ist am N-Terminus modifiziert - und zwar ist eine FS (C14 oder 16) angehängt. Dadurch kann das Protein an der Plasmamembran fixiert werden.
• beta/gamma-Untereinheit ist am C-Terminus prenyliert d.h. sie haben Terpenreste angeheftet

• 20 alpha
• 5 beta
• 12 gamma

1200 Kombinationen (die Spezifität wird durch die alpha-Untereinheit bestimmt - die Rolle von beta/gamma ist komplex)

Es folgen die zwei Hauptrouten der GPCR-Signaltransduktion:

1. Aktivierung oder Inhibition der second messenger-Synthese: cAMP oder cGMP
2. Synthese & Freisetzung von second messenger: IP3 oder Ca2+

Gewisse GPCRs können beide Routen gleichzeitig bedienen.

Die zyklischen Nukleotide und Ca2+ aktivieren daraufhin Effektoren (Regulationsmoleküle), z.B. Proteinkinasen oder Calmodulin = Signaltransduktion

Gewisse G-beta/gamma-Kombinationen können bestimmte Ionenkanäle (GIRK K+ channels), GPCR-Kinasen (GPCR-Deaktivierung) Phosphatidylinositol-3-Kinase wie auch Adenylat-Zyklasen und Phospholipasen C direkt regulieren.

• Phosphorylierung (des C-Terminus des GPCR) durch GRK, PKA und PKC hemmt die Rezeptor-Kopplung zum G-Protein = schnelle Desensitisierung
• Beta-Arrestin bindet an den phosphoryliertes GPCR = Hemmung
• beta-Arrestin bindet an Clathrin und/oder AP-2 und bewirkt so die Internalisierung des GPCR
• internalisierter GPCR fusioniert mit Endosomen
• Phosphatase dephosphoryliert das GPCR, pH im Endosom ist tiefer - dadurch löst sich der Ligand
• GPCR ist resensitiviert und gelangt wieder an die Zelloberfläche