11 MZB I - Plückthun

(Hormone sind Signal- und Botenmoleküle, die der Regulation der verschiedenen Körperfunktionen dienen. Sie können von hormonbildenden Zellen in das umliegende Gewebe (parakrine Sekretion) oder in die Blutgefäße abgegeben werden (endokrine Sekretion). )

Proteine, Peptide, ASminosäuren-Derivate, Fettsäuren-Derivate, Cholesterin-Derivate, Gas

(Wachstumsfaktoren, kurz GF, sind Proteine, welche die Zellproliferation und/oder die Differenzierung von Vorläuferzellen (Progenitorzellen) bzw. Stammzellen zu somatischen Zellen beeinflussen.)

Proteine, Peptide

(Zytokine sind vom menschlichen Körper produzierte regulatorische Eiweiße (Peptide), die der Steuerung der Immunantwort dienen.)

Proteine, Peptide

(Chemokine sind eine Gruppe von Signalproteinen bezeichnet, welche verantwortlich für die sog.Chemotaxis von verschiedenen Zellen sind.

Als Chemotaxis wird eine durch Ausschüttung bzw. Bildung von Botenstoffen (Chemokine) hervorgerufene Anlockung von Zellen des Immunsystems (z.B. Leukozyten) an den Ort einerentzündlichen Reaktion bezeichnet.)

Proteine, Peptide

(Neurotransmitter sind biochemische Stoffe, welche Reize von einer Nervenzelle zu einer anderen Nervenzelle oder Zelle weitergeben, verstärken oder modulieren.)

Aminosäuren, Aminosäuren-derivate

(Ein Neuromodulator ist eine chemische Verbindung, die die Aktivität des Nervensystems beeinflusst. Sämtliche neuronalen Regulationsprozesse sind auf die Gegenwart solcher Substanzen angewiesen. )

Peptide

Oberflächenmoleküle, Zelloberflächenmoleküle, Sammelbezeichnung für Moleküle, die auf der Oberfläche von Zellen (auf bzw. in der Zell-Membran) lokalisiert sind. 

Proteine

Wasserlösliche Signalmoleküle können die Zellmembran nicht passieren. Sie binden an Zelloberflächen-Rezeptoren.
->Rezeptor-Aktivierung auf der extrazellulären Seite führt zu einem intrazellulären Signal.

Hydrophobe Signalmoleküle können (meist) die Zellmembran passieren. Sie binden an intrazelluläre Rezeptoren.

s.B.

s.B.

Scaffold proteins are adaptor and/or anchoring proteinsthat bind multiple signaling proteins together in a functional complex and often hold them at a specific location.

Because the scaffold guides the interactions between the successive components in such a complex, the signal can be relayed with precision, speed, and efficiency; moreover, unwanted cross-talk between signaling pathways is avoided.

In some cases signaling complexes form only transiently, as when signaling proteins assemble around a receptorafter an extracellular signal molecule has activated it.

s.B.

GPCRs (G protein-coupled receptors)

Grossfamilie mit gegen 800 Genen. Ca. die Hälfte der heute eingesetzten Medikamente wirken auf GPCRs oder GPCR-abhängige Signalmechanismen.

Die G-Protein-gekoppelten Rezeptoren bilden eine grosse Familie von Rezeptorproteinen mit 7 Transmembran-Domänen.

• Der Mensch hat ca 800 verschiedene GPCRs
• Davon sind ca. 400 für den Geruchssinn verantwortlich
• 4 sind Photorezeptoren im Auge (Rhodopsin in den Stäbchen für schwaches Licht) und Zapfen (3 Farbrezeptoren [Photopsine oder Iodopsine genannt])
• Die anderen ca. 400 GPCRs steuern fast die gesamte Physiologie des Menschen

(A) In the unstimulated state, the receptor and the G protein are both inactive. Although they are shown here as separate entities in the plasma membrane, in some cases, at least, they are associated in a preformed complex. (B) Binding of an extracellular signal to the receptor changes theconformation of the receptor, which in turn alters the conformation of the G protein that is bound to the receptor. (C) The alteration of the α subunit of the G protein allows it to exchange its GDP for GTP. This causes the G protein to break up into two active components—an α subunit and a βγ complex, both of which can regulate the activity of target proteins in the plasma membrane. The receptor stays active while the external signal molecule is bound to it, and it can therefore catalyze the activation of many molecules of G protein.

Konformationsänderung des heterotrimeren G-Proteins (ohne Dissoziation), wobei vorher im Inneren versteckte Interaktionsstellen auf der Oberfläche exponiert und zugänglich werden.

Aktivierung eines Zielprotein durch die aktivierte α-Untereinheit des G-Proteins (s.B.)

Aktivierung eines Zielproteins durch die aktivierte βγ-Untereinheit des G-Proteins: Die aktivierte βγ-Untereinheit kann gewisse Formen der PI-3-Kinase (Phosphatidyl-Insositol-3-Kinase) via Bindung an deren regulatorische Untereinheit aktivieren.

Abschaltung des Aktivierungszustands der α-Untereinheit: Hydrolyse des gebundenen GTP und Ablösung vom Zielprotein

Hydrolyse des gebundenen GTPs wird beschleunigt durch die Bindung der α-Untereinheit an ihr Zielprotein, sowie durch die Beihilfe von RGSs (Regulators of G protein signaling)
(RGSs sind GAPs (GTPase activating proteins) mit spezifischer Aktivität für die αUntereinheit der heterotrimeren G-Proteine. Es gibt ca 25 RGSs im menschlichen Genom.)

Abschaltung des Aktivierungszustands der βγ-Komplexes: Wiedervereinigung mit der inaktivierten α-Untereinheit

G-Proteine wirken via Produktion von zyklischem AMP (cAMP) [Stimulation oder Inhibition des produzierenden Enzyms]
-> Aktivierung des nächsten "Schalters", einer Protein Kinase

In a reaction catalyzed by the enzyme adenylyl cyclase, cyclic AMP (cAMP) is synthesized from ATP through a cyclization reaction that removes two phosphate groups as pyrophosphate (P—P); a pyrophosphatase drives this synthesis by hydrolyzing the released pyrophosphate to phosphate (not shown). Cyclic AMP is unstable in the cell, because it is itself hydrolyzed by a specific phosphodiesterase to form 5′-AMP, as indicated.

Proteinkinasen übertragen Phosphatgruppen von ATP auf bestimmte Zielproteine
-> Dadurch können einzelne Proteine an- und abgeschaltet werden
-> Die meisten Kinasen müssen selbst
erst angeschaltet werden!
  - durch cAMP
  - durch eine andere Kinase
  - durch Bindung eines anderen Proteins

Proteinkinasen sind spezifisch
1. Sie erkennen nur ganz wenige Proteine als Substrat
2. Sie phosphorylieren oft nur eine einzige Aminosäure

Proteinkinase A
Tetramer aus 2 regulatorischen (R) und 2 katalytischen (K) Untereinheiten Reaktion:
4 cAMP + R2K2 (inaktiv) ⇌ 2 [R-(cAMP)2] + 2 K (aktiv)

The binding of cyclic AMP to the regulatory subunits induces a conformational change, causing these subunits to dissociate from the catalytic subunits, thereby activating the kinase activity of the catalytic subunits. The release of the catalytic subunits requires the binding of more than two cyclic AMP molecules to the regulatory subunits in the tetramer. This requirement greatly sharpens the response of the kinase to changes in cyclic AMP concentration

Serin-/Threonin-Phosphoprotein-Phosphatasen machen die Phosphorylierung wieder rückgängig

The binding of an extracellular signal molecule to its G-protein-linked receptor leads to the activation of adenylyl cyclase and a rise in cyclic AMP concentration. The increase in cyclic AMP concentration activates PKA in the cytosol, and the released catalytic subunits then move into the nucleus, where they phosphorylate the CREB gene regulatory protein. Once phosphorylated, CREB recruits the coactivator CBP, which stimulates gene transcription. This signaling pathway controls many processes in cells

CRE: cAMP Response Element
CREB: cAMP Response Element binding

Der Sinn der Kaskade: Signalverstärkung

s.T.

Gαs - stimuliert die Adenylat Cyclase
Gαi - inhibiert die Adenylat Cyclase
Gαq - stimuliert ein ganz anderes Enzym, Phospholipase C

(Die Adenylatzyklase ist ein membrangebundenes Enzym, welches nach entsprechender Aktivierung aus ATP cAMP bildet.)

Gαq-Proteine aktivieren Phospholipase C-β.
Diese generiert Inositol-1,4,5-Trisphosphat (=IP3) und Diacyl-Glycerol (=DG) aus PI(4,5)P2
-> generiert zwei „Second Messenger“: Inositol-1,4,5-Trisphosphat (IP3) und Diacylglycerol (DG)

Biosynthese des Substrats:
-> PI-4-Phosphat
-> PI-4,5-Bisphosphat (PIP2)

The polyphosphoinositides—PI(4)P and PI(4,5)P2—are produced by the phosphorylation of phosphatidylinositol (PI) and PI(4)P, respectively. Although all three inositol phospholipids may be broken down in a signaling response, it is the breakdown of PI(4,5)P2 that is most critical because it generates two intracellular mediators

IP3 erzeugt ein intrazelluläres Ca2+-Signal

The activated receptor stimulates the plasma-membrane-bound enzyme phospholipase C-β via a G protein. Depending on the isoform of the enzyme, it may be activated by the α subunit of Gq, by the βγ complex of another G protein, or by both. Two intracellular messenger molecules are produced when PI(4,5)P2 is hydrolyzed by the activated phospholipase C-β. Inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) diffuses through the cytosol and releases Ca2+ from the endoplasmic reticulum by binding to and opening IP3-gated Ca2+-release channels in the endoplasmic reticulum membrane. The large electrochemical gradient for Ca2+ across this membrane causes Ca2+ to escape into the cytosol. Diacylglycerol remains in the plasma membrane and, together with phosphatidylserine (not shown) and Ca2+, helps to activate the enzyme protein kinase C, which is recruited from the cytosol to the cytosolic face of the plasma membrane

Die Grundlage des intrazellulären Ca2+ Signals:
Eine extrem niedrige Konzentration von freiem Ca2+ im Cytosol

(A) Ca2+ is actively pumped out of the cytosol to the cell exterior. (B) Ca2+ is pumped into the ER and mitochondria, and various molecules in the cell bind free Ca2+ tightly.

Der Sensor für Ca2+ : Calmodulin

Ubiquitous calcium-binding protein whose binding to other proteins is governed by changes in intracellular Ca2+ concentration. Its binding modifies the activity of many target enzymes and membrane transport proteins.

In the absence of Ca2+/calmodulin, the enzyme is inactive as the result of an interaction between the inhibitory domain and the catalytic domain. The binding of Ca2+/calmodulin alters the conformation of the protein, allowing the catalytic domain to phosphorylate the inhibitory domain of neighboring subunits in the complex, as well as other proteins in the cell (not shown). The autophosphorylation of the enzyme complex (by mutual phosphorylation of its subunits) prolongs the activity of the enzyme in two ways. First, it traps the bound Ca2+/calmodulin so that it does not dissociate from the enzyme complex until cytosolic Ca2+ levels return to basal values for at least 10 seconds (not shown). Second, it converts the enzyme to a Ca2+-independent form so that the kinase remains active even after the Ca2+/calmodulin dissociates from it

s.B.

Problem: die glatte Muskulatur enthält kein Troponin

-> Das Myosin muss phosphoryliert werden
  -> durch MLCK: Myosin light chain kinase