11 MZB I - Plückthun

Enzym-gekoppelte Rezeptoren haben eine cytosolische Domäne, welche
  a) enzymatische Aktivität hat, oder
  b) direkt mit einem Enzym interagiert.

Es gibt 6 Klassen von Enzym-gekoppelten Rezeptoren

Enzym-gekoppelte Rezeptoren (oder deren Untereinheiten) haben nur 1 Transmembran-Segment

(Like G-protein-linked receptors, enzyme-linked receptors are transmembrane proteins with their ligand-binding domain on the outer surface of the plasma membrane. Instead of having a cytosolic domain that associates with a trimeric G protein, however, their cytosolic domain either has an intrinsic enzyme activity or associates directly with an enzyme.)

(for the enzyme-linked receptors, two or more receptor chains come together in the membrane, forming a dimer or higher oligomer. In some cases, ligand binding induces the oligomerization. In other cases, the oligomerization occurs before ligand binding, and the ligand causes a reorientation of the receptor chains in the membrane. In either case, the rearrangement induced in cytosolic tails of the receptors initiates the intracellular signaling process)

Eine von 6 Klassen von Enzym-gekoppelten Rezeptoren

Typischer katalytischer Rezeptor, bei dem die enzymatisch aktive Domäne Bestandteil des Rezeptors ist

Der Rezeptor dimerisiert, wenn Ligand gebunden ist
-> Darauf hin phosphorylieren sich die Rezeptor-Moleküle gegenseitig durch die Kinase im Cytoplasma

Situation in Tumoren
Der Rezeptor dimerisiert und gibt Wachstumssignale, obwohl er das gar nicht soll, zB
- Rezeptor ist überexprimiert (viel zu viele Rezeptoren -> zu viel Dimer)
- Die Zelle stellt den Liganden autokrin oder parakrin her
- Der Rezeptor hat Mutationen, die ihn permanent dimerisieren
- Die Kinase hat eine Mutation, die sie permanent aktiv macht

Phosphorylierte Tyrosine dienen als Andockungsstellen für Proteine mit SH2-Domänen (oder auch PTB domänen)

-> Von den Tyrosin-phosphorylierten Andockungsstellen ausgehend werden spezifisch unterschiedliche Signalwege initiiert

s.T.

Ras: ein kleines, monomeres G-protein
Ras helps to broadcast signals from the cell surface to other parts of the cell. 

GTPase-activating proteins (GAPs) inactivate Ras by stimulating it to hydrolyze its bound GTP; the inactivated Ras remains tightly bound to GDP. Guanine nucleotide exchange factors (GEFs) activate Ras by stimulating it to give up its GDP; the concentration of GTP in the cytosol is 10 times greater than the concentration of GDP, and Ras rapidly binds GTP once GDP has been ejected.

Der durch Ras aktivierte MAP-Kinase-Weg

Typische Effekte:
Zellwachstum, Zellteilung, Verhinderung de Zelltods (der Apoptose)
-> fast die hälfte der Tumoren basieren auf einem ständig aktivierten RAS

The pathway activated by Ras begins with a MAP-kinase-kinase-kinase called Raf, which activates the MAP-kinase-kinase Mek,which then activates the MAP-kinase called Erk. Erk in turn phosphorylates a variety of downstream proteins, including other kinases, as well as generegulatory proteins in the nucleus. The resulting changes in gene expression and protein activity cause complex changes in cell behavior.

(Both the tyrosine phosphorylations and the activation of Ras triggered by activated receptor tyrosine kinases are short-lived.
To stimulate cells to proliferate or differentiate, these short-lived signaling events must be converted into longer-lasting ones that can sustain the signal)

Aktivierte PI-3-Kinase phosphoryliert das Membranlipid Phosphatidylinositol (PI) an der 3-Stellung des Inositol-Rings
-> diese zusätzlichen 3 phophatgruppen sind notwendig als andockstellen
  -> PI-3-Kinase bildet spezifische Inositolphospholipid-Andockungsstellen auf der cytosolischen Seite der Plasmamembran

PI 3-kinase phosphorylates the inositol ring on carbon atom 3 to generate the inositol phospholipids shown at the bottom of the figure. The phosphorylations indicated by the green arrows are catalyzed by other inositol phospholipid kinases.

zwei häufig anzutreffende PIP3-Dockingproteine

Aktive PI3 kinase hat 2 essentielle Funktionen
1. Sie stimuliert das Zell-Wachstum
  -> Durch inhibition des Inhibitors (s.B.)
2. Sie inhibiert die Apoptose (= programmierter Zelltod)

((A) PI 3-kinase binds to a phosphotyrosine on the activated B cell receptor complex and is thereby activated to phosphorylate the inositol phospholipidPI 4,5-bisphosphate [PI(4,5)P2], generating PI 3,4,5-trisphosphate [PI(3,4,5)P3]. (B) The PI 3,4,5-trisphosphate serves as a docking site for two signaling proteins with PH domains that then interact with each other. This causes the cytoplasmic tyrosine kinase BTK to phosphorylate and thereby activatePLC-γ at the membrane. (C) The activated PLC-γ then cleaves PI(4,5)P2 to generate diacylglycerol and IP3, which relay the signal onward.)

Signaling produziert Tyrosin-Phosphorylierung
aber
Der Rezeptor enthält keine Tyrosin-Kinase-Domäne
-> Cytoplasmische Tyrosinkinasen übernehmen die Rolle der Tyrosinphosphorylierung, nachdem sie durch eine non-kovalente Bindung an den Rezeptor aktiviert wurden
  -> z.B. Jak-non-Rezeptor-Tyrosinkinasen

Januskinasen, kurz JAK (ursprünglich von "Just another kinase"), sind zytoplasmatischeTyrosinkinasen, die mit Zytokin-Rezeptoren assoziiert sind. Nach Aktivierung über STAT-Proteinevermitteln sie Effekte ins Zellinnere.

(

The binding of interferon either causes two separate receptor polypeptide chains to dimerize (as shown) or reorients the receptor chains in a preformed dimer. In either case, the associated Jaks are brought together so that they can cross-phosphorylate each other on tyrosines, starting the signaling process. The two different receptor chains are associated with different Jaks (Tyk2 and Jak1), and they recruit different STATs (STAT1 and STAT2). The STATs dissociate from the receptors and form heterodimers when activated by phosphorylation, and they bind to specific DNA sequences in the cell nucleus, where, together with other gene regulatory proteins, they induce the transcription of adjacent genes.)

s.B.

Rezeptor, der bei der Entwicklung (Ausbildung von Zell-Zell Interaktionen) eine Rolle spielt

Im Erwachsenen: Ausbildung von Gedächtnis (neuronale Verknüpfungen)

1. Erst durch die Bindung des Liganden wird die Spaltstelle S2 freigelegt
2. Der Rezeptor Notch enthält bereits einen Transkriptionsfaktor!

When individual cells in the epithelium begin to develop as neural cells, they signal to their neighbors not to do the same. This inhibitory, contact-dependent signaling is mediated by the ligand Delta that appears on the surface of the future nerve cell and binds to Notch proteins on the neighboring cells. In many tissues, all the cells in a cluster initially express Delta and Notch, and a competition occurs, with one cell emerging as winner, expressing Delta strongly and inhibiting its neighbors from doing likewise

The numbered red arrowheads indicate the sites of proteolytic cleavage. The first proteolytic processing step occurs within the trans Golgi network to generate the mature heterodimeric Notch receptor that is then displayed on the cell surface. The binding of Delta, which is displayed on a neighboring cell, triggers the next two proteolytic steps

Proteasen
1. Furin (in Golgi) -> Der Rezeptor auf der Oberfläche ist bereits an dieser Stelle gespalten
2. TACE = α-Secretase
3. Presenilin, part of γ-Sectretase complex

Funktion des β-Amyloid Precursor Protein nicht genau bekannt: (Vermutungen: - Regulator der Synapsenbildung - neuronale Plastizität - Eisen-export)
-> Assoziiert mit der Alzheimerschen Krankheit

APP (β-Amyloid Precursor Protein) wird durch Presenilin (γ-Secretase) im Transmembran-Segment gespalten
-> Aβ (unlöslich, bildet Amyloid)(Amyloid Placques) -> Alzheimer

PP is cleaved within its transmembrane segment, releasing one peptide fragment into the extracellular space of the brain and another into thecytosol of the neuron. In Alzheimer's disease, the extracellular fragments accumulate in excessive amounts and aggregate into filaments that form amyloid plaques, which are believed to injure nerve cells and contribute to their loss.

1. Mehr APP (codiert auf Chromosom 21 à Trisomie 21 (Down's syndome)
2. Mutation in Präsenilin (Teil des γ-Secretase Komplexes)

- Inhibitoren von β-Secretase: Aber: β-Secretase ist an der Ausbildung der Myelinscheide beteiligt und Muskelspindeln!
- Verhinderung der Aggregation von Aβ

von Drosophila bis Mensch: Ausbildung des Embryos: Glieder, Richtung und Orientierung des Wachstums
Defekte beim Erwachsenen: Ausbildung von Krebs

(A) In the absence of a Wnt signal any cytosolic β-catenin becomes bound by the APC-axin-GSK-3β degradation complex. In this complex, β-catenin is phosphorylated by GSK-3β, triggering its ubiquitylation and degradation in proteasomes. Wnt-responsive genes are kept inactive by the Groucho corepressor protein bound to the gene regulatory protein LEF-1/TCF. (B) Wnt binding to Frizzled and LRP activates Dishevelled by an unknown mechanism. By an equally mysterious mechanism, which requires casein kinase 1, this leads to the inactivation of GSK-β3 in the degradation complex. As a result, the phosphorylation and degradation of β-catenin is inhibited, and β-catenin accumulates in the cytoplasm and nucleus. In the nucleus, β-catenin binds to LEF-1/TCF, displaces Groucho, and acts as a coactivator to stimulate the transcription of Wnt target genes.

Kleine, hydrophobe Signalmoleküle können die Zellmembran passieren. Sie binden an intrazelluläre Rezeptoren: sog. Nucleäre Rezeptoren

Die Bindung des spezifischen Liganden an einen nukleären Rezeptor resultiert in einer massiven Konformations-Änderung

Nach der Konformations-Änderung:
- Inhibitorische Proteine dissoziieren
- Der Rezeptor bindet mit seiner DNABindungsdomäne an die DNA (am Rezeptor-Bindungs-Element)
- Die Coactivator-Proteine binden

Eicosanoide sind Verbindungen, die sich von mehrfach ungesättigten Fettsäuren ableiten. Sie werden durch Modifikation des 20 Kohlenstoffatome aufweisenden Grundgerüsts der Arachidonsäuresynthetisiert.
Eicosanoide sind Gewebemediatoren (Lokalhormone), die an einer Reihe von physiologischen undpathologischen Prozessen beteiligt sind. 

Die Bildung von Eicosanoiden beginnt mit der Freisetzung der Vorläufer-Fettsäure (Arachidonsäure, 20 C-Atome) aus membranständigen Phospholipiden. Dieser Schritt wird durch die Phospholipase A2 katalysiert. (Der exakte Mechanismus der Aktivierung der Phospholipase A2 ist noch nicht bekannt)

Physiologische Funktionen von Eicosanoiden: Signalübertragung

Prostaglandine:
• Entstehung von Schmerz und Fieber
• Entzündungen
• Regulation mehrerer Fortpflanzungsfunktionen,
     u.a. von Geburtswehen
• Regulation des Blutdrucks

Thromboxane:
• Blutgerinnung

Leukotriene:
• Mediatoren entzündlicher und allergischer Reaktionen, indem sie u.a. die Blutgefäße erweitern, die Permeabilität der Gefäße erhöhen und Fieber hervorrufen.

Fast alle Zellen können mindestens ein Eicosanoid herstellen

Liganden: können z.B.sein:
-Formyl-Peptide
-Complement Fragment C5a
-Interleukin
-Endothelin

s.B.

Nicht-steroidale Hemmung der Eicosanoid-Synthese: NSAIDs (Non-Steroid-Anti-Inflammatory Drugs)

- Schmerzmittel (Nicht-Opioid Analgetika)
- Fieber senkend
- Entzündungshemmer (höhere Dosis)
- Symptomatische Rheumatherapie

Nebenwirkungen:
Irritationen des Gastrointestinaltrakts, bis zu Magengeschwüren
  Mechanismus:
     -Hemmung der Synthese von Prostaglandin E2 -> Dadurch:
         - Mehr Magensäure Sekretion
         - Weniger Bicarbonat Sekretion

Nierenschäden
 -> indem die Arteriolen der Niere verengt werden (Prostaglandine würden sie erweitern, aber ihre Synthese ist ja gehemmt!)

s.B.

Kann man Wirkung und Nebenwirkungen trennen?
Es gibt 2 Cyclooxygenasen:
COX1: exprimiert in vielen Geweben, unter anderem in der Magenschleimhaut, Inhibition problematisch
COX2: hauptsächlich in Macrophagen, exprimiert als Folge einer Entzündung
-> seine Inhibition wäre gewünscht

Coxibe hemmen COX-2 selektiv, weil sie nicht in die Substratbindungstasche von COX-1 hineinpassen.

Dennoch: die klinischen Vorteile (weniger gastrointestinale Nebenwirklungen) der selektiven COX2 Inhibitoren sind bisher sehr fraglich
-> Möglicherweise ist die Funktionstrennung zw COX1 und COX2 nicht so eindeutig....
Einige COX2 Inhibitoren (Vioxx®, Merck) mussten vom Markt genommen werden wegen erhöhter Myokard-Infarktrisiken!
-> Negativer Effekt der Coxibe auf Myocardzellen, Prostaglandine schützen offenbar gegen Druckbelastung
-> Wissensstand heute: COX2 Inhibitoren inhibieren Produktion von Prostacyclin in Blutgefässen, welches Vasokonstriktion und Blutplättchen-Aggregation verhindern würde: Gefahr von Blutgerinnseln nach COX2 Inhibitor steigt.

Paracetamol / Acetaminophen

Paracetamol
- ist ein (partiell) COX-2 spezifischer Inhibitor
- sehr kurze Halbwertszeit im Körper (~2 Std)
  -> Patienten neigen zur Überdosierung
- Wird über Niere ausgeschieden, Oxidationsprodukte können dort (bei hoher Dosierung) Nierenschäden auslösen
- Hat gewisses Risiko auf cardiovaskuläre Probleme
- Wenig Effekt auf Magen

Wirkmechnismus:
- Paracetamol stört die Peroxidase Reaktion
- Andere COX-Inhibitoren kompetitieren mit Arachidonsäure
=>Paracetamol wirkt nicht in Geweben mit hohem Peroxidanteil