Molekulare Zellbiologie I (Stofftransport)

· intrazelluläre Rezeptoren:

  · kleines hydrophobes Signalmolekül passiert Zellmembran und bindet an intrazellulären (nukleären) Rezeptor

  · Signalmolekül ist extrazellulär an ein hydrophiles Carrier-Protein gebunden, damit es nicht "kleben" bleibt

  · entspricht Wirkungsweise ⅔ aller Medikamente

· extrazelluläre Rezeptoren:

  · ein hydrophiles Signalmolekül binden an extrazellulären Rezeptor

· EZS können sowohl über kurze, als auch lange Distanzen wirken:

  · Kontakt-abhängig:  Signalzelle besitzt Signalmolekül (membrane-bound signal molecule) an der Oberfläche

  · parakrin:       Signalzelle schüttet lokalen Mediator aus, benachbarte Zellen mit Rezeptoren können darauf reagieren

  · endokrin:      Signalmoleküle werden ins Blut abgegeben und im ganzen Organismus verteilt

  · synaptisch:  Signalmoleküle (Neurotransmitter) werden gezielt an Zielzelle abgegeben

  · autokrin:   Signalzelle ist auch Zielzelle (hat den entsprechenden Rezeptor selbst) / bewirkt Signalverstärkung

· Veränderung der Proteinfunktion (Proteinmodifikation):

  · schnell: sec-min

  · Möglichkeiten sind beschränkt

· Veränderung der Proteinsynthese:

  · langsam: min-hrs

  · viele Möglichkeiten

· Signalkaskade läuft erst ab, wenn gleichzeitig zwei verschiedene Signalmoleküle an die Rezeptoren gebunden haben

→ Fluktuationen werden verhindert

· Zellen können je nach Kombination der Signalmoleküle unterschiedlich reagieren

· Beispiele (Buchstaben = Signalmoleküle):

  · A:          nur Zellfunktion aufrecht erhalten

  · A + B:   Zellteilung einleiten

  · A + C:   Differenzierung einleiten

  · - :           Apoptose einleiten

1.  Signalmolekül bindet an Rezeptor

2.  Rezeptor aktiviert SCAFFOLD-Protein ("Gerüst-Protein" / primary transduction)

3.  SCAFFOLD-Protein zwingt andere Enzyme in Nachbarschaft → Aktivierung weiterer Enzyme (relay)

4.  Signal wird verstärkt (z.B. durch Synthese intrazellulärer Signalmoleküle / transduce and amplifiy)

5.  wenn die Kombination verschiedener Signale stimmt, werden weitere Enzyme aktiviert (integrate)

6.  je nach Signal werden verschiedene Enzyme / Proteine mit unterschiedliche Funktionen aktiviert (spread)

7.  Protein wird von einem Anker-Protein gebunden (anchor)

8.  Protein wird angepasst (modulate)

9.  Protein dringt in Zellkern ein und bindet an DNA (effector protein activation)

es gibt verschiedene Mechanismen:

· Signalmoleküle besitzen nur eine kurze Lebensdauer

· Signalmoleküle werden im Endosom abgebaut → leerer Rezeptor wandert wieder in die Membran ein

· Rezeptoren werden mit den Signalmolekülen im Endosom abgebaut (Ursache für eine Sucht)

· Rezeptoren werden inaktiviert (z.B. dephosphoryliert)

· Signal-Proteine werden inaktiviert

· Inhibitor-Protein wird synthetisiert

· Hormone:                                  für langandauernde Prozesse / im ganzen Körper durch Blutstrom verteilt

· Wachstumsfaktoren:             für Zellwachstum

· Cytokine:                                    für spezifische Zellreaktion

· Chemokine:                               für Zellbewegung (entlang eines Gradienten)

· Neurotransmitter:                   für Übertragung im synaptischen Spalt

· Neuromodulatoren:               für Regulation der Nervenleitung

· Zelloberflächenmoleküle:    für gegenseitige Erkennung / andere Funktionen

· Signalmoleküle, die ins Blut abgegeben werden → Wirkung über lange Distanz

· Beispiele:

  · Proteine:                              Wachstumshormon

  · Peptide:                                Insulin

  · Aminosäure-Derivate:    Adrenalin

  · Fettsäure-Derivate:         Eicosanoide

  · Cholesterin-Derivate:     Steroidhormone

  · Gase:                                      NO

· Proteine / Peptide

· Proteine / Peptide

· Proteine / Peptide

· Aminosäuren:                      Glutamat / Glycin

· Aminosäuren-Derivate:   GABA / Dopamin / (Nor)Adrenalin / Serotonin

· Peptide

· Proteine (meistens membrangebundene Glykoproteine)

3 Klassen:

  · Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren (v.a. für kleine Signalmoleküle wie z.B. ACh)

  · G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (v.a. für kleine Substanzen wie z.B. Adrenalin)

  · Enzym-gekoppelte Rezeptoren (v.a. für Proteine, Substrat muss genug gross sein)

· können von aussen gesteuert werden

· "ATP-Schalter":

  · Start:   Signal von aussen → Proteinkinase wird aktiviert → phosphoryliert Protein → Signalkaskade

  · Stop:   Proteinphosphatase dephosphoryliert Protein

· "GTP-Schalter" / monomeres G-Protein (z.B. Ras-Protein):

  · Start:   Signal von aussen (GEF / Guanine nucleotide exchange factor) → GDP dissoziiert von Protein

                    → GTP kann nicht-kovalent an Protein binden → Signalkaskade

  · Stop:   GTP wird durch GAP (GTPase Activating Protein) beschleunigt hydrolisiert (GTP ist leicht hydrolisierbar)

(Zelle besitzt viel mehr GTP als GDP)

· Wirkungsstelle ½ aller Medikamente

· die Hälfte aller (800) GPCRs im Menschen sind für den Geruchssinn / 4 sind Photorezeptoren (R,G,B + Kontrast)

· Rezeptor besitzt 7 Transmembrandomänen

· G-Protein besteht aus α-, β- und γ-Untereinheit

1. wird G-Protein durch Rezeptor aktiviert, bindet die α-Untereinheit GTP und trennt sich vom jetzt aktivierten βγ-Komplex

2. der βγ-Komplex kann gewisse Formen der PI-3-Kinase (Phosphatidyl-Inositol-3-Kinase) aktivieren

3. α-Untereinheit kann Ziel-Proteine aktivieren, wird aber nach einiger Zeit inaktiviert, weil GTP hydrolysiert wird

    → beschleunigt durch Ziel-Protein-Bindung / RGS (Regulators of G-protein signaling) / GAP (GTPase activating proteins)

    → α-Untereinheit dissoziiert vom Ziel-Protein und lagert sich wieder zum αβγ-Komplex zusammen

4. Produktion von zyklischem AMP (cAMP / ein "second messenger") wird stimuliert bzw. inhibiert

· es gibt verschiedene α-Untereinheiten:

  · Gαs  stimuliert Adenylat (Adenylyl) - Cyclase   (→ Bildung von cAMP)

  · Gαi   inhibiert Adenylat (Adenylyl) - Cyclase   (→ Bildung von cAMP)

  · Gaq  stimuliert Phospholipase C   (→ Bildung von IP₃ + Diacylglycerol)

· kleine Adaptorproteine

· erkennen z.B. Phosphatgruppen bzw. ob ein Protein phosphoryliert ist

· funktioniert ähnlich wie Adapter von USB auf Lightning

· entsteht durch Hydrolyse von AMP

· cAMP + Phosphodiesterase → AMP

· übertragen Phosphatgruppen von ATP auf Ziel-Proteine (meistens auf sauerstoffhaltige Seitenketten, wie Ser / Tyr / Thr)

· sehr spezifisch

· müssen aktiviert werden durch cAMP / andere Kinase / Protein-Bindung

· Phosphatidylinositol (PI) wird 2x phosphoryliert und danach durch Phospholipase C hydrolisiert

  → es entstehen zwei "second messenger":  IP₃ (Inositol-1,4,5-Triphosphat) und DG (Diacylglycerol)

    · DG aktiviert Proteinkinase C

    · IP₃ setzt Ca²⁺ aus dem ER frei (intrazelluläres Signal / Ca²⁺- Konzentration im Cytosol ist sehr tief)

      → Aktivierung von Calmodulin → Aktivierung von CaM-Kinase II → ermöglicht Querbrückenzyklus der glatten Muskulatur

· Merkhilfe: IP-Drei setzt Kalzium frei

· Arginin → NO-Synthase → Citrullin + NO

· kann frei durch das Gewebe diffundieren, aber lokale Wirkung (kommt nur ca. 10 Zellen / 100µm weit)

· relaxiert glatte Muskulatur (NO aktiviert Guanylylcyclase → GTP wird zu cGMP umgewandelt)

· cytosolische Domäne hat entweder enzymatische Aktivität, oder interagiert mit einem Enzym

· 6 Klassen:

  · Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (grösste Klasse)

  · Tyrosin-Kinase-assoziierte Rezeptoren

  · Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen

  · Rezeptor-Guanylyl-Zyklasen

  · Histidin-Kinase-assoziierte Rezeptoren (kein Lernstoff)

· nur 1 Transmembransegment

· Rezeptor dimerisiert, wenn Ligand gebunden ist → Rezeptormoleküle können sich gegenseitig phosphorylieren (aktivieren)

· Beispiele: Insulin-Rezeptor / EpidermalGrowthFactor-Rezeptor

1.  Ras-Protein (monomeres G-Protein) wird aktiviert → MAP kinase kinase kinase (Raf) kann dimerisieren (Aktivierung)

2.  MAP kinase kinase kinase (Raf) phosphoryliert MAP kinase kinase (Mek)

3.  MAP kinase kinase (Mek) phosphoryliert MAP kinase (Erk)

4.  MAP kinase (Erk) verändert Proteinsynthese / Proteinaktivität  →  typische Effekte wie Zellwachstum / -teilung

1. PI-3-Kinase wird durch aktivierten Tyrosin-Kinase-Rezeptor aktiviert

2. aktivierte PI-3-Kinase phosphoryliert Phosphatidylinositol (PIP₂ / ein Membranlipid) an der 3' Stelle des Rings

3. PDK1 (Phosphatidylinositol-dependent kinase 1) kann an PIP₃ binden

4. PKB (Protein-Kinase B) wird durch PDK1 und mTOR (stimuliert Zellwachstum) aktiviert

→ Apoptose wird inhibiert (BAD wird inaktiviert → kann nicht mehr an Apoptose-Inhibitor-Protein binden)

→ Zellwachstum wird stimuliert (Zellwachstum-Inhibitor wird inhibiert)

· Signal bewirkt zwar Tyrosin-Phosphorylierung, aber der Rezeptor enthält keine Tyrosin-Kinase-Domäne

  → Rezeptor-assoziierte Tyrosinkinasen im Cytoplasma übernehmen die Phosphorylierung

s. Bild

· Notch-Rezeptor:

  · wichtiger Rezeptor während der Entwicklung und der Ausbildung des Gedächtnis

  · nur für Signalübertragung von direkt benachbarten Zellen

  · wird zuerst im Golgi-Apparat durch Furin gespalten und danach in die Zellmembran eingelagert

  · enthält eine intra- und extrazelluläre Domäne → bei Ligandbindung wird Notch bei der TMD extrazellulär (TACE / α-Secretase) und intrazellulär (Präsenilin / γ-Secretase) geschnitten

  · die intrazelluläre Domäne (NICD) enthält einen Transkriptionsfaktor und wandert in den Zellkern

· Amyloid-Procursor-Protein (APP):

  · vermutlich für Eisenexport / Regulation der Synapsenbildung / neuronale Plastizität

  · kann auf zwei Arten (amyloidogenic / non-amyloidogenic) gespalten werden:

    · α+γ - Spaltung → P3-Komplex → unbekannte Funktion

    · β+γ - Spaltung → Aβ-Komplex wird herausgeschnitten → Aggregation von Aβ → Amyloid → Alzheimer

    → Ursachen für Alzheimer: Mutation in Präsenilin (γ-Sekretase) / Trisomie 21 (APP wird auf Chr21 codiert → mehr APP) / Mutationen in β-Sekretasen wurden bisher nicht im Zusammenhang mit Alzheimer gefunden (Ursache liegt vermutlich im Mikrotubuli-stabilisierenden Protein "Tau")

    → Inhibition von β-Secretase nicht möglich, da diese an der Ausbildung von Myelinscheiden und Muskelspindeln beteiligt ist

· Wnt-β-Catenin Signalweg:

  · wichtig für Ausbildung des Embryos (Glieder / Richtung und Orientierung des Wachstums)

  · solange kein Wnt-Signal vorliegt, wird das phosphorylierte (unstabile) β-catenin vom Proteasom abgebaut

  · GPCR erkennt Wnt-Signal → β-catenin wird stabil und verdrängt "Groucho" (ein Transkriptionshemmer)

1. hyrophobe Substanzen (meistens Steroidhormone) druchdringen die Zellmembran

2. binden an nukleäre Rezeptoren → massive Konformationsänderung

3. Rezeptor kann nun an DNA binden

  (durch Hormontherapie bewirkt man eine Ligandbindung ohne Konformationsänderung / eigentlich Anti-HT)

· Herstellung (fast jede Zelle kann Eicosanoide herstellen):

  Ligand + GPCR → Arachidonsäure → Phospholipase A2 → Eicosanoide

· Wirkung:

  Eicosanoid + GPCR → Adenylat-Cylase → cAMP → Wirkung

· Beispiel (Makrophagen):

  Formyl-Methionin (Ligand) kommt aus Bakterien → eindeutiges Merkmal für bakterielle Infektion

· Hemmung der Eicosanoid-Synthese:

  · steroidale Hemmung (durch Glucocorticoide / Hemmung der Phospholipase A2 / unspezifische Hemmung)

  · nicht-steroidale Hemmung (durch NSAIDs / Hemmung der Cyclooxigenase / spezifischere Hemmung)

    → Beispiel Schmerzmittel: Fieber senkend, ... / Hemmung von Prostaglandinen → Nierenschäden

· wichtige Eicosanoide:

  · Prostaglandine (Schmerz / Fieber / Entzündungen / Blutdruckregulation)

  · Thromboxane (Blutgerinnung)

  · Leukotriene (Gefässerweiterung)

· sekundäres, intrazelluläres Signal (Antwort auf Ligand-Bindung)

· Beispiele:

  · cAMP:    ATP + Adenylyl-Cyklase → cAMP → aktiviert Proteinkinase A  → Abbau von cAMP durch Phosphodiesterasen

  · cGMP:    GTP + Guanylyl-Cyklase → cGMP (ähnlich wie cAMP / wichtig für Signaltransduktion beim Sehvorgang)

  · DG:          PIP₂ + Phospholipase C → Diacylglycerin / aktiviert Proteinkinase C

  · IP₃:         PIP₂ + Phospholipase C → IP₃ → setzt Kalzium frei

  · Ca²⁺:      Wirkung als Cofaktor / ...

  · NO:          Arginin + NO-Synthase → NO