G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Ionenkanal- gekoppelte Rezeptoren
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Ionenkanal- gekoppelte Rezeptoren
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Vorlesung Grundlagen und Biochemie der Ernährung<br />
SS 2012<br />
Junprof. Melanie Esselen<br />
Grundlagen und Biochemie der Ernährung<br />
-Signaltransduktion-
� Zell-Zell-Kommunikation<br />
� Membrangebundene <strong>Rezeptoren</strong><br />
� Enzym <strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
Signaltransduktion<br />
� G-<strong>Protein</strong> <strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
� <strong>Ionenkanal</strong> <strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
� Transkriptionfaktoren<br />
� NF�B<br />
� Nrf-2<br />
� Kernrezeptoren<br />
� Zellzyklus & Apoptose
Kommunikation zwischen Zellen<br />
� Direkte Zell-Zell Verbindungen / kontakt-abhängige Zellkommunikation<br />
(z.B. Antigen-Antikörper Reaktion)<br />
� Extrazelluläre Signalmoleküle (Botenstoffe):<br />
� Transport von (Signal-)Molekülen durch Plasmamembranen<br />
� Signaltransduktion vermittelt durch membranständige <strong>Rezeptoren</strong><br />
� synaptische Verbindungen (Nervenleitung)
Direkte Zell-Zell-Verbindungen (cell junctions)<br />
Zellen können verbunden sein durch :<br />
a) occluding junctions:<br />
- tight junctions (zonula occludens)<br />
b) anchoring junctions:<br />
– Desmosom (Intermediärfilamente)<br />
– adherens junctions (zonula adherens)<br />
(Aktinfilamente)<br />
c) communicating junctions:<br />
– gap junctions<br />
– Synapsen<br />
CellJunction Demo 19.1
Membranen als Vermittler der Signaltransduktion<br />
Signalmolekül<br />
Rezeptor (Sensor)<br />
Intrazelluläre Signaltransduktion (-skaskade)<br />
Zielprotein<br />
Zellantwort
Das Signalmolekül und sein Rezeptor<br />
Rezeptor (Sensor)<br />
Signalmoleküle können:<br />
• direkt von Zelle zu Zelle gelangen<br />
• von der Zelle ausgeschieden werden<br />
Signalmoleküle<br />
• Hormone, Ionen, Gase (NO), Lipide, <strong>Protein</strong>e<br />
(Wachstumsfaktoren)
Membrangebundene <strong>Rezeptoren</strong><br />
� Transmembranproteine<br />
� häufig sehr große glykosylierte extrazelluläre Domäne mit<br />
Ligandenbindungsstelle<br />
� intrazellulären Domäne<br />
� Ligandenbindung : hohe Affinität<br />
� Interaktion zwischen Rezeptor und Ligand reversibel, hochspezifisch<br />
� Konformationsänderung des Rezeptors
� drei große Klassen:<br />
Membrangebundene <strong>Rezeptoren</strong><br />
Enzym-<strong>gekoppelte</strong><br />
<strong>Rezeptoren</strong><br />
<strong>Ionenkanal</strong><strong>gekoppelte</strong><br />
<strong>Rezeptoren</strong><br />
G-<strong>Protein</strong>-<strong>gekoppelte</strong><br />
<strong>Rezeptoren</strong><br />
Typ I-Rezeptor mit intrinsischer Enzymaktivität (im Beispiel: Kinase-Aktivität); Typ II-Rezeptor als<br />
ligandengesteuerter lonenkanal; Typ III-Rezeptor mit G-<strong>Protein</strong>-vermittelter Signalübertragung;<br />
EZ = Extrazellulärraum; IZ = Intrazellulärraum; L = Ligand
Enzym-<strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
� Transmembran-Rezeptor aktiviert direkt intrazelluläres Enzym<br />
• intrinsische Enzymaktivitäten, durch die Bindung des Liganden induziert<br />
Insulinrezeptor:<br />
• Ligandenbindung (Insulin) induziert<br />
Konformationsänderung & Aktivierung<br />
der Tyrosinkinaseaktivität<br />
• Autophosphorylierung und Phosphor-<br />
ylierung anderer Substrate<br />
• GLUT4 Translokation und<br />
Genexpression<br />
• Glukose Transport/Aufnahme und<br />
Glykogensynthese<br />
Tyr = Tyrosylrest; EZ =<br />
Extrazellulärraum; IZ =<br />
Intrazellulärraum
Was machen Kinasen eigentlich ??<br />
� Durch Phosphorylierung wird<br />
ein <strong>Protein</strong> aktiviert<br />
� Änderung der Konformation,<br />
Ladung<br />
� Phosphatase bewirkt eine<br />
Dephosporylierung und damit<br />
Inaktivierung
Enzym-<strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
Schematische Wirkungsweise:<br />
Ligandenaktivierte Membran-<br />
rezeptoren mit Tyrosinkinase-<br />
aktivität (RTK):<br />
• <strong>Rezeptoren</strong> für:<br />
• IGF-1 = insulin-like growth factor<br />
• EGF = epidermal growth factor<br />
• Blutplättchen-Wachstumsfaktor<br />
(PDGF = platelet-derived growth<br />
factor)<br />
• Regulation<br />
• Zellproliferation,<br />
• Differenzierung<br />
• Überleben
Extrazelluläre<br />
Domäne<br />
Zytoplasmatische<br />
Domäne<br />
ErbB1<br />
EGFR<br />
Rezeptortyrosinkinasen<br />
ErbB2<br />
Her2/neu<br />
ErbB3 ErbB4<br />
Heterodimere<br />
VEGFR<br />
IGFIR
Rezeptortyrosinkinasen<br />
können Zellproliferation<br />
über Ras induzieren<br />
• Ras : G-<strong>Protein</strong> mit intrinsischer<br />
GTPase Aktivität<br />
• Ras aktiviert Kinase-Kaskaden (MAP-<br />
Kinasen), die u. a. zur Expression von<br />
Zellzyklus regulierenden <strong>Protein</strong>en wie<br />
Cyclinen führen
Ionotrope <strong>Rezeptoren</strong><br />
<strong>Ionenkanal</strong>-<strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
� Zu den Typ-II-<strong>Rezeptoren</strong> gehören ligandengesteuerte Ionenkanäle<br />
� Beispiel: Acetylcholinrezeptor<br />
� Ligandenbindung (Acetylcholin)<br />
induziert Konformationsänderung<br />
� Öffnung des <strong>Ionenkanal</strong>s (Na + )<br />
� Schließung durch Hydrolyse von<br />
Acetylcholin (Esterase)<br />
� Weitergabe des Signals durch<br />
spannungsregulierte Ionenkanäle<br />
� Weiterleitung elektrischer Signale<br />
Nikotinischer Acetylcholin-Rezeptor<br />
A B<br />
A. Anordnung der Untereinheiten in der Membran;<br />
B. Struktur der a-Untereinheit; 1,2,3,4 =<br />
Transmembrandomänen
<strong>Ionenkanal</strong>-<strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
Schematische Wirkungsweise:<br />
� Neben den Neurotransmitter-<br />
Kanälen (Acetylcholin etc.)<br />
sind spannungsabhängige<br />
Kationenkanäle wichtig<br />
� K + , Ca 2+ , Na + -Kanäle<br />
� Regelung der Signalübertrag-<br />
ung von Nerven- und<br />
Muskelzellen
G-<strong>Protein</strong>-<strong>gekoppelte</strong> <strong>Rezeptoren</strong><br />
� Transmembran-Rezeptor aktiviert via G-<strong>Protein</strong> das Target <strong>Protein</strong><br />
� Zwischenschaltung von G-<strong>Protein</strong>en und Bildung sog. second messenger, die<br />
ihrerseits die Aktivität weiterer <strong>Protein</strong>e modifizieren<br />
� Beispiel ist die Aktivierung des Enzyms Adenylatcyclase durch die Hormone<br />
Adrenalin und Glucagon in der Leber<br />
� Ligandenbindung induziert<br />
Bindung des G-<strong>Protein</strong>s<br />
� Bindung von GTP<br />
� a-Untereinheit/GTP bindet an<br />
Adenylatcyclase<br />
� cAMP Synthese � second<br />
messenger<br />
G-<strong>Protein</strong>-vermittelte Aktivierung der Adenylatcyclase<br />
EZ = Extrazellularraum; IZ = Intrazellularraum
Adenylatcyclase
Schematische Wirkungsweise
Die Regulierung der Genexpression<br />
durch Transkriptionsfaktoren<br />
• Aktivierung NF-�B durch pro-<br />
inflammatorischen Cytokine TNFa<br />
und IL-1<br />
• NF-�B ist normalerweise inaktiv<br />
durch Bindung an I�B<br />
• TNFa-Bindung setzt NF-�B frei �<br />
Translokation in den Zellkern<br />
• kann als Transkriptionsfaktor an die<br />
Promoterregion von Target-Genen<br />
binden<br />
• NF-�B kann auch durch zellulären<br />
Stress induziert werden
Nrf-2<br />
� Familie der „NF-E2-related“ Transkriptionsfaktoren<br />
� Induziert die Gentranskription von Phase II-Enzymen<br />
Rezeptor Rezeptor<br />
Membran Membran PKC PKC<br />
MAPK MAPK<br />
Zytosol Zytosol<br />
PI3K PI3K<br />
Zellkern Zellkern<br />
ROS ROS<br />
PP<br />
P<br />
Nrf-2 Nrf-2 Nrf-2<br />
Keap-1 Keap-1 Keap-1<br />
PP<br />
P<br />
Nrf-2 Nrf-2 Nrf-2<br />
Maf Maf<br />
ARE ARE<br />
Aktin Aktin<br />
Keap-1 Keap-1 Keap-1<br />
ThiolgruppenThiolgruppenmodifizierungmodifizierung<br />
Genexpression<br />
Genexpression<br />
Phase Phase II-Enzyme II-Enzyme
� „Signal transducers and activators of<br />
transcription“ (STAT): zytosolische<br />
<strong>Protein</strong>e<br />
� Aktiviert durch Wachstumsfaktoren<br />
oder Zytokine<br />
� EGFR<br />
� Zytokinrezeptor<br />
� Nicht-RTK: Abl & Src<br />
� Säugerzellen: 7 Isoformen<br />
� Alle tragen SH 2-Domände �<br />
Dimerisierung<br />
STAT <strong>Protein</strong>e
Die Nuclear Receptor Superfamilie –<br />
ausgewählte Mitglieder<br />
Steroid Hormon <strong>Rezeptoren</strong><br />
� Glucocorticoid Rezeptor<br />
� Progesteron Rezeptor<br />
� Estrogen Rezeptor<br />
� Androgen Rezeptor<br />
Thyroid Hormon Rezeptor<br />
Vitamin D Rezeptor<br />
Retinoid <strong>Rezeptoren</strong>
Mechanimus des ER<br />
E<br />
E<br />
Bindeprotein<br />
im<br />
Plasma<br />
Signalmolekül (wasserunlöslich)<br />
E<br />
E<br />
Hsp90<br />
ER<br />
Hsp90<br />
Hsp90<br />
ER<br />
Hsp90<br />
Zytoplasma<br />
Zellkern<br />
Hsp90<br />
E E<br />
ER ER<br />
<strong>Protein</strong><br />
Zellantwort<br />
Koaktivatoren<br />
SRC-1<br />
E E<br />
ER ER<br />
ERE<br />
CBP/p300<br />
TF<br />
TBP<br />
TATA<br />
aGGTCAnnnTGACCt<br />
Transkriptionsapparat<br />
RNA<br />
Pol<br />
Gen-<br />
expression
Mechanismus des Ah-Rezeptors<br />
� Arylhydrogen Rezeptor<br />
� ARNT „Ah receptor nuclear<br />
translocater“ Dimerisierungspartner<br />
� AhR/ARNTHeterodimere binden an<br />
den das XRE „xenobiotic response<br />
element“ in der „Enhancer“ Eegion<br />
der DNA<br />
� Induktion der Genexpression von<br />
� Phase I-Enzymen (CyP450)<br />
� Phase II-Enzymen (GST, UGT)
G2:<br />
Vorbereitung auf<br />
Chromosomen-<br />
Teilung und<br />
Zellwachstum<br />
Interphase (ca. 23 h): G1-<br />
S-G2<br />
Der Zellzyklus<br />
M-Phase (ca. 1 h):<br />
Trennung der Chromosomen (Mitose) und Cytokinese<br />
Synthese Phase:<br />
DNA Replication<br />
G1:<br />
Zellwachstum,<br />
Vorbereitung auf DNA<br />
Replikation und<br />
Kontrolle<br />
G0: “Ruhephase”,<br />
Zyklus-Arrest
Kontrollproteine des Zellzyklus<br />
• Zyklin-abängige Kinasen (CDK) assoziiert an Zykline (Cyc) im Verlauf des<br />
Zellzyklus<br />
• Die Zellzyklusübergänge werden reguliert durch CDK-Komplexe<br />
• bestehend aus der katalytischen CDK-Untereinheit und dem spezifischen<br />
Zyklin<br />
• p21, p27 und p57 sind CDK-inhibierende <strong>Protein</strong>e
Nekrose Nekrose Apoptose Apoptose<br />
Zerstörung Zerstörung von von<br />
Membranen<br />
Membranen<br />
Ausfallen von<br />
Ionenpumpen<br />
(Ca2+ u. Na + Ausfallen von<br />
Ionenpumpen<br />
(Ca -Einstrom<br />
2+ u. Na + -Einstrom<br />
Entzündungsreaktionen<br />
Entzündungsreaktionen<br />
Schrumpfen Schrumpfen von von<br />
Zytoplasma Zytoplasma und und Zellkern Zellkern<br />
Abbau Abbau durch durch Phagozytose<br />
Phagozytose<br />
Chromatinkondensation/<br />
Chromatinkondensation/<br />
Bildung Bildung von von Ausstülpungen<br />
Ausstülpungen<br />
Abschnüren Abschnüren der der<br />
apoptotischen apoptotischen Körperchen<br />
Körperchen<br />
Abbildung: Darstellung von Apoptose und Nekrose [Hug, 2000]. Bei der Nekrose<br />
schwellen das Zytoplasma (rosa) und der Zellkern (rot) durch Ca 2+ - und Na + -Einstrom an,<br />
bis sie platzen. Es kommt zu Entzündungsreaktionen. Bei der Apoptose schrumpfen<br />
Zytoplasma und Zellkern. Der Abbau findet durch Phagozytose (Phagozyten, blau) der<br />
entstehenden apoptotischen Körperchen statt.
1. T-Zellen setzen Perforin frei �<br />
Porenbildung<br />
� Granzymen gelangen in das<br />
Zellinnere � Aktivierung von<br />
Caspasen<br />
2. Aktivierung von Todesrezep-<br />
toren führt zur Bindung von<br />
� Adaptorproteinen<br />
� inaktiven Caspasen.<br />
� Komplexbildung � Aktivierung<br />
der Caspasen<br />
3. Zellstress führt zur Freisetzung<br />
von Cytochrom C von den<br />
Mitochondrien<br />
� Bildung des Apoptosoms und<br />
zur Aktivierung von Caspasen<br />
Apoptose
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