Signalübertragung: Adenylatcyclase, cAMP, Insulin, Cortisol

Allgemeine Prinzipien der Signalübertragung in die Zelle

Signalmoleküle (Hormone, Mediatoren) übermitteln Informationen über Rezeptoren an die Zelle. Der Rezeptortyp und der Signalübertragungsmechanismus werden durch die physikochemischen Eigenschaften des Liganden bestimmt. Hydrophile Hormone (Adrenalin, Glucagon, Insulin, Angiotensin II, ADH) können die Plasmamembran nicht passieren und wirken über Membranrezeptoren. Hydrophobe Hormone (Cortisol und andere Steroide) durchqueren die Membran frei und binden an intrazelluläre Rezeptoren.

Es gibt drei Haupttypen von Membransignalsystemen: das Adenylatcyclasesystem, das Inositolphosphatsystem (beide sind nicht-katalytisch und an G-Proteine gekoppelt) sowie katalytische Rezeptoren (Insulinrezeptor, Rezeptor für den atrialen natriuretischen Faktor).

Adenylatcyclase-System

Das System besteht aus drei Komponenten: Rezeptor (Rs — stimulierend oder Ri — inhibierend), G-Protein ($\alpha\beta\gamma$-Subunits) und dem Enzym Adenylylcyclase. Im inaktiven Zustand ist die $\alpha$-Subunit an GDP gebunden.

Aktivierungsschritte:

1. Das Hormon bindet an den Rs-Rezeptor und verändert dessen Konformation.
2. Der Rezeptor tritt in Kontakt mit der α-Untereinheit; GDP wird durch GTP ersetzt.
3. Der α-GTP-Komplex dissoziiert von der βγ-Untereinheit und diffundiert lateral zur Adenylatcyclase.
4. Die Adenylatcyclase wird aktiviert und katalysiert die Umwandlung von ATP in cAMP.
5. cAMP bindet an regulatorische Untereinheiten der Proteinkinase A (PKA) und setzt dabei die katalytischen Untereinheiten frei.
6. Die aktive PKA phosphoryliert Zielproteine an Serin- und Threoninresten unter Verwendung von ATP.

Die Inaktivierung erfolgt durch die intrinsische GTPase-Aktivität der α-Untereinheit: GTP wird zu GDP hidrolysiert, die α-Untereinheit kehrt zur βγ-Untereinheit zurück und die Adenylatcyclase wird abgeschaltet.

Bei der Bindung des Hormons an den Ri-Rezeptor wird das α_i-GTP aktiviert, welches die Adenylatcyclase inhibiert: Die cAMP-Konzentration sinkt, die PKA assoziiert sich neu, und die Proteinphosphorylierung nimmt ab.

Über das Adenylatcyclasesystem wirken Adrenalin (über β-Rezeptoren) und Glucagon.

Inositolphosphat-System

Die Struktur ähnelt dem Adenylatcyclasesystem, jedoch arbeitet anstelle des G_s-Proteins ein G_q-Protein und statt der Adenylatcyclase eine Phospholipase C (PLC).

Nach der Hormonbindung an den Rezeptor tauscht die α-Untereinheit GDP gegen GTP aus und aktiviert die PLC. Das Enzym hydrolysiert das Membranlipid Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP₂) in zwei sekundäre Botenstoffe:

• Diacylglycerin (DAG) verbleibt in der Membran;
• Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP₃) tritt in das Cytosol über.

IP₃ öffnet Calciumkanäle des endoplasmatischen Retikulums, und Ca²⁺-Ionen strömen dem Konzentrationsgefälle folgend in das Cytosol.

Wirkungen der Calciumionen

• Ca²⁺ bindet an das Protein Calmodulin (mit 4 Bindungsstellen) und bildet den Ca₄-Calmodulin-Komplex, der Ca-Calmodulin-abhängige Proteinkinasen aktiviert, welche Proteine an Serin- und Threoninresten phosphorylieren.
• Ca²⁺ aktiviert gemeinsam mit DAG und Membran-Phosphatidylserin die Proteinkinase C (PKC), die ebenfalls Proteine an Serin- und Threoninresten phosphoryliert.

Über das Inositolphosphatsystem wirken Angiotensin II, ADH (auf die glatte Gefäßmuskulatur) und Adrenalin in der Leber.

Katalytische Rezeptoren

Diese Rezeptoren besitzen selbst enzymatische Aktivität.

Der Insulinrezeptor

Er besteht aus zwei α- und zwei β-Unterkanten bzw. -Untereinheiten. Die β-Untereinheiten besitzen Tyrosinkinase-Aktivität. Wenn Insulin an die α-Untereinheiten bindet, autophosphorylieren sich die β-Untereinheiten an Tyrosinresten und phosphorylieren IRS-Proteine (Insulinrezeptor-Substrate). Wirkungen:

• Erhöhung des Glucosetransports durch den Einbau von GLUT-4 in die Membran insulinsensitiver Gewebe;
• Aktivierung der Phosphoproteinphosphatase, die Schlüsselenzyme dephosphoryliert;
• Aktivierung der Phosphodiesterase, welche cAMP zu AMP abbaut (Antagonismus zum Adenylatcyclasesystem);
• Veränderung der Expression spezifischer Genes.

Das Guanylatcyclasesystem

Der Rezeptor des atrialen natriuretischen Faktors ist selbst eine Guanylatcyclase. Nach der Ligandenbindung wandelt das Enzym GTP in cGMP um, welches die Proteinkinase G (PKG) — das funktionelle Äquivalent der PKA — aktiviert. Die PKG phosphoryliert Zielproteine.

Intrazelluläre Rezeptoren

Dies ist typisch für hydrophobe Hormone (Steroide, Schilddrüsenhormone), wie zum Beispiel Cortisol. Schritte:

1. Das Hormon diffundiert durch die Plasmamembran.
2. Es bindet an ein cytoplasmatisches Rezeptorprotein.
3. Der Hormon-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern.
4. Er bindet an regulatorische DNA-Abschnitte — Enhancer (Aktivierung der Transkription) oder Silencer (Unterdrückung der Transkription).
5. Die Syntheserate spezifischer Proteine und folglich der zelluläre Stoffwechsel verändern sich.

Dieser Weg bewirkt eine langsame, aber anhaltende Wirkung.

Vergleich der Signalsysteme

• Nicht-katalytische Systeme (Adenylatcyclase- und Inositolphosphatsystem) sind an G-Proteine gekoppelt und nutzen sekundäre Botenstoffe (cAMP, IP₃, DAG, Ca²⁺).
• Katalytische Rezeptoren sind selbst Enzyme (Tyrosinkinase, Guanylatcyclase).
• Intrazelluläre Rezeptoren greifen auf der Ebene der Genexpression bzw. Transkription ein.
• Die Wahl des Signalwegs wird durch die Löslichkeit des Hormons bestimmt: hydrophile Substanzen nutzen Membranrezeptoren, hydrophobe Substanzen intrazelluläre Rezeptoren.

Schlüsselpunkte

• Adenylatcyclasesystem: Rezeptor → G_s/i-Protein → Adenylatcyclase → cAMP → PKA → Proteinphosphorylierung.
• Die α-Untereinheit des G-Proteins verfügt über eine eigene GTPase-Aktivität, die das Abschalten des Signals gewährleistet.
• Das Inositolphosphatsystem erzeugt zwei Botenstoffe — IP₃ (mobilisiert Ca²⁺ aus dem endoplasmatischen Retikulum) und DAG (aktiviert gemeinsam mit Ca²⁺ die PKC).
• Ca²⁺ wirkt über Calmodulin und Ca-Calmodulin-abhängige Proteinkinasen und aktiviert zudem die PKC.
• Der Insulinrezeptor ist eine Tyrosinkinase; er phosphoryliert IRS-Proteine, steigert den Glucosetransport über GLUT-4 und aktiviert die cAMP-Phosphodiesterase.
• Der Rezeptor des atrialen natriuretischen Faktors ist eine Guanylatcyclase, die cGMP bildet und die PKG aktiviert.
• Hydrophobe Hormone (Cortisol) wirken über intrazelluläre Rezeptoren und regulieren die Genexpression über Enhancer und Silencer.
• Adrenalin und Glucagon wirken über das Adenylatcyclasesystem; Angiotensin II und ADH über das Inositolphosphatsystem.