Signaltransduktion in der Zelle: Adenylylcyclase- und Inositolphosphat-System, Insulin und Cortisol

Mechanismen der transmembranen Signalübertragung: Adenylatcyclase- und Inositolphosphat-System, katalytische Rezeptor-Tyrosinkinasen für Insulin und ANP, intrazelluläre Rezeptoren für Steroidhormone.

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Adenylatcyclase-System

Das Adenylatcyclase-System gehört zu den nichtkatalytischen Mechanismen der transmembranen Signalübertragung und umfasst drei Hauptkomponenten: den Rezeptor (R-Protein), das G-Protein und das Enzym Adenylatcyclase. Der Rezeptor kann stimulierend (Rs) oder inhibierend (Ri) sein. Das G-Protein besteht aus drei Untereinheiten — α, β und γ; im inaktiven Zustand ist ein GDP-Molekül an die α-Untereinheit gebunden.

Die Aktivierung wird durch die Bindung eines Hormons an ein Rs-Protein ausgelöst, was dessen Konformation verändert und den Kontakt zur $\alpha$-Untereinheit ermöglicht. Die $\alpha$-Untereinheit verliert ihre Affinität zu BIP und gewinnt eine Affinität zu GTP. Nach der Bindung von GTP trennt sich die $\alpha$-Untereinheit vom $\beta\gamma$-Komplex und bewegt sich durch laterale Diffusion zur Adenylylcyclase. Der entstehende $\alpha$-GTP-Adenylcyclase-Komplex katalysiert die Umwandlung von ATP in cAMP.

cAMP bindet an die regulatorischen Untereinheiten der Proteinkinase A, was deren Dissoziation und die Aktivierung der katalytischen Untereinheiten bewirkt. Proteinkinase A phosphoryliert Zielproteine an Serin- und Threoninresten unter Verbrauch von ATP. Die Inaktivierung des Systems wird durch die eigene GTPase-Aktivität der $\alpha$-Untereinheit gewährleistet: GTP wird zu GDP hidrolysiert, die $\alpha$-Untereinheit kehrt zum $\beta\gamma$-Komplex zurück. Bei der Interaktion mit einem Ri-Protein inhibiert $\alpha$i-GTP die Adenylylcyclase, die cAMP-Konzentration sinkt, die Proteinkinase A assoziiert sich neu und die Proteinphosphorylierung nimmt ab.

Inositolphosphat-System

Dieses System ist ebenfalls nichtkatalytisch und umfasst einen Rezeptor, das Gq-Protein und das Enzym Phospholipase C (PLC). Das Aktivierungsprinzip der α-Untereinheit verläuft analog zum vorherigen: GTP-Bindung, Ablösung vom βγ-Komplex und Aktivierung der PLC.

Phospholipase C hydrolysiert das Membran-Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP₂) unter Bildung von zwei sekundären Botenstoffen: Diacylglycerol (DAG), das in der Membran verbleibt, und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP₃), das in das Cytosol gelangt.

Katalytische Rezeptoren: Insulin und ANP

Zu den katalytischen Rezeptoren gehören der Insulinrezeptor und der Rezeptor für den atrialen natriuretischen Faktor (ANP). Der Insulinrezeptor ist ein Tetramer aus zwei α- und zwei β-Untereinheiten; die β-Untereinheiten besitzen eine Tyrosinkinase-Aktivität.

Bei der Bindung von Insulin an die α-Untereinheiten autophosphorylieren die β-Untereinheiten Tyrosinreste und phosphorylieren zudem IRS-Proteine (Insulin-Rezeptor-Substrate). Effekte der Signalkaskade:

Das Guanylatcyclase-System ist für ANP wirksam. Der Rezeptor selbst fungiert als Guanylatcyclase; bei Ligandenbindung wird die Umwandlung von GTP in cGMP katalysiert. cGMP aktiviert die Proteinkinase G (ein Analogon der Proteinkinase A), welche Zielproteine phosphoryliert.

Intrazelluläre Rezeptoren

Hydrophobe Hormone (z. B. Cortisol und andere Steroide) passieren frei die cytoplasmatische Membran und binden an intrazelluläre Rezeptoren. Der Hormon-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern und interagiert mit spezifischen DNA-Abschnitten:

Die Veränderung der Proteinsyntheserate führt zu einer Umstellung des Zellstoffwechsels. Dieser Signalweg ist typisch für Steroid- und Schilddrüsenhormone.

Wahl des Signalübertragungswegs und Hormonbeispiele

Der Typ des verwendeten Systems wird durch die physikochemischen Eigenschaften des Hormons bestimmt. Hydrophile Hormone können die Lipiddoppelschicht nicht durchdringen und wirken über Membranrezeptoren (Adenylatcyclase-, Inositolphosphat-, katalytische Systeme). Hydrophobe Hormone passieren die Membran und wirken über intrazelluläre Rezeptoren.

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