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BCH 202 - Biochemie II: Signalgebung
Slide 3: Signaltransduktion
Definition
Signaltransduktion bezeichnet die Änderung von Zustandeigenschaften (was genau eine Zelle macht → relaxierter Zustand oder nicht z.B) einer Zelle mithilfe von chemischen oder physikalischen Signalen. Ziel ist es, eine gezielte Reaktion hervorzurufen.
allgemein oder zielgerichtete Signalisierung:
zielgeridchtet → nur eine Zelle wird angesteuert
allgemein → mehrere Zellen sind betroffen
Signalträger
Chemische Botenstoffe:
Hormone (z. B. Insulin, Glucagon)
Neurotransmitter (z. B. Acetylcholin, GABA)
Second-Messenger (z. B. cAMP)
Pheromone (z. B. Bombykol)
Chemische Modifikationen:
Phosphorylierung (z. B. Aktivierung von Enzymen)
Ubiquitinierung (z. B. Markierung von Proteinen für den Abbau)
Physikalische Zustände:
Konzentrationsgradienten (z. B. Calciumionen-Konzentration, Ca²⁺)
Spannungsdifferenzen (z. B. Membranpotential)
Erläuterung
Signaltransduktion nutzt entweder chemische Moleküle oder Veränderungen in der Zellumgebung (wie elektrische Spannungen), um Informationen innerhalb oder zwischen Zellen weiterzugeben und gezielte Zellreaktionen auszulösen.
Glossar
Signaltransduktion: Prozess der Umwandlung eines äußeren Signals in eine zelluläre Antwort.
Second-Messenger: Kleine Moleküle, die innerhalb der Zelle Signale weiterleiten.
Phosphorylierung: Übertragung einer Phosphatgruppe auf ein Protein zur Funktionsänderung.
Ubiquitinierung: Markierung von Proteinen für den Abbau.
Membranpotential: Elektrische Spannung über die Zellmembran.
Slide 4: Hormone
Definition
Hormone sind chemische Botenstoffe, die im Körper verschiedene Prozesse steuern und antreiben. Ernest Starling prägte den Begriff, abgeleitet vom Griechischen "hormao" (ich treibe an).
Hormone können auch als Proteine angeschaut werden, wenn diese polypeptidketten von normalerweise 30 oder mehr Aminosäruen bestehen, können sich diese proteine stabil falten
Es gibt aber auch Hormone welche aus weniger Aminosäruen bestehen (muss also nicht zwingend 30 A.A sein als Struktur für ein Hormon) → ein Beispiel ist das Hormon Oxytocin (besteht aus einem Dutzend A.A.)
Hormone werden in der Regulär in so genannten “Drüsen” (endokrinen Drüsen) gebildet. → diese werden dann als granduläre Hormone beschrieben.
Einteilung der Hormone
Nach physikalischen Eigenschaften:
Wasserlöslich (z. B. Adrenalin)
Lipophil (z. B. Cortisol)
Nach chemischem Aufbau:
Niedermolekulare Metaboliten (z. B. Histamin)
Peptide (z. B. Somatostatin)
Proteine (z. B. Insulin)
Nach Herkunft:
Klassische glanduläre Hormone: produziert von speziellen Drüsen (z. B. Insulin aus der Bauchspeicheldrüse)
Aglanduläre Hormone: produziert von spezialisierten Einzelzellen (z. B. Histamin)
Neurosekretorische Hormone: von Nervenzellen freigesetzt (z. B. GABA)
Wirkungsweise
Endokrin: Wirkung über den Blutkreislauf auf entfernte Zellen.
Parakrin: Wirkung auf benachbarte Zellen.
Glossar
Endokrin: Hormon wird über das Blut an entfernte Zielzellen transportiert.
Parakrin: Wirkung auf Nachbarzellen in der direkten Umgebung.
Glanduläre Hormone: Hormone, die von klassischen Drüsen produziert werden.
Neurosekretorisches Hormon: Hormon, das von Nervenzellen gebildet und freigesetzt wird.
Slide 5: Hormonwirkung
Überblick
Hormone können auf verschiedene Weise wirken, je nachdem, wie und wo sie freigesetzt werden:
Parakrin: Hormon wirkt lokal auf benachbarte Zellen (bezieht sich meistens auf nicht-gewbehormonen), diese Hormone sind nur lokal wirkbar.
Justakrin: ist eine Art der Zellkommunikation, bei der ein Signalmolekül auf einer Zelle direkt mit einem Rezeptor auf einer benachbarten Zelle interagiert, ohne dass das Signalmolekül in den extrazellulären Raum abgegeben werden muss.
Autokrin: Hormon wirkt auf die Zelle, die es produziert hat.
Endokrin: Hormon wird in den Blutkreislauf abgegeben und wirkt auf entfernte Zellen.
Neurokrin: Nervenzellen setzen Hormone frei, die auf andere Zellen wirken (Spezialform der Parakrinen Signalwirkung).
Beschreibung der Abbildung
Die Abbildung zeigt schematisch die verschiedenen Wege der Hormonwirkung:
Kurze Strecken werden parakrin und autokrin dargestellt (z. B. benachbarte Zellen).
Längere Strecken werden endokrin dargestellt (über den Blutstrom zu weit entfernten Zielzellen).
Neurokrine Wege sind durch eine neuronale Verbindung und Freisetzung an einer Synapse dargestellt.
Glossar
Autokrin: Wirkung auf die eigene Zelle.
Parakrin: Wirkung auf benachbarte Zellen.
Endokrin: Wirkung auf weit entfernte Zielzellen über den Blutkreislauf.
Neurokrin: Freisetzung eines Hormons durch eine Nervenzelle.
Slide 6: Hormonale Regelkreise
Überblick
Hormonale Regelkreise steuern wichtige Körperfunktionen, indem Hormone in einer definierten Reihenfolge freigesetzt werden. Der Körper reguliert die Produktion dieser Hormone über sogenannte Rückkopplungsmechanismen.
Beispiel: Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse
Der Hypothalamus schüttet CRH (Corticotropin-Releasing-Hormon) aus.
CRH regt die Hypophyse an, ACTH (Adrenocorticotropes Hormon) zu produzieren.
ACTH stimuliert die Nebennierenrinde zur Produktion von Cortisol.
Cortisol wirkt auf Zielorgane (z. B. Leber) und hemmt gleichzeitig über negative Rückkopplung die weitere Ausschüttung von CRH und ACTH.
Beschreibung der Abbildung
Grüne Pfeile stehen für Aktivierungen (Freisetzungen).
Rote gestrichelte Linien stehen für Hemmungen durch negative Rückkopplung.
Der Ablauf verläuft von Gehirn über Hypothalamus und Hypophyse bis zu den Zielorganen.
Glossar
Hydroxylierung ist eine chemische Reaktion, bei der eine Hydroxylgruppe (–OH) an ein Molekül eingeführt wird. In der Leber dient die Hydroxylierung hauptsächlich dazu, Stoffe wasserlöslicher zu machen, damit sie über die Nieren ausgeschieden werden können.
Ablauf
Die Leberzellen (Hepatozyten) enthalten spezielle Enzyme, hauptsächlich die Cytochrom-P450-Enzyme.
Diese Enzyme katalysieren die Einführung einer Hydroxylgruppe (–OH) in schlecht wasserlösliche Substanzen wie:
Medikamente
Gifte
körpereigene Hormone (z. B. Steroidhormone)
Hypothalamus: Steuerzentrum im Gehirn, das Hormone freisetzt.
Hypophyse: Hormondrüse unter dem Hypothalamus, die viele Hormone reguliert.
CRH: Corticotropin-Releasing-Hormon, regt die Freisetzung von ACTH an.
ACTH: Adrenocorticotropes Hormon, stimuliert die Nebennierenrinde.
Cortisol: Stresshormon, das viele Körperprozesse beeinflusst.
Negative Rückkopplung: Mechanismus, bei dem die Ausschüttung eines Hormons die eigene Produktion hemmt.
Slide 7: Hypophyse
Definition und Funktion
Die Hypophyse ist eine zentrale Hormondrüse im Gehirn, die eine Schlüsselrolle bei der Steuerung vieler Körperfunktionen spielt. Sie ist in zwei Hauptteile unterteilt:
Neurohypophyse:
Besteht hauptsächlich aus Nervenfasern, die vom Hypothalamus kommen.
Speichert und schüttet Hormone aus, die vom Hypothalamus produziert wurden.
Adenohypophyse:
Besteht aus Drüsengewebe.
Produziert eigene Hormone.
Diese Hormone steuern periphere Drüsen wie die Schilddrüse, Nebenniere oder Gonaden.
Beschreibung der Abbildung
Die Abbildung zeigt den anatomischen Aufbau der Hypophyse mit der Verbindung zum Hypothalamus und dem Blutkreislauf. Es wird dargestellt, wie Signale und Hormone aus dem Hypothalamus die Hypophyse steuern.
Glossar
Hypophyse: Übergeordnete Hormondrüse unterhalb des Gehirns.
Neurohypophyse: Nervengewebsteil der Hypophyse, der Hormone speichert und freisetzt.
Adenohypophyse: Drüsengewebsteil der Hypophyse, der eigene Hormone produziert.
Hypothalamus: Gehirnregion, die die Hypophyse steuert.
Slide 8: Hormone der Hypophyse
Überblick
Die Hypophyse produziert verschiedene Hormone, die auf unterschiedliche periphere Organe wirken. Die Steuerung erfolgt über Hormone des Hypothalamus.
Beispiele für Hormonachsen
Corticoliberin (Hypothalamus) → Corticotropin (Hypophyse) → Cortisolproduktion in der Nebenniere.
Somatoliberin (Hypothalamus) → Somatotropin (Hypophyse) → Stimuliert IGF-1 in der Leber → Wachstum von Muskeln und Organen.
Thyreoliberin (Hypothalamus) → Thyreotropin (Hypophyse) → Stimuliert Schilddrüsenhormone (T3/T4) → Wirkung auf viele Gewebe.
Gonadoliberin (Hypothalamus) → Follitropin und Lutropin (Hypophyse) → Steuerung von Fortpflanzungsorganen und Sexualhormonen.
Tropine sind Signalstoffe, die im Hypothalamus gebildet werden und die Funktion des Hypophysenvorderlappens, der die Hormone freisetzt, regulieren. Sie können die Freisetzung von Hormonen aus den endokrinen Drüsen entweder anregen (Liberine) oder hemmen (Statine). Im Wesentlichen sind Tropine also Hormone, die die Tätigkeit anderer endokriner Drüsen steuern.
Pro-Oxytocin und Pro-ADH sind Vorstufen (Prohormone) der Hormone Oxytocin und ADH (antidiuretisches Hormon, auch Vasopressin genannt).
Diese Vorstufen entstehen im Hypothalamus und werden erst später in ihre aktive Hormonform umgewandelt.
Herstellung
In Nervenzellen (Neuronen) des Hypothalamus wird zunächst ein größeres Vorläuferprotein (Prohormon) produziert:
Pro-Oxytocin enthält Oxytocin und ein Begleitprotein (Neurophysin I).
Pro-ADH enthält ADH und ein Begleitprotein (Neurophysin II).
Diese Vorstufen werden in Vesikeln entlang der Nervenfasern (Axone) zur Neurohypophyse (hinterer Teil der Hypophyse) transportiert.
Während dieses Transports werden die Prohormone enzymatisch gespalten → das aktive Hormon (Oxytocin oder ADH) wird freigesetzt.
Beschreibung der Tabelle
Die Tabelle listet auf:
Startpunkt (Hypothalamus-Hormon)
Transport über die Hypophyse
Zielorgan oder periphere Drüse
Wirkung auf bestimmte Gewebe oder Organe
Farbliche Linien in der Tabelle zeigen die Zugehörigkeit zu Neurohypophyse (grün) und Adenohypophyse (blau).
Glossar
Corticotropin (ACTH): Stimuliert Cortisolproduktion.
Somatotropin (GH): Wachstumshormon.
Thyreotropin (TSH): Reguliert Schilddrüsenfunktion.
Gonadotropine (FSH und LH): Regulieren Fortpflanzung.
Slide 9: Somatotropin
Überblick
Somatotropin, auch Wachstumshormon (GH), wird in der Adenohypophyse produziert und reguliert vor allem das Körperwachstum.
Regulation
Somatoliberin (GHRH, Growth Hormone Releasing Hormone) aus dem Hypothalamus stimuliert die Freisetzung von Somatotropin.
Somatostatin hemmt die Freisetzung von Somatotropin.
Wirkung
Somatotropin wirkt direkt auf Gewebe.
Es stimuliert in der Leber die Produktion von Insulin-like Growth Factor 1 (IGF-1).
IGF-1 fördert das Wachstum von Muskeln, Knochen und Organen.
Beschreibung der Abbildung
Die Grafik zeigt das Zusammenspiel von Hypothalamus, Hypophyse und Leber bei der Regulation des Körperwachstums.
Somatotropinstruktur wird als Molekül dargestellt. IGF-1 wird als nachgeschaltetes Produkt hervorgehoben.
Glossar
Somatotropin (GH): Wachstumshormon, stimuliert Körperwachstum.
Somatoliberin (GHRH): Stimuliert Freisetzung von Somatotropin.
Somatostatin: Hemmt Freisetzung von Somatotropin.
IGF-1: Hormon, das das Zellwachstum unterstützt.
Slide 10: Größenwachstum
Überblick
Die Folie zeigt verschiedene experimentelle Situationen, die den Einfluss des Wachstumshormons (GH) auf das Größenwachstum verdeutlichen. Somatotropin kann aber nicht ausgeknockt werden, da ansonsten die Mäuse in einem Experiment nicht mehr lebensfähig wären.
Verglichene Gruppen
Überexpression des GH-Gens: Vermehrte Produktion von GH führt zu starkem Wachstum (größere Körpergröße).
Normale Expression: Reguläres Wachstum bei normaler GH-Produktion.
GH-Antagonist-Expression: Hemmung von GH-Funktion, führt zu kleinwüchsigen Tieren.
GH-Rezeptor-Knockout: Verlust der GH-Rezeptorfunktion, führt zu stark reduziertem Wachstum.
Serumwerte und Zellantworten
Serum-GH-Werte können bei gestörter Rezeptorfunktion hoch sein, weil der Körper versucht, das fehlende Signal zu kompensieren.
Fehlen von GH-Rezeptoren führt trotz hoher Hormonspiegel zu geringem Wachstum.
Beschreibung der Abbildung
Die Abbildung zeigt Mäusemodelle mit unterschiedlichen Körpergrößen, die jeweils einer der beschriebenen genetischen Manipulationen entsprechen.
Glossar
GH (Growth Hormone): Wachstumshormon.
Überexpression: Übermäßige Produktion eines Gens oder Proteins.
Antagonist: Hemmstoff, der die Funktion eines Proteins blockiert.
Knockout: Ausschaltung eines Gens, sodass dessen Produkt fehlt.
Slide 11: Wachstumshormon
Überblick
Diese Folie zeigt Beispiele aus der realen Welt, um die Wirkung des Wachstumshormons (hGH, human Growth Hormone) zu verdeutlichen.
Menschen mit übermäßig hoher Produktion von Wachstumshormon können extreme Körpergrößen erreichen.
Zeitungsartikel berichten über die größte Frau und den größten Mann der Welt, die beide an Komplikationen im Zusammenhang mit ihrem extremen Körperwachstum gestorben sind.
Ursache ist meist eine Überproduktion von hGH, oft durch Tumoren der Hypophyse.
Glossar
hGH (human Growth Hormone): Wachstumshormon beim Menschen.
Hypophyse: Hormondrüse im Gehirn, die Wachstumshormon produziert.
Slide 12: Bindung von hGH an seinen Rezeptor
Überblick
Hier wird dargestellt, wie das menschliche Wachstumshormon (hGH) an seinen Zellrezeptor bindet und dadurch eine zelluläre Antwort auslöst.
Ablauf der Bindung und Signalübertragung
Der hGH-Rezeptor liegt als einzelnes Molekül (Monomer) in der Zellmembran vor.
hGH bindet an die extrazelluläre Domäne des Rezeptors (bestehend aus 230 Aminosäuren).
Die Bindung führt zur Dimerisierung (Zusammenlagerung von zwei Rezeptormolekülen).
Durch diese Dimerisierung werden JAK-Proteine aktiviert, die Tyrosinreste auf der intrazellulären Seite phosphorylieren.
Die Phosphorylierung löst weitere Signalkaskaden aus, die letztlich zur Regulation der Genexpression führen.
Beschreibung der Abbildungen
Schema des Bindungsvorgangs: Erst Einzelrezeptoren, dann Dimerbildung nach hGH-Bindung.
Strukturmodell des hGH gebunden an die extrazelluläre Domäne des Rezeptors.
Glossar
Tyrosinkinasen sind Enzyme, die nach Bindung eines Hormons an einen Rezeptor eine Phosphatgruppe auf Tyrosinreste von Proteinen übertragen.
Dadurch starten sie Signalkaskaden in der Zelle, die z. B. Wachstum, Zellteilung oder Stoffwechselprozesse regulieren.hGH: Humanes Wachstumshormon.
Rezeptor: Membranprotein, das ein Signal empfängt und weiterleitet.
Dimerisierung: Zusammenlagerung von zwei Molekülen.
JAK-Proteine: Tyrosinkinase-Proteine, die Signale ins Zellinnere übertragen.
Phosphorylierung: Anhängen einer Phosphatgruppe zur Aktivierung oder Deaktivierung eines Proteins.
Slide 13: Hormone der Nebenniere
Überblick
Die Nebenniere besteht aus zwei unterschiedlichen Geweben mit verschiedenen Ursprüngen und Funktionen: Die Nebenniere stellt eine extrem wichtige funktion dar.
Nebennierenrinde:
Entsteht aus mesodermalem Gewebe (wie Herz, Niere, Gonaden).
Produziert Steroidhormone:
Mineralocorticoide (z. B. Aldosteron)
Glucocorticoide (z. B. Cortisol)
Androgene (z. B. DHEA)
Nebennierenmark:
Entsteht aus ektodermalem Gewebe (wie Haut oder Nervengewebe).
Produziert Catecholamine:
Adrenalin
Noradrenalin
Beschreibung der Abbildung
Die Abbildung zeigt die Lage der Nebenniere auf der Niere und die Unterscheidung zwischen Nebennierenrinde (äußerer Bereich) und Nebennierenmark (innerer Bereich).
Glossar
Nebennierenrinde: Äußerer Bereich der Nebenniere, bildet Steroidhormone.
Nebennierenmark: Innerer Bereich der Nebenniere, bildet Stresshormone (Catecholamine).
Mineralocorticoide: Hormone, die den Wasser- und Salzhaushalt regulieren.
Glucocorticoide: Hormone, die den Zuckerstoffwechsel und die Stressantwort beeinflussen.
Catecholamine: Gruppe von Hormonen wie Adrenalin und Noradrenalin.
Slide 14: Hormone des Nebennierenmarks
Überblick
Das Nebennierenmark produziert hauptsächlich die Catecholamine Adrenalin und Noradrenalin, die zentrale Rollen in der Stressantwort ("fight-or-flight response") spielen.
Wirkungen der Catecholamine
Erhöhung der Herzfrequenz
Steigerung des Blutdrucks
Abbau von Glykogen zu Glukose (schnelle Energiebereitstellung)
Lipolyse (Fettabbau)
Erweiterung der Bronchien zur Verbesserung der Atmung
Freisetzung von Insulin
Veränderung der Verdauungstätigkeit (häufig Hemmung)
Können auch zur starken Relaxierung der Muskelzellen beitragen (bei starker Angst kann man sich durch diese Catecholamine “ins Hemd machen”)
Beschreibung der Abbildungen
Chemische Strukturformeln von Noradrenalin und Adrenalin werden dargestellt.
Kleine Illustration: Kampfsituation (fight) oder Flucht (flight), symbolisch für die physiologische Reaktion auf Stress.
Glossar
Catecholamine: Gruppe von Hormonen, die schnelle Stressreaktionen auslösen.
Noradrenalin: Primär für die Blutdrucksteigerung verantwortlich.
Adrenalin: Primär für Energiebereitstellung und Atemwegsöffnung zuständig.
Fight-or-flight response: Körperliche Reaktion auf Bedrohungssituationen, aktiviert durch Stresshormone.
Slide 15: Catecholamine
Überblick
Catecholamine (Adrenalin und Noradrenalin) werden im Nebennierenmark gebildet und in sekretorischen Vesikeln gespeichert.
Freisetzung und Wirkung
Catecholamine werden freigesetzt, wenn der Körper eine schnelle Stressantwort benötigt.
Sie binden an zwei Typen von Rezeptoren:
α-adrenerge Rezeptoren (α₁, α₂)
β-adrenerge Rezeptoren (β₁, β₂, β₃)
Gewebeabhängige Effekte
Haut/Niere (α-Rezeptor): Verengung der Blutgefäße.
Verdauungstrakt (β-Rezeptor): Erweiterung der glatten Muskulatur.
Leber (β-Rezeptor): Förderung der Gluconeogenese (Glukoseproduktion).
Herz (β₁-Rezeptor): Erhöhung der Herzfrequenz.
Bronchien (β₂-Rezeptor): Erweiterung der Atemwege.
Beschreibung der Abbildungen
Elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt sekretorische Vesikel im Nebennierenmark.
Tabelle fasst die Gewebe-spezifischen Effekte der Rezeptorbindung zusammen.
Glossar
Catecholamine: Hormone für schnelle Stressreaktionen (Adrenalin, Noradrenalin).
α-adrenerge Rezeptoren: Vermitteln meist eine Kontraktion von Gefäßen.
β-adrenerge Rezeptoren: Vermitteln meist eine Entspannung oder Aktivierung von Organen.
Gluconeogenese: Bildung von Glukose aus Nicht-Zuckerstoffen.
Slide 16: 7-Helix-Transmembranrezeptor
Überblick
Viele Hormone und Neurotransmitter wirken über 7-Helix-Transmembranrezeptoren, eine wichtige Rezeptorklasse.
Struktur und Funktion
Diese Rezeptoren durchqueren die Zellmembran siebenmal (7-Helix-Struktur).
Ein typisches Beispiel ist der β₂-adrenerge Rezeptor.
Aktivierung erfolgt durch Bindung von Molekülen wie Salbutamol (β₂-Agonist).
Beispiel: Salbutamol
Salbutamol bindet an den β₂-Rezeptor.
Es wird medizinisch verwendet zur Behandlung von Asthma (Bronchienerweiterung).
Salbutamol kann auch als Dopingmittel missbraucht werden.
Beschreibung der Abbildungen
Struktur des β₂-adrenergen Rezeptors dargestellt mit Helices.
Bindung von Salbutamol an den Rezeptor wird visualisiert.
Chemische Strukturformel von Salbutamol wird gezeigt.
Glossar
7-Helix-Rezeptor: Rezeptor, der die Membran siebenmal durchspannt.
β₂-adrenerger Rezeptor: Vermittelt die Erweiterung der Bronchien.
Agonist: Molekül, das einen Rezeptor aktiviert.
Salbutamol: Medikament zur Erweiterung der Atemwege bei Asthma.
Slide 17: Hormone der Nebennierenrinde
Überblick
Die Nebennierenrinde produziert drei Haupttypen von Steroidhormonen, je nach Schicht der Rinde:
Zona glomerulosa: Bildet Mineralocorticoide (z. B. Aldosteron)
Zona fasciculata: Bildet Glucocorticoide (z. B. Cortisol)
Zona reticularis: Bildet Androgene (z. B. DHEA)
Syntheseweg
Alle Steroidhormone entstehen aus Cholesterin.
Durch Enzymaktivität (z. B. Cytochrom-P450-System) werden daraus spezifische Hormone gebildet.
Beschreibung der Abbildungen
Anatomische Darstellung der Nebennierenrinde mit Einteilung in Zonen.
Chemische Synthesewege vom Cholesterin zu den jeweiligen Steroidhormonen.
Glossar
Mineralocorticoide: Hormone, die den Salz- und Wasserhaushalt regulieren.
Glucocorticoide: Hormone, die den Zuckerstoffwechsel und Stressreaktionen steuern.
Androgene: Männliche Sexualhormone, wie DHEA.
Cytochrom P450: Enzymfamilie, die Steroidhormone synthetisiert.
Slide 18: Transport der Steroidhormone
Überblick
Steroidhormone sind lipophil (fettlöslich) und müssen im Blut an Transportproteine gebunden werden.
Transportmechanismen
Im Blut werden Steroidhormone gebunden an:
Cortisol-Bindungsprotein (Transcortin)
Sex-Hormon-bindendes Globulin (SHBG)
Nur freies (ungebundenes) Hormon ist biologisch aktiv.
Beispielhormone und Bindung
Cortisol bindet an Transcortin.
Östradiol bindet an SHBG.
Eigenschaften von Steroidhormonen
Lipophil: können Zellmembranen leicht durchqueren.
Rezeptoren befinden sich meist im Zellinneren.
Steuerung der Genexpression durch Bindung an nukleäre Rezeptoren.
Beschreibung der Abbildungen
Chemische Struktur von Cortisol.
Struktur von Transcortin und SHBG dargestellt.
Glossar
Steroidhormone: Lipophile Hormone, die direkt auf DNA wirken können.
Transcortin: Bindungsprotein für Cortisol.
SHBG (Sex-Hormon-bindendes Globulin): Bindet Sexualhormone im Blut.
Lipophil: Fettlöslich, gut membrangängig.
Slide 19: Cortisol-Freisetzung hängt von der Tageszeit ab
Überblick
Die Freisetzung des Stresshormons Cortisol zeigt einen Tagesrhythmus und wird vom zentralen Rhythmusgeber im Gehirn gesteuert.
Ablauf der Regulation
Licht steuert den zirkadianen Rhythmus im Gehirn.
Gehirn (Hypothalamus) setzt Corticoliberin frei.
Adenohypophyse produziert daraufhin Corticotropin.
Nebenniere schüttet Cortisol aus.
Wirkungen von Cortisol
Stimuliert die Gluconeogenese (Glukoseproduktion) in der Leber.
Fördert Lipolyse (Fettabbau).
Unterdrückt Immunreaktionen und Entzündungen.
Einfluss auf den Muskelstoffwechsel.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung der Hormonfreisetzungskette von Gehirn bis Nebenniere.
Graph zeigt Cortisolkonzentration über den Tagesverlauf: Höchste Werte am frühen Morgen, Abfall am Abend.
Dadruch wenn in einer länger anhaltenden Phase von Stress (Prüfungsphase zB) Cortisol-Ausschuss konstant gehalten wird, und dann der Urlaub beginnt und der Cortisol-Ausschuss wieder reguliert wird, reagiert das Immunsystem und es blüht das man krank wird.
Glossar
Cortisol: Stresshormon, das Stoffwechselprozesse und das Immunsystem beeinflusst.
Hypothalamus: Gehirnregion, die den Tagesrhythmus koordiniert.
Gluconeogenese: Bildung von Glukose aus Nicht-Zuckerstoffen.
Slide 20: Hormone der Geschlechtsorgane
Überblick
Drei zentrale Sexualhormone werden beschrieben: Progesteron, Testosteron und Estradiol.
Vergleich der Hormone
Progesteron (C21):
Gehört zur Klasse der Gestagene.
Entstehung im Gelbkörper (Corpus luteum).
Effekt: Vorbereitung der Gebärmutterschleimhaut auf Schwangerschaft.
Testosteron (C19):
Gehört zu den Androgenen.
Entstehung in Leydig-Zellen der Hoden.
Effekt: Entwicklung männlicher Geschlechtsmerkmale (Muskelaufbau, Körperbehaarung).
Estradiol (C18):
Gehört zu den Estrogenen.
Entstehung in Granulosazellen der Ovarien.
Effekt: Aufbau der Gebärmutterschleimhaut, Entwicklung weiblicher Geschlechtsmerkmale.
Beschreibung der Abbildungen
Chemische Strukturformeln der drei Hormone werden dargestellt.
Tabelle vergleicht Klasse, Herkunft und Wirkung der Hormone.
Glossar
Progesteron: Hormon zur Vorbereitung der Gebärmutter auf eine Schwangerschaft.
Testosteron: Männliches Sexualhormon.
Estradiol: Weibliches Sexualhormon, wichtig für Zyklus und Schwangerschaft.
Slide 21: Menstruationszyklus
Überblick
Der Menstruationszyklus wird durch eine präzise Abfolge hormoneller Regulation gesteuert.
Hormonelle Steuerung
Der Hypothalamus setzt GnRH (Gonadotropin-Releasing-Hormon) frei.
Die Hypophyse produziert Follitropin (FSH) und Lutropin (LH).
FSH stimuliert Follikelreifung im Ovar.
LH löst den Eisprung aus.
Nach Eisprung bildet sich der Gelbkörper, der Progesteron produziert.
Phasen des Zyklus
Follikelphase: Entwicklung der Eizelle, Aufbau der Gebärmutterschleimhaut.
Ovulation: Eisprung.
Lutealphase: Vorbereitung auf Schwangerschaft oder Beginn der Menstruation.
Beschreibung der Abbildungen
Links: Schematische Darstellung der hormonellen Regelkreise.
Rechts: Kurvenverlauf von Hormonkonzentrationen (FSH, LH, Estradiol, Progesteron) im Zyklus.
Glossar
Follitropin (FSH): Fördert das Follikelwachstum.
Lutropin (LH): Löst den Eisprung aus.
GnRH: Stimuliert die Ausschüttung von FSH und LH.
Gelbkörper (Corpus luteum): Produziert Progesteron nach Eisprung.
Slide 22: Ovar
Überblick
Das Ovar (Eierstock) durchläuft während des Menstruationszyklus strukturelle Veränderungen.
Follikelentwicklung
Primordialfollikel → Primärfollikel → Sekundärfollikel → Reifer Graaf-Follikel.
Ovulation und Lutealphase
Reifer Follikel platzt, Eizelle wird freigesetzt (Ovulation).
Der zurückbleibende Follikel wandelt sich in den Gelbkörper um.
Gelbkörper produziert Progesteron.
Hormonelle Steuerung
Follikelphase: Hauptsächlich FSH-abhängig.
Lutealphase: Hauptsächlich LH-abhängig.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung der Follikelreifung und des Übergangs in die Lutealphase.
Bild eines echten Gelbkörpers (Corpus luteum) zur Illustration.
Glossar
Ovar: Eierstock, weibliches Fortpflanzungsorgan.
Follikel: Hülle der heranreifenden Eizelle.
Graaf-Follikel: Reifer Follikel kurz vor dem Eisprung.
Corpus luteum: Gelbkörper, produziert Progesteron nach dem Eisprung.
Slide 23: Synthetische Sexualhormone
Überblick
Synthetische Sexualhormone werden in der Medizin eingesetzt, hauptsächlich zur Empfängnisverhütung und zum Schwangerschaftsabbruch.
Hormonelle Schwangerschaftsverhütung
Kombination aus Progesteron-Agonisten und Estrogen-Agonisten ("Pille").
Wirkungen:
Hemmung der Reifung von Eizellen und Verhinderung des Eisprungs.
Stabilisierung des Menstruationszyklus.
Placebo-Phasen lösen die Monatsblutung aus.
Beispielpräparate
Levonorgestrel: Progesteron-Agonist.
Ethinylestradiol: Estrogen-Agonist.
Schwangerschaftsabbruch
Verwendung von Progesteron-Antagonisten:
Mifepriston blockiert Progesteronwirkung, was zur Abstoßung der Gebärmutterschleimhaut führt.
Beschreibung der Abbildungen
Chemische Strukturen von Levonorgestrel, Ethinylestradiol und Mifepriston werden gezeigt.
Glossar
Agonist: Stoff, der einen Rezeptor aktiviert.
Antagonist: Stoff, der einen Rezeptor blockiert.
Progesteron: Hormon, das die Schwangerschaft erhält.
Mifepriston: Medikament zur medikamentösen Schwangerschaftsunterbrechung.
Slide 24: Steroidhormon-Rezeptoren
Überblick
Steroidhormon-Rezeptoren sind eine Untergruppe der nuklearen Rezeptoren, die als Transkriptionsfaktoren wirken.
Typen von Rezeptoren
Typ I: Cytoplasmatische Rezeptoren (z. B. für Estrogen, Androgene, Cortisol).
Nach Bindung des Hormons wandern sie in den Zellkern und binden dort an DNA.
Typ II: Im Zellkern befindliche Rezeptoren (z. B. für Schilddrüsenhormone, Retinsäure).
Mechanismus
Hormon bindet an den Rezeptor.
Der Hormon-Rezeptor-Komplex bindet an spezifische DNA-Sequenzen, die "hormone response elements" (HRE).
Dies reguliert die Genexpression.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung der Bindung eines Hormons an einen Rezeptor, Migration in den Zellkern und Bindung an DNA.
Glossar
Transkriptionsfaktor: Protein, das die Genexpression reguliert.
HRE (Hormone Response Element): DNA-Abschnitt, an den Hormon-Rezeptor-Komplexe binden.
Cytoplasma: Zellflüssigkeit außerhalb des Zellkerns.
Slide 25: Nuclear Receptors
Überblick
Nukleare Rezeptoren bestehen aus modular aufgebauten Domänen und steuern die Genexpression.
Domänenstruktur
A/B-Domäne: Transaktivierungsdomäne.
C-Domäne: DNA-Bindungsdomäne.
D-Domäne: Gelenkdomäne (Verbindungsstück).
E-Domäne: Liganden-Bindungsdomäne (bindet das Hormon).
F-Domäne: C-terminale Domäne (nicht immer vorhanden).
Mechanismus
Bindung des Hormons an die Liganden-Bindungsdomäne.
Aktivierung der DNA-Bindung und anschließende Regulation der Transkription.
Beschreibung der Abbildungen
Linkes Bild: Aufbau eines typischen nuklearen Rezeptors.
Rechtes Bild: Struktur des Retinsäure-Rezeptors in Komplex mit DNA.
Glossar
Nuklearer Rezeptor: Rezeptor, der im Zellkern wirkt und die Genexpression steuert.
DNA-Bindungsdomäne: Abschnitt des Proteins, der die DNA erkennt und bindet.
Liganden: Moleküle, die spezifisch an einen Rezeptor binden.
Slide 26: Agonist und Antagonist
Überblick
Agonisten und Antagonisten beeinflussen die Aktivität von nuklearen Rezeptoren unterschiedlich.
Agonist (Beispiel Estradiol)
Bindet an den Estrogenrezeptor.
Aktiviert die Transkription von Zielgenen durch Bindung an das HRE.
Führt zur normalen Funktion der Zielzellen.
Antagonist (Beispiel Tamoxifen)
Bindet ebenfalls an den Estrogenrezeptor.
Verhindert aber die Aktivierung des Rezeptors.
Blockiert die Bindung an das HRE und hemmt die Transkription.
Einsatz z. B. bei der Behandlung von Estrogenrezeptor-positivem Brustkrebs.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodelle von Estrogenrezeptor gebunden an Estradiol (Agonist) und an Tamoxifen (Antagonist).
Glossar
Agonist: Verstärkt oder aktiviert die Wirkung eines Rezeptors.
Antagonist: Hemmt oder blockiert die Wirkung eines Rezeptors.
Tamoxifen: Medikament zur Therapie von hormonabhängigem Brustkrebs.
Estradiol: Natürliches weibliches Sexualhormon.
Slide 27: DNA-Bindungsdomäne
Überblick
DNA-Bindungsdomänen sind spezielle Strukturen innerhalb von Rezeptoren, die eine direkte Bindung an DNA ermöglichen.
Eigenschaften der DNA-Bindungsdomäne
Typisches Motiv: Zink-Finger-Motiv.
8 Cysteine binden 2 Zink-Ionen.
Erkennen bestimmte DNA-Sequenzen ("hormone response elements", HRE).
Selektive Erkennung der Basen erfolgt über Wechselwirkungen mit der großen Furche der DNA.
Beschreibung der Abbildungen
Struktur eines Progesteronrezeptors in Komplex mit DNA.
Darstellung der Wechselwirkungen zwischen Zink-Finger-Domäne und DNA-Basen.
Glossar
DNA-Bindungsdomäne: Teil eines Proteins, der direkt an DNA bindet.
Zink-Finger-Motiv: Struktur, die durch Koordination von Zink-Ionen stabilisiert wird.
HRE (Hormone Response Element): DNA-Abschnitt, an den Hormon-Rezeptor-Komplexe binden.
Slide 28: Hormone der Schilddrüse, Nebenschilddrüse und Niere
Überblick
Diese Organe produzieren Hormone, die wichtige Stoffwechsel- und Mineralhaushaltsprozesse regulieren.
Schilddrüse
Triiodthyronin (T3) und Thyroxin (T4) (Tyrosin-Derivate).
Steuern den Grundumsatz des Körpers (Energieverbrauch in Ruhe).
Calcitonin (Peptidhormon): Senkt den Calciumspiegel im Blut.
Nebenschilddrüse
Parathormon (Peptidhormon): Erhöht den Calciumspiegel im Blut und senkt Phosphatspiegel.
Niere
Calcitriol (aktive Form von Vitamin D): Erhöht die Calciumaufnahme im Darm.
Beschreibung der Abbildungen
Anatomische Darstellung von Schilddrüse, Nebenschilddrüse und Niere.
Schema zur Regulation des Calciumhaushalts durch Calcitonin, Parathormon und Calcitriol.
Glossar
Grundumsatz: Energieverbrauch des Körpers im Ruhezustand.
Calcitonin: Hormon, das den Calciumspiegel senkt.
Parathormon: Hormon, das den Calciumspiegel erhöht.
Calcitriol: Hormon, das die Calciumaufnahme aus der Nahrung fördert.
Slide 29: Hormone der Bauchspeicheldrüse
Überblick
Die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) produziert Insulin und Glucagon zur Regulation des Blutzuckerspiegels.
Regulation abhängig von Glucosekonzentration
Bei niedrigem Blutzucker:
Glucagon wird aus Proglucagon freigesetzt.
Glucagon wird aus der Peptidvorstufe Präproglucagon synthetisiert, welche in den α-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Langerhans-Inseln) produziert wird. Diese posttranslationale Prozessierung von Präproglucagon führt zur Bildung von Glucagon und anderen Peptiden wie GLP-1 und GLP-2.
Glucagon erhöht den Blutzuckerspiegel, indem es die Freisetzung von Glukose aus Speichern fördert.
Bei hohem Blutzucker:
Insulin wird aus Proinsulin gebildet und freigesetzt.
Insulin senkt den Blutzuckerspiegel durch Aufnahme von Glucose in die Zellen.
Beschreibung der Abbildungen
Struktur von Glucagon und Insulin.
Schema der Proinsulin-Spaltung.
Anatomisches Bild der Bauchspeicheldrüse.
Glossar
Glucagon: Hormon, das den Blutzuckerspiegel erhöht.
Insulin: Hormon, das den Blutzuckerspiegel senkt.
Proinsulin: Vorstufe von Insulin.
GLP-1 (Glucagon-like Peptide-1): Ein Darmhormon, das die Insulinausschüttung stimuliert und den Blutzuckerspiegel senkt.
GLP-2 (Glucagon-like Peptide-2): Ein Darmhormon, das das Wachstum und die Regeneration der Darmschleimhaut fördert.
Slide 30: Wirkung von Insulin und Glucagon
Überblick
Insulin und Glucagon haben entgegengesetzte Effekte auf den Energiestoffwechsel.
Wirkung auf verschiedene Gewebe
Muskel:
Insulin: Erhöht Glucoseaufnahme und Glykogensynthese.
Glucagon: Keine direkte Wirkung.
Fettgewebe:
Insulin: Erhöht Glucoseaufnahme und Fettsynthese, hemmt Lipolyse.
Glucagon: Fördert Lipolyse.
Leber:
Insulin: Fördert Glykogensynthese, Lipogenese, hemmt Gluconeogenese.
Glucagon: Fördert Glykogenabbau, Gluconeogenese und Fettsäureabbau.
Beschreibung der Abbildungen
Übersichtstabelle zu den Wirkungen von Insulin und Glucagon in verschiedenen Geweben.
Glossar
Glykogensynthese: Bildung von Glykogen (Speicherform von Glucose).
Gluconeogenese: Bildung von Glucose aus Nicht-Zuckerstoffen.
Lipolyse: Abbau von Fett.
Lipogenese: Aufbau von Fett.
Slide 31: Insulin regelt die Aufnahme von Glucose
Überblick
Insulin steuert die Aufnahme von Glucose in die Zellen über spezielle Transportproteine (GLUTs).
Mechanismus
Insulinbindung an seinen Rezeptor aktiviert einen Signalweg, der die Einlagerung von Glucosetransportern (GLUT4) in die Zellmembran bewirkt.
Ohne Insulin bleiben GLUT4-Transporter in Vesikeln innerhalb der Zelle.
Insulin führt dazu, dass diese Vesikel mit der Zellmembran verschmelzen und GLUT4 in die Membran eingebaut wird → Glucose kann in die Zelle aufgenommen werden.
Wichtige GLUT-Transporter
GLUT3: Darm
GLUT2: Darm, Niere
GLUT4: Fettgewebe und Muskel, insulinabhängig
Beschreibung der Abbildungen
Oben: Schema der Insulin-induzierten GLUT4-Translokation.
Mitte: Strukturmodell von GLUT3.
Unten: Fluoreszenzaufnahmen von GLUT4 in Zellen mit und ohne Insulin.
Glossar
GLUT: Glucosetransporter.
Translokation: Transport eines Proteins von einem Ort (z. B. Vesikel) zu einem anderen (z. B. Zellmembran).
Vesikel: Kleine membranumschlossene Bläschen in Zellen.
Slide 32: (De-)Phosphorylierung
Überblick
Phosphorylierung (Anfügen einer Phosphatgruppe) und Dephosphorylierung (Abspalten der Phosphatgruppe) steuern die Aktivität von Enzymen, abhängig vom Nahrungsangebot und Hormonstatus.
Zusammenhänge
Bei Nahrungsüberschuss (Insulin hoch):
Geringe cAMP-Konzentration.
Bestimmte Enzyme (z. B. Acetyl-CoA-Carboxylase) sind dephosphoryliert und aktiv.
Bei Stress/Nahrungsmangel (Glucagon hoch):
Hohe cAMP-Konzentration.
Viele Enzyme werden phosphoryliert und verändert:
Lipolyse und Gluconeogenese werden gefördert.
Tabelle
Listet Enzyme wie Acetyl-CoA-Carboxylase, Glykogensynthase und Hormon-sensitive Lipase auf.
Zeigt an, wann sie phosphoryliert und aktiv/inaktiv sind.
Glossar
Phosphorylierung: Anhängen einer Phosphatgruppe an ein Protein.
Dephosphorylierung: Entfernen einer Phosphatgruppe.
cAMP: Botenstoff, der Signalwege aktiviert.
Slide 33: Aktivierung der Lipolyse und β-Oxidation
Überblick
Bei Energiemangel wird Fett abgebaut und Fettsäuren werden zur Energiegewinnung oxidiert.
Ablauf in der Leber und Fettzellen
Glucagon signalisiert Energiemangel und aktiviert über cAMP die Lipolyse.
Triacylglycerole werden abgebaut zu Fettsäuren.
Fettsäuren werden in die Leber transportiert.
In der Leber findet die β-Oxidation statt:
Fettsäuren werden zu Acetyl-CoA abgebaut.
Acetyl-CoA dient der Energiegewinnung (ATP-Produktion) oder Ketonkörperbildung.
Schlüsselregulation
Phosphorylierung aktiviert Enzyme wie die Hormon-sensitive Lipase.
Inhibierung bestimmter Enzyme verhindert Neubildung von Fettsäuren.
Beschreibung der Abbildungen
Komplexe Schemazeichnung der Lipolyse und β-Oxidation mit Einbeziehung von Glucagon und cAMP-Signalwegen.
Glossar
Lipolyse: Abbau von Fetten zu Fettsäuren und Glycerin.
β-Oxidation: Abbau von Fettsäuren zur Energiegewinnung.
Acetyl-CoA: Zentrales Zwischenprodukt im Energiestoffwechsel.
Slide 34: Aktivierung der Fettsäuresynthese und Lipogenese
Überblick
Bei Energieüberschuss wird Fett neu aufgebaut (Lipogenese).
Ablauf in der Leber und Fettzellen
Insulin signalisiert Energieüberschuss.
Insulin aktiviert Enzyme durch Dephosphorylierung.
Triacylglyceride werden in Fettzellen gespeichert.
In der Leber werden Fettsäuren neu gebildet aus Acetyl-CoA.
Schlüsselregulation
Insulin aktiviert Enzyme wie die Acetyl-CoA-Carboxylase.
Inhibiert Enzyme der Lipolyse.
Beschreibung der Abbildungen
Flussdiagramm, das die Rolle von Insulin in der Förderung der Lipogenese darstellt.
Glossar
Lipogenese: Aufbau von Fetten aus Kohlenhydraten oder anderen Nährstoffen.
Triacylglyceride: Speicherform von Fetten.
Acetyl-CoA-Carboxylase: Schlüsselenzym der Fettsäuresynthese.
Slide 35: Diabetes mellitus
Überblick
Diabetes mellitus ist eine Erkrankung, bei der trotz hoher Blutzuckerwerte die Zellen einen Energiemangel erleiden.
Hintergrund
Der Begriff "Diabetes mellitus" bedeutet "honigsüßer Durchfluss" (Hinweis auf süßen Urin).
Stoffwechselstörungen bei Diabetes
Verringerte Glycolyse (Abbau von Glucose).
Vermehrte Verwendung von Aminosäuren für die Gluconeogenese (Neubildung von Zucker).
Erhöhte Produktion von Glucose (Gluconeogenese).
Abbau von Triacylglyceriden (TAGs) zu Ketonkörpern (führt zu Ketoazidose).
Gehemmter Fettaufbau (Lipogenese).
Geringe Glucoseaufnahme in Muskel- und Fettzellen.
Erschöpfte Glykogenspeicher.
Folge
Die Zellen befinden sich trotz hoher Blutzuckerwerte in einem "zellulären Hungerzustand". → Weil die Glucose entsrpechend nicht mehr ins Gewebe aufgenommen werden kann und dadurch andere Formen von Energiespeichern mobilisiert werden.
Glossar
Glycolyse: Abbau von Glucose zur Energiegewinnung.
Glykogen ist ein Zuckerspeicherstoff im Körper – man kann ihn sich wie einen „Notvorrat“ an Glucose vorstellen. Er wird vor allem in Leber und Muskeln gespeichert und bei Energiebedarf schnell in Glucose zurückverwandelt, damit die Zellen Energie bekommen.
Gluconeogenese: Neubildung von Glucose.
Ketonkörper: Energiereiche Moleküle, die bei starkem Fettabbau entstehen.
Ketoazidose: Übersäuerung des Blutes durch Ketonkörper → ph-Wert des Blutes im Körper sinkt, kann lebensbedrohlich werden da Abläufe im Körper durcheinander kommen.
Slide 36: Diabetes Typ I und Typ II
Überblick
Es gibt zwei Haupttypen von Diabetes mellitus mit unterschiedlichen Ursachen und Therapien.
Diabetes Typ I (Signalgeber ist defekt) - Juveniler habitus
Ursache: Zerstörung der insulinproduzierenden β-Zellen.
Durch Autoimmunerkrankung oder Virusinfektion.
Folgen: Sehr geringe oder keine Insulinfreisetzung.
Symptome: Gewichtsverlust, erhöhter Blutzucker.
Behandlung: Rekombinantes Insulin, T-Zellen-Blocker.
Diabetes Typ II (Empfänger ist defekt)
Ursache: Insulinresistenz.
Die Insulinproduktion ist anfangs erhöht, später sinkt sie.
Insulinrezeptoren reagieren weniger empfindlich auf Insulin.
Symptome: Übergewicht, erhöhte Blutfettwerte (Lipoproteine).
Behandlung: Änderung des Lebensstils (Diät, Bewegung), Medikamente (z. B. Gluconeogenese-Hemmung, Lipolyse-Reduktion).
Glossar
Insulinresistenz: Verminderte Wirkung von Insulin auf Körperzellen.
Autoimmunerkrankung: Krankheit, bei der das Immunsystem körpereigenes Gewebe angreift.
rekombinantes Insulin: Laborhergestelltes Insulin zur Therapie von Diabetes Typ I.
Slide 37: Spätfolgen von Diabetes
Überblick
Langfristig schädigt Diabetes verschiedene Gewebe, besonders solche, die unabhängig von Insulin Glucose aufnehmen.
Betroffene Gewebe
Erythrozyten (rote Blutkörperchen)
Augenlinse
Gehirn
Mechanismus
Nicht-enzymatische Glycierung:
Glucose bindet ohne Enzymhilfe an Proteine und verändert sie dauerhaft.
Bildet sogenannte Amadori-Produkte, die die Funktion der Proteine beeinträchtigen.
Klinische Folge
Katarakt (Trübung der Augenlinse), eine häufige Komplikation bei diabetischen Patienten.
Beschreibung der Abbildungen
Reaktionsschema der nicht-enzymatischen Glycierung.
Bild eines Auges mit Katarakt.
Glossar
Glycierung: Anheften von Zucker an Proteine ohne enzymatische Kontrolle.
Katarakt: Trübung der Augenlinse, auch als grauer Star bezeichnet.
Slide 38: Abschlussfolie – BCH 202: Biochemie II – Rezeptor-vermittelte Signalübertragung
Bemerkung
Diese Folie enthält keine neuen biochemischen Inhalte, sondern dient als Abschluss und für Rückfragen.
Slide 39: Signalweiterleitung
Überblick
Signalweiterleitung beschreibt die Übertragung eines äußeren Reizes über Rezeptoren in der Zellmembran bis zu einer zellulären Antwort.
Voraussetzungen
Selektivität: Nur spezifische Liganden (Signalmoleküle) binden an spezifische Rezeptoren (Schlüssel-Schloss-Prinzip).
Sensitivität: Kleine Mengen Ligand reichen aus, um eine große Antwort auszulösen.
Verstärkung: Ein gebundener Ligand kann viele nachgeschaltete Signale auslösen.
Übertragung durch die Membran
Konformationsänderung des Rezeptors.
Oligomerisation: Zusammenschluss mehrerer Rezeptoren.
Änderung der Membranpermeabilität für Ionen oder Moleküle.
Schlüsselkonzepte und Erklärungen
Signalweiterleitung beschreibt den Prozess, bei dem ein äußeres Signal (z. B. ein Hormon oder Ligand) über einen Rezeptor an der Zellmembran erkannt und in eine innere Zellantwort umgewandelt wird.
Zwei wichtige Voraussetzungen:
Selektivität: Nur der passende Ligand passt zum Rezeptor (Schlüssel-Schloss-Prinzip).
Sensitivität: Bereits wenige Liganden können ein starkes Signal auslösen – das Signal wird im Inneren der Zelle verstärkt (Amplifikation).
Die Übertragung durch die Zellmembran erfolgt durch:
Konformationsänderung des Rezeptors (Strukturänderung bei Ligandenbindung),
Oligomerisation (Rezeptoren lagern sich zusammen),
und mögliche Änderung der Permeabilität der Membran für Ionen/Moleküle.
Visualisierung und Bedeutung der Abbildung
Die rechte Darstellung zeigt den Ablauf der Signalverstärkung in drei Stufen (Amplifikationen):
1. Amplifikation
Ein Ligand bindet an einen Rezeptor.
Der Rezeptor aktiviert mehrere Enzyme A → erste Verstärkung.
2. Amplifikation
Enzyme A produzieren second messenger (z. B. cAMP).
Diese aktivieren viele Enzyme B → zweite Verstärkung.
3. Amplifikation
Enzyme B bewirken die Bildung vieler Produkte (z. B. aktive Enzyme oder Transkriptionsfaktoren).
Am Ende reagiert die Zelle sichtbar auf das ursprüngliche Signal.
Glossar
Ligand: Ein Molekül (z. B. Hormon), das spezifisch an einen Rezeptor bindet.
Rezeptor: Protein in der Zellmembran, das Signale erkennt und weiterleitet.
Konformationsänderung: Strukturveränderung eines Proteins nach Bindung eines Moleküls.
Oligomerisation: Zusammenlagerung mehrerer Rezeptorproteine.
Second messenger: Moleküle, die das Signal im Zellinneren weitervermitteln (z. B. cAMP, IP₃).
Amplifikation: Verstärkung eines Signals auf mehreren Ebenen.
Slide 40: Einteilung der Rezeptoren
Schlüsselkonzepte und Erklärungen
Diese Folie zeigt, dass Rezeptoren in zwei Hauptgruppen unterteilt werden:
Intrazelluläre Rezeptoren (wirken im Zellinneren)
Membranrezeptoren (sitzen in der Zellmembran)
Intrazelluläre Rezeptoren
Nuclear receptor
Liegt im Zellkern oder Zytoplasma.
Bindet lipophile Hormone (z. B. Steroidhormone wie Östrogen).
Signalverstärkung erfolgt über Transkriptionssteuerung → beeinflusst direkt die Genexpression.
Beispiel: Estrogen-Rezeptor
Pattern recognition receptor
Erkennt bestimmte Muster von Krankheitserregern (z. B. Bakterienbestandteile).
Löst enzymatische Katalyse aus, z. B. Proteolyse (Zerschneiden von Proteinen).
Beispiel: Nod-like receptor 3
Membranrezeptoren
Ionotropic receptor
Funktioniert als Ionenkanal: Öffnet sich bei Ligandenbindung → Ionenfluss in die Zelle.
Signalverstärkung erfolgt über Veränderung der Membranspannung.
Beispiel: Nikotinischer Acetylcholin-Rezeptor
Metabotropic receptor
Kein Ionenkanal, sondern löst Signalketten im Zellinneren aus.
Die Verstärkung erfolgt über enzymatische Katalyse, z. B. durch Phosphorylierung.
Beispiele:
G-Protein-gekoppelter Rezeptor
Rezeptor-Tyrosin-Kinase
Visualisierungen und Hervorhebungen
Links: Intrazelluläre Rezeptoren mit direktem Einfluss auf Zellfunktionen (DNA-Bindung, Enzymaktivität).
Rechts: Membranrezeptoren mit Strukturmodellen (z. B. der nikotinische Rezeptor zeigt Kanalstruktur).
Farben und Formen zeigen klar die Unterschiede in Position und Wirkweise.
Glossar
Transkription: Umschreiben von DNA in RNA zur Steuerung der Genexpression.
Proteolyse: Enzymatische Spaltung von Proteinen.
Ionentransport: Bewegung von Ionen durch die Zellmembran, wichtig für elektrische Reize.
Phosphorylierung: Anhängen einer Phosphatgruppe, oft zur Aktivierung von Proteinen.
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren: Aktivieren über G-Proteine Signalketten im Zellinneren.
Rezeptor-Tyrosin-Kinase: Aktiviert durch Phosphorylierung von Tyrosinresten an Proteinen.
Slide 41: G-Protein coupled receptors (GPCRs): Beispiele
Überblick
GPCRs (auch 7-Helix-Transmembranrezeptoren) sind eine große Familie von Rezeptoren, die Signale über G-Proteine weiterleiten.
Beispiele für GPCRs
Photonen → Rhodopsin (Sehvorgang)
Adrenalin → β₁-adrenerger Rezeptor (Herzaktivität), β₂-adrenerger Rezeptor (Bronchien)
Serotonin → 5-HT-Rezeptoren
GABA → GABAβ-Rezeptor
Acetylcholin → Muskarinischer Rezeptor
Histamin → H₂-Rezeptor (Magen)
Glucagon → Glucagon-Rezeptor (Blutzuckerregulation)
Wichtige Agonisten/Antagonisten
Salbutamol (β₂-Agonist, Asthmamedikament)
Propanolol (β-Blocker, Blutdrucksenkung)
Koffein (Antagonist am Adenosin-Rezeptor)
Beschreibung der Tabelle
Signal – GPCR – Agonist/Antagonist werden gegenübergestellt.
Glossar
GPCR: G-Protein-gekoppelter Rezeptor, aktiviert intrazelluläre Signalwege.
Agonist: Molekül, das einen Rezeptor aktiviert.
Antagonist: Molekül, das die Wirkung eines Rezeptors blockiert.
Slide 42: Guanin-nukleotid-bindende Proteine (G-Proteine)
Überblick
G-Proteine sind molekulare Schalter, die Signale von GPCRs ins Zellinnere übertragen.
Funktionsweise
Inaktiv: G-Protein trägt GDP.
Aktivierung durch GPCR führt zum Austausch von GDP gegen GTP (über GEF, Guanin-nukleotid Exchange Factor).
G-Protein aktiviert nachgeschaltete Enzyme (z. B. Adenylylcyclase).
GTP wird wieder zu GDP hydrolysiert (durch GAPs), das Signal wird beendet.
Komponenten
GEF (Guanin-nukleotid Exchange Factor): Aktiviert das G-Protein.
GAP (GTPase-aktivierendes Protein): Beschleunigt die Inaktivierung des G-Proteins.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung des G-Protein-Zyklus: Aktivierung, Signalübertragung, Inaktivierung.
Glossar
G-Protein: Protein, das GTP bindet und hydrolysiert, um Signale weiterzuleiten.
GEF: Faktor, der den Austausch von GDP auf GTP ermöglicht.
GAP: Faktor, der die Signalabschaltung durch GTP-Hydrolyse beschleunigt.
Slide 43: Mechanismus der GPCRs
Überblick
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) aktivieren G-Proteine, die Signale innerhalb der Zelle weiterleiten.
Ablauf
Ein Ligand bindet an den GPCR.
Der Rezeptor aktiviert ein G-Protein (Austausch von GDP gegen GTP an der α-Untereinheit).
Das aktive G-Protein spaltet sich auf:
GTP-gebundene α-Untereinheit.
βγ-Komplex.
Beide Teile können Effektorproteine aktivieren oder hemmen.
Die Signalübertragung wird beendet, wenn GTP zu GDP hydrolysiert wird.
Beschreibung der Abbildungen
Schema zeigt den vollständigen Ablauf von Ligandbindung, G-Protein-Aktivierung, Signalübertragung und Signalabschaltung.
Glossar
GPCR: Membranrezeptor, der G-Proteine aktiviert.
Effektorprotein: Nachgeschaltetes Protein, das durch das aktive G-Protein reguliert wird.
GTP/GDP: Energiereiche Moleküle, die den Aktivitätszustand der G-Proteine steuern.
Slide 44: GPCR / G-Protein Komplex
Überblick
Diese Folie zeigt eine strukturbiologische Darstellung des Komplexes aus einem aktivierten GPCR und einem gebundenen G-Protein.
Strukturmerkmale
Der GPCR (z. B. β₂-Adrenozeptor) liegt in der Zellmembran.
Nach Bindung eines Agonisten verändert der Rezeptor seine Konformation und aktiviert das G-Protein.
Das Heterotrimere G-Protein (bestehend aus α-, β- und γ-Untereinheiten) bindet an den aktivierten Rezeptor.
Beschreibung der Abbildungen
Molekülstruktur des β₂-Adrenozeptor-G-Protein-Komplexes mit visualisiertem Agonisten.
α-, β- und γ-Untereinheiten sind farblich getrennt dargestellt.
Glossar
Heterotrimeres G-Protein: Komplex aus drei Untereinheiten (α, β, γ).
Agonist: Molekül, das einen Rezeptor aktiviert.
Slide 45: Heterotrimere G-Proteine
Überblick
Heterotrimere G-Proteine bestehen aus drei Untereinheiten und schalten je nach Typ unterschiedliche Signale weiter.
Bestandteile
α-Untereinheit (bindet GDP/GTP und vermittelt die Aktivität).
β- und γ-Untereinheiten (bilden einen stabilen Komplex).
Funktionen der α-Untereinheit
Verschiedene Typen (Gαₛ, Gαᵢ, Gαq):
Gαₛ: Aktiviert die Adenylylcyclase (Erhöhung von cAMP).
Gαᵢ: Hemmt die Adenylylcyclase (Senkung von cAMP).
Gαq: Aktiviert Phospholipase C (Erzeugung von IP₃ und DAG als Second Messenger).
Beschreibung der Abbildungen
Strukturbilder eines G-Protein-GDP-Komplexes und Einblick in die Bindung von GDP.
Glossar
Adenylylcyclase: Enzym, das cAMP produziert.
Phospholipase C: Enzym, das Signalmoleküle freisetzt.
cAMP: Botenstoff, der viele zelluläre Prozesse steuert.
Slide 46: Kleine und heterotrimere G-Proteine haben ähnliche Strukturen
Überblick
Obwohl sie unterschiedliche Aufgaben haben, teilen kleine und heterotrimere G-Proteine strukturelle Ähnlichkeiten.
Vergleich
Kleine G-Proteine (z. B. Ras):
Einzelne Proteine.
Regulieren Zellwachstum, Zellteilung und andere wichtige Prozesse.
Heterotrimere G-Proteine:
Bestehen aus drei Untereinheiten (α, β, γ).
Vermitteln Signale von GPCRs.
Gemeinsame Eigenschaften
GTP-Bindung und Hydrolyse als Schaltmechanismus.
Ähnliche 3D-Faltung der GTP/GDP-bindenden Domäne.
Beschreibung der Abbildungen
Überlagerung von Strukturen kleiner G-Proteine und heterotrimerer G-Proteine, um strukturelle Ähnlichkeiten zu zeigen.
Glossar
Ras: Ein kleines G-Protein, beteiligt an Zellwachstumsprozessen.
GTPase: Enzymatische Aktivität, die GTP in GDP umwandelt.
Slide 47: Effektorproteine der Gα-Untereinheit
Überblick
Nach Aktivierung durch GPCRs beeinflusst die Gα-Untereinheit Effektorproteine, insbesondere die Adenylylcyclase.
Mechanismus
Stimulierendes G-Protein (Gαs):
Aktiviert die Adenylylcyclase.
Wandelt ATP in cAMP um.
Inhibierendes G-Protein (Gαi):
Hemmt die Adenylylcyclase.
Reduziert die cAMP-Produktion.
Funktion von cAMP
cAMP dient als Second Messenger und löst viele zelluläre Antworten aus, z. B. Aktivierung von Proteinkinasen.
Beschreibung der Abbildungen
Schema zeigt, wie stimulierende und hemmende G-Proteine die Aktivität der Adenylylcyclase beeinflussen.
Chemische Reaktionen: Umwandlung von ATP zu cAMP.
Glossar
Adenylylcyclase: Enzym, das cAMP produziert.
cAMP: Second Messenger, der verschiedene Signalwege aktiviert.
Gαs/Gαi: Verschiedene Typen der Gα-Untereinheit mit aktivierender oder hemmender Wirkung.
Slide 48: Adenylylcyclase: Gsα-Inhibitor-Komplex
Überblick
Hier wird die Struktur und Funktionsweise der Adenylylcyclase in Verbindung mit G-Proteinen genauer dargestellt.
Strukturmerkmale
Adenylylcyclase besteht aus mehreren Transmembransegmenten und katalytischen Domänen.
Aktivierung erfolgt durch Bindung der Gsα-Untereinheit (gebunden an GTP).
Im dargestellten Komplex ist die Wechselwirkung zwischen Gsα und Adenylylcyclase visualisiert.
Funktion
GTP-gebundenes Gsα stimuliert die Adenylylcyclase zur Produktion von cAMP aus ATP.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodell der Adenylylcyclase mit gebundenem Gsα-Protein.
Detailansichten zeigen die Bindungsstellen und das aktive Zentrum.
Glossar
Gsα: Stimuliert die Adenylylcyclase.
GTP: Energiereiches Molekül, das die Aktivierung ermöglicht.
Thio-GTP: GTP-Analog, das langsamer hydrolysiert wird, oft für Experimente verwendet.
Slide 49: Effektorproteine des cAMP
Überblick
cAMP aktiviert verschiedene Effektoren, die wichtige zelluläre Prozesse steuern.
Wichtigster Effektor: Proteinkinase A (PKA)
PKA ist ein Tetramer: zwei regulatorische und zwei katalytische Untereinheiten.
Bindung von cAMP an die regulatorischen Untereinheiten setzt die katalytischen Untereinheiten frei.
Die freien katalytischen Untereinheiten phosphorylieren Zielproteine.
Wichtige Zielproteine
Glycogen-Synthase: Hemmung der Glycogensynthese.
Glycogen-Phosphorylase: Aktivierung des Glykogenabbaus.
Beschreibung der Abbildungen
Schema der Aktivierung von PKA durch cAMP.
Struktur des cAMP-gebundenen regulatorischen Teils von PKA.
Glossar
Proteinkinase A (PKA): Enzym, das Proteine phosphoryliert und deren Aktivität verändert.
Glycogensynthase: Enzym für den Aufbau von Glykogen.
Glycogen-Phosphorylase: Enzym für den Abbau von Glykogen.
Slide 50: Regulation der Glycogenolyse
Überblick
Glycogenolyse (Abbau von Glykogen) wird hormonell über Signalwege reguliert, die auf Phosphorylierung beruhen.
Ablauf
Katabolismus (Abbau) wird aktiviert durch Phosphorylierung:
Bei niedrigem Blutzucker wird Glucagon freigesetzt.
Glucagon aktiviert über G-Proteine die Adenylylcyclase → Erhöhung von cAMP.
cAMP aktiviert Proteinkinase A (PKA).
PKA phosphoryliert und aktiviert die Phosphorylase-Kinase.
Diese phosphoryliert die Glykogen-Phosphorylase → Glykogen wird abgebaut zu Glucose-1-Phosphat.
Anabolismus (Aufbau) wird deaktiviert durch Phosphorylierung:
Glykogensynthase wird durch Phosphorylierung inaktiviert.
Beschreibung der Abbildungen
Schema der hormonellen Regulation mit Pfeilen für Aktivierung und Hemmung.
Glossar
Glycogenolyse: Abbau von Glykogen zur Bereitstellung von Glucose.
Phosphorylase-Kinase: Aktiviert die Glykogen-Phosphorylase.
Glykogen-Phosphorylase: Enzym, das Glykogen abbaut.
Slide 51: Phosphodiesterase
Überblick
Phosphodiesterasen (PDEs) bauen Second Messenger wie cAMP und cGMP ab und beenden dadurch Signalketten.
Funktion
Hydrolysieren cAMP und/oder cGMP zu inaktive Produkte (AMP/GMP).
Dadurch wird das Signal der Adenylylcyclase beendet.
PDEs werden teilweise selbst durch Phosphorylierung aktiviert.
Wichtige Punkte
Es existieren 12 verschiedene PDE-Familien.
PDEs sind Zielmoleküle für Medikamente (z. B. Sildenafil bei erektiler Dysfunktion).
Beschreibung der Abbildungen
Chemische Reaktion: Umwandlung von cAMP zu AMP.
Strukturmodell einer Phosphodiesterase im Komplex mit einem Hemmstoff.
Glossar
Phosphodiesterase (PDE): Enzym, das cAMP oder cGMP abbaut.
cAMP: Second Messenger in Signalwegen.
Sildenafil: Medikament, das eine PDE hemmt (z. B. zur Behandlung von Erektionsstörungen).
Slide 52: Effektorproteine der Cβγ-Untereinheit
Überblick
Neben der α-Untereinheit können auch βγ-Untereinheiten von G-Proteinen Effektorproteine aktivieren, insbesondere die Phospholipase Cβ.
Ablauf
Aktivierung der Phospholipase Cβ durch die βγ-Untereinheit.
Phospholipase Cβ spaltet Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP₂) in:
Diacylglycerol (DAG): Aktiviert die Proteinkinase C.
Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP₃): Freisetzung von Calcium aus dem endoplasmatischen Retikulum.
Beschreibung der Abbildungen
Schema zeigt die Spaltung von PIP₂ durch Phospholipase Cβ in DAG und IP₃.
Glossar
Phospholipase Cβ: Enzym, das Lipide spaltet und Second Messenger freisetzt.
DAG: Aktiviert die Proteinkinase C.
IP₃: Erhöht den Calciumspiegel im Zellinneren.
Slide 53: IP₃ bewirkt Ca²⁺-Freisetzung
Überblick
Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP₃) führt zur Freisetzung von Calcium-Ionen (Ca²⁺) aus dem endoplasmatischen Retikulum (ER) in das Zellinnere.
Ablauf
IP₃ wird durch Aktivierung der Phospholipase C (PLC) gebildet.
IP₃ bindet an IP₃-Rezeptoren auf dem ER.
Dadurch öffnen sich Ca²⁺-Kanäle → Ca²⁺ wird freigesetzt.
Freigesetztes Calcium aktiviert Ca²⁺-abhängige Proteine wie:
Protein Kinase C
Calmodulin
Anschließend wird das freigesetzte Ca²⁺ durch Transporter wieder in das ER zurückgepumpt → Wiederherstellung des Ruhezustands.
Beschreibung der Abbildungen
Schema zeigt die PLC-Aktivierung, IP₃-Produktion und Ca²⁺-Freisetzung im Zellinneren.
Glossar
IP₃: Signalmolekül, das Calciumfreisetzung auslöst.
ER (Endoplasmatisches Retikulum): Zellorganelle, die Calcium speichert.
Calmodulin: Protein, das durch Calcium aktiviert wird.
Slide 54: IP₃-Rezeptoren
Überblick
IP₃-Rezeptoren sind Calciumkanäle im endoplasmatischen Retikulum, die durch IP₃ aktiviert werden.
Struktur
Bestehen aus 4 Untereinheiten (Tetramer).
Molekulargewicht ca. 300 kDa.
Funktionsweise
Bindung von IP₃ und Ca²⁺ an den Rezeptor öffnet den Calciumkanal → Freisetzung von Ca²⁺ ins Zytoplasma.
Sinkende IP₃- oder Ca²⁺-Konzentrationen schließen den Kanal wieder.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodelle der IP₃-Rezeptoren.
Darstellung der Ligandenbindungsstelle für IP₃ und den Kanalmechanismus.
Glossar
IP₃-Rezeptor: Calciumkanal, der durch IP₃ geöffnet wird.
Tetramer: Struktur aus vier identischen Proteineinheiten.
Ligand: Molekül, das an einen Rezeptor bindet.
Slide 55: Proteinkinase C
Überblick
Proteinkinase C (PKC) ist eine wichtige Kinase, die viele zelluläre Prozesse reguliert.
Eigenschaften
Besteht aus 12 Isoformen (verschiedene PKC-Typen).
Verschiedene Funktionen, z. B. Zellwachstum, Differenzierung, Apoptose.
Aktivierung
Aktivierung durch:
Diacylglycerol (DAG)
Erhöhte Ca²⁺-Konzentration
DAG entsteht durch die Spaltung von PIP₂ durch Phospholipase C.
Besonderheit
Photolabile Substanzen (z. B. Phorbolester) können PKC imitieren und künstlich aktivieren.
Beschreibung der Abbildungen
Aktivierungsschema von PKC durch DAG und Ca²⁺.
Foto eines Wolfsmlchgewächses (Chrysanthemenartige Pflanze), Quelle von Phorbolestern.
Glossar
Proteinkinase C (PKC): Enzym, das Proteine durch Phosphorylierung reguliert.
DAG: Lipid, das PKC aktiviert.
Phorbolester: Pflanzliche Substanzen, die PKC künstlich aktivieren können.
Slide 56: Calmodulin
Überblick
Calmodulin ist ein zentraler intrazellulärer Calcium-Sensor, der viele zelluläre Prozesse reguliert.
Eigenschaften
Calmodulin ist ein kleines Protein im Cytoplasma.
Es bindet Calcium-Ionen (Ca²⁺) und verändert dadurch seine Struktur.
Calmodulin aktiviert viele Effektorproteine, z. B.:
Myosin-light-chain-Kinase (wichtig für die Kontraktion glatter Muskelzellen).
Ionenkanäle.
Funktionsweise
Ohne Ca²⁺: Ruhende, "offene" Struktur.
Mit Ca²⁺: Bindungspartner werden erkannt und aktiviert.
Beschreibung der Abbildungen
Struktur von Calmodulin ohne Ca²⁺ (offen) und gebunden an ein Zielprotein (geschlossen, aktiv).
Glossar
Calmodulin: Calcium-bindendes Protein, das viele Zellfunktionen steuert.
Effektorprotein: Protein, das durch Calmodulin aktiviert wird.
Slide 57: Aktivierung der Myosin-light-chain-Kinase
Überblick
Die Myosin-light-chain-Kinase (MLCK) wird durch Calmodulin aktiviert und steuert die Kontraktion der glatten Muskulatur.
Mechanismus
MLCK besitzt:
Eine katalytische Domäne (für die Phosphorylierung).
Eine regulatorische Domäne (hemmt die Kinase im Ruhezustand).
Steigende Ca²⁺-Konzentration → Calmodulin bindet Ca²⁺ → Aktiviertes Calmodulin bindet an MLCK.
Folge: Die MLCK phosphoryliert leichte Ketten des Myosins.
Resultat: Aktivierung von Myosin → Kontraktion der glatten Muskulatur.
Beschreibung der Abbildungen
Schema der Aktivierung der Myosin-light-chain-Kinase durch Ca²⁺-beladenes Calmodulin.
Struktur der Kinase in Verbindung mit Calmodulin.
Glossar
Myosin-light-chain-Kinase (MLCK): Enzym, das Myosin durch Phosphorylierung aktiviert.
Phosphorylierung: Übertragung einer Phosphatgruppe auf ein Protein, wodurch dessen Funktion reguliert wird.
Slide 58: Cholera
Überblick
Cholera ist eine Infektionskrankheit, die durch das Cholera-Toxin (CTX) verursacht wird.
Mechanismus der Toxinwirkung
CTX wird von Vibrio cholerae produziert.
Das Toxin bindet an die Darmschleimhaut.
Der A1-Teil des Toxins gelangt in die Zelle und modifiziert Gsα-Proteine:
ADP-Ribosylierung von Gsα verhindert die Hydrolyse von GTP.
Gsα bleibt dauerhaft aktiv → Ständige Aktivierung der Adenylylcyclase → Überproduktion von cAMP.
Folge: Erhöhter cAMP-Spiegel führt zu massivem Wasser- und Elektrolytverlust in den Darm → starker Durchfall (Reisediarrhoe).
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodell des Cholera-Toxins.
Schema der ADP-Ribosylierung und ihrer Wirkung auf die Signalweiterleitung.
Bild: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Vibrio cholerae.
Glossar
Cholera-Toxin (CTX): Giftstoff, der die cAMP-Produktion in Zellen unkontrolliert steigert.
ADP-Ribosylierung: Modifikation von Proteinen, die deren Funktion verändert.
Gsα: Untereinheit des G-Proteins, reguliert die Adenylylcyclase.
Slide 59: Aufbau der Rezeptor-Tyrosin-Kinasen
Überblick
Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs) sind spezialisierte Membranproteine, die Signale über Phosphorylierung weiterleiten.
Strukturelle Bestandteile
Extrazelluläre Ligandenbindedomäne (z. B. Immunoglobulin-ähnliche Domäne).
Transmembranhelix (einmal durch die Zellmembran).
Intrazelluläre Tyrosinkinase-Domäne:
Enthält die katalytische Aktivität.
Bindet ATP und überträgt Phosphatgruppen auf Tyrosinreste.
Besonderheiten
ATP wird als Phosphatspender genutzt.
Bindung von Liganden verändert die Konformation und aktiviert die Kinase.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Struktur von RTKs.
Kristallstruktur der Tyrosinkinase-Domäne eines Insulinrezeptors mit ATP-Derivat.
Glossar
Rezeptor-Tyrosin-Kinase (RTK): Membranprotein mit enzymatischer Aktivität.
Kinase: Enzym, das Phosphatgruppen auf andere Moleküle überträgt.
Ligand: Molekül, das spezifisch an einen Rezeptor bindet.
Slide 60: Rezeptor-Tyrosin-Kinasen
Überblick
RTKs sind zentrale Vermittler für Wachstumssignale und Zellantworten.
Funktionsweise
Typ-I-Membranproteine (einmal durch die Membran).
Bindung eines Liganden bewirkt Dimerisierung (Zusammenlagerung zweier Rezeptoren).
Aktivierung: Die Kinase-Domänen phosphorylieren sich gegenseitig (Autophosphorylierung).
Phosphorylierte Tyrosinreste dienen als Ankerpunkte für weitere Signalproteine.
Beispiele
PDGF-Rezeptor (Platelet-Derived Growth Factor).
Insulinrezeptor.
Beschreibung der Abbildungen
Schema der Ligandenbindung, Dimerisierung, Phosphorylierung und Signalweiterleitung.
Chemische Reaktion der Tyrosin-Phosphorylierung.
Glossar
Dimerisierung: Zusammenlagerung zweier Rezeptormoleküle.
Autophosphorylierung: Selbständige Übertragung einer Phosphatgruppe auf das eigene Protein.
Slide 61: Struktur des PDGF-Rezeptor-Komplexes
Überblick
PDGF-Rezeptoren sind RTKs, die bei Zellwachstum, Blutgefäßbildung und Krebs eine Rolle spielen.
Funktion von PDGF
Bindung von PDGF (Wachstumsfaktor) an den Rezeptor.
Stimuliert Zellproliferation und Angiogenese (Bildung neuer Blutgefäße).
Strukturmerkmale
PDGF bindet an die extrazelluläre Domäne des Rezeptors.
Die Dimerisierung bringt die intrazellulären Kinasedomänen zusammen.
Disulfidbrücken stabilisieren die Struktur.
Klinische Bedeutung
Fehlregulation des PDGF-Signalwegs ist mit verschiedenen Krebsarten verbunden.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodell des PDGF gebunden an seinen Rezeptor.
Detail der Disulfidbrücken, die zur Stabilität beitragen.
Glossar
PDGF: Platelet-Derived Growth Factor, ein Wachstumsfaktor.
Angiogenese: Bildung neuer Blutgefäße.
Disulfidbrücke: Stabilisierungselement zwischen Proteinbereichen.
Slide 62: Mechanismus des PDGF-Rezeptors
Überblick
Der aktivierte PDGF-Rezeptor steuert drei wichtige Signalwege innerhalb der Zelle.
Drei aktivierte Kaskaden
MAPK-Kaskade (Mitogen-aktivierte Proteinkinase):
Fördert Zellwachstum und Zellteilung.
PI3K-Kaskade (Phosphatidylinositol-3-Kinase):
Reguliert Zellüberleben und Stoffwechsel.
Phospholipase Cγ (PLCγ)-Kaskade:
Führt zur Erzeugung von DAG und IP₃ → Calciumfreisetzung.
Funktionsweise
Nach Dimerisierung phosphoryliert der PDGF-Rezeptor spezifische Tyrosinreste.
Diese phosphorylierten Stellen dienen als Andockpunkte für Signalproteine wie Ras, Grb2 oder PLCγ.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung der PDGF-Dimer-Aktivierung und der daran anschließenden Signalkaskaden.
Glossar
MAPK: Mitogen-activated protein kinase, beteiligt an Zellwachstum.
PI3K: Phosphoinositid-3-Kinase, beteiligt an Überlebenssignalen.
PLCγ: Phospholipase C gamma, beteiligt an Calcium-Signalwegen.
Slide 63: Struktur von Grb2
Überblick
Grb2 ist ein Adapterprotein, das Rezeptoren wie PDGF-Rezeptor und SOS-Proteine miteinander verbindet.
Struktur
Besteht aus:
Einer SH2-Domäne: Bindet phosphorylierte Tyrosinreste auf Rezeptoren.
Zwei SH3-Domänen: Binden prolinreiche Sequenzen von Proteinen wie SOS.
Funktion
Grb2 vermittelt die Verbindung zwischen aktivierten Rezeptoren und dem Ras-Signalweg.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodelle der SH2- und SH3-Domänen von Grb2.
Bindungsstellen für Phosphotyrosin (SH2) und prolinreiche Peptide (SH3).
Glossar
Grb2: Adapterprotein, das Signale von Rezeptoren zu Ras weiterleitet.
SH2-Domäne: Erkennungseinheit für phosphoryliertes Tyrosin.
SH3-Domäne: Erkennungseinheit für prolinreiche Peptide.
Slide 64: Ras: GDP: SOS Komplex
Überblick
SOS ist ein sogenannter Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor (GEF), der Ras aktiviert.
Funktionsweise
Im inaktiven Zustand bindet Ras GDP.
SOS vermittelt den Austausch von GDP gegen GTP auf Ras.
Ras-GTP ist die aktive Form und leitet Wachstumssignale weiter.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodell des Komplexes aus Ras (rosa) und SOS (grün).
Detaildarstellung der Bindung und Nukleotidaustauschstelle.
Glossar
Ras: Kleines G-Protein, wichtig für Zellwachstum und Zellteilung.
SOS: Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor, der Ras aktiviert.
GTP/GDP: Energieträger und Schalter für die Aktivität von G-Proteinen.
Slide 65: Aktivierung von Raf1 durch Ras:GTP
Überblick
Ras in seiner aktiven Form (gebunden an GTP) aktiviert die Serin/Threonin-Kinase Raf1 (auch MAPKKK genannt).
Mechanismus
Ras-GTP bindet an die Ras-Bindungsdomäne von Raf1.
Dadurch wird Raf1 aus einer inaktiven in eine aktive Konformation überführt.
Aktiviertes Raf1 startet die MAP-Kinase-Kaskade durch Phosphorylierung der nächsten Kinase (MEK).
Struktur
Raf1 besitzt:
Eine Ras-Bindungsdomäne (N-terminal).
Eine Serin/Threonin-Proteinkinase-Domäne (C-terminal).
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodelle zeigen den Komplex zwischen Ras und Raf1.
Detailansicht der Bindungsstellen.
Glossar
Raf1: Serin/Threonin-Kinase, Initiator der MAPK-Signalkaskade.
Ras: Kleines G-Protein, aktiviert Raf1 nach GTP-Bindung.
MAPKKK: Mitogen-activated protein kinase kinase kinase (Raf1).
Slide 66: MAP-Kinase-Kaskade
Überblick
Die MAP-Kinase-Kaskade ist ein zentraler Signalweg zur Steuerung von Zellteilung, Differenzierung und Überleben.
Aufbau der Kaskade
MAPKKK (z. B. Raf1): Wird durch Ras-GTP aktiviert.
MAPKK (z. B. MEK): Wird von MAPKKK phosphoryliert.
MAPK (z. B. ERK): Wird von MAPKK phosphoryliert.
Funktionsweise
Jede Kinase aktiviert die nächste durch Phosphorylierung.
Am Ende werden Transkriptionsfaktoren im Zellkern aktiviert, die Gene für Zellwachstum und Differenzierung regulieren.
Wichtige Details
Kinasekaskaden ermöglichen starke Signalverstärkung.
Verschiedene Stimuli (z. B. Wachstumsfaktoren) können diese Kaskade aktivieren.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung der Signalweiterleitung vom extrazellulären Liganden über Ras bis zu den Transkriptionsfaktoren.
Glossar
MAPK: Mitogen-activated protein kinase, wirkt auf Transkriptionsfaktoren.
MEK: MAP kinase kinase, Zwischenstufe in der Kaskade.
ERK: Extracellular signal-regulated kinase, eine Form der MAPK.
Slide 67: Gerüstproteine organisieren die Kaskade
Überblick
Gerüstproteine (Scaffold Proteins) sorgen dafür, dass die Signalübertragung in der MAPK-Kaskade effizient und geordnet abläuft.
Funktion
Binden gleichzeitig mehrere Komponenten der Kaskade (MAP3K, MAP2K, MAPK).
Lokalisieren die Signalübertragung auf bestimmte Bereiche der Zelle.
Erhöhen die Spezifität und Effizienz der Signalweiterleitung.
Beispiel
Scaffold-Protein bindet:
MAP3K (z. B. Raf)
MAP2K (z. B. MEK)
MAPK (z. B. ERK)
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung eines Gerüstproteins, das Raf, MEK und ERK miteinander verbindet.
Glossar
Scaffold-Protein: Strukturprotein, das Signalproteine räumlich organisiert.
MAPK-Kaskade: Signalübertragungskette zur Regulation von Zellprozessen.
Slide 68: Aktivierung der GTPase-Aktivität von Ras
Überblick
Die Aktivität von Ras wird durch GTPase-aktivierende Proteine (GAPs) reguliert.
Mechanismus
Ras liegt im aktiven Zustand gebunden an GTP vor.
RasGAP beschleunigt die Hydrolyse von GTP zu GDP.
Dadurch wird Ras inaktiviert (GDP-gebunden).
Diese Regulierung verhindert eine dauerhafte Zellaktivierung.
Funktion
GAPs sind wichtig für die Beendigung der Ras-vermittelten Signalübertragung.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodell von Ras in Komplex mit RasGAP.
Detailansicht des aktiven Zentrums, das die Hydrolyse von GTP unterstützt (Mg²⁺-abhängig).
Glossar
Ras: Kleines G-Protein, das Zellwachstumssignale vermittelt.
GAP: GTPase-activating protein, beschleunigt die Inaktivierung von Ras.
Hydrolyse: Aufspaltung einer chemischen Verbindung durch Wasser.
Slide 69: Phosphatasen: Gegenspieler der Kinasen
Überblick
Phosphatasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen von Proteinen entfernen und so Signale abschalten.
Mechanismus
Tyrosinphosphatasen entfernen Phosphatgruppen von phosphorylierten Tyrosinresten auf Proteinen.
Dies führt zur Inaktivierung von Signalwegen.
Struktur und Funktion
Das aktive Zentrum der Tyrosinphosphatase enthält eine charakteristische Aminosäuresequenz (CX₅R-Motiv).
Bindet an phosphotyrosinreiche Peptide.
Beschreibung der Abbildungen
Struktur einer Tyrosinphosphatase im inaktiven Zustand.
Darstellung des aktiven Zentrums und der Interaktion mit einem phosphotyrosinreichen Peptid.
Glossar
Phosphatase: Enzym, das Phosphatgruppen von Proteinen entfernt.
Kinase: Enzym, das Phosphatgruppen an Proteine anfügt.
CX₅R-Motiv: Typische Sequenz im aktiven Zentrum von Phosphatasen.
Slide 70: Beulenpest
Überblick
Die Beulenpest wird durch das Bakterium Yersinia pestis verursacht und überträgt sich zwischen Ratten und Menschen.
Krankheitsmechanismus
Yersinia vermehrt sich in den Lymphknoten und verursacht dort Entzündungen ("Beulen").
Bakterielle Proteine blockieren die Immunantwort:
Hemmung der Aktivierung von Immunfaktoren wie IL-1β.
GAP-ähnliche bakterielle Effektorproteine stören Wirtszell-Signalwege.
Übertragungsweg
Primär durch Rattenflöhe.
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung der bakteriellen Hemmung der Immunantwort.
Bilder: Rattenfloh als Überträger und klassische Beulen der Pest beim Menschen.
Glossar
Yersinia pestis: Bakterium, das Beulenpest verursacht.
IL-1β: Entzündungsfördernder Botenstoff (Zytokin).
GAP: In diesem Fall ein bakterielles Protein, das in Wirtszellen Signalketten stört.
Slide 71: Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K) Kaskade
Überblick
Die PI3K-Kaskade ist ein wichtiger Signalweg, der Zellwachstum, Überleben und Stoffwechselprozesse reguliert.
Mechanismus
Ein aktivierter Rezeptor (z. B. PDGF-Rezeptor) rekrutiert die Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K).
PI3K phosphoryliert das Membranlipid PIP₂ → PIP₃.
Funktion von PIP₃
PIP₃ dient als Anker und Aktivator für weitere Signalmoleküle (z. B. Protein-Kinase B).
Beschreibung der Abbildungen
Schematische Darstellung der PIP₂-Phosphorylierung durch PI3K.
Strukturmodell des phosphorylierten Lipidmoleküls.
Glossar
PI3K: Enzym, das Lipide phosphoryliert und Signalketten aktiviert.
PIP₂: Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat, Ausgangssubstrat für PI3K.
PIP₃: Phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphat, Signalplattform in der Membran.
Slide 72: Aktivierung von Protein-Kinase B
Überblick
Protein-Kinase B (PKB/Akt) ist ein zentrales Effektorprotein in der PI3K-Kaskade.
Mechanismus
PKB besitzt eine Pleckstrin-Homologie-(PH)-Domäne, die an PIP₃ bindet.
Nach Bindung an PIP₃ wird PKB rekrutiert und durch weitere Kinasen (z. B. PDK1) phosphoryliert und aktiviert.
Die Lipidmembran wirkt als Plattform für diese Aktivierung.
Funktion
Aktive PKB reguliert Zellwachstum, Überleben und Stoffwechsel.
Hemmt Apoptose (Zelltod) und fördert Zellproliferation.
Beschreibung der Abbildungen
Strukturmodell der PH-Domäne von PKB gebunden an PIP₃.
Schema der Aktivierung durch Membranbindung und Phosphorylierung.
Glossar
PKB/Akt: Protein-Kinase B, zentraler Regulator von Zellwachstum und Überleben.
PH-Domäne: Struktur, die phosphorylierte Lipide erkennt.
Slide 73: Zum Beispiel: Insulin-Wirkung
Überblick
Insulin aktiviert die PI3K-Akt-Kaskade und steuert viele zelluläre Prozesse wie Glucoseaufnahme und Fettaufbau.
Mechanismus
Insulin bindet an seinen Rezeptor (Rezeptor-Tyrosin-Kinase).
Der Rezeptor phosphoryliert IRS-Proteine (Insulin-Rezeptor-Substrate).
IRS aktiviert PI3K → Umwandlung von PIP₂ in PIP₃.
PIP₃ rekrutiert PDK1 und PKB zur Membran.
Aktiviertes PKB reguliert:
Translokation von GLUT4-Transportern → Erhöhte Glucoseaufnahme.
Hemmung der Gluconeogenese.
Aktivierung von Glycogensynthase und Lipidsynthese.
Beschreibung der Abbildungen
Detailliertes Flussdiagramm der Insulin-Signalkette von Rezeptoraktivierung bis zur Wirkung auf Stoffwechselprozesse.
Glossar
IRS: Insulin-Rezeptor-Substrat, Adapterprotein.
GLUT4: Insulin-abhängiger Glucosetransporter.
PDK1: Kinase, die PKB aktiviert.