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Chloroplasten und Mitochondrien

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Zellbiologie Zusammenfassung

Zellen im Verband

Singalübertragung

Grundlage der Signalübertragung ist die Diffusion.

Ein Molekül, das von der Zelle sezerniert wurde, kann parakrin (das Signal diffundiert nicht weit weg und wirkt lokal), synaptisch (das Nervenende sezerniert die Substanz an einer entfernten Synapse) oder endorkrin (Hormone werden über den Blutkreislauf verteilt) wirken. Senet die Zelle ihr Signal an Zellen vom gleichen Typ (etwa in einem Verband), dann spricht man von einer autokrinen Signalübertragung. Diese Übertragung kann sich selbst verstärken, indem die umgebenen Zellen in einem Verband auf das Signal hin den gleichen Transmitter ausschütten. Die autokrine Signalübertragung findet man vor allem bei Wachstums- und Differenzierungsprozessen, sowie z.B. bei Gewebsschädigung durch die Eicosanoide.

Wenn Zellen miteinander über Gap Junctions verbunden sind, kann der Austausch von intrazellulären Mediatoren wie Calcium, cAMP und anderen kleinen Molekülen auch direkt geschehen.

Das gleiche Signalmolekül (z.B. ACh) kann bei unterschiedlichen Zellen eine unterschiedliche Wirkung haben.

Wird die Syntheserate eines Moleküls positiv beeinflusst, so entspricht die Zeit, nach der das System die Hälfte des neuen Gleichgewichts erreicht hat, der Halbwertszeit des Stoffes wenn die Synthese schlagartig stoppen würde.

Signalüberträger

NO

Stickstoffmonoxid (NO) wird von der NO-Synthase durch Desaminierung von Arginin gebildet. Auf Grund seiner Grösse kann das Molekül in benachbarte Zellen diffundieren und dort seine Wirkung entfalten.

NO reguliert häufig die Guanylatcyclase, die dadurch zur Synthese von cGMP angeregt wird.

Hormone

Die Steroide, Thyreoidhormone, Retinoide und das Vitamin D sind kleine hydrophobe Moleküle. Durch ihren hydrophoben Charakter haben sie im Blut eine wesentlich längere Verweildauer als die hydrophilen Transmitter.

Die Steroidhormone werden alle aus Cholesterol gebildet. Sie beeinflussen den Stoffwechsel und die Ausprägung der Geschlechtsmerkmale.

Vitamin D wird in der Haut durch das Sonnenlicht gebildet und reguliert den Calciumhaushalt der Zelle.

Die Thyreoidhormone werden aus Tyrosin hergestellt und erhöhen den Stoffwechsel.

Die Retinoide spielen ihre Rolle bei entwicklungsspezifischen Prozessen.

Diese Hormone führen in der Primärantwort zu einer vermehrten Transkription bestimmter Gene, die in eine verzögerten Sekundärantwort wiederum andere Gene aktivieren und so eine langanhaltende Wirkung auf die Zelle haben. Eine Zelle kann demnach auf eines der Hormone auf mehreren Ebenen unabhängig reagieren (Rezeptor- und Transkriptionsebene).

Rezeptoren

Die Rezeptoren lassen sich in drei Familien unterteilen:

$\begin{entry} \item [Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren] \mbox{} \\ Dieser Über... ...Phosphorylierung), wenn ein Ligand im extrazellulären Raum bindet. \end{entry}$

Sowohl bei den G-Proteine gekoppelten als auch bei den katalytischen Rezeptoren erfolgt die Wirkung dadurch, dass eine Phosphatgruppe an ein Enzym angehängt wird (einmal durch direkte Phosphorylierung und einmal durch Anhängen des Phosphats an das GDP).

Durch die Serin/Threonin-Kinasen und die Tyrosinkinasen wird dann auf der ersten Ebene eine Phosphorylierungskaskade gestartet.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

Man unterscheidet bei den G-Protein gekoppelten Rezeptoren die stimulatorischen G-Proteine G_s, die ein Enzym stimulieren von den inhibitorischen G_i, die ein Enzym inhibieren.

Ein trimäres G-Protein setzt sich aus den Einheiten $\alpha$ , $\beta$ und $\gamma$ zusammen.

Bei den stimulatorischen G-Proteinen ist die $\alpha$ -Einheit im inaktiven Zustand an GDP gekoppelt. Wird der Rezeptor aktiviert, tauscht es dieses gegen ein GTP aus. Dadurch löst sich die $\alpha$ -Einheit, diffundiert in der Membran und aktiviert die Adenylatzyklase. Diese Bindung stimuliert die GTPase-Aktivität der $\alpha$ -Einheit, hydrolysier das GTP wodurch sich die $\alpha$ -Einheit löst und die Adenylatzyklase inaktiviert wird.

Bei Cholera findet durch die Einwirkung eines Toxins an der $\alpha$ -Einheit eine Modifikation statt, so dass diese sich nicht mehr deaktivieren kann und die Adenylatzyklase permanent aktiviert bleibt. Bei den Epithelzellen des Verdauungstraktes führt das zu einem Natrium- und Wasserausstrom und somit zu Durchfall.

Die inhibitorischen G-Proteine unterscheiden sich von den stimulierenden durch eine andere $\alpha$ -Untereinheit. Die Bindung des Liganden hat dann mehrere Effekte: Zum einen wird die $\alpha$ -Einheit abgelöst und kann die Adenylatzyklase hemmen und für einen Kaliumeintrom sorgen; zum anderen wird der restliche Komplex frei und kann nun die $\alpha$ -Einheit eines stimulatorischen G-Proteins binden.

Bei einigen trimären G-Proteinen findet man auch eine direkte Beeinflussung eines Ionenkanals durch die $\alpha$ -Untereinheit.

Müssen mehrere Untereinheiten eines Protiens aktiviert werden oder sind für die Aktivierung eines Proteins mehrere second messenger notwendig, dann kommt es häufig zu einer Alles-oder-Nichts-Antwort. Ein weiteres Verschärfen der Antwort ergibt sich dann, wenn der second messenger ein Enzym aktiviert und ein anderes mit dem gegenteiligen Effekt hemmt. Ein extremes Alles-oder-Nichts-Signal wird dann erreicht, wenn es zu einem positiven Feedback kommt, wie dies etwas bei den Natriumkanälen während der Depolarisation der Fall ist.

cAMP als second messenger

cAMP wird durch die Adenylatcyclase aus ATP hergestellt und über die cAMP-Phosphodiesterase zu 5'-AMP abgebaut. Meist regen die Rezeptoren die Adenylatzyklase an und erhöhen so den cAMP-Spiegel.

cAMP entfaltete seine Wirkung, indem es die cAMP-abhängige Proteinkinase A (PKA) beeinflusst. Diese modifiziert die Serin- oder Threoninreste eines Proteins, wenn diesen zwei basische Aminosäuren vorangestellt sind. Im inaktiven Zustand ist die PKA aus zwei regulatorischen und zwei katalytischen Untereinheiten aufgebaut. Durch die Bindung von cAMP an die regulatorischen Untereinheiten lösen sich diese und aktivieren dadurch die katalytischen Untereinheiten.

In Skelettmuskelzellen wird auf diese Weise der Glykogenabbau gesteuert.

Wenn cAMP auf die Transkription einwirkt, dann geht dies immer über eine Phosphorylierung des CRE-Bindeproteins, die die transkriptionsfördernde Aktivität dieses Proteins erhöht. Das Protein bindet dann an eine spezifisches (CRE-cAMP response element) Motiv auf der DNA und verändert so die Transkription.

Die Deaktivierung der Phosphorylierung erfolgt durch die Serin/Threonin-Proteinphosphatase. Der Phosphorylierungszustand des Proteins hängt von dem Gleichgewicht zwischen diesen Enzymen und der PKA ab.

IP3 als second messenger

Durch den hohen Calciumgradien zwischen intra- und extrazellulär und zwischen intrazelllär und dem ER führt ein Öffnen der Ca-Kanäle zu einem starken Signal.

Bei dieser Kaskade wirkt nicht cAMP, sondern IP3 als second messenger. Hier aktiviert ein G-Protein die Phospholipase C. Diese spaltet das Phosphatidylinositol-Bisphosphat (PIP2) in Inositoltriphosphat (IP3) und Diacylglycerol.

Das IP3 kann direkt auf die IP3-abhängigen Calciumkanäle einwirken und diese Öffnen. Diese Kanäle besitzen ein postives Feedback, indem sie durch Calcium weiter aktiviert werden und so in letzter Konsequenz zu einer Alles-oder-nichts-Reaktion führen.

Neben der Wirkung des Calciums mit dem Diacylglycerol zusammen (siehe unten) wirkt es vor allem auf calciumbindende Proteine wie das Calmodulin ein. Calmodulin hat vier hochaffine Bindungsstellen für Calcium und ändert durch dessen Bindung seine Konformation. Die Aktivierung des Calmodulins erfolgt analog zu der Aktivierung der PKA durch cAMP. Das Calmodulin selbst hat keine enzymatische Aktivität; allerdings moduliert es die Wirkung anderer Proteine indem es an diese bindet oder sogar einen Teil eines Enyzmkomplexes bildet.

Einer der Haupteffekte des Calmodulins besteht darin, dass es die Ca²+/Calmodulin-anhängigen Proteinkinasen (CaM-Kinasen) moduliert. Diese phosphorylieren Serin und Threoninreste und haben vor allem auch einen Mechanismus, der zur Autophosphorylierung führt, so dass sich das Protein selbst phosphoryliert und damit auf längere Zeit hin aktiv bleibt.

Das Diacylglycerol hat zwei Wirkungen. Zum einen kann es zu Archidonsäure abgebaut werden, welche dann selst als Botenstoff dient oder die Synthese von Eicosanoiden reguliert.

Aug einem anderen Weg aktiviert die Proteinkinase C (PKC). Die PKC wird sehr wahrscheinlich durch den von IP3 initiierten Calciumeinstrom dazu gebracht, sich an der Innenseite der Membran anzulagern. Dort wird sie dann von Diacylglycerol und Calcium aktiviert. Diese kann dann durch Phosphorylierung andere Proteine und auch den Transkriptionsapparat beeinflussen. Die Diacylglycerolkonzentration wird durch eine von der Phospholipase durchgeführte Spaltung der Phospholipide der Membran erhöht. So sind auch längere Effekte möglich.

Wechselwirkung zwischen cAMP und Calcium

Einige der cAMP auf- oder abbauenden Enzyme werden von Calcium oder Calmodulin reguliert; auf der anderen Seite kann die PKA die Aktivität von Calciumpumpen und Kanälen durch Phosphorylierung ändern.

Deutlich zeigt sich die Interaktion der beiden Systeme bein Glucoseabbau im Skelettmuskel: Die Phosphorylase-Kinase, ein Enzym phosphoryliert ein anderes Enzym, was dann zum Glucoseabbau führt. Die Kinase besteht aus vier Untereinheiten, von denen eine die katalytische Aktivität trägt und eine Calmodulin ist. Die beiden anderen werden cAMP-reguliert von der PKA phosphoryliert.

Die Bereitstellung von Glucose wird auf unterschiedlichen Wegen eingeleitet. Zum einen kann der Calciumeinstrom bei der Kontraktion die Bereitstellung der Glucose veranlassen. Andererseits kann aber auch durch Noradrenalin übder den cAMP-Weg die Aktivität gesteigert werden.

Katalytische Rezeptoren

Man kennt heute fünf Gruppen von Rezeptoren, an die ein Enzym gekoppelt ist:

Rezeptor-Guanylatcyklasen stellen cGMP her
Rezeptor-Tyrosinkinasen phosphorylieren Tyrosinreste
Tyrosinkinase-assoziierte Rezeptoren sind mit Proteinen assoziiert, die Tyrosinkinaseaktivität haben.
Rezeptor-Tyrosinphophatasen entfernen das Phosphat von Signalproteinen
Rezeptor-Serin/Threoninkinasen phosphorylieren spezifisch Serin- oder Threoninreste an einigen Proteinen.

Rezeptor-Guanylatcyclasen

Diese Familie umfasst nur wenige Rezeptoren und wirkt, indem das gebildete cGMP eine cGMP-abhängige Proteinkinase aktiviert, welche wiederum spezifische Proteine phosphoryliert.

Rezeptor-Tyrosinkinasen

Diese sehr grosse Familie umfasst viele der Rezeptoren für Wachstumsfaktoren wie den EGF, den NGF, den PDGF oder den IGF-1. Die Rezeptoren durchspannen die Membran einmal.

Das Binden eines Liganden führt zur Bildung eines Dimers aus zwei Rezeptoren, so dass sich diese gegenseitig an mehreren Tyrosinresten gegenseitig phosphorylisieren. Die autophosphorylierte Stelle dient dann als Binungsstelle für andere hochaffine Signalmoleküle innerhalb der Zelle.

Die bindenden Proteine sind z.B. ein GTPase aktivierendes Protein, die Phospholipase C $\gamma$ oder die Nicht-Rezeptorprotein-Tyrosinkinasen. Diese Proteine wirken zwar unterschiedlich, weisen aber alle eine Scr-Homologieregion-2 und -3 auf. Diese SH2-Domänen erkennen phophorylisierte Proteine und dienen vermutlich dazu, an die phosphorylierte Stelle zu binden.

An der cytoplasmatischen Seite der Membran liegen die Ras-Protein. Bei diesen handelt es sich um monomere GTPasen. Sie unterstützen die Wirkung der Rezeptor-Tyrosinkinasen. Da die Ras-Proteine GTP sehr langsam hydrolysieren, bleiben sie einmal aktiviert praktisch dauerhaft aktiv. Wenn allerdings die GTPase-aktivierenden Proteine aktiv sind, können sie die Hydrolysegeschwindigkeit der Ras-Proteine deutlich erhöhen. Dem entgegen wirken die Guaninnucleotid-freisetzenden Protein (GNRPs), die GDP gegen GTP tausche und Ras so in seiner aktiven Form halten.

Die Rezeptor-Tyrosinkinasen können die Aktivität von Ras durch Phosphoryliern dieser beiden Proteine steuern. Ein gut untersuchtes Beispiel für eine solche Interaktion mit Ras ist die Entwicklung der Ommatidien bei Drosophila:

Bei Drosophila baut sich ein Ommatidium aus insgesamt 8 photorezeptiven Zellen auf. Bei der Mutante sevenless (sev) fehlt die Zelle 7, die zur Wahrnehmung von UV-Licht benötigt wird. Das für diese Mutationen verantworliche Gen war eine Rezeptortyrosinkinase. Für dessen Ligand codiert das Gen boss (bride of sevenless). Dieses wird als Transmembranmolekül auf der Oberfläche der zentralen Rezeptorzelle R8 exprimiert. Durch den Kontakt zwischen Sev und Boss wird das Sev-Protein aktiviert und führt über die Phosphorylierung mehrere Proteine zu einer Aktivierung von Ras, welches danneine Phosphorylierungskaskade in Gang setzt.

Durch diese Kaskade wird das sehr kurzlebige Signal in ein zum Wachstum anhaltendes langfristiges Signal umgewandelt. Hierbei spielen die sogenannten mitogenaktivierten Protein - Kinasen (MAP-Kinasen) eine entscheidende Rolle: Damit sie vollständig aktiv werden müssen sie an einem Threonin- und einem Tyrosin-Rest phosphoryliert werden. Die Phosphorylierung beider Reste wird durch die MAP-Kinase-Kinase katalysiert. Die MAP-Kinase wird durch die sogenannte MAP-Kinase-Kinase aktiviert. Diese wiederun wird von der MAP-Kinase-Kinase-Kinase aktivier, indem diese Serin/Threoninreste phosphoryliert. Die MAP-Kinase-Kinase-Kinase wird sehr wahrscheinlich von einem Tyrosinkinase-Rezeptor über das Ras-Protein oder über ein trimäres G-Protein aktiviert.

Durch die Aktivität der MAP-Kinase werden bestimmte genregulatorische Protein phosphoryliert, welche dann die Transkription beeinflussen. Diese Beeinflussung kann durch die Wanderung der Kinase in den Zellkern, die Wanderung eines Faktors oder die Freisetzung eines Hemmstoffs umgesetzt werden.

Tyrosinkinase-assoziierte Rezeptoren

Diese Rezeptoren arbeiten ähnlich wie die Rezeptor-Tyrosinkinasen, nur dass sie mit ihrer Kinase-Domäne über nicht-kovaltente Wechselwirkungen verbunden sind.

Auch bei diesen Rezeptoren wird die Aktivierung sehr wahrscheinlich durch eine Dimerisierung des Rezeptors eingeleitet. Die Kinasen befinden sich an der Innenseite der Plasmamembran und besitzen alle SH2 oder SH3-Domänen. Diese Kinasen können zumeist sowohl mit Rezeptoren ohne eigene Kinaseaktivitiät als auch mit Rezeptoren, die selbst Tyrosinkinaseaktivität besitzen interagieren.

Protein-Tyrosin-Phosphatasen

Die Protein-Tyrosin-Phosphatasen entfernen Phosphatgruppen von spezifischen Phosphoryrosinen an bestimmten Proteinen. Sie limitieren das Ausmass der phosphorylierten Tryosinreste in der ruhenden Zelle.

Ein wichtiges Beispiel für die Wirkung dieser Gruppe von Phosphatasen ist das CD45-Protein auf der Oberfläche von weissen Blutkörperchen. Durch eine Quervernetzung des Proteins über Antikörper wird die Phosphatase-Domäne aktiviert und diese bewirkt durch Dephosphorylierung von Phosphatasen, dass diese aktiviert werden können.

Serin-/Threonin-Proteinkinasen

Bei den transformierenden Wachstumsfaktoren (TGF) hat man erstmals einen Rezeptor mit Serin-/Threonin-Proteinkinasen-Aktivität gefunden. Er hat eine Membrandurchspannende Domäne; über die Signaltransduktion ist wenig bekannt.

Signalübertragung und Krebs

Im Prinzip kann eine Überexpression von jedem der Signalkaskade zur Wachstumssteurung Krebs zur Folge haben, da in diesem Fall das Wachstum unabhängig von äusseren Einflüssen gefördert wird.

Auch wenn durch einen Virus etwas das virale v-src-Oncogen in die Zelle eingebracht wird - oder wenn eine ras-Mutation eingebracht wird, die nicht inaktiviert werden kann - dann führt das zu Krebs.

Die Krebs verursachenden Gene werden Oncogene genannt.

Adaptation auf Zellebene

Unter Adaptation versteht man einen desensiblisierenden Effekt, der dazu führt, dass die Antwort auf ein signal mit der Zeit schwächer wird.

Ein Weg der langsamen Reaktion besteht darin, dass ein grosser Teil der Rezeptoren, die mit dem Substrat in die Zelle aufgenommen wurden, in den Lysosomen mit verdaut wird, somit die Rezeptordichte fällt und die Zelle desensibilisiert.

Der schnellere Weg führt über eine ligandengesteuerte Phosphorylierung des Rezeptors. Bei einer homologen Desensibilisierung mach der Ligand die Zelle nur für sich selbst unempfindlich.

Diese Adaptationsmechanismen spielen bei Suchterscheinungen wie der Opiumsucht eine entscheidende Rolle. Morphin verringert über eine Phosphorylierung durch die cAMP-abhängige PKA die Leitfähigkeit der Ionenkanäle und damit auch die Geschwindigkeit der Reizleitung. Bei einer Adaptation kommt es zu einer Erhöhung der PKA-Expression und so zu einem Ausgleich der Leitfähigkeit. Nach dem Absetzen der Droge ist dieses Enzym dann überexprimiert und führt zu den benkannte Entzugssymptomen.

Bei Bakterien verändert die chemische Adaptation an einen Lock- oder Schreckstoff die Häufigkeit von Taumelbewegungen, die einen zufälligen Richtungswechsel herbeiführen. Eine Konzentrationänderung erhöht die Anzahl der Taumelbewegungen zunächst; mit der Zeit nehmen diese aber ab. Diese Adaptation kann nach einiger Zeit durch ein erneutes Erhöhen der Konzentration ausgeglichen werden. Die Adaptation erfolg durch eine Methylierung.

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