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2020. 09. 16. 1 Zelluläre Signaltransduktion - Einleitung www.cellsignallingbiology.org Péter SÁNTHA 17.09.2020. – Lernziel No. 7. Steuerung der Zelluläre Funktionen Typen der interzellulären Signalübertragung: Endokrin – Parakrin – Autokrin-(Juxtakrin) Synaptische Übertragung Elektrische Synapse/Gap Junction Chemische Botenstoffe („primary messengers”) : Hormone Synaptische Überträgerstoffe und Neurohormone (Neurosekretion – z.B.: HHL) Lokale chemische Wirkstoffe (Parakrin Substanzen): Zytokine, Inflammatorische Mediatoren, Wachstumsfaktoren, Antigene usw. Membranrezeptoren: Spezifische Bindung der Botenstoffe – Aktivierung (Konformationswechsel) – Signalübertragung; Spezifizität - Affinität Folge der Aktivierung I.: Änderung des Membranpotenzials: • Ligandgesteuerte Ionkanäle (Ionotrope Rezeptoren) • funktionelle Verkopplung mit selbständigen Ionkanäle (Metabotrope Rezeptoren

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  • 2020. 09. 16.

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    Zelluläre Signaltransduktion - Einleitung

    www.cellsignallingbiology.orgPéter SÁNTHA 17.09.2020. – Lernziel No. 7.

    Steuerung der Zelluläre Funktionen

    Typen der interzellulären Signalübertragung:

    Endokrin – Parakrin – Autokrin-(Juxtakrin)Synaptische ÜbertragungElektrische Synapse/Gap Junction

    Chemische Botenstoffe („primary messengers”) :HormoneSynaptische Überträgerstoffe und Neurohormone (Neurosekretion – z.B.: HHL)Lokale chemische Wirkstoffe (Parakrin Substanzen):Zytokine, Inflammatorische Mediatoren, Wachstumsfaktoren, Antigene usw.

    Membranrezeptoren:Spezifische Bindung der Botenstoffe – Aktivierung (Konformationswechsel)– Signalübertragung; Spezifizität - Affinität

    Folge der Aktivierung I.:Änderung des Membranpotenzials:• Ligandgesteuerte Ionkanäle (Ionotrope Rezeptoren)• funktionelle Verkopplung mit selbständigen Ionkanäle (Metabotrope Rezeptoren)

  • 2020. 09. 16.

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    Typen der Interzellulären SignalübertragungMechanismen

    www.cellsignallingbiology.org

    +Chemische Synapse!

    Steuerung der Zelluläre Funktionen

    Typen der Interzellulären Signalübertragung:

    Endokrin – Parakrin - AutokrinSynaptische ÜbertragungElektrische Synapse/Gap Junction

    Chemische Botenstoffe („primary messengers”) :HormoneSynaptische ÜberträgerstoffeLokale chemische Wirkstoffe (Parakrin Substanzen):Zytokine, Inflammatorische Mediatoren, Wachstumsfaktoren, Antigene usw.

    Membranrezeptoren: (+ zytoplasmatische/Kern Rezeptoren)Spezifische Bindung der Botenstoffe – Aktivierung (Konformationswechsel)– Signalübertragung; Spezifizität - Affinität

    Folge der Aktivierung I.:Änderung des Membranpotenzials:• Ligandgesteuerte Ionkanäle (Ionotrope Rezeptoren)• funktionelle Verkopplung mit selbständigen Ionkanäle (Metabotrope Rezeptoren)

  • 2020. 09. 16.

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    Molekuläres Model der Bindung von Dopaminean spezifischen Bindestelle des D2 Rezeptors

    Rezeptoraffinität: Dosis – Wirkung Kurven (Beziehungen)

    ED50

    Antagonisten:Kompetitive (Z) – nicht Kompetitive Hemmung (Y)

    Agonist Konzentr.

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    Plasma Konzentrazionen der unterschiedlichen Hormone pmol/l - nmol/l Bereich – hohe Rezeptoraffinität!

    Folge der Aktivierung der Membranrezeptoren II:

    Aktivierung der sekundären BotenstoffsystemeIntrazelluläre Signalübertragung („second messenger system”)

    Funktionen:

    Vermittlung die Botschaft zwischen den aktivierten Rezeptoren und den gesteuerten Molekülen (Effektoren)(Enzyme, Ionkanäle, Transportern, Regulatorproteine, motorische Elemente usw.)

    Wichtigste Intrazelluläre Botenstoffe/Systeme:

    Intrazelluläres Ca2+cAMP (cGMP): Adenylat-(Guanylat-) Zyklase - Proteinkinase A SystemPhosphoinositol (PIP2): Phospholipase C – IP3/DAG - Proteinkinase C SystemTyrosinkinase: Wachstumsfaktoren, InsulinStickstoffmonoxid (NO): NO Rezeptoren- Guanylatzyklase

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    Was haben die sekundäre Botenstoffsysteme gemeinsam?

    Spezifizität: selektive Ligand Bindung an der Rezeptorenselektive Phosphorilierung durch Protein Kinasen (Speziphische Bindungsstellen, Phosphorilierung Ser, Thr oder Tyr)

    Aber: Protein Kinase können verschiedene Proteine aktivieren oder inaktivieren (Divergenz)Ein Protein kann durch unterschiedliche Proteinkinase und SekundäreBotenstoffsysteme reguliert werden (Konvergenz)Überlappungen und gegenseitige Wechselwirkungen der unterschiedlichenSignal Systeme/Netzwerke (Hemmung/Förderung, Feed-Back/Forward)

    Verstärkung: „Signalkaskade” – Adenylatzyklase, Proteinkinase könnengroße menge von Substraten metabolisieren – Kettenreaktion

    Sicherheit: Das Signal soll räumlich und zeitlich begrenzt werden – eingebaute Regelmechanismen („OFF – reaction”)zB.:

    Adenylatzyklase – G-Protein: GTP-Spaltung inaktiviert das G-Prot.cAMP – Phosphodiesterase inaktiviert das cAMPCa2+ - Pumpen erniedrigen die Ca2+ Konzentration

    Signalkaskade – mehrstufige Verstärkung des extrazellulären Signals

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    Medizinische Bedeutung:

    • Wirkungsort von Wirkstoffe:

    Koffein, Theofillin – Phosphodiesteraze HemmerNSAID, COX2 Hemmer – Cycloxigenaze (Prostaglandine Synthese) Sildenafin – Phosphodiesteraze Hemmer (Izoenzym selektive)

    • Pathologische Wirkungen: Bakterielle Toxine: Pertussis Toxin (PTX) – Gi Protein inaktiviert

    • Cholera Toxin (CTX) – Gs Protein aktiviert

    • Onkogene (Neoplasien – Tumoren):Phorbolesther (PKC Aktivierung)Src (receptor-associated tyrosine kinase) – Proto-OnkogeneRas (Small GTP-binding protein)

    Kalziumvermittelte Signale: kurzfristige Erhöhung der IZ Kalziumkonzentration („Ca2+ transient”)

    www.cellsignallingbiology.org

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    www.cellsignallingbiology.org

    Zellspezifische Mechanismen ermöglichen den Eintritt/Freisetzung der EZ/IZ Ca2+

    Neuronen – NMDA Glutamate Rezeptoren

    Neuronen – Transmitter Freisetzung

    Muskelfasern – Elektromechanische Kopp.

    Drüsenepithel – Sekretorische Funktionen

    Herzmuskelzellen – Neurovegetative Str.

    „Calcium – Induced Calcium Release”(Herzmuskelzellen)

    www.cellsignallingbiology.org

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    Calmodulin bediengte Aktivierung der Proteine – Ca2+- Sensoren(Calmodulin, Troponin C usw.)

    VOC: Voltage Operated Calcium Channel; CCE: Capacitive Calcium Entry; CaM: Calmodulin; MLCK MyosinLight Chain Kinase

    Beispiel I: Kalzium – Calmodulin System (Glattemuskelzellen)

    [Ca2+]iz ~10-7

    CONTRACTION

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    Untersuhung des Ca2+ Signals – „Ca-Imaging”; Ca-sensitive Fluorescent Farbstoffe

    Aktivierung von heterotrimeren G-ProteinenGPCRs: G-Protein Gekopplete Rezeptoren

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    Typen der heterotrimer G-Protein Untereinheiten und ihre Verbindungen mit weiteren intrazellulären Signalwege

    www.cellsignallingbiology.org

    G-protein coupled receptors (GPCRs) I. – Adenylatezyklase / Proteinkinase A

    www.cellsignallingbiology.org

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    Beispiel II: Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) - System

    Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

    Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) - System

    www.cellsignallingbiology.org

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    12

    PLC (Phospholipase C) – DAG/IP3 System

    www.cellsignallingbiology.org

    Schmidt/Thews: Physiologie des Menschen 27. Auflage 1997

    PLC (Phospholipase C) – DAG/IP3 System