signaltermination bei g-protein gekoppelten rezeptoren viele schalter für ein signal!
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Signaltermination bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
Viele Schalter für ein Signal!
ZELLE
SIGNALE:
Hormone
Neurotransmitter
Cytokine
Licht
Duft
Fettsäurederivate
REAKTION:
Stoffwechsel
Proteinsynthese mRNA
Differenzierung
Morphologie
Signalweiterleitung
BEDEUTUNG der SIGNALTERMINATION
. Schutz vor dauerhafter Zellerregung
. Adaption der zellulären Antwort auf Änderung von externen Signalen
. Integration von verschiedenen Signaltransduktionswegen
SIGNALTERMINATION A- kurzfristiges Signal -
(sec-min)
ReversibelInaktivierung der Signalmoleküle
(z.B. chem. Modifikation, zelluläre Umverlagerung,
Protein-Protein Interaktion)
Schnelle Reaktion auf Signalveränderungen
SIGNALTERMINATION A- kurzfristiges Signal -
(sec-min)
SIGNALTERMINATION B- andauerndes Signal –
(Stunden-Tage)
ReversibelInaktivierung der Signalmoleküle
(z.B. chem. Modifikation, zelluläre Umverlagerung,
Protein-Protein Interaktion)
IrreversibelInaktivierung der Signalmoleküle
(z.B. proteolytischer Abbau, Verminderung der Neusynthese)
Schnelle Reaktion auf Signalveränderungen
dauerhafte Umstellung desZellverhaltens bei chronischen
Milieuveränderungen
Signaltermination bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren(GPCR)
- am besten untersuchtes Rezeptorsystem bezüglich Signaltermination
- über 2000 Artikel in den letzten 5 Jahren zu diesem Thema !
Grund:
- 100.000 Gene im humanen Genom 1000 Gene für GPCR!- 45% der in den letzten 10 Jahren entwickelten Pharmaka wirken auf GPCR- weites Spektrum von Liganden: Neurotransmitter, Hormone, Chemokine, Prostanoide, Licht, Odorants
- beteiligt an Krankheiten: Bluthochdruck, chronische Herzfehler, endzündlichen Krankheiten, HIV, Opiatsucht
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
e
i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOHRezeptor
Externe Signale
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
e
i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Externe Signale
GDP
GTP
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
e
i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Effektor(z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)
Externe Signale
GDP
GTP
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
e
i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Effektor(z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)
second messenger(cAMP, IP3, DAG, Ca2+)
Externe Signale
GDP
GTP
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
e
i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Effektor(z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)
second messenger(cAMP, IP3, DAG, Ca2+)
Externe Signale
GDP
GTP
Proteinkinasen (PKA, PKC)
Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals
e
i
PM
NH2-
- COOH
H[HR] = [H] [R] KdH
Signal
Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals
e
i
PM
NH2-
- COOH
H[HR] = [H] [R] KdH
Signal
externes Signal endokrines System transient [H]
Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals
e
i
PM
NH2-
- COOH
H[HR] = [H] [R] KdH
Signal
externes Signal endokrines System transient [H]
[H] liegt im Bereich der Kd des Rezeptors Signal
Herabsetzen der Hormonkonzentration Abschalten des Signals
e
i
PM
NH2-
- COOH
H[HR] = [H] [R] KdH
Signal
externes Signal endokrines System transient [H]
[H] liegt im Bereich der Kd des Rezeptors Signal
[H] [HR] Abschalten des Signals
Agonisten-Entfernung aus dem Extrazellulärraum - Mechanismen -
1. Verdünnung
2. Aufnahme durch spezifische Transporter
3. Extrazellulärer Abbau
4. Rezeptor-vermittelte Endozytose
Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse)
Kokain Sarin
Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse)
Kokain Sarin
Aktive Entfernung des Agonisten aus dem Extrazellulärraum (Synapse)
Kokain Sarin
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
e
i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Effektor(z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)
second messenger(cAMP, IP3, DAG, Ca2+)
Externe Signale
GDP
GTP
Proteinkinasen (PKA, PKC)
Desensitisierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR)
• Homologe Desensitisierung
- Exclusive Hemmung des aktiven, Liganden-besetzten Rezeptors
Signaltermination am Rezeptor
Desensitisierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR)
• Homologe Desensitisierung
- Exclusive Hemmung des aktiven, Liganden-besetzten Rezeptors
• Heterologe Desensitisierung
- Hemmung eines Rezeptors nach Aktivierung eines anderen, heterologen
Rezeptors
Signaltermination am Rezeptor
Desensitisierung und Phosphorylierung von GPCRBeispiel: Angiotensin II Rezeptor:
Ligand: Angiotensin II Funktion: potenter Regulator des Blutdrucks
G-Protein: Gq second-messenger: InsP3 , Ca2+
Rezeptordesensitisierung:
Desensitisierung und Phosphorylierung von GPCRBeispiel: Angiotensin II Rezeptor:
Ligand: Angiotensin II Funktion: potenter Regulator des Blutdrucks
G-Protein: Gq second-messenger: InsP3 , Ca2+
Rezeptordesensitisierung: Rezeptorphosphorylierung:
G-Protein gekoppelte Rezeptor Kinasen (GRKs)
Rezeptorerkennung
Membrantargeting
GRK-Eigenschaften
Name Intrazelluäre Lokalisation
Rezeptorsubstrat Gewebe
GRK 1 Rhodopsin
Kinase Plasmamembran Rhodopsin (ß2-AR) Retina
GRK 2 ßARK 1 Cytosol ß2-AR, 2-AR, m2-ACh-R,
Thr-R, AT II-R etc. Leukozyten, Herz, Gehirn, Lunge, Niere
GRK 3 ßARK 2 Cytosol ß2-AR, 2-AR, m2-ACh-R,
Thr-R, AT II-R etc. Milz, Herz, Gehirn, Lunge, Niere
GRK 4 - Plasmamembran ß2-AR, LH-R Testis, (Gehirn) GRK 5 - Plasmamembran ß2-AR, Rhodopsin Muskel, Herz, Leber
Gehirn, Lunge, Niere GRK 6 - Plasmamembran ß2-AR, Rhodopsin Muskel, Herz, Leber
Gehirn, Lunge, Niere
Translokation von GRK2/3
P
1 2 3 4 5 6 7
G R K 2 /3
GRK 5/6
S/TS/T
A
Regulation der GRK-Phosphorylierung
Aktiv ie rter R ezeptor
P
G R K 2 /3
+
P
1 2 3 4 5 6 7
G R K 2 /3
GRK 5/6
S/TS/T
A
Regulation der GRK-Phosphorylierung
A ktiv ie rter R ezeptor
P
G R K 2 /3
+
+
P
1 2 3 4 5 6 7
G R K 2 /3
GRK 5/6
S/TS/T
A
Regulation der GRK-Phosphorylierung
A ktiv ie rter R ezeptor
P
G R K 2 /3
P IP 2
+
+
+
+
P
1 2 3 4 5 6 7
G R K 2 /3
GRK 5/6
S/TS/T
A
Regulation der GRK-Phosphorylierung
A ktiv ie rter R ezeptor
P
G R K 2 /3
P IP 2
+
+
PKC
+
+
++
Heterologe Rezeptor Desensitisierung und PhosphorylierungBeispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor
Ligand: ß2-AR: Isoproterenol M3-R: Carbachol
G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP M3-R: Gq, IP3, Ca2+
Heterologe Rezeptor Desensitisierung und PhosphorylierungBeispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor
Ligand: ß2-AR: Isoproterenol M3-R: Carbachol
Heterologe Rezeptordesensitisierung
G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP M3-R: Gq, IP3, Ca2+
1. Prä-Stimulus: Carbachol2. Stimulus: Isoproterenol
Prä
Heterologe Rezeptor Desensitisierung und PhosphorylierungBeispiel: ß2-adrenerger- und M3-muscarinischer Rezeptor
Ligand: ß2-AR: Isoproterenol M3-R: Carbachol
Heterologe Rezeptordesensitisierung Heterologe Rezeptorphosphorylierung
G-protein: ß2-AR: Gs, cAMP M3-R: Gq, IP3, Ca2+
1. Prä-Stimulus: Carbachol2. Stimulus: Isoproterenol
1. Phosphorylierung des ß2-ARdurch Stimulation mit Carbachol
Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung
Phosphorylierungserkennung Clathrinbindung
Erkennung des akt. Rezeptors
48 kD
Arrestine: Gewebe Lokalisation
Vis. Arrstin Retina Cytosol
ß-Arrestin 1 und 2 ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe) Cytosol
cone-Arrestin Retina, Lunge Cytosol
D- E-Arrestin ubiquitär Cytosol
Struktur
Arrestin - Adaptor bei der GPCR-Desensitisierung
Phosphorylierungserkennung Clathrinbindung
Erkennung des akt. Rezeptors
48 kD
Arrestine: Gewebe Lokalisation
Vis. Arrstin Retina Cytosol
ß-Arrestin 1 und 2 ubiquitär (NS, Lymph. Gewebe) Cytosol
cone-Arrestin Retina, Lunge Cytosol
D- E-Arrestin ubiquitär Cytosol
Struktur
Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCRBeteiligung von Arrestin
Beispiel: Adenosin-RG-Protein: Gs
Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin
Rezeptor
Arrestin-GFP
Rezeptor +
Arrestin-GFP
Rezeptor
Arrestin
Rezeptor + Arrestin
Agonisten-induzierte Sequestrierung von GPCRBeteiligung von Arrestin
Beispiel: Adenosin-RG-Protein: Gs
Lokalisation von Rezeptor u. Arrestin
Rezeptor
Arrestin-GFP
Rezeptor +
Arrestin-GFP
Rezeptor
Arrestin-GFP
Rezeptor +
Arrestin-GFP
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
e
i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Effektor(z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)
second messenger(cAMP, IP3, DAG, Ca2+)
Externe Signale
GDP
GTP
Proteinkinasen (PKA, PKC)
GTPase-Funktion
SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen
GTPase Activating Protein
Regulators of G protein Signalling
SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen
GTPase Activating Protein
Regulators of G protein Signalling
RGS-Proteine beschleunigen die Umwandlung von G-GTP zu G-GDP
SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen
GTPase Activating Protein
Regulators of G protein Signalling
SIGNALTERMINATION bei G-Proteinen
GTPase Activating Protein
Regulators of G protein Signalling
alle RGS-Proteine wirkenals GAPs!!
gemeinsame Struktur aller RGS-Proteine
120 AA RGS-Domäne
Funktionsmechanismus von RGS-Proteinen
Stabilisierung des pentavalenten Überganszustandes durch RGS
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
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PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Effektor(z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)
second messenger(cAMP, IP3, DAG, Ca2+)
Externe Signale
GDP
GTP
Proteinkinasen (PKA, PKC)
Inaktivierung von second-messengern
Phosphatase(durch Li gehemmt)
inaktiv
inaktiv
Signaltransduktion bei G-Protein gekoppelten Rezeptoren
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i
PM
zirkulierende Signalsubstanzen
NH2-
- COOH
G-ProteinRezeptor
Effektor(z. B. AC, PLC, Ionenkanäle, MAPK)
second messenger(cAMP, IP3, DAG, Ca2+)
Externe Signale
GDP
GTP
Proteinkinasen (PKA, PKC)
ZUSAMMENFASSUNG
Signaltermination findet auf allen Stufen der Signaltransduktion statt
1. Agonist: - Verdünnung, Aufnahme, Abbau
2. Rezeptor: - Phosphorylierung, Entkopplung vom G-Protein,Internalisierung, Recycling, Abbau,Verminderung
der Neusynthese
3. G-Protein:GTPase Funktion, GAPs und RGS-Proteine
4. second-Messenger:Hydrolyse, Dephosphorylierung, Reveresterung
5. Verstärkerenzyme (Kinasen): Feedback-Inhibition
ZUSAMMENFASSUNG
Signaltermination findet auf allen Stufen der Signaltransduktion statt