Gernot Desoye; Geb.-gyn. Univ. Klinik; Medizinische Universität; 8036 Graz

1. Gernot Desoye; Geb.-gyn. Univ. Klinik; Medizinische Universität; 8036 Graz phone: (0316-) 385-84605; fax: (0316-) 385-2506; gernot.desoye@meduni-graz.at Kapitel SIGNALTRANSDUKTION UND HORMONE 1 Wochenstunde /Desoye Lehrinhalte Die Kommunikation zwischen Zellen und Organen ist Voraussetzung für den koordinierten Ablauf der meisten Vorgänge in multizellulären Organismen. In dieser Vorlesung werden die allgemeinen Grundprinzipien, vor allem des endokrinen Systems, entwickelt und die intrazellulären Mechanismen der Wirkung von Hormonen und Wachstumsfaktoren besprochen.

2. Grundprinzipien der interzellulären Kommunikation; was sind ‚Hormone‘; endokrines System und Regelkreise; der Weg eines Hormons von der Biosynthese (v.a. der Steroidhormone) über Sekretion, Transport zum Zielorgan bzw. der Zielzelle, intrazelluläre Wirkung, Abbau und Ausscheidung Intrazelluläre Rezeptoren: Die Steroid-Hormon-Rezeptor-Superfamilie und ihre Wirkungsprinzipien; Co-Aktivatoren, Co-Repressoren; Nucleosomen-modifikation durch Histonacetylierung

3. Membranständige Rezeptoren:Grundprinzipien der Signalweiterleitung; Struktur und Dynamik der Rezeptoren in der Plasmamembran, G-Proteine, GTPasen; Desensitisierung; Signalmultiplikation Adenylatzyklase, cAMP als second messenger; Protein Kinase A; Phosphorylierung/Dephosphosphorylierung als wichtiges Grundprinzip der Regulation intrazellulärer Prozesse; Phosphatasen Phospholipasen C; PI breakdown, PIP2 und Ca++ als second messenger; Ca++-Kinasen, Protein Kinase C

4. Wachstumsfaktoren; die Regulation des Zellzyklus, Cykline und Cyclin-abhängige Kinasen; Cyclin-abhängige Inhibitoren Rezeptoren als Enzyme (Tyrosinkinasen), Autophosphorylierung; SH2/SH3/PH-Domänen; Ras/Raf/MAP-Kinase pathway; Protein Kinase B Stress-induzierte Signale (Hitze, UV, osmotischer bzw. oxidativer Stress) und deren Transduktion Cytokin-Rezeptoren; JAK/STAT–Pathway Rezeptoren als Enzyme (Serinkinasen); TGFß-Superfamilie; Signalling durch SMADs

5. Lehrbuch: G. Kraus: Biochemistry of Signal Transduction and Regulation. Wiley-VCH, Weinheim, 1999; ISBN 3-527-29771-5 Beispiele, wie Übersichtsfragen formuliert sein könnten: Skizzieren Sie den G-Protein-Zyklus und diskutieren Sie daran den Amplifikationsmechanismus der Signaltransduktion Beschreiben Sie am Beispiel des Insulins wie ein Hormon auf den Rezeptor wirkt und welche intrazellulären Vorgänge dadurch ausgelöst werden. Welche Möglichkeiten hat eine Zelle Signale, die durch extrazelluläre Faktoren ausgelöst wurden, abzuschalten. Geben Sie Beispiele dazu.

6. Kommunikation zwischen Zellen: * ENDOKRINES System * NERVEN-System

7. Vergleich NERVEN – ENDOKRINES SYSTEM NERVEN-S. ENDOKRINES-S. Botenstoffe: Neurotransmitter Hormone Produktionsort: Nervenzellen endokrine Organe (Drüsen, Zellaufbau) Geschwindkeit: schnell langsam Konzentration der lokal hoch niedrig Signalmoleküle: (10-3 -10-4 Mol/l) (< 10-8 Mol)/l)

8. Hormone (gr.: hormao = anregen, antreiben) • Vom Organismus produziert • In Blut abgegeben • Produzierendes Organ ≠ Wirkort • Binden an Wirkort an spezifischen Proteine („Rezeptoren“) • Beeinflussen Stoffwechsel • geringe Konzentrationen notwendig

10. Beispiele einiger Hormonkonzentrationen Aldosteron: 7.5 – 150 pg/ml S. Cortisol: 7.0 – 25.0 µg/ml S. Östradiol: 10.0 – 450 pg/ml S. Prolactin: 1.6 – 16.0 ng/ml S. Bestimmungsmethoden: RIA, ELISA, IRMA Früher: Bioassay Einflüsse: Circadiane Rhythmik Geschlecht Ernährung, Stress, Schwangerschaft

11. Die wichtigsten endokrinen Organe Placenta

13. 1 5 2 6 3 7 4 4 6 5 7 Die verschiedenen Schritte im endokrinen System: • Hormonbiosynthese • Speicherung • Sekretion-Exocytose • Transport • Erkennung durch Bindung an Zielzellen • Signaltransduktion – intrazellulärer Effekt • Abbau - Ausscheidung

14. Hormonbiosynthese

15. Die wichtigsten Substanzklassen von „Hormonen“ • Peptid/Proteohormone • Steroidhormone • von Aminosäuren abgeleitete Hormone • von Fettsäuren abgeleitete Hormone

16. Biosynthese von Proteo- und Polypeptidhormonen 1.) Primäres Translationsprodukt Prä-Pro-Hormon (Ribosomen) 2.) Postribosonale Modifikationen: - Abspaltung N-, C-terminaler intermediärer Peptidreste - Glykosylierung (Endoplasmatisches Retikulum; Golgi Apparat)

17. Seruminsulin (10-25 µE/ml) + C-Peptid

18. Glykosylierung von Proteohormonen Mit Ausnahme von Albumin sind die Serumproteine glykosyliert (z.B.Haptoglobin, Caeruloplasmin, IgG, hCG, LH, FSH, TSH). Wichtig für Spezifität der Hormone (LH/hCG) und Lebensdauer (Halbwertszeit) d. Proteine. Entfernung aus Circulation erfolgt nach Abspaltung der terminalen Sialinsäuren (N-bzw. O-acetyl-Neuraminsäure) durch den Asialoglycoprotein-Rezeptor

19. Steroidhormone Von Cholesterin abgeleitet

21. Acetyl-CoA Aceto-Acetyl-CoA ↓ HMG – Co A ↓ ↓ Isopentenylpyrophosphat (aktives Isopren) Steroidbiosynthese 3 aktive Isopren → Farnesylpyrophosphat 2 Farnesylpyrophosphat → Squalen → Lanosterin → Desmosterin → Cholesterin

22. Aufnahme von Cholesterin 1.) Apolipoprotein B-100 an der Oberfläche der LDL-Partikel bindet an spezifische Rezeptoren an der Plasmamembran 2.) Rezeptor-LDL Komplex wird internalisiert (Endocytose) * coated pits * coated vesicles * uncoating * endosomen

23. 3.) Endosomen – enthalten LDL/Rezeptor – fusionieren mit Lysosomen → Abbau LDL-Protein → freie Aminosäuren recyclen LDL-Rezeptor → Plasmamembran LDL-Cholesterinester → Cholesterin + freie Fettsäuren

24. 4.) freies Cholesterin: * Biosynthese von Membranen * Biosynthese von Gallensäuren * Veresterung (Ölsäure, Palmitinsäure, ACAT) * Biosynthese von Steroidhormonen 5.) Aufnahme vom LDL bzw. Cholesterin-biosynthese sind reguliert: * LDL-Rezeptorbiosynthese * ACAT * HMG-CoA-Reduktase - Transcription - Phosphorylierung ↓Aktivität (PkA)

25. Abspaltung von C6 • O2-abhängig • NADPH-abhängig Cholesterin C27

26. Aktivierung von O2 durch Cytochrom P 450 • > 100 humane CYP-gene • Membranprotein • - 50kD • Häm • Teil einer Elektronentransport mit dem Ziel der Hydroxylierung Auch zur Entgiftung von Fremdsubstanzen z.B. Hydroxylierung von polycylischen aromatischen Kohlenwasserstoffen.

27. Synthese von Pregnenolon aus Cholesterin Hydroxylierungsreaktionen: • [S-Epoxid] • Squalen → Lanosterin • Cholesterin → Gallensäuren • Cholesterin → Steroidhormone • [Phenylalanin→ Tyrosin] Abspaltung von C6 – Verkürzung der Seitenkette 3 NADPH; 3 02 Monooxygenasen benötigen NADPH; 02 R-H + O2 + NADPH + H+→ R – OH + H2O + NADP+

28. 17α-Hydroxylase Reduktion der 17-Keto Gruppe C2- Abspaltung 19 C19 C19 C21 • Östrogensynthese: • Abspaltung von CH3 an C19 • Aromatisierung • NADPH2 und O2 notwendig C18 C18 C11, C17, C21 Hydroxilierung C27 Cholesterin C21 21 17 11 18 C21 C21 C21 18 • Oxidation an C3 • Isomerisierung C11, C21 Hydroxilierung C18 Oxidation C21

29. Verbreitetste, vererbbare Störung der Steroidhormonsynthese ⇒ ↓ Glucocorticoide, Mineralocorticoide ⇒ ACTH Sekretion ↑ ⇒ ACTH stimuliert Synthese von Pregnenolon aus Cholesterin ⇒ Progesteron ↑ ; 17 –OH-Progesteron ↑ Androgen ↑ ⇒ Virilisierung 21-Hydroxylase-Mangel

30. - - Hormone, die von AA abgeleitet sind Mitochondrien Cytoplasma Granula Synthese bis Dopamin im Cytoplasma (Mitochondrien). Dopamin durch aktiven Transport in chromaffine Granula aufgenommen, gespeichert bzw. umgewandelt in NA und A. Dopamin - ß – Oxidase ebenfalls in Granula (Membran); dort Katecholamin gespeichert in einem Komplex mit ATP. Sekretion durch neutrale Reize (Acetylcholin) ausgelöst, Ca++ - abhängige Exocytose.

31. ‘Hormone‘ die von Fettsäuren abgeleitet sind (Eikosanoide)

32. Sekretion der Hormone

33. Sekretorische Wege gehen vom trans-Golgi – Netzwerk aus konstitutive S.: in allen Zellen regulierte S.: in spezialisierten Zellen; Proteine werden konzentriert, gespeichert und nur bei extrazellulärem Signal sezerniert (auch für kleinere Moleküle, z.B. Histamin, aktiver Transport aus Cytosol in sekretorische Vesikel, komplexiert mit Makromolekülen, z.B. Proteoglykanen; ermöglicht Speicherung hoher Konzentration ohne zu hohen osmotischen Druck zu erzeugen)

34. In einer Zelle, deren Sekretion auch reguliert ist, müssen 3 verschiedene Proteinklassen getrennt werden, bevor sie trans-Golgi verlassen: Proteine für: - Lysosomen (über LATE ENDOSOMES) - Speicherung in sekretorischen Vesikeln, regulierte Sekretion - sofortigen Transport zur Zellmembran, konstitutive Sekretion

35. Sekretorische Vesikel zum Konzentrieren, Speichern und Transportieren von Produkten für regulierte Sekretion. Sekretorische Vesikel spalten sich von trans-Golgi ab aus Bereichen mit Clathrin-Hülle: Nach Abspaltung wird Chlathrin-Hülle entfernt. Inhalt um bis zu 200x konzentriert gegenüber Konzentration im Golgi-Apparat.

36. Wie gelangen Proteine/Peptide in sekretorische Vesikel? Prä-pro-Hormon: Prä-Teil: enthält ER-Signal; wird früh in rER abgespalten Pro-Teil: wahrscheinlich notwendig um in Sekretorische Vesikel zu gelangen Transport zur Zellmembran? Mechanismus? Sekretion: Ausgelöst durch Signal (extrazellulär) (Hormon) → Rezeptor → Signal (intrazellulär) oft [Ca++] ↑

37. Vesikel des konstitutiven Transportes Vesikel haben eine Hülle aus Protein-Komplex (Coatomer): 7 Hüll-Protein Untereinheiten (COPs) zum Unterschied von sekretorischen V.: - Coatomer Hülle bildet sich nicht spontan, sondern benötigt ATP - Hülle bleibt am Vesikel bis dieses zur Membran gelangt ist

39. Insulin-Sekretion aus ß- Zellen 1. Glukoseaufnahme in ß – Zelle (GLUT 2) 2. rasche Metabolisierung; hohe aktive Glukokinase („Glukosesensor“) → ATP ↑ 3. ATP-abhängiger K+-Kanal, der das Ruhepotential d. ß-Zellen kontrolliert, wird inhibiert 4. Depolarisierung der ß-Zelle 5. Öffnung Spannungsabhängiger Ca++-Kanäle 6. Ca++ strömt ein → Insulinsekretion ? ~ 180 x 10 6 Vesikel/sec sezerniert; wichtigster Stimulus: Glukose Wie ist Glukose mit Sekretion verknüpft? (Glukoserezeptor? Obsolet!) 5 6 4 3 2 1

40. Transport der Hormone

43. Plasmaproteine zum Transport „Freies“ (= ungebundenes) Hormon ist aktiv! Bindungsprotein + Steroidhormon SH:BP BP SH BP + SH SH:BP Zelle Affinität oft niedrig, aber gesamt Konzentration an BP hoch! Dadurch auch Regulationsmöglichkeit der Hormonwirkung über Beschränkung der Verfügbarkeit.

44. Transportproteine Globuline SHBG ß – Globulin Androgene, Östrogene TGB ß – Globulin Thyroxin CBG (Transcortin) α1 – Globulin Glucocorticoide, Gestagene Cholecalciferol-Bindendes Proteinα2 – Globulin Cholecalciferol Albumin Mineralocorticoide Östrogene (obwohl K ~10 4 – 10 5 niedrig, aber quantitativ wichtig!; conc. Albumin ~ 4 % im Blut)