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Botenstoffe
1. Bildung eines Signals in der signalgebenden Zelle
2. Transport oder Weiter-leitung des Signals zur Zielzelle
3. Registrierung des Signals in der Zielzelle
4. Weiterleiten des Signals in der Zielzelle
5. Umsetzung des Signals in eine biochemische oder elektrische Reaktion der Zielzelle
6. Beenden des Signals
Einzelschritte der interzellulären Kommunikation
Kommunikationswege
Kommunikationsweg Kinetik Reichweite Mechanismus Gap Junctions = Direkter Zellkontakt
Schnell, andauernd Nur direkt gekoppelte Nachbarzelle
Über Ionen-konzentrationen
Neuronale Signalübertragung
Sehr schnell mit sehr schneller Inaktivierungszeit
Direkt gekoppelte Zelle(n) Rezeptor-vermittelt
Endokrine Signalübertragung
Langsam, lang andauernd Im ganzen Organismus Rezeptor-vermittelt
Parakrine Signalübertragung
Mäßig schnell, kurzzeitige Wirkung
Räumlich begrenzt auf Nachbarzellen
Rezeptor-vemittelt
Charakteristische Merkmale verschiedener Signalübertragungswege
1. Bildung eines Signals in der signalgebenden Zelle
2. Transport oder Weiter-leitung des Signals zur Zielzelle
3. Registrierung des Signals in der Zielzelle
4. Weiterleiten des Signals in der Zielzelle
5. Umsetzung des Signals in eine biochemische oder elektrische Reaktion der Zielzelle
6. Beenden des Signals
Einzelschritte der interzellulären Kommunikation
Botenstoffe
• Hormonproduzierende Drüsen
• Biosynthese von Hormonen
• Ausgewählte Funktionen von Botenstoffen
• Pathophysiologie der Hormonbiosynthese (Beispiele)
Hormone und Hormon-
produzierende Drüsen
MelatoninReleasing Faktoren
„Trophe“ Hormone + direkt wirkende Hormone
Schilddrüsen Hormone
Parathormon
Insulin + Glucagon
Östrogene + Gestagene
Androgene
NNR: Glukocorticoide + Mineralocorticoide
NNM: Katecholamine, (Nor)adrenalin
Hormone und Hormon-produzierende Drüsen
Eigenschaften von Hormonmolekülen
Proteine Peptide Katecholamine Schilddrüsen-hormone
Steroide
Chemie/ Biochemie
50 < 200 AS < 50 AS Tyrosinderivate Tyrosinderivate Cholesterin-Metaboliten
Löslichkeits-eigenschaften
hydrophil hydrophil hydrophil lipophil lipophil
Biosynthese Genexpression Genexpression metabolisch/ enzymatisch
metabolisch/ enzymatisch
metabolisch/ enzymatisch
Sekretion meist geregelte Exozytose
meist geregelte Exozytose
streng geregelte Exozytose
Diffusion Diffusion
Transport frei meistens frei frei Transportprotein Transportprotein
Schranken-permeabilität
nicht permeabel begrenzt permeabel
begrenzt permeabel
permeabel permeabel
Halbwertszeit im Plasma
Minuten bis Stunden
Minuten Sekunden Tage Stunden
Rezeptoren Zellmembran Zellmembran Zellmembran Zellkern/ Zytoplasma
Zellkern/ Zytoplasma
Vorkommen und Biosynthese von Peptid- und Proteohormonen, sowie Wachstumsfaktoren
Peptid- und Proteohormone
MelatoninReleasing Faktoren
„Trophe“ Hormone + direkt wirkende Hormone
Schilddrüsen Hormone
Parathormon
Insulin + Glucagon
Östrogene + Gestagene
Androgene
NNR: Glukocorticoide + Mineralocorticoide
NNM: Katecholamine, (Nor)adrenalin
Wichtige parakrin wirkende Botenstoffe sind Proteine
Organisation des eukaryontischen Genoms
Biosynthese des Insulins- Präproinsulin
- Proinsulin
- Insulin
Hormone der Bauchspeicheldrüse
Hormon Bildungsort Zielgewebe Primärwirkung Regulation
Insulin Pankreas (ß-Zellen)
Alle Gewebe (außer den meisten neuralen Geweben)
Erhöht die Aufnahme von Glucose und Aminosäuren durch Zellen
Hoher Gehalt an Glucose und Aminosäuren, Anwesenheit von Glucagon erhöht, Somatostatin hemmt Sekretion
Glucagon Pankreas (-Zellen)
Leber, Fettgewebe
Stimuliert Glykogenolyse und setzt Glucose aus der Leber frei, Lipolyse
Niedriger Gehalt an Glucose im Serum erhöht Sekretion; Somatostatin hemmt Sekretion
Wichtige Hormone und Hormon-produzierende Drüsen der Wirbeltiere
Wichtige Hormone und Hormon-produzierende Drüsen der Wirbeltiere II
Biosynthese und Prozessierung von Proopiomelanocortin (POMC)
Biosynthese von Peptid‐ und Proteohormonenbzw. Wachstumsfaktoren ‐ Zusammenfassung
Peptid‐/Proteinstruktur: Hormone von Hypothalamus und Hypophyse, Parathormon, Insulin und Glucagon
Synthese: Genexpression
Modifikationen: Prä‐/Pro‐Vorstufen der Synthese (CRH, Vassopressin, Insulin) Ein Gen kodiert für mehrere Hormone (POMC)
Biosynthese von Steroidhormonen
Peptid- und Proteohormone
MelatoninReleasing Faktoren
„Trophe“ Hormone + direkt wirkende Hormone
Schilddrüsen Hormone
Parathormon
Insulin + Glucagon
Östrogene + Gestagene
Androgene
NNR: Glukocorticoide + Mineralocorticoide
NNM: Katecholamine, (Nor)adrenalin
Nomenklatur der Steroidhormone - Cholesterin als Beispiel
Biosynthese von Gestagenen
Wirkungen von Gestagenen bei Säugern
Biosynthese von Glucocorticoiden und Mineralocorticoiden
Kompartimentierung der Biosynthese von Steroidhormonen
Wirkungen von Glucocorticoiden
Aldosteronwirkung in der Niere
Biosynthese von Testosteron
Wirkungen von Androgenen bei Säugern
Synthetische anabol androgene Steroide leiten sich alle vom Testosteron ab, und unterscheiden sich in ihrer Struktur vom Testosteron nur durch Änderungen chemischer Funktionen am Steroid Grundgerüst. Ziel der Anwendung:„Aufbau“ von Muskeln und Verbesserung der Regeneration
Anabol androgene Steroide
♀: Virilisierung
♂: Feminisierung
Weitere Nebenwirkungen- Akne- Leberzysten- Hodenschrumpfung- Reduzierte Spermienzahl- und
beweglichkeit- Gynäkomastie- Degeration im Skelettsystem- Kardiovaskuläre Komplikationen- Stimmvertiefung (Frauen)- Bartwuchs (Frauen)- Glatzenbildung (Männer)
Östradiol -Biosynthese
Wirkungen von Östrogenen bei Säugern
Steroidgruppe Wichtigste chemische Merkmale
Gestagene 21 C-AtomeKetogruppe an Position 20
Glucocorticoide 21 C-AtomeHydroxylgruppe an C11 und C21
Mineralocorticoide Wie GlucocorticoideZusätzlich Formyl-(Aldehyd-) Gruppe an C18
Androgene 19 C-AtomeÖstrogene 18 C-Atome
Aromatischer Ring-A
Wichtigste Merkmale der verschiedenen Gruppen von Steroidhormonen
Kenntnis gruppenspezifischer Merkmale
Biosyntheseort Kenntnis von wichtigen
Funktionen der Steroidhormone
Pathophysiologie der Steroidbiosynthese
Adrenogenitales Syndrom (AGS)
• Weiterer Name: congenital adrenal hyperplasia (CAH)
• Genotyp XX• Phänotyp: Zwitter• Humangenetik
– 21-Hydroxylase Defekt– 11-Hydroxylase Defekt
Hormonproduktion durch die NNR
und 21- bzw. 11-Hydroxylase Defekt
Entwicklungsbiologie des Urogenitaltrakts
Wie reagiert das offene homöostatische System der Steroidbiosynthese auf eine Inhibition von
Teilen des Syntheseweges?
Biosynthese von Hormonen mit einem Aminosäure Gerüst
Katecholamine (Stresshormone)
Peptid- und Proteohormone
MelatoninReleasing Faktoren
„Trophe“ Hormone + direkt wirkende Hormone
Schilddrüsen Hormone
Parathormon
Insulin + Glucagon
Östrogene + Gestagene
Androgene
NNR: Glukocorticoide + Mineralocorticoide
NNM: Katecholamine, (Nor)adrenalin
Biosynthese von Katecholaminen „Catechol“
„Amin“
Funktionen von Adrenalin und Noradrenalin
• Wirken über mebranständige Rezeptoren• Für einen Liganden gibt es verschiedene Rezeptorsubtypen• Verknüpfung mit unterschiedlichen Signaltransduktionswegen =>
unterschiedliche biologisch/biochemische Effekte• Hauptkörperfunktion: kurzfristige Steigerung der körperlichen
Leistungsfähigkeit bei Stress und Gefahr– Herzleistung wird hochreguliert
• Zunahme der Schlagfrequenz• Zunahme der Kontraktionskraft
– => Zunahme des Herzzeitvolumens– Regulation der Vasokonstriktion und -dilatation erfolgt gewebespezifisch:
• Dilatation der Bronchialgefäße • Erhöhung des Blutvolumens
– Bereitstellung der Energie über Glykolyse
Biosynthese von Hormonen mit einem Aminosäure Gerüst
Schilddrüsenhormone
Lage der Schilddrüse im Körper des Menschen
Thyreoglobulin
• Größe: 660 kDa• 2 Untereinheiten• 140 Tyrosine (2700 Aminosäuren gesamt)• Jodierungsstellen liegen in drei bestimmten
Abschnitten des Proteins
Schilddrüsenhormone Trijodthyronin (T3) und Thyroxin (T4)
• Aufnahme von Jodid an der basalen Seite der Zelle– Cotransport mit Na+ (ATPase)
• Peroxidase Oxidation von 2J- zu J2– Anreicherung von radioaktivem Jod in der
Schilddrüse• Biosynthese proteingebunden am
Thyreoglobulin– Jodierung– Konjugation
• T4 weniger aktiv als T3
• T3 entsteht im Zielorgan aus T4 durch Dejodase• Syntheseschritte sind an Zellkompartimente
geknüpft
Stoffwechselfunktionen von Schilddrüsenhormonen
• Erhöhung der Rate des Sauerstoff- und des Energieverbrauchs u.a. Erhöhung der Körpertemperatur
• Gesteigerte Stoffwechselrate, z.B.Glucoseaufnahme und –Verbrauch, Mobilisierung und Verbrauch von Lipiden
• Zunahme der Herzrate und Kontraktionskraft => Erhöhung des Blutdrucks
• Aufrechterhaltung der Empfindlichkeit der Atmungszentren gegenüber sich ändernden Sauerstoff und CO2 Konzentrationen
• Stimulation der vermehrten Bildung von roten Blutkörperchen => Verbesserung der Sauerstoffversorgung
• Stimulation der Aktivität anderer hormonproduzierender Drüsen
• Beschleunigung des Mineralien-“Turn-overs“ im Knochen
Schilddrüsenerkrankungen
• Unterfunktion:– Cretinismus (congenitaler
Hypothyroidismus) => Unterentwicklung des Gehirns und des Skelettsystems
– Kropf (Goiter) als Folge von Jodmangel
Neurotransmitter
Neurotransmitter -ausgewählte
Substanzklassen
Lipidbotenstoffe
Nomenklatur von Fettsäuren
• Beginnt man am Carboxylende zu zählen, werden Doppelbindungen durch ein mit hochgestellter Indexnummer gekennzeichnet. Die Linolsäure hat nach dieser Zählart ihre Doppelbindungen zwischen dem 9. und 10. und zwischen dem 12. und 13. C-Atom und heißt daher 9,12-Octadecadiensäure.
• Beginnt man dagegen vom Methylende aus zu zählen, handelt es sich bei der Linolsäure um eine 6-Fettsäure, da die erste Doppelbindung zwischen dem 6. und 7. C-Atom positioniert ist. Die Ölsäure ist eine 9-Fettsäure.
Biochemie potentieller Lipidbotenstoffe
Drei Klasse von Lipiden als Quelle für Botenstoffe
Beispiel für Botenstoffe zu den Klassen
Lipidlösliche Vitamine als Botenstoffe
Vitamin D3
• Aufnahme als 24‐Methyl‐Vitamin D3oder Vitamin D3
• Biosynthese aus Cholesterin– Transport über Bindeprotein
• Biosyntheseweg in drei Organen
• Reguliert im Zusammenspiel mit Parathormon die Kalziumhomöostase
• Stimuliert Aufnahme des Kalzium aus dem Darm in die Darmzote
nucleärer Rezeptor
Vitamin‐A‐Säure Derivate und Rezeptorspezifität
Name des Vitamins (Struktur)
Ist Komponente von Coenzym
Täglicher Bedarf des Menschen
Vitamin A Retinol
Transportform
4,6 µmol = 2,4 mg ß-Carotin (4000 IE)
Funktion Als Retinal teil des Sehfarbstoffs Rhodopsin, als Retinsäure Signalmolekül (Morphogen) mit vielfältigen Funktionen in der Embryonalentwicklung
Mangel Sehschwäche (Nachtblindheit), Austrocknung der Hornhaut des Auges, Verhornung der Schleimhäute, embryonale Missbildungen
Hyper-vitaminose
Embryonale Missbildungen, gelbe Haut, gelber Schweiß
Quelle Karotten, gelbe Früchte, Gemüse, Eigelb, Leber, Fisch
mehrere nucleäre
Rezeptoren
Phospholipide und Phospholipasen
ein immer wiederkehrendes
Thema
Arachidonsäure Metabolismus
Arachidonsäure als Substrat für Lipoxygenasen und Cycloxygenasen
Lipoxygenase: Leukotriene Cycloxygenase: Prostaglandine
Thromboxane
Prostaglandine
Leukotriene
Prostaglandine Plättchenaggregation (Inhibition/Steigerung) Konstriktion oder Relaxation von Blutgefäßen Integrität der Magenschleimhaut Regulation der Nierenfunktion Wichtig beim Geburtsvorgang
• Negative Effekte: Schmerzsteigerung, Krämpfe, erniedrigte Blutzirkulation, Entzündung
Thromboxane– Werden von Blutplättchen produziert– Steigern Aggregation von Blättchen– Konstriktion von Blutgefäßen und Bronchiolen– Wichtig bei primären Prozessen der Wundheilung, vor allem zur Vermeidung von Blutverlust
• Bekannt auf Grund ihres negativen Einflusses auf die Gesundheit des Herz/Kreislaufsystems und ihrem Beitrag zu asthmatischen Prozessen
Leukotriene– Werden von Zellen des Immunsystems produziert– Stimulieren die Produktion von Signalmolekülen des Immunsystems, wie Interleukine und
Interferone– Sind bei anaphylaktischen Reaktionen beteiligt
• Negative Wirkungen: Beitrag zu allergischen und autoimmun Reaktionen
Biologische Informationssysteme -Zusammenfassung
Biochemie von Botenstoffen und prinzipielle Mechanismen der
Biosynthese
Biosynthese von Botenstoffen –mechanistische Betrachtungen
• Genexpression– Proteine– Peptide
• Enzymatisch/metabolisch– Steroide– Neurotransmitter– Catecholamine– Schilddrüsenhormone– Prostaglandine
Chemisch/biochemische Eigenschaften von Botenstoffen
Proteine Peptide Katecholamine Schilddrüsen-hormone
Steroide
Chemie/ Biochemie
50 < 200 AS < 50 AS Tyrosinderivate Tyrosinderivate Cholesterin-Metaboliten
Löslichkeits-eigenschaften
hydrophil hydrophil hydrophil lipophil lipophil
Biosynthese Genexpression Genexpression metabolisch/ enzymatisch
metabolisch/ enzymatisch
metabolisch/ enzymatisch
Sekretion meist geregelte Exozytose
meist geregelte Exozytose
streng geregelte Exozytose
Diffusion Diffusion
Transport frei meistens frei frei Transportprotein Transportprotein
Schranken-permeabilität
nicht permeabel begrenzt permeabel
begrenzt permeabel
permeabel permeabel
Halbwertszeit im Plasma
Minuten bis Stunden
Minuten Sekunden Tage Stunden
Rezeptoren Zellmembran Zellmembran Zellmembran Zellkern/ Zytoplasma
Zellkern/ Zytoplasma
• Welche hormonproduzierenden Drüsen kennen Sie? Benennen Sie für jede Drüse mindestens ein typisches Hormon und geben Sie Stichworte zu seiner(n) wichtigsten Funktion(en).
• Wie synthetisiert der Organismus Steroidhormone und wie Peptid-und Proteohormone?
• Benennen Sie mindestens drei Hormone (Catecholamine zählen als Gruppe), die aus Aminosäuren entstehen.
• Was verstehen Sie unter Prä-/Prohormonen? Benennen sie ein beispielhaft ein Hormon, das auf diesem Weg produziert wird!
• Was ist ein biogenes Amin. Geben Sie mindestens zwei Beispiele für Hormone die aus einem biogenen Amin abgeleitet sind?
• Was sind Neurotransmitter?• Zu welchen Substanzklassen gehören Neurotransmitter –
biochemisch betrachtet?• Welche Gruppen von Lipiden als Quellen für Botenstoffe kennen
Sie? Benennen Sie aus jeder Lipidgruppe mindestens einen Botenstoff/eine Gruppe von Botenstoffen
• Woraus wird Arachidonsäure zur Produktion der Prostaglandine freigesetzt!
• Welche Phospholipasen kennen Sie?
• Nachfolgend sind gruppenspezifische Merkmale von Steroidhormonen aufgelistet. Benennen Sie die jeweilige Hormonklasse!– 18 C-Atome, aromatischer A-Ring– 21 C-Atome, Hydroxylgruppe an C11 und C21– 19 C-Atome– 21 C-Atome, Formylgruppe and C18– 21 C-Atome, Keto-Gruppen an C-Atom 3 und C-Atom 20
• Benennen Sie die Zonen der Nebennierenrinde! Welche Zone produziert welches Hormon/Hormonvorstufe. Welche und wie viele zelluläre Kompartimente sind bei Steroidbiosynthese in der Nebennierenrinde beteiligt.
• Welcher Defekt liegt bei der Erkrankung des Adrenogenitalen Syndroms vor? In wiefern ist die Hypophyse bei der Ausprägung dieser Erkrankung beteiligt?