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Vermittlung der zellulären Wirkung von Botenstoffen
Rezeptorsysteme
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
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
Definition eines Rezeptors
Charakteristika eines spezifischen Rezeptors
1. Hohe Spezifität in der Erkennung des Liganden (Hormon)
2. Hohe Affinität bei der Bindung des Liganden (Hormon)
3. Die Bindung kann abgesättigt werden
4. Die Rezeptorbindung ist quantifizierbara) Anzahl Rezeptoren/Zielzelle(-organ)b) Affinität des Rezeptors zum Hormon
5. Der Rezeptor bindet an die DNA (nur bei Steroid-hormonrezeptoren)
6. Die Interaktion von Hormon und Rezeptor bewirkt einen biologischen Effekt
Quantitative Messung der Anzahl an Rezeptoren und deren Affinität zum Liganden
Bindungsgleichgewicht:
[R] + [L] [RL]
Analogie zur Enzymkinetik
k1
k2
[E] + [S]k1
k2
[ES] k3
k4
[E] + [P]
KA = [RL]
[R] x [L]=>
[RL]
[R] x [L]= KD
Massenwirkungsgesetz
M-1 =k1
k2
k2
k1
= M
Quantitative Messung der Anzahl an Rezeptoren und deren Affinität zum Liganden
Zu allen Zeiten der Einstellung des Bindungsgleichgewichts gilt
[RO] = [R] + [RL] => KA =[RL]
[RO] [RL]x
1
[L]
[RL] =[L] [RO] KA
1 + [L] KA=
[L] [RO]
1/KA + [L]=
[L] [RO]
KD + [L]Tranformation der Bindungsgleichung nach Scatchard = Linearisierung
[RL]/[RO][L]
= KA -[RL]
[RO]KA =
[L]
1/KA + [L]
[RL][L]
= [RO] KA [RL] KA- Scatchardgleichung
-
Bindungs-gleichung
Bindungsdiagramme und Bewertung
Rezeptoreigenschaften sind quantifizierbar KD=Maß für Affinität
(Substanzeigenschaft) BMax=Maß für die verfügbaren
Bindungsstellen
Nukleäre Rezeptoren (Steroidrezeptoren)
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
Lipophile Botenstoffe: Steroidhormone und Steroidhormon-ähnlich wirkende Hormone
Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle
• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors
• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und dessen Bedeutung für den Wirkmechanismus in der Zielzelle
• Die Ligandenbindungsdomäne
• Die DNA-bindende Domäne
• Beitrag der DNA zur Wirkung
Wirkung von Steroidhormonen in der Zielzelle
1. Aufnahme des Hormons in die Zielzelle
2./3. Bindung an den Hormon-rezeptor
4./5. Aktivierung des Rezeptors
- Dimerisierung
- Phosphorylierung
6. Bindung an die DNA
7. Synthese von Boten RNA und Protein des Zielgens
8. Biologische Antwort
- intrazellulär
- benachbarte Zellen
Aufbau eines Steroidhormonrezeptors
Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle
• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors
• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und genereller Wirkmechanismus in der Zielzelle
• Die Ligandenbindungsdomäne
• Die DNA-bindende Domäne
• Beitrag der DNA zur Wirkung
ER Ligandenbindungsdomäne
Aktivierung des Östrogenrezeptors
Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle
• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors
• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und genereller Wirkmechanismus in der Zielzelle
• Die Ligandenbindungsdomäne
• Die DNA-bindende Domäne
• Beitrag der DNA zur Wirkung
DNA-Bindung und DNA-bindende Motive von Steroidhormonrezeptoren
Wirkung von Steroidrezeptoren in der Zielzelle
• Definition und Quantifizierung eines spezifischen Rezeptors
• Domänenartiger Aufbau von Steroidrezeptoren und genereller Wirkmechanismus in der Zielzelle
• Die Ligandenbindungsdomäne
• Die DNA-bindende Domäne
• Beitrag der DNA zur Wirkung
Genregulatorische Sequenzen
5´-A G G T C A
3´-T C C A G T
N
NN
5´-A G G T C A - N - N - N - T G A C C T-3´
1. Palindromische Anordnung eines responsiven Elements
2. Tandem-Repeat Anordnung eines responsiven Elements5´-A G G T C A - N - N - N - A G G T C A-3´
= = = = = =
Das responsive Element
Zusammenspiel von Rezeptor und DNA
McDonnell (1999) TEM 10: 301-311
Interaktion von Kernrezeptoren mit Co-Faktoren
Wirkung von Steroidhormonen in der Zielzelle
Bindung
Aktivierung Dissoziation von
HSPs Dimerisierung Phosphorylierung
DNA Bindung Rezeptor: Zinkfinger DNA: Hormon
responsives Element (Palindrom)
Biologischer Effekt
Superfamilie nukleärer Rezeptoren
Homologie nukleärer Rezeptoren
Family of nuclear hormonereceptors
SteroidsSteroid hormonesPregnanes, androgenes,
xenobiotica
LipidsensorsFatty acid sensorsCholesterol derivatives
Glass J. Clin Invest. 116: 556-560
Prinzipien der Funktion nukleärer Rezeptoren
Wirkprinzipien Steroidrezeptoren:
homodimere Rezeptoren, palindromisches HRE
Andere nukleäre Rezeptoren: heterodimere Rezeptoren mit
RXR, tandem repeat HRE aktive Bildung vs. aktive
Repression
Rezeptorvarianten
Zwei Rezeptoren für ein Hormon
Östrogenrezeptor Progesteronrezeptor
Zwei Gene
Unterschiedliche Nutzung der Startstellen für die Transkription und die Translation
Pharmakologische Nutzung von Liganden nukleärer Rezeptoren
• Agonist
• Antagonist
ER Ligandenbindungsdomäne
Missbrauch von Liganden nukleärer Rezeptoren
Androgene (und Doping)
Pharmakologische Nutzung von Liganden nukleärer Rezeptoren
• Agonist
• Antagonist
Wirkmechanismus von Antihormonen
ER Ligandenbindungsdomäne –agonistische/antagonistische Konformation
- Antiöstrogene:
- Inhibition des Wachstums des metastasierenden Mammakarzinoms
- Antiadrogene:
- Inhibition des Wachstums des metastasierenden Prostatakarzinoms
- Hirsutismus, Virilisierung
- Antigestagene:
- Schwangerschaftsabbruch
Klinische Bedeutung der Antagonisierung der Wirkung von von Steroid Hormonrezeptoren
Umwelttoxikologie – Endokrine Disruption
"An endocrine disruptor is an exogenous substance or mixture that alters function(s) of the
endocrine system and consequently causes adverse health effects in an intact organism, or its
progeny, or (sub)populations“ (Definition EU)
In wildlife, endocrine disruptors have been clearly shown to cause abnormalities and impaired reproductive
performance in some species associations with changes in immunity and
behaviour and skeletal deformities.
In humans, endocrine disruptors have been suggested as being responsible for apparent changes seen in human health patterns over recent decades. declining sperm counts in some geographical
regions increased incidences in numbers of male children
born with genital malformations increases in incidences of certain types of cancer
that are known to be sensitive to hormones. more controversially, links have been suggested
with impairment in neural development and sexual behaviour.
Strukturelle Voraussetzung für ER-Bindung
Brzozowski et al. (1997) Nature 389:753-758
Cos et al. 2003, Planta Med. 69:
589-599.
Relative Aktivitäten von endokrinen Disruptoren
Pharmakologie & Toxikologie von nukleären Rezeptoren Pharmakologie
- Prinzip des Agonisten- Prinzip des Antagonisten
Toxikologie- Rezeptor Interferenz =>
Endokrine Disruption
Rezeptoren für hydrophile Botenstoffe
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
Familien von Zelloberflächenrezeptoren
Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren
z.B. Acetylcholinrezeptor
Aufbau und Funktion des Acetylcholinrezeptors
Zelloberflächenrezeptoren
Allgemeine Vorbemerkungen
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
Das Problem bei der Signalübertragung mit hydrophilen Signalen
Die Kinetik bei der Signalübertragung mit hydrophilen Signalen
Grundprinzipien der Signalwandlung
Zwei fundamental wichtige
Prinzipien der Signalwandlung
Was ist eine Kinasereaktion?
G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Robert Lefkowitz und Brian KobilkaNobelpreis für Chemie 2012
Struktur: G-Protein gekoppelte Rezeptoren
Externes Signal
Wandler = Transducer
“Second Messenger”
interner Regulator
Verstärker (Kaskaden)Zellantworten,
Enzyme, TF
Zelluläre Wirkung
Effektor
Rezeptor = Empfänger