Biologie Vorlesungen Zusammenfassung PDF

Kollagen Struktur und Funktion: Kollagen ist ein Strukturprotein in Bindegeweben wie Knochen, Knorpeln, Sehnen und Haut. Es besteht aus einer tripelhelicalen Struktur, die durch die Hydroxylierung von Prolin- und Lysinresten stabilisiert wird, was durch Vitamin C unterstützt wird...

Kollagen Struktur und Funktion: Kollagen ist ein Strukturprotein in Bindegeweben wie Knochen, Knorpeln, Sehnen und Haut. Es besteht aus einer tripelhelicalen Struktur, die durch die Hydroxylierung von Prolin- und Lysinresten stabilisiert wird, was durch Vitamin C unterstützt wird Linksgängige Helix Jeweils drei Helices bilden eine rechtsgängigen Superhelix Glycin-Prolin-Hydroxyprolin Motif Biologische Bedeutung: Vitamin C ist ein Cofaktor für Prolyl-4-Hydroxylase und Lysylhydroxylase, die zur Stabilität und Funktion des Kollagens beitragen.Hydroxylierung → Verankerung von kovalenten Quervernetzungen Mangel an Vitamin C führt zu Skorbut, einer Erkrankung, die durch fehlerhafte Kollagensynthese gekennzeichnet ist. Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) 1. Ubiquitinierung Der erste Schritt im UPS ist die Markierung von Proteinen mit Ubiquitin, einem kleinen, hochkonservierten Protein. Diese Markierung dient als Signal, dass das Protein abgebaut werden soll. Die Ubiquitinierung erfolgt in drei Schritten: Aktivierung (E1-Enzym): Das Ubiquitin-aktivierende Enzym (E1) bindet an ein freies Ubiquitinmolekül unter ATP-Verbrauch, was zur Bildung eines E1-Ubiquitin-Thioesters führt. Konjugation (E2-Enzym): Das aktivierte Ubiquitin wird von E1 auf ein Ubiquitin-konjugierendes Enzym (E2) übertragen, ebenfalls durch Bildung eines Thioesters. Ligation (E3-Ligase): E3-Ligasen sind für die spezifische Erkennung und Bindung des Zielproteins verantwortlich. E3 überträgt das Ubiquitin von E2 auf das Substratprotein, was zur Bildung einer Isopeptidbindung zwischen der Carboxygruppe des C- terminalen Glycins von Ubiquitin und der ε-Aminogruppe eines Lysins im Substrat führt. Dieser Prozess wird oft mehrfach wiederholt, was zu Polyubiquitin-Ketten führt. Diese Ketten, vor allem wenn sie über das Lys48 von Ubiquitin verknüpft sind, signalisieren den Abbau durch das Proteasom. 2. Proteasomaler Abbau Nach der Ubiquitinierung werden die markierten Proteine an das Proteasom weitergeleitet. 26S-Proteasom: Das Proteasom ist ein großer Proteinkomplex, bestehend aus einem 20S-Kernpartikel und einem oder zwei 19S- Regulatoren. 20S-Kernpartikel: Hat proteolytische Aktivität und besteht aus 4 Ringen (2 äußere α-Ringe und 2 innere β-Ringe). Die β- Ringe enthalten die katalytischen Stellen, die Proteine abbauen. 19S-Regulator: Bindet an die Polyubiquitin-Ketten, entfaltete das Substratprotein, entfernt die Ubiquitin-Moleküle und führt das entfaltete Protein in den 20S-Kern ein. Abbau im Proteasom: Das Substratprotein wird in kleine Peptide zerlegt, die dann weiter zu Aminosäuren abgebaut oder in der Zelle für andere Synthesewege verwendet werden. Erkrankungen durch Dysfunktion des UPS Parkinson-Krankheit: Fehlfunktionen im UPS können zur Akkumulation fehlgefalteter Proteine führen, was bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson eine Rolle spielt. Krebs: Überexpression bestimmter E3-Ligasen kann den Abbau von Tumorsuppressorproteinen fördern. Mukoviszidose: Falsch gefaltete Proteine, wie das CFTR-Protein, werden durch das UPS abgebaut, anstatt korrekt zu funktionieren. PROTACs (Proteolysis Targeting Chimeras) PROTACs sind eine neue Klasse von Therapeutika, die das UPS nutzen, um gezielt krankheitsverursachende Proteine abzubauen. Mechanismus: PROTACs sind bifunktionale Moleküle, die eine Brücke zwischen einem Zielprotein und einer E3-Ligase schlagen. Dadurch wird das Zielprotein polyubiquitiniert und anschließend vom Proteasom abgebaut. Vorteil: Im Gegensatz zu traditionellen Inhibitoren eliminieren PROTACs das Zielprotein vollständig aus der Zelle. Aminosäure Katabolismus Harnstoffzyklus Die Kohlenstofgerüste aller 20 AmIinosäuren gehen in nur 7 Moleküle über: Pyruvat, Acetyl- CoA, Acetacetyl-CoA, a-Ketoglutarat, Suécinyl-CoA, Fumarat und Oxalacetat 3. Bedeutung und Funktion Energieproduktion: Während der Fastenperioden werden Aminosäuren von verschiedenen Geweben abgebaut, um den Citratzyklus zu speisen und Energie zu gewinnen. Stickstoffbalance: Der Abbau und die anschließende Ausscheidung von Harnstoff sind entscheidend für die Aufrechterhaltung der Stickstoffbalance im Körper. Klinische Relevanz: Bestimmte Leberenzyme, die am Aminosäurekatabolismus beteiligt sind, dienen als klinische Marker für Lebergesundheit. Beispielsweise weisen erhöhte Werte der Glutamat-Oxalacetat-Transaminase (ASAT) und Glutamat- Pyruvat-Transaminase (ALAT) auf Lebererkrankungen hin 4. Erkrankungen und Störungen Hyperammonämie: Eine Anhäufung von Ammoniak im Blut, die auf Defekte im Harnstoffzyklus zurückzuführen ist, kann zu schwerwiegenden neurologischen Störungen führen. Behandlung: Diätetische Anpassungen und Medikamente, die Ammoniak binden oder dessen Ausscheidung fördern, werden häufig eingesetzt, um die Symptome zu lindern Wichtige Enzyme als Marker 1. Transaminasen (Aminotransferasen) ALT (Alanin-Aminotransferase) Funktion: Katalysiert die Übertragung der Aminogruppe von Alanin auf α-Ketoglutarat, wodurch Pyruvat und Glutamat entstehen. Diagnostische Bedeutung: Ein Anstieg der ALT-Aktivität im Serum ist ein spezifischer Marker für Leberschäden, da ALT vor allem in der Leber vorkommt. Referenzwerte: Normalerweise niedrige Werte; erhöhte Werte können auf Hepatitis, Leberzirrhose oder Leberschäden durch Medikamente hinweisen. AST (Aspartat-Aminotransferase) Funktion: Katalysiert die Umwandlung von Aspartat und α-Ketoglutarat in Oxalacetat und Glutamat. Diagnostische Bedeutung: AST kommt in Leber, Herz, Skelettmuskulatur und Nieren vor. Ein Anstieg kann auf Leberschäden, Herzinfarkt oder Muskelschäden hindeuten. AST/ALT-Verhältnis: Das Verhältnis der beiden Enzyme kann helfen, die Ursache von Leberschäden zu differenzieren (z. B. Alkohol-induzierte Leberschäden zeigen oft ein erhöhtes AST/ALT-Verhältnis). 2. Alkalische Phosphatase (ALP) Funktion: Entfernt Phosphatgruppen von Molekülen wie Nukleotiden und Proteinen unter alkalischen Bedingungen. Diagnostische Bedeutung: Erhöhte ALP-Werte können auf Lebererkrankungen (wie Cholestase), Knochenerkrankungen oder Gallenwegsobstruktion hinweisen. Quellen: ALP ist in der Leber, den Knochen, den Nieren und der Plazenta zu finden. 3. Gamma-Glutamyltransferase (GGT) Funktion: Katalysiert die Übertragung der Gamma-Glutamylgruppe von Glutathion auf andere Peptide oder Aminosäuren. Diagnostische Bedeutung: Erhöhte GGT-Werte sind ein empfindlicher Marker für Lebererkrankungen, insbesondere bei Alkoholmissbrauch. Sie sind auch bei Erkrankungen der Gallenwege erhöht. Kombination mit ALP: Erhöhte Werte sowohl von GGT als auch ALP weisen eher auf eine Leber- oder Gallenwegserkrankung hin. Fettsäuren Struktur und Klassifikation Fettsäuren sind Carbonsäuren mit einer langen aliphatischen Kette, die gesättigt oder ungesättigt sein kann. 1 Gesättigte Fettsäuren: Struktur: Keine Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Beispiele: Stearinsäure, Palmitinsäure. Eigenschaften: Fest bei Raumtemperatur, hauptsächlich in tierischen Fetten. 2 Ungesättigte Fettsäuren: Struktur: Eine oder mehrere Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen. Monounsaturated (einfach ungesättigt): Eine Doppelbindung (z.B. Ölsäure). Polyunsaturated (mehrfach ungesättigt): Mehrere Doppelbindungen (z.B. Linolsäure, Alpha-Linolensäure). Eigenschaften: Flüssig bei Raumtemperatur, hauptsächlich in pflanzlichen Ölen. 3 Trans-Fettsäuren: Struktur: Ungesättigte Fettsäuren mit einer oder mehreren trans-Doppelbindungen. Eigenschaften: Entstehen durch industrielle Hydrierung, erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen. 4 Benennung Anzahl der C Atome (18 -> Octadecansäure) (18:0) Doppelbindung: 1: cen 2:dien 3: trien (Octadecensäure) (18:1) Letzter Kohlenstoff wird ∞ Kohlenstoff genannt Position der Doppelbindung gibt man mit A und einer Indexziffer an (cis-49) Alternativ kann die Doppelbindung auch vom distalen Ende definiert werden (03 Fettsäuren) 5 Funktionen Als TAG: Mechanischer Schutz Zur Wärmeisolation Bausteine von Phospholipiden und Glykolipiden Bestandteil von Membranproteinen (Glykoproteinen) Vorstufen von Hormonen und intrazellulären Signalmediatoren (Arachidonsäure) Klassifikation der Lipide Lipide sind eine heterogene Gruppe von Molekülen, die in Wasser unlöslich, aber in organischen Lösungsmitteln löslich sind. 1 Triglyceride: Struktur: Glycerol verestert mit drei Fettsäuren. Funktion: Hauptform der Energiespeicherung im Körper. 2 Phospholipide: Struktur: Glycerol, zwei Fettsäuren und eine Phosphatgruppe. Funktion: Hauptbestandteil der Zellmembranen, bilden Doppelschichten, die Zellstrukturen abgrenzen. 3 Sterole (z.B. Cholesterin): Struktur: Mehrfach zyklische Kohlenwasserstoffstruktur. Funktion: Bestandteil von Zellmembranen, Vorläufer von Steroidhormonen und Gallensäuren. 4 Glykolipide: Struktur: Lipide mit einem oder mehreren Zuckerresten. Funktion: Bestandteil von Zellmembranen, wichtig für Zell-Zell-Erkennung und Signalübertragung.  Aufbau biologischer Membran Struktur der Phosphoglyceride Phosphoglyceride bestehen aus drei Hauptkomponenten: 1 Glycerolrückgrat: Ein dreiwertiger Alkohol, der als Grundgerüst des Moleküls dient. 2 Fettsäuren: Zwei Fettsäureketten sind über Esterbindungen an die Hydroxylgruppen des Glycerols gebunden. Diese können gesättigt oder ungesättigt sein und beeinflussen die Fluidität der Membran. 3 Phosphatgruppe: Die dritte Hydroxylgruppe des Glycerols ist mit einer Phosphatgruppe verestert. Diese Phosphatgruppe kann zusätzlich mit verschiedenen polaren Kopfgruppen verknüpft sein, die die spezifische Funktion des Phosphoglycerids bestimmen. Häufige Kopfgruppen 1 Phosphatidylcholin (PC): Kopfgruppe: Cholin. Eigenschaften: Häufigstes Phospholipid in tierischen Zellmembranen; trägt zur Membranfluidität bei und bildet surfactant 2 Phosphatidylethanolamin (PE): Kopfgruppe: Ethanolamin. Eigenschaften: Häufig in inneren mitochondrialen Membranen, beeinflusst die Membrankrümmung und spielt Rolle bei VLDL sekretion 3 Phosphatidylserin (PS): Kopfgruppe: Serin. Eigenschaften: Normalerweise auf der Innenseite der Plasmamembran; wichtig für Apoptose-Signalwege. 4 Phosphatidylinositol (PI): Kopfgruppe: Inositol. Eigenschaften: Spielt eine Rolle in der Signalübertragung und als Vorläufer für Inositolphosphate und Aktivierung des Enzym phospholipase C 5 Phosphatidylglycerol (PG): Kopfgruppe: Glycerol. Eigenschaften: Kommt in bestimmten Zelltypen wie Lungenepithelien vor; Vorläufer für Cardiolipin. 6 Cardiolipin: Kopfgruppe: Ein zweites Phosphatidylglycerol. Eigenschaften: Wesentlicher Bestandteil der inneren mitochondrialen Membran, wichtig für die Funktion der Enzyme der Atmungskette. Cholesterin Struktur Cholesterin ist ein steroidhaltiges Lipid, das aus vier kondensierten Kohlenstoffringen besteht (drei sechsgliedrige und ein fünfgliedriger Ring), die als Sterangerüst bekannt sind. Es besitzt eine polare Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) am A-Ring, die ihm amphipathische Eigenschaften verleiht. Funktion 1 Strukturelle Rolle in Zellmembranen: Membranfluidität: Cholesterin trägt zur Stabilisierung der Zellmembran bei, indem es die Beweglichkeit der Phospholipidmoleküle reduziert, was die Fluidität bei höheren Temperaturen verringert und bei niedrigen Temperaturen erhöht. Lipid Rafts: Cholesterin ist ein wesentlicher Bestandteil der sogenannten "Lipid Rafts", die Mikrodomänen in der Zellmembran bilden. Diese Mikrodomänen sind Plattformen für die Signalübertragung und den Proteinsortierungsprozess. 2 Vorläufermolekül: Steroidbiosynthese: Cholesterin dient als Vorläufer für die Synthese von Steroidhormonen, einschließlich Glukokortikoiden, Mineralokortikoiden, Östrogenen, Androgenen und Progesteron. Gallensäuren: In der Leber wird Cholesterin in Gallensäuren umgewandelt, die für die Fettverdauung und -absorption im Darm unerlässlich sind. Vitamin D: Cholesterin ist ein Vorläufer für die Synthese von Vitamin D, das durch UV-Strahlung in der Haut gebildet wird. 3. Transport: Lipoproteine: Cholesterin wird im Blut durch Lipoproteine transportiert, darunter LDL (Low-Density Lipoprotein) und HDL (High-Density Lipoprotein). LDL liefert Cholesterin zu den Zellen, während HDL überschüssiges Cholesterin zurück zur Leber transportiert. 4. Ausscheidung: Gallensäuren: Cholesterin wird in der Leber zu Gallensäuren metabolisiert und über die Galle in den Darm ausgeschieden. Ein Teil des Cholesterins wird im Darm rückresorbiert, während der Rest ausgeschieden wird. Sphingomyelin Struktur Sphingomyelin ist ein Sphingolipid, das aus einem Sphingosinrückgrat besteht, einer Fettsäure, die über eine Amidbindung verknüpft ist, und einer Phosphocholin- oder Phosphoethanolamin-Kopfgruppe. Im Gegensatz zu Glycerophospholipiden basiert Sphingomyelin auf Sphingosin anstelle von Glycerol. Funktion 1 Membranstruktur: Stabilität und Fluidität: Sphingomyelin ist ein wesentlicher Bestandteil der Plasmamembran, insbesondere der äußeren Schicht, und trägt zur Stabilität und Organisation der Membran bei. Lipid Rafts: Sphingomyelin bildet zusammen mit Cholesterin spezialisierte Mikrodomänen in der Membran, die eine Plattform für Proteine bilden, die an Signalübertragungsprozessen beteiligt sind. Signalvermittlung: Ceramid, das durch den enzymatischen Abbau von Sphingomyelin freigesetzt wird, wirkt als sekundärer Botenstoff in Stress- und Apoptosesignalwegen. Glycolipide Flüssig Mosaik Modell Membranfluidität Metabolische Routen der Lipide Aufnahme und Speicherung von Fetten TAC Abbau Fettsäure Abbau 1 Aktivierung der Fettsäure: Bevor Fettsäuren oxidiert werden können, müssen sie durch die Bindung an Coenzym A (CoA) aktiviert werden. Dies geschieht durch die Acyl-CoA-Synthetase in zwei Schritten: 1 Bildung von Acyladenylat. 2 Bindung der Fettsäure an die SH-Gruppe von CoA. Diese Aktivierung verbraucht zwei ATP-Moleküle. 2 Transport in die mitochondriale Matrix: Langkettige Fettsäuren werden durch das Carnitin-Shuttle-System in die mitochondriale Matrix transportiert: Die Fettsäure wird von Carnitin-Acyltransferase I auf Carnitin übertragen, was den Transport durch die innere Mitochondrienmembran ermöglicht. Nach dem Eintritt in die Matrix wird die Fettsäure durch die Carnitin-Acyltransferase II wieder auf CoA übertragen. 3 β-Oxidation: Dieser Prozess läuft in der mitochondrialen Matrix in vier Schritten ab: 1 Erste Oxidation: Acyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert die Fettsäure am β-Kohlenstoffatom (C3), was zur Bildung von FADH2 führt. 2 Hydratisierung: Enoyl-CoA-Hydratase hydratisiert die Doppelbindung und bildet L-3- Hydroxyacyl-CoA. 3 Zweite Oxidation: L-3-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert die Hydroxylgruppe zu einer Ketogruppe und es entsteht NADH. 4 Thiolase (Spaltung): β-Ketothiolase spaltet Acetyl-CoA ab und es verbleibt ein um zwei Kohlenstoffatome verkürztes Acyl-CoA, das in den nächsten Zyklus der β-Oxidation eintritt. 4 Energetische Ausbeute: Bei jedem Durchlauf der β-Oxidation werden zwei Kohlenstoffatome in Form von Acetyl-CoA abgespalten, das dann in den Citratzyklus eintritt. Ein vollständiger Abbau von Palmitoyl-CoA (C16) liefert etwa 106 ATP-Moleküle, einschließlich der ATP aus der Oxidation der entstandenen FADH2 und NADH. 5 Spezielle Herausforderungen: Ungesättigte Fettsäuren: Hier kann es vorkommen, dass Doppelbindungen an "falschen" Positionen liegen, die zuerst durch Enzyme wie die cis-D3-Enoyl-CoA-Isomerase korrigiert werden müssen. Fettsäuren mit ungerader Anzahl an Kohlenstoffatomen: Diese enden mit Propionyl-CoA, das durch Carboxylierung und Umlagerung zu Succinyl-CoA umgewandelt wird, welches dann in den Citratzyklus eingeht. ẞ Oxidation  Rolle von Cobalamin (Vitamin B12): Cobalamin ist essenziell für die Umwandlung von Fettsäuren mit einer ungeraden Anzahl an Kohlenstoffatomen, die in der β- Oxidation abgebaut werden: Fettsäurebiosynthese Unterschied zur Fettsäureoxidation: Ort: Die Fettsäurebiosynthese findet im Zytoplasma statt, während der Abbau (β-Oxidation) in den Mitochondrien abläuft. Enzyme: Fettsäuresynthese erfolgt durch den Fettsäure-Synthase-Komplex, während die Fettsäureoxidation von nicht assoziierten Enzymen in den Mitochondrien durchgeführt wird. Kofaktoren: In der Synthese wird NADPH als Reduktionsmittel verwendet, während bei der Oxidation NAD+ und FAD als Oxidationsmittel fungieren. Produktlänge: Die Synthese stoppt in der Regel nach der Bildung von Palmitat (C16), während längerkettige Fettsäuren weiter modifiziert werden können Schritte der Fettsäuresynthese Startmoleküle: Die Synthese beginnt mit Acetyl-CoA und Malonyl-CoA. Acetyl-CoA wird zu Beginn der Synthese durch die Acetyl-CoA-Carboxylase (Schlüsselenzym) in Malonyl-CoA umgewandelt. Diese Reaktion ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Fettsäurebiosynthese und erfordert Biotin als Cofaktor. Synthesezyklus: Kondensation: Malonyl-CoA kondensiert mit Acetyl-CoA zu Acetoacetyl-ACP (Acyl Carrier Protein). Reduktion: Die Keto-Gruppe am Acetoacetyl-ACP wird durch NADPH zu einer Hydroxygruppe reduziert. Dehydratisierung: Das entstehende Hydroxybutyryl-ACP verliert ein Wasser-Molekül und es entsteht eine trans- Doppelbindung. Reduktion: Die Doppelbindung wird wiederum durch NADPH reduziert, sodass Butyryl-ACP entsteht. Dieser Zyklus wiederholt sich, wobei jedes Mal eine C2-Einheit aus Malonyl-CoA hinzugefügt wird, bis die gewünschte Fettsäurekette (normalerweise Palmitat, C16) erreicht ist. Citrat-Shuttle Transport von Acetyl-CoA: Da Acetyl-CoA nicht direkt die mitochondriale Membran passieren kann, wird es im Mitochondrium zunächst zu Citrat kondensiert und über den Citrat-Shuttle ins Zytoplasma transportiert. Im Zytoplasma wird Citrat durch ATP-Citrat-Lyase in Acetyl-CoA und Oxalacetat gespalten. Oxalacetat wird dann über mehrere Schritte zurück in die Mitochondrien transportiert. Regulation der Fettsäurebiosynthese Acetyl-CoA-Carboxylase (ACC) ist das Schlüsselenzym der Fettsäurebiosynthese und wird durch verschiedene Faktoren reguliert: Aktivierung: Citrat stimuliert die Polymerisation der ACC, was deren Aktivität erhöht. Hemmung: Palmitoyl-CoA, das Endprodukt der Fettsäuresynthese, hemmt die ACC, indem es die Wirkung von Citrat aufhebt. Hormonelle Kontrolle: Insulin fördert die Aktivität der ACC und damit die Fettsäuresynthese. Glukagon und Adrenalin hemmen die Fettsäuresynthese, indem sie die ACC deaktivieren (z.B. durch Phosphorylierung via AMPK) Cholestrin Bio Synthese Mevalonatweg Start und Ausgangsmaterialien Acetyl-CoA: Der Weg beginnt mit dem Acetyl-CoA, das in den Mitochondrien durch die Thiolase zu Acetoacetyl-CoA kondensiert wird. Acetoacetyl-CoA wird dann durch das Enzym HMG-CoA-Synthase zu 3-Hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) umgewandelt. 2. Schlüsselenzym - HMG-CoA-Reduktase Das Enzym HMG-CoA-Reduktase katalysiert die Reduktion von HMG-CoA zu Mevalonat. Dieser Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend und damit der wichtigste regulatorische Punkt der Cholesterinsynthese. 3. Umwandlung von Mevalonat Mevalonat wird durch das Enzym Mevalonatkinase phosphoryliert, wodurch Mevalonat-5- phosphat entsteht. Es folgt eine weitere Phosphorylierung durch Phosphomevalonat-Kinase, die zu 5-Diphospho-Mevalonat (Mevalonat-5-PP) führt. Dieses Molekül wird anschließend durch Mevalonat-5-Pyrophosphat-Decarboxylase decarboxyliert, was zur Bildung von Isopentenylpyrophosphat (IPP) führt, einer C5-Einheit. 4. Isoprenoid-Bausteine IPP und Dimethylallylpyrophosphat (DMAPP) sind die primären C5-Isoprenoid-Bausteine, die weiter zu größeren Einheiten kondensieren. Diese Einheiten kondensieren, um über mehrere Schritte hinweg zu Squalen zu werden. 5. Bildung von Squalen und Zyklisierung Squalen wird durch die Kondensation von Isopreneinheiten aufgebaut. Es entsteht aus der Kondensation von zwei Molekülen Farnesyldiphosphat (C15), die durch das Enzym Squalensynthase zu Squalen verbunden werden. Squalen wird anschließend durch Oxidosqualen-Cyclase zyklisiert und in Lanosterin umgewandelt. Lanosterin durchläuft mehrere Umwandlungsschritte, um schließlich zu Cholesterin zu werden. Regulation von cholestrinbiosynthese 1 Rückkopplungsmechanismus: Die Cholesterinbiosynthese ist abhängig von der Nahrungsaufnahme und beträgt etwa 800 mg/Tag in der Leber und im Darm. Die HMG-CoA- Reduktase, ein Schlüsselenzym der Cholesterinsynthese, wird durch einen Rückkopplungsmechanismus reguliert. Wenn der Cholesterinspiegel steigt, wird die Aktivität dieses Enzyms verringert, wodurch die Synthese von Mevalonat, einem Vorläufermolekül von Cholesterin, gehemmt wird. 2 Sterinregulationselement (SRE): Die HMG-CoA-Reduktase wird auf mRNA-Ebene durch das Sterinregulationselement (SRE) reguliert. Dies geschieht durch die Bindung von Transkriptionsfaktoren, insbesondere des SREBP (Sterol Regulatory Element-Binding Protein) und SCAP (SREBP cleavage activating protein).  3 SREBP-SCAP-Komplex: Wenn der Cholesterinspiegel sinkt, wird der SREBP-SCAP-Komplex vom Endoplasmatischen Retikulum (ER) in den Golgi-Apparat transportiert, wo SREBP proteolytisch aktiviert wird. Das aktivierte SREBP wandert in den Zellkern und fördert die Transkription von Genen, die an der Cholesterinbiosynthese beteiligt sind. 4 Insig und Abbau der HMG-CoA-Reduktase: Der Insig/Sterin-Komplex spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulation der HMG-CoA-Reduktase. Geranylgeraniol, ein Molekül, das während der Cholesterinsynthese gebildet wird, kann die HMG-CoA-Reduktase aus der Membran lösen, was zu deren Abbau im Proteasom führt. Insig kontrolliert auch den Transfer des SCAP/SREBP- Komplexes zurück ins ER, was die Aktivierung von SREBP und somit die Cholesterinbiosynthese reguliert Cholestrin Transport Lipoprotein-Klassen: Cholesterin wird in verschiedenen Lipoproteinklassen transportiert, darunter: Chylomikronen: Enthalten hauptsächlich Triglyceride und werden nach der Aufnahme von Fett aus der Nahrung im Darm gebildet. VLDL (Very Low-Density Lipoprotein): Transportiert Triglyceride und Cholesterin von der Leber zu peripheren Geweben. IDL (Intermediate-Density Lipoprotein): Entsteht durch die Entfernung von Triglyceriden aus VLDL. LDL (Low-Density Lipoprotein): Transportiert hauptsächlich Cholesterin und wird oft als „schlechtes Cholesterin“ bezeichnet, da es zur Plaquebildung in den Arterien beitragen kann. HDL (High-Density Lipoprotein): Ist für den Rücktransport von Cholesterin aus den Geweben zur Leber verantwortlich und wird als „gutes Cholesterin“ angesehen. Transportmechanismus: Die Leber sezerniert VLDL, welches Triglyceride und Cholesterin zu den Geweben transportiert. Durch den Abbau von Triglyceriden in den Kapillaren, insbesondere durch Lipasen, wird VLDL zu IDL und schließlich zu LDL. LDL ist das Haupttransportsystem für Cholesterin im Blut. Es bindet an spezifische LDL- Rezeptoren auf Zelloberflächen, wird durch rezeptorvermittelte Endozytose in die Zellen aufgenommen und das Cholesterin wird genutzt oder gespeichert. HDL sammelt überschüssiges Cholesterin aus den Geweben, einschließlich der Wände der Arterien, und transportiert es zurück zur Leber zur Ausscheidung oder Wiederverwertung.  Rezeptorgekoppelte endozytose (LDL) 1 Folgen eines LDL-Rezeptormangels: Ein Fehlen oder eine Fehlfunktion des LDL-Rezeptors führt zu einer Ansammlung von LDL im Blut, was als Hypercholesterinämie bezeichnet wird. Dies erhöht das Risiko für die Entwicklung von Atherosklerose, einer Erkrankung, bei der sich Plaques in den Arterienwänden bilden und den Blutfluss behindern. Bei familiärer Hypercholesterinämie, einer genetischen Störung, fehlt der LDL-Rezeptor oder ist dysfunktional. Dies führt zu extrem hohen Cholesterinspiegeln im Blut und zur Ablagerung von Cholesterin in verschiedenen Geweben, was als Xanthome bezeichnet wird. 2 Atherosklerose-Mechanismus: In der Pathogenese der Atherosklerose spielen oxidierte LDL (oxLDL) eine Schlüsselrolle. Diese oxLDL- Partikel werden von Makrophagen über sogenannte Scavenger-Rezeptoren aufgenommen. Die Makrophagen verwandeln sich dabei in Schaumzellen, die sich in den Arterienwänden ansammeln und zur Bildung atherosklerotischer Plaques führen. Auch Muskelzellen können oxLDL über Scavenger-Rezeptoren aufnehmen und tragen so zur Plaquebildung bei. 3 Schutzmechanismen und Gegenmaßnahmen: HDL (High-Density Lipoprotein) wirkt atheroprotektiv, indem es Cholesterin aus den Geweben und Schaumzellen aufnimmt und zurück zur Leber transportiert, wo es abgebaut wird. Defekte im ABC- Transporter, insbesondere im ABCA1-Protein, das Cholesterin zu HDL transportiert, können zu einem Mangel an HDL und damit zu einer erhöhten Atherosklerosegefahr führen, wie es bei der Tangier-Krankheit der Fall ist Statine 1 Statine und ihre Funktion: Statine sind Medikamente, die die Cholesterinsynthese in der Leber hemmen, indem sie die HMG-CoA- Reduktase kompetitiv blockieren. Dieses Enzym ist für die Umwandlung von HMG-CoA zu Mevalonat verantwortlich, einem frühen Schritt in der Cholesterinbiosynthese. Durch die Hemmung dieses Enzyms wird die Synthese von Mevalonat und damit die Produktion von Cholesterin in der Leber reduziert. 2 Beispiele für Statine: Ein bekanntes Statin ist Atorvastatin, das unter dem Markennamen Lipitor vertrieben wird. Atorvastatin stammt ursprünglich aus dem Pilz Aspergillus terreus und wurde von der Firma Warner-Lambert entwickelt. 3 Wirkung von Statinen auf den Cholesterinspiegel: Die Hemmung der Cholesterinproduktion durch Statine führt zu einer verstärkten Expression von LDL- Rezeptoren in der Leber, was wiederum die Aufnahme von LDL aus dem Blut erhöht und somit den LDL- Spiegel im Blut senkt. Cholesterin Mangel -> hohe LDL-Rezeptor Produktion -> LDL im Blut sinkt Cholesterin Überschuss -> keine LDL-Rezeptor Produktion -> Keine LDL Aufnahme in Zelle -> LDL im Blut steigt Regulation der Gluconeogenese und Glykolyse 1 Regulation durch ATP/AMP: Die Phosphofructokinase (PFK) ist das wichtigste Kontrollelement der Glykolyse und wird durch das Verhältnis von ATP zu AMP reguliert. Ein hoher ATP-Spiegel hemmt die PFK, während ein erhöhter AMP-Spiegel sie aktiviert. 2 Einfluss von Citrat: Hohe Citratspiegel verstärken die hemmende Wirkung von ATP auf die PFK. 3 Fructose-2,6-Bisphosphat (F-2,6-BP): Dieses Molekül ist ein starker Aktivator der PFK. Sein Spiegel steigt bei hohem Blutzuckerspiegel an und fördert so die Glykolyse. 4 Gluconeogenese: In einem gesättigten Zustand ist der F-2,6-BP-Spiegel hoch, was die Glykolyse fördert. Bei Hunger ist der F-2,6-BP-Spiegel niedrig, was die Gluconeogenese fördert. 5 Allosterische Hemmung der Pyruvatkinase: ATP und Alanin hemmen die glykolytische Pyruvatkinase (PK) allosterisch. Zudem wird der erste Schritt der Gluconeogenese (Phosphoenolpyruvat zu Pyruvat) durch ADP reguliert. 6. Gewebespezifische Regulation: In Muskeln wird die Glykolyse speziell reguliert, abhängig von den energetischen Anforderungen. 7. Sinkender pH hemmt auch PFK → Schutz vor Übersäurung durch Milchsäure Cori Zyklus Schritte des Cori-Zyklus: 1 Glykolyse in den Muskeln: Bei intensiver körperlicher Aktivität wird Glucose in den Muskeln durch die Glykolyse zu Pyruvat abgebaut. Da unter diesen Bedingungen nicht genug Sauerstoff zur Verfügung steht, um das Pyruvat in den Mitochondrien weiter zu verstoffwechseln, wird es durch die Lactat-Dehydrogenase (LDH) in Lactat umgewandelt. 2 Transport von Lactat zur Leber: Das entstandene Lactat wird ins Blut abgegeben und zur Leber transportiert. 3 Gluconeogenese in der Leber: In der Leber wird Lactat wieder in Pyruvat und schließlich durch Gluconeogenese in Glucose umgewandelt. Dieser Prozess erfordert Energie in Form von ATP, das aus der Oxidation von Fettsäuren bereitgestellt wird. 4 Glucose-Transport zurück zu den Muskeln: Die neu synthetisierte Glucose wird dann zurück ins Blut abgegeben und kann wieder von den Muskeln aufgenommen werden, wo sie erneut zur Energiegewinnung verwendet wird. Bedeutung des Cori-Zyklus: Energieeffizienz: Der Cori-Zyklus ermöglicht es dem Körper, auch unter Bedingungen, bei denen Sauerstoff knapp ist, wie z. B. bei intensivem Training, Energie zu gewinnen. Lactatabbau: Er verhindert die Akkumulation von Lactat in den Muskeln, die zu Muskelerschöpfung und Schmerzen führen könnte. Blutzuckerregulation: Der Zyklus hilft, den Blutzuckerspiegel zu stabilisieren, indem er Lactat wieder in Glucose umwandelt, die vom Körper erneut verwendet werden kann.  Diabetics mellitus Insulin Produktion und Struktur: Insulin wird in den Langerhans-Inseln der Bauchspeicheldrüse produziert. Das Vorläufermolekül von Insulin, Proinsulin, besteht aus einer B-Kette, einer A-Kette und einem C-Peptid. Im Endoplasmatischen Retikulum (ER) wird durch Abspaltung der Signalsequenz Proinsulin gebildet, welches dann im Golgi-Apparat gespeichert wird. Proinsulin wird durch Peptidasen, wie Proprotein-Convertase 1 und 2, in aktives Insulin umgewandelt, indem das C-Peptid abgespalten wird. Insulinfreisetzung: Die Freisetzung von Insulin wird durch Glukose gesteuert, die durch den GLUT2-Transporter in die Zelle gelangt. Dort wird Glukose in der Glykolyse abgebaut, was zur Produktion von ATP führt. Das entstandene ATP hemmt den Ausstrom von Kalium-Ionen, was eine Depolarisation der Zellmembran bewirkt und zur Öffnung von Calcium-Kanälen führt. Calcium-Ionen ermöglichen dann die Verschmelzung der Insulin-vesikel mit der Zellmembran und die Freisetzung von Insulin ins Blut. Wirkung und Regulation: Insulin senkt den Blutzuckerspiegel, indem es die Aufnahme von Glukose in Zellen fördert und den Abbau von Glykogen hemmt. Ein wichtiges Zielmolekül ist die Glykogensynthase, die durch Insulin aktiviert wird. Zudem inaktiviert Insulin Enzyme, die am Glykogenabbau beteiligt sind, durch Aktivierung der Proteinkinase B (PKB). Biologische Halbwertszeit und Abbau: Die Halbwertszeit von Insulin im Blut beträgt etwa fünf Minuten. Es wird hauptsächlich in der Leber und den Nieren durch Insulinase abgebaut, die die Disulfidbrücken zwischen der A- und B- Kette spaltet. Molekularer Mechanismus von Insulin: 1 Insulinbindung und Signaltransduktion: Rezeptorbindung: Insulin bindet an den Insulinrezeptor, einen Tyrosinkinase-Rezeptor, auf der Zellmembran. Autophosphorylierung: Die Bindung von Insulin aktiviert die Tyrosinkinase-Aktivität des Rezeptors, was zur Autophosphorylierung des Rezeptors an Tyrosinresten führt. Signalübertragung: Dies führt zur Aktivierung einer Signalkaskade, einschließlich der Insulin-Rezeptor-Substrate (IRS), die wiederum die Phosphatidylinositol-3-Kinase (PI3K) aktiviert. Aktivierung der Proteinkinase B (PKB): PI3K produziert Phosphatidylinositol-(3,4,5)-trisphosphat (PIP3), das die Proteinkinase B (PKB/Akt) aktiviert. PKB spielt eine zentrale Rolle bei der Förderung der Glukoseaufnahme, der Glykolyse und der Glykogensynthese. Glykogensynthese: PKB inaktiviert die Glykogensynthase-Kinase 3 (GSK3), wodurch die Glykogensynthase aktiv bleibt und die Glykogensynthese gefördert wird. Glukosetransporter (GLUT4): Insulin fördert die Translokation von GLUT4-Transportern zur Zellmembran, wodurch die Glukoseaufnahme in Muskel- und Fettzellen erhöht wird. Diabetes mellitus Typ 1 (Mangel an Insulin) Glucose im Blut 1 in Zellen /Gewebe I → Abbau von Fett (Lipolyse) → Citratzyclus wird durch NADH 1 (Fettabbau) und fehlendem Oxalacetat gehemm → B-Hydroxybutyrat und Acetoacetat senken den pH wert des Blutes (Azidose) Glucagon: Herkunft: Glucagon wird aus den Vorstufen Präglucagon und Präproglucagon in den α-Zellen der Langerhans-Inseln der Bauchspeicheldrüse gebildet. Funktion: Die Hauptfunktion von Glucagon besteht darin, den Blutzuckerspiegel zu erhöhen, insbesondere durch den Abbau von Glykogen in der Leber. Glucagon fördert den Abbau von Glykogen zu Glucose und steigert somit die Glucosefreisetzung ins Blut. Molekularer Mechanismus von Glucagon: 1 Glucagonbindung und Signaltransduktion: Rezeptorbindung: Glucagon bindet an den Glucagonrezeptor, einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR), auf der Zellmembran von Leberzellen. Adenylylcyclase Aktivierung: Die Bindung von Glucagon führt zur Aktivierung der Adenylylcyclase über das stimulierende G-Protein (Gs). cAMP-Produktion: Die Aktivierung der Adenylylcyclase erhöht die intrazelluläre Konzentration von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP). Protein-Kinase A (PKA) Aktivierung: cAMP aktiviert die Proteinkinase A (PKA), die zahlreiche Zielproteine phosphoryliert und damit aktiviert oder inaktiviert. 2 Aktivierung der Glykogenolyse: Glykogenphosphorylase Aktivierung: PKA phosphoryliert und aktiviert die Phosphorylase-Kinase, die wiederum die Glykogenphosphorylase aktiviert. Dies führt zum Abbau von Glykogen zu Glucose-1- phosphat, das anschließend zu Glucose-6-phosphat und schließlich zu Glucose umgewandelt wird, die in das Blut freigesetzt wird. 3 Förderung der Gluconeogenese: Enzymregulation: PKA fördert die Expression von Enzymen, die für die Gluconeogenese notwendig sind, wie die Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) und die Fructose-1,6-Bisphosphatase, was die Neusynthese von Glucose aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen unterstützt. Energiehämostase Kalorische Homöostase: Dies beschreibt das Gleichgewicht zwischen der Energieaufnahme (durch Nahrung) und dem Energieverbrauch (durch Stoffwechsel und körperliche Aktivität). Eine Störung in diesem Gleichgewicht kann zu Übergewicht oder Untergewicht führen. Appetit hemmende Hormone Cholecystokinin (CCK): Wird im Dünndarm von I-Zellen (spezielle enteroendokrine Zellen) produziert. Bindet an GPCR-Rezeptoren im Gehirn und fördert das Sättigungsgefühl. Es ist notwendig, dass das Tyrosinsulfat in Position 7 vom C-Terminus vorhanden ist, um die Rezeptorbindung zu ermöglichen. Führt auch zur Sekretion von Pankreasenzymen und Gallensalzen. Glucagon-like Peptide 1 (GLP-1): Produziert von den neuroendokrinen L-Zellen des Darms. Stimuliert die Insulinproduktion und senkt die Glucagonproduktion. Verzögert die Magenentleerung und fördert das Sättigungsgefühl. Appetit SteigendeHormone Ghrelin: Ein appetitanregendes Hormon, das hauptsächlich in der Magenschleimhaut und der Bauchspeicheldrüse produziert wird. Erhöht die Nahrungsaufnahme und wird während des Fastens vermehrt ausgeschüttet. Es hat auch eine Rolle bei der Freisetzung von Wachstumshormonen und der Verringerung von Angst (anxiolytisch). Serin 3 ist mit Octansäure verestert (Modifikation ist essentiell) Ghrelin-Infusionen erhöhen die Nahrungsaufnahme Obestatin wirkt Ghrelin entgegen Leptin: Ein von Adipozyten (Fettzellen) ausgeschüttetes Hormon, das die Nahrungsaufnahme hemmt. Leptinrezeptoren sind im Hypothalamus vorhanden, wo sie das Hungergefühl regulieren. Bei fettleibigen Menschen sind die Leptinspiegel oft erhöht, was auf eine Leptinresistenz hinweist. Adiponektin: Ebenfalls von Adipozyten produziert und reduziert das Hungergefühl. Es moduliert die Insulinfunktion und ist an der Regulierung der kalorischen Homöostase beteiligt. Regulation Energiehämostase Insulinresistenz Sport Einfluss  Membran Proteine Bauprinzipien von Membranproteinen: Membranproteine können peripher oder integral (transmembran) sein. Periphere Membranproteine können einfach solubilisiert werden, während integrale Membranproteine Detergenzien zur Solubilisierung benötigen. Membranproteine können α-Helices oder β-Barrels als strukturelles Element aufweisen. α-Helices kommen typischerweise in cytosolischen Membranen vor, während β-Barrel-Proteine oft in der äußeren Membran von Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten vorkommen. Beispiele Lipide als Membrananker: Lipidanker spielen eine wichtige Rolle bei der Membranverankerung von Proteinen. Zu den gängigen Membranankern gehören Palmitoylgruppen, Farnesylgruppen und Glykolipidstrukturen (GPI-Anker). Diese Modifikationen sind wichtig für die Signalübertragung und die Zelloberflächenbindung von Proteinen. Hydropathie-Plot: Ein Hydropathie-Plot hilft bei der Identifizierung von Transmembranhelices in Proteinen. Dieser Plot basiert auf der Hydrophobie von Aminosäuren, wobei hydrophobe Aminosäuren in der Membran eine Helix bilden. Der Plot wird verwendet, um die Lokalisation von Transmembranhelices zu bestimmen. Porenbildendes Toxin Melittin (von griech. млітта mélitta - die Biene) Polypeptid aus 26 Aminosäuren Porenbildendes Toxin (Homotetramer) Lagert sich in Zellmembranen ein und bildet Kanäle Durchlässigkeit ist für Anionen höher als für Kationen Freisetzung von Kaliumionen → Zelltod Hauptallergen des Bienengifts Aufbau Ionenkanäle Aufbau Spannungsgesteurte Kanäle Multidrugresistenz Phänomen Superfamilie von 150 Proteinen Expression von MDR verursacht "Multidrug-Resistenz" 2 Membranspannende und 2 ATP- bindende Domänen (ATP-binding cassettes) Kugel Ketten Modell der Kanalaktivierung bei Spannungsgesteurte Kanäle Reizweiterleitung der Synapsen Heteropentamere aus homologen Untereinheiten (a,B,v,o,& etc...) Typischerweise 2 a-Untereinheiten, die wichtig für die Ligandenbindung sind Nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren ◦ Struktur:Nikotinische Acetylcholinrezeptoren sind heteropentamere Strukturen, die aus verschiedenen Untereinheiten bestehen (z. B. α, β, γ, δ). In der Muskulatur sind sie typischerweise in einer 2:1:1:1- Stöchiometrie angeordnet (α, β, γ, δ) ◦ Funktion: Diese Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die bei der Bindung von zwei Acetylcholin- Molekülen auf der extrazellulären Seite der postsynaptischen Membran eine Konformationsänderung erfahren. Dies öffnet die Pore für Kationen, was zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt und somit die Reizweiterleitung und Muskelkontraktion ermöglicht Nikotin (Agonist) Muskel-Relaxantien (Agonisten & Antagonisten) Curare (Alkaloid, kompetitiver Antagonist) a-Conotoxine (Peptid, komp. Antagonist) Kobratoxin (Protein, kompetitiver Antagonist)  GABA A Rezeptoren ◦ Struktur: GABA_A-Rezeptoren sind ebenfalls heteropentamer und bestehen aus verschiedenen Untereinheiten (z. B. α, β, γ). Es gibt mehrere Varianten dieser Untereinheiten, was zu einer gewebespezifischen Varianz führt ◦ Funktion: GABA ist der häufigste hemmende Neurotransmitter im zentralen Nervensystem (ZNS). Der GABA_A-Rezeptor öffnet sich, wenn zwei GABA-Moleküle an die extrazelluläre Seite des Rezeptors binden. Dies führt zu einem Einstrom von Chloridionen (Cl⁻) und einer Hyperpolarisation des Neurons, was die neuronale Erregbarkeit verringert Pharmakologie: Benzodiazepine (BZ) verstärken hemmenden Effekt von GABA Binden an anderer Stelle im Protein (allosterischer Effekt) BZ zeigen große therapeutische Breite und geringe Toxizität (Ceiling-Effekt) Barbitursäurederivate wirken unabhängig von GABA, längere Öffnungszeiten des Kanals (kein Ceiling-Effekt) GABAA-p Subklasse (ehemals GABAc) insensitiv gegen Benzodiazepine Mechanismen der Signalvermittlung Parakrin Autokrin Endokrin Signale können zu Signale als Signale können über weite benachbarten Zellen Distanzen weitergeleitet Selbststimulation durch Blutkreislauf übertragen Anforderungen an Signalkaskaden: Selektivität, Signalverstärkung (Amplifikation), Richtung (Direktionalität), Regulierung, Inaktivierung und Integration verschiedener Signale sind essenziell für effektive Signalübertragungen. G-Protein gekoppelte Rezeptoren Struktur: GPCRs bestehen aus sieben Transmembranhelices (7-TM) und sind integrale Membranproteine. Diese Helices durchqueren die Zellmembran und ermöglichen die Übertragung von Signalen von der Außenseite zur Innenseite der Zelle. Funktionsweise der GPCRs Ligandenbindung: Die Funktion der GPCRs beginnt mit der Bindung eines spezifischen Liganden (wie Hormone, Neurotransmitter, Lichtmoleküle) an den extrazellulären Teil des Rezeptors. Konformationsänderung: Die Bindung des Liganden führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors, was eine intrazelluläre Reaktion auslöst. G-Protein-Aktivierung: Die Konformationsänderung ermöglicht die Bindung des Rezeptors an ein G- Protein, welches aus drei Untereinheiten (α, β, γ) besteht. Dies führt zum Austausch von GDP gegen GTP an der α-Untereinheit, wodurch das G-Protein aktiviert wird.  Signalübertragung: Nach Aktivierung dissoziieren die G-Protein-Untereinheiten und aktivieren oder hemmen verschiedene Effektoren wie Adenylylcyclasen, Phospholipasen oder Ionenkanäle. Diese Effektoren erzeugen Second Messenger (wie cAMP oder IP3), die weitergehende zelluläre Reaktionen auslösen. Inaktivierung: Das G-Protein wird durch die Hydrolyse von GTP zu GDP inaktiviert, was durch GTPase- aktivierende Proteine (GAPs) gefördert wird. Dies beendet die Signalkaskade. Klassifikation der GPCRs GPCRs werden in verschiedene Klassen eingeteilt, basierend auf ihrer Sequenzähnlichkeit und Funktion: Klasse A (Rhodopsin-ähnlich): Die größte und bekannteste Klasse, umfasst Rezeptoren wie den β-adrenergen Rezeptor und den Dopamin-Rezeptor. Klasse B (Sekretin-Rezeptor-Familie): Diese Klasse umfasst Rezeptoren wie den Sekretin-Rezeptor und den Glukagon-Rezeptor. Klasse C (metabotrope Glutamat/Pheromon-Rezeptoren): Umfasst Rezeptoren wie den metabotropen Glutamat-Rezeptor. Klasse F (Frizzled/Smoothened): Beinhaltet Rezeptoren, die an der Wnt-Signalübertragung beteiligt sind. G-Protein- Zyklus G-Proteine wirken als molekulare Schalter; Austausch von GDP → GTP GTP-Form: wirkt auf Proteine GDP-Form: inaktiv GEF: fördern GDP→GTP Austausch GAP: aktivieren die intrinsische GTPase-Aktivität der G-Proteine → GTP-Hydrolyse Kleine G-Proteine: Ras, Rho, Rab, Sar1/Arf und Ran Diese gehören zur Ras-Superfamilie und regulieren Prozesse wie Zellwachstum, Zytoskelett-Dynamik und Vesikeltransport. Sie sind Monomere und interagieren über spezifische Konformationsänderungen mit ihren Effektorproteinen. Effektorenzyme der G-Proteine: Adenylycyclase Struktur und Funktion von Adenylylcyclase Enzymatische Funktion: Adenylylcyclase ist ein membranständiges Enzym, das ATP in den sekundären Botenstoff cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) umwandelt. Dieser cAMP- Botenstoff spielt eine zentrale Rolle in vielen zellulären Signalwegen, insbesondere in der Aktivierung der Proteinkinase A (PKA). Isoformen: Es gibt insgesamt zehn verschiedene Isoformen der Adenylylcyclase (AC1 bis AC10). AC1 bis AC9: Diese Isoenzyme sind membranständig, das heißt, sie sind in der Zellmembran verankert. AC10: Diese Isoform ist ein cytosolisches Protein, was bedeutet, dass es im Zytoplasma der Zelle vorkommt und nicht an die Membran gebunden ist. Regulation der Adenylylcyclase-Aktivität G-Proteine: Die Aktivität von Adenylylcyclase wird durch verschiedene G-Proteine reguliert: Gs-Proteine: Diese Proteine stimulieren die Adenylylcyclase, was zu einer erhöhten Produktion von cAMP führt. Beispiele für Liganden, die Gs-gekoppelte Rezeptoren aktivieren, sind Adrenalin, Noradrenalin, Glukagon und Histamin. Gi-Proteine: Diese Proteine hemmen die Aktivität der Adenylylcyclase, was die cAMP-Produktion reduziert. Beispiele hierfür sind Noradrenalin, Prostaglandine und Angiotensin. Effektorbindung: Die Bindung von G-Proteinen an die Adenylylcyclase verursacht Konformationsänderungen im Enzym, die dessen Aktivität beeinflussen: Gs/olf (aktivierende G-Proteine): Diese fördern eine geschlossene Konformation der Adenylylcyclase, die für die Aktivierung des Enzyms erforderlich ist. Gi (inhibierende G-Proteine): Diese fördern eine offene Konformation, die zur Hemmung der Enzymaktivität führt. Aktivierung der Proteinkinase A (PKA) PKA-Aktivierung: PKA besteht aus regulatorischen (R) und katalytischen (C) Untereinheiten. In der inaktiven Form liegt PKA als Tetramer (R2C2) vor. Die Bindung von cAMP an die regulatorischen Untereinheiten führt zur Dissoziation des Tetramers in zwei aktive katalytische Untereinheiten und zwei regulatorische Untereinheiten, wodurch die katalytischen Untereinheiten aktiviert werden PKA-Zielproteine: → Glykogen-abbauende Enzyme 1 → Hormonsensitive Lipase 1 → Myosinkinase I (Relaxierung) → Cholesterinester-Hydrolase 1 → Aktive PKA wird in den Zellkern translozier und induziert dort Gentranskription (CREB).  Phospholipase Diese Enzyme katalysieren die Hydrolyse von Phospholipiden in der Zellmembran und erzeugen verschiedene bioaktive Moleküle, die als sekundäre Botenstoffe fungieren. Typen von Phospholipasen Es gibt mehrere Haupttypen von Phospholipasen, die sich durch ihre Substratspezifität und den Ort der Spaltung des Phospholipids unterscheiden: 1 Phospholipase A1 (PLA1): Funktion: Spaltet eine Fettsäure an der Sn-1-Position des Glycerolrückgrats von Phospholipiden. Produkt: Das Produkt dieser Reaktion ist ein Lysophospholipid und eine freie Fettsäure. 2 Phospholipase A2 (PLA2): Funktion: Spaltet eine Fettsäure an der Sn-2-Position des Glycerolrückgrats. Produkt: Diese Spaltung führt zur Freisetzung von Arachidonsäure, einem Vorläufer für die Biosynthese von Eikosanoiden wie Prostaglandinen und Leukotrienen, die entzündungsfördernde Wirkungen haben. Bedeutung: PLA2 ist besonders wichtig in Entzündungsprozessen, da die freigesetzte Arachidonsäure zur Bildung von entzündungsfördernden Molekülen beiträgt. 3 Phospholipase B (PLB): Funktion: PLB kann sowohl die Sn-1- als auch die Sn-2-Position von Phospholipiden spalten. Es besitzt die Aktivitäten von PLA1 und PLA2. Produkt: PLB spaltet die Fettsäureesterbindungen und führt zur Bildung von Glycerophosphaten und zwei freien Fettsäuren. 4 Phospholipase C (PLC): Funktion: Spaltet das Phospholipid vor dem Phosphoratom der Phosphatgruppe, was zur Freisetzung von Diacylglycerin (DAG) und Inositol-1,4,5-trisphosphat (IP3) führt. Signaltransduktion: IP3 löst die Freisetzung von Calciumionen aus dem endoplasmatischen Retikulum (ER) aus, während DAG die Proteinkinase C (PKC) aktiviert. Diese Signalwege sind entscheidend für Prozesse wie Zellwachstum, Differenzierung, Apoptose und Neurotransmission. 5 Phospholipase D (PLD): Funktion: Spaltet das Phospholipid nach dem Phosphoratom der Phosphatgruppe und produziert Phosphatidinsäure (PA) und einen freien Kopfgruppenalkohol (z.B. Cholin). Bedeutung: Phosphatidinsäure ist ein wichtiger Signaltransduktionslipid, das verschiedene zelluläre Prozesse, einschließlich Vesikelbildung und Zellmigration, reguliert. Rolle in der Signaltransduktion Calcium-Signalweg: Phospholipase C (PLC) ist besonders wichtig in der Signaltransduktion, da sie IP3 und DAG erzeugt, die beide zentrale Rollen in der Weiterleitung von Signalen innerhalb der Zelle spielen. IP3: Bindet an Rezeptoren auf dem ER und führt zur Freisetzung von Calciumionen ins Zytosol. Der Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration aktiviert verschiedene Calcium-abhängige Enzyme, darunter die Proteinkinase C (PKC). DAG: Bleibt in der Membran und aktiviert PKC, die dann weitere Proteine phosphoryliert und eine Vielzahl von zellulären Reaktionen auslöst. Phototransduktion: Grundlagen Ort der Phototransduktion: Die Phototransduktion findet in den Diskmembranen der Photorezeptorzellen statt. Diese Membranen enthalten wichtige Proteine wie Rhodopsin und Guanylatcyclase. Prozess der Phototransduktion 1 In Dunkelheit (Ruhezustand): cGMP-Spiegel: In Abwesenheit von Licht ist die Konzentration von cyclischem Guanosinmonophosphat (cGMP) in den Photorezeptorzellen hoch. Dies wird durch die Aktivität der Guanylatcyclase aufrechterhalten. Öffnung der Na⁺-Kanäle: Die hohen cGMP-Spiegel halten cGMP-gesteuerte Natriumkanäle offen, was zu einem kontinuierlichen Einstrom von Natriumionen (Na⁺) führt, der als "dark current" bezeichnet wird. Depolarisation: Dieser Na⁺-Einstrom verursacht eine Depolarisation der Zellmembran. Dadurch werden spannungsgesteuerte Calciumkanäle geöffnet, was den Einstrom von Calciumionen (Ca²⁺) ermöglicht. Glutamatfreisetzung: Die Depolarisation führt zur kontinuierlichen Freisetzung von Glutamat, einem Neurotransmitter, der in diesem Kontext eine hemmende Wirkung auf die nachgeschalteten Nervenzellen hat. 2 Bei Licht (Aktivierungszustand): Lichtinduzierte Isomerisierung: Licht trifft auf Rhodopsin, ein lichtempfindliches G-Protein- gekoppeltes Rezeptorprotein (GPCR) in den Diskmembranen. Das Chromophor 11-cis-Retinal im Rhodopsin isomerisiert zu all-trans-Retinal. Aktivierung von Transducin: Diese Isomerisierung aktiviert das G-Protein Transducin, das GDP gegen GTP austauscht. Transducin zerfällt daraufhin in seine Untereinheiten: die βγ-Untereinheit und die GTP-gebundene α-Untereinheit. Aktivierung der Phosphodiesterase (PDE): Die aktive α-Untereinheit von Transducin aktiviert die cGMP-Phosphodiesterase, die den Abbau von cGMP zu GMP katalysiert. Schließung der Na⁺-Kanäle: Der Rückgang der cGMP-Konzentration führt zur Schließung der cGMP-gesteuerten Natriumkanäle. Dies stoppt den Na⁺-Einstrom, was zu einer Hyperpolarisation der Zellmembran führt. Schließung der Ca²⁺-Kanäle: Die Hyperpolarisation bewirkt die Schließung der spannungsgesteuerten Calciumkanäle, was den Einstrom von Calciumionen stoppt. Reduktion der Glutamatfreisetzung: Da die Depolarisation abnimmt, reduziert sich auch die Freisetzung von Glutamat, was zur Weiterleitung eines Nervenimpulses an das Gehirn führt. Lichtgesteuerte Ionenkanäle Kanalrhodopsine und Halorhodopsine: Diese Proteine sind lichtgesteuerte Ionenkanäle, die eine wichtige Rolle in der Optogenetik spielen. Sie besitzen sieben Transmembranhelices, ähnlich wie GPCRs, und enthalten ein Retinalmolekül, das bei Lichtbestrahlung eine Konformationsänderung durchläuft. Kanalrhodopsine: Diese sind kationenspezifisch und werden durch blaues Licht (470 nm) aktiviert. Halorhodopsine: Diese sind Chlorid-spezifisch und werden durch gelbes Licht (570 nm) aktiviert. Regulation der Signalübertragung in der Zelle Phosphodiesterasen (PDEs) Funktion und Bedeutung: Enzymatische Aktivität: Phosphodiesterasen sind Enzyme, die cyclische Nukleotide, insbesondere cAMP (cyklisches Adenosinmonophosphat) und cGMP (cyklisches Guanosinmonophosphat), abbauen. Sie katalysieren die Hydrolyse von cAMP zu AMP und cGMP zu GMP. Regulation von Signalwegen: Durch den Abbau dieser Second Messenger spielen PDEs eine entscheidende Rolle bei der Beendigung von Signalkaskaden, die durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) ausgelöst werden. Dies verhindert eine Überaktivierung der Zelle und stellt sicher, dass die Signalantwort zeitlich begrenzt bleibt. Medizinische Relevanz: Therapeutische Ziele: PDEs sind wichtige Ziele für die Entwicklung von Arzneimitteln. Verschiedene PDE-Hemmer werden eingesetzt, um die Konzentrationen von cAMP und cGMP in Zellen zu erhöhen, was therapeutische Effekte bei verschiedenen Krankheiten hat. Nicht-selektive PDE-Hemmer: Substanzen wie Methylxanthine (z.B. Koffein, Theophyllin) wirken als nicht-selektive PDE-Hemmer und können in der Behandlung von chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen (COPD) eingesetzt werden. Selektive PDE-Hemmer: Verschiedene selektive PDE-Hemmer zielen auf spezifische PDE- Isoformen ab: PDE-3-Hemmer: Wird bei akuter Herzinsuffizienz eingesetzt (z.B. Cilostazol). PDE-4-Hemmer: Einsatz bei chronischen Lungenerkrankungen und Psoriasis (z.B. Apremilast, Roflumilast). PDE-5-Hemmer: Verwendung bei erektiler Dysfunktion und pulmonaler Hypertonie (z.B. Sildenafil, bekannt als Viagra). Inaktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) Mechanismen der GPCR-Inaktivierung: Inaktivierung des Second Messengers: Ein schneller Mechanismus der Inaktivierung von GPCR-Signalen ist der Abbau der erzeugten Second Messenger wie cAMP und IP3. Dies geschieht oft durch Enzyme wie Phosphodiesterasen (PDEs), die cAMP und cGMP abbauen. Intrinsische GTPase-Aktivität: Die Gα-Untereinheit des G-Proteins besitzt eine intrinsische GTPase-Aktivität, die den hydrolytischen Abbau von GTP zu GDP katalysiert. Dieser Prozess schaltet die Gα-Untereinheit ab und beendet die Signalübertragung. GAPs (GTPase-aktivierende Proteine) können diesen Prozess beschleunigen. Rezeptor-Inaktivierung durch βγ-Untereinheit: Die freie βγ-Untereinheit des G- Proteins kann die Interaktion zwischen dem Rezeptor und dem G-Protein blockieren, was zur Inaktivierung des GPCR führt. Arrestin-vermittelte Inaktivierung: GRK (G-Protein-gekoppelte Rezeptor-Kinase): GRKs phosphorylieren den aktivierten GPCR an spezifischen Serin- und Threoninresten. Diese Phosphorylierung dient als Signal für die Bindung von Arrestin. Arrestin-Bindung: Arrestin bindet an den phosphorylierten Rezeptor und blockiert die weitere Interaktion mit G-Proteinen, wodurch die Signalübertragung gestoppt wird. Arrestin kann auch als Adapterprotein dienen, das den Rezeptor in Clathrin- beschichtete Vesikel für die Endozytose dirigiert. Endozytose und Rezeptor-Recycling oder -Abbau: Clathrin-vermittelte Endozytose: Nach der Bindung von Arrestin wird der GPCR in Clathrin-beschichtete Vesikel eingeschlossen und internalisiert. Diese Vesikel fusionieren dann mit Endosomen und Lysosomen. Rezeptor-Schicksal: In den Endosomen wird der Rezeptor entweder abgebaut oder recycelt. Beim Recycling wird der Rezeptor zurück zur Zellmembran transportiert, um erneut an Signalkaskaden teilzunehmen. Beim Abbau wird der Rezeptor in Lysosomen zerstört. Schutz vor Überstimulation: Diese Inaktivierungsprozesse schützen die Zelle vor einer dauerhaften Überstimulation, die zu Zellschäden oder Dysfunktionen führen könnte. Sie sind besonders wichtig, um die Homöostase in Zellen aufrechtzuerhalten und sicherzustellen, dass Signale zeitlich und räumlich genau kontrolliert werden. Choleratoxin führt zu einer dauerhaften Aktivierung des Gαs-Proteins, was zu einer massiven Erhöhung von cAMP und schweren wässrigen Durchfällen führt. Pertussistoxin hemmt die Aktivierung des Gαi-Proteins, was ebenfalls zu einer Erhöhung von cAMP führt, aber hauptsächlich entzündliche Reaktionen und Schleimüberproduktion in den Atemwegen auslöst. Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) Allgemeine Struktur und Funktion: Struktur: RTKs haben typischerweise eine Transmembranhelix und eine katalytische Kinasedomäne auf der cytosolischen Seite der Membran. Die extrazelluläre Domäne variiert erheblich zwischen den verschiedenen Subtypen und bindet spezifische Liganden wie Wachstumsfaktoren. Aktivierung: Die Bindung eines Liganden führt zur Dimerisierung des Rezeptors und zur Aktivierung der Tyrosinkinaseaktivität. Dies ermöglicht die Autophosphorylierung des Rezeptors an Tyrosinresten, die als Andockstellen für Effektorproteine dienen. Epidermal Growth Factor Receptor (EGFR): Familie: EGFR gehört zur ErbB-Familie der RTKs, die aus EGFR/HER1 (ErbB-1), HER2/neu (ErbB-2), HER3 (ErbB-3) und HER4 (ErbB-4) besteht. HER2/neu ist besonders wichtig bei der Diagnose und Behandlung von Brustkrebs, da es in 15-30 % aller invasiven Mammakarzinome überexprimiert ist. Mechanismus: Nach Ligandenbindung erfolgt eine asymmetrische Dimerisierung, bei der eine Kinase- Domäne die Aktivität der benachbarten Kinase-Domäne durch eine Konformationsänderung aktiviert. Diese phosphoryliert dann spezifische Stellen, die als Andockstellen für Signalproteine dienen. Medikamentöse Hemmung: Medikamente wie Trastuzumab (Herceptin) binden spezifisch an HER2 und blockieren die Dimerisierung, wodurch die Signalübertragung gehemmt wird. Kinaseinhibitoren wie Lapatinib blockieren die Kinaseaktivität direkt. Signalübertragung im Cytoplasma: Der MAPK-Signalweg (Mitogen-Activated Protein Kinase) ist ein zentraler Signalweg, der durch verschiedene Rezeptoren aktiviert werden kann, insbesondere durch Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) und G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs). Hier ist eine detaillierte Übersicht über diesen Signalweg basierend auf dem hochgeladenen Dokument: 1 Signalweiterleitung und Kaskade: Der Signalweg beginnt, wenn der kleine GTPase Ras aktiviert wird, was wiederum eine Kaskade von Kinasen im Zytoplasma startet. Raf: Die erste Kinase in dieser Kaskade ist Raf, eine Serin/Threonin-Kinase, die als MAPKKK (MAPK-Kinase-Kinase) bekannt ist. MEK: Raf phosphoryliert und aktiviert MEK, eine duale Kinase (Serin/Threonin und Tyrosin), auch als MAPKK (MAPK-Kinase) bezeichnet. ERK: MEK phosphoryliert schließlich ERK (Extracellular signal-Regulated Kinase), eine MAPK (Mitogen-activated Protein Kinase). 2 Zelluläre Effekte: Aktivierte ERK kann sowohl im Zytoplasma als auch im Zellkern verschiedene Substrate phosphorylieren, was zu einer Vielzahl von zellulären Reaktionen führt. ERK phosphoryliert den Transkriptionsfaktor Elk-1, der dann zusammen mit SRF (Serum Response Factor) an die DNA bindet, um die Transkription von Zielgenen wie c-Fos zu initiieren. 3 Regulation der Genexpression: c-Fos, ein Transkriptionsfaktor, bildet einen Heterodimer mit c-Jun, der als AP-1 (Activator Protein 1) fungiert. AP-1 reguliert die Expression von Genen, die für Zellproliferation und Differenzierung wichtig sind, einschließlich Cycline, die den Zellzyklus regulieren, sowie Gene, die die Expression und Aktivität von p53 reduzieren, einem wichtigen Tumorsuppressor. 4 Verschiedene Rezeptoren und Aktivierungspfade: Der MAPK-Signalweg kann durch verschiedene Rezeptoren wie RTKs und GPCRs aktiviert werden, was auf seine zentrale Rolle in der zellulären Signalübertragung hinweist. Wnt-Signalweg: "Aus" (Inaktiviert) In der inaktiven Form des Wnt-Signalwegs bindet β-Catenin an einen Komplex bestehend aus APC (Adenomatous Polyposis Coli), Axin und GSK-3 (Glykogensynthase-Kinase 3). GSK-3 phosphoryliert β-Catenin, wodurch es markiert und anschließend durch das Proteasom abgebaut wird. Diese Abbauprozesse verhindern die Akkumulation von β-Catenin im Zytoplasma und den Zellkern, wodurch der Wnt- Signalweg inaktiv bleibt. 2. Wnt-Signalweg: "An" (Aktiviert) Wenn ein Wnt-Protein an den Frizzled-Rezeptor (Fz) und den Co-Rezeptor LRP (Lipoprotein-Rezeptor-verwandtes Protein) bindet, wird der Wnt-Signalweg aktiviert. Diese Bindung führt zur Aktivierung des Proteins Dishevelled, das die Aktivität des GSK-3/APC/Axin-Komplexes hemmt. Durch die Hemmung von GSK-3 wird der Abbau von β-Catenin verhindert, was zu einer Stabilisierung und Akkumulation von β-Catenin im Zytoplasma führt. Das stabilisierte β-Catenin wird in den Zellkern transportiert, wo es als Co-Faktor zusammen mit TCF (T-Cell Factor) oder LEF (Lymphoid Enhancer Binding Factor) die Transkription von Zielgenen reguliert. 3. Funktionen von β-Catenin im Wnt-Signalweg β-Catenin fungiert als „Scaffolding“-Protein mit unterschiedlichen Funktionen. Neben seiner Rolle in der Transkription, ist β-Catenin auch Teil von Adherens Junctions, wo es zusammen mit α-Catenin Zellverbindungen und die Verbindung zum Cytoskelett vermittelt. 4. Wnt-Signalweg und Darmkrebs Der Wnt-Signalweg ist besonders wichtig im Zusammenhang mit Darmkrebs. Eine Mutation im APC-Gen kann zu einer familiären adenomatösen Polyposis führen, einer Erkrankung, bei der der Dickdarm mit Polypen übersät ist.  Bei dieser Erkrankung kann β-Catenin nicht mehr ubiquitinyliert und abgebaut werden, was zu seiner Akkumulation führt und somit das Risiko für die Entstehung von Darmkrebs erhöht. 5. Funktionen des Wnt-Signalwegs in der Embryonalentwicklung Der Wnt-Signalweg spielt eine entscheidende Rolle in der Embryonalentwicklung, insbesondere bei der Regulation von Zellmustern und der Segmentierung. Er koordiniert zusammen mit dem Hedgehog-Signalweg wichtige Entwicklungsprozesse. Wnt und Hedgehog regulieren die Differenzierung von Stammzellen und sind auch im Erwachsenenalter von Bedeutung, beispielsweise bei der Geweberegeneration. 6. Wnt-Signalweg und β-Catenin in der Zelladhäsion In Adherens Junctions sorgt β-Catenin zusammen mit α-Catenin für die Stabilität und Verankerung von Zellverbindungen zum Cytoskelett, was wichtig für die Zelladhäsion und Gewebestruktur ist. JAK/STAT Signalweg 1 Grundstruktur und Aktivierung: JAK steht für Januskinasen, die an Rezeptoren assoziiert sind, während STAT für Signal Transducer and Activator of Transcription steht. Der Signalweg wird durch die Bindung von Liganden (wie Interferonen, Interleukinen, Erythropoietin, Prolaktin und Wachstumshormonen) an spezifische Rezeptoren eingeleitet. Diese Bindung führt zur Dimerisierung der Rezeptoren und zur gegenseitigen Phosphorylierung der assoziierten JAKs, was wiederum zur Phosphorylierung der Rezeptoren führt. Phosphorylierte Rezeptoren dienen dann als Bindungsstellen für STAT-Proteine, die über ihre SH2-Domäne an die Rezeptoren binden. 2 Signaltransduktion: Die aktivierten JAKs phosphorylieren die gebundenen STAT-Proteine. Diese phosphorylierten STAT-Proteine dimerisieren daraufhin. Die Dimere translozieren in den Zellkern, wo sie an spezifische DNA-Sequenzen, das sogenannte Zytokin-Response- Element, binden und die Transkription von Zielgenen initiieren. 3 Funktion und Bedeutung: Der JAK-STAT-Signalweg spielt eine zentrale Rolle bei der Regulation von Zellentwicklung, Wachstumskontrolle und Homöostase. Er ist entscheidend für die Immunantwort und die Signalübertragung verschiedener Zytokine. 4 Beispiel: EPO und JAK-STAT-Signalweg: Erythropoetin (EPO) bindet an seinen Rezeptor und aktiviert den JAK-STAT-Signalweg, was die Bildung roter Blutkörperchen (Erythrozyten) stimuliert. EPO wird hauptsächlich in der Niere synthetisiert und spielt eine Rolle bei der Behandlung von Anämie, insbesondere bei Patienten mit Niereninsuffizienz.  Tumorsupressor P53 1 Tumorsuppressor p53: p53 wird oft als "Wächter des Genoms" bezeichnet, da es eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der genetischen Stabilität spielt. In nahezu allen Krebsarten ist die p53-Aktivität ausgeschaltet. Das TP53-Gen, das für p53 kodiert, ist in etwa 50% aller Tumore mutiert. 2 Struktur von p53: p53 ist ein tetramerer Transkriptionsfaktor, ein Multidomänenprotein mit gefalteten und intrinsisch ungeordneten Domänen (IDRs). Die IDRs spielen eine Rolle als flexible Linker zwischen gefalteten Domänen und als Interaktionsmodule, die multiple Bindungspartner anpassen können. 3 Negativer Feedback-Loop: p53/MDM2-Achse: p53 induziert die Transkription von MDM2, das wiederum p53 ubiquitiniert und dessen Abbau durch das Proteasom fördert. Dies hält die p53-Niveaus in ungestressten Zellen niedrig. In vielen Tumoren ist MDM2 und sein Homolog MDMX überexprimiert, was zur Inaktivierung von p53 beiträgt. 4 Phosphorylierungskaskaden als Aktivierungsschalter: Die Transaktivierungsdomäne (TAD) von p53 kann sowohl Transkriptionsaktivatoren als auch negative Regulatoren binden. Durch Phosphorylierung an verschiedenen Stellen der TAD kann die Aktivität von p53 fein abgestimmt werden. TAD dephosphoryliert: Affinität MDM2 Affinität p300 p53-Aktivität 5 Zellzyklus und Apoptose: p53 spielt eine zentrale Rolle bei der Reaktion auf DNA-Schäden. Es kann den Zellzyklus anhalten, um DNA- Reparaturen zu ermöglichen, oder den programmierten Zelltod (Apoptose) einleiten, wenn die Schäden irreparabel sind. Durch Bindung an den Promotor von p21, einem Inhibitor von Cyclin-abhängigen Kinasen (CDKs), hemmt p53 die Zellzyklusprogression. 6. Anpassung durch Chamäleon-Sequenz Regulatorisches Segment im C-terminalen Bereich von p53 nimmt unterschiedliche Konformationen an, je nach Bindungspartner und posttranslationaler Modifikation. Chamäleon-Sequenz" Anpassung an unterschiedliche Bindungspartner möglich (schnell ein- und ausschaltbar) Zellzyklus Zellzyklus-Checkpoints Der Zellzyklus wird an verschiedenen Kontrollpunkten (Checkpoints) reguliert, um die Integrität des genetischen Materials und die korrekte Zellteilung zu gewährleisten: 1 G1-Checkpoint (Restriktionspunkt): Dieser Kontrollpunkt entscheidet, ob die Zelle in die S-Phase eintreten soll. Hier wird überprüft, ob die Zellgröße ausreichend ist, die Umgebung günstig ist und ob die DNA intakt ist. Der Übergang in die S-Phase wird durch die Aktivität von Cyclin D/CDK4 gesteuert, welches das Retinoblastom-Protein (Rb) phosphoryliert und den E2F-Transkriptionsfaktor aktiviert. Das Retinoblastom-Protein (pRb, Rb) ist eine Tumorsuppressor-Protein → schützt die Zelle davor, beschädigte DNA zu replizieren Natives Rb (Retinoblastom-Protein) inaktiviert Transkriptionsfaktor E2F Solange E2F inaktiviert, bleibt die Zelle in der G1-Phase Cyclin D/CDK4 phosphoryliert Rb, Rb dissoziiert ab, E2F jetzt aktiv Transkription von S-Phase-Genen 1 (z.B. Cyclin E, PCNA....) Auch Cyclin E/CDK2 inaktiviert Rb durch Phosphorylierung (Verstärkung) Überexpression von Cyclin D: kritisch für Tumorentstehung G2/M-Checkpoint (DNA-Schaden-Checkpoint): Dieser Kontrollpunkt stellt sicher, dass die DNA-Replikation vollständig abgeschlossen und unbeschädigt ist, bevor die Zelle in die Mitose eintritt. Die Aktivität von CDK1/Cyclin B ist entscheidend für den Übergang von der G2- zur M-Phase. Diese Aktivität wird durch verschiedene Kinase- und Phosphatase-Aktivitäten (wie Wee-1 und Cdc-25) reguliert, die sensibel auf DNA-Schäden und Replikationsfehler reagieren. Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) Phasenübergänge im Zellzyklus werden durch die Interaktion von Cyclinen und CDKs reguliert: Cycline: Diese Proteine werden in einer phasenspezifischen Weise exprimiert und sind für die Aktivierung der CDKs notwendig. CDKs: Diese Kinasen sind für den Zellzyklus entscheidend. Die Aktivität von CDKs wird durch die Bindung an spezifische Cycline und durch posttranslationale Modifikationen wie Phosphorylierung reguliert. Cyclin D/CDK4 und Cyclin E/CDK2 spielen eine zentrale Rolle im G1-Checkpoint. Cyclin B/CDK1 ist entscheidend für den G2/M-Übergang. Regulation der CDK-Aktivität CAK (CDK-aktivierende Kinase): Aktiviert CDKs durch Phosphorylierung. Wee-1 (CDK-inhibierende Kinase): Hemmt CDKs durch Inhibitorische Phosphorylierung. Cdc-25 Phosphatase: Dephosphoryliert CDKs, um ihre Aktivität zu starten, insbesondere am G2/M-Checkpoint. CKIs (CDK-Inhibitoren): Diese Proteine wie p21 hemmen die Aktivität von CDKs, um den Zellzyklus zu stoppen, insbesondere bei DNA-Schäden. Tumorsuppressor p53 und seine Modulation der CDK-Aktivität p53 ist ein zentraler Regulator der Zellantwort auf DNA-Schäden und fungiert als Tumorsuppressor, indem es den Zellzyklus stoppt, DNA-Reparaturmechanismen aktiviert oder Apoptose (programmierter Zelltod) einleitet. p53 moduliert die Aktivität der CDKs auf folgende Weisen: 1 Induktion von p21: Einer der Hauptmechanismen, durch den p53 die CDK-Aktivität hemmt, ist die Transkription des p21-Gens. Das p21-Protein bindet an und inhibiert Cyclin/CDK-Komplexe wie Cyclin D/CDK4 und Cyclin E/CDK2, die für den Übergang von der G1- zur S-Phase erforderlich sind. Durch diese Inhibition wird der Zellzyklus in der G1-Phase angehalten, um den Zellen Zeit zur Reparatur der DNA zu geben. 2 Hemmung der CDK-Aktivierung: Neben der Induktion von CKIs kann p53 auch durch die Modulation von CDK-aktivierenden Faktoren, wie CAK, indirekt die CDK-Aktivität beeinflussen. Dies kann zur Stabilisierung des Zellzyklusstops beitragen. 3 Modulation durch p53-Mediierte Signalwege: p53 kann auch die Expression anderer Gene regulieren, die an der Kontrolle des Zellzyklus beteiligt sind, wie 14-3-3σ, das die Lokalisierung von CDKs beeinflusst, oder GADD45, das direkt an der DNA-Reparatur beteiligt ist und möglicherweise auch die CDK-Aktivität beeinflusst. Effekte Exogene Faktoren CDK1/CyclinA aktiviert Mitose CDK-Inhibitoren Apoptosis Definition und Funktion der Apoptose Apoptose ist eine Form des programmierten Zelltods, der dazu dient, unnötige oder schädliche Zellen gezielt zu entfernen. Dies ist wichtig für die Embryonalentwicklung, die Eliminierung von defekten Zellen, und die Regulation des Immunsystems. Physiologische Funktionen Entwicklung und Homöostase: Apoptose entfernt während der Embryonalentwicklung überflüssige Zellen, wie z.B. Hautzellen zwischen den Fingern und Zehen. Sie eliminiert nicht mehr benötigte Blutzellen und Neuronen und entfernt Zellen mit Genomdefekten sowie autoreaktive T-Zellen und virusinfizierte Zellen. Merkmale der Apoptose Morphologische Veränderungen: Bei der Apoptose kommt es zur Abrundung der Zellen, Chromatin- Kondensation, Kernfragmentierung, und Bildung von „apoptotic bodies“. Phagozytose: Apoptotische Zellen senden Signale aus, die ihre Aufnahme durch Phagozyten erleichtern. Signalwege der Apoptose Extrinsischer Weg: Ausgelöst durch T-Lymphozyten, die den Tumornekrosefaktor (TNF) freisetzen. Die Bindung von TNF an seinen Rezeptor aktiviert eine Caspase-Kaskade über Caspase 8 und 3, die letztlich zur Apoptose führt. Intrinsischer Weg: Ausgelöst durch DNA-Schäden, die zur Expression von Proteinen der Bcl-2-Familie (z.B. Bax) durch p53 führen. Dies bewirkt die Freisetzung von Cytochrom C aus den Mitochondrien und die Aktivierung von Caspase 9, was ebenfalls eine Caspase-Kaskade einleitet. Caspasen  Wie schaltet HPV p53 aus? Humanes Papillomavirus-Genprodukt E6 bindet an p53 E6 rekrutiert humane E3-Ubiquitin-Ligase E6AP → Ubiquitinierung von p53 und Abbau durch das Proteasom → Zelle verliert p53-Tumorsuppressoraktivität → erhöhtes Krebsrisiko (e.g. Gebärmutterhalskrebs, HeLa-Zellen Henrietta Lacks 1951) Entwicklung von Tumoren Wie schädigen Tumore den Organismus? Entstehung von Tumoren Karzinogenes Toxine Karzinogene Retroviren Karzinogene DNA-Viren  Oncogene 1 Definition und Bedeutung von Onkogenen: Onkogene sind mutierte oder übermäßig exprimierte Versionen von Proto-Onkogenen, die normalerweise die Zellproliferation kontrollieren. Wenn diese Gene mutiert oder überexprimiert werden, führen sie zu unkontrolliertem Zellwachstum, was letztlich zur Tumorbildung führen kann. 3 Beispiele für Onkogene: Ras-Onkogen: Etwa 20% aller Tumore weisen eine Mutation im Ras-Gen auf. Häufig sind Punktmutationen im Codon 12 (z.B. G12V) oder 13 sowie Q61K, die die GTPase-Aktivität von Ras beeinträchtigen und zu einer Hyperaktivierung führen. HER2/neu (EGFR): Dieses Onkogen ist in 15–30% der invasiven Mammakarzinome amplifiziert oder überexprimiert. Mutationen stabilisieren das Dimer von Rezeptor- Tyrosinkinasen (RTK), was zu einer ligandunabhängigen Aktivierung führt. Hyperaktivierung von Rezeptortyrosinkinasen durch Mutationen Mutation stabilisiert RTK-Dimer, z.B. Cys-Mutation stabilisiert Dimer via Disulfidbrücke Mutierte RTK somit auch ohne Ligandenbindung aktiv Burkitt lymphoma