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