Johannes Schmid. Online Recherche Tipp: 2008 Block 3 Phy 1 Aufbau und Funktion der Zellmembran. Objectives I. an der Med. Univ.

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1 2008 Block 3 Phy 1 Aufbau und Funktion der Zellmembran Johannes Schmid an der Med. Univ. Wien Tel Online Recherche Tipp: > Books Objectives I Beschreibe die Membran-Eigenschaften in Relation zu den Komponenten der Membran Beschreibe den Aufbau einer Zellmembran Benenne unterschiedliche Typen der Verankerung von Proteinen in der Membran Erläutere die Bedeutung von Membran- Innenphospholipiden und Membran- Außenphospholipiden Benenne unterschiedliche Phospholipide der Zellmembran Definiere den Begriff Zellmembranasymmetrie Unterscheide die Phospholipide der Membraninnenseite von jenen der Membranaußenseite Erkläre die Bedeutung von negativ geladenen Membranphospholipiden

2 Objectives II Objectives III Erkläre die Bedeutung von ungesättigten Fettsäuren und von Cholesterin in der Membran Benenne Areale der Plasmamembran mit unterschiedlichem Gehalt an Cholesterin Erkläre die Funktion von cholesterinreichen Arealen der Plasmamembran Erkläre den Ursprung von ungesättigten Fettsäuren in der Zellmembran Benenne die Substanzen, welche direkt durch die Phospholipidmembran diffundieren Beschreibe die Zellmembran hinsichtlich der Durchlässigkeit für Gase Beschreibe die Undurchlässigkeit der Zellmembran für geladene Moleküle Erkläre die Bedeutung von Membranen für die intrazelluläre Kompartimentierung Beschreibe unterschiedliche Membrantypen in der Zelle Erkläre die Notwendigkeit der Zellkompartimentierung Beschreibe unterschiedliche Zellkompartimente hinsichtlich ihrer ionalen Zusammensetzung Plasmamembran: Zell-Membran Funktionen Kompartimentierung, Na + /K + -Pumpe Kommunikation mit der Zell-Außenwelt, Verankerung mit der Matrix (Rezeptoren, Ionenkanäle, Adhäsionsmoleküle, etc.) Kommunikation mit Nachbarzellen (z.b. über gap-junctions oder Adhäsionskontakte) Konzentration verschiedener Protein- und Signalkomplexe Verankerung mit dem Zytoskelett Aufrechterhaltung der Polarität spezieller Zellen (z.b. Epithelien) Ausbildung spezieller Zell-Zell Verbindungen (z.b. tight junctions etc.) Intrazelluläre Membranen: Ausbildung von Zellorganellen (Beispiele): Endoplasmatisches Retikulum: Kompartimentierung, Ca ++ -Pumpe Mitochondrien: Energiegewinnung, Endosomen, Lysosomen: Intrazelluläre Verkehrswege Zellmembran Aufbau Drei verschiedene Ansichten der Zellmembran: (A) Elektronenmikroskopie einer roten Blutzelle im Querschnitt; (B und C) Schematische Darstellung

3 Aufbau der Zellmembran Lipide: Phospholipid-Doppelschicht Die Innen- und die Außenschicht sind nicht gleich zusammengesetzt: Spezifisch INNEN: Phosphatidylserin PS; spezifisch AUSSEN- Sphingomyelin SM; in beiden Schichten jedoch in unterschiedlicher Konzentration: Phosphatidylethanolamin PE, Phosphatidylinositol PI; Phosphatidylcholin PC; polare Cholesterinmoleküle Nicht alle Teile der Membran sind gleich zusammengesetzt Membranmikrodomänen, reich an Cholesterin und Sphingomyelin ( Lipid Rafts ) Proteine: Unterschiedliche Proteine sind bevorzugt in bestimmten Membrandomänen: Proteine mit einer GPI (Glycosyl-Phosphatidyl-Inositol) Verankerung (außen) in Lipid Rafts; Transmembranproteine außerhalb der Rafts Funktionelle Einteilung: Strukturproteine, Ionenpumpen, Ionenkanäle, Transportproteine Adhäsionsmoleküle Rezeptoren Proteine mit Enzymfunktion Glykoproteine Kohlenhydrate: Glykolipide wie Ganglioside und Glykoproteine Membran Phospholipide Verleihen der Zellmembran bestimmte allgemeine Eigenschaften Haben unterschiedliche chemische Struktur Sind unterschiedlich in der Membran verteilt Haben unterschiedliche Eigenschaften aufgrund der Kopfgruppen und aufgrund der Fettsäuren Sind Ausgangssubstanzen für Lipidmediatoren Membraneigenschaften Durchlässigkeit für Gase (CO 2, O 2, NO, CO) Durchlässigkeit für Wasser (gering und wenn gesättigte Fettsäuren/Sphingomyelin in Membran zunehmend weniger), Notwendigkeit von Wasserporen Alle geladenen bzw. polaren Partikel nur durch Transportsysteme (Ionen, etc) Lipide: nicht durch Membran sondern über ABC Transporter Folgen unterschiedlicher Membranpermeabilität Permeabilität durch eine artifizielle Phospholipid-Doppelschicht Membranphospholipide (PL) Verteilung der PL innen vs. außen PC (Phosphatidylcholin) versus PS (Phosphatidylserin) und Funktion* (Kalziumbindung Gerinnung außen und PKC Protein Kinase C (innen) PI (Phosphatidylinositol) kommt in der inneren und äußeren Membran vor außen innen * Wenn PS außen wäre, würde das über die neg. Ladungen die Gerinnung induzieren; PS auf der Innenseite ist wichtig für Aktivierung der Protein Kinase C; PC führt über Phospholipase A2 zur Bildung von Arachidonsäure >> Prostaglandinen

4 Ein weiterer Membranbestandteil: Cholesterin Struktur Schematische Darstellung der asymmetrischen Verteilung der Phospholipide in der Zellmembran Funktion des Cholesterins in der Membran: Niedrige Konzentrationen steigern die Fluidität der Membran. Sehr hohe Konzentrationen (Membrandomänen) vermindern die Membranfluidität. Bei höheren Temp: Verringerung der Fluidität, bei niedrigen Temp: Aufrechterhaltung der Fluidität (Cholesterin beeinflusst die Phase-Transition ) Sphingomyelin und Phosphatidylcholin (positiv geladene Kopfgruppen) sind an der exoplasmatischen Seite zu finden. Lipide mit neutralen oder negativen Kopfgruppen sind eher an der zytoplasmatischen Seite zu finden Beweglichkeit der Phospholipide in der Membran Eigenschaften der PL - Kopfgruppen Mögliche Bewegungen der Phospholipide Transfer von einer Membranseite zur anderen erfolgt enzymatisch (z.b. Scramblase; Flopase; Flipase) Einfluss von Doppelbindungen in den Fettsäureresten (ungesättigte Fettsäuren) auf die Beweglichkeit und Durchlässigkeit der Phospholipidmembran PS (Phosphatidylserin): Ca ++ Bindung Gerinnung (= Plättchenfaktor 3), Wichtig für PKC Aktivität (Protein Kinase C) PC (Phosphatidylcholin): kann von PLA 2 (Phospholipase A 2 ) gespalten werden > freie Fettsäuren, AA (arachidonic acid = 4-fach ungesättigte C20-Fettsäure), EPEA (Eicosapentaenoic Acid Lipid Mediatoren, Prostaglandine) PE (Phosphatidylethanolamin): wird zu PC umgewandelt; PLA 2 PI: (Phosphatidylinositol) GPI-Anker (Glykosyl-PI, Verankerung von Proteinen in Membranen) PLC (Phospholipase C) Bildung von IP 3 (Inositol-3-Phosphat) und DAG (Diacylglyzerin) > Signalübertragung: IP3 öffnet Calcium Kanäle, DAG aktiviert Protein Kinase C

5 Eigenschaften von Fettsäuren in Membranphospholipiden: Menge und relative Zusammensetzung der ungesättigten Fettsäuren (FS) in den Phospholipiden ist abhängig von der Nahrungsaufnahme Aus mehrfach ungesättigten FS (PUFAs, polyunsaturated fatty acids) wie AA (Arachidonic Acid) oder EPEA (Eicosapentaenoic Acid) entstehen wichtige Lipidmediatoren (Prostaglandine: PG2, PG3,) die durch Phospholipasen generiert werden Je mehr ungesättigte FS in der Membran, desto durchlässiger ist jene für Wasser (viel Sphingomyeline - undurchlässig) Spezialisierte Membranareale (Membran Mikrodomänen) Caveolae; Lipid Rafts: Hoher Gehalt an Cholesterin und Sphingomyelin GPI-verankerte Proteine außen Src Kinasen Innen Aufnahme und Transport (Transcytose) von Substanzen durch die Zelle Endothelien in Drüsen etc 2006 Block 3 Phy 2 Aktiver Transport Objectives I Zähle unterschiedliche Transportmechanismen für polare Substanzen durch die Zellmembran auf Erkläre den Unterschied zwischen Pumpen, Antiporte, Symporte und Kanälen Erkläre den Begriff aktiver Transport Benenne unterschiedliche aktive Transportmechanismen in der Zelle Benenne die Lokalisation der Na + /K + -Pumpe in den Zellmembranen unterschiedlicher Zellen Benenne die Lokalisation der Ca ++ -Pumpe in den Zellmembranen unterschiedlicher Zellen Benenne unterschiedliche Typen aktiver Pumpen

6 Objectives II Beschreibe die Funktionsweise der Na + /K + - Pumpe Zähle unterschiedliche ABC Transporter und deren Substrate auf Benenne häufige Erkrankungen bei welchen Defekte in ABC Transportern eine Rolle spielen Treibende Kräfte für den Transport von Substanzen durch die Zellmembran Passiver Transport Der elektrochemische Gradient ist die Antriebskraft für den passiven Transport einer Substanz und setzt sich aus dem Konzentrationsgradienten der Substanz und dem Spannungsgradienten (elektrischer Gradient verursacht durch das Membranpotential) zusammen. Vergleich von passiven Transporten entlang eines elektrochemischen Gradienten mit einem aktiven Transport gegen einen elektrochemischen Gradienten Das Carrier-Protein: Kann zwischen zwei Konformationen wechseln um so abwechselnd die Bindungsstelle an der einen und der anderen Seite der Zellmembran (lipid bilayer) zugänglich zu machen. Kanalproteine sind im Gegensatz dazu Wasser gefüllte Poren quer durch die Zellmembran, welche nur für spezifische Ionen durchlässig sind. Während einfache Diffusion und passiver Transport über Membranproteine spontan abläuft (erleichterte Diffusion), ist aktiver Transport energieabhängig. Nur Carrier-Proteine machen aktiven Transport, aber sowohl Carrier-Proteine als auch Ionenkanäle können eine erleichterte Diffusion bewirken. Zusammensetzung von Kompartimenten in der Zelle Die extrazelluläre Flüssigkeit und das Cytosol die durch die Plasmamembran voneinander getrennt werden, sind in ihrer (ionalen) Zusammensetzung unterschiedlich. Ebenso bestehen entsprechende Unterschiede in der ionalen Zusammensetzung zwischen Cytosol und nicht-plasmatischen Phasen in der Zelle (ER, etc.) Diese unterschiedliche ionale Zusammensetzung muss durch aktive Transportprozesse entlang der trennenden Membran und durch eingeschränkte Permeabilität der begrenzenden Membran entstehen

7 Ionale Zusammensetzung des Cytosols und der extrazellulären Flüssigkeit einer typischen Zelle intrazelluläre Konzentration (mm) extrazelluläre Konzentration (mm) Kationen Na K Mg Ca x10-5 ( M or ph 7.4) H + 7 x10-5 ( MorpH 7.2) Anionen* Cl * Die Zelle muss gleiche Mengen an + und Ladungen enthalten um elektrisch neutral zu sein. Daher beinhaltet die Zelle zusätzlich zu Cl - auch andere Anionen die nicht in der Tabelle angegeben sind. Dies sind insbesondere Protein-Anionen (fixe, nicht diffusible Anionen), aber auch HCO 3-, PO 4 3-, Nucleinsäuren, Stoffwechselprodukte mit Phosphat oder Carboxylresten. Die angegeben Konzentrationen von Ca 2+ und Mg 2+ sind die der freien Ionen. Insgesamt ist in der Zelle etwa 20 mm Mg 2+ und 1-2 mm Ca 2+ aber bevorzugt an Proteine und andere Substanzen gebunden und im Fall von Ca 2+ in verschiedenen Organellen gespeichert. Hauptsächliche ionale Unterschiede Cytosol vs. extrazelluläre Flüssigkeit: Cytosol: >K +, <Na +, <Ca ++, <Cl - Endoplasmatisches Retikulum vs. Cytosol: ER: >Ca ++ Daher: Ein Transport gegen einen Konzentrationsgradienten von Na + aus dem Cytosol in die extrazelluläre Flüssigkeit und von K + aus der extrazelluläre Flüssigkeit in das Cytosol und von Ca ++ aus dem Cytosol in die extrazelluläre Flüssigkeit und in das endoplasmatische Retikulum hinein. Transporte gegen einen Konzentrationsgradienten verbrauchen Energie: Aktive Pumpen Energielieferant der Zelle ist die Spaltung von ATP; aktive Pumpen verbrauchen ATP = daher ATPasen Die vier Klassen ATP-abhängiger Transportproteine Na + /K + ATPase P-Klasse: Diese besteht aus einem Transmembran-Protein, welches während des Pumpzyklus phosphoryliert wird. Zu dieser Gruppe zählen die Na+/K+- Pumpe, die Ca ++ -Pumpe und die H + /K + -Pumpe V-Klasse: Diese Pumpen transportieren immer H + und sind in den Lysosomenmembranen lokalisiert (Ansäuerung des Lysosomen-Inhaltes). F-Klasse: Lokalisiert in der inneren Mitochondienmembran, synthetisiert diese umgekehrte Pumpe aus einem H + -Gradienten ATP aus ADP ABC-Transporter: ATP-binding Cassettes Dieses Carrier-Protein pumpt aktiv und gegen einen elektrochemischen Gradienten Na + aus und K + in die Zelle. Für jedes hydrolysierte ATP Molekül werden 3 Na + aus und 2 K + -Ionen in die Zelle gepumpt. Der spezifische Pumpeninhibitor Ouabain (Digitalis) und K + -Ionen kompetieren für die selbe Bindungsstelle auf der Außenseite der ATPase.

8 P-Typ Pumpen Charakteristika P-Typ: phosphoryliert, ATP abhängig Na/K ATPase: Lokalisiert an der Plasmamembran, bei polarisierten Zellen nur antiluminal (also basolateral) Aktiviert durch cytosolisches Na +, Transkription durch Schilddrüsenhormone und das Hormon Aldosteron, Sympathikus Ca ATPase: Lokalisiert am ER, SR Membran (Sarcoplasmatisches Retikulum) und Plasmamembran (nicht in quergestreifter Muskulatur) Aktiviert durch cytosolisches Ca ++, Phosphoryliert durch Proteinkinase A (Sympathikus) und Ca- Calmodulin H/K ATPase Belegzellen und Niere, luminal Aktiviert durch Proteinkinase C ABC Transporter 49 ABC Transporter in 7 Familien (ABCA bis ABCG); Beispiele: ABCA1: Cholesterin und Phospholipid Transport aus Zellen (Makrophagen) ABCB Familie: multidrug resistance (MDR) ATPase in Säugerzellen; abgebaute cytosolische Peptide in das ER zur Bindung an MHCI ABCB11: Gallensäuretransporter ABCC Familie: Multispezifische organische Anionen Transporter; ABCC7: Chlorid Kanal (cystic fibrosis transmembrane regulator protein) ABCC8: ATP abhängiger Kalium Kanal ABCD Familie: Peroxisomaler Import; ABCG Familie: Cholesterin (Leber), Xenobiotika und Sterol Efflux; 2006 Block 3 Phy 3 Nicht-Aktiver Transport Objectives I Zähle unterschiedliche passive Ionentransport-Mechanismen durch die Zellmembran auf und gibt die jeweils treibenden Kräfte an Definiere den Begriff Antiport Definiere den Begriff Symport Definiere den Begriff Ionenkanal Beschreibe wichtige Typen von nicht spannungsabhängigen Ionenkanälen Benenne Mechanismen, welche nichtspannungsabhängige Ionenkanäle öffnen

9 Objectives II Beschreibe die Funktion der wichtigsten Antiporte und Symporte (Co-Transporte) Beschreibe Transportmechanismen für Glucose und Aminosäuren durch die Membran Benenne hormonabhängige Glucosetransporter und deren Vorkommen Beschreibe in welchen Zellen Wasserkanäle vorkommen und wo sie lokalisiert sind Beschreibe die Bedeutung von Wasserkanälen für die Konzentrierung des Harns Schematische Darstellung von Transportmechanismen durch die Zellmembran Drei Typen von Uniportern. Elektrochemische Gradienten sind durch Dreiecke gekennnzeichnet Co-Transporte (Symporter): Gelbe Moleküle werden gegen einen Gradienten durch blaue Moleküle entlang ihres Gradienten transportiert Antiporter (Austauscher): Gelbe Moleküle entlang ihres Gradienten transportieren blaue (gegen einen Gradienten) in die andere Richtung Kanäle: Voltage gated channels, Ligand-induced, Stretch-activated (Ca) ATP-inhibited (K) Antiport (Austauscher): H + -Na + Tauscher Cl - -HCO 3- Tauscher (Erythrozyten, CO2 Transport, HCO 3- Rücktransport i.d. Niere, Volumensregulation) Na + -Ca ++ Tauscher (Herz) Symport: Na + -Cl - (Niere) Na + -K + -2Cl - (Niere, Speichel) Na + -PO4 - (Niere, Phosphatrücktransport) Na + -Glukose (Dünndarm, Niere) Na + -Aminosäuren (Dünndarm, Niere) Transportmechanismen Uniporte (Carrier) für Glukose, Aminosäuren: GLUT 1, 2, 4 Wasserkanäle: Aquaporine Kanäle Ionenkanäle: voltage-gated: Na +, K +, Ca ++ Liganden Neurotransmitter: Acetylcholine, Serotonin, Glutamat, GABA (gamma-amino butyric acid), Glycin Ca ++ -release Ionen ATP (blocking K + ) Rhyanodine-Ca ++ Stretch (K +, Ca ++ ) Wasserkanäle: Aquaporine Kanäle: Erregbare Gewebe: Gated channels, Viele Zellen: Ligand-induced, Stretch-activated (Ca) ATP-inhibited (K) Epithelien: ABC Chloridkanal

10 Gated Ionenkanal Treibende Kräfte für Ionentransporte durch Kanäle Konzentrationsgradient Elektrischer Gradient Wasserverschiebung durch einen osmotischen Gradienten Aquaporine: Unterschiedliche Sub-Typen von Aquaporinen ergeben unterschiedliche Wasserdurchlässig keiten verschiedener Zellen Aquaporin 2 an der luminalen Seite des distalen Tubulus und Sammelrohr- Epithels der Niere kann durch ADH (Antidiuretisches Hormon) über einen camp abhängigen Mechanismus in die Membran rekrutiert werden Uniporte Carrier vermittelter Transport Glucosetransporter GLUT: GLUT 2: genereller Glucosetransporter in vielen Zellen GLUT 4: Insulininduzierter Glucosetransporter in Muskel und Fett Zellen GLUT 5: Intestinaler Fruktosetransporter Aminosäuretransporter: Analoger Aufbau und Funktion

11 GLUT-1 Transporter Enzymkinetik von Carrier-Transporten Leonor Michaelis Maud Menten GLUT1: in der Erythrozyten-Membran; in Endothelzellen (Blutgefäßzellen) GLUT-2 Transporter GLUT2: auf der basolateralen Seite der Darm-Epithelzellen (dem Blut zugewandt) und auch in Nieren-Epithelzellen J. Schmid Symporte - Kotransporte 2Na + /Glucose Kotransport Na + -Cl - (Niere Rückresorption) Na + -K + -2Cl - (Niere Rückresorption, andere Epithelien Sekretion) Na + -PO4 - (Niere Phosphatrücktransport) Na + -Bicarbonat - (Belegzelle in Verdauungsruhe), inside-out prox tubulus Niere Na + -Glukose Na + -Aminosäuren Na + -organische Säuren

12 Antiporte Kationenaustauscher: H + -Na + Tauscher: alle Zellen zur Volumskontrolle, Epithelien Säuresekretion, Bicarbonatrückresorption, Wasserrückresorption im Colon und Gallenblase 3Na + -Ca ++ Tauscher (Herz), elektrogen, Na-K ATPase abhängig Anionenaustauscher: Cl - -HCO 3- Tauscher: alle Zellen Volumskontrolle, Erythrozyten: CO 2 Transport, Bicarbonatrückresorption in der Niere, Wasserrückresorption im Colon und Gallenblase Beispiel eines Antiports: Cl - /HCO 3- -Austauscher 2006 Block 3 Phy 4 & 5 Epitheliale Transporte Sekretion und Resorption Objectives I Beschreibe die Wasserresorption durch Epithelien Erkläre die Bedeutung der Lokalisation der Na + /K + -Pumpe für die epitheliale Wasserresorption Erkläre das Vorkommen von bulk flow bei der epithelialen Wasserresorption Erkläre die Bedeutung des onkotischen Druckes in der Kapillare für die epitheliale Wasserresorption

13 Objectives II Bringe Bespiele für die wichtigsten sezernierenden Typen von Epithelien Bringe Beispiele für HCO 3- sezernierende Epithelien Bringe Beispiele für H + sezernierende Epithelien Bringe Beispiele für NaCl sezernierende Epithelien Benenne unterschiedliche Typen von resorbierenden Epithelien Bringe Beispiele von resorbierenden Epithelien mit Na + -Co- Transportern Bringe Beispiele von resorbierenden Epithelien mit Na + /H + - Austauschern Objectives III Erkläre die Entstehung von Sekreten im Organismus Erkläre die Bedeutung von Cl - Transport für die Wassersekretion Erkläre die Bedeutung von Ionentransporten für andere Zelleigenschaften Erkläre die an der Aufrechterhaltung des Zellvolumens beteiligten Mechanismen Erkläre die Mechanismen, welche den ph-wert in der Zelle konstant halten Epitheliale Zellverbindungen Epithelien sind polarisierte Zellen und besitzen eine luminale (apikale) und eine antiluminale (basolaterale) Seite. Die beiden Seiten haben eine unterschiedliche Zusammensetzung hinsichtlich der Membrantransporter (Na + -K + -ATPase ist nur basolateral) Wasserresorption Natrium strömt luminal über Co-Transporte, Antiporte oder leackage Kanäle in die Zelle. Na/K ATPase wird antiluminal aktiviert Na wird in die Interspaces gepumpt Cl folgt dem elektrischen Gradienten nach in die Interspaces In den Interspaces steigt die Osmolarität Wasser strömt in die Interspaces Der hydrostatische Druck in den Interspaces steigt Die Interspaces entleeren sich Richtung Kapillare (besonders dann wenn der onkotische Druck dort hoch ist proximaler Tubulus Niere) aber auch Richtung Lumen Die Na/K ATPase ist bei gedehnten Interspaces weniger aktiv (Ödeme weniger Na Rückresorption)

14 Wassersekretion Sezernierende Epithelien Öffnen von Chloridkanälen luminal Eintritt von Chlorid antiluminal über Na-K-Cl Kotransporte oder Cl- Bicarbonataustauscher Zugehöriges Kation folgt parazellulär (Na) Wasser folgt osmotisch Bicarbonatsekretion: Brunner sche Drüsen (im Zwölffingerdarm, Duodenum), Pankreas und Gallenwege Säuresekretion: Belegzellen (Magenschleimhaut), Schaltstücke Niere Gallesekretion: Hepatozyten NaCl Sekretion: Speicheldrüsen, Schweißdrüsen, Darmsekret, Krypten Säuresekretion Bikarbonat-Sekretion Pankreas Beteiligte Transporter: Na/K-ATPase, Na/H-Antiport, Cl-Kanal, Cl/HCO3- Antiport

15 NaCl-Sekretion Speicheldrüse/Schweißdrüse Endstücke: Cl Sekretion; elektrogen Na + passiv; Wasser aus osmotischen Gründen Ausführungsgänge: Geringe NaCl Rückresorption (Speichel); in den Schweißdrüsen ist die Na + - Rückresorption Aldosteron abhängig und die Wasserpermeabilität eingeschränkt (hypotoner Schweiß) Resorbierende Epithelien Bicarbonatrückresorption: Niere proximal und distal NaCl Resorption (gekoppelte Na + /H + und Cl - /HCO 3- Austauscher): Dickdarm, Gallenblase, NaCl Resorption (NaCl Cotransport): distaler Tubulus Niere Na + -K + -Cl - Cotransport: Henle sche Schleife Aldosteronabhängige Na + Resorption: Niere distaler Tubulus und Sammelrohr, Colon, Schweißdrüsen Bikarbonat-Resorption Niere Na + -Rückresorption in der Niere Na + /HCO 3 - Nierenglomerulus (Filtration des Primärharns)

16 Andere Folgen von Ionentransporten Epitheliale Glucoseresoption CO 2 Transport im Erythrozyten, ph im Liquor (Gehirn- und Rückenmarkflüssigkeit) Carboanhydratase (CO 2 +H 2 O <->H + + HCO 3- ) Beeinflussung des Membranpotentials ATP abhängige Sekretion (Insulin; ATP abhängige K + - Kanäle, Depolarisation, Ca ++ -Einstrom) Verteilung von Kalium zwischen Intra- und Extrazellulärraum Generierung von transzellulären Flüssigkeiten (Liquor, Kammerwasser, Carboanhydratase) Ionentransporte durch die Erythrocytenmembran: Sauerstoffbindung an Hämoglobin höherer ph niedriger ph Kompartimentierung Anionenaustauscher J. Schmid

17 2005 Block 3 Phy 6 Intrazelluläre Signalübertragung Objectives Nenne die wichtigsten intrazellulären Signalübertragungswege Beschreibe die Möglichkeiten der Änderung von Proteinfunktionen Erkläre die Bedeutung des Begriffes Proteinkinase und nenne unterschiedliche Formen Erkläre die Bedeutung von GTPasen am Beispiel von Ras Beschreibe Auslösung und Folge von Signalen über Rezeptor Tyrosin Kinasen Benenne unterschiedliche Faktoren die über Tyrosinkinasen Signale übertragen Allgemeine Prinzipien der Zellkommunikation Botenstoffe Signalmoleküle Übersicht Ablauf eines Signalprozesses Synthese des Signalmoleküls Freisetzung des Signalmoleküls Transport zur Zielzelle Erkennung bzw. Bindung an Rezeptor Zelluläre Antwort Entfernung des Signalmoleküls Signalmolekülklassen Signale über membranständige Moleküle (Adhesion, Zell-Zell Kontakte) Proteine - Wachstumsfaktoren (EGF, FGF, VEGF, PDGF), Cytokine (Interleukine, TNF, TGF, Interferone) Peptide - Insulin, Glucagon, Gastrin Aminosäuren, -derivate - Histamin, Adrenalin, Neurotransmitter Eicosanoide - Prostaglandine, Thromboxane, Leukotriene Second messenger Ca2+, camp, cgmp, IP3, DAG, NO, CO

18 Formen interzellulärer Signalübertragung Synaptisch Endokrin Parakrin Autokrin Zell-Zell Kontakte Ligandenspezifität (Beispiele) Ein Ligand - unterschiedliche Reaktionen Acetylcholin Muskelkontraktion im quergestreiften Muskel Verlangsamung der Herztätigkeit Exocytose sekretorischer Vesikel in Drüsen Verschiedene Signalmoleküle - gleiche Wirkung Adrenalin und Glucagon Abbau von Glycogen in Leberzelle Freisetzung von Glucose ins Blut Erhöhung des Blutzuckerspiegels Signaldiversität Typen von Rezeptoren Molekulare Schalter Phosphorylation - Dephosphorylation Tyrosin-Proteinkinasen Serin/Threonin- Proteinkinasen Phosphatasen GTPasen Ubiquitin/SUMO

19 Aktivierte Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs) Ras Aktiverung: Ras ist ein wichtiger molekularer Schalter der z.b. über RTKs aktiviert wird Ras ist ein Mitglied der Familie der kleinen G-Proteine Ras selbst hat verschiedene downstream Zielproteine, z.b. MAP-Kinasen (Mitogen-Aktivierte Protein Kinasen) Signalübertragung von Wachstumsfaktoren: EGF, VEGF, FGF, IGF, Insulinrezeptor, PDGF, NGF, M-CSF Aktivierung von MAP Kinasen (Mitogen-Aktivierten Protein Kinasen) 2006 Block 3 Phy 7 Intrazelluläre Signalübertragung II G-Protein gekoppelter Rezeptor

20 Objectives I Beschreibe die Funktionsweise von G-Protein gekoppelten Rezeptoren Benenne unterschiedliche Subtypen der herterotrimeren G-Proteine Beschreibe die wichtigsten Folgen der Aktivierung von G-Protein gekoppelten Rezeptoren Beschreibe Auslösung und Folge von camp Signalen Beschreibe Möglichkeiten der Regulation der Adenylatzyklase Nenne Beispiele für Krankheiten oder Symptome bei welchen das camp System beteiligt ist Nenne Hormone und Neurotransmitter die über camp wirken Objectives II Beschreibe Auslösung und Folge von Ca ++ Signalen Beschreibe Neurotransmitter die über Ca ++ Signale wirken Beschreibe die Kontraktionsauslösung im glatten Muskel Beschreibe Mechanismen über welche die Ca ++ Konzentration im Cytosol niedrig gehalten wird Verstärkungskaskade G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR) Membranproteine mit 7 Transmembran- Regionen. Liganden: meist kleine hydrophile Botenstoffe (binden zwischen den Helices). Intrazelluläre Bindungspartner: trimere G-Proteine (binden an C3, C2-Schleifen und C- Terminus). Funktionen: Glucose- Metabolismus (durch Adrenalin etc. geregelt), schnelle Signalübertragungen (Muskelkontraktion, Herzfrequenz.. J. Schmid

21 Signalübertragung über G-Proteine I beta-subunit Ligand (z.b. Hormon) GPCR (Rezeptor) alphasubunit GDP bzw. GTP liegen in einer Tasche zwischen den einzelnen Einheiten des trimeren G-Proteins. Bindung an den Rezeptor (GPCR) induziert die Dissoziation von GDP und die Bindung von GTP (das in der Zelle in höherer Konzentration vorliegt). Diese Bindung induziert eíne deutliche Strukturänderung und die Dissoziation der α-kette von Gβγ GTPasen als Schaltproteine 1. trimere G-Proteine binden an G-Protein gekoppelte Rezeptoren und übertragen das Signal an Effektorproteine (z.b. Adenylatzyklasen) blau: α cyan: β grün: γ gelb: GDP 2. Kleine GTPasen (Ras-ähnlich) 6 Familien: Ras, Rho, Rab, Ran, ARF und RGK: aktive Form: GTP-gebunden, inaktive: GDP GEF: guanine nucleotide exchange factors: tauschen GDP gegen GTP GAP: GTPase Aktivierende Proteine GDP/GTP J. Schmid J. Schmid Aktivierung der Adenylatcyclase Targets von G-Protein gekoppelten Rezeptoren und beteiligte G-Protein Komponenten Adenylatcyclase alpha-s (stimuliert; z.b. β-rezeptoren des Sympathicus) alpha-i (inhibitorisch; hemmt; z.b. α2-rezeptoren des Sympathicus) Phospholipase C alpha-q (IP3 und Ca ++ Freisetzung, DAG in der Membran und PKC Aktivierung; z.b. α1-rezeptoren des Sympathicus) Phosphodiesterase alpha-t (Abbau von cgmp, Sehvorgang) Rho-Aktivierung alpha-12 (z.b. Stressfaser Bildung) K-Kanäle Beta/gamma (von alpha-i; M2-Rezeptor für Acetylcholin am Herzen)

22 camp aktiviert Protein Kinase A (PKA) > induziert Genexpression PKA reguliert auch cytosolische Effektoren Inositol-Phospholipid vermittelte Signaltransduktion Sekundäre Botenstoffe: Phosphatidylinosit-Derivate cytosol. Seite der Zytoplasma- Membran Membranständige PI-Kinasen bilden die PI-Derivate PIP und PIP 2, Spaltung von PIP 2 durch das Signalenzym Phopholipase C (PLC) führt zur Bildung der second messenger IP 3 (Inositol 1,4,5-Triphosphat) und DAG (Diacylgyzerin) J. Schmid

23 Calciumfreisetzung und Entfernung aus dem Cytosol Calcium Signale Calcium bindet an Calcium-bindende Proteine : Calmodulin, Aktin-Myosin Filamente u.a. Calcium Calmodulin induziert Kinaseaktivität (z.b. MLCK, myosin light chain kinase) Calcium bindet calcium abhängige Proteine (z.b. PKC, Protein Kinase C) an negative Phospholipide der Membran (PS, Phosphatidylserin, oder DAG, Diacylglyzerin) 2006 Block 3 Phy 8 Intrazelluläre Signalübertragung III ELAM ICAM VACM TF inos COX-2 PAI-1 IL-1 IL-6 IL-8 IAP s Gene Transcription Ankyrin G1 cyclinsrepeats Proliferation LDL O - RadicalsTNF IL-1 Amyloid AGE LPS beta RAGE TNF-R Il-1-R Apoptosis CD14 IkB NFkB CRE P E GC Ubiquitin NO Sap Objectives Nenne wichtige Reaktionsmuster welche über Zytokine und Zytokinrezeptoren vermittelt werden Beschreibe die Mechanismen der Aktivierung des Nukleären Faktors kappa B (NF-κB) Beschreibe zelluläre Vorgänge bei der Entzündung Beschreibe die Funktion von TOLL Like Rezeptoren

24 Entzündung Symptome der Entzündung Entzündung stellt eine wichtige Antwort des Organismus auf exogene und endogene schädigende Reize dar Entzündungsmechanismen sind für die klassischen Symptome der Entzündung verantwortlich aber auch an der Elimination der Noxe und an der Immunantwort beteiligt Das Netzwerk der Entzündung wird durch Cytokine aufgebaut, die zwischen den beteiligten Zellen die Kommunikation ermöglichen Ein wichtiger genereller intrazellulärer Signalweg bei der Entzündung ist der nukleäre Faktor kappa B (NF-kappa B) Toll Like Receptor Der NF-kappa B Signalweg Eine Reihe von Toll Like Rezeptoren interagiert mit Bakterien und anderen Erregern und aktiviert Zellen über den NFκB Signalweg Der NFκB Signalweg ist der zentrale Signalweg bei der Aktivierung von Zellen bei der Entzündung

25 NFκB Aktivierung Phosphorylierung des Inhibitors IκB (Inhibitor von kappa B) über Signalkinasen führt zu dessen Ubiquitinylierung und Abbau. Der Transkriptionsfaktor NF-κB wird dadurch freigesetzt und kann an entsprechende Promoterregionen binden Der zentrale Entzündungsmediator NFκB und einige seiner Zielgene Inflammatory stimuli Il-1 LPS Il-1-R CD14 TLR4 TNF O - Radicals Amyloid AGE beta TNF-R RAGE P ubiquitinilation degradation LDL IκB NFκB Inflammatory response IAPs Gene Transcription Il-6 Il-1 Il-8 ELAM MCP-1 VCAM ICAM Pg TF NO Apoptosis COX2 inos Objectives I 2006 Block 3 Phy 9 & 10 Zell-Zell, Zell-Matrix Interaktionen, extrazelluläre Matrix Benenne die Typen von Zell-Zell und Zell- Matrixkontakten und deren Bedeutung für die Zellfunktion Beschreibe Vorkommen, Aufbau und Funktion von Gap-Junctions Beschreibe Vorkommen, Aufbau und Funktion von Tight-Junctions Beschreibe Vorkommen, Aufbau und Funktion von Adherent-Junctions Zähle unterschiedliche Zelladhäsionsmoleküle auf Beschreibe den Unterschied zwischen Zell-Zell und Zell-Matrix Kontakten

26 Objectives II Benenne Komponenten der extrazellulären Matrix und deren Bedeutung für die Zellfunktion Erkläre die Funktionen der extrazellulären Matrix Benenne unterschiedliche Komponenten der Extrazellulärmatrix Beschreibe den Unterschied der extrazellulären Matrix im lockeren Bindegewebe und in der Basalmembran Objectives III Beschreibe die Funktion von Cadherinen, Selektinen und von Integrinen Beschreibe die Funktion von Integrinen Beschreibe die Funktion von Cadherinen Erkläre die Beteiligung von Selektinen an Zell-Zell Kontakten Cytoskelett Mikrofilamente: Aktin/Myosin: G-F Aktin, Myosin-Formen Aktin assoziierte Proteine Funktion: Kontraktion quergestreifter Muskel Kontraktion glatter Muskel Nicht-Muskel Aktin: Mikrovilli, Lamellipodia, Filopodia, Migration Zell-Zell und Zell-Matrix Kontake Mikrotubuli Tubulin/Motorproteine (Kinesin, Dynein) Tubulin assoziierte Proteine Funktion: Vesikel und Organellentransport, Axonaler Transport Spindelapparat Intermediärfilamente Zytokeratine Neurofilamente Vimentin, Desmin Lamine (Kern) Funktion: Mechanische Stabilität, Fixierung der Organellen und des Kerns in der Zelle Zell-Zell Kontakte (Desmosomen) und Zell-Matrixkontakte (Hemidesmosomen) Zell-Zell und Zell-Matrix Kontakte Zell-Zell Kontakte Gap junctions (Zell-Zell Kommunikation) Tight junctions (Ausbildung des Interspace und Barriere für Zellmembran Lateraldiffusion) Adhesion belt (Cadherine, Microfilamente) Desmosomen (Cadherin Familie, Intermediärfilamente) Transiente Zell-Zell Kontakte (Interaktion) Endothel-Leukocyten Interaktion (Selektine)

27 Zelladhäsionsmoleküle - allgemein (Cell Adhesion Molecules, CAM s) Zell-Zell und Zell-Matrix Kontakte Zell-Matrix Kontakte Hemidesmosomen (Integrine, Intermediärfilamente) Focal Adhaesion (Integrine, Microfilamente) Extrazelluläre Matrix Kollagene: Typ I-III, Bindegewebe Typ IV, Basalmembran Spezifische Kollagene (Linse, Knorpel, Knochen etc.) Hyaluronsäure, Glukosaminoglykane, Perlecan Laminin Fibronektin Vitronektin Elastin Fibronektin... lösliche Multiadhäsionsproteine in der extrazellulären Matrix, die an Integrine binden und der Anheftung von Zellen an Kollagenfibrillen (Typ I, II, III und V), sowie Fibrin (Bestandteil der Blutgerinnsel) dienen. Fibronectine sind Dimere; jede Kette besteht aus etwa 2500 Aminosäuren. Durch alternatives Spleißen existieren viele Variationen. Fibronectine haben auch eine wichtige Funktion bei der Wanderung und Differenzierung von Zellen.... Integrin-bindende RGD-Schleife...

28 Proteoglykane... sind stark glykosylierte Proteine mit einem Polypeptide-Kern, der von zahlreichen Glykanen umgeben ist. Die Zuckerreste sind hauptsächlich Glykosaminoglykane (GAG s) und Uronsäuren, häufig mit Sulfatresten. Dadurch entsteht eine stark negative Ladung und Hydrophilität. Proteoglykane sind sowohl an Zelloberflächen (z.b. Syndecan), als auch in der Extrazellulären Matrix, wo sie z.b. Bestandteil der Knorpelmasse sind (als Aggrecan). Proteoglykane in der extrazellulären Matrix In Knorpeln oder ähnlichen Strukturen sind Proteoglykan-Monomere (aus dem Polypeptidkern und vielen Oligosaccharidketten) über Hyaluronsäure (einem langen Oligosaccharid aus Glucuronsäure und N-Acetylglykosaminresten) miteinander vernetzt. Proteoglykan-Monomer Hyaluoronsäure n bis zu Proteoglykane an der Zelloberfläche Proteoglykane als Bindungsstellen von Wachstumsfaktoren Bei Zelloberflächen- Proteoglykanen weist der Polypeptid-Kern eine Transmembranregion auf, sowie eine zytosolische Domäne, die meist mit dem Zytoskelett (Aktinfilamenten) oder Signalmolekülen wie Protein Kinase C (PKC) interagieren kann. Der stark glykosylierte Extrazellulärteil bindet meist an Komponenten der extrazellulären Matrix. Proteoglykane (extrazelluläre oder membranständige) können auch meist Wachstumsfaktoren (wie etwa FGF, fibroblast growth factor, oder TGFβ, transforming growth factor-β) binden. Bei manchen Faktoren ist diese Bindung nötig, damit der Faktor auf dem korrespondierenden Rezeptor ein Signal induzieren kann ( Präsentation des Wachstumsfaktors ). Außerdem stellen die gebundenen Faktoren einen Vorrat an Wachstumsfaktoren dar, weil sie in der gebunden Form nicht so rasch abgebaut werden.

29 Signale durch Zellkontakte Cadherine: Entwicklung, Wachstumskontrolle und spezifische Proteinexpression (Wnt-Pathway) Selektine: Temporäre Kontakte zwischen Blut- und Endothelzellen Integrine: Focal adhesion kinase und Integrin linked kinase : Proliferation und Antiapoptose, Anoikis Migration: Umschaltung von beta-1 (Matrix-spezifisch) auf beta-3/5 Integrine (Matrix-unspezifisch) Inside-out und Outside-in signaling 2006 Block 3 Phy 11 & 12 Migration, Apoptose, Nekrose Objectives I Erkläre die Begriffe Apoptose und Anoikis und beschreibe wichtige Mechanismen bei diesen Vorgängen Erkläre den Unterschied zwischen dem extrinsischen und dem intrinsischen Weg der Apoptose Beschreibe die Apoptoseauslösung durch T-Zellen und NK-Zellen Objectives II Erkläre die Unterschiede zwischen Apoptose und Nekrose Beschreibe die Vorgänge bei der Zellmigration und auslösende Faktoren Benenne Prozesse, bei welchen Zellmigration von Bedeutung ist

30 Apoptose und Nekrose Apoptose - Anoikis Apoptose: Liganden oder Cytokin induziert induziert durch Zell-Schäden (DNA Schädigung, Mitochondrien-Schäden) Kontaktverlust (Anoikis) Anti-Apoptose: Apoptose-Inhibitor Proteine (Bcl, A20, IAP) Wachtumsfaktoren Integrin-Bindung an die geeignete Matrix Entzündung (NF kappa B) Apoptose Extrinsischer Weg: Bindung von Death Receptors (DR) Liganden (TNF Superfamilie) an DR an der Zellmembran Death Domain enthaltende Rezeptoren: TNFR1 (TNF Rezeptor 1); CD95 (Fas); DR3-DR6 Apoptose über Aktivierung von Caspasen 8 Caspase 8 über BID inaktiviert BCL2 und führt damit zum Cytochrom C Escape aus den Mitochondrien und Caspase 9 Aktvierung Zell Survival über NFκB Apoptose Intrinsischer Weg: Schädigung der Mitochondrien (BCL2), Freisetzung von Cytochrom c und Aktivierung von Caspase 9 Caspase 9 aktiviert Procaspase 3 und Caspase 3 führt zum Abbau von Cytoskelettproteinen und zur Inaktivierung von ICAD, dem Inhibitor der Caspase aktivierten DNAse CAD führt zum Abbau der DNA (Nucleosomen-Fragmente)

31 Extrinsischer Weg: Aktivierung von Caspase 8 (Initiator Caspase) durch Liganden von DR wie Fas oder TNFR1 über Adapter Proteine > Caspase 3 (Effektor Caspase) Aktivierung; ICAD Hemmung > CAD-Aktivierung Apoptose Signalwege Perforin/Granzym induzierter Zelltod durch zytotoxische T Zellen und NK Zellen Intrinsischer Pathway: Permeabilisierung der Mitochondrienmembran > Freisetzung von Cytochrom C > Caspase 9 Aktiverung über APAF (apoptotic protease activating factor) > Caspase 3 Aktivierung; ICAD Aktivierung Survival Pathways: Akt über BAD- BCL2 und Caspase9 Inaktivierung; Caspase-Hemmung über IAPs (Inhibitors of Apoptosis, nicht abgebildet). Migration Zellbewegung Chemotaktische Faktoren (bakterielle formyl-peptide, Chemokine, Wachstumsfaktoren) Leading edge: Integrine Focal Adhesions, Proteolytische Aktivität (Plasminogenaktivatoren, Matrix-Metalloproteasen, Inhibitoren) Tailing edge: Lösen der Integrinkontake, Aufnahme in Endosomen und Recycling Bildung und Lösung von polymerem Aktin Chemokinese (Veränderung der Aktivität in Abhängigkeit einer Substanz) vs. Chemotaxis (Bewegung in Richtung eines Konzentrationsgradienten einer Substanz) Myosin II-Band Aktin-Front (enthält auch Myosin I)

32 Verschiedene Signalwege beeinflussen das Aktin-System Kommunikation über Adhäsionsmoleküle Beispiel: Leukozytenbindung und Transmigration P-Selectin auf der Endothelzell-Membran, das durch die Aktivierung der Endothelzellen (EC) exprimiert wurde, bindet an Glykane an der Oberfläche von Leukozyten und es kommt zur losen Assoziation ( leukocyte rolling ), die Bindung wird durch PAF (platelet activating factor auf EC) und PAF-Rezeptor (auf den Leukozyten) verstärkt und durch Interaktion von Integrinen der Leukozyten mit ICAM-1 auf den EC kommt es zur festen Bindung, sowie zur Transmigration Kommunikation durch Chemotaxis Bakterielle Moleküle (wie z.b. bestimmte Peptide: formyl-met-leu-phe) wirken als chemische Lockstoffe für Leukozyten, binden an spezifische Rezeptoren und induzieren eine gerichtete Zellbewegung (über Lamellipodien und Aktinfilamente) in Richtung des chemischen Gradienten Block 3 Phy 13 Pipette mit Chemoattractant neutrophiler Granulozyt Bakterien neutrophiler Granulozyt Lipidmediatoren, Gase, Peptide und biogene Amine, freie Radikale

33 Objectives I Benenne unterschiedliche Gruppen von lokalen Mediatoren Erkläre die Entstehung von Lipidmediatoren und deren Wirkungen Benenne Endprodukte des Cyclooxygenase- Weges Benenne Endprodukte des Lipooxygenase-Weges Erkläre die Wirkung des Aspirins Objectives II Erkläre die Entstehung und Wirkung von Gasen als Mediatoren Beschreibe die Bedeutung von NO für die Durchblutungsregulation Beschreibe die Bedeutung von NO für die gastrointestinale Regulation Beschreibe die Bedeutung von NO für die Sexualfunktion Benenne typische lokale Peptidmediatoren und biogene Amine sowie deren Generierung und Wirkungen Erkläre die Herkunft und Bedeutung von Histamin Erkläre die Entstehung und Wirkungen von freien Radikalen Lipidmediatoren Arachidonsäure und EPEA (Eicosapentaenoic Acid) Metabolite Cyclooxigenase (COX1 und COX2): katalysiert die Synthese von Prostaglandinen durch Ringschluss von Arachidonsäure (über Zwischenstufen) Prostaglandine (E2, I2, F2α) Thromboxane (TxA2) Lipoxigenase (LOX) katalysiert die Synthese von: Leukotriene (LTA4, LTB4) Others (Epoxigenase, P450) Omega 3 vs Omega 6 Fettsäure (die Zahl bezieht sich auf die Position der Doppelbindung vom Ende des Moleküls aus gezählt) > Omega 3-FS: z.b. Eicosapentaensäure: Vorstufen von Eicosanoiden; Omega-6-FS, z.b. Arachidonsäure > Prostaglandine Phospholipidmetabolite PAF (Platelet Activating Factor), LPA (Lyso-Phosphatidylic Acid), lyso-pc (Lyso-Phosphatidylcholin) Eicosapentaensäure und Arachidonsäure EPEA (Eicosapentaenoic Acid): Arachidonsäure: J. Schmid

34 Glucocorticoide induzieren Lipocortin, das die PLA2 (Phospholipase A2) hemmt Antiinflammatorische Wirkung der Glucocorticoide Synthese von Eicosanoiden Acetylsalicylsäure (Aspirin) hemmt die Cyclooxigenase Hemmung der Prostaglandin und Thromboxansynthese COX-1 konstitutiv vorhanden COX-2 bei Entzündung induziert NSAID (Non-steroidal antiinflammatory drugs, z.b. ASA, acetylsalicylic acid = Aspirin) hemmen COX-1 und COX-2; spezifische COX-2 Inhibitoren (Coxibs) Biologische Aktivität von Eikosanoiden Bindung an spezifische G-protein gekoppelte Rezeptoren PGE2: PGF2a: (Prostaglandin E2): Epithelien, Fibroblasten, Makrophagen Muskeltonus (Relaxation), Hemmung von Entzündungszellen, Wundheilung Hemmt Säuresekretion im Magen, Aktivierung der Nebenzellen zur Sekretion eines Bicarbonat-reichen Sekretes, Wirkung im Zentralnervensystem: Fieber, Schlaf, Hemmung des Hungerzentrums Viele Zellen Kontraktion der glatten Muskulatur, Stimulation der Uteruskontraktion PGI2 (Prostazyklin): Endothelzellen hemmt Plättchenaggregation (camp), relaxiert glatte Muskulatur Entstehung bei Entzündung Thromboxan A2: in Plättchen gebildet Kontraktion der glatten Muskulatur (Ca++), Plättchenaggregation, Leukotriene: steigern Durchlässigkeit der Gefäße, Kontraktion der glatten Muskulatur, Bronchien, Coronargefäße, aktivieren Granulozyten Gasförmige Mediatoren Signalübertragung durch NO NO versch. NOS (NO Synthase) Formen: enos, nnos, inos NO Wirkungen: Aktivierung der cytosolischen Guanylatcyclase (ein Häm-Enzym) CO CO Bildung, beim Hämabbau über Hämoxigenase (HO-1, induziert; HO-2, konstitutiv) CO Wirkungen, ähnlich dem NO (Aktivierung der Guanylatcyclase), aber stabiler als NO daher längere Wirkung

35 NO relaxiert glatte Muskulatur Scherkräfte (shear stress) des Blutstroms (oder verschiedene Botenstoffe) aktivieren über unterschiedliche Signalwege (unter Beteiligung von Calcium) in den Endothelzellen das Enzym enos (endotheliale NO Synthase). Das dadurch gebildete NO aktiviert in den angrenzenden Zellen der glatten Muskulatur das Enzym Guanylatzyklase (GC). Dies führt zur Relaxation (>Gefäßerweiterung) über zyklisches Guanosin-Monophosphat (cgmp). Gleichzeitig werden Apoptose-induzierende Enzyme (Caspasen) gehemmt. nnos (neuronale NO Synthase) wird in neuronalen Geweben durch Ca ++ Signale induziert und bewirkt die lokale Durchblutungssteigerung in aktiven Hirnarealen. nnos bewirkt auch die Gefäßerweiterung im Schwellkörpergewebe. Das relaxierende cgmp wird durch Phosphodiesterasen wieder gespalten (inaktiviert). Deshalb bewirken spezifische Inhibitoren der cgmp Phosphodiesterase eine Erektionsverstärkung (Viagra). Im Intestinaltrakt ist NO für die Regulation der Darmperistaltik wichtig. Bildung von NO durch unterschiedliche NO - Synthasen (NOS) enos - endotheliale NOS nnos -neuronale NOS inos - induzierbare NOS - hält einen relaxierten Zustand der Blutgefäße aufrecht - hemmt Thrombozyten und Leukozyten Adhäsion ans Endothel - unterdrückt die Proliferation von glatten Muskelzellen der Blutgefäße Regulation der Muskelkontraktion (Blase, Sphinkter Relaxation), vielfältige Funktionen Abwehr von Protozoa, Bakterien, Pilzen, Viren Erhöhte Spiegel im septischen Schock, Entzündung, Arthritis, Asthma, Gehirn- Traumen CO-Entstehung aus Häm Peptide und biogene Amine Häm-Oxygenase Fe 2+ Biliverdin Reductase Häm Biliverdin Bilirubin MAP-Kinases + CO 2 nd messenger + Guanylatcyclase GTP cgmp 2 nd messenger Ähnliche Effekte wie NO Peptide: Substanz P: Schmerz, Axonreflex VIP (Vasoactive Intestinal Peptide): Durchblutungsregulation und Cl-Sekretion besonders im Darm Somatostatin: Genereller Inhibitor (Endokrine Zellen z.b. Insulin, Wachstumshormon; Gastrointestinale Hormone: Gastrin) Calcitonin: hemmender Neurotransmitter, Hemmung auch im Gastrointestinaltrakt Viele Neurotransmitter (z.b. NPY, Neuropeptide Y) Biogene Amine Histamin, Mastzellen, Allergische Reaktion (H1-Rezeptoren), Stimulierung der Säuresekretion (H2-Rezeptoren), Neurotransmitter Serotonin, Neurtransmitter, Thrombocytengranula

36 Freisetzung von: Präformierten Mediatoren: Histamin, Heparin (Polysaccharid aus Glukosaminen und Glukuronsäuren), Proteolytischen Enzymen, chemotaktische Faktoren etc. Neugebildete Mediatoren: Leukotriene oder Prostaglandine, PAF (platelet activating factor) Mastzelle Aminosäure Histidin Histamin Entstehung von Freien Radikalen Radikal: ungepaartes Elektron in der Außenhülle: z.b. OH oder O 2 - Reactive Oxygen Species (ROS): entstehen bei vielen Enzymreaktionen wo Redox Reaktionen involviert sind: in der Atmungskette bei Entzündungen Wesentlicher Mechanismus bei Abwehr gegen Bakterien (host defense). Entstehung bei der Wiederversorgung hypoxischer Gewebe mit Sauerstoff (Reperfusion) Beteiligte Enzyme: NADPH-oxidase Myeloperoxidase Xanthin-oxidase Host defense durch Bildung von ROS (Reactive Oxygen Species )