6.3 Phospholipide und Signaltransduktion Allgemeines Bei der Signaltransduktion, das heißt der Weiterleitung von Signalen über die Zellmembran in das Innere der Zelle, denkt man zuerst einmal vor allem an die Proteine in und an der Membran. Es hat sich aber herausgestellt, dass die Membranlipide auch ihren Anteil daran haben. Zum einen schaffen sie eine spezielle Umgebung, in der die Rezeptoren und andere membranständige Proteine optimal arbeiten können. Hierbei sind die Lipid-Rafts zu nennen, die Sphingolipide und Cholesterin stark angereichert enthalten. In ihnen sind Rezeptoren für Wachstumsfaktoren und G-Protein gekoppelte Rezeptoren nicht nur angereichert, sondern sie benötigen diese Umgebung auch für eine optimale Aktivität. Zum anderen sind Phospholipide auch direkt an der Signaltransduktion beteiligt, da sie selbst in Signalmoleküle und second messenger umgewandelt werden. Hierbei spielen Phosphatidylinositol und Sphingomyelin eine große Rolle. Ersteres ist im cytosolischen Blatt der Plasmamembran, während letzteres hauptsächlich auf der extrazellulären Seite angereichert ist. Signalkaskaden ausgehend vom Phosphatidylinositol Kinasen können schrittweise Phosphatgruppen von ATP auf die Hydroxylgruppen an den Positionen 5 und 4 des Inositolringes übertragen. Hierdurch entsteht Phosphatidylinositol-4,5- biphosphat (PIP 2 ), welches nur knapp 10 % der Phosphatidylinositol-Lipide und nur knapp 1 % der gesamten Lipide des inneren Membranblattes ausmacht aber das Hauptsubstrat für zwei Signalwege darstellt. Es kann durch die Phosphoinositol-3-Kinase (PI3K) noch weiter phosphoryliert oder durch die Phopholipase C gespalten werden. Es gibt verschiedene Isoformen beider Enzyme mit unterschiedlichen regulatorischen Domänen, die dadurch auf verschiedene Signale antworten können. Die PI3K wird an die Plasmamembran rekrutiert, wenn Hormonrezeptoren (zum Beispiel für Wachstumshormone und auch Insulin) mit Tyrosinkinaseaktivität sich selbst und auch Adapterproteine phosphorylieren und die PI3K an diese Tyrosinphosphate bindet. Von hier - 1 -
aus wird PIP 2 zu PIP 3 phosphoryliert. Eine Reihe Enzyme haben eine PH-Domäne, die direkt an PIP 3 bindet. Sie werden so an die Plasmamembran gebracht und aktiviert. Darunter ist zum Beispiel die Akt-Kinase (Proteinkinase B), die über eine Kaskade von Proteinmodifikationen die Proliferation stimuliert und die Apoptose hemmt. Spezielle Phosphatasen können das Phosphat am 3 -OH wieder abspalten und das Signal so ausschalten. Sie werden zum Teil in einem Feedback-Loop durch das Signal selbst aktiviert. Die Phospholipase C wird durch das trimere G-Protein G q aktiviert, das analog den Elongationsfaktoren am Ribosom in einer GDP- und einer GTP-Form vorkommen kann. Die letztere aktive Form wird an einem mit dem entsprechenden Hormon (zum Beispiel Adrenalin an α 1 - Rezeptoren oder viele Neurotransmitter) beladenen Rezeptor durch Austausch des gebundenen GDP gegen GTP hergestellt. Die für die GTP-Bindung verantwortliche α-untereinheit von G q dissoziiert von βγ ab und lagert sich an die Phospholipase C. Diese spaltet dann PIP 2, wobei Ca 2+, das für die Reaktion der Phospholipase benötigt wird, mit den negativ geladenen Phosphatgruppen am Inositol im aktiven Zentrum des Enzyms wechselwirkt. Beide Spaltprodukte von PIP 2 dienen als second messenger: Inositol- 1,4,5 Triphosphat (IP 3 ) Diacylglycerin (DAG) IP 3 aktiviert Ca 2+ -Kanäle im endoplasmatischen Retikulum. Im ER gespeicherte Calciumionen werden in das Cytosol abgegeben. Die Erhöhung der Ca 2+ -Konzentration wird in allen Zellen als Signal interpretiert. Es gibt dafür Sensorproteine wie das Calmodulin, die durch die Bindung an Ca 2+ in ihrer Struktur so verändert werden, dass sie andere Proteine binden und so aktivieren oder hemmen können. - 2 -
Das Abschalten des Ca 2+ -Signals erfolgt durch die Entfernung von Ca 2+ aus dem Cytosol durch Ca 2+ -ATPasen. In diesem speziellen Signalweg spielen die Calciumionen noch eine weitere Rolle. Zusammen mit Ca 2+ aktiviert das Diacylglycerin die Proteinkinase C, die verschiedene zelluläre Proteine phosphoryliert und damit die Aktivitäten dieser Proteine verändert. Die schrittweise Dephosphorylierung von IP 3 durch enzymkatalysierte Hydrolyse generiert Inositol und inaktiviert so diesen second messenger. Die Rolle von IP 3 in der innerzellulären Signaltransduktion: 1. Ein Ligand bindet an einen membranständigen Rezeptor an der Zelloberfläche, dieses Signal wird von dem trimeren G-Protein wahrgenommen. 2. Das G-Protein tauscht GDP gegen GTP aus und wandelt sich von der inaktiven in die aktive Form um. Hierbei dissoziieren die βγ-untereinheiten von der α-untereinheit ab. 3. Die aktive α-untereinheit stimuliert die Phospholipase C. Die Phospholipase C katalysiert die Spaltung von PIP 2 in IP 3 und Diacylglycerin (DAG). 4. Das wasserlösliche IP 3 stimuliert die Freisetzung von Ca 2+ Ionen, die im endoplasmatischen Retikulum gespeichert sind. 5. Die Ca 2+ -Ionen binden an Calmodulin, das wiederum vielfache zelluläre Prozesse stimuliert. 6. Das unpolare DAG verbleibt in der Membran und stimuliert die Proteinkinase C, die Proteine phosphoryliert und damit deren Aktivität moduliert. - 3 -
IP 3 kann aber auch von spezifischen Kinasen zu IP 4, IP 5 oder IP 6 phosphoryliert werden. Auch diese Moleküle haben Signalfunktion. Beispielsweise stimuliert IP 4 (Inositol-1,3,4,5- tetraphosphat) in einigen Zellen den weiteren Calciumeinstrom durch die Aktivierung der Calciumkanäle der Plasmamembran. Sphingolipid Signalkaskaden Während die oben beschriebenen Signalwege schon länger bekannt und sehr gut untersucht sind, steht die Erforschung der Sphingolipide als Signalgeber erst am Anfang. Es ist aber schon eindeutig gezeigt, dass vor allem das Ceramid als Abbauprodukt des Sphingomyelins als second messenger dient, der wie das DAG in der Membran verbleibt. Das abgespaltene Phosphorylcholin hat keine Signalwirkung. Ceramid spielt vor allem in Stressantworten der Zelle, die zur Apoptose führen, eine Rolle und ist dort an der Ausbildung morphologischer Änderungen wie der Blasenbildung an der Plasmamembran verantwortlich. Bei der Bildung des second messengers Ceramid muss man zwei Wege unterscheiden. Zum einen kann eine Sphingomyelinase an die Außenseite der Plasmamembran transportiert werden, wo sich ca. 90 % des Sphingomyelins befinden. Das dort generierte Ceramid wechselwirkt mit Transmembranrezeptoren und aktiviert diese. Zum anderen bewirkt eine Spaltung des Sphingomyelins an der inneren Membranseite die Rekrutierung und Aktivierung zum Beispiel einer Proteinphosphatase, die der Phosphorylierung von Proteinen entgegenarbeitet. Signalmoleküle, die aus Sphingomyelin gebildet werden können. Aus dem Ceramid können weitere Signalmoleküle gebildet werden. So führt die Abspaltung der Fettsäure durch die Ceramidase zu Sphingosin, das Zellwachstum und Differenzierung stimuliert. Die Sphingosinkinase kann daraus das Sphingosin-1-phosphat generieren. Dieses wird vor allem mit Differenzierung und Migration von Zellen in Verbindung gebracht. Hier ist auch nachgewiesen, dass Sphingosin-1-phosphat extrazellulär auf G-Protein gekoppelte - 4 -
Rezeptoren wirkt, während es intrazellulär direkt als second messenger wirken soll. Sphingosin und Sphingosin-1-phosphat sind auch nicht mehr strikt membranständig, was eine Wirkung auf cytosolische Proteine erleichtert. Grundlegende Literatur: Löffler, Basiswissen Biochemie, 7. Auflage S. 119-124, 327-331 Löffler Petrides Heinrich, Biochemie & Pathobiochemie, 8. Auflage S. 35-38, 571-572, 783, 788-789 Rassow Hauser Netzker Deutzmann, Biochemie, 3. Auflage S. 541-545, 559-560 Themen, die im Vortrag angesprochen werden sollten: Phosphatidylinositol und Sphingolipide Phosphatidylinositol 3-Kinase Signalweg PH-Domäne Proteinkinase B Phospholipase C Signalweg Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat Trimere G-Proteine IP 3 DAG Proteinkinase C Ca 2+ Sphingolipid Signalwege Ceramid Sphingosin Sphingosin-1-phosphat - 5 -