In diesem Video gucken wir uns die Funktion von sekundären Messengern, gebräuchlich ist der englische Fachterminus Second Messenger, an, und zwar am Beispiel der Bildung des sekundären Messengers C-AMP. Und auch der Frage, welche Rolle das sogenannte G-Protein bei diesem Prozess spielt, werden wir nachgehen. Betten wir dieses Thema kurz mal in einen übergeordneten Kontext ein, um überhaupt zu verstehen, worum es geht.
Alle Organismen verarbeiten Informationen aus ihrer Umwelt in Form von Reizen. Ganz konkret nimmt euer Auge beispielsweise Licht als physikalischen Reiz auf, während ihr dieses Video schaut. Ihr nehmt das von mir Gesprochene als Information auf.
Verarbeitet vielleicht einen Geruch aus eurer Umgebung. Die Informationen können aus der Umgebung eines Organismus stammen, sie können aber auch auf zellulärer Ebene verarbeitet werden. Eine Information kann von einer Zelle des Herzens auf die benachbarte Zelle übertragen werden. Durch diese Signalübertragung und Kommunikation zwischen tausenden von Muskelzellen kann die rhythmische Kontraktion des Herzens koordiniert werden, also das Schlagen des Herzens.
Nur weil es ein Signal gibt, heißt es noch lange nicht, dass eine Zelle darauf reagiert. So reagieren wir Menschen beispielsweise weder auf das Magnetfeld der Erde, wie viele Vögel es tun, noch auf Ultraschall wie Fledermäuse, weil wir beide Sinne nicht wahrnehmen können. Damit eine Zelle auf ein Signal reagieren kann, benötigt sie ein spezifisches Rezeptorprotein, welches das Signal aufnimmt.
Ist die Informationsaufnahme erfolgt in Form der Bindung eines Signalmoleküls, zum Beispiel eines Hormons oder einem Neurotransmitter, an seinen Rezeptor, sind es meist eine Reihe molekularer Ereignisse, die in Gang gesetzt werden. und schließlich zu einer Reaktion der Zelle auf ein Signal führen, ein Prozess, der auch als Signaltransduktion bezeichnet wird. Die Signaltransduktion kann entweder direkt erfolgen, wenn das Signalmolekül als primärer Messenger, als erster Bote, durch die Bindung an seinen spezifischen Rezeptor direkt zur Reaktion führt, oder sie erfolgt indirekt über einen Second Messenger, einem zweiten Boten. Der weitere Schritte der Signaltransduktion initiiert.
Es handelt sich dabei um ein kleines Molekül, das nach der Bindung des ersten Messengers, des Signalmoleküls oder Liganten an dessen spezifischen Rezeptor, weitere Schritte der Signaltransduktion in Gang setzt. Ein solcher, weit verbreiteter und an einer Vielzahl von Signaltransduktionswegen beteiligter sekundärer Messenger ist zyklisches Adenosinmonophosphat, oder auch kurz CAMP. Schauen wir uns den molekularen Vorgang nun genauer an und nehmen exemplarisch an, die zu verarbeitende Information wäre ein bestimmter Geruch. Das Duftmolekül, der primäre Bote, bindet an der Außenseite der Membran an seinen spezifischen Rezeptor. Häufig sind die Rezeptoren mit G-Proteinen gekoppelt.
Wie ihr wahrscheinlich wisst, ändern die meisten Rezeptoren infolge der Bindung ihre Konformation. Die Konformationsänderung bewirkt, dass die Alpha-Unter-Einheit des G-Proteins aktiviert wird und vom G-Protein dissoziiert, sich von diesem also löst. Dabei tauscht die Alpha-Unter-Einheit ihr zuvor gebundenes GDP, Guanosin-Diphosphat, gegen GTP, Molekül Guanosin, jetzt mit drei Phosphatgruppen anstatt vorher nur mit zwei, aus.
Die Bindung der aktivierten Alpha-Unter-Einheit an ein Effektorprotein, der Adenylatzyklase, führt wiederum dazu, dass diese in ihrer aktivierten Form übergeht. Die nun aktivierte Adenylazyklase katalysiert wiederum die Bildung des sekundären Messengers C-AMP aus ATP, in dem sich zwei Phosphatgruppen vom Molekül abspalten. Zyklisches AMP kann nun zwei Wege einschlagen. Entweder öffnet es Ionenkanäle oder es aktiviert eine Proteinkinase.
Durch die Bindung an eine Proteinkinase im Zytoplasma aktiviert das CAMP wiederum die katalytische Funktion der Kinase. In den meisten Fällen folgt eine Proteinkinasenkaskade, also wiederum eine Reihe von chemischen Reaktionen, die zu den letztendlichen Effekten in der Zelle führt. Bei Sinneszellen, so wie in unserem Beispiel mit dem Geruchssinn, bindet CAMP an Ionenkanäle und öffnet sie dadurch.
Die Folge ist der Einstrom von Natrium- und Calcium-Ionen in die Sinneszelle, wodurch sich die Ionenkonzentration innerhalb der Zelle verändern. Klar, denn dort befinden sich durch den Einstrom jetzt mehr Ca2-Plus- und Na-Plus-Ionen. Durch die Veränderung der Ionenkonzentration wird ein Signal an eine spezifische Hirnregion geschickt, wo die Information schließlich verarbeitet wird in Form einer Geruchswahrnehmung.
Die genauen molekularen Vorgänge, die geschehen, wenn Ca2+, und Na+, in die Zelle strömen, sind für das grundsätzliche Verständnis des Videos zum Thema Second Messenger nicht unbedingt relevant. Interessierte können sich an dieser Stelle gern mein Video zur Erregungsweiterleitung an der Synapse angucken. Was letztendlich entscheidend ist.
Auch wenn die molekularen Vorgänge der indirekten Signaltransduktion durch sekundäre Messenger so kompliziert erscheinen und sich manch einer an dieser Stelle zurechtfragen könnte, warum die Signaltransduktion nicht einfach direkt mithilfe eines primären Messengers erfolgt, bietet der Weg der Signalübertragung mit dem Second Messenger vielfältige Vorteile. Erstens die Fähigkeit zur Signalverstärkung. Ein Rezeptormolekül das durch die Bindung an ein Signalmolekül aktiviert wird, kann die Aktivierung einer Vielzahl von Adenylacyklase-Enzymen bewirken.
Auf diese Weise findet bei jedem Schritt der Signaltransduktion eine Verstärkung des Signals statt, da jedes aktivierte Protein eine große Anzahl nachgeschalteter Proteine aktivieren kann. Zweitens, die Vielzahl der Schritte gewährleistet, dass der Vorgang sehr spezifisch ist. Und drittens, Neben der Verstärkung eines Signals kann es auch verteilt werden, um so in der Zielzelle verschiedene Reaktionen hervorzurufen.
Unterschiedliche Zielproteine erlauben also in den einzelnen Schritten der Signaltransduktion vielfältige Reaktionen. Nehmt das Beispiel, dass CAMP sowohl Proteinkinasen aktivieren kann oder aber über die Öffnung von Ionenkanälen einen ganz anderen Effekt bewirken kann. Auch wenn CAMP bei vielen Signaltransduktionswegen als Second Messenger wirksam ist, es können auch andere Second Messenger wie zum Beispiel Calcium-Ionen, ja sogar Gase wie zum Beispiel Stickstoffmonoxid, das vielen von euch als giftigen Bestandteil verschmutzter Luft bekannt ist, als zweiter Bote bei der Signalübertragung mitwirken. In einer Klausuraufgabe würdet ihr also einen solchen, anderen Signaltransduktionsweg mit anderen Stoffen erläutern müssen, und Rezeptormolekül, Ligand und Second Messenger ausfindig machen.
Es empfiehlt sich, den Signalweg von Stickstoffmonoxid anzuschauen, der infolge einer Reihe von Ereignissen zur letztendlichen Zielreaktion führt, dass sich die glatten Muskelzellen des Herzens entspannen und sich dadurch Blutgefäße erweitern. Ihr könnt euch leicht vorstellen, welch große Bedeutung Stickstoffmonoxid in der medizinischen Forschung zur Behandlung von Herzkrankheiten beigemessen werden kann. Nitroglycerin, besser bekannt als Bestandteil von Sprengstoff, wird als Herzmittelmedikament genutzt, weil Nitroglycerin Stickstoffmonoxid freisetzt, das die angesprochene Erweiterung der Blutgefäße bewirkt und damit den Blutfluss erhöht.
Auch das Medikament Sildenafil wurde entwickelt, um über den Signalweg des Stickstoffmonoxid als Second Messenger eine ungenügende Durchblutung der Herzkranzgefäße zu behandeln. Zwar fungierte auch hier Stickstoffmonoxid als zweiter Bote, die schlussendliche Zielreaktion fand jedoch an der glatten Muskulatur statt, welche die Arterien im Schwellkörper des Penis umgeben. Infolge der Entspannung der Muskulatur füllen sich die Gefäße im Penis mit Blut und es kommt zur Erektion. Eine Wirkung, über die viele Männer berichteten, die dieses Medikament einnahmen. Heute ist das Medikament besser bekannt als Viagra.
Bei Bedarf werde ich diesen Signal dran zu. Transduktionsweg in einem weiteren Video erläutern und auch wie Viagra diesen Signalweg beeinflusst. Auch deshalb nicht uninteressant für euch, weil die Erläuterungen dieser Zusammenhänge von euch einen erhöhten Anforderungsbereich erfordern. Es lässt sich zusammenfassen.
Nachdem ein Signalmolekül an seinen Rezeptor gebunden hat, aktiviert es ein G-Protein, das an diesem Rezeptor gebunden vorliegt. Dadurch kommt es zur sogenannten G-Protein-gekoppelten Signaltransduktion. also zu einer Vielzahl an molekularen Ereignissen und chemischen Reaktionen. Über eine solche Kaskade kann ein ursprüngliches Signal entweder verstärkt als auch verteilt werden, um verschiedene Reaktionen zu bewirken. Dabei kann ein Rezeptor einen Signaltransduktionsweg direkt aktivieren, häufig dient jedoch ein sekundärer Messenger dazu, das Signal zu verstärken und den Signalweg indirekt zu aktivieren.