VL Hormone I Michael Altmann

Institut für Biochemie und MolekularbiologieVL Hormone IMichael AltmannFS 20111

Einteilung extrazellulärer Signalmoleküle Vorlesung: Hormone I 1. Glanduläre Hormone werden in endokrinen Drüsen produziert, zB. in der Schilddrüse oder in der Hypophyse. Siewerden eingeteilt in hydrophile und hydrophobe Hormone.Hydrophile Hormone binden an Transmembranrezeptoren. Zu dieser Kategorie gehören Adrenalin und Noradrenalin,desweiteren endokrine Peptid- und Proteohormone. Zur Kategorie der hydrophoben Hormone gehörenSteroidhormone, die Schilddrüsenhormon T3 und T4, Vit. D3 und Vit. A-Derivate. 2. Aglanduläre Hormone oder Gewebshormone werden von verstreuten Zellen in den unterschiedlichsten Gewebenproduziert. Einige Gewebshormone gelangen auch über die Blutbahn an das Zielgewebe, andere wirken para- oderautokrin. Beispiele für Gewebshormone sind Serotonin und Histamin (biogene Amine) oder gastrointestinaleHormone (für weitere Bsp., siehe L&P, Tab. 27.1). 3. Zytokine sind ohne Ausnahme Peptidhormone, die von den verschiedensten Zellen produziert und sezerniert werden,sie wirken meistens parakrin. Sie beeinflussen meist Wachstum, Proliferation und Differenzierung der Zielzellen. Alshydrophile Stoffe binden sie an Transmembranrezeptoren und lösen Signaltransduktionsketten aus. Die Unterscheidung zwischen Gewebshormonen und Zytokinen ist nicht immer einfach.Einteilung der Zytokine nach Funktion (Auswahl) Wachstumsfaktoren (Proliferation, Differenzierung) z.B. Wachstumshormon (GH), Insulin-like-growthfactor (IGF), Erythropoietin (EPO) Interleukine (Immunabwehr, Entzündung) z.B. IL-1, 2, 3, 4, 6, 7, 9 Interferone (Virusabwehr, Proliferationshemmung)) Chemokine (Migration, Chemotaxis) z.B. α, β, χInterferon, IL-10 z.B. IL-8 2

1. Insulin Hormone der schnellen Stoffwechselregulation Wege des Insulins im Körper - Insulin ist ein wichtiges anaboles Hormon, dass beiÜberfluss an Glucose (aber auch an anderen Nährstoffenwie Aminosäuren) von den beta-Zellen derLangerhans‘schen Inseln im Pankreas ausgeschüttetwird und ins Blut abgegeben wird. -Nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit gelangt diedurch Darmzellen aufgenommene Glucose via Pfortaderzur Leber. Dort wird ein guter Teil verarbeitet (zB. zurGlycogen-Synthese), ein Glucose-Überschuss gelangt inden Pankreas. - In den beta-Zellen der Langerhans‘schen Inseln wirdInsulin hergestellt und in Sekretgranula gespeichert (inden alpha-Zellen wird Glucagon, in den delta-zellenSomatostatin gespeichert). Bei Glucoseüberschusskommt es zur Insulin-Ausschüttung. Insulin gelangtüber die Pfortader direkt zur Leber, wo etwa 50% anRezeptoren an der Membran von Hepatocyten binden.Das restliche Insulin gelangt an die peripheren Organe(vor allem Knochenmuskeln und Fettzellen), wo es anmembranständige Rezeptoren bindet.3

1. Insulin Hormone der schnellen Stoffwechselregulation Biosynthese von Insulin -Insulin ist ein Peptidhormon aus 51 Aminosäuren bestehend,das bei allen Tierarten vorkommt. Auch wenn es aus 2Peptidketten (A und B) besteht, die via S-S-Brücken kovalentmiteinader gekoppelt sind, wird es aus einem einzigeneinkettigen Vorläufermolekül (1 Gen) synthetisiert. -Nach Prozessierung des primären Transkriptes im Zellkern,wird im Cytoplasma das Präpro-Insulin von Ribosomentranslatiert und simultan in das ER exportiert wird. -Die Präsequenz dient als Signal für das Einschleussen derPeptidkette in das Lumen des ERs. Dort wird sie von einerProtease entfernt. Das Proinsulin, das bereits die kovalenten S-S-Brücken des fertigen Insulins aufweisst, wandert in denGolgi-Apparat. Dort (und zT. auch in den nachgelagertenSpeichergranulas) wird mit Hilfe einer spezifischenProhormon-Convertase das C-Peptid abgespalten, das beiAusschüttung des Insulins auch an das Blut abgegeben wird. Das C-Peptid ist physiologisch inaktiv, kann aber zurBestimmung vom körpereigenen Insulin (bei Diabetes II-Patienten, denen Insulin gespritzt wird) herangezogen werden. 4

1. Insulin Mechanismus der durch Glucose induziertenInsulinsekretion in beta-Zellen -Überschüssige Glucose wird von den beta-Zellenaufgenommen und wird durch Glykolyse, Citratzyklus undoxydative Phosphorylierung verstoffwechselt. Dies führt zueiner Steigerung des ATP/ADP-Quotienten. -Ein ATP-abhängiger K + -Kanal schliesst sich, was zu einerDepolarisierung im Zellinneren führt. Dies wiederum führt zurÖffnung eines spannungsabhängigen Ca 2+ -Kanals(Aussenkonz. 2.5 mM) und zum vorübergehenden Anstieg derCa 2+ -Konzentration. -Die erhöhte Ca 2+ -Konzentration in der Zelle führt in einerkomplexen Reaktion (nicht gezeigt) zum Verschmelzen derSpeichergranula mit der Aussenmembran und zur Exocytosevon Insulin und C-Peptid. 5

1. Insulin Intrazelluläre Insulin-Signalübertragung -Insulin gelangt durch das Blut an die Leber oder an die Peripherie, bindet dort an den membranständigen Insulin-Rezeptor. Mit Ausnahmevon Erythrozyten, Nieren und Darmmukosa sprechen die meisten Gewebe auf Insulin an. Der Rezeptor besteht aus zwei alpha- und zweibeta-Ketten, die durch S-S-Brücken miteinader verbunden sind. Das Insulin bindet an die beiden alpha-Ketten des Rezeptors, die nicht inder Membran integriert und im äusseren Teil der Membran lokalisiert sind. Im cytoplasmatischen Teil der beta-Ketten befinden sichTyrosin-Reste, die aufgrund von Konformationsänderungen des Rezeptors nach Bindung des Insulins autophosphoryliert (beide Kettengegenseitig) werden. Durch die autokatalytische Phosphorylierung wird die Bindung von intrazellulären Substraten wie IRS1,2,4 an denRezeptor ermöglicht, die wiederum an Tyrosinresten phosphoryliert werden. Je nach Zelltypus werden dadurch unterschiedlicheSignalkaskaden ausgelöst. -PI3K bindet wiederum an Phosphotyrosinresten der Insulinrezeptorsubstrate und verwandelt PIP2 in PI-(3,4,5)P3, das wiederum diebeiden Proteinkinasen PDK und PKB aktiviert, die wiederum gewebespezifisch (siehe nächste Seite) die GLUT-4 Translokation auslösen.Weitere Enzyme wie GSK3 (Glykogensynthase-kinase3) und PFK2 (Phosphofructokinase2) werden aktiviert, die Glycogen-Synthese undGlykolyse stimulieren. In Leber und Skelettmuskel aktiviert diese Signaltransduktionskette auch die cAMP-spezifischePhosphodieesterase-3B, wodurch der cAMP-Spiegel gesenkt wird.-Regulation der Genexpression: Als weiteres Substrat von phosphoryliertem IRS dient das Protein GRB2/SOS, das Ras aktiviert und somitdie MAPK-Kaskade auslöst. 6

1. Insulin Biologische Wirkungen des Insulins -Besonders ins Gewicht fällt die Wirkung des Insulins aufMuskulatur, Fettgewebe und Leber. Insulin fördert die anabolen(aufbauenden) Stoffwechselvorgänge wie Fettsäuresynthese undLipogenese (Leber und Fettgewebe), Glykogen-Synthese (Leberund Muskel), aber auch Proteinsynthese und die dazu erforderlicheGlykolyse zur ATP-Gewinnung (Leber und Muskel). -Die bekannteste Wirkung von Insulin ist die gesteigerte Aufnahmevon Glucose in Muskel- und Fettzellen (GLUT-4; siehe unten). -Die Leber verfügt nicht über ein insulinabhängig induzierbaresGlucose-Transportsystem. Sie besitzt allerdings denGlucosetransporter GLUT-2, der einen sehr hohen Km-Wert fürdie Glucose-Aufnahme besitzt und somit auch eine gesteigerteAufnahmegeschwindigkeit von Glucose bei sehr hohenKonzentrationen ermöglicht (dieser Vorgang wird auch als Teil des„Glucose-Sensors“ bezeichnet). GLUT-2 findet sich auch in derMembran der beta-Zellen des Pankreas. 7

1. Insulin Molekulare Wirkungen des Insulins -Die molekularen Stoffwechselwirkungen von Insulin sind jenach Zielgewebe sehr vielfältig. Man unterscheidet vor allemschnelle und langsame Wirkungen (für weitere Details, sieheL&P Tab. 29.2). -Bei Aktivierung durch Insulin findet in den Plasmamembranenvon Fett- und Muskelzellen eine vermehrte Einlagerung vonGLUT-4 statt, wodurch eine vermehrte Glucose-Aufnahmeermöglicht wird (Steigerung von Vmax bei konst. Km).GLUT-4 liegt bereits in Abwesenheit von Insulin synthetisiertin Vesikeln im Zellinneren vor, sodass eine schnelleMobilisierung durch Einlagerung in die Membran stattfindenkann. -Weitere schnelle Wirkungen des Insulins: •Aktivierung der cAMP-spezifischen Phosphodiesterase ->cAMP sinkt; •Aktivierung der Glycogen-Synthese; •Steigerung des Aminosäuretransportes in Muskelzellen; •Induktion der Lipoprotein-Lipase (siehe weiter unten). -Langsame Wirkungen: Gesteigerte Expression der Enzyme derGlycolyse, Hemmung der Expression der Gene derGluconeogenese. 8

2. Glukagon Glucagon (griech. „der Glucosebringer“) -Hauptfunktion des Glucagons ist es, auch zwischen denMahlzeiten für einen ausreichenden Blutglucosespiegel zusorgen (etwa 5 mM oder 80-120 mg/dl), es ist ein Antagonistdes Insulins. -Für diese Aufgabe ist vornehmlich die Leber zuständig(Glykogenspeicher), entsprechend befinden sich dieRezeptoren für Glucagon auch an der Membran derHepatocyten. -Glucagon besteht aus einer einzigen Kette von 29Aminosäuren. Es wird in den alpha-Zellen derLangerhans‘schen Inseln des Pankreas synthetisiert.-Wie alle Peptidhormone wird auch Glucagon alsVorläuferpeptid „Präpro-Glukagon“ synthetisiert undanschliessend in Granula gespeichert, bis es bei Abfall derGlucosekonzentration in das Blut sekretiert wird. 9

2. Glukagon Signalweiterleitung über den Glucagonrezeptor -Der Glucagon-Rezeptor ist ein transmembranäres Protein, das vor allem in den Membranen von Leberzellen anzutreffen ist. BeiAktivierung durch Glucagon wird sowohl ein intrazelluläres G-Protein (Gs) aktiviert, das die Adenylatcyclase wie auch ein G-Protein(Gq), das die PhospholipaseC aktiviert. -Dies führt zur Aktivierung der ProteinkinaseA über erhöhten cAMP-Spiegel und zur Erhöhung der intrazellulären Ca 2+ -Konzentration.Weitere Signale werden ausgelöst, die im Hepatocyten sowohl den Glycogen-Abbau (Glykogen-Phosphorylase) wie auch dieGluconeogenese (Fructose-1,6-Biphosphatase) induzieren. -Wenn der Körper Hunger hat und Energie braucht, wird Glucagon ausgeschüttet. Am Fettgewebe von Nagern ist Glucagon im Stande,die Adenylatcyclase zu aktivieren und somit lipolytisch zu wirken. 10

3. Adrenalin Wege des Adrenalins im Körper -Adrenalin ist das wichtigste Stresshormon, das bei Alarmbereitschaftaber auch bei körperlicher Arbeit ausgeschüttet wird. Bei einigenSpezies wird vornehmlich die Vorstufe Noradrenalin produziert undausgeschüttet. Adrenalin und Noradrenalin werden als Katecholaminebezeichnet. -Der Sekretionsreiz für Adrenalin ist eine Ausschüttung präganglionärerNeurone (nervale Reize; vor allem durch Acetylcholin vermittelt), dievom ZNS (über das Rückenmark) an das Nebennierenmarkweitergeleitet werden. -Die arterielle Versorgung der NN erfolgt über drei grössere Arterien.Kapillaren schlängeln sich von der Nebenniere-Rinde zum Mark undbilden dort ein Geflecht aus Sinusoiden. So kann das in der NN-Rindeproduzierte Cortisol einen unmittelbaren Einfluss auf die adrenalin-produzierenden Zellen ausüben.-Neben Adrenalin wird auch Noradrenalin (Vorstufe) in Sekretgranulagespeichert und sekretiert.11

3. Adrenalin Biosynthese der Catecholamine -Die Enzyme finden sich sowohl in den adrenergen postganglionärenNervenendigungen wie auch in den Zellen des NN-Marks. -Katecholamine sind Derivate der Aminosäuren Phenylalanin undTyrosin.-Zusammengefasst kann man den Syntheseweg als das Ergebnis von 3Hydroxylierungen (Phenylalanin -> Tyrosin; Tyrosin -> Dopa; Dopamin-> Noradrenalin), einer Decarboxylierung (Dopa -> Dopamin) und einerMethylierung (Noradrenalin -> Adrenalin) ansehen. •Die 3 Hydroxylierungsreaktionen werden von sog. Monooxygenasenkatalysiert, die NADPH und O 2 als Kosubstrate brauchen. •Die aromatische L-Aminosäure-Decarboxylase zeigt eine breiteSpezifität für aromatische Aminosäuren. Sie ist auch an der Syntheseanderer biogener Amine wie zB. Histamin und Serotonin beteiligt. •Für die N-Methylierung von Noradrenalin zu Adrenalin wird SAM (S-Adenosylmethionin) als Methyl-Donor gebraucht. -Abbau: Vor allem in der Leber mittels Methylierung (Catecol-O-Methyltransferase) und oxydativer Desaminierung(Monoaminooxidase / MAO). Es gibt zwei MAO-Isoenzyme: Typ A: kommt im ZNS vor, baut Noradrenalin ab; Typ B: findet man vornehmlich in der Leber und im Gehirn, baut zB.Dopamin ab. - MAO-Hemmstoffe finden Anwendung in der Psychiatrie oder auch beider Behandlung des Morbus-Parkinson. 12

3. Adrenalin Wirkungen des Adrenalins auf die Blutgefässe -Adrenalin ist ein hydrophiles Hormon und wirkt somit übermembranständige Rezeptoren. Adrenalin wirkt auf sehr verschiedeneOrgane und Zelltypen (siehe Abb.). -Man unterscheidet grundsätzlich alpha- und beta-Rezeptoren. Fürbeide Rezeptorenarten gibt es Subtypen: alpha1-, alpha2-, beta1-,beta2-, beta3-Rezeptoren. Die verschiedenen Rezeptoren befindensich in unterschiedlichen Zielgeweben.Rezeptor-Typus und intrazelluläres Signalmolekül alpha1-Rezeptor InsP 3 /DAG; Ca 2+ alpha2-Rezeptor cAMP-Senkung Wirkungen beta1/2/3- cAMP-Deren Wirkungsweise ist sehr unterschiedlich, sogar antagonistischRezeptor Steigerung wie im Fall des alpha1-Rezeptors (wirkt vasokonstriktorisch) und desbeta2-Rezeptors (wirkt vasodilatatorisch). •Herz (beta1-Rezeptor): frequenzsteigend, höhere Kontraktionskraft;Anwendung: beta-Blocker als kompetitive Inhibitoren. •Bronchialmuskulatur (beta2-Rezeptor): dilatatorisch (anti-asthmatisch.) •Blutgefässe: (alpha1-): vasokonstriktorisch (Haut; Darm); (beta2-Rezeptor): vasodilatatorisch (->stärkere Durchblutung; zB. Muskel). •Stoffwechselwirkungen: Fettgewebe -> Lypolyse; Leber und Muskel-> Glykogenabbau, in der Leber zusätzlich Gluconeogenese 13

3. Adrenalin Molekularer Mechanismus am Bsp. der Glycogen-Phosphorylase -Der aktivierte Adrenalin-Rezeptor (beta-Typus) aktiviert ein heterotrimäres G-Protein,cAMP steigt. -Proteinkinase A aktiviert indirekt (über eine Phosphorylase-Kinase) die Glycogen-Phosphorylase durch Phosphorylierung. 14

Insulin versus Adrenalin Metabolische Aktivitäten der Fettzelle -Insulin induziert die Biosynthese der Lipoproteinlipase undstimuliert die Glucoseaufnahme, was zur vermehrtenTriacylglycerin-Biosynthese führt. -Katecholamine (beim Menschen vor allem Adrenalin)steigern die cAMP-Konzentration und aktivieren dieProteinkinase A, die durch Phosphorylierung dieTriacylglycerin-Lipase aktiviert (deshalb auch der Namehormonsensitive Lipase).-Dadurch wird der Triacylglycerin-Abbau in Fettsäuren undGlycerin eingeleitet. -Insulin wirkt dem TG-Abbau entgegen, indem es diecAMP-Phosphodiesterase aktiviert und somit (indirekt) dieTG-Lipase inaktiviert. 15