Second-Messenger-Systeme

Second Messenger sind kleine intrazelluläre Moleküle, die an der Zelloberfläche empfangene Signale weiterleiten und verstärken, indem sie die Rezeptoraktivierung in eine weitreichende chemische Veränderung innerhalb der Zelle umwandeln.

Definition

Ein Second Messenger ist ein kleines intrazelluläres Signalmolekül, dessen Konzentration als Reaktion auf die Rezeptoraktivierung ansteigt und das das Signal durch Aktivierung nachgeschalteter Effektoren weiterleitet; Second-Messenger-Systeme sind die darauf aufgebauten Signalwege.

Scope

Dieses Thema behandelt die wichtigsten Second Messenger – cyclisches AMP und cyclisches GMP, Calciumionen und die Produkte der Phosphoinositid-Hydrolyse – deren Generierung und Entfernung sowie die nachgeschalteten Enzyme, wie Proteinkinasen, die sie aktivieren, und veranschaulicht dabei die Signalverstärkung und -integration.

Core questions

• Wie wird cyclisches AMP produziert und was aktiviert es?
• Warum sind Calciumionen effektive Second Messenger?
• Wie erzeugt die Phosphoinositid-Hydrolyse gleichzeitig zwei Botenstoffe?
• Wie werden die Second-Messenger-Spiegel transient gehalten?

Key theories

Cyclisches AMP als Second Messenger

Sutherland zeigte, dass die Hormonbindung das intrazelluläre cyclische AMP erhöht, das nachgeschaltete Kinasen aktiviert, wodurch das Paradigma etabliert wurde, dass ein Oberflächensignal durch ein diffundierbares kleines Molekül weitergeleitet wird.

Phosphoinositid-Signalübertragung

Berridge und Irvine zeigten, dass die Hydrolyse eines Membranphospholipids Inositoltrisphosphat und Diacylglycerol liefert, zwei Botenstoffe, die Calcium freisetzen und die Proteinkinase C aktivieren, wodurch ein Signal in zwei Arme verzweigt wird.

Mechanisms

Die Adenylylcyclase wandelt ATP in cyclisches AMP um, das die Proteinkinase A aktiviert; Phosphodiesterasen bauen cyclisches AMP ab, um das Signal zu beenden. Die Phospholipase C spaltet ein Membran-Phosphoinositid in Inositoltrisphosphat, das Calciumkanäle öffnet, und Diacylglycerol, das die Proteinkinase C aktiviert. Calcium selbst wirkt über Bindungsproteine wie Calmodulin. In jedem System wird die Generierung durch eine schnelle Entfernung ausgeglichen, sodass die Botenstoffspiegel dem eingehenden Signal folgen.

Clinical relevance

Die Chemie der Second Messenger veranschaulicht die Verstärkung und Verzweigung in molekularen Netzwerken und ist grundlegend für die chemische Biologie. Die Darstellung ist deskriptiv und nicht präskriptiv.

History

Sutherlands Entdeckung des cyclischen AMP eröffnete das Feld; der Phosphoinositid-Signalweg wurde in den 1980er Jahren von Berridge, Irvine und anderen aufgeklärt, und Nishizukas Identifizierung der Proteinkinase C verknüpfte Diacylglycerol mit der nachgeschalteten Phosphorylierung.

Key figures

• Earl Sutherland
• Michael Berridge
• Yasutomi Nishizuka

Seminal works

• sutherland1972
• berridge1984
• nelson2021

Frequently asked questions

Warum sind Second Messenger nützlich?

Sie ermöglichen es einem Signal, das an der Zelloberfläche wirkt, sich schnell in der gesamten Zelle auszubreiten und verstärkt zu werden, da ein aktiviertes Enzym viele Botenmoleküle erzeugen kann, die jeweils weitere Effektoren aktivieren.

Wie dient Calcium als Signal, wenn es immer vorhanden ist?

Zellen halten das zytosolische Calcium im Ruhezustand sehr niedrig, sodass ein regulierter Anstieg ein scharfes, transientes Signal erzeugt, das Bindungsproteine erkennen, wonach Pumpen den niedrigen Ruhezustand wiederherstellen.