Second Messenger

Signalwege sind komplexe Systeme, in denen ein einzelnes extrazelluläres Signal verschiedene intrazelluläre Prozesse auslösen kann, die wiederum weitere intrazelluläre Ereignisse modulieren. Unter dem Begriff "Second Messenger" wird eine vielfältige Gruppe kleiner Moleküle und Ionen zusammengefasst, die das extrazelluläre Signal, ausgelöst durch Ligandenbindung an einen Zelloberflächenrezeptor, in ein intrazelluläres Signal umwandeln und an intrazelluläre Effektorproteine weiterleiten. Im Ruhezustand sind in einer Zelle nur geringe Mengen an Second Messengern vorhanden. Die Konzentration kann jedoch schnell ansteigen, sobald ein Signal empfangen wurde. Im Zellinneren freigesetzt, binden Second Messenger an ihre Zielproteine und modulieren deren Eigenschaften (Aktivität, Lokalisation, Verfügbarkeit von Reaktionsstellen, Stabilität, etc.), wodurch die Homöostase der Zelle verändert und dadurch die ursprüngliche Information übermittelt wird.

Aktualisiert: 05.07.2023

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

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Überblick über Second Messenger

Second Messenger sind intrazelluläre Signalmoleküle, die von der Zelle als Reaktion auf First Messenger freigesetzt werden. First Messenger sind extrazelluläre Signalmoleküle.

  • First Messenger (Liganden):
  • Second-Messenger-Kategorien und ihre spezifischen Funktionen:
    • Zyklische Nukleotide und andere lösliche Moleküle: Signaltransduktion im Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett
      • Zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP)
      • Zyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP)
    • Lipidbotenstoffe: stammen aus den Zellmembranen
      • Diacylglycerin (DAG)
      • Inositoltriphosphat (IP3)
      • Phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphat (PIP3)
    • Ionen: Signalweiterleitung innerhalb und zwischen Zellkompartimenten
    • Gase und freie Radikale: Signalweiterleitung innerhalb der Zelle und an Nachbarzellen
      • NO
      • CO
      • Schwefelwasserstoff (H2S)
  • Second Messenger stimulieren verschiedene Prozesse:
    • Proliferation
    • Differenzierung
    • Migration
    • Überleben
    • Apoptose
Der Second-Messenger-Mechanismus

Allgemeines Schema des Second-Messenger-Mechanismus

Bild : „Second Messenger Mechanism“ von Lunska. Lizenz: Public Domain

Zyklische Nukleotide

Zyklisches Adenosinmonophosphat (Englisches Akronym: cAMP)

  • Allgemeine Eigenschaften:
    • Häufiger Second Messenger, der bei der Kampf-oder-Flucht-Reaktion sowie bei vielen anderen Stoffwechselwegen eine Rolle spielt
    • Synthese aus Adenosintriphosphat (ATP)
  • Synthese als Reaktion auf den First Messenger:
    • Bindung des First Messengers (z. B. Adrenalin) an extrazelluläre Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren
    • Intrazelluläre Aktivierung von G-Protein-Untereinheiten des Rezeptors
    • Aktivierung der Adenylylcyclase durch das G-Protein
    • Umwandlung von ATP in cAMP katalysiert durch die Adenylatcyclase
    • Anstieg des intrazellulären cAMP-Spiegels
  • Second-Messenger-Aktivität:
    • cAMP moduliert die Aktivität der Proteinkinase A (PKA).
    • Bindung von zwei cAMP-Moleküle an die PKA → Aktivierung
    • Phosphorylierung von Serin- oder Threoninresten an Zielproteinen durch die PKA
    • Die Phosphorylierung moduliert die Aktivität mehrerer Proteingruppen, insbesondere derjenigen, die den Stoffwechsel von Kohlenhydraten, Glykogen und Lipiden regulieren.
    • Die intrazelluläre cAMP-Konzentration bestimmt den Anteil von aktiver PKA und damit die Geschwindigkeit, mit der die Substrate phosphoryliert werden.
  • Beispiele:
    • Adrenalin-Signalweg:
      • Adrenalin bindet an den beta-adrenergen Rezeptor einer Muskelzelle.
      • G-Protein-Aktivierung → Erhöhung der cAMP-Konzentration
      • Aktivierung der PKA → Aktivierung der Glykogenphosphorylase
      • Erhöhter Glykogenabbau zur Energiebereitstellung im Rahmen der Kampf-oder-Flucht-Reaktion
    • Der Glucagon-Signalweg folgt einem ähnlichen Mechanismus.

Zyklisches Guanosinmonophosphat (Englisches Akronym: cGMP)

  • Synthese als Reaktion auf den First Messenger:
    • Aktivierung der Guanylylcyclase (GC) → Umwandlung von Guanosintriphosphat (GTP) in cGMP
    • GC-Aktivierung durch:
      • Bindung von hydrophilen Peptidhormonen an extrazelluläre Membranrezeptoren → Aktivierung der membranständigen GC
      • Diffusion von NO durch die Plasmamembran → Aktivierung der löslichen GC im Zytoplasma
  • Second-Messenger-Aktivität:
    • Aktivierung der cGMP-abhängigen Proteinkinase (PKG)
    • Phosphorylierung von Proteinen durch die PKG → Modulation von:
  • Beispiele:
    • cGMP vermittelt die Entspannung der glatten Muskulatur in den Blutgefäßen → Vasodilatation und erhöhter Blutfluss
    • cGMP-abhängige Natrium-Kanäle in Photorezeptorzellen im Auge → Kontrolle der Phototransduktion und der Bildübertragung zum Gehirn
Stickstoffmonoxid-Signalübertragung in glatten Muskelzellen über den cGMP-Signalweg

Stickstoffmonoxid-Signalübertragung in glatten Muskelzellen über den cGMP-Signalweg:
GMP: Guanosinmonophosphat
GTP: Guanosintriphosphat
PPi: anorganisches Pyrophosphat

Bild von Lecturio

Lipide

Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide der Plasmamembran, wie z. B. Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2), können modifiziert werden und fungieren als Second Messenger. Die Bindung von Signalmolekülen an Rezeptoren Rezeptoren Rezeptoren aktiviert lipidmodifizierende Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme. Dies führt zur Hydrolyse bestimmter Acylketten oder polarer Kopfgruppen an spezifischen Lipidgruppen, wodurch die Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide in Second Messenger umgewandelt werden.

Diacylglycerin und Inositoltriphosphat

  • Synthese als Reaktion auf den First Messenger:
    • Bindung von Liganden an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (z. B. Histamin) oder eine Rezeptor-Tyrosinkinase (z. B. Wachstumshormon) → Aktivierung der Phospholipase C (PLC)
    • PLC spaltet PIP2 → Synthese der beiden Second Messenger DAG und IP3
  • Second-Messenger-Aktivität:
    • IP3-Kaskade: Freisetzung von Ca2+ aus dem endoplasmatischen oder sarkoplasmatischen Retikulum → Muskelkontraktion oder Hormonfreisetzung (je nach Zelltyp)
    • DAG-Kaskade: Verwendung des durch IP3 freigesetzten Ca2+ zur Ca2+-abhängigen Aktivierung der Proteinkinase C (PKC) → Phosphorylierung verschiedener Proteine Proteine Proteine und Peptide
G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR)

Der G-Protein-gekoppelte Rezeptor (GPCR) aktiviert die Phospholipase C, die PIP2 in IP3 und DAG umwandelt. IP3 fördert die Freisetzung von Ca2+ aus intrazellulären Calciumspeichern.
GDP: Guanosindiphosphat
GTP: Guanosintriphosphat

Bild von Lecturio.

Phosphatidylinositol-3,4,5-triphosphat (PIP3)

  • Synthese als Reaktion auf den First Messenger:
    • Bindung des Wachstumsfaktors an Rezeptor-Tyrosinkinase
    • Aktivierung der Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K) durch die Tyrosinkinase
    • Phosphorylierung von PIP2 am 3′-Kohlenstoffatom zu PIP3
  • Second-Messenger-Aktivität:
    • Aktivierung der Proteinkinase B (AKT) im Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett
    • Nach der Aktivierung wandert die Proteinkinase B zur Plasmamembran, wo sie an einem komplexen Signalweg beteiligt ist, der das Überleben und Wachstum der Zellen fördert.

Ionen

  • Überblick:
    • Ionen und Ionengradienten haben komplexe Signalfunktionen innerhalb von Zellen (z. B. Weiterleitung von Aktionspotentialen und Aktivität als Kofaktoren).
    • Ca und Mg können auch als intrazelluläre Second Messenger wirken.
    • Freisetzung aus intrazellulären Speichern oder Import aus dem extrazellulären Raum in die Zelle
  • Ca:
    • Als Reaktion auf Signale wie IP3 können die intrazellulären Ca-Spiegel ansteigen und als Second Messenger wirken:
      • Direkte Bindung von Ca-Ionen an Proteine Proteine Proteine und Peptide und Beeinflussung derer Aktivität
      • Veränderungen der Gesamt-Ca-Konzentration aktivieren Kalziumsensorproteine mit nachgeschalteten Wirkungen
    • Strenge Kontrolle intrazellulärer Ca-Spiegel
      • Ionenpumpen und Kanäle ermöglichen die Calciumspeicherung im ER und den Transport aus der Zelle.
      • Das Pufferprotein Parvalbumin kann überschüssiges Kalzium Kalzium Elektrolyte binden.
    • Beendigung der Signalwirkung: Ionenpumpen und Kanäle senken die Calciumkonzentration durch Transport ins ER und aus der Zelle.
  • Mg:
    • Ähnliche Funktionsweise als Second Messenger wie Calcium
    • Antagonismus zur Ca-Signalaktivität (Mg reduziert den Calciumspiegel, indem es den Transport in das Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett hemmt)

Quellen

  1. Heldin, CH, Lu, B, Evans, R, & Gutkind, JS. (2016). Signals and receptors. Cold Spring Harb Perspect Biol. 8(4):a005900. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27037414/
  2. Sassone-Corsi, P. (2012). The cyclic AMP pathway. Cold Spring Harb Perspect Biol. 4(12):a011148. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23209152/
  3. Francis, SH, & Corbin, JD. (1999). Cyclic nucleotide-dependent protein kinases: Intracellular receptors for cAMP and cGMP action. Crit Rev Clin Lab Sci. 36(4), 275–328. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10486703/
  4. Tsui, MM, & York, JD. (2009). oles of inositol phosphates and inositol pyrophosphates in development, cell signaling, and nuclear processes. Adv Enzyme Regul. 50(1), 324–37. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/20006638/
  5. Cantley, LC. (2002). The phosphoinositide 3-kinase pathway. Science. 296(5573), 1655-7. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12040186/
  6. Berridge, MJ, Lipp, P, & Bootman, MD. (2000). The versatility and universality of calcium signaling. Nat Rev Mol Cell Biol. 1(1), 11–21. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11413485/
  7. Newton, AC, Bootman, MD, & Scott, JD. (2016). Second messengers. Perspectives in Biology. Abgerufen am 1. November 2021 von https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4968160/

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Simon Veiser

Simon Veiser beschäftigt sich seit 2010 nicht nur theoretisch mit IT Service Management und ITIL, sondern auch als leidenschaftlicher Berater und Trainer. In unterschiedlichsten Projekten definierte, implementierte und optimierte er erfolgreiche IT Service Management Systeme. Dabei unterstützte er das organisatorische Change Management als zentralen Erfolgsfaktor in IT-Projekten. Simon Veiser ist ausgebildeter Trainer (CompTIA CTT+) und absolvierte die Zertifizierungen zum ITIL v3 Expert und ITIL 4 Managing Professional.

Dr. Frank Stummer

Dr. Frank Stummer ist Gründer und CEO der Digital Forensics GmbH und seit vielen Jahren insbesondere im Bereich der forensischen Netzwerkverkehrsanalyse tätig. Er ist Mitgründer mehrerer Unternehmen im Hochtechnologiebereich, u.a. der ipoque GmbH und der Adyton Systems AG, die beide von einem Konzern akquiriert wurden, sowie der Rhebo GmbH, einem Unternehmen für IT-Sicherheit und Netzwerküberwachung im Bereich Industrie 4.0 und IoT. Zuvor arbeitete er als Unternehmensberater für internationale Großkonzerne. Frank Stummer studierte Betriebswirtschaft an der TU Bergakademie Freiberg und promovierte am Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung in Karlsruhe.

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Sobair Barak hat einen Masterabschluss in Wirtschaftsingenieurwesen absolviert und hat sich anschließend an der Harvard Business School weitergebildet. Heute ist er in einer Management-Position tätig und hat bereits diverse berufliche Auszeichnungen erhalten. Es ist seine persönliche Mission, in seinen Kursen besonders praxisrelevantes Wissen zu vermitteln, welches im täglichen Arbeits- und Geschäftsalltag von Nutzen ist.

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Wolfgang A. Erharter ist Managementtrainer, Organisationsberater, Musiker und Buchautor. Er begleitet seit über 15 Jahren Unternehmen, Führungskräfte und Start-ups. Daneben hält er Vorträge auf Kongressen und Vorlesungen in MBA-Programmen. 2012 ist sein Buch „Kreativität gibt es nicht“ erschienen, in dem er mit gängigen Mythen aufräumt und seine „Logik des Schaffens“ darlegt. Seine Vorträge gestaltet er musikalisch mit seiner Geige.

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Holger Wöltje ist Diplom-Ingenieur (BA) für Informationstechnik und mehrfacher Bestseller-Autor. Seit 1996 hat er über 15.800 Anwendern in Seminaren und Work-shops geholfen, die moderne Technik produktiver einzusetzen. Seit 2001 ist Holger Wöltje selbstständiger Berater und Vortragsredner. Er unterstützt die Mitarbeiter von mittelständischen Firmen und Fortune-Global-500- sowie DAX-30-Unternehmen dabei, ihren Arbeitsstil zu optimieren und zeigt Outlook-, OneNote- und SharePoint-Nutzern, wie sie ihre Termine, Aufgaben und E-Mails in den Griff bekommen, alle wichtigen Infos immer elektronisch parat haben, im Team effektiv zusammenarbeiten, mit moderner Technik produktiver arbeiten und mehr Zeit für das Wesentliche gewinnen.

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Frank Eilers ist Keynote Speaker zu den Zukunftsthemen Digitale Transformation, Künstliche Intelligenz und die Zukunft der Arbeit. Er betreibt seit mehreren Jahren den Podcast „Arbeitsphilosophen“ und übersetzt komplexe Zukunftsthemen für ein breites Publikum. Als ehemaliger Stand-up Comedian bringt Eilers eine ordentliche Portion Humor und Lockerheit mit. 2017 wurde er für seine Arbeit mit dem Coaching Award ausgezeichnet.

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Als akkreditierter Trainer für PRINCE2® und weitere international anerkannte Methoden im Projekt- und Portfoliomanagement gibt Andreas Ellenberger seit Jahren sein Methodenwissen mit viel Bezug zur praktischen Umsetzung weiter. In seinen Präsenztrainings geht er konkret auf die Situation der Teilnehmer ein und erarbeitet gemeinsam Lösungsansätze für die eigene Praxis auf Basis der Theorie, um Nachhaltigkeit zu erreichen. Da ihm dies am Herzen liegt, steht er für Telefoncoachings und Prüfungen einzelner Unterlagen bzgl. der Anwendung gern zur Verfügung.

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Alexander Plath ist seit über 30 Jahren im Verkauf und Vertrieb aktiv und hat in dieser Zeit alle Stationen vom Verkäufer bis zum Direktor Vertrieb Ausland und Mediensprecher eines multinationalen Unternehmens durchlaufen. Seit mehr als 20 Jahren coacht er Führungskräfte und Verkäufer*innen und ist ein gefragter Trainer und Referent im In- und Ausland, der vor allem mit hoher Praxisnähe, Humor und Begeisterung überzeugt.

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