Rezeptor-Physiologie und Signaltransduktion

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Rezeptor-Physiologie und Signaltransduktion

Dr. Verena Mehlfeld WS 2021/22

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Rezeptor-Physiologie und Signaltransduktion

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Digitale Medien

Ninja Nerd

Passive & Active Transport: https://www.youtube.com/watch?v=xHIzfkbj82U Handwritten Cell & Molecular Biology

G-Protein Signaling: https://www.youtube.com/watch?v=9Bq6qHJaSJs

Catalytic Receptor Signaling: https://www.youtube.com/watch?v=1gNMj0q7Qu4

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Welche Sprache sprechen Zellen?

Problem: Zellmembran Nur permeabel für lipophile Moleküle und Gase.

Die allermeisten Moleküle in unserem Körper sind eben nicht lipophil oder gasförmig!

Somit ist die Lipiddoppelschicht der Zellmembran eine Barriere, die überwunden werden muss, um Signale / Stoffe weiterzuleiten.

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5 Typen an extrazellulären Signalmolekülen:

· Biogene Amine / Aminosäurederivate

· Fettsäurederivate

· Peptide / Proteine

· Steroide

· Kleine Moleküle (small molecules)

- Aminosäuren - Nukleotide - Ionen

- Gase

Um verstanden zu werden, brauchen Zellen Rezeptoren

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Kommunikation ist alles!

Die Kommunikation zwischen Zellen kann über Signalstoff- Rezeptor-Interaktion (Sender-Empfänger-Prinzip) oder direkte Schaltstellen erfolgen.

https://www.physiology.org/doi/full/10.1152/physrev.00027.2010

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Hormone sind KönigInnen der Kommunikation

autokrin parakrin endokrin

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Kommunikation ist alles!

Direkte Zellkontakte:

· Gap Junctions

· Tight Junctions

· Desmosomen / Cadherine

· Hemidesmosome

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Gap Junctions - Konnexine

Kandel, Schwartz & Jessell (eds): Principles of Neural Science, 5th ed., McGraw-Hill 2013

Passage von:

· anorganischen Ionen

· elektrischer

Reizweiterleitung

(v.a. Herz, glatter Muskel)

· kleinen Molekülen (< 1500 Da)

Regulierbar durch:

· [Ca²⁺]_i

· [cAMP]_i

· [H⁺]_i

· V_m

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Tight Junctions – Claudine / Occludine

https://eref-thieme-de.emedien.ub.uni-muenchen.de/ebooks/1396388#/ebook_1396388_SL59076226

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5 Typen an extrazellulären Signalmolekülen:

· Biogene Amine / Aminosäurederivate

· Fettsäurederivate

· Peptide / Proteine

· Steroide

· Kleine Moleküle (small molecules)

- Aminosäuren - Nukleotide - Ionen

- Gase

Um verstanden zu werden, brauchen Zellen Rezeptoren

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Kann man von der Art der Sprache auf die Funktion schließen?

Endokrin

Parakrin / Autokrin

„Zytokinsturm“

bei schweren Verläufen von Covid-19

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„Zytokinsturm“ bei schweren Verläufen von Covid-19

https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/COVR IIN_Dok/Hyperinflammationssyndrom.pdf?__blob=publicationFile

Phase I - Frühe Infektion

Phase II - Pneumovaskuläre Erkrankung Phase III - Hyperinflammatorische Phase

CT-Thorax in der frühen pulmonalen Erkrankungsphase mit beidseitigen, subpleural gelegenen entzündlichen Flüssigkeitseinlagerungen

(Milchglasverdichtung)

durch Zytokine

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Um verstanden zu werden, brauchen Zellen Rezeptoren

Rezeptor-Klassen

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Wie regieren Zellen auf extrazelluläre Signale?

Signalentstehung • Freisetzung eines Botenstoffs

Signalaufnahme • Bindung des Botenstoffs an seinen Rezeptor

Signalweiterleitung

• Umwandlung des extrazellulären Signals in ein intrazelluläres Signal

Signalentschlüsselung • Aktivierung von intrazellulären Signalkaskaden

Signalverarbeitung • biologische Antworten

Signalabschaltung • Hemmung durch Rückkopplung (feedback inhibition)

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Rezeptor → Signaltransduktion → Effekt

„Warum muss ich das wissen?“

Anteil am menschlichen Genom Pharmaka am Markt

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Rezeptor-Klassen

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Grundsätzliche Ionen-Kanaleigenschaften

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Steuerung von Ionenkanälen

Silbernagl S, Despopoulos jr. A, Draguhn A, Hrsg. 9., vollständig überarbeitete Auflage.

Stuttgart: Thieme; 2018.

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• 5-HT3-Rezeptoren – unselektiver Kationenkanal

• GABA_A-Rezeptoren – Cl^- -Kanal

• Glyzin-Rezeptoren – Cl^- -Kanal

• Ionotrope Glutamat-Rezeptoren – Na⁺/K⁺ -Kanal

• Nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren – Na⁺/K⁺/Ca²⁺ -Kanal

Ligandengesteuerte Ionenkanäle

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Wie misst man Kanäle?

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• Motorische Endplatte

• Pentamer

• Acetylcholin bindet an a-Untereinheiten

• Depolarisation → → → → Muskelkontraktion

Nikotinischer Acetylcholin-Rezeptor

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Nikotinischer Acetylcholin-Rezeptor

Curare Myasthenia gravis

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G-Protein Effektor Rezeptor

Second messenger Ligand

G-Protein gekoppelte Rezeptoren: G-Proteine

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G-Proteine wirken wie Schalter

GDP gebunden

GTP gebunden

G-Proteine sind molekulare Schalter

Aus Ein

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G-Proteine

• heterotrimer

• abg-Untereinheiten

−16 a-Untereinheiten

− 5 b-Untereinheiten

− 11 g-Untereinheiten

• Membran verankert

• a- Untereinheit bindet GDP

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• Austausch von GDP zu GTP → Dissoziation des G-Proteins

• Effektorproteine

• Hydrolyse von GTP zu GDP → Reassemblierung

Signaltransduktion von trimeren G-Proteinen

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Isoformen der a-Untereinheit:

• G_s: 4 Isotypen, z.B. Gaolf

• G_i: Gai1,Gai2, Gai3

• G_q: Ga15, Ga16, Ga14, Ga11, Gaq

• G₁₂: Ga12 und Ga13

Diversität der trimeren G-Proteine

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G-Protein Effektor Rezeptor

Second messenger Ligand

G-Protein gekoppelte Rezeptoren: Signalkomplexe

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Superfamilie der G-Protein gekoppelten Rezeptoren

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Modell eines G-Protein gekoppelten Rezeptors

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The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1994

“for their discovery of G-proteins and the role of these proteins in signal transduction in cells"

Alfred G. Gilman Martin Rodbell

Die Bedeutung der G-Proteine

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Arvid Carlsson Paul Greengard Eric R Kandel

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000

"for their discoveries concerning signal transduction in the nervous system"

Signaltransduktion im Nervensystem

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G-Protein Effektor

Second messenger

G-Proteine: Effektoren und second messenger

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5 häufige intrazelluläre second messenger

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Gas / Gai – AC – cAMP Signaltransduktion

• Gas: Stimulation • Gai : Inhibition

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Adenylatzyklase Protein-Kinase A

• R: 2 regulatorische Untereinheiten

• C: 2 katalytische Untereinheiten

• 4 cAMP

• Serin-/Threoninkinasen

• Ionenkanäle, Transkriptionsfaktoren…

• 2 Transmembran-Regionen

• 2 katalytische Domänen

• ≥ 10 Isoformen

• Gas: aktiviert

• Gbg: aktiviert oder inhibiert

Gas

Gas – AC – cAMP Signaltransduktion

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Adenylatzyklase Protein-Kinase A

Gas

• Gas: GTP zu GDP hydrolysiert

• cAMP: durch Phosphodiesterasen abgebaut

• Phosphorylierung: durch Phosphatasen dephosphoryliert

Gas – AC – cAMP Signaltransduktion

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Gi/o- Signaltransduktion: Rolle von bg

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Gi/s- Signaltransduktion: Regulation der Transkription

• CRE-Seite: cAMP-responsive element

• CREB: Protein, das an die CRE-Seite der DNA bindet

• CBP: CREB-bindendes Protein

• PKA phosphoryliert CREB

• Phosphoryliertes CREB bindet CBP, das Transaktivierungs-Domain besitzt

• Kann nun als Komplex an DNA binden

• Transkription wird gestartet

• Phosphoprotein-Phosphatase 1 dephosphoryliert CREB

• CREB / CBP-Proteinkomplex dissoziiert

• Transkription wird gestoppt

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Gat – PDE– cGMP Signaltransduktion

• Gas: Stimulation • Gai : Inhibition

• Gat: Transducin

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https://eref-thieme-de.emedien.ub.uni-muenchen.de/ebooks/1396388#/ebook_1396388_SL59075993

· ß2-Sympathomimetika (Asthma)

· ß-Blocker

(Blutdrucksenkung)

· Antihistaminika (Allergien)

· 5-HT4-Rezeptor- agonist (Obstipation)

· 5-HT7-Rezeptor- agonist

(Schizophrenie)

· M2-Rezeptor-Antagonisten (Dilatation d. Ziliarmuskels)

· α2-Adrenozeptor-Agonisten (Blutdrucksenkung)

· D2/3-Rezeptor-Antagonist (Psychosen)

· 5-HT1-Rezeptoragonisten (Migräne)

· ACE-Inhibitoren (Blutdrucksenkung)

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Gaq – PLC– IP₃ Signaltransduktion

• Gaq / Ga11

• PLC: Phospholipase C

• PIP₂: Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate

• DAG: Diacylglycerol

• IP₃: Inositol-1,4,5-trisphosphat

• PKC: Proteinkinase C

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PLC

Phospholipase C (PLC): Spaltstelle

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Verschiedene Phospholipasen: Spaltstellen

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Gaq – PLC– IP₃ Signaltransduktion

• Gaq / Ga11

Erhöhung [~ 100 nM] der intrazellulären Calciumkonzentration führt zu:

· Sekretion von Verdauungsenzymen aus den pankreatischen Azinuszellen

· Sekretion von Insulin aus den pankreatischen ß-Zellen

· Kontraktion der glatten Gefäßmuskulatur

· Umwandlung von Glykogen zu Glukose in der Leber

· Histamin-Ausschüttung aus den Mastzellen

· Plättchen-Aggregation

· DNA Synthese und Zellteilung in Fibroblasten

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G-Protein Effektor Rezeptor

G-Proteine

• 16 a-Untereinheiten

• 5 b-Untereinheiten

• 11 g-Untereinheiten

Effektoren

• Adenylatzyklase

• Guanylatzyklase

• Phosphodiesterase

• K⁺-Kanäle

• Ca²⁺-Kanäle

Second messenger Rezeptoren

• > 1000

• Adrenerge

• Dopaminerge

• Opioid Sensorik

• Rhodopsin

• Gustatorische Hormon

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Effektor Second messenger

Ligand

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Arachidonsäure-Signalkaskade

· Plättchen- Aggregation

· Atemwegskonstriktion

· Renin-Ausschüttung

· Entzündung

Plättchen- Aggregation ↑

Plättchen- Aggregation ↓ Dilatation von Blutgefäßen

· Bronchokonstriktion

· Allergien

· Asthma / Urtikaria

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Katalytische Rezeptoren

Guanylatcyklase

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Fünf häufige intrazelluläre Signalmoleküle

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Lösliche Guanylatcyclase Rezeptor-Guanylatcyclase

Synthese und Rezeptoren von cGMP

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Wirkungen von cGMP

cGMP-Kinase (cGK, PKG) ➔ Phosphorylierung von Proteinen

• Glattmuskelrelaxation / Vasodilatation / Blutdrucksenkung

• Natriurese

CNG Kanal ➔ Öffnung

• Sinnesphysiologie- Vorlesung

Phosphodiesterasen (PDE) ➔ cAMP-/cGMP-Abbau

• Feedback / Crosstalk

cGMP-Kinase (cGK)

• Plättchenaggregation

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Arachidonsäure-Signalkaskade

· Plättchen- Aggregation

· Atemwegskonstriktion

· Renin-Ausschüttung

· Entzündung

Plättchen- Aggregation ↑

Plättchen- Aggregation ↓ Dilatation von Blutgefäßen

· Bronchokonstriktion

· Allergien

· Asthma / Urtikaria

CYP450 Metabolismus EET:

Epoxyeicosatriensäure

= kurzwirksame Hormone

· Blutdruckregulation

· Entzündung ↓

· Plättchen-Aggregation ↓

· schmerzlindernd

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Rezeptor-Serin/Threoninkinasen

TGFb-Rezeptor bindet Zytokine

Physiologie

• Embryogenese

• adult: Regulation von

− Proliferation

−Differenzierung

−Apoptose

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Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen / SMAD-Signalkaskade

Serin- / Threonin-Kinasen

• Phosphorylierung von Serinen und Threoninen in Zielproteinen

• Phosphorylierung von SMAD (small Mothers Against Deca- pentaplegic; C.elegans/Drosphila)

• Aktivierung der Transkription

Phosphorylierte Proteine können die Zellkernmembran überwinden!

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Rezeptor-Serin/Threoninkinasen

TGFb-Rezeptor

Pathophysiologie:

• Zellwachstum / Kanzerogenese

• Herzhypertrophie

(69)

W. Hiddemann, C. Bartram (Hrsg.), Die Onkologie, DOI 10.1007/978-3-540-79725-8_8,© Springer Medizin Verlag Heidelberg 2010

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New England Journal of Medicine; https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJM200005043421807

TGFb

/ Kanzerogenese

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Insulin- Rezeptor

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Rezeptor-Tyrosin-Kinasen

• Epidermal growth factor (EGF), Platelet-derived growth factor (PDGF), vascular endothelial growth factor (VEGF), Insulin und Insulin-related growth factor 1 (IGF-1), Fibroblast growth factor (FGF), Nerve growth factor (NGF)

• Regulation der Embryogenese, der Zelldifferenzierung, des Zellwachs- tums und des Programmierten Zelltodes (Apoptose)

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Rezeptor-Tyrosin-Kinasen

Serienschaltung von Phosphorylierungsaktionen

• Ligandenbindung erlaubt Konformationsänderung und Dimerisierung

• gegenseitige Autophosphorylierung (Aktivierung)

• Phosphorylierung von Tyrosinresten von zytosolischen Proteinen

• Signalweiterleitung durch weitere Phosphorylierungskaskaden

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Serienschaltung von Phosphorylierungsaktionen

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W. Hiddemann, C. Bartram (Hrsg.), Die Onkologie, DOI 10.1007/978-3-540-79725-8_8,© Springer Medizin Verlag Heidelberg 2010

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Ras-Raf-MAKP Signalkaskade – Kontrolle des Zellwachstums

•GRB2: Growth-factor Receptor-bound Protein 2

•SOS: Son of Sevenless; Kinase

•Ras: Rat sarcoma ist ein Proto-Onkogen, das für ein kleines G-Protein (Monomer) kodiert

•Raf-1: rapidly accelerated fibrosarcoma 1; Kinase

•MAPK: mitogen-activated protein kinase

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Ras-Raf-MAKP Signalkaskade – Kontrolle des Zellwachstums

•Physiologische Rolle in der „Zellmauserung“

− Dünndarm

− Magen

− Haut

− Fettzellen

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Ras-Raf-MAKP Signalkaskade

•EGF-Rezeptor: bindet TGF alpha

• Mutationen führen zur Krebsentstehung:

• EGFR-Überexpression →stärkere Aktivierung der Signalkaskade (v.a. Lungenkrebs)

• Ras-Mutationen →permanent aktiv (90% aller Pankreaskarzinome)

• Raf-Mutationen →konstitutiv aktiv

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Ras-Raf-MAKP Signalkaskade und Krebs

https://www.youtube.com/watch?v=NlFDea3ig7A

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Ras-Raf-MAKP Signalkaskade

•EGF-Rezeptor: Eintrittspforte für viele Viren Epstein-Barr

Influenza Hepatitis

SARS-CoV2? (Growth factor receptor signaling inhibition prevents SARS-CoV-2 replication, Cell Press 2020)

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Rezeptor-Physiologie und Signaltransduktion

Dr. Verena Mehlfeld WS 2020/21

Oder die Frage:

Was haben der Zykokinsturm bei COVID-19 und Blutdoping miteinander zu tun?

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EPO-Rezeptor

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Janus-Kinasen

• JAK: Janus-Kinase („just another kinase“)

• STAT: signal transducers and activators of transcription

• Liganden:

o Zytokine wie Interferone und Interleukine

o Hormone wie Erythropoetin, Prolaktin und Wachstumshormon

römischer Gott des Anfangs und des Endes

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Corona und der Zytokinsturm

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Corona und der Zytokinsturm

Allgemeine Entzündungsreaktion des Körpers mit einhergehendem Multi- Organversagen

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EPO-Doping

• EPO: initiiert und fördert die Differenzierung erythoider Vorstufen zu reifen Erythrozyten

• Hämatokrit ist die Bezeichnung für den Anteil der Blutzellen am gesamten Blutvolumen. Hämatokritwerte > 50% gelten als Hinweis auf Missbrauch

EPO

Erythrozyten/Hämoglobin ↑ maximale

Sauerstoffaufnahme ↑

Leistungsfähigkeit↑

CAVE: Risikoanstieg für Thrombose, Embolie, Myokardinfarkt und Apoplex

Koronararterien-Verschluss durch Thrombenbildung Myokardinfarkt

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Nukleäre Rezeptoren

Rezeptor

GR Glukokortikoid Rezeptor MR Mineralkortikoid Rezeptor PR Progesteron Rezeptor ER Östrogen Rezeptor AR Androgen Rezeptor VDR Vitamin D Rezeptor RAR Retinolsäure Rezeptor

PPAR Peroxisome proliferator activated Rezeptor FXR Gallensäure Rezeptor

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Typ I Rezeptor: mit HSP-90 gekoppelt im Zytosol

• Glukokortikoide

• Mineralokortikoide

• Androgene

• Progesteron

Nukleäre Rezeptoren – Typ I

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Nukleäre Rezeptoren – Transaktivierung / Transrepression

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Typ II Rezeptor: auch ohne Hormonbindung an DNA gebunden: Repressor Nach Bindung: Aktivierung der Transkriptionsfaktor-Funktion

Beispiele: Thyroxin, Calcitriol, Östrogen und Retinolsäure

Nukleäre Rezeptoren – Typ II

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Isotretinoin - Vitamin A-Derivat Wirkung

Nebenwirkung Roaccutan®