Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht Mag. Katrin EISBACHER, BRG Salzburg katrin.eisbacher@gmx.at Dr. Bernhart RUSO, TU Wien bernhart@ruso.at

Kommunikation von Informationen im Körper Das Hormonsystem Kommunikation von Informationen im Körper Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Spezifität der Signalübertragung Hohe Affinität der Rezeptoren für die Signalmoleküle Kooperativität der Wechselwirkung zwischen Ligand und Rezeptor Signalverstärkung mit Enzymkaskaden Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Überblick Erkennung und Nachweismethoden Definition, Wirkung und Aktivierung Einteilung der Hormone Blutzuckerregulation als Beispiel Synthese und Abbau Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Radioimmunassay Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

ELISA Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Sandwich-ELISA Antikörper 1 gebunden an feste Phase nachzuweisendes Antigen wird inkubiert Detektions-antikörper mit Enzym am Ende bindet an Antigen Chromogen wird zugegeben Enzym spaltet Chromogen → Farbe Intensität ~ Konzentration des Antigens Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Überblick Erkennung und Nachweismethoden Definition, Wirkung und Aktivierung Einteilung der Hormone Blutzuckerregulation als Beispiel Beispiele von Hormonen Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Was sind Hormone? Stoffe, die von spezifischen Geweben synthetisierrt werden Sie werden direkt vom Gewebe ins Blut abgegeben, das sie zu ihrem Wirkungsort bringt Sie ändern in spezifischer Weise die Aktivität bestimmter darauf ansprechender Gewebe Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Wie wirken Hormone? Peptid- und Aminhormone sowie Eicosanoide wirken über Rezeptoren auf die Zielzellen ein, die die Konzentration von intrazellulären sekundären Botenstoffen (cAMP) ändern Steroidhormone, Vitamin D, Retinoide oder Schilddrüsenhormone dringen in die Zielzellen ein und verändern die Genexpression Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

cAMP Second Messenger aktiviert Proteinkinasen Cyclisches Adenosin -3´5´Monophosphat Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Synthese Adenylat-Cyclase wandelt Adenosin-Triphosphat ATP in cAMP und Pyrophosphat um. + Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Hydrolyse Phosphodiesterase hydrolysiert cAMP zu AMP H2O H+ Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

cAMP als Second Messenger Vorteil: Hormon muss nicht in die Zelle eindringen einige Hormone, die cAMP benutzen: Adrenalin follikelstimulierendes Hormon Glucagon Noradrenalin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Überblick Erkennung und Nachweismethoden Definition, Wirkung und Aktivierung Einteilung der Hormone Blutzuckerregulation als Beispiel Beispiele von Hormonen Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Einteilung nach Herkunft Drüsenhormone Schilddrüse, Hypophyse, Nebenniere, Gonaden, Inselzellen in der Bauchspeicheldrüse Neurohormone Speicherung im Hypophysenhinterlappen Gewebshormone parakrine Hormone (Histamin, Serotonin und Prostaglandin) Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Einteilung nach molekularen Mechanismen am Zielort Wirkung an der Zelloberfläche (Catecholamine, Peptidhormone) Wirkung nach Eindringen in die Zelle (Schilddrüsenhormone, Steroidhormone) Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Die vier Hormonklassen AS-Derivate (z.B. Histamin) Polypeptide (z.B. Parathormon) Steroide (z.B. Progesteron) Fettsäurederivate (z.B. Prostaglandine) Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

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Die vier Hormonklassen AS-Derivate (z.B. Histamin) Polypeptide (z.B. Parathormon) Steroide (z.B. Progesteron) Fettsäurederivate (z.B. Prostaglandine) Calcitriol, Schilddrüsenhormone, NO Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Aminosäurenderivate Catecholamine (Adrenalin, Noradrenalin) Histamin (Tyrosin) (Histidin) Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Adrenalin und Noradrenalin 1,2-Dihydroxybenzen Benzen-1,2-diol Brenzcatechin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Biosynthese von Histamin aus Histidin mittels His-Decarboxylase Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Abbau von Histamin Histamin-N-Methyltransferase, Diaminoxidase , Aldehydoxidase Diaminoxidase , Aldehydoxidase Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Die vier Hormonklassen AS-Derivate (z.B. Histamin) Polypeptide (z.B. Parathormon) Steroide (z.B. Progesteron) Fettsäurederivate (z.B. Prostaglandine) Calcitriol, Schilddrüsenhormone, NO Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Peptidhormone Glucagon Insulin Wachstumshormon Somatotropin Prolactin Lutetisierendes Hormon (LH), Thyreoideastimulierendes Hormon (TSH), Follikelstimulierendes Hormon (FSH) Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Glykoproteine Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

O- / N-glykosidische Bindung Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Wachstumshormon vs. Prolactin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

LH, TSH, FSH Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Die vier Hormonklassen AS-Derivate (z.B. Histamin) Polypeptide (z.B. Parathormon) Steroide (z.B. Progesteron) Fettsäurederivate (z.B. Prostaglandine) Calcitriol, Schilddrüsenhormone, NO Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Steroidhormone stammen vom Cholesterin ab Östrogene Glucocorticoide (Cortisol) Mineralocorticoide (Aldosteron) Androgene Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Steroidhormone Cholesterin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Steoridhormone Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Biosynthese Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Die vier Hormonklassen AS-Derivate (z.B. Histamin) Polypeptide (z.B. Parathormon) Steroide (z.B. Progesteron) Fettsäurederivate (z.B. Prostaglandine) Calcitriol, Schilddrüsenhormone, NO Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Prostaglandin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Die vier Hormonklassen AS-Derivate (z.B. Histamin) Polypeptide (z.B. Parathormon) Steroide (z.B. Progesteron) Fettsäurederivate (z.B. Prostaglandine) Calcitriol, Schilddrüsenhormone, NO Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Calcitriol aus Vitamin D synthetisiert verändert Transkription von Genen Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Schilddrüsenhormone Thyroxin Triiodthyronin aus Thyrosin synthetisiert Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Biosynthese der Schilddrüsenhormone Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Stickstoffmonoxid extrazellulärer Messenger verantwortlich für nitrosativen Stress Peroxynitrit Ende der 1970er Jahre wurde der Pharmakologe Ferid Murad erstmals auf die physiologischen Wirkungen des Stickstoffmonoxid (NO) aufmerksam. Bei Untersuchungen mit organischen Nitraten – einer Substanzgruppe, die bei akuten Brustschmerzen eingesetzt wird – entdeckte er, dass diese NO freisetzen, welches eine Erweiterung (Dilatation) der Blutgefäße bewirkt. Auch der Pharmakologe Robert F. Furchgott untersuchte die Auswirkungen von Medikamenten auf die Blutgefäße. Er fand heraus, dass die innerste Gefäßschicht (Endothel) eine unbekannte Substanz (Faktor) produziert, die in der darunterliegenden Muskelschicht deren Erschlaffung (Relaxierung) herbeiführt. Da er die Substanz nicht bestimmen konnte, nannte er sie EDRF (Endothelium-derived relaxing Factor, von dem Endothel stammender, Gefäßmuskulatur-erschlaffender Faktor). Erst im Laufe der 1980er Jahre gelang es, die unbekannte Substanz EDRF zu entschlüsseln. Unabhängig voneinander identifizierten Louis J. Ignarro und Robert F. Furchgott EDRF als Stickstoffmonoxid. 1998 wurde der Nobelpreis für Physiologie und Medizin an die Amerikaner Robert Furchgott, Ferid Murad und Louis J. Ignarro verliehen. Den Forschern gelang es erstmals, die große Bedeutung des NO für die Blutversorgung von Organen und dessen Rolle als Botenstoff im Organismus nachzuweisen. Mit den Erkenntnissen über NO erschließen sich somit neue Möglichkeiten bei der Behandlung von Gefäßerkrankungen und den dadurch bedingten Organschäden. Wirkung [Bearbeiten] Das freie Radikal NO, das von den Stickoxid-Synthasen (NOS) synthetisiert wird, reagiert letztlich zu Nitrit und/oder Nitrat. Stickoxid besitzt ein ungepaartes Elektron. Es ist elektrisch neutral und diffundiert daher frei durch cytosolische und membranöse Kompartimente. Trotz seiner radikalischen Eigenschaften hat Stickoxid eine ungewöhnlich lange Halbwertszeit von 2–3 s in biologischen Systemen und von etwa 400 s (bei einer Konzentration von 1 μM) in reinem Wasser (Hakim, Sugimori et al. 1996). Mathematische Modelle erlauben dabei den Schluss, dass Stickoxid - von einer punktförmigen Quelle für einige Sekunden freigesetzt - in biologischen Systemen etwa 200 μm diffundieren kann (Wood & Garthwaite 1994). Es wurde vorgeschlagen, dass Stickoxid das einzig bisher bekannte Radikal ist, welches unter biologischen Bedingungen eine ausreichende Stabilität besitzt, um als extrazellulärer „Messenger“ (Botenstoff) zu fungieren (Saran & Bors 1994). Der Begriff „nitrosativer Stress“ wird in den letzten Jahren dem des oxidativen Stresses (siehe auch Reaktive Sauerstoffspezies) an die Seite gestellt (Stamler & Hausladen 1990; Hausladen, Privalle et al. 1996). Es zeigte sich, dass viele Erscheinungen der Zellpathologie, die bisher den Folgen eines oxidativen Stresses zugeordnet wurden, zumindest teilweise als Ergebnis einer gesteigerten Produktion des Stickoxids zu erklären sind. Zum anderen demonstrieren Experimente, dass die destruktiven Eigenschaften des Stickoxids nicht, wie längere Zeit angenommen, von diesem selbst stammen, sondern vielmehr durch eines seiner Folgeprodukte, das Peroxynitrit (ONOO-), vermittelt sind (Bartosz 1996). Peroxynitrit entsteht durch die diffusionslimitierte Reaktion von Superoxid (auch Hyperoxid genannt) und Stickoxid und ist aufgrund seines hohen Redoxpotentials wesentlich aggressiver als seine Vorläufermoleküle. Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

NO-Citrullin-Zyklus NO wird unter Verbrauch von NADPH durch NO-Synthasen (NOS) aus der Aminosäure L-Arginin und Sauerstoff hergestellt. Als weitere Endprodukte entstehen dabei Citrullin und Wasser. Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

NO-Synthatasen eNOS iNOS nNOS Es sind heute drei NOS-Isoformen identifiziert, von denen die endotheliale NOS (eNOS) und die neuronale NOS (nNOS) konstitutiv exprimiert werden, während die induzierbare NOS-Isoform (iNOS) auf transkriptioneller Ebene induzierbar ist. Alle 3 Isoformen haben eine hohe Sequenz-Homologie zur Cytochrom P450-Reduktase und sind in spezifischen Zelltypen lokalisiert: 1. eNOS in den Zellen an der Innenseite von Blutgefäßen (Endothelzellen): NO bewirkt indirekt, durch Erhöhung des cGMP (Cyclisches Guanosinmonophosphat)-Spiegels die Relaxation der glatten Gefäßmuskulatur, was zu einer Vasodilatation und damit zu einer Absenkung der Nachlast des Herzens und des Blutdrucks führt. Durch diese Reaktion wurde die Wirkungsweise einer ganzen Gruppe von Medikamente verständlich, darunter Amylnitrit, Nitroprussid und Nitroglycerin. Diese Medikamente setzen NO im Körper frei. Der gleiche Mechanismus liegt bei der diätetischen Behandlung von Arteriosklerose-Patienten mit Arginin selbst zugrunde. Das gasförmige NO wird im Rahmen spezieller Herzkatheteruntersuchungen verabreicht, um die Reaktion der Lungengefäße darauf zu testen. 2. iNOS in Makrophagen/Mikrogliazellen: Eine weitere Wirkung von NO ist der Schutz des Körper vor Eindringlingen. So produzieren Makrophagen große Mengen von NO, das Bakterien und Zellen abtötet. Eine übermäßige Produktion von NO durch die Makrophagen kann auch Nebenwirkungen haben. So ist die gefährliche Absenkung des Blutdrucks bei einem septischen Schock zu erklären. 3. nNOS in Neuronen: NO ist auch im Gehirn nachweisbar. Dort übernimmt es die Funktion eines Botenstoffes (second Messenger), wobei es unter anderem die Synthese cGMP erhöht. Das kleine Molekül kann leicht in Zellen hinein- und hinausdiffundieren. Man vermutet hinter NO auch einen Botenstoff, der bedingt durch schnelle Diffusion, relativ große Areale des ZNS modulieren kann. Durch die Reaktion des Superoxid-Anions mit Stickstoffmonoxid NO· entsteht zudem Peroxynitrit ONOO−, das mit Stickstoffmonoxid zusammen als Reaktive Stickstoffspezies (RNS) bezeichnet wird und eine ebenfalls hochreaktive Verbindung darstellt (allerdings kein freies Radikal ist). ROS und RNS sind somit wichtige Oxidantien, denen im Körper die Antioxidantien entgegenwirken. Neuere Studien schreiben ROS wie dem Superoxid und dem Wasserstoffperoxid neben der Generierung oxidativen Stresses eine wichtige Signalfunktion z.B. im Gehirn bei der Signalübertragung, der synaptischen Plastizität und der Gedächtnisbildung zu. Sie wirken dort zudem stark vasodilatierend (gefäßerweiternd) und scheinen daher wichtig für die Steigerung des zerebralen Blutflusses und des zerebrovaskulären Tonus zu sein.[1] Die Bildung von reaktiven Sauerstoffmetaboliten durch die Monoaminooxidasen (MAO) können durch MAO-Hemmer wie die Antiparkinsonmedikamente Selegilin oder Rasagilin unterbunden werden. Diese Medikamente wirken somit neuroprotektiv. Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Überblick Erkennung und Nachweismethoden Definition, Wirkung und Aktivierung Einteilung der Hormone Blutzuckerregulation als Beispiel Beispiele von Hormonen Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Blutzuckerregulation Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Biosynthese von Insulin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Abbau von Insulin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Glucagon Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Biosynthese von Adrenalin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Abbau von Adrenalin Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Überblick Erkennung und Nachweismethoden Definition, Wirkung und Aktivierung Einteilung der Hormone Blutzuckerregulation als Beispiel Beispiele von Hormonen Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Phytohormone - Auxine Tryptophan Tryptamin Indol-3-yl-Essigsäure Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Phytohormone - Ethen + Adenosin Methionin S-Adenosylmethionin 1-Aminocyclopropancarbonsäure Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Immunsuppression - Cortisol Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Pheromone - Androstenon Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Verhütung - Testosteron Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Verhütung - Östrogen Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso

Verhütung - Progesteron Biologische Schnittstellen im Chemieunterricht, Eisbacher/Ruso