Biochemie der Hormone, Vitamine und Coenzyme

Quelle: MEDI-Learn Skriptenreihe

Biochemie 5

Matti Adam

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Vorwort

• "Biochemie der Hormone und Vitamine ist einer der gößeren Gebiete im Gegenstandskatalog Biochemie
• Thema ist oft verwirrend und in manchen Teilen auch etwas undurchsichtig
• Es gibt ein paar Sachen, die man hervorragend durcheinanderbringen kann
• deshalb Konzentration auf physikumsrelevante Fakten
• hoffentlich schwappt wenigsten ein klitzekleines bisschen von dem Spaß, den mir dieses Thema bereitet zu euch rüber

1 Biochemie der Hormone

• Hormone sind chemische Botenstoffe, die das Zusammenspiel der verschiedenen Zellen in einem vielzelligen Organismus koordinieren.

• Entstehung der "weiter entwickelten" Organismen nur durch Kommunikation möglich => "Zellgeflüster"

• Hormonelle funktionelle System besteht aus:

1. regulatorischen Peptiden (Verbindung aus mehreren AS)
   
2. Steroiden (stereó: „das Feste, Starre, Solide + oeides „ähnlich“)
3. Zytokinen (+ Erklärung II)
   
4. biogene Aminen
5. Neurotransmitter
6. Wachstums- und Entwicklungsfaktoren

• Hormone sind Signalstoffe, die bereits in geringer Konzentration wirken (<10^-6)

1.1 Einteilung der Hormone

Klassifikation der Hormone sind beliebte Prüfungsfragen

1.1.1 Einteilung nach der Struktur ... 1

• Aminosäurederivate

• Tyroxin (T4), Trijodthyronin (T3) => Derivate von Tyrosin
  
• Dopamin, Adrenalin, Noradrenalin, Melatonin
• Serotonin, Histamin

• Peptid/Proteohormone

• Liberine, Statine
• ACTH, TSH, FSH, LH
• Somatotropin, Parathormon, Calcitonin, Insulin, Glukagon
• Angiotensin II, Gastrin, Sekretin, Leptin

• Steroidhormone

• Glucocorticoide, Mineralcorticoide
• Androgene, Östrogene, Gestagene
• 1,25-(OH)2-Cholecalciferol

• Fettsäurederivate

• Prostaglandine, Prostacycline
• Thromboxane
• Leuktrine

• ... ich schätze mal, dass diese Hormone eine sehr gute Grundlage sind. Ich versuche alle diese aufgeführten Hormone
  

• mit einem Hyperlink zu versehen
• + eine Strukturformel
• + mindestens drei Gesichtspunkte /Faktoren aufzulisten

... weiter geht´s: ...

• Aminosäurederivate
  

  • haben einfachste Struktur
  • direkte Abkömmlinge einer AS
  • haben keine Peptidbindung

• Peptid bzw. Proteohormone (Protein=Hormon)

• klassische Eiweißstruktur mit Peptidbindung
• stellen großen Anteil der bekannten Hormone dar
• Merke: Alle Hormone des Hypothalamus, der Hypophyse und des endokrinen Pankreas sind Peptidhormone

• Steroidhormone

• Abkömmlinge des Cholesterins
• Nebennierenrindenhormone
• Geschlechtshormone

• Fettsäurederivate (=Eicosanoide)

• entstehen aus Arachidonsäure
• => die Arachidonsäure besteht aus 20 C-Atomen
• => die Arachidonsäure ist an Phospholipiden in der Plasmamembran gebunden

1.1.2 Einteilung nach den biochemischen Eigenschaften ... 2

• Struktur des Hormons bestimmt seine biochemischen Eigenschaften
• wichtigste Eigenschaft ist die Löslichkeit in Wasser

• lipophile (9 Stck)
  

• Schildrüsenhormone Tyroxin (T4) und Trijod-Thyronin (T3)
• alle Steroidhormone
• Cortisol
• Testosteron
• Östradiol
• Progesteron
• Aldosteron
• 1,25-(OH)2-Cholecalciferol
• und ihr aktiven Vorstufen

• hydrophile
  

• alle restlichen Hormone

• fettlösliche Hormone können die Plasmamembran einfach durchdringen, denn diese ist fetthaltig
• hydrophile Hormone scheitern an dieser Aufgabe, denn sie sind wasserliebend

• ergo: unterschiedliches Diffusionverhalten bringt unterschiedlichen Wirkmechanismus mit sich => dieses ist ein äußerst wichtiger Unterschied, auch prüfungstechnisch

• lipophile Hormone wirken intrazellulär !!!
  
• hydrophile Hormone wirken extrazellulär !!!

1.1.3 Einteilung nach dem Bildungsort ... 2

• wird das Hormon in einem histologisch abgegrenzten Gebiet, spezialisiertem Gewebe (=Drüse) produziert
• oder wird das Hormon von eingestreuten hormonproduzierenden Zellen synthetisiert

• Merke: Glanduläre Hormone werden in Drüsen synthetisiert
• Gewebshormone werden in anderen Geweben synthetisiert

Das bringt Punkte:

• man sollte für alle Hormone eine Vorstellung haben, zu welcher Stoffgruppe sie gehören
• Alle Hormone des Hypothalamus, der Hypophyse (=Neuro- und Adenohypophyse) und des endokrinen Pankreas sind Peptidhormone
• alle Peptidhormone sind hydrophil
• Schilddrüsenhormone sind die einzigen lipophilen Aminosäurederivate
• Schilddrüsenhormone sind KEINE Peptide
• die fettlöslichen Steroidhormone entstehen aus Cholesterin

Mündlich Basics:
Kriterien, nach denen man generell eine Einteilung der Hormone vornehmen kann (4 Stck)

• Struktur
• Löslichkeit im Wasser
• Bildungsort
• funktionelle Gesichtspunkte (z.B. "Wachstum und Entwicklung" oder "schnelle Stoffwechselregulation")

Z.Bsp: Schildern Sie grundlegende Unterschiede zwischen Somatostatin und Cortisol

Somatostatin

• Peptidhormon
• hydrophil
• Gewebshormon

Cortisol

• Steroidhormon
• lipophil
• glanduläres Hormon

Quelle: Hormonsystem

1.2 Hormon- und Zytokinrezeptoren / Signaltransduktion

Dieses Kapitel ist sehr wichtig, weil ...

• Fragen zu G-Proteinen sind sehr beliebt
• grundlegende Fakten und Vorgänge
  

1.2.1 Wirkungsmechanismus lipophiler Hormone

• sie bewirken die Änderung der Transkription (v. lat. trans = jenseits, hinüber + scribere = schreiben) spezifischer Gene

• fettliebende Substanzen lösen sich schlecht in wässrigem Milieu => Hydrophobie erzwingt eine vermehrte Bindung an Plasmaproteine

• Eiweißbindung ermöglicht ungehinderteten Bluttransport

Ablösung von der Plasmaprotein/Eiweißbindung ermöglicht Membrangängigkeit:

• frei diffusibel
• Eindringen in die Zelle
• durchquert das Innere
• trifft auf nukleär oder zytoplasamatisch auf sein intrazelluläres Rezeptorprotein

dieses Rezeptorprotein:

• gehört in die Gruppe der regulierenden Transkriptionsfaktoren
• als Dimer aktiv
• jedes Dimer hat eine Hormon-Bindungsdomäne und eine DNA-Bindungsdomäne
• der Hormon-Rezeptor-Komplex erfährt durch Hormonbindung eine Konformationsänderung => Rezeptoren sind jetzt zur Pärchenbildung fähig
• der Partner ist ein anderer Hormon-Rezeptor-Komplex
  

• dieser neue dimerisierte Rezeptor kann nun mit der der Zinkfinger-Domäne (sehr beliebter Prüfungsfakt!) an der großen Furche der DNA binden

• durch die Wechselwirkung mit dem Erbstrang wird die Transkriptionsgeschwindigkeit verändert => Änderung der Mengen der hergestellten Enyme und letztendlich der Zellfunktion
  

• Induktion (=Beschleunigung)
• Repression (=Verlangsamung)
  

• die Abschnitte an denen die intrazellulären Rezeptorproteine binden heißen Hormone-Response-Elemente => sie sind nur in der Nähe bestimmter Gene vorhanden

Abbildung: Signalweg des mit Hormon beladenen Serumproteins anhand des Beispiels von cAMP => habe kein anderes Bild gefunden

Zeichnung: http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:CAMP-signaltransduktion-kommentiert.png

Erklärung: Hormon durchquert Membran -> Bindung eines intrazellulären Rezeptorproteins -> dieser Hormon-Rezeptor-Komplex dimerisiert mit einem anderen Hormon-Rezeptor-Komplex -> Bindung an DNA über Zinkfinger -> Transkriptionsbeeinflussung

Merke:

• Lipophile Hormone wirken auf die DNA im Zellkern
• Gene der regulierten Proteine (z.B. Na+/K+-ATP-ase) werden verändert abgelesen (=Induktion oder Repressiondadurch werden Proteine häufiger oder selterner produziert
• Wirkungseintritt im Bereich von Stunden

1.2.2 Wirkungsmechanismus hydrophiler Hormone

• sie durchdringen nicht die Zellmembran
• 3 unterschiedliche Klassen von Membranrezeptoren

G-Protein-assoziierte (7-Helix)-Rezeptoren

• besitzen 7-Transmembrandomänen
• diese Struktur prädestiniert die Interaktion mit einem G-Protein

1-Helix Rezeptoren

• Tyrosinkinasen
• Guanylatcyclasen

Ionenkanäle

• nikotinerge Acetycholin-Rezeptor
• ...

G-Protein-assoziierter Rezeptor

• werden in der Signaltransduktion als Schalter verwendet
• Übertragung extrazelläre Signale, die vorher von membranständigen Rezeptoren empfangen wurden, auf intrazelluläre Signalkaskaden

Es existieren verschieden Familien der G-Proteine wie:

Translationsfaktoren

• If-2,
• Ef-1,
• ... etc ...

kleine G-Proteine

• Ras
• Rab
• Rho
• ...

heterotrimere G-Proteine

• bestehen aus alpha, beta und gamma-Untereinheit
• Hauptfunktion übernimmt alpha-Untereinheit => nichtkovalente Bindung an ein Guanninnucleotid

genaue Vorgänge:

• Hormon wird an einem membranständigen 7-Helix-Rezeptor gebunden
• es entsteht ein Hormon-Rezeptor-Komplex
• dieser bindet intrazellulär ein G-Protein
• der Komplex selber verbleibt in der Membran
• im Ruhezustand hat G-Protein ein GDP gebunden
• durch die Interaktion von Hormon-Rezeptor-Komplex und G-Protein wird der Austausch von GDP gegen GTP katalysiert
• dies ist KEINE Posphorylierung

... wäre sinnvoll dieses Vorgang öfters zu zeichnen oder ein kleines Papiermodell zu entwerfen ...

• aktiviertes G-Protein dissoziiert in alpha-Komponente und beta,gamma-Teil
• der hauptverantwortliche alpha-Teil kann jetzt intrazelluläre membranständige Effektorenzme aktivieren =>
  

• Adenylatcyclase
• Phospholipase

1.3 Schnelle Stoffwechselregulation ... 12

1.3.1 Insulin ... 12

1.3.2 Glukagon ... 19

1.3.3 Katecholamine ...

1.3.4 Pathobiochemie der schnellen Stoffwechselregulation ... 26

1.4 Hypothalamus-Hypophysen gesteuerte Hormone ... 29

1.4.1 Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsen-Achse ...30

1.4.2 Die Steroidhormone ... 35

1.4.3 Hypothalamus-Hypophysen-Zona fasciculata-Achse ... 37

1.4.4 Hypothalamus-Hypophysen-Keimdrüsen ... 41

1.4.5 Hypothalamus-Hypophysen-Wachstumshormone ... 44

1.5 Hormone der Neurohypophyse ... 46

1.5.1 Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (=RAAS) ... 47

1.5.2 Atriales natriuretisches Peptid (=ANP) ... 49

1.7 Calcium und Phosphatwechsel ... 51

1.8 Gewebshormone, Mediatoren ... 54

1.8.1 Histamin ... 54

1.8.2 Serotonin (=5-HT) ... 55

1.8.3 Somatostatin ... 56

1.8.4 NO (=Stickstoffmonoxid)

1.8.5 Eicosanoide ... 57

2 Vitamine und Coenzyme

2.1 Fettlösliche Vitamine ... 59

2.1.1 Vitamin A (=Retinol) ... 59

2.1.2 Vitamin D (=Cholecalciferol) ... 64

2.1.3 Vitamin E (=Tocopherol) ... 66

2.2 Wasserlösliche Vitamine ... 68

2.2.1 Vitamin B1 (=Thiamin) ... 69

2.2.2 Vitamin B2 (=Riboflavin) ... 69

2.2.3 Vitamin B3 (=Niacin) ... 70

2.2.4 Vitamin B6 (=Pyridoxin) ... 70

2.2.5 Vitamin B12 (=Cobalamin) ... 71

2.2.6 Folsäure ... 72

2.2.7 Pantothensäure ... 72

2.2.8 Vitamin C (=Ascorbinsäure) ... 72

2.2.9 Vitamin H (=Biotin) ... 73

Index ... 75

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• Klassifikation
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• Hormone der Säugetiere