Adenylylcyclasen

Medizinische Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher (Facharzt für innere Medizin) am 16. November 2016Geprüfte Qualität
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Adenylylcyclasen zählen als Enzymklasse zu den Lyasen. Ihre Aufgabe besteht darin, unter Spaltung von P-O-Bindungen aus ATP das zyklische cAMP zu katalysieren. Damit lösen sie eine Signalkaskade aus, die für viele unterschiedliche Vorgänge im Organismus verantwortlich ist.

Inhaltsverzeichnis

Was ist eine Adenylylcyclase?

Die Adenylylcyclasen vermitteln Wirkungen von Hormonen oder anderen Botenstoffen von der Außenseite der Zellmembran an entsprechende Botenstoffe im Zellinnern. Es sind sogenannte Lyasen, die als Enzyme spezifische Bindungen in Molekülen spalten. Sie spalten beispielsweise P-O-Bindungen (Bindung zwischen Phosphor und Sauerstoff).

Ihre Aufgabe besteht darin, den Abbau von ATP zu dem Second Messenger cAMP zu katalysieren. Das erfolgt mithilfe von G-Proteinen. G-Proteine sind für die Signalweiterleitungen (Signaltransduktionen), die sich zwischen Rezeptoren und Second-Messenger-Systemen abspielen, verantwortlich. Dafür besitzen die Adenylylcyclasen bestimmte Domänen mit charakteristischer Struktur, welche als Bindungsstellen für ATP und G-Proteine fungieren.

Durch diese Bindung wird die katalytische Wirkung der Adenylylcyclasen zum Abbau von ATP zu mAMP initiiert. Die Baupläne der unterschiedlichen Adenylylcyclasen sind unterschiedlich. Gemeinsam sind allen jedoch die entsprechenden Domänen. Für die menschlichen Adenylylcyclasen gibt es zehn Isoenzyme, von denen neun membranständig sind und eins als cytosolisches Protein im Inneren der Zelle an Kompartmenten vorkommt.

Funktion, Wirkung & Aufgaben

Die Aufgabe der Adenylylcyclasen besteht darin, Signale von der äußeren Zellmembran über Second Messenger an Botenstoffe im Zellinneren weiterzuleiten. Das gilt für alle eukaryontische Lebewesen. Aber auch in prokaryontischen Bakterien spielen Adenylylcyclasen eine Rolle als Signalüberträger. So sind die Adenylylcyclasen in drei Hauptklassen eingeteilt.

Klasse I ist wirksam in gramnegativen Bakterien. Adenylylcyclasen der Klasse II spielen eine große Rolle in krankheitserregenden Bakterien. Sie sind vom Protein Calmodulin des infizierten Wirtsorganismus abhängig. Die größte Klasse (Klasse III) stellen die in allen eukaryontischen Lebewesen vorkommenden Adenylylcyclasen dar. Hier vermitteln sie die Wirkung von Hormonen. Dazu erfolgt eine Signalweiterleitung von den Hormonen von der äußeren Zellmembran an die Botenstoffe im Zellinneren. Diese Botenstoffe lösen dann die biochemischen Reaktionen aus, die von den Hormonen initiiert werden.

Dabei bindet sich das entsprechende Hormon an seinen Rezeptor, welcher gleichzeitig ein bestimmtes G-Protein freisetzt. Das G-Protein stimuliert oder inhibiert wiederum eine Adenylylcyclase, die sofort mit der Katalyse der Bildung von cAMP aus ATP beginnt oder die Bildung von cAMP hemmt. Bei der Umsetzung von ATP zu cAMP bildet sich gleichzeitig ein Pyrophosphat mit zwei Phosphatgruppen. Das Pyrophosphat zerfällt sofort in zwei Phosphate. Das macht eine Rückreaktion zu ATP unmöglich. Die Regulierung der Adenylylcyclasen erfolgt also durch den Einfluss der G-Proteine. Das gebildete cAMP hat vielfältige Funktionen im Organismus. Es aktiviert das Enzym Proteinkinase A.

Die Proteinkinase A katalysiert wiederum die Phosphorylierung verschiedener Enzyme und greift daher regulierend in den Stoffwechsel ein. Die Phosphorylisierung aktiviert oder inhibiert die entsprechenden Enzyme. Ob es zur Aktivierung oder Inhibierung kommt, hängt von den jeweiligen Enzymen ab. Über die Reaktionskette Hormon, Rezeptor, G-Proteinfreisetzung, Adenylylcyclasenaktivierung/inhibierung, Bildung von cAMP aus ATP und Stimulierung von Proteinkinase A wird also die Wirkung bestimmter Hormone bis zum Zielort vermittelt.

Zu diesen Hormonen und Botenstoffen zählen unter anderem Glucagon, ACTH, Adrenalin, Noradrenalin, Dopamin, Oxytocin, Histamin und andere. Neben der Aktivierung von Proteinkinase A stimuliert cAMP auch die Genexpression für einige Hormone und Enzyme. Das gilt unter anderem für die Hormone Parathormon, Vasoaktives intestinales Peptid (VIP) oder Somatostatin.

Bildung, Vorkommen, Eigenschaften & optimale Werte

Adenylylcyclasen kommen überall in der belebten Natur vor. Alle eukaryontischen und einige prokaryontischen Lebewesen nutzen Adenylylcyclasen zur Herstellung des verbreiteten Second Messenger cAMP. In Eukaryonten befinden sich die Adenylylcyclasen an der Membranoberfläche der Körperzellen. Von dort leiten sie die Signale der Hormone und bestimmter Botenstoffe weiter in die Zelle, wo dann verschiedene Reaktionen ausgelöst werden.

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Krankheiten & Störungen

Durch Defekte und Störungen in dem gesamten Übertragungssystem von Signalen können vielfältige Erkrankungen entstehen. Dabei spielen genetische Veränderungen an verschiedenen beteiligten Enzymen, darunter auch der Adenylylcyclasen, eine große Rolle. Es gibt sogar Theorien, die davon ausgehen, dass die meisten Erkrankungen auf eine fehlerhafte Signaltransduktion von der Zellmembran ins Zellinnere zurückzuführen sind.

Krankheitswert haben sowohl eine verminderte als auch eine erhöhte Signaltransduktion von Zelloberfläche ins Zellinnere. Beispiele dafür stellen unter anderem die Augenkrankheit Retinitis pigmentosa oder der renale Diabetes insipidus dar. Viele endokrinologische Erkrankungen beruhen auf einer verminderten Signaltransduktion. Das Gleiche gilt auch für die Herzinsuffizienz. Bei einer verstärkten Signaltransduktion treten dauerhaft erhöhte cAMP-Werte auf. Es kommt zu einer ständigen Erregung, die sich in verschiedenen Erkrankungen wie Herzinsuffizienz oder psychologischen Störungen äußert.

Neben der Herzinsuffizienz können auch solche Erkrankungen wie Süchte (z. B. Alkoholismus), Schizophrenie, Alzheimer, Asthma und andere begünstigt werden. Untersucht wird auch der Einfluss von Störungen der Signaltransduktion auf die Entstehung solcher Erkrankungen wie Diabetes mellitus, Arteriosklerose, Bluthochdruck oder des Tumorwachstums. Auch Autoimmunerkrankungen, wie eine Kolitis ulzerosa können auf fehlerhafte Signaltransduktionen zurückzuführen sein. Bei der Cholera wird ein bakterielles Toxin erzeugt, welches eine dauerhafte Aktivierung der Adenylylcyclase bewirkt.

Der cAMP-Spiegel ist daher erhöht, weil die entsprechenden hormonell aktivierten Adenylylcyclasen nicht gehemmt werden. Auch beim Keuchhusten (Pertussis) ist der mAMP-Spiegel erhöht. Hier fehlt die Hemmung des für Adenylylcyclasen inhibitorischen G-Proteins. Dadurch steigt die Konzentration der Adenylylcyclasen. Auch viele genetisch bedingte Veränderungen an den Enzymen (darunter auch an Adenylylcyclasen) können Erkrankungen hervorrufen oder begünstigen.

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