Cyclisches Adenosinmonophosphat
Cyclisches Adenosinmonophosphat (syn. Adenosin-3',5'-monophosphat, kurz cyclisches AMP, Cyclo-AMP oder cAMP) ist ein vom Adenosintriphosphat (ATP) abgeleitetes körpereigenes Molekül. Es dient als Second messenger bei der zellulären Signalweiterleitung (Signaltransduktion) und führt insbesondere zu einer Aktivierung von Proteinkinasen.
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cAMP Synthese und Abbau
Durch Aktivierung eines G-Protein-gekoppelten Rezeptors durch ein Hormon (z.B. Glucagon), einen Neurotransmitter (z.B. Noradrenalin) oder einen Geruchsstoff wird die membranständige Adenylylcyclase stimuliert. Diese wandelt zelluläres ATP zu cAMP um. Ein bekannter direkter Stimulator der Adenylylcyklase ist Forskolin.
Der Abbau von cAMP zu AMP (Adenosinmonophosphat) wird durch das Enzym Phosphodiesterase katalysiert. Koffein ist ein Inhibitor dieses Enzyms.
Funktionen
Aktivierung von Proteinkinasen
cAMP aktiviert Proteinkinasen vom Typ A (PKA). Diese führen über eine Phosphorylierung verschiedener zellulärer Proteine zu vielfältigen Effekten, z. B.:
- Phosphorylierung von Ca2+-Kanälen: Öffnung von Ca2+-Kanälen
- Phosphorylierung der Myosin-Leichtketten-Kinase: Relaxation glatter Muskulatur
Stoffwechselregulation
Durch Aktivierung von Proteinkinasen werden zahlreiche Stoffwechselfunktionen reguliert. Beispiele sind der Glycogen-Abbau zu Glucose, die Lipolyse und die Ausschüttung von Gewebshormonen wie Somatostatin.
cAMP in Bakterien
cAMP ist bereits bei Bakterien als "Hungersignal" (Glucose-Mangelsignal) zu finden, jedoch ist seine Wirkungsweise hier eine völlig andere: das Molekül ist Teil eines "Glucose-Repression der Lactose-Verwertung" genannten Regelkreises.
Ist nämlich Glucose (Glc) im Medium vorhanden, so sind die Gene des Lactose-Operons (lac-Operons) ruhiggestellt. Dies ist sinnvoll, da die Verwertung von Lactose (Lac) unter diesen Idealbedingungen nicht nur aufwändig, sondern auch überflüssig wäre.
- Es zeigte sich, dass in Gegenwart von Glc die Konzentration an cAMP gering ist;
- nach Glc-Entzug steigt sie hingegen durch die Aktivierung einer bakteriellen Adenylylcyclase (AC) stark an.
- unter diesen Bedingungen ist ein Glc-Transportprotein (TP) phosphoryliert (TP-P). Es bildet einen Komplex mit AC und aktiviert dieselbe. Bei Glc-Überschuss wäre TP-P durch Phosphat-Übertragung an der Entstehung von Glucose-6-phosphat (G-6P) beteiligt, und würde (als TP) seinen Einfluss auf die AC verlieren.
- cAMP bindet sodann an das CAP-Protein (catabolite-activator protein), das nun als Transkriptionsfaktor die zum lac-Operon gehörigen Gene anschaltet. Dies leitet die Lactose-Aufnahme unter "Hungerbedingungen" ein.
Lactose-Operon
Abbildung: cAMP als Hungersignal in Bakterien.
Zum Überleben bei Glucose (Glc-) Mangelsituationen besitzt das Bakterium (Escherichia coli) eine kontrollierbare Gen-Einheit (Operon), die bei Bedarf die Aufnahme und Verwertung von Lactose (Lac) ermöglicht. Dieser Vorgang erfordert zwei Signale:
- cAMP aktiviert bei Glc-Mangel das CAP-Protein, welches direkt am Promotor (p) bindet und dessen Aktivierung unterstützt;
- Lac bindet an ein Repressorprotein (REP); dieses löst sich daraufhin von der Operator-Sequenz (o) und gibt die Transkription der Geneinheit z-y-a frei.
Bei Verfügbarkeit von Glc sinkt der cAMP-Spiegel durch Inhibition der Adenylylzyklase (AC). Die Rolle eines Glucose-Transportproteins (TP) bei diesem Vorgang wird im Text beschrieben.