Signalkaskaden

Was sind Signalkaskaden?

Kommen wir zum Thema Signalkaskaden. Was ist das, fragt ihr euch? Vereinfacht könnte man es auch „Informationsweiterleitung in Zellen“ nennen, denn nichts anderes ist es. Es geht quasi darum, wie ein Signal, was eine Zelle (z.B. über einen Rezeptor auf der Oberfläche) wahrnimmt, verarbeitet wird.

Ein Beispiel: Wenn eine Immunzelle über einen Rezeptor wahrnimmt, dass in der Umgebung fremde Proteine (bspw. von Bakterien oder Viren) sind, dann muss diese Information an den Zellkern weitergeleitet werden, damit dort vermehrt Gene abgelesen werden können, die die Zellteilung fördern und eine entzündliche Reaktion begünstigen.

Im Körper läuft diese Signalverarbeitung meist nicht ganz direkt ab, sondern nimmt häufig Umwege, wobei es sowohl fördernde als auch hemmende Einflüsse gibt. So kann sichergestellt werden, dass die Zellen sich exakt so verhalten, wie es ihre inneren und äußeren Signale von ihnen verlangen.

Welche TMS-Relevanz hat dieses Thema?

Im TMS kommt dieses Thema sehr häufig vor, zum Glück müsst ihr aber keine einzige Signalkaskade auswendig lernen. Alle relevanten Informationen findet ihr immer in der Aufgabenstellung, sodass kein Vorwissen nötig ist.

Trotzdem kann es helfen, das Prinzip von Signalkaskaden verstanden und ein paar Übungsaufgaben zu dem Thema bearbeitet zu haben. So fühlt ihr euch dann im TMS sicherer und wisst, mit welchen Bearbeitungsstrategien ihr die Aufgaben lösen könnt.

Ausführlich erklärte Beispielaufgabe

Betrachten wir einmal eine Beispielaufgabe:

Zyklisches GMP (cGMP) ist ein wichtiger sekundärer Botenstoff in einer Vielzahl von Zellen, unter anderen in Cardiomyozyten (Herzmuskelzellen). Hergestellt wird cGMP durch die lösliche Guanylatzyklase, welche GTP zu cGMP umwandelt. Abgebaut wird cGMP durch das Enzym Phosphodiesterase-5. Wenn viel cGMP vorliegt, wird die Proteinkinase G aktiviert, welche anschließend Phospholamban phosphoryliert. Phospholamban reguliert den Calcium-Einstrom aus dem Zytosol in das sarkoplasmatische Retikulum und ermöglicht diesen nur in phosphorylierter Form. Wenn der Calcium-Einstrom in das sarkoplasmatische Retikulum gestört ist, kommt es zu einer vermehrten Erstarrung des Herzens. Tadalafil hemmt die Phosphodiesterase-5 und Vericiguat stimuliert die lösliche Guanylatzyklase.

Welche Aussagen lassen sich am ehesten ableiten?

• I. Eine erhöhte cGMP-Konzentration führt zu einem starreren Herz.
• II. Wenn Tadalafil eingenommen wird, liegt Phospholamban häufiger dephosphoryliert vor.
• III. Vericiguat und Tadalafil verstärken sich in ihrem Effekt auf das Herz.

Lösungsweg

Wenn ihr jetzt überfordert seid: Keine Sorge! Die Aufgabe ist schon auf vollem TMS-Niveau, aber mit ein paar Tricks lässt sie sich trotzdem leicht lösen.

Die größte Hilfe sind hier wie so häufig bei Mednat: Skizzen!

 
Fangen wir an: In der Aufgabe scheint es vor allen Dingen um cGMP zu gehen, daher zeichnen wir cGMP einmal in der Mitte ein.

Im weiteren Verlauf wird sowohl die Herstellung, als auch der Abbau und die Wirkung von cGMP erklärt. Die Informationen können wir der Reihe nach hinzufügen, wobei ein Pfeil „fördert/stellt her/aktiviert“ heißt und ein Strich „baut ab/hemmt/deaktiviert“.

Die lösliche Guanylatzyklase (wir kürzen sie einmal mit l. GC ab) stellt cGMP her:

Die Phosphodiesterase-5 (wir kürzen sie einmal mit PDE5 ab) baut cGMP ab:

So, damit hätten wir schon einmal die Einflussfaktoren auf die Konzentration von cGMP geschafft. Aber was macht das cGMP dann? Auch das ist im Text enthalten.

cGMP aktiviert die Proteinkinase G (PKG):

Die Proteinkinase G phosphoryliert jetzt Phospholamban (PLN). Ist eine Phosphorylierung aktivierend oder deaktivierend? Das ist von Fall zu Fall unterschiedlich, aber weiter hinten in der Aufgabe finden wir die Info: Nur, wenn PLN phosphoryliert ist, erfüllt es seine Funktion, den Calcium-Einstrom zu erhöhen. Also können wir die Phosphorylierung hier als Aktivierung betrachten:

Zuletzt fügen wir noch das Erstarren des Herzens hinzu. Da dies erfolgt, wenn der Calcium-Einstrom ausbleibt, verhindert dieser quasi das Erstarren:

Damit haben wir jetzt einen vollständigen Überblick über den Regelkreislauf und können schon I. beantworten:
Wenn cGMP steigt, dann ist die Proteinkinase G vermehrt aktiviert, sodass Phospholamban vermehrt phosphoryliert wird und somit mehr Calcium in das sarkoplasmatische Retikulum einströmt. Und wie wir eben gesehen haben, verhindert dies das Erstarren. Option I. ist also falsch.

Leider bleibt es im TMS häufig nicht bei den reinen Regelkreisen, sondern es werden mögliche Veränderungen von außen genannt, die an einer Stelle ansetzen. Aufgabe ist es dann, abzuleiten, wie sich die nachfolgenden Prozessteile verhalten.

Gucken wir uns zuerst Tadalafil an. Tadalafil hemmt die PDE5:

Was bedeutet das nun? Schauen wir uns einmal Option II. an:

Wenn Tadalafil eingenommen wird, liegt Phospholamban häufiger dephosphoryliert vor.

Tadalfil hemmt die PDE5. Diese baut aber cGMP ab. Wenn weniger abgebaut wird, ist es nur logisch, dass sich mit der Zeit mehr cGMP ansammelt. Die cGMP-Konzentration steigt also und wir können die Überlegung von eben einfach wiederholen: Mehr cGMP -> mehr PKG -> mehr Phosphorylierung. Also ist auch II. falsch.

Zuletzt schauen wir uns Vericiguat an. Hier müssen wir gar nicht mal alles bis zum Ende hin durchdenken, da Option III. ja nur danach fragt, ob sich Vericiguat und Tadalafil verstärken. In anderen Worten ist also gefragt, ob die beiden Medikamente den gleichen Effekt auf die cGMP-Konzentration haben. Zeichnen wir Vericiguat mal ein:

Wir ihr seht, ist das der Fall! Vericiguat steigert die Herstellung von cGMP, während Tadalfil den Abbau verhindert. Beide erhöhen also die cGMP-Konzentration. Option III. ist damit korrekt!

Schlussworte

Geschafft! 🥳 Das war ein langer Weg und mit den vielen Fachbegriffen klingen die Aufgaben häufig sehr verwirrend. Aber wenn ihr diese Aufgabe verstanden habt und selbst lösen könntet, dann seid ihr optimal auf alle Aufgaben zu Signalkaskaden im TMS vorbereitet. Denn diese Aufgabe ist nicht nur auf TMS-Niveau, sie gehört sogar zu der schwierigeren Hälfte von dem, was euch in Mednat erwartet. Ihr könnt also schon ein kleines bisschen stolz auf euch sein, wenn ihr es bis hierher geschafft habt! 😊

In den ITB-Büchern und in unserer Testsimulation findet ihr noch weitere Aufgaben, die sich diesem Thema zuordnen lassen. Wir hoffen, euch mit diesem ausführlichen Beispiel die richtigen „Werkzeuge“ zum Lösen solcher Aufgaben gezeigt zu haben und sind uns sicher, dass ihr schon nach wenigen Untertests gekonnt Skizzen in Rekordzeit erstellen werdet!