Ein Second Messenger (sekundärer Botenstoff) ist ein intrazelluläres Signalmolekül, das nach Bindung eines extrazellulären First Messenger (Hormon, Neurotransmitter) im Zellinneren freigesetzt wird und das Signal verstärkt und weiterleitet. Klassische Second Messenger sind cAMP, cGMP, IP3, DAG, Ca2+.
1. Ein extrazelluläres Signalmolekül bindet an einen membranständigen Rezeptor (häufig G-Protein-gekoppelter Rezeptor, GPCR).
2. Die Bindung aktiviert ein heterotrimeres G-Protein (α-, β-, γ-Untereinheit). GDP wird gegen GTP ausgetauscht.
3. Die Gα-Untereinheit aktiviert ein Effektorenzym (z. B. Adenylatcyclase).
4. Das Effektorenzym produziert den Second Messenger (z. B. cAMP aus ATP).
5. Der Second Messenger aktiviert nachgeschaltete Kinasen (z. B. Proteinkinase A), die Zielproteine phosphorylieren.
6. Es kommt zu einer biologischen Antwort (Stoffwechselveränderung, Genregulation, Kontraktion).
Adrenalin bindet an den β2-Rezeptor der Leberzelle. Über Gs-Protein wird die Adenylatcyclase aktiviert, die ATP in cAMP umwandelt. cAMP aktiviert Proteinkinase A, diese phosphoryliert die Phosphorylase-Kinase, welche schließlich die Glykogenphosphorylase aktiviert. Glykogen wird zu Glucose-1-Phosphat abgebaut, der Blutzucker steigt. Ein einziges Adrenalinmolekül kann so Tausende von Glucosemolekülen freisetzen – massive Signalverstärkung.
• Phospholipase C spaltet PIP2 in IP3 und DAG. IP3 öffnet Ca2+-Kanäle im endoplasmatischen Retikulum, DAG aktiviert Proteinkinase C.
• cGMP-Weg: Stickstoffmonoxid (NO) aktiviert die lösliche Guanylatcyclase, cGMP entspannt glatte Gefäßmuskulatur (Vasodilatation, Wirkprinzip von Viagra).
• Ca2+ selbst wirkt als universeller Second Messenger (Muskelkontraktion, Exocytose).
• Verstärkung: Ein einziges Hormonmolekül setzt enzymatische Kaskaden in Gang.
• Vielseitigkeit: Ein Second Messenger kann verschiedene Zielproteine ansteuern.
• Schnelligkeit: Innerhalb von Millisekunden bis Sekunden.
• Regulierbarkeit: Phosphodiesterasen bauen cAMP wieder ab und beenden das Signal.
Der First Messenger gelangt NICHT in die Zelle – er wirkt extrazellulär. Der Second Messenger wird intrazellulär erst nach Rezeptoraktivierung produziert. Steroidhormone sind eine Ausnahme: Sie diffundieren direkt in die Zelle.
Zusammenfassung: Hormon → GPCR → G-Protein → Adenylatcyclase → cAMP → Proteinkinase A → Zielprotein. Massive Verstärkung durch enzymatische Kaskade.
Abitur-Tipp: Für das Hessen-Abi reicht meist das cAMP-Beispiel (Adrenalin/Glykogen). Achte auf den Begriff Signaltransduktion und auf die Verstärkungswirkung.