Beschreibung der Signaltransduktion
Als lebende Organismen empfangen und interpretieren wir ständig Signale aus unserer Umgebung. Diese Signale können in Form von Licht, Wärme, Gerüchen, Berührung oder Ton auftreten. Die Zellen unseres Körpers empfangen auch ständig Signale von anderen Zellen. Diese Signale sind wichtig, um Zellen am Leben zu erhalten und zu funktionieren sowie wichtige Ereignisse wie Zellteilung und-differenzierung zu stimulieren.,
Signale sind meistens Chemikalien, die in der extrazellulären Flüssigkeit um Zellen herum gefunden werden können. Diese Chemikalien können von entfernten Stellen im Körper (endokrine Signalisierung durch Hormone), von nahe gelegenen Zellen (parakrine Signalisierung) stammen oder sogar von derselben Zelle sezerniert werden (autokrine Signalisierung).
Abbildung \(\PageIndex{1}\)., (CC BY-NC-SA)
Signalmoleküle können eine beliebige Anzahl zellulärer Reaktionen auslösen, einschließlich einer Änderung des Stoffwechsels der Zelle, die das Signal empfängt, oder einer Änderung der Genexpression (Transkription) innerhalb des Zellkerns der Zelle oder beider.
Übersicht der Zellsignalisierung
Die Zellsignalisierung kann in 3 Stufen unterteilt werden.
1. Empfang: Eine Zelle erkennt ein Signalmolekül von der Außenseite der Zelle. Ein Signal wird erkannt, wenn das chemische Signal (auch als Ligand bezeichnet) an ein Rezeptorprotein auf der Oberfläche der Zelle oder innerhalb der Zelle bindet.
2., Transduktion: Wenn das Signalmolekül den Rezeptor bindet, verändert es das Rezeptorprotein in irgendeiner Weise. Diese Änderung initiiert den Prozess der Transduktion. Signaltransduktion ist in der Regel ein Weg von mehreren Schritten. Jedes Relaismolekül im Signaltransduktionsweg ändert das nächste Molekül im Weg.
3. Antwort: Schließlich löst das Signal eine bestimmte zelluläre Antwort aus.
Abbildung \(\PageIndex{2}\)., (CC BY-NC-SA)
Empfang
Membranrezeptoren funktionieren, indem sie das Signalmolekül (Ligand) binden und die Produktion eines zweiten Signals (auch als zweiter Bote bekannt) verursachen, das dann eine zelluläre Antwort verursacht. Diese Art von Rezeptoren übertragen Informationen aus der extrazellulären Umgebung an das Innere der Zelle, indem sie ihre Form ändern oder sich mit einem anderen Protein verbinden, sobald ein bestimmter Ligand daran bindet. Beispiele für Membranrezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und Rezeptor-Tyrosinkinasen.
Abbildung \(\PageIndex{3}\)., (CC BY-NC-SA)
Intrazelluläre Rezeptoren befinden sich innerhalb der Zelle, entweder im Zytopolasmus oder im Kern der Zielzelle (der Zelle, die das Signal empfängt). Hydrophobe oder sehr kleine chemische Botenstoffe (z. B. Steroidhormone) können die Plasmamembran ohne Hilfe passieren und diese intrazellulären Rezeptoren binden. Sobald der aktivierte Rezeptor durch das Signalmolekül gebunden und aktiviert ist, kann er eine zelluläre Reaktion auslösen, z. B. eine Änderung der Genexpression.
Abbildung \(\PageIndex{3}\)., (CC BY-NC-SA)
Transduktion
Da Signalsysteme auf geringe Konzentrationen chemischer Signale reagieren und schnell wirken müssen, verwenden Zellen häufig einen mehrstufigen Weg, der das Signal schnell überträgt, während das Signal bei jedem Schritt an zahlreiche Moleküle verstärkt wird.
Schritte im Signaltransduktionsweg beinhalten häufig die Zugabe oder Entfernung von Phosphatgruppen, was zur Aktivierung von Proteinen führt. Enzyme, die Phosphatgruppen von ATP auf ein Protein übertragen, werden Proteinkinasen genannt., Viele der Relaismoleküle in einem Signaltransduktionsweg sind Proteinkinasen und wirken häufig auf andere Proteinkinasen im Weg. Oft entsteht dadurch eine Phosphorylierungskaskade, in der ein Enzym ein anderes phosphoryliert, das dann ein anderes Protein phosphoryliert und eine Kettenreaktion verursacht.
Wichtig für die Phosphorylierungskaskade ist auch eine Gruppe von Proteinen, die als Proteinphosphatasen bekannt sind. Proteinphosphatasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen schnell aus Proteinen entfernen (Dephosphorylierung) und damit Proteinkinasen inaktivieren können., Proteinphosphatasen sind der „Aus-Schalter“ im Signaltransduktionsweg. Das Ausschalten des Signaltransduktionswegs, wenn das Signal nicht mehr vorhanden ist, ist wichtig, um sicherzustellen, dass die zelluläre Reaktion angemessen reguliert wird. Die Dephosphorylierung stellt auch Proteinkinasen zur Wiederverwendung zur Verfügung und ermöglicht es der Zelle, erneut zu reagieren, wenn ein anderes Signal empfangen wird.
Kinasen sind nicht die einzigen Werkzeuge, die Zellen bei der Signaltransduktion verwenden., Kleine, nicht proteine, wasserlösliche Moleküle oder Ionen, die als zweite Botenstoffe bezeichnet werden (der Ligand, der den Rezeptor bindet, ist der erste Bote), können auch Signale, die von Rezeptoren auf der Zelloberfläche empfangen werden, an Zielmoleküle im Zytoplasma oder im Zellkern weiterleiten. Beispiele für zweite Botenstoffe sind zyklische AMP (cAMP) und Calciumionen.
Abbildung \(\PageIndex{4}\). (CC BY-NC-SA)
Antwort
Zellsignalisierung führt letztlich zur Regulierung einer oder mehrerer zellulärer Aktivitäten., Die Regulation der Genexpression (Ein-oder Ausschalten der Transkription spezifischer Gene) ist ein häufiges Ergebnis der Zellsignalisierung. Ein Signalweg kann auch die Aktivität eines Proteins regulieren, beispielsweise einen Ionenkanal in der Plasmamembran öffnen oder schließen oder eine Veränderung des Zellstoffwechsels fördern, wie beispielsweise den Abbau von Glykogen katalysieren. Signalwege können auch zu wichtigen zellulären Ereignissen wie Zellteilung oder Apoptose (programmierter Zelltod) führen.