Kommunikation der Zellen

Kommunikation der Zellen
INHALT:
1.
2.
3.
4.
Die Grundlagen
Komponenten der Signalwegen
Nervenzellenkommunikation
Komplexe Signalwege
1. Vorlesung
1.Vorlesung
2. Vorlesung
3. Vorlesung
Grundlagen der Zellkommunikation
1. Einleitung
2. Typen der Zellkommunikationen
3. Signalweitergabe
4. Regulierung der Signalwegen
Einleitung zur Grundlagen der
Zellkommunikation
Der Organismus der mehrzelligen Lebewesen wird von Zellen gebildet, welche durch ihre
interaktive Kommunikation im Laufe der Ontogenese die Entwicklung und den
Funktionsmechanismus des Organismus in kohärenter Einheit sichern. Die Zellen spalten
sich, differenzieren sich, überleben, sterben, bewegen sich, erhalten die biochemischen und
genetischen Mechanismen aufrecht, usw. Der Sinn der mehrzelligen Lebensform ist, dass die
Zellen die unterschiedlichen Funktionen teilen, unterschiedliche Zellenarten bilden. Die
spezialisierte Aufgabe können die Kontraktion, die Antwortgabe auf elektrische Impulse, die
Entgiftung, der Gasaustausch, die Sekretion von unterschiedlichen Stoffen, der Schutz den
fremden Eindringlingen gegenüber, die Sicherung der Körperstruktur, usw. Die erwähnten
Lebensabläufe können die Zellen versorgen, indem sie Signale annehmen und absenden,
wodurch sie sich verändern, ihren Funktionsmechanismus mit den Nachbarzellen
synchronisieren, oder sich von diesen gerade ganz abgrenzen. Das Thema enthält sehr viele
Details, deshalb versuchen wir in diesem Material statt den vollständigen Prozessen die
Hauptsache und Logik der Funktionsmechanismen vorzustellen.
Folie 1-11 Die Arten der Kommunikation der Zellen Innerhalb von einem Organismus
können die Zellen - durch Senden von Signalen - den eigenen Funktionsmechanismus und den
von anderen Zellen regulieren. Während der Regulation des eigenen Funktionsmechanismus
durch Signale (autokrine Kommunikation) geht es oft darum, dass das eigentlich an die
Nachbarzellen gesendete Signal auch, durch ein negatives Feed-back, auf die Rezeptoren der
sendenden Zelle wirkt. Das heißt, die sendende Zelle nimmt einfach wahr, ob sie genügend
Signalmoleküle in die Umgebung gestoßen hat. Wenn eine Zelle die Zellen aus ihrer nahen
Umgebung reguliert, also das Signalmolekül nicht weit wandert, dann reden wir über eine
parakrine Wirkung. Ein spezieller Fall der nahen Wirkung ist, wenn die miteinander
kommunizierenden Zellen physischen Kontakt miteinander haben: entweder kann von
juxtakriner Wirkung - nämlich die Interaktion zwischen Ligand und Rezeptoren -, oder von
der Gap- Junction - wenn die Kommunikation über die Membrane überbrückenden
speziellen Ionenkanäle der Nachbarzellen stattfindet - gesprochen werden.
1
Die ferne Verbindung wird durch die endokrine Kommunikation gesichert, während
welcher die endokrinen Drüsen Hormone in das Blut ausstoßen, welche sich den Zellen, die
über sie erkennenden Rezeptoren verfügen, anknüpfen. Es ist schwierig die synaptische
(=neurokrine) Verbindung in eine der Kategorien der nahen oder fernen Verbindungen
einzuordnen, da es sich eigentlich um eine Verbindung zwischen den sendenden (presynaptischen) und den annehmenden (post-synaptischen) Neuronen handelt, aber das
annehmende Neuron das Signal weiterleitet, und das Signal so auch fernliegende Ziele
erreicht. Aus bestimmter Hinsicht liegt der Unterschied zwischen dem hormonellen und
neuronalen Kontakt dort, dass im Gegensatz zu den endokrinen Drüsen die Nerven die
chemischen Signale, welche oft Hormone sind, gezielt (und schneller) transportieren. Nicht
nur die eigenen Zellen des Organismus können miteinander kommunizieren, sondern auch die
Zellen des Embryos können mit denen des Uterus (Plazenta) der Mutter, und ebenso die
pathogenen Bakterien (und die Viren, obwohl diese keine Zellen sind) mit den menschlichen
Zellen. Bestimmte Zellen der einzelnen Exemplare kommunizieren miteinander auf
chemischer Weise, über Pheromone, was hauptsächlich das Sexualverhalten reguliert. Auch
von anderen Exemplaren ausgestoßene visuelle, und aus Kontakten stammende auditive
Signale können Teil der Kommunikation bilden, diese treffen zwar nicht in Form von
chemischen Signalen ein, aber während der Aufarbeitung wandeln sich diese in chemische
Signale um.
.
Weitere allgemeine Merkmale der Signalprozesse
FOLIE 13-20 Signaländerung Die in die Zelle eintreffende Information trifft in Form von
einem chemischen Molekül ein. Nach der Ankoppelung an den Rezeptoren wandelt sich
dieses Signal in ein anderes um. In weiterem Sinn ist die Konformationsveränderung des
Rezeptors auch ein geändertes Signal, aber in engerem Sinn versteht man unter
Signaländerung den Fall, wenn sich die sich an die Membran koppelnde Moleküle aktivieren.
Manche sind der Ansicht, dass die Entstehung der sekundären Botenstoffe die veränderte
Form des Signals bedeutet. Der Signaltransport (Relay) ist der Prozess, wenn die
intrazellulären Signalmoleküle das eintreffende Signal aneinander, einander aktivierend
weiterleiten. Die Signalamplifikation (Verstärkung) ist der Prozess, wo im Laufe dessen die
Zahl der aktivierten Moleküle bei jedem Schritt wächst.
Die Signalverstärkung ermöglicht, dass eine Zelle auch sehr schwache Inputs wahrnimmt. Die
cAMP Route betrachtet produziert eine Adenylatcyclase Moleküle viele cAMP-s; eine
Proteinkinase A Moleküle viele andere Kinasen, jede von diesen ist in der Lage mehrere
Kinase-Enzyme zu aktivieren. Die Signaldivergenz bedeutet, dass ein Signal auf mehr als ein
Effektormolekül wirkt, was dann weitere, voneinander unabhängige Wirkungen in der Zelle
generiert. Während der Signalmodulation wirken bestimmte Proteinmoleküle auf einen
gegebenen Signalprozess meistens hemmend.
FOLIE 21-23 Interaktion zwischen den Komponenten der Signalwege Grundsätzliche
Eigenheit der Signalwege ist die Interaktion: zeitlich gemessen wirkt ein vorher aktives
(upstream) Element auf das darauffolgende (downstream). In einem Signalprozess gibt es
aber mehrere solche Punkte, wo ein normalerweise später funktionierender Komponent auf
die Funktion des vorher funktionierenden Komponents wirkt. Wenn die Rückwirkung
verstärkend ist, dann redet man von einer positiven Rückwirkung (feedback), wenn diese
hemmend ist, dann über eine negative. Die Signalwege kommunizieren miteinander (crosstalk= Kreuzender Effekt), können die Wirkung voneinander positiv oder negativ modulieren.
Die unterschiedlichen Signalwege können sich so aneinanderknüpfen, dass sie über einem
gemeinsamen Komponent verfügen. Man spricht über die Integration der Signale wenn ein
2
Effektor-Molekül die Inputs von zwei unterschiedlichen Signalwegen bekommt, und die
Folge dieser bestimmt die Effektorwirkung. Die Integration kann auch so zustande kommen,
dass z.B. einen Komponenten des Effektor-Moleküls der eine Weg, den anderen
Komponenten der andere Weg produziert. Wenn einer nicht entsprechend funktioniert,
entstehen keine funktionsfähigen Effektor-Moleküle. Auf der Folie sind die Interaktion und
die Integration von wahrhaften Signalwegen zu sehen. Im Laufe der Vorlesung werden wir
uns nicht mit jeder von diesen beschäftigen ( z.B. Wnt, Hedgehog, extrazelluläres Matrix), die
anderen werden aus dem Ergänzungsmaterial dann verständlich.
FOLIE 24-25 Die Desensibilisierung einer Zielzelle kann auf verschiedene Weisen
vorkommen. Desensitisation geschieht auf verschiedene Arten: 1. Rezeptorsequestrierung:
Ligandbindung kann zur Endozytose und zeitweisem Einschliessen in Endosomen führen 2.
Rezeptor-Down-Regulierung: Lysosomen könnten weiter die Rezeptoren zerstören, was
Rezeptor down-Regulation genannt wird 3. Die Rezeptoren werden sofort inaktiviert, z.B.
durch Phosphorylierung 4. Veränderung und Inaktivierung des Signalproteins 5. Produktion
eines Inhibitors, der den Transduktionsprozess stoppt.
FOLIE 26 Ein Ligand wirkt auf mehrere Rezeptoren Die Zahl der Rezeptoren beträgt viel
mehr als die der Liganden. Die mathematische Folge dieser Tatsache ist, dass ein Ligand auf
mehrere Rezeptoren wirkt. Die Rezeptoren, die den gleichen Ligand erkennen sind meistens
auf demselben Zellentypen platziert (nicht in jedem Fall, z.B. können an derselben
Nervenzelle unterschiedliche Glutamatrezeptoren platziert sein). Wir stellen die Situation am
Beispiel des Acetylcholin (Ach) Rezeptor dar. Wie man sieht ruft Ach in der glatten
Muskulatur und im Herzmuskel eine Entspannung hervor, aber in der quergestreiften
Muskulatur eine Kontraktion. Grund hierfür ist, dass, während in der Skelettmuskulatur das
Ach sich an den Ionenkanal-gesteuerte Rezeptor koppelt, knüpft es in der glatten Muskulatur
an den G-Protein gekoppelten Rezeptor an. Weiterhin löst Ach in der Speicheldrüse und der
Bauchspeicheldrüse Sekretion aus (regt sowohl den Ausstoß von Enzymen, als auch den von
Insulin an), und regt die Nervenzellen (meist Neuro-Transmitter) zum Abfeuern an.
FOLIE 28-29 Das Schicksal einer Zelle hängt von den eintreffenden
Signalkombinationen ab Zum am Leben bleiben der Zellen ist es notwendig, dass sie ständig
unterschiedliche Signale ( Überlebensfaktoren ) bekommen. Zur Spaltung und
Differenzierung sind außer den Überlebensfaktoren noch weitere Komponenten notwendig,
dies sind die Differenzierungsfaktoren. Wenn die Zellen keine Überlebensfaktoren erhalten,
oder Todessignale bekommen, dann ist die Folge ein programmierter Zellentod. Die Apoptose
kann auch ohne äußere Faktoren, infolge der Wirkung von inneren Signalen ablaufen.
FOLIE 30 Schnelle und langsame Signalwege Das Tempo eines Signalprozesses hängt
davon ab, aus wie vielen Komponenten der Signalweg besteht. Die gegenseitige Aktivierung
der Komponente ist aber ein sehr schneller Prozess, so ist der Unterschied zwischen einem
kürzeren und einem längeren Signalweg nicht bedeutend. Das Tempo der Signalwege wird
verlangsamt, wenn die Veränderung der Aktivität der Gene auch Zielpunkt des Signalweges
ist. Ursprünglich nennt man die Signalwege schnell, bei welchen sich die DNS Aktivität nicht
ändert, und die werden langsam genannt, bei welchen das Entstehen der neuen Proteine auch
Teil des Signalprozess ist.
3