Chemisches Signal

Signale und Signalwege in Zellen
Zellen müssen Signale empfangen, auf sie reagieren
und Signale zu anderen Zellen senden können
 Signalübertragungsprozesse sind biochemische (und z.T. elektrische) Prozesse
Beispiele: Ermüdung + Coffein  munter
starker Lichtreiz  Schließen der Augen
Glukosekonzentration im Blut steigt  Translation von glukoseabbauenden
Enzymen
Wie erklärt sich solch eine Wirkungskette molekularbiologisch?
Die Zellulare Signalverarbeitung besteht aus drei Teilschritten
- Aufnahme
- Übertragung
- Antwort
(Signalregistrierung an der Zellmembran)
(Chemische Aktivierung von Transkriptionsfaktoren)
(Transkription bestimmter Gene und Translation entsprechender Proteine)
Wiederholung:
Die Initiation ist ein Schlüsselprozeß zur Einleitung der Transkription
eines bestimmten Gens.
Dazu sind notwendig:
• Ein Promotor auf der DNA (TATA-Box)
• Spezifische Signalsequenzen auf der DNA
• Transkriptionsfaktoren
• RNA-Polymerase II
Initiationskomplex
Weitere Prozesse der Genregulation
Die Genregulation gewährleistet , daß zum richtigen Zeitpunkt im richtigen Gewebe in
den richtigen Zellen nur die jeweils notwendigen Gene aktiviert werden.
- Gen-Deaktivierung durch Chromatin-Umstrukturierung
- Regulation nach der Transkription – Spleißen der prä-mRNA
- Editieren von mRNA
- Regulation der mRNA-Translation
- Prä-translatorische Regulation der „Haltbarkeit“ synthetisierter Proteine
Die Regulation der Genexpression ist ein äußerst komplexer und genau determinierter
biochemischer Vorgang. Er stellt sicher, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur
die Proteine synthetisiert werden, welche die Eigenschaften (Phänotyp) der Zelle
bestimmen und die zu dem Zeitpunkt gerade funktionell benötigt werden (z.B. Herstellung
von Histon-Proteinen in der Phase vor der Zellteilung).
Was sind „Signale“ und wie werden sie in der Zelle detektiert?
In der Zellbiologie betrachtet man in erster Linie „chemische“ Signale. Sie können
von Zellen erkannt werden und Reaktionen (Transkriptionen bestimmter Gene) in
der Zelle auslösen.
Chemisches Signal: bestimmtes Proteinmolekül („Signalmolekül“)  Rezeptor
 extrazellularen Umgebung
Lokale Signale
- autokrine Signale
- parakrine Signale
Signale über größere Distanzen
- endokrine Signale
Chemische Signale erreichen
eine Zelle durch lokale
Diffusion oder (endokrin) durch
Zirkulatiuon des Blutes
 Signalmoleküle müssen von der Zelle erkannt werden – Rezeptor – und in der Zelle
determinierte Wirkungketten (z.B. Translation bestimmter Proteine) hervorrufen
Signalübertragungsweg
SIGNAL  REZEPTOR  SIGNALTRANSDUKTION  REAKTION
Einige wichtige Begriffe:
Signalmoleküle:
Spezielle Moleküle, deren Detektion durch Rezeptoren (meist über eine Kaskade weiterer
Prozesse) zu bestimmten Reaktionen in einer Zelle führt (z.B. Insulin, Adrenalin ...)
Rezeptor:
Spezielles, meist in die Zellmembran eingebautes Protein oder Proteinkomplex, an das
ein spezifisches Signalmolekül andocken kann, wodurch sich die Konformation des
Rezeptors ändert.
Es gibt auch intrazellulare Rezeptoren, die nach Aktivierung z.B. als Transkriptionsfaktoren
für bestimmte Gene wirken können.
Ligand: (oft ein Hormon)
„Paßform“ an einem Rezeptor, in das nur ein dafür passendes Signalmolekül andocken kann.
Ionenkanäle:
Bereiche in der Zellmembran, die geladene Teilchen (z.B. Na+ oder Ca 2+ Ionen) in die
Zelle diffundieren lassen (geöffneter Ionenkanal) oder das Eindiffundieren verhindern
(geschlossener Ionenkanal)  Nervenzellen
Sekundärer Botenstoff:
Intrazellulare Substanz, deren Konzentration durch Primärsignale verändert wird.
Die 6 Phasen der Signalübertragung in Zellen
1. Synthese von Signalmolekülen (niedermolekulare Verbindungen, Aminosäurederivate, Peptide, Proteine)
2. Freisetzung des Signalmoleküls durch die Ausgangs- oder Signalzelle (Vesikelentleerung)
3. Transport zur Zielzelle (autokrin, parakrin und endokrin)
4. Erkennung sowie Bindung des Signalmoleküls durch ein spezifisches Rezeptorprotein
5. Veränderung von Stoffwechsel, Aktivität oder Entwicklung der Zelle durch den Komplex
aus Signalmolekül und Rezeptor
 Konzentrationsänderung von Molekülen und Ionen im Cytoplasma
 Transkription und Translation spezifischer Gene
6. Entfernen des Signals  Beendigung der Reaktion der Zelle auf diese Signal
Einige spezifisch wirkende Signalmoleküle werden als Hormone bezeichnet.
Beispielhafter Signalübertragungsweg (Escherichia coli)
• Ein Rezeptor verändert seine
Konformation, nachdem ein
Signalmolekül angedockt ist
• Die Konformationsänderung des
Rezeptors erzeugt eine Proteinkinaseaktivität
• Die Phosphorylierung verändert
die Funktion eines Effektorproteins
• Signalverstärkung
• Ein Transkriptionsfaktor wird aktiviert
• Die Synthese eines entsprechenden
Proteins wird angeschaltet
• Die Aktivität dieses Proteins verändert
die Zellaktivität
Rezeptoren
Rezeptoren können in der Plasmamembran oder im Inneren einer Zelle liegen
Spezielle, aber äußerst wichtige Rezeptoren sind Ionenkanäle (Regulation Na+ -Fluß)
Beispiel: Öffnung von Membranporen nach Stimulus
Signalübertragung (Signaltransduktion)
Ein bestimmtes Signalmolekül kann in unterschiedlichen Geweben unterschiedliche
Reaktionen auslösen
Beispiel: Adrenalin: Herzmuskelzelle
 stimuliert Herzmuskelkontraktionen
Muskeln Verdauungstrakt  hemmt Muskelkontraktionen
- direkte Signaltransduktion (direkte Rezeptorfunktion)
- indirekte Signaltransduktion (erfordert einen „sekundären Messenger“)
Kaskade biochemischer Reaktionen mit Verstärkungswirkung
Ein Eingangssignal kann Mehrfachreaktionen auslösen
- Proteinkinasenkaskaden können die Zellreaktion variieren (Bsp. Adrenalin)
Beispiel: Wirkungsweise von Insulin
Kontrolle des Blutzuckerspiegels
 führt zu
Bedingungen, die
einen Glukosetransport durch
die Zellmembran
ermöglichen
Was bewirken zellulare Signale?
Die Signalübertragung ist auf zellularer Ebene hochgradig reguliert. Für diese
Regulierung sind eine Vielzahl von speziellen Enzymen verantwortlich.
z.B. Proteinphosphatasen / GTPasen
Signaleffekte: Öffnung von Ionenkanälen (Nervensystem, Geruchsrezeptoren)
Veränderung von Enzymaktivitäten (Hemmung / Aktivierung)
Transkribierung und anschließende Translation verschiedener Gene
Zusammenfassendes Beispiel für eine Signaltransduktion zur
Auslösung einer Exocytose
dient der Verstärkung des
Eingangssignals
Nächstes Mal: Energie und Energiestoffwechsel von Zellen
ATP