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 (Signalregistrierung an der Zellmembran)- Übertragung (Chemische Aktivierung von Transkriptionsfaktoren)- Antwort (Transkription bestimmter Gene und Translation entsprechender Proteine)

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

Wiederholung:

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 determinierterbiochemischer Vorgang. Er stellt sicher, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur die Proteine synthetisiert werden, welche die Eigenschaften (Phänotyp) der Zellebestimmen und die zu dem Zeitpunkt gerade funktionell benötigt werden (z.B. Herstellungvon 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 könnenvon Zellen erkannt werden und Reaktionen (Transkriptionen bestimmter Gene) inder Zelle auslösen.

Chemisches Signal: bestimmtes Proteinmolekül („Signalmolekül“) Rezeptor

extrazellularen Umgebung

Lokale Signale

- autokrine Signale- parakrine Signale

Signale über größere Distanzen

- endokrine Signale

Chemische Signale erreicheneine Zelle durch lokaleDiffusion oder (endokrin) durchZirkulatiuon des Blutes

Signalmoleküle müssen von der Zelle erkannt werden – Rezeptor – und in der Zelledeterminierte Wirkungketten (z.B. Translation bestimmter Proteine) hervorrufen

SIGNAL REZEPTOR SIGNALTRANSDUKTION REAKTION

Signalübertragungsweg

Einige wichtige Begriffe:

Signalmoleküle: Spezielle Moleküle, deren Detektion durch Rezeptoren (meist über eine Kaskade weitererProzesse) zu bestimmten Reaktionen in einer Zelle führt (z.B. Insulin, Adrenalin ...)

Rezeptor:Spezielles, meist in die Zellmembran eingebautes Protein oder Proteinkomplex, an dasein spezifisches Signalmolekül andocken kann, wodurch sich die Konformation des Rezeptors ändert.

Es gibt auch intrazellulare Rezeptoren, die nach Aktivierung z.B. als Transkriptionsfaktorenfür 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 dieZelle 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, Aminosäure-derivate, 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 Komplexaus 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 Signalübertragungs-weg (Escherichia coli)

• Ein Rezeptor verändert seineKonformation, nachdem einSignalmolekül angedockt ist

• Die Konformationsänderung desRezeptors erzeugt eine Protein-kinaseaktivität

• Die Phosphorylierung verändertdie Funktion eines Effektorproteins

• Signalverstärkung

• Ein Transkriptionsfaktor wird aktiviert

• Die Synthese eines entsprechenden Proteins wird angeschaltet

• Die Aktivität dieses Proteins verändertdie 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 unterschiedlicheReaktionen auslösen

Beispiel: Adrenalin: Herzmuskelzelle stimuliert HerzmuskelkontraktionenMuskeln Verdauungstrakt hemmt Muskelkontraktionen

- direkte Signaltransduktion (direkte Rezeptorfunktion)- indirekte Signaltransduktion (erfordert einen „sekundären Messenger“)

Kaskade biochemischer Reaktionen mit VerstärkungswirkungEin Eingangssignal kann Mehrfachreaktionen auslösen

- Proteinkinasenkaskaden können die Zellreaktion variieren (Bsp. Adrenalin)

Beispiel: Wirkungsweise von Insulin

führt zu Bedingungen, dieeinen Glukose-transport durchdie Zellmembranermöglichen

Kontrolle des Blutzucker-spiegels

Was bewirken zellulare Signale?

Die Signalübertragung ist auf zellularer Ebene hochgradig reguliert. Für dieseRegulierung 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 desEingangssignals

Nächstes Mal: Energie und Energiestoffwechsel von Zellen

ATP