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9.1A: Signalmoleküle und zelluläre Rezeptoren - Biologie

9.1A: Signalmoleküle und zelluläre Rezeptoren - Biologie


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Die zelluläre Kommunikation gewährleistet die Regulierung biologischer Prozesse in verschiedenen Umgebungen, von einzelligen bis zu mehrzelligen Organismen.

Lernziele

  • Erklären Sie die Bedeutung der Zellkommunikation

Wichtige Punkte

  • Die Fähigkeit von Zellen, durch chemische Signale zu kommunizieren, stammt von einzelnen Zellen und war für die Evolution mehrzelliger Organismen unerlässlich.
  • In vielzelligen Organismen senden und empfangen Zellen ständig chemische Botschaften, um die Aktionen entfernter Organe, Gewebe und Zellen zu koordinieren.
  • Zellen können eine Nachricht empfangen, die Informationen über die Plasmamembran übertragen und dann als Reaktion auf die Nachricht Veränderungen innerhalb der Zelle erzeugen.
  • Einzellige Organismen wie Hefen und Bakterien kommunizieren miteinander, um die Paarung und Koordination zu unterstützen.
  • Die zelluläre Kommunikation hat sich als Mittel entwickelt, um mit der Umwelt zu kommunizieren, biologische Veränderungen herbeizuführen und gegebenenfalls das Überleben zu sichern.

Schlüsselbegriffe

  • Biofilm: ein dünner Schleimfilm, der von einer Kolonie von Bakterien und anderen Mikroorganismen gebildet wird und diese enthält

Einführung: Signalmoleküle und zelluläre Rezeptoren

Stellen Sie sich vor, wie das Leben aussehen würde, wenn Sie und die Menschen um Sie herum nicht kommunizieren könnten. Sie könnten anderen weder Ihre Wünsche äußern, noch könnten Sie Fragen stellen, um mehr über Ihr Umfeld zu erfahren. Die soziale Organisation hängt von der Kommunikation zwischen den Individuen ab, aus denen diese Gesellschaft besteht; Ohne Kommunikation würde die Gesellschaft auseinanderbrechen.

Wie beim Menschen ist es für die einzelnen Zellen von entscheidender Bedeutung, mit ihrer Umgebung interagieren zu können. Dies gilt unabhängig davon, ob eine Zelle in einem Teich von selbst wächst oder eine von vielen Zellen ist, die einen größeren Organismus bilden. Um richtig auf äußere Reize zu reagieren, haben Zellen komplexe Kommunikationsmechanismen entwickelt, die eine Nachricht empfangen, die Informationen über die Plasmamembran übertragen und dann als Reaktion auf die Nachricht Veränderungen innerhalb der Zelle erzeugen können.

In vielzelligen Organismen senden und empfangen Zellen ständig chemische Botschaften, um die Aktionen entfernter Organe, Gewebe und Zellen zu koordinieren. Die Fähigkeit, Nachrichten schnell und effizient zu senden, ermöglicht es den Zellen, ihre Funktionen zu koordinieren und zu optimieren.

Während die Notwendigkeit einer zellulären Kommunikation bei größeren Organismen offensichtlich erscheint, kommunizieren sogar einzellige Organismen miteinander. Hefezellen signalisieren sich gegenseitig, um die Paarung zu unterstützen. Einige Bakterienarten koordinieren ihre Aktionen, um große Komplexe zu bilden, die Biofilme genannt werden, oder um die Produktion von Toxinen zu organisieren, um konkurrierende Organismen zu entfernen. Die Fähigkeit von Zellen, durch chemische Signale zu kommunizieren, stammt von einzelnen Zellen und war für die Evolution mehrzelliger Organismen unerlässlich. Die effiziente und fehlerfreie Funktion von Kommunikationssystemen ist für alle Lebensformen von entscheidender Bedeutung.


Abbildung 1. Hydrophobe Signalmoleküle diffundieren typischerweise durch die Plasmamembran und interagieren mit intrazellulären Rezeptoren im Zytoplasma. Viele intrazelluläre Rezeptoren sind Transkriptionsfaktoren, die mit DNA im Zellkern interagieren und die Genexpression regulieren.

Interne Rezeptoren, auch als intrazelluläre oder zytoplasmatische Rezeptoren bekannt, befinden sich im Zytoplasma der Zelle und reagieren auf hydrophobe Ligandenmoleküle, die durch die Plasmamembran wandern können. Im Inneren der Zelle binden viele dieser Moleküle an Proteine, die als Regulatoren der mRNA-Synthese (Transkription) fungieren, um die Genexpression zu vermitteln. Die Genexpression ist der zelluläre Prozess, bei dem die Informationen in der DNA einer Zelle in eine Sequenz von Aminosäuren umgewandelt werden, die letztendlich ein Protein bilden. Wenn der Ligand an den internen Rezeptor bindet, wird eine Konformationsänderung ausgelöst, die eine DNA-Bindungsstelle am Protein freilegt. Der Ligand-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern, bindet dann an spezifische regulatorische Regionen der chromosomalen DNA und fördert die Initiation der Transkription (Abbildung 1). Transkription ist der Prozess des Kopierens der Informationen in der DNA einer Zelle in eine spezielle Form von RNA namens Messenger-RNA (mRNA). in der richtigen Reihenfolge ein Protein produzieren. Interne Rezeptoren können die Genexpression direkt beeinflussen, ohne das Signal an andere Rezeptoren oder Botenstoffe weitergeben zu müssen.


Formen der Signalisierung

Es gibt vier Kategorien chemischer Signalübertragung in vielzelligen Organismen: parakrine Signalübertragung, endokrine Signalübertragung, autokrine Signalübertragung und direkte Signalübertragung über Gap Junctions (Abbildung). Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Signalisierungskategorien ist die Entfernung, die das Signal durch den Organismus zurücklegt, um die Zielzelle zu erreichen. Nicht alle Zellen werden von den gleichen Signalen beeinflusst.

Bei der chemischen Signalübertragung kann eine Zelle auf sich selbst (autokrine Signalübertragung), eine durch Gap Junctions verbundene Zelle, eine nahegelegene Zelle (parakrine Signalübertragung) oder eine entfernte Zelle (endokrine Signalübertragung) abzielen. Die parakrine Signalübertragung wirkt auf nahegelegene Zellen, die endokrine Signalübertragung nutzt das Kreislaufsystem zum Transport von Liganden und die autokrine Signalübertragung wirkt auf die Signalzelle. Die Signalübertragung über Gap Junctions beinhaltet Signalmoleküle, die sich direkt zwischen benachbarten Zellen bewegen.


Biologie 171


Stellen Sie sich vor, wie das Leben aussehen würde, wenn Sie und die Menschen um Sie herum nicht kommunizieren könnten. Sie könnten anderen weder Ihre Wünsche äußern, noch könnten Sie Fragen zu Ihrem Standort stellen. Die soziale Organisation hängt von der Kommunikation zwischen den Individuen ab, aus denen diese Gesellschaft besteht. Ohne Kommunikation würde die Gesellschaft auseinanderbrechen.

Wie beim Menschen ist es für die einzelnen Zellen von entscheidender Bedeutung, mit ihrer Umwelt interagieren zu können. Dies gilt sowohl für einen einzelligen Organismus, der in einer Pfütze wächst, als auch für ein großes Tier, das in einer Savanne lebt. Um richtig auf äußere Reize zu reagieren, haben Zellen komplexe Kommunikationsmechanismen entwickelt, die eine Nachricht empfangen, die Informationen über die Plasmamembran übertragen und dann als Reaktion auf die Nachricht Veränderungen innerhalb der Zelle hervorrufen können.

In vielzelligen Organismen senden und empfangen Zellen ständig chemische Botschaften, um die Aktionen entfernter Organe, Gewebe und Zellen zu koordinieren. Die Fähigkeit, Nachrichten schnell und effizient zu senden, ermöglicht es den Zellen, ihre Funktionen zu koordinieren und zu optimieren.

Während die Notwendigkeit einer zellulären Kommunikation bei größeren Organismen offensichtlich erscheint, kommunizieren sogar einzellige Organismen miteinander. Hefezellen signalisieren sich gegenseitig, um bei der Suche nach anderen Hefezellen für die Reproduktion zu helfen. Einige Bakterienarten koordinieren ihre Aktionen, um große Komplexe zu bilden, die Biofilme genannt werden, oder um die Produktion von Toxinen zu organisieren, um konkurrierende Organismen zu entfernen. Die Fähigkeit von Zellen, durch chemische Signale zu kommunizieren, stammt von einzelnen Zellen und war für die Evolution mehrzelliger Organismen unerlässlich. Die effiziente und relativ fehlerfreie Funktion von Kommunikationssystemen ist lebenswichtig für alles Leben, wie wir es kennen.

Lernziele

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Beschreiben Sie vier Arten von Signalmechanismen, die in vielzelligen Organismen vorkommen
  • Vergleiche interne Rezeptoren mit Zelloberflächenrezeptoren
  • Den Zusammenhang zwischen der Struktur eines Liganden und seinem Wirkmechanismus erkennen

In der Welt der lebenden Zellen gibt es zwei Arten der Kommunikation. Die Kommunikation zwischen Zellen wird als interzelluläre Signalübertragung bezeichnet, und die Kommunikation innerhalb einer Zelle wird als intrazelluläre Signalübertragung bezeichnet. Eine einfache Möglichkeit, sich an die Unterscheidung zu erinnern, besteht darin, den lateinischen Ursprung der Präfixe zu verstehen: inter- bedeutet “zwischen” (z. B. sind sich schneidende Linien solche, die sich kreuzen) und Intra- bedeutet “inside” (wie in intravenös).

Chemische Signale werden von Signalzellen in Form von kleinen, meist flüchtigen oder löslichen Molekülen, den sogenannten Liganden, freigesetzt. Ein Ligand ist ein Molekül, das in einigen Fällen ein anderes spezifisches Molekül bindet und dabei ein Signal liefert. Liganden kann man sich daher als Signalmoleküle vorstellen. Liganden interagieren mit Proteinen in Zielzellen, also Zellen, die von chemischen Signalen beeinflusst werden. Diese Proteine ​​werden auch als Rezeptoren bezeichnet. Liganden und Rezeptoren existieren in mehreren Varianten, jedoch weist ein spezifischer Ligand einen spezifischen Rezeptor auf, der typischerweise nur diesen Liganden bindet.

Formen der Signalisierung

Es gibt vier Kategorien chemischer Signalübertragung in vielzelligen Organismen: parakrine Signalübertragung, endokrine Signalübertragung, autokrine Signalübertragung und direkte Signalübertragung über Gap Junctions ((Abbildung)). Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Signalisierungskategorien ist die Entfernung, die das Signal durch den Organismus zurücklegt, um die Zielzelle zu erreichen. Dabei ist zu beachten, dass nicht alle Zellen von den gleichen Signalen betroffen sind.


Parakrine Signalgebung

Signale, die lokal zwischen nahe beieinander liegenden Zellen wirken, werden als parakrine Signale bezeichnet. Parakrine Signale bewegen sich durch Diffusion durch die extrazelluläre Matrix. Diese Art von Signalen lösen normalerweise schnelle Reaktionen aus, die nur eine kurze Zeit dauern. Um die Reaktion lokalisiert zu halten, werden parakrine Ligandenmoleküle normalerweise schnell von Enzymen abgebaut oder von benachbarten Zellen entfernt. Das Entfernen der Signale stellt den Konzentrationsgradienten für das Signal wieder her, sodass sie bei erneuter Freisetzung schnell durch den intrazellulären Raum diffundieren können.

Ein Beispiel für parakrine Signalübertragung ist die Übertragung von Signalen über Synapsen zwischen Nervenzellen. Eine Nervenzelle besteht aus einem Zellkörper, mehreren kurzen, verzweigten Fortsätzen, den Dendriten, die Reize empfangen, und einem langen Fortsatz, dem Axon, der Signale an andere Nervenzellen oder Muskelzellen weiterleitet. Die Verbindung zwischen Nervenzellen, an der die Signalübertragung stattfindet, wird als Synapse bezeichnet. Ein synaptisches Signal ist ein chemisches Signal, das zwischen Nervenzellen wandert. Signale innerhalb der Nervenzellen werden durch sich schnell bewegende elektrische Impulse übertragen. Wenn diese Impulse das Ende des Axons erreichen, wird das Signal durch die Freisetzung chemischer Liganden, die Neurotransmitter genannt werden, aus der präsynaptischen Zelle (der Zelle, die das Signal aussendet) zu einem Dendriten der nächsten Zelle weitergeleitet. Die Neurotransmitter werden über die sehr kleinen Distanzen (20–40 Nanometer) zwischen Nervenzellen transportiert, die als chemische Synapsen bezeichnet werden ((Abbildung)). Der geringe Abstand zwischen den Nervenzellen ermöglicht eine schnelle Übertragung des Signals. Dies ermöglicht eine sofortige Reaktion, wie z. B. „Nimm deine Hand vom Herd!“

Wenn der Neurotransmitter den Rezeptor auf der Oberfläche der postsynaptischen Zelle bindet, ändert sich das elektrochemische Potenzial der Zielzelle und der nächste elektrische Impuls wird ausgelöst. Die Neurotransmitter, die in die chemische Synapse freigesetzt werden, werden schnell abgebaut oder von der präsynaptischen Zelle resorbiert, so dass sich die Empfängernervenzelle schnell erholen kann und darauf vorbereitet ist, schnell auf das nächste synaptische Signal zu reagieren.


Endokrine Signalübertragung

Signale von entfernten Zellen werden endokrine Signale genannt und stammen von endokrinen Zellen. (Im Körper befinden sich viele endokrine Zellen in endokrinen Drüsen wie der Schilddrüse, dem Hypothalamus und der Hypophyse.) Diese Arten von Signalen führen normalerweise zu einer langsameren Reaktion, haben aber eine länger anhaltende Wirkung. Die bei der endokrinen Signalübertragung freigesetzten Liganden werden Hormone genannt, Signalmoleküle, die in einem Teil des Körpers produziert werden, aber andere Körperregionen in einiger Entfernung beeinflussen.

Hormone legen die großen Entfernungen zwischen endokrinen Zellen und ihren Zielzellen über den Blutkreislauf zurück, was ein relativ langsamer Weg ist, sich durch den Körper zu bewegen. Aufgrund ihrer Transportform werden Hormone verdünnt und liegen in geringen Konzentrationen vor, wenn sie auf ihre Zielzellen einwirken. Dies unterscheidet sich von der parakrinen Signalübertragung, bei der die lokalen Konzentrationen von Liganden sehr hoch sein können.

Autokrine Signalgebung

Autokrine Signale werden von Signalzellen erzeugt, die auch an den freigesetzten Liganden binden können. Dies bedeutet, dass die Signalisierungszelle und die Zielzelle dieselbe oder eine ähnliche Zelle sein können (das Präfix Auto- bedeutet selbst, eine Erinnerung daran, dass die signalisierende Zelle ein Signal an sich selbst sendet). Diese Art der Signalübertragung tritt häufig während der frühen Entwicklung eines Organismus auf, um sicherzustellen, dass sich Zellen zu den richtigen Geweben entwickeln und die richtige Funktion übernehmen. Die autokrine Signalgebung reguliert auch das Schmerzempfinden und Entzündungsreaktionen. Wenn eine Zelle mit einem Virus infiziert ist, kann sich die Zelle außerdem signalisieren, dass sie den programmierten Zelltod durchläuft, wodurch das Virus abgetötet wird. In manchen Fällen werden auch benachbarte Zellen des gleichen Typs durch den freigesetzten Liganden beeinflusst. In der embryologischen Entwicklung kann dieser Prozess der Stimulierung einer Gruppe benachbarter Zellen dazu beitragen, die Differenzierung identischer Zellen in denselben Zelltyp zu lenken und so das richtige Entwicklungsergebnis sicherzustellen.

Direkte Signalisierung über Gap Junctions

Gap Junctions bei Tieren und Plasmodesmata in Pflanzen sind Verbindungen zwischen den Plasmamembranen benachbarter Zellen. Diese flüssigkeitsgefüllten Kanäle ermöglichen es kleinen Signalmolekülen, die als intrazelluläre Mediatoren bezeichnet werden, zwischen den beiden Zellen zu diffundieren. Kleine Moleküle wie Calciumionen (Ca 2+ ) können sich zwischen Zellen bewegen, aber große Moleküle wie Proteine ​​und DNA können nicht durch die Kanäle passen. Die Spezifität der Kanäle sorgt dafür, dass die Zellen unabhängig bleiben, aber schnell und einfach Signale übertragen können. Die Übertragung von Signalmolekülen kommuniziert den aktuellen Zustand der Zelle, die sich direkt neben der Zielzelle befindet. Dies ermöglicht einer Gruppe von Zellen, ihre Reaktion auf ein Signal zu koordinieren, das möglicherweise nur eine von ihnen empfangen hat. Bei Pflanzen, Plasmodesmata sind allgegenwärtig und machen die gesamte Anlage zu einem riesigen Kommunikationsnetz.

Arten von Rezeptoren

Rezeptoren sind Proteinmoleküle in der Zielzelle oder auf ihrer Oberfläche, die Liganden binden. Es gibt zwei Arten von Rezeptoren, interne Rezeptoren und Zelloberflächenrezeptoren.

Interne Rezeptoren

Interne Rezeptoren, auch als intrazelluläre oder zytoplasmatische Rezeptoren bekannt, befinden sich im Zytoplasma der Zelle und reagieren auf hydrophobe Ligandenmoleküle, die durch die Plasmamembran wandern können. Im Inneren der Zelle binden viele dieser Moleküle an Proteine, die als Regulatoren der mRNA-Synthese (Transkription) fungieren, um die Genexpression zu vermitteln. Die Genexpression ist der zelluläre Prozess, bei dem die Informationen in der DNA einer Zelle in eine Sequenz von Aminosäuren umgewandelt werden, die letztendlich ein Protein bilden. Wenn der Ligand an den internen Rezeptor bindet, wird eine Konformationsänderung ausgelöst, die eine DNA-Bindungsstelle am Protein freilegt. Der Ligand-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern, bindet dann an spezifische regulatorische Regionen der chromosomalen DNA und fördert die Initiation der Transkription ((Abbildung)). Transkription ist der Prozess des Kopierens der Informationen in der DNA einer Zelle in eine spezielle Form von RNA namens Messenger-RNA (mRNA). in der richtigen Reihenfolge ein Protein produzieren. Interne Rezeptoren können die Genexpression direkt beeinflussen, ohne das Signal an andere Rezeptoren oder Botenstoffe weitergeben zu müssen.


Zelloberflächenrezeptoren

Zelloberflächenrezeptoren, auch Transmembranrezeptoren genannt, sind membranverankerte (integrale) Proteine ​​auf der Zelloberfläche, die an externe Ligandenmoleküle binden. Diese Art von Rezeptor durchspannt die Plasmamembran und führt eine Signaltransduktion durch, durch die ein extrazelluläres Signal in ein intrazelluläres Signal umgewandelt wird. Liganden, die mit Zelloberflächenrezeptoren interagieren, müssen nicht in die Zelle eindringen, auf die sie wirken. Zelloberflächenrezeptoren werden auch zellspezifische Proteine ​​oder Marker genannt, da sie spezifisch für einzelne Zelltypen sind.

Da Rezeptorproteine ​​der Zelloberfläche für die normale Zellfunktion von grundlegender Bedeutung sind, sollte es nicht überraschen, dass eine Fehlfunktion eines dieser Proteine ​​schwerwiegende Folgen haben könnte. Es wurde gezeigt, dass Fehler in den Proteinstrukturen bestimmter Rezeptormoleküle bei Bluthochdruck (Bluthochdruck), Asthma, Herzerkrankungen und Krebs eine Rolle spielen.

Jeder Zelloberflächenrezeptor hat drei Hauptkomponenten: eine externe Ligandenbindungsdomäne, eine hydrophobe membranüberspannende Region, die als Transmembrandomäne bezeichnet wird, und eine intrazelluläre Domäne innerhalb der Zelle. Die Ligandenbindungsdomäne wird auch extrazelluläre Domäne genannt. Die Größe und Ausdehnung jeder dieser Domänen variiert stark, abhängig von der Art des Rezeptors.

Wie Viren einen Wirt erkennen Im Gegensatz zu lebenden Zellen besitzen viele Viren weder eine Plasmamembran noch eine der Strukturen, die für die Aufrechterhaltung des Stoffwechsels erforderlich sind. Manche Viren bestehen einfach aus einer inerten Proteinhülle, die DNA oder RNA umschließt. Um sich zu vermehren, müssen Viren in eine lebende Zelle eindringen, die als Wirt dient, und dann den Zellapparat des Wirts übernehmen. Aber wie erkennt ein Virus seinen Wirt?

Viren binden oft an Zelloberflächenrezeptoren auf der Wirtszelle. Zum Beispiel bindet das Virus, das die menschliche Influenza (Grippe) verursacht, spezifisch an Rezeptoren auf Membranen von Zellen des Atmungssystems. Chemische Unterschiede in den Zelloberflächenrezeptoren zwischen den Wirten bedeuten, dass ein Virus, das eine bestimmte Spezies (zum Beispiel den Menschen) infiziert, oft keine andere Spezies (zum Beispiel Hühner) infizieren kann.

Viren haben jedoch im Vergleich zum Menschen sehr geringe Mengen an DNA oder RNA, sodass die virale Vermehrung schnell erfolgen kann. Die virale Reproduktion führt unweigerlich zu Fehlern, die zu Veränderungen bei neu produzierten Viren führen können. Diese Veränderungen bedeuten, dass sich die viralen Proteine, die mit Zelloberflächenrezeptoren interagieren, so weiterentwickeln, dass sie an Rezeptoren in einem neuen Wirt binden können. Solche Veränderungen passieren zufällig und recht häufig im Fortpflanzungszyklus eines Virus, aber die Veränderungen sind nur von Bedeutung, wenn ein Virus mit neuen Bindungseigenschaften mit einem geeigneten Wirt in Kontakt kommt. Im Falle einer Influenza kann diese Situation in Umgebungen auftreten, in denen Tiere und Menschen in engem Kontakt stehen, wie zum Beispiel in Geflügel- und Schweinefarmen. 1 Sobald ein Virus die frühere “Spezies-Barriere” zu einem neuen Wirt überspringt, kann er sich schnell verbreiten. Wissenschaftler beobachten neu auftretende Viren (sogenannte Emerging Viren) genau in der Hoffnung, dass eine solche Überwachung die Wahrscheinlichkeit globaler Virusepidemien verringern kann.

Zelloberflächenrezeptoren sind an den meisten Signalübertragungen in mehrzelligen Organismen beteiligt. Es gibt drei allgemeine Kategorien von Zelloberflächenrezeptoren: Ionenkanal-gebundene Rezeptoren, G-Protein-gebundene Rezeptoren und Enzym-gebundene Rezeptoren.

Ionenkanal-gebundene Rezeptoren binden einen Liganden und öffnen einen Kanal durch die Membran, der spezifische Ionen passieren lässt. Um einen Kanal zu bilden, weist diese Art von Zelloberflächenrezeptor eine ausgedehnte membranüberspannende Region auf. Um mit der Doppelschicht der Phospholipidfettsäureschwänze zu interagieren, die das Zentrum der Plasmamembran bilden, sind viele der Aminosäuren in der membranüberspannenden Region hydrophober Natur. Umgekehrt sind die Aminosäuren, die das Innere des Kanals auskleiden, hydrophil, um den Durchgang von Wasser oder Ionen zu ermöglichen.Wenn ein Ligand an die extrazelluläre Region des Kanals bindet, kommt es zu einer Konformationsänderung in der Proteinstruktur, die Ionen wie Natrium, Calcium, Magnesium und Wasserstoff durchlässt ((Abbildung)).


G-Protein-gebundene Rezeptoren binden einen Liganden und aktivieren ein Membranprotein, das als G-Protein bezeichnet wird. Das aktivierte G-Protein interagiert dann entweder mit einem Ionenkanal oder einem Enzym in der Membran ((Abbildung)). Alle G-Protein-gebundenen Rezeptoren haben sieben Transmembrandomänen, aber jeder Rezeptor hat seine eigene spezifische extrazelluläre Domäne und G-Protein-Bindungsstelle.

Die Zellsignalisierung unter Verwendung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren erfolgt als eine zyklische Reihe von Ereignissen. Bevor der Ligand bindet, kann das inaktive G-Protein an eine neu entdeckte Stelle des Rezeptors binden, die für seine Bindung spezifisch ist. Sobald das G-Protein an den Rezeptor bindet, aktiviert die resultierende Formänderung das G-Protein, das Guanosindiposphat (GDP) freisetzt und Guanosin-3-phosphat (GTP) aufnimmt. Die Untereinheiten des G-Proteins spalten sich dann in die α Untereinheit und die βγ Untereinheit. Eines oder beide dieser G-Proteinfragmente können dadurch möglicherweise andere Proteine ​​aktivieren. Nach einer Weile wird das GTP auf dem aktiven α Untereinheit des G-Proteins wird zu GDP hydrolysiert und die βγ Untereinheit ist deaktiviert. Die Untereinheiten reassoziieren zum inaktiven G-Protein und der Zyklus beginnt von neuem.


G-Protein-gebundene Rezeptoren wurden ausgiebig untersucht und es wurde viel über ihre Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gesundheit gelernt. Für den Menschen pathogene Bakterien können Gifte freisetzen, die bestimmte G-Protein-gekoppelte Rezeptorfunktionen unterbrechen und zu Krankheiten wie Keuchhusten, Botulismus und Cholera führen. Bei Cholera ((Abbildung)) zum Beispiel das wassergetragene Bakterium Vibrio cholerae produziert ein Toxin, Choleragen, das an Zellen bindet, die den Dünndarm auskleiden. Das Toxin dringt dann in diese Darmzellen ein, wo es ein G-Protein modifiziert, das die Öffnung eines Chloridkanals steuert und dafür sorgt, dass es kontinuierlich aktiv bleibt, was zu großen Flüssigkeitsverlusten aus dem Körper und einer möglicherweise tödlichen Dehydration führt.


Enzymgebundene Rezeptoren sind Zelloberflächenrezeptoren mit intrazellulären Domänen, die mit einem Enzym assoziiert sind. In einigen Fällen ist die intrazelluläre Domäne des Rezeptors selbst ein Enzym. Andere enzymgebundene Rezeptoren haben eine kleine intrazelluläre Domäne, die direkt mit einem Enzym interagiert. Die enzymgebundenen Rezeptoren haben normalerweise große extrazelluläre und intrazelluläre Domänen, aber die membranüberspannende Region besteht aus einer einzelnen alpha-helikalen Region des Peptidstrangs. Wenn ein Ligand an die extrazelluläre Domäne bindet, wird ein Signal durch die Membran übertragen, wodurch das Enzym aktiviert wird. Die Aktivierung des Enzyms löst eine Kette von Ereignissen innerhalb der Zelle aus, die schließlich zu einer Reaktion führt. Ein Beispiel für diese Art von enzymgebundenem Rezeptor ist der Tyrosinkinase-Rezeptor ((Abbildung)). Eine Kinase ist ein Enzym, das Phosphatgruppen von ATP auf ein anderes Protein überträgt. Der Tyrosinkinase-Rezeptor überträgt Phosphatgruppen auf Tyrosinmoleküle (Tyrosinreste). Erstens binden Signalmoleküle an die extrazelluläre Domäne von zwei nahegelegenen Tyrosinkinase-Rezeptoren. Die beiden benachbarten Rezeptoren binden dann aneinander oder dimerisieren. Phosphate werden dann an Tyrosinreste auf der intrazellulären Domäne der Rezeptoren hinzugefügt (Phosphorylierung). Die phosphorylierten Reste können dann das Signal an den nächsten Boten im Zytoplasma weiterleiten.


HER2 ist eine Rezeptor-Tyrosinkinase. Bei 30 Prozent der menschlichen Brustkrebserkrankungen ist HER2 permanent aktiviert, was zu einer unregulierten Zellteilung führt. Lapatinib, ein Medikament zur Behandlung von Brustkrebs, hemmt die Autophosphorylierung der HER2-Rezeptor-Tyrosinkinase (der Prozess, bei dem der Rezeptor Phosphate an sich selbst anlagert) und reduziert so das Tumorwachstum um 50 Prozent. Welcher der folgenden Schritte würde neben der Autophosphorylierung durch Lapatinib gehemmt?

  1. Bindung von Signalmolekülen, Dimerisierung und die nachgeschaltete zelluläre Antwort
  2. Dimerisierung und die nachgeschaltete zelluläre Reaktion
  3. Die nachgelagerte zelluläre Antwort
  4. Phosphatase-Aktivität, Dimerisierung und die nach unten gerichtete zelluläre Reaktion

Signalmoleküle

Liganden werden durch Signalzellen und die anschließende Bindung an Rezeptoren in Zielzellen produziert und fungieren als chemische Signale, die zu den Zielzellen wandern, um Antworten zu koordinieren. Die Arten von Molekülen, die als Liganden dienen, sind unglaublich vielfältig und reichen von kleinen Proteinen bis hin zu kleinen Ionen wie Calcium (Ca 2+ ).

Kleine hydrophobe Liganden

Kleine hydrophobe Liganden können direkt durch die Plasmamembran diffundieren und mit internen Rezeptoren interagieren. Wichtige Vertreter dieser Ligandenklasse sind die Steroidhormone. Steroide sind Lipide, die ein Kohlenwasserstoffskelett mit vier verschmolzenen Ringen aufweisen. Verschiedene Steroide haben unterschiedliche funktionelle Gruppen, die an das Kohlenstoffgerüst gebunden sind. Steroidhormone umfassen das weibliche Sexualhormon Estradiol, das eine Art Östrogen ist, das männliche Sexualhormon, Testosteron und Cholesterin, das ein wichtiger struktureller Bestandteil biologischer Membranen und eine Vorstufe von Steroidhormonen ist ((Abbildung)). Andere hydrophobe Hormone umfassen Schilddrüsenhormone und Vitamin D. Um im Blut löslich zu sein, müssen hydrophobe Liganden an Trägerproteine ​​binden, während sie durch den Blutkreislauf transportiert werden.


Wasserlösliche Liganden

Wasserlösliche Liganden sind polar und können daher die Plasmamembran manchmal nicht ohne Hilfe passieren, sie sind zu groß, um die Membran überhaupt zu passieren. Stattdessen binden die meisten wasserlöslichen Liganden an die extrazelluläre Domäne von Zelloberflächenrezeptoren. Diese Gruppe von Liganden ist sehr vielfältig und umfasst kleine Moleküle, Peptide und Proteine.

Andere Liganden

Stickoxid (NO) ist ein Gas, das auch als Ligand fungiert. Es ist in der Lage, direkt durch die Plasmamembran zu diffundieren, und eine seiner Aufgaben besteht darin, mit Rezeptoren in der glatten Muskulatur zu interagieren und eine Entspannung des Gewebes zu bewirken. NO hat eine sehr kurze Halbwertszeit und funktioniert daher nur über kurze Distanzen. Nitroglycerin, eine Behandlung von Herzerkrankungen, wirkt, indem es die Freisetzung von NO auslöst, wodurch sich die Blutgefäße erweitern (erweitern) und so die Durchblutung des Herzens wiederhergestellt wird. NO ist in letzter Zeit bekannter geworden, weil der Weg, den es beeinflusst, durch verschreibungspflichtige Medikamente gegen erektile Dysfunktion wie Viagra (Erektion beinhaltet erweiterte Blutgefäße) gezielt wird.

Abschnittszusammenfassung

Zellen kommunizieren sowohl über inter- als auch intrazelluläre Signale. Signalzellen sezernieren Liganden, die an Zielzellen binden und eine Kette von Ereignissen innerhalb der Zielzelle initiieren. Die vier Kategorien der Signalübertragung in mehrzelligen Organismen sind parakrine Signalübertragung, endokrine Signalübertragung, autokrine Signalübertragung und direkte Signalübertragung über Gap Junctions. Die parakrine Signalübertragung erfolgt über kurze Distanzen. Endokrine Signale werden von Hormonen über weite Strecken durch den Blutkreislauf transportiert, und autokrine Signale werden von derselben Zelle empfangen, die das Signal gesendet hat, oder von anderen nahegelegenen Zellen derselben Art. Gap Junctions ermöglichen es kleinen Molekülen, einschließlich Signalmolekülen, zwischen benachbarten Zellen zu fließen.

Interne Rezeptoren finden sich im Zellzytoplasma. Hier binden sie Ligandenmoleküle, die die Plasmamembran passieren, diese Rezeptor-Ligand-Komplexe wandern zum Zellkern und interagieren direkt mit der zellulären DNA. Zelloberflächenrezeptoren übermitteln ein Signal von außerhalb der Zelle an das Zytoplasma. Ionenkanal-gebundene Rezeptoren bilden, wenn sie an ihre Liganden gebunden sind, eine Pore durch die Plasmamembran, durch die bestimmte Ionen passieren können. G-Protein-gebundene Rezeptoren interagieren mit einem G-Protein auf der zytoplasmatischen Seite der Plasmamembran, fördern den Austausch von gebundenem GDP gegen GTP und interagieren mit anderen Enzymen oder Ionenkanälen, um ein Signal zu übertragen. Enzymgebundene Rezeptoren übertragen ein Signal von außerhalb der Zelle an eine intrazelluläre Domäne eines membrangebundenen Enzyms. Die Ligandenbindung bewirkt die Aktivierung des Enzyms. Kleine hydrophobe Liganden (wie Steroide) können die Plasmamembran durchdringen und an interne Rezeptoren binden. Wasserlösliche hydrophile Liganden können die Membran nicht passieren, sondern binden an Rezeptoren auf der Zelloberfläche, die das Signal an das Zellinnere weiterleiten.

Kunstverbindungen

(Abbildung) HER2 ist eine Rezeptor-Tyrosinkinase. Bei 30 Prozent der menschlichen Brustkrebserkrankungen ist HER2 permanent aktiviert, was zu einer unregulierten Zellteilung führt. Lapatinib, ein Medikament zur Behandlung von Brustkrebs, hemmt die Autophosphorylierung der HER2-Rezeptor-Tyrosinkinase (der Prozess, bei dem der Rezeptor Phosphate an sich selbst anlagert) und reduziert so das Tumorwachstum um 50 Prozent. Welcher der folgenden Schritte würde neben der Autophosphorylierung durch Lapatinib gehemmt?

  1. Bindung von Signalmolekülen, Dimerisierung und die nachgelagerte zelluläre Antwort.
  2. Dimerisierung und die nachgelagerte zelluläre Antwort.
  3. Die nachgelagerte zelluläre Antwort.
  4. Phosphataseaktivität, Dimerisierung und die nach unten gerichtete zelluläre Antwort.

(Abbildung) C. Die stromabwärts gerichtete zelluläre Antwort würde gehemmt.

Freie Antwort

Was ist der Unterschied zwischen intrazellulärer Signalübertragung und interzellulärer Signalübertragung?

Die intrazelluläre Signalübertragung erfolgt innerhalb einer Zelle, und die interzelluläre Signalübertragung erfolgt zwischen den Zellen.

Wie werden die Wirkungen der parakrinen Signalübertragung auf einen Bereich in der Nähe der Signalzellen begrenzt?

Die sezernierten Liganden werden schnell durch Abbau oder Resorption in die Zelle entfernt, so dass sie nicht weit reisen können.

Was sind die Unterschiede zwischen internen Rezeptoren und Zelloberflächenrezeptoren?

Interne Rezeptoren befinden sich innerhalb der Zelle, und ihre Liganden dringen in die Zelle ein, um den Rezeptor zu binden. Der aus dem internen Rezeptor und dem Liganden gebildete Komplex dringt dann in den Zellkern ein und beeinflusst direkt die Proteinproduktion, indem er an die chromosomale DNA bindet und die Herstellung von mRNA initiiert, die für Proteine ​​kodiert. Zelloberflächenrezeptoren sind jedoch in die Plasmamembran eingebettet und ihre Liganden dringen nicht in die Zelle ein. Die Bindung des Liganden an den Zelloberflächenrezeptor initiiert eine Zellsignalkaskade und beeinflusst nicht direkt die Herstellung von Proteinen, kann jedoch die Aktivierung intrazellulärer Proteine ​​beinhalten.

Im Labor gezüchtete Zellen werden mit einem Farbstoffmolekül vermischt, das die Plasmamembran nicht passieren kann. Wenn den Zellen ein Ligand zugesetzt wird, zeigen Beobachtungen, dass der Farbstoff in die Zellen eindringt. An welche Art von Rezeptor bindet der Ligand auf der Zelloberfläche?

Ein Ionenkanalrezeptor öffnete eine Pore in der Membran, die es dem ionischen Farbstoff ermöglichte, in die Zelle zu gelangen.

Insulin ist ein Hormon, das den Blutzucker reguliert, indem es an seinen Rezeptor, die Insulinrezeptor-Tyrosinkinase, bindet. Wie unterscheidet sich das Verhalten von Insulin von der Signalübertragung von Steroidhormonen und was können Sie über seine Struktur schließen?

Der Rezeptor des Insulins ist ein enzymgebundener Transmembranrezeptor, wie man an der „Tyrosinkinase“ im Namen erkennen kann. Dieser Rezeptor ist in die Plasmamembran eingebettet und Insulin bindet an seine extrazelluläre (äußere) Oberfläche, um intrazelluläre Signalkaskaden zu initiieren.

Normalerweise passieren Steroidhormone die Plasmamembran, um an intrazelluläre Rezeptoren zu binden. Diese intrazellulären Hormon-Rezeptor-Komplexe interagieren dann direkt mit DNA, um die Transkription zu regulieren. Dies begrenzt Steroidhormone auf kleine, unpolare Moleküle, damit sie die Plasmamembran passieren können. Da Insulin jedoch nicht in die Zelle eindringen muss, kann es groß oder polar sein (es ist ein kleines, polares Molekül).

Fußnoten

    A. B. Sigalov, Die Schule der Natur. NS. Von Viren lernen, Selbst/Nicht-Selbst 1, nein. 4 (2010): 282-298. Y. Cao, X. Koh, L. Dong, X. Du, A. Wu, X. Ding, H. Deng, Y. Shu, J. Chen, T. Jiang, Rapid Estimation of Binding Activity of Influenza Virus Hemagglutinin to Menschliche und Vogelrezeptoren, Plus eins 6, nein. 4 (2011): e18664.

Glossar


9.1 Signalmoleküle und zelluläre Rezeptoren

In diesem Abschnitt gehen Sie den folgenden Fragen nach:

  • Was sind die vier Arten von Signalen, die in vielzelligen Organismen vorkommen?
  • Was sind die Unterschiede zwischen internen Rezeptoren und Zelloberflächenrezeptoren?
  • Welche Beziehung besteht zwischen der Struktur eines Liganden und seinem Wirkmechanismus?

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So wie Sie mit Ihren Klassenkameraden von Angesicht zu Angesicht, über Ihr Telefon oder per E-Mail kommunizieren, kommunizieren Zellen miteinander sowohl über inter- als auch intrazelluläre Signale. Zellen erkennen und reagieren über Signalwege auf Veränderungen in der Umwelt. Signalwege ermöglichen es Organismen, zelluläre Aktivitäten und Stoffwechselprozesse zu koordinieren. Fehler in diesen Signalwegen können Krankheiten verursachen. Signalzellen sezernieren als Liganden bezeichnete Moleküle, die an Zielzellen binden und eine Kette von Ereignissen innerhalb der Zielzelle initiieren. Wenn beispielsweise Adrenalin freigesetzt wird und an Zielzellen bindet, reagieren diese Zellen, indem sie Glykogen in Glukose umwandeln. Die Zellkommunikation kann über kurze Distanzen erfolgen. Beispielsweise werden Neurotransmitter über eine Synapse freigesetzt, um Nachrichten zwischen Neuronen zu übertragen (Abbildung 26.15). Gap Junctions und Plasmodesmen ermöglichen es kleinen Molekülen, einschließlich Signalmolekülen, zwischen benachbarten Zellen zu fließen. Die Zellkommunikation kann auch über weite Entfernungen erfolgen. Hormone, die von endokrinen Zellen freigesetzt werden, wandern beispielsweise zu Zielzellen in mehreren Körpersystemen. Woher „weiß“ ein Ligand wie ein Hormon, das durch die Blutbahn wandert, wenn es sein Zielorgan erreicht hat, um eine zelluläre Reaktion auszulösen? Fast alle Signalwege in Zellen umfassen drei Stufen: Empfang, Signalübertragung und zelluläre Antwort.

Zellsignalwege beginnen, wenn der Ligand an einen Rezeptor bindet, ein Protein, das in die Plasmamembran der Zielzelle eingebettet ist oder im Zellzytoplasma vorkommt. Die Rezeptoren sind sehr spezifisch und jeder Ligand wird von einem anderen erkannt. Diese Stufe des Weges wird Rezeption genannt. Unpolare Moleküle wie Steroide diffundieren durch die Zellmembran und binden an interne Rezeptoren. Der Rezeptor-Ligand-Komplex wandert wiederum in den Zellkern und interagiert mit der zellulären DNA. Dies ändert, wie ein Gen exprimiert wird. Andererseits interagieren polare Liganden mit dem Membranrezeptorprotein. Einige Membranrezeptoren funktionieren, indem sie die Konformation ändern, sodass bestimmte Ionen, wie Na + und K + , die Plasmamembran passieren können. Andere Membranrezeptoren interagieren mit einem G-Protein auf der zytoplasmatischen Seite der Plasmamembran, was eine Reihe von Reaktionen innerhalb der Zelle auslöst. Störungen dieses Prozesses sind mit mehreren Krankheiten verbunden, darunter Cholera.

Es ist wichtig zu bedenken, dass jede Zelle über eine Vielzahl von Rezeptoren verfügt, die es ihr ermöglichen, auf eine Vielzahl von Reizen zu reagieren. Einige Rezeptoren können mehrere unterschiedliche Liganden binden, zum Beispiel Geruchsmoleküle/Rezeptoren, die mit dem Geruchssinn von Tieren verbunden sind. Sobald das Signalmolekül und der Rezeptor interagieren, verstärkt eine Kaskade von Ereignissen, die als Signaltransduktion bezeichnet wird, normalerweise das Signal innerhalb der Zelle.

Der in diesem Abschnitt präsentierte Inhalt unterstützt die Lernziele, die in Big Idea 3 des aufgelisteten AP ® Biologie-Curriculum-Frameworks aufgeführt sind. Die AP ® -Lernziele verbinden wesentliche Wissensinhalte mit einer oder mehreren der sieben Wissenschaftspraktiken. Diese Ziele bilden eine transparente Grundlage für den AP ® -Biologiekurs, zusammen mit forschungsbasierten Laborerfahrungen, Unterrichtsaktivitäten und AP ® -Prüfungsfragen.

Große Idee 3 Lebende Systeme speichern, rufen, übertragen und reagieren auf Informationen, die für Lebensprozesse unerlässlich sind.
Dauerhaftes Verständnis 3.D Zellen kommunizieren, indem sie chemische Signale erzeugen, senden und empfangen.
Grundlegendes Wissen 3.D.3 Signalübertragungswege verbinden den Signalempfang mit der zellulären Reaktion.
Wissenschaftliche Praxis 6.2 Der Student kann Erklärungen von Phänomenen aufbauen, die auf Beweisen basieren, die durch wissenschaftliche Praktiken gewonnen wurden.
Lernziel 3.34 Der Student ist in der Lage, Erklärungen der Zellkommunikation durch direkten Zell-zu-Zell-Kontakt oder durch chemische Signalübertragung zu konstruieren.
Grundlegendes Wissen 3.D.3 Signalübertragungswege verbinden den Signalempfang mit der zellulären Reaktion.
Wissenschaftliche Praxis 1.1 Der Student kann Darstellungen und Modelle von natürlichen oder vom Menschen geschaffenen Phänomenen und Systemen in der Domäne erstellen.
Lernziel 3.35 Der Student ist in der Lage, Darstellungen zu erstellen, die darstellen, wie die Kommunikation von Zelle zu Zelle durch direkten Kontakt oder aus der Ferne durch chemische Signale erfolgt.

Die Science Practice Challenge Questions enthält zusätzliche Testfragen für diesen Abschnitt, die Ihnen bei der Vorbereitung auf die AP-Prüfung helfen. Diese Fragen beziehen sich auf folgende Standards:
[APLO 3.33][APLO 3.36]

In der Welt der lebenden Zellen gibt es zwei Arten der Kommunikation. Die Kommunikation zwischen Zellen wird als interzelluläre Signalübertragung bezeichnet, und die Kommunikation innerhalb einer Zelle wird als intrazelluläre Signalübertragung bezeichnet. Eine einfache Möglichkeit, sich an die Unterscheidung zu erinnern, besteht darin, den lateinischen Ursprung der Präfixe zu verstehen: inter- bedeutet „zwischen“ (zum Beispiel sind sich kreuzende Linien solche, die sich kreuzen) und intra- bedeutet „innen“ (wie intravenös).

Chemische Signale werden von Signalzellen in Form von kleinen, meist flüchtigen oder löslichen Molekülen, den sogenannten Liganden, freigesetzt. Ein Ligand ist ein Molekül, das in einigen Fällen ein anderes spezifisches Molekül bindet und dabei ein Signal liefert. Liganden kann man sich daher als Signalmoleküle vorstellen. Liganden interagieren mit Proteinen in Zielzellen, also Zellen, die von chemischen Signalen beeinflusst werden. Diese Proteine ​​werden auch als Rezeptoren bezeichnet. Liganden und Rezeptoren existieren in mehreren Varianten, jedoch weist ein spezifischer Ligand einen spezifischen Rezeptor auf, der typischerweise nur diesen Liganden bindet.

Formen der Signalisierung

In vielzelligen Organismen gibt es vier Kategorien chemischer Signalübertragung: parakrine Signalübertragung, endokrine Signalübertragung, autokrine Signalübertragung und direkte Signalübertragung über Gap Junctions (Abbildung 9.2). Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Signalisierungskategorien ist die Entfernung, die das Signal durch den Organismus zurücklegt, um die Zielzelle zu erreichen. Nicht alle Zellen werden von den gleichen Signalen beeinflusst.

Parakrine Signalgebung

Signale, die lokal zwischen nahe beieinander liegenden Zellen wirken, werden als parakrine Signale bezeichnet. Parakrine Signale bewegen sich durch Diffusion durch die extrazelluläre Matrix. Diese Art von Signalen rufen normalerweise schnelle Reaktionen hervor, die nur kurze Zeit andauern. Um die Reaktion lokalisiert zu halten, werden parakrine Ligandenmoleküle normalerweise schnell von Enzymen abgebaut oder von benachbarten Zellen entfernt. Das Entfernen der Signale stellt den Konzentrationsgradienten für das Signal wieder her, sodass sie bei erneuter Freisetzung schnell durch den intrazellulären Raum diffundieren können.

Ein Beispiel für parakrine Signalübertragung ist die Übertragung von Signalen über Synapsen zwischen Nervenzellen. Eine Nervenzelle besteht aus einem Zellkörper, mehreren kurzen, verzweigten Fortsätzen, den Dendriten, die Reize empfangen, und einem langen Fortsatz, dem Axon, der Signale an andere Nervenzellen oder Muskelzellen weiterleitet. Die Verbindung zwischen Nervenzellen, an der die Signalübertragung stattfindet, wird als Synapse bezeichnet. Ein synaptisches Signal ist ein chemisches Signal, das zwischen Nervenzellen wandert. Signale innerhalb der Nervenzellen werden durch sich schnell bewegende elektrische Impulse übertragen.Wenn diese Impulse das Ende des Axons erreichen, wird das Signal durch die Freisetzung chemischer Liganden, die Neurotransmitter genannt werden, durch die präsynaptische Zelle (die Zelle, die das Signal aussendet) zu einem Dendriten der nächsten Zelle weitergeleitet. Die Neurotransmitter werden über die sehr kleinen Distanzen zwischen Nervenzellen transportiert, die als chemische Synapsen bezeichnet werden (Abbildung 9.3). Der geringe Abstand zwischen den Nervenzellen ermöglicht eine schnelle Übertragung des Signals. Dies ermöglicht eine sofortige Reaktion, z. B.: Nehmen Sie die Hand vom Herd!

Wenn der Neurotransmitter den Rezeptor auf der Oberfläche der postsynaptischen Zelle bindet, ändert sich das elektrochemische Potenzial der Zielzelle und der nächste elektrische Impuls wird ausgelöst. Die Neurotransmitter, die in die chemische Synapse freigesetzt werden, werden schnell abgebaut oder von der präsynaptischen Zelle resorbiert, so dass sich die Empfängernervenzelle schnell erholen kann und darauf vorbereitet ist, schnell auf das nächste synaptische Signal zu reagieren.

Endokrine Signalübertragung

Signale von entfernten Zellen werden endokrine Signale genannt und stammen von endokrinen Zellen. (Im Körper befinden sich viele endokrine Zellen in endokrinen Drüsen wie der Schilddrüse, dem Hypothalamus und der Hypophyse.) Diese Arten von Signalen führen normalerweise zu einer langsameren Reaktion, haben aber eine länger anhaltende Wirkung. Die bei der endokrinen Signalübertragung freigesetzten Liganden werden Hormone genannt, Signalmoleküle, die in einem Teil des Körpers produziert werden, aber andere Körperregionen in einiger Entfernung beeinflussen.

Hormone legen die großen Entfernungen zwischen endokrinen Zellen und ihren Zielzellen über den Blutkreislauf zurück, was ein relativ langsamer Weg ist, sich durch den Körper zu bewegen. Aufgrund ihrer Transportform werden Hormone verdünnt und liegen in geringen Konzentrationen vor, wenn sie auf ihre Zielzellen einwirken. Dies unterscheidet sich von der parakrinen Signalübertragung, bei der die lokalen Konzentrationen von Liganden sehr hoch sein können.

Autokrine Signalgebung

Autokrine Signale werden von Signalzellen erzeugt, die auch an den freigesetzten Liganden binden können. Dies bedeutet, dass die Signalisierungszelle und die Zielzelle dieselbe oder eine ähnliche Zelle sein können (das Präfix Auto- bedeutet selbst, eine Erinnerung daran, dass die signalisierende Zelle ein Signal an sich selbst sendet). Diese Art der Signalübertragung tritt häufig während der frühen Entwicklung eines Organismus auf, um sicherzustellen, dass sich Zellen zu den richtigen Geweben entwickeln und die richtige Funktion übernehmen. Die autokrine Signalgebung reguliert auch das Schmerzempfinden und Entzündungsreaktionen. Wenn eine Zelle mit einem Virus infiziert ist, kann sich die Zelle außerdem signalisieren, dass sie den programmierten Zelltod durchläuft, wodurch das Virus abgetötet wird. In manchen Fällen werden auch benachbarte Zellen des gleichen Typs durch den freigesetzten Liganden beeinflusst. In der embryologischen Entwicklung kann dieser Prozess der Stimulierung einer Gruppe benachbarter Zellen dazu beitragen, die Differenzierung identischer Zellen in denselben Zelltyp zu lenken und so das richtige Entwicklungsergebnis sicherzustellen.

Direkte Signalisierung über Gap Junctions

Gap Junctions bei Tieren und Plasmodesmata bei Pflanzen sind Verbindungen zwischen den Plasmamembranen benachbarter Zellen. Diese flüssigkeitsgefüllten Kanäle ermöglichen es kleinen Signalmolekülen, die als intrazelluläre Mediatoren bezeichnet werden, zwischen den beiden Zellen zu diffundieren. Kleine Moleküle wie Calciumionen (Ca 2+ ) können sich zwischen Zellen bewegen, aber große Moleküle wie Proteine ​​und DNA können nicht durch die Kanäle passen. Die Spezifität der Kanäle sorgt dafür, dass die Zellen unabhängig bleiben, aber schnell und einfach Signale übertragen können. Die Übertragung von Signalmolekülen kommuniziert den aktuellen Zustand der Zelle, die sich direkt neben der Zielzelle befindet. Dies ermöglicht einer Gruppe von Zellen, ihre Reaktion auf ein Signal zu koordinieren, das möglicherweise nur eine von ihnen empfangen hat. In Pflanzen sind Plasmodesmen allgegenwärtig und machen die gesamte Pflanze zu einem riesigen Kommunikationsnetzwerk.

Arten von Rezeptoren

Rezeptoren sind Proteinmoleküle in der Zielzelle oder auf ihrer Oberfläche, die Liganden binden. Es gibt zwei Arten von Rezeptoren, interne Rezeptoren und Zelloberflächenrezeptoren.

Interne Rezeptoren

Interne Rezeptoren, auch als intrazelluläre oder zytoplasmatische Rezeptoren bekannt, befinden sich im Zytoplasma der Zelle und reagieren auf hydrophobe Ligandenmoleküle, die durch die Plasmamembran wandern können. Im Inneren der Zelle binden viele dieser Moleküle an Proteine, die als Regulatoren der mRNA-Synthese (Transkription) fungieren, um die Genexpression zu vermitteln. Genexpression ist der zelluläre Prozess, bei dem die Informationen in der DNA einer Zelle in eine Sequenz von Aminosäuren umgewandelt werden, die letztendlich ein Protein bilden. Wenn der Ligand an den internen Rezeptor bindet, wird eine Konformationsänderung ausgelöst, die eine DNA-Bindungsstelle am Protein freilegt. Der Ligand-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern, bindet dann an spezifische regulatorische Regionen der chromosomalen DNA und fördert die Initiation der Transkription (Abbildung 9.4). Transkription ist der Prozess des Kopierens der Informationen in der DNA einer Zelle in eine spezielle Form von RNA, die als Boten-RNA (mRNA) bezeichnet wird richtige Reihenfolge, ein Protein produzieren. Interne Rezeptoren können die Genexpression direkt beeinflussen, ohne das Signal an andere Rezeptoren oder Botenstoffe weitergeben zu müssen.

Zelloberflächenrezeptoren

Zelloberflächenrezeptoren, auch Transmembranrezeptoren genannt, sind membranverankerte (integrale) Proteine ​​auf der Zelloberfläche, die an externe Ligandenmoleküle binden. Dieser Rezeptortyp durchspannt die Plasmamembran und führt eine Signaltransduktion durch, bei der ein extrazelluläres Signal in ein intrazelluläres Signal umgewandelt wird. Liganden, die mit Zelloberflächenrezeptoren interagieren, müssen nicht in die Zelle eindringen, auf die sie wirken. Zelloberflächenrezeptoren werden auch zellspezifische Proteine ​​oder Marker genannt, da sie spezifisch für einzelne Zelltypen sind.

Da Rezeptorproteine ​​der Zelloberfläche für die normale Zellfunktion von grundlegender Bedeutung sind, sollte es nicht überraschen, dass eine Fehlfunktion eines dieser Proteine ​​schwerwiegende Folgen haben könnte. Es wurde gezeigt, dass Fehler in den Proteinstrukturen bestimmter Rezeptormoleküle bei Bluthochdruck (Bluthochdruck), Asthma, Herzerkrankungen und Krebs eine Rolle spielen.

Jeder Zelloberflächenrezeptor hat drei Hauptkomponenten: eine externe Liganden-bindende Domäne, eine hydrophobe membranüberspannende Region und eine intrazelluläre Domäne innerhalb der Zelle. Die Ligandenbindungsdomäne wird auch extrazelluläre Domäne genannt. Die Größe und Ausdehnung jeder dieser Domänen variiert stark, abhängig von der Art des Rezeptors.

EVOLUTION-VERBINDUNG

Wie Viren einen Host erkennen

Im Gegensatz zu lebenden Zellen besitzen viele Viren weder eine Plasmamembran noch eine der lebensnotwendigen Strukturen. Manche Viren bestehen einfach aus einer inerten Proteinhülle, die DNA oder RNA enthält. Um sich zu vermehren, müssen Viren in eine lebende Zelle eindringen, die als Wirt dient, und dann den Zellapparat des Wirts übernehmen. Aber wie erkennt ein Virus seinen Wirt?

Viren binden oft an Zelloberflächenrezeptoren auf der Wirtszelle. Zum Beispiel bindet das Virus, das die menschliche Influenza (Grippe) verursacht, spezifisch an Rezeptoren auf Membranen von Zellen des Atmungssystems. Chemische Unterschiede in den Zelloberflächenrezeptoren zwischen den Wirten bedeuten, dass ein Virus, das eine bestimmte Spezies (zum Beispiel den Menschen) infiziert, keine andere Spezies (zum Beispiel Hühner) infizieren kann.

Viren haben jedoch im Vergleich zum Menschen sehr geringe Mengen an DNA oder RNA, sodass die virale Vermehrung schnell erfolgen kann. Die virale Reproduktion führt unweigerlich zu Fehlern, die zu Veränderungen bei neu produzierten Viren führen können. Diese Veränderungen bedeuten, dass sich die viralen Proteine, die mit Zelloberflächenrezeptoren interagieren, so weiterentwickeln, dass sie an Rezeptoren in einem neuen Wirt binden können. Solche Veränderungen passieren zufällig und recht häufig im Fortpflanzungszyklus eines Virus, aber die Veränderungen sind nur von Bedeutung, wenn ein Virus mit neuen Bindungseigenschaften mit einem geeigneten Wirt in Kontakt kommt. Im Falle einer Influenza kann diese Situation in Umgebungen auftreten, in denen Tiere und Menschen in engem Kontakt stehen, wie zum Beispiel in Geflügel- und Schweinefarmen. 1 Sobald ein Virus auf einen neuen Wirt überspringt, kann er sich schnell ausbreiten. Wissenschaftler beobachten neu auftretende Viren (sogenannte Emerging Viren) genau in der Hoffnung, dass eine solche Überwachung die Wahrscheinlichkeit globaler Virusepidemien verringern kann.

  1. Das Virus muss mindestens zwei verschiedene Tiere infizieren, bevor es den Menschen infizieren kann.
  2. Das Virus muss mit einem neuen Wirt in Kontakt kommen, damit Mutationen auftreten, die es dem Virus ermöglichen, an diesen Wirt zu binden.
  3. Im Wirt muss eine Mutation auftreten, die es dem Virus ermöglicht, an den Wirt zu binden.
  4. Im Virus muss eine Mutation auftreten, die es dem Virus ermöglicht, einen neuen Wirt zu infizieren, und das Virus muss mit diesem Wirt in Kontakt kommen.

Zelloberflächenrezeptoren sind an den meisten Signalübertragungen in mehrzelligen Organismen beteiligt. Es gibt drei allgemeine Kategorien von Zelloberflächenrezeptoren: Ionenkanal-gebundene Rezeptoren, G-Protein-gebundene Rezeptoren und Enzym-gebundene Rezeptoren.

Ionenkanal-gebundene Rezeptoren binden einen Liganden und öffnen einen Kanal durch die Membran, der spezifische Ionen passieren lässt. Um einen Kanal zu bilden, weist diese Art von Zelloberflächenrezeptor eine ausgedehnte membranüberspannende Region auf. Um mit den Phospholipidfettsäureschwänzen zu interagieren, die das Zentrum der Plasmamembran bilden, sind viele der Aminosäuren in der membranüberspannenden Region von Natur aus hydrophob. Umgekehrt sind die Aminosäuren, die das Innere des Kanals auskleiden, hydrophil, um den Durchgang von Wasser oder Ionen zu ermöglichen. Wenn ein Ligand an die extrazelluläre Region des Kanals bindet, kommt es zu einer Konformationsänderung in der Proteinstruktur, die den Durchgang von Ionen wie Natrium, Calcium, Magnesium und Wasserstoff ermöglicht (Abbildung 9.5).

G-Protein-gebundene Rezeptoren binden einen Liganden und aktivieren ein Membranprotein, das als G-Protein bezeichnet wird. Das aktivierte G-Protein interagiert dann entweder mit einem Ionenkanal oder einem Enzym in der Membran (Abbildung 9.6). Alle G-Protein-gebundenen Rezeptoren haben sieben Transmembrandomänen, aber jeder Rezeptor hat seine eigene spezifische extrazelluläre Domäne und G-Protein-Bindungsstelle.

Die Zellsignalisierung unter Verwendung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren erfolgt als eine zyklische Reihe von Ereignissen. Bevor der Ligand bindet, kann das inaktive G-Protein an eine neu entdeckte Stelle des Rezeptors binden, die für seine Bindung spezifisch ist. Sobald das G-Protein an den Rezeptor bindet, aktiviert die resultierende Formänderung das G-Protein, das GDP freisetzt und GTP aufnimmt. Die Untereinheiten des G-Proteins spalten sich dann in die α Untereinheit und die βγ Untereinheit. Eines oder beide dieser G-Proteinfragmente können dadurch möglicherweise andere Proteine ​​aktivieren. Nach einer Weile wird das GTP auf dem aktiven α Untereinheit des G-Proteins wird zu GDP hydrolysiert und die βγ Untereinheit ist deaktiviert. Die Untereinheiten reassoziieren zum inaktiven G-Protein und der Zyklus beginnt von neuem.

G-Protein-gebundene Rezeptoren wurden ausgiebig untersucht und es wurde viel über ihre Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gesundheit gelernt. Für den Menschen pathogene Bakterien können Gifte freisetzen, die bestimmte G-Protein-gekoppelte Rezeptorfunktionen unterbrechen und zu Krankheiten wie Keuchhusten, Botulismus und Cholera führen. Bei der Cholera (Abb. 9.7) zum Beispiel das durch Wasser übertragene Bakterium Vibrio cholerae produziert ein Toxin, Choleragen, das an Zellen bindet, die den Dünndarm auskleiden. Das Toxin dringt dann in diese Darmzellen ein, wo es ein G-Protein modifiziert, das die Öffnung eines Chloridkanals steuert und dafür sorgt, dass es kontinuierlich aktiv bleibt, was zu großen Flüssigkeitsverlusten aus dem Körper und einer möglicherweise tödlichen Dehydration führt.

Enzymgebundene Rezeptoren sind Zelloberflächenrezeptoren mit intrazellulären Domänen, die mit einem Enzym assoziiert sind. In einigen Fällen ist die intrazelluläre Domäne des Rezeptors selbst ein Enzym. Andere enzymgebundene Rezeptoren haben eine kleine intrazelluläre Domäne, die direkt mit einem Enzym interagiert. Die enzymgebundenen Rezeptoren haben normalerweise große extrazelluläre und intrazelluläre Domänen, aber die membranüberspannende Region besteht aus einer einzelnen alpha-helikalen Region des Peptidstrangs. Wenn ein Ligand an die extrazelluläre Domäne bindet, wird ein Signal durch die Membran übertragen, wodurch das Enzym aktiviert wird. Die Aktivierung des Enzyms löst eine Kette von Ereignissen innerhalb der Zelle aus, die schließlich zu einer Reaktion führt. Ein Beispiel für diese Art von enzymgebundenen Rezeptoren ist der Tyrosinkinase-Rezeptor (Abbildung 9.8). Eine Kinase ist ein Enzym, das Phosphatgruppen von ATP auf ein anderes Protein überträgt. Der Tyrosinkinase-Rezeptor überträgt Phosphatgruppen auf Tyrosinmoleküle (Tyrosinreste). Erstens binden Signalmoleküle an die extrazelluläre Domäne von zwei nahegelegenen Tyrosinkinase-Rezeptoren. Die beiden benachbarten Rezeptoren binden dann aneinander oder dimerisieren. Phosphate werden dann an Tyrosinreste auf der intrazellulären Domäne der Rezeptoren hinzugefügt (Phosphorylierung). Die phosphorylierten Reste können dann das Signal an den nächsten Boten im Zytoplasma weiterleiten.

VISUELLE VERBINDUNG

  1. Dimerisierung und die nachgeschaltete zelluläre Antwort
  2. Phosphataseaktivität, Dimerisierung und die nachgeschaltete zelluläre Reaktion
  3. Signalmolekülbindung, Dimerisierung und die nachgeschaltete zelluläre Antwort
  4. die nachgelagerte zelluläre Antwort

Liganden werden durch Signalzellen und die anschließende Bindung an Rezeptoren in Zielzellen produziert und fungieren als chemische Signale, die zu den Zielzellen wandern, um Antworten zu koordinieren. Die Arten von Molekülen, die als Liganden dienen, sind unglaublich vielfältig und reichen von kleinen Proteinen bis hin zu kleinen Ionen wie Calcium (Ca 2+ ).

Kleine hydrophobe Liganden

Kleine hydrophobe Liganden können direkt durch die Plasmamembran diffundieren und mit internen Rezeptoren interagieren. Wichtige Vertreter dieser Ligandenklasse sind die Steroidhormone. Steroide sind Lipide, die ein Kohlenwasserstoffskelett mit vier verschmolzenen Ringen aufweisen. Verschiedene Steroide haben unterschiedliche funktionelle Gruppen, die an das Kohlenstoffgerüst gebunden sind. Zu den Steroidhormonen gehören das weibliche Sexualhormon Estradiol, das eine Art Östrogen ist, das männliche Sexualhormon Testosteron und Cholesterin, das ein wichtiger struktureller Bestandteil biologischer Membranen und eine Vorstufe von Steroidhormonen ist (Abbildung 9.9). Andere hydrophobe Hormone umfassen Schilddrüsenhormone und Vitamin D. Um im Blut löslich zu sein, müssen hydrophobe Liganden an Trägerproteine ​​binden, während sie durch den Blutkreislauf transportiert werden.

Wasserlösliche Liganden

Wasserlösliche Liganden sind polar und können daher die Plasmamembran manchmal nicht ohne Hilfe passieren, sie sind zu groß, um die Membran überhaupt zu passieren. Stattdessen binden die meisten wasserlöslichen Liganden an die extrazelluläre Domäne von Zelloberflächenrezeptoren. Diese Gruppe von Liganden ist sehr vielfältig und umfasst kleine Moleküle, Peptide und Proteine.

Andere Liganden

Stickoxid (NO) ist ein Gas, das auch als Ligand fungiert. Es ist in der Lage, direkt durch die Plasmamembran zu diffundieren, und eine seiner Aufgaben besteht darin, mit Rezeptoren in der glatten Muskulatur zu interagieren und eine Entspannung des Gewebes zu bewirken. NO hat eine sehr kurze Halbwertszeit und funktioniert daher nur über kurze Distanzen. Nitroglycerin, eine Behandlung von Herzerkrankungen, wirkt, indem es die Freisetzung von NO auslöst, wodurch sich die Blutgefäße erweitern (erweitern) und so die Durchblutung des Herzens wiederhergestellt wird.


Chemische Signalisierung

In der Welt der lebenden Zellen gibt es zwei Arten der Kommunikation. Die Kommunikation zwischen Zellen wird als interzelluläre Signalübertragung bezeichnet, und die Kommunikation innerhalb einer Zelle wird als intrazelluläre Signalübertragung bezeichnet. Eine einfache Möglichkeit, sich an die Unterscheidung zu erinnern, besteht darin, den lateinischen Ursprung der Präfixe zu verstehen: inter bedeutet &ldquozwischen&rdquo (z.

Chemische Signale werden von Signalzellen in Form von kleinen, meist flüchtigen oder löslichen Molekülen, den sogenannten Liganden, freigesetzt. Ein Ligand ist ein Molekül, das in einigen Fällen ein anderes spezifisches Molekül bindet und dabei ein Signal liefert. Liganden kann man sich daher als Signalmoleküle vorstellen. Liganden interagieren mit Proteinen in Zielzellen, also Zellen, die von chemischen Signalen beeinflusst werden. Diese Proteine ​​werden auch als Rezeptoren bezeichnet. Liganden und Rezeptoren existieren in mehreren Varianten, jedoch weist ein spezifischer Ligand einen spezifischen Rezeptor auf, der typischerweise nur diesen Liganden bindet.

Formen der Signalisierung

In vielzelligen Organismen gibt es vier Kategorien chemischer Signalübertragung: parakrine Signalübertragung, endokrine Signalübertragung, autokrine Signalübertragung und direkte Signalübertragung über Gap Junctions (Abbildung 9.2). Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Signalisierungskategorien ist die Entfernung, die das Signal durch den Organismus zurücklegt, um die Zielzelle zu erreichen. Nicht alle Zellen werden von den gleichen Signalen beeinflusst.

Abbildung 9.2. Formen der chemischen Signalübertragung: autokrin, Gap Junctions, parakrin und endokrin.

Bei der chemischen Signalübertragung kann eine Zelle auf sich selbst (autokrine Signalübertragung), eine durch Gap Junctions verbundene Zelle, eine nahegelegene Zelle (parakrine Signalübertragung) oder eine entfernte Zelle (endokrine Signalübertragung) abzielen. Die parakrine Signalübertragung wirkt auf nahegelegene Zellen, die endokrine Signalübertragung nutzt das Kreislaufsystem zum Transport von Liganden und die autokrine Signalübertragung wirkt auf die Signalzelle. Die Signalübertragung über Gap Junctions beinhaltet Signalmoleküle, die sich direkt zwischen benachbarten Zellen bewegen.

Parakrine Signalgebung

Signale, die lokal zwischen nahe beieinander liegenden Zellen wirken, werden als parakrine Signale bezeichnet. Parakrine Signale bewegen sich durch Diffusion durch die extrazelluläre Matrix. Diese Art von Signalen rufen normalerweise schnelle Reaktionen hervor, die nur kurze Zeit andauern. Um die Reaktion lokalisiert zu halten, werden parakrine Ligandenmoleküle normalerweise schnell von Enzymen abgebaut oder von benachbarten Zellen entfernt. Das Entfernen der Signale stellt den Konzentrationsgradienten für das Signal wieder her, sodass sie bei erneuter Freisetzung schnell durch den intrazellulären Raum diffundieren können.

Ein Beispiel für parakrine Signalübertragung ist die Übertragung von Signalen über Synapsen zwischen Nervenzellen. Eine Nervenzelle besteht aus einem Zellkörper, mehreren kurzen, verzweigten Fortsätzen, den Dendriten, die Reize empfangen, und einem langen Fortsatz, dem Axon, der Signale an andere Nervenzellen oder Muskelzellen weiterleitet. Die Verbindung zwischen Nervenzellen, an der die Signalübertragung stattfindet, wird als Synapse bezeichnet. Ein synaptisches Signal ist ein chemisches Signal, das zwischen Nervenzellen wandert. Signale innerhalb der Nervenzellen werden durch sich schnell bewegende elektrische Impulse übertragen. Wenn diese Impulse das Ende des Axons erreichen, wird das Signal durch die Freisetzung chemischer Liganden, die Neurotransmitter genannt werden, durch die präsynaptische Zelle (die Zelle, die das Signal aussendet) zu einem Dendriten der nächsten Zelle weitergeleitet. Die Neurotransmitter werden über die sehr kleinen Distanzen zwischen Nervenzellen transportiert, die als chemische Synapsen bezeichnet werden (Abbildung 9.3). Der geringe Abstand zwischen den Nervenzellen ermöglicht eine schnelle Übertragung des Signals. Dies ermöglicht eine sofortige Reaktion, z. B.: Nehmen Sie die Hand vom Herd!

Wenn der Neurotransmitter den Rezeptor auf der Oberfläche der postsynaptischen Zelle bindet, ändert sich das elektrochemische Potenzial der Zielzelle und der nächste elektrische Impuls wird ausgelöst. Die Neurotransmitter, die in die chemische Synapse freigesetzt werden, werden schnell abgebaut oder von der präsynaptischen Zelle resorbiert, so dass sich die Empfängernervenzelle schnell erholen kann und darauf vorbereitet ist, schnell auf das nächste synaptische Signal zu reagieren.

Abbildung 9.3. Synapse, die die Freisetzung von Neurotransmittern zeigt.

Der Abstand zwischen der präsynaptischen Zelle und der postsynaptischen Zelle, die sogenannte synaptische Lücke, ist sehr klein und ermöglicht eine schnelle Diffusion des Neurotransmitters.Enzyme im synaptischen Spalt bauen einige Arten von Neurotransmittern ab, um das Signal zu beenden.

Endokrine Signalgebung

Signale von entfernten Zellen werden endokrine Signale genannt und stammen von endokrinen Zellen. (Im Körper befinden sich viele endokrine Zellen in endokrinen Drüsen wie der Schilddrüse, dem Hypothalamus und der Hypophyse.) Diese Arten von Signalen führen normalerweise zu einer langsameren Reaktion, haben aber eine länger anhaltende Wirkung. Die bei der endokrinen Signalübertragung freigesetzten Liganden werden Hormone genannt, Signalmoleküle, die in einem Teil des Körpers produziert werden, aber andere Körperregionen in einiger Entfernung beeinflussen.

Hormone legen die großen Entfernungen zwischen endokrinen Zellen und ihren Zielzellen über den Blutkreislauf zurück, was ein relativ langsamer Weg ist, sich durch den Körper zu bewegen. Aufgrund ihrer Transportform werden Hormone verdünnt und liegen in geringen Konzentrationen vor, wenn sie auf ihre Zielzellen einwirken. Dies unterscheidet sich von der parakrinen Signalübertragung, bei der die lokalen Konzentrationen von Liganden sehr hoch sein können.

Autokrine Signalisierung

Autokrine Signale werden von Signalzellen erzeugt, die auch an den freigesetzten Liganden binden können. Dies bedeutet, dass die Signalisierungszelle und die Zielzelle dieselbe oder eine ähnliche Zelle sein können (das Präfix Auto- bedeutet selbst, eine Erinnerung daran, dass die signalisierende Zelle ein Signal an sich selbst sendet). Diese Art der Signalübertragung tritt häufig während der frühen Entwicklung eines Organismus auf, um sicherzustellen, dass sich Zellen zu den richtigen Geweben entwickeln und die richtige Funktion übernehmen. Die autokrine Signalgebung reguliert auch das Schmerzempfinden und Entzündungsreaktionen. Wenn eine Zelle mit einem Virus infiziert ist, kann sich die Zelle außerdem signalisieren, dass sie den programmierten Zelltod durchläuft, wodurch das Virus abgetötet wird. In manchen Fällen werden auch benachbarte Zellen des gleichen Typs durch den freigesetzten Liganden beeinflusst. In der embryologischen Entwicklung kann dieser Prozess der Stimulierung einer Gruppe benachbarter Zellen dazu beitragen, die Differenzierung identischer Zellen in denselben Zelltyp zu lenken und so das richtige Entwicklungsergebnis sicherzustellen.

Direkte Signalisierung über Gap Junctions

Gap Junctions bei Tieren und Plasmodesmata bei Pflanzen sind Verbindungen zwischen den Plasmamembranen benachbarter Zellen. Diese wassergefüllten Kanäle ermöglichen es kleinen Signalmolekülen, die als intrazelluläre Mediatoren bezeichnet werden, zwischen den beiden Zellen zu diffundieren. Kleine Moleküle wie Calciumionen (Ca2+) können sich zwischen Zellen bewegen, aber große Moleküle wie Proteine ​​und DNA können nicht durch die Kanäle passen. Die Spezifität der Kanäle sorgt dafür, dass die Zellen unabhängig bleiben, aber schnell und einfach Signale übertragen können. Die Übertragung von Signalmolekülen kommuniziert den aktuellen Zustand der Zelle, die sich direkt neben der Zielzelle befindet. Dies ermöglicht einer Gruppe von Zellen, ihre Reaktion auf ein Signal zu koordinieren, das möglicherweise nur eine von ihnen empfangen hat. In Pflanzen sind Plasmodesmen allgegenwärtig und machen die gesamte Pflanze zu einem riesigen Kommunikationsnetzwerk.

Arten von Rezeptoren

Rezeptoren sind Proteinmoleküle in der Zielzelle oder auf ihrer Oberfläche, die Liganden binden. Es gibt zwei Arten von Rezeptoren, interne Rezeptoren und Zelloberflächenrezeptoren.

Interne Rezeptoren

Interne Rezeptoren, auch als intrazelluläre oder zytoplasmatische Rezeptoren bekannt, befinden sich im Zytoplasma der Zelle und reagieren auf hydrophobe Ligandenmoleküle, die durch die Plasmamembran wandern können. Im Inneren der Zelle binden viele dieser Moleküle an Proteine, die als Regulatoren der mRNA-Synthese (Transkription) fungieren, um die Genexpression zu vermitteln. Genexpression ist der zelluläre Prozess, bei dem die Informationen in der DNA einer Zelle in eine Sequenz von Aminosäuren umgewandelt werden, die letztendlich ein Protein bilden. Wenn der Ligand an den internen Rezeptor bindet, wird eine Konformationsänderung ausgelöst, die eine DNA-Bindungsstelle am Protein freilegt. Der Ligand-Rezeptor-Komplex wandert in den Zellkern, bindet dann an spezifische regulatorische Regionen der chromosomalen DNA und fördert die Initiation der Transkription (Abbildung 9.4). Transkription ist der Prozess des Kopierens der Informationen in der DNA einer Zelle in eine spezielle Form von RNA, die als Boten-RNA (mRNA) bezeichnet wird richtige Reihenfolge, ein Protein produzieren. Interne Rezeptoren können die Genexpression direkt beeinflussen, ohne das Signal an andere Rezeptoren oder Botenstoffe weitergeben zu müssen.

Abbildung 9.4. Hydrophobe Signalgebung.

Hydrophobe Signalmoleküle diffundieren typischerweise durch die Plasmamembran und interagieren mit intrazellulären Rezeptoren im Zytoplasma. Viele intrazelluläre Rezeptoren sind Transkriptionsfaktoren, die mit DNA im Zellkern interagieren und die Genexpression regulieren.

Zelloberflächenrezeptoren

Zelloberflächenrezeptoren, auch Transmembranrezeptoren genannt, sind membranverankerte (integrale) Proteine ​​auf der Zelloberfläche, die an externe Ligandenmoleküle binden. Dieser Rezeptortyp durchspannt die Plasmamembran und führt eine Signaltransduktion durch, bei der ein extrazelluläres Signal in ein interzelluläres Signal umgewandelt wird. Liganden, die mit Zelloberflächenrezeptoren interagieren, müssen nicht in die Zelle eindringen, auf die sie wirken. Zelloberflächenrezeptoren werden auch zellspezifische Proteine ​​oder Marker genannt, da sie spezifisch für einzelne Zelltypen sind.

Da Rezeptorproteine ​​der Zelloberfläche für die normale Zellfunktion von grundlegender Bedeutung sind, sollte es nicht überraschen, dass eine Fehlfunktion eines dieser Proteine ​​schwerwiegende Folgen haben könnte. Es wurde gezeigt, dass Fehler in den Proteinstrukturen bestimmter Rezeptormoleküle bei Bluthochdruck (Bluthochdruck), Asthma, Herzerkrankungen und Krebs eine Rolle spielen.

Jeder Zelloberflächenrezeptor hat drei Hauptkomponenten: eine externe Liganden-bindende Domäne, eine hydrophobe membranüberspannende Region und eine intrazelluläre Domäne innerhalb der Zelle. Die Ligandenbindungsdomäne wird auch extrazelluläre Domäne genannt. Die Größe und Ausdehnung jeder dieser Domänen variiert stark, abhängig von der Art des Rezeptors. Zelloberflächenrezeptoren sind an den meisten Signalübertragungen in mehrzelligen Organismen beteiligt. Es gibt drei allgemeine Kategorien von Zelloberflächenrezeptoren: Ionenkanal-gebundene Rezeptoren, G-Protein-gebundene Rezeptoren und Enzym-gebundene Rezeptoren.

Ionenkanal-gebundene Rezeptoren binden einen Liganden und öffnen einen Kanal durch die Membran, der spezifische Ionen passieren lässt. Um einen Kanal zu bilden, weist diese Art von Zelloberflächenrezeptor eine ausgedehnte membranüberspannende Region auf. Um mit den Phospholipidfettsäureschwänzen zu interagieren, die das Zentrum der Plasmamembran bilden, sind viele der Aminosäuren in der membranüberspannenden Region von Natur aus hydrophob. Umgekehrt sind die Aminosäuren, die das Innere des Kanals auskleiden, hydrophil, um den Durchgang von Wasser oder Ionen zu ermöglichen. Wenn ein Ligand an die extrazelluläre Region des Kanals bindet, kommt es zu einer Konformationsänderung in der Proteinstruktur, die den Durchgang von Ionen wie Natrium, Calcium, Magnesium und Wasserstoff ermöglicht (Abbildung 9.5).

Abbildung 9.5. Ein geschlossener Ionenkanal. Gesperrte Ionenkanäle bilden eine Pore durch die Plasmamembran, die sich öffnet, wenn das Signalmolekül bindet. Die offene Pore ermöglicht dann, dass Ionen in die Zelle hinein oder aus ihr herausfließen.

G-Protein-gebundene Rezeptoren binden einen Liganden und aktivieren ein Membranprotein, das als G-Protein bezeichnet wird. Das aktivierte G-Protein interagiert dann entweder mit einem Ionenkanal oder einem Enzym in der Membran (Abbildung 9.6). Alle G-Protein-gebundenen Rezeptoren haben sieben Transmembrandomänen, aber jeder Rezeptor hat seine eigene spezifische extrazelluläre Domäne und G-Protein-Bindungsstelle.

Die Zellsignalisierung unter Verwendung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren erfolgt als eine zyklische Reihe von Ereignissen. Bevor der Ligand bindet, kann das inaktive G-Protein an eine neu entdeckte Stelle des Rezeptors binden, die für seine Bindung spezifisch ist. Sobald das G-Protein an den Rezeptor bindet, aktiviert die resultierende Formänderung das G-Protein, das GDP freisetzt und GTP aufnimmt. Die Untereinheiten des G-Proteins spalten sich dann in die &Alpha Untereinheit und die &beta&gamma Untereinheit. Eines oder beide dieser G-Proteinfragmente können dadurch möglicherweise andere Proteine ​​aktivieren. Nach einer Weile wird das GTP auf dem aktiven &Alpha Untereinheit des G-Proteins wird zu GDP hydrolysiert und die &beta&gamma Untereinheit ist deaktiviert. Die Untereinheiten reassoziieren zum inaktiven G-Protein und der Zyklus beginnt von neuem.

Abbildung 9.6. Heterotrimere G-Proteine ​​haben drei Untereinheiten: α, &beta und &gamma. Wenn ein Signalmolekül an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor in der Plasmamembran bindet, wird ein mit der α-Untereinheit assoziiertes GDP-Molekül gegen GTP ausgetauscht. Die &beta- und &ggr;-Untereinheiten dissoziieren von der &alpha-Untereinheit, und eine zelluläre Reaktion wird entweder durch die α-Untereinheit oder das dissoziierte &beta&gamma-Paar ausgelöst. Die Hydrolyse von GTP zu GDP beendet das Signal.

G-Protein-gebundene Rezeptoren wurden ausgiebig untersucht und es wurde viel über ihre Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gesundheit gelernt. Für den Menschen pathogene Bakterien können Gifte freisetzen, die bestimmte G-Protein-gekoppelte Rezeptorfunktionen unterbrechen und zu Krankheiten wie Keuchhusten, Botulismus und Cholera führen. Bei der Cholera (Abb. 9.7) zum Beispiel das durch Wasser übertragene Bakterium Vibrio cholerae produziert ein Toxin, Choleragen, das an Zellen bindet, die den Dünndarm auskleiden. Das Toxin dringt dann in diese Darmzellen ein, wo es ein G-Protein modifiziert, das die Öffnung eines Chloridkanals steuert und dafür sorgt, dass es kontinuierlich aktiv bleibt, was zu großen Flüssigkeitsverlusten aus dem Körper und einer möglicherweise tödlichen Dehydration führt.

Abbildung 9.7. Cholera wird hauptsächlich durch verunreinigtes Trinkwasser übertragen und ist eine der Haupttodesursachen in Entwicklungsländern und in Gebieten, in denen Naturkatastrophen die Verfügbarkeit von sauberem Wasser unterbrechen. Das Cholera-Bakterium Vibrio cholerae erzeugt ein Toxin, das G-Protein-vermittelte Zellsignalwege im Darm verändert. Moderne sanitäre Einrichtungen beseitigen die Gefahr von Cholera-Ausbrüchen, wie sie 1866 durch New York City fegte. Dieses Plakat aus dieser Zeit zeigt, wie damals die Art und Weise der Übertragung der Krankheit nicht verstanden wurde. (Kredit: New York City Sanitary Commission)

Enzymgebundene Rezeptoren sind Zelloberflächenrezeptoren mit intrazellulären Domänen, die mit einem Enzym assoziiert sind. In einigen Fällen ist die intrazelluläre Domäne des Rezeptors selbst ein Enzym. Andere enzymgebundene Rezeptoren haben eine kleine intrazelluläre Domäne, die direkt mit einem Enzym interagiert. Die enzymgebundenen Rezeptoren haben normalerweise große extrazelluläre und intrazelluläre Domänen, aber die membranüberspannende Region besteht aus einer einzelnen alpha-helikalen Region des Peptidstrangs. Wenn ein Ligand an die extrazelluläre Domäne bindet, wird ein Signal durch die Membran übertragen, wodurch das Enzym aktiviert wird. Die Aktivierung des Enzyms löst eine Kette von Ereignissen innerhalb der Zelle aus, die schließlich zu einer Reaktion führt. Ein Beispiel für diese Art von enzymgebundenen Rezeptoren ist der Tyrosinkinase-Rezeptor (Abbildung 9.8). Eine Kinase ist ein Enzym, das Phosphatgruppen von ATP auf ein anderes Protein überträgt. Der Tyrosinkinase-Rezeptor überträgt Phosphatgruppen auf Tyrosinmoleküle (Tyrosinreste). Erstens binden Signalmoleküle an die extrazelluläre Domäne von zwei nahegelegenen Tyrosinkinase-Rezeptoren. Die beiden benachbarten Rezeptoren binden dann aneinander oder dimerisieren. Phosphate werden dann an Tyrosinreste auf der intrazellulären Domäne der Rezeptoren hinzugefügt (Phosphorylierung). Die phosphorylierten Reste können dann das Signal an den nächsten Boten im Zytoplasma weiterleiten.

Abbildung 9.8. Eine Rezeptor-Tyrosinkinase ist ein enzymgebundener Rezeptor mit einer einzelnen Transmembranregion und extrazellulären und intrazellulären Domänen. Die Bindung eines Signalmoleküls an die extrazelluläre Domäne bewirkt eine Dimerisierung des Rezeptors. Tyrosinreste auf der intrazellulären Domäne werden dann autophosphoryliert, was eine stromabwärts liegende zelluläre Reaktion auslöst. Das Signal wird durch eine Phosphatase beendet, die die Phosphate von den Phosphotyrosinresten entfernt.


9.2.1 Signalwege und Signalverstärkung

Obwohl Signalmoleküle oft in sehr geringen Konzentrationen gefunden werden, können sie tiefgreifende Wirkungen haben. Nachdem der Ligand an den Zelloberflächenrezeptor bindet, löst die Aktivierung der intrazellulären Komponenten des Rezeptors eine Kette von Ereignissen aus, die als a . bezeichnet wird Signalweg oder eine Signalkaskade. In einem Signalweg aktivieren zweite Botenstoffe, Enzyme und/oder aktivierte Proteine ​​andere Proteine ​​oder Botenstoffe (Abbildung 9.11). Jedes Mitglied des Pfades kann Tausende des nächsten Mitglieds des Pfades in einem Prozess namens . aktivieren Signalverstärkung. Da das Signal bei jedem Schritt verstärkt wird, kann eine sehr große Reaktion von einem einzelnen Rezeptor erzeugt werden, der einen Liganden bindet.

Abbildung 9.11 Der epidermale Wachstumsfaktorrezeptor, EGFR, ist eine Rezeptor-Tyrosinkinase. Oberteil. Wenn EGF an seinen Rezeptor bindet, aktivieren zwei Proteine ​​RAS, ein kleines G-Protein. Unterseite. RAS aktiviert RAF, das MEK phosphoryliert, das ERK phosphoryliert. Aktiviertes ERK dringt in den Zellkern ein und löst eine Zellreaktion aus.

Ein Beispiel für einen Signalweg wird gezeigt ist Abbildung 9.11. Der epidermale Wachstumsfaktor (EGF) ist ein Signalmolekül, das an der Regulierung des Zellwachstums, der Wundheilung und der Gewebereparatur beteiligt ist. Der Rezeptor für EGF (EGFR) ist eine Tyrosinkinase. Eine aktivierte Kinase phosphoryliert und aktiviert viele nachgeschaltete Moleküle. Wenn EGF an EGFR bindet, signalisiert eine Kaskade von nachgeschalteten Phosphorylierungsereignissen der Zelle, zu wachsen und sich zu teilen. Wird EGFR zu ungeeigneten Zeitpunkten aktiviert, kann es zu unkontrolliertem Zellwachstum (Krebs) kommen.

Bei bestimmten Krebsarten wird die GTPase-Aktivität des RAS-G-Proteins gehemmt. Das bedeutet, dass das RAS-Protein GTP nicht mehr zu GDP hydrolysieren kann. Welche Auswirkungen hätte dies auf nachgelagerte zelluläre Ereignisse?


Zellkommunikation

Die Kommunikation zwischen Zellen ermöglicht es ihnen, Informationen weiterzugeben und die Aktivität anderer Zellen zu regulieren. Es ermöglicht auch einer Gruppe von Zellen, ihre Aktivitäten zu koordinieren. Zellen sprechen miteinander durch die Sprache der kleinen Moleküle. Dies können Amine, Peptide, Steroide, Nukleotide und Gase sein. Einige dieser Moleküle diffundieren durch die Plasmamembran, um ihre intrazellulären Ziele zu binden, aber die meisten müssen mit einem Zelloberflächenrezeptor interagieren, der dann Veränderungen der Zellaktivität auslöst. Die Verbindung zwischen Rezeptor und zellulären Zielen wird als Signaltransduktion bezeichnet und umfasst normalerweise mehrere Proteine, kleine Moleküle und Ionen. Zellen enthalten mehrere Signaltransduktionswege und es gibt Crosstalk zwischen den Signalwegen. Wege können das gleiche Protein teilen, und Proteine ​​in getrennten Wegen können die Aktivität des anderen beeinflussen.

Die Wirkungen eines Signalmoleküls können schnell oder langsam sein. Schnelle Reaktionen beinhalten normalerweise Veränderungen in der Aktivität von Proteinen (Muskelkontraktion, Fusion sekretorischer Vesikel, Veränderungen des Stoffwechsels), während langsame Reaktionen die Synthese neuer Proteine ​​erfordern. Schnelle Reaktionen sind vorübergehend und die Auswirkungen können schnell umgekehrt werden. Langsame Reaktionen führen oft zu langfristigen oder dauerhaften Veränderungen im Zellverhalten. Das gleiche Signalmolekül löst oft eine schnelle, vorübergehende Reaktion einer Zelle aus, gefolgt von einer langsameren, langfristigen Änderung des Zellverhaltens.

Die Signalübertragung zwischen Zellen kann über eine Vielzahl von Entfernungen erfolgen. Die parakrine Signalübertragung umfasst Zellen an derselben Stelle oder im gleichen Gewebe, und das Signalmolekül gelangt nicht in den Blutkreislauf. Autokrine Signalübertragung ist eine Form der parakrinen Signalübertragung, bei der das Signalmolekül die Zelle beeinflusst, die es produziert hat. Die endokrine Signalübertragung umfasst Zellen in getrennten Organen und Geweben und erfordert den Blutstrom, um das Signalmolekül zwischen den Organen zu transportieren. Die Signalübertragung erfolgt auch zwischen Zellen, die direkten physischen Kontakt haben. Wechselwirkungen zwischen Proteinen auf der Zelloberfläche können Veränderungen im Zellverhalten auslösen. Beispielsweise interagieren Proteine ​​auf der Oberfläche von T-Zellen und Antigen-präsentierende Zellen, um Signalwege in T-Zellen zu aktivieren. Eine spezialisierte Art der Signalübertragung ist die Neurotransmission. Neuronen interagieren mit ihren Zielzellen, verwenden jedoch kleine Moleküle, die Neurotransmitter genannt werden, um mit ihren Zielzellen zu kommunizieren.

Signalwege können aufgrund der Anzahl der Komponenten und des Übersprechens zwischen verschiedenen Signalwegen komplex sein. Zudem werden Signalwege oft durch positives und negatives Feedback reguliert. Positives Feedback kann Signalwege aktivieren, die auch dann aktiv bleiben, wenn das Signalmolekül entfernt wird. Negative Rückkopplungswege erzeugen eine Vielzahl von Mustern in der Zellaktivität.

Steroide

Steroide sind kleine hydrophobe Moleküle, die durch die Plasmamembran diffundieren können. Steroide interagieren mit Rezeptoren innerhalb der Zelle, die die Transkriptionsaktivität verschiedener Gene verändern. Normalerweise wird die Transkription dieser Gene in Abwesenheit des Steroids gehemmt. Oft werden diese Transkriptionsfaktoren in Abwesenheit von Steroiden im Zytoplasma gehalten, was sie daran hindert, an ihre Zielgene zu binden. Nach Bindung des Steroids unterliegen die Rezeptoren einer Konformationsänderung, die ein inhibitorisches Protein freisetzt, das es ihnen in einigen Fällen ermöglicht, in den Zellkern importiert zu werden. Steroidrezeptoren aktivieren die Expression von Genen der frühen Reaktion, die Transkriptionsfaktoren codieren, die die Expression von Genen der sekundären Reaktion aktivieren. Die von den sekundären Antwortgenen kodierten Proteine ​​erzeugen normalerweise Veränderungen im Zellverhalten.

Ligandengesteuerte Ionenkanäle

Einige Ionenkanäle in der Plasmamembran sind Rezeptoren für Signalmoleküle. Beim Binden des Signalmoleküls öffnen sich die Ionenkanäle und ermöglichen den Durchgang von Ionen. Der Ionenfluss depolarisiert die Membran und löst ein Aktionspotential aus. Das Aktionspotential kann sich entlang der Zelloberfläche bewegen und andere zelluläre Ereignisse auslösen. Die Signalübertragung über Ionenkanäle erfolgt normalerweise sehr schnell und ist der Mechanismus, durch den die Skelettmuskulatur zur Kontraktion stimuliert wird.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

Einige Rezeptoren in der Plasmamembran interagieren physikalisch mit heterotrimeren G-Proteinen, die sich auf der zytoplasmatischen Oberfläche der Plasmamembran befinden. Heterotrimere G-Proteine ​​bestehen aus einer Alpha-Untereinheit (Gα), die GTP bindet und hydrolysiert, und einer Beta- und einer Gamma-Untereinheit (Gβγ), die Gα hemmen, aber auch an Signalreaktionen teilnehmen können. Die Rezeptoren sind bemerkenswert, weil sie die Membran 7-mal überspannen und eine Guanin-Nukleotid-Austausch-(GEF)-Domäne enthalten. Wenn sie Liganden binden, katalysiert die GEF-Domäne Gα, um GTP zu binden. Gα-GTP dissoziiert von Gβγ und kann die Aktivität verschiedener nachgeschalteter Enzyme verändern. Einige Gα-Untereinheiten (Gs) aktivieren nachgeschaltete Enzyme, während andere (Gi) die Aktivität nachgeschalteter Enzyme hemmen.

Downstream-Effekte heterotrimerer G-Proteine

Einige Gs-Untereinheiten aktivieren die Adenylylcyclase, die ATP in cAMP umwandelt. Adenylylcyclase befindet sich auf der zytoplasmatischen Oberfläche der Plasmamembran und kann die Konzentration von cAMP um das 20-fache erhöhen. Erhöhte cAMP-Konzentrationen aktivieren die Proteinkinase A, indem sie eine Dissoziation ihrer regulatorischen Untereinheiten bewirken. Proteinkinase A hat zahlreiche zelluläre Ziele. Es beeinflusst den Stoffwechsel, indem es Enzyme aktiviert, die Glykogen abbauen, und es verändert die Genexpression durch die Aktivierung von Transkriptionsfaktoren. Im Gegensatz zu Gs hemmen einige Gi-Untereinheiten die Aktivität der Adenylylcyclase. Um das Ausmaß der Signalübertragung über cAMP zu begrenzen, exprimieren Zellen Phosphodiesterase, die cAMP hydrolysiert, wodurch die Aktivität der Proteinkinase A reduziert wird.

Andere Gs-Untereinheiten aktivieren Phospholipasen. Phospholipasen spalten eine Klasse von Lipiden, die als Phosphatidylinositole bezeichnet werden.Gs neigen dazu, Phospholipase C zu aktivieren, die Inositol-3-phosphat (IP3) und Diacylglycerol (DAG) erzeugt. IP3 bindet an Calciumkanäle im endoplasmatischen Retikulum, wodurch diese sich öffnen und Calcium in das Zytoplasma freisetzen. Viele zelluläre Ereignisse werden durch den Kalziumspiegel einschließlich der Muskelkontraktion reguliert. Calcium aktiviert mit Hilfe von DAG auch die Proteinkinase C, die zahlreiche zelluläre Ziele hat. DAG kann auch in Arachidonsäure umgewandelt werden, die zur Synthese von Prostagladinen verwendet wird, die Entzündungs- und Schmerzmediatoren sind.

Rezeptor-Tyrosinkinasen

Einige Signalmoleküle binden an Rezeptoren, die normalerweise einmal die Membran durchspannen. Diese Rezeptoren enthalten eine Kinasedomäne an ihrem zytoplasmatischen Schwanz. Wenn sie an den Liganden gebunden ist, wird die Kinasedomäne aktiviert und die Rezeptoren phosphorylieren andere ähnliche Rezeptoren. Die phosphorylierten Schwänze der Rezeptoren werden von verschiedenen Signalproteinen erkannt. Rezeptoren aktivieren diese Signalproteine, indem sie sie konzentriert in die Nähe ihrer Substrate bringen. Normalerweise befinden sich diese Signalproteine ​​in geringer Konzentration im Zytosol und interagieren selten mit ihren Substraten. Indem sie die Signalproteine ​​näher an ihre Substrate bringen, verstärken Rezeptortyrosinkinasen die Signalreaktionen stark. Einige der Signalproteine, die Rezeptor-Tyrosin-Kinasen binden, sind Phospholipasen, Enzyme, die GTP-bindende Proteine ​​regulieren, und Phosphatidylinositol-Kinasen.

Phosphatidylinositol-Kinasen phosphorylieren Phosphatidylinositole und können einen Fleck mit spezifischem Phosphtidylinositol im inneren Segel der Plasmamembran erzeugen. Einige Signalproteine ​​enthalten Domänen, die spezifische Phosphatidylinositole binden und sich an der Plasmamembran anreichern. Normalerweise aktiviert eines dieser Proteine ​​das andere, und das zweite Protein verändert die spezifischen zellulären Ereignisse.

MAP-Kinasen

Der MAP-Kinase-Weg ist eine Reihe von Kinasen, die sich in geordneter Weise gegenseitig phosphorylieren. Bei Aktivierung phosphoryliert die oberste Kinase, die MAP-Kinase-Kinase-Kinase (MAP-KKK), die MAP-Kinase-Kinase, die dann die MAP-Kinase phosphoryliert. Phosphorylierte MAP-Kinase phosphoryliert eine Vielzahl von zellulären Zielen. Viele Signalwege verwenden die MAP-Kinase-Kaskade, aber einer der häufigsten Mechanismen zur Aktivierung von MAP-Kinasen ist Ras. Ras sind kleine GTP-bindende Proteine, die sich an der Plasmamembran befinden. Rezeptortyrosinkinasen können den GEF für Ras rekrutieren, der seine Bindung von GTP katalysiert. Im GTP-gebundenen Zustand schaltet Ras die Aktivität der MAP-Kinase-Kinase-Kinase ein.

Es gibt mehrere verschiedene Arten von Proteinen, die als MAP-KKK, MAP-KK oder MAP-K fungieren, und eine der Herausforderungen besteht darin, MAP-Kinasen in einem Weg davon abzuhalten, MAP-Kinasen in einem anderen Weg zu aktivieren. Zellen bewahren die Integrität der MAP-Kinase-Wege durch die Verwendung von Gerüstproteinen. Gerüstproteine ​​binden MAP-Kinasen, die an demselben Stoffwechselweg teilnehmen, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass sie MAP-Kinasen in einem anderen Stoffwechselweg phosphorylieren.

Ausschalten des Signals

Wie bereits erwähnt, müssen Zellen Signalereignisse beenden, da eine längere Stimulation Zellen schädigen und zum Zelltod führen kann. Einige Signalwege werden inaktiviert, indem der Rezeptor, der den Signalweg aktiviert, von der Plasmamembran entfernt wird. Die rezeptorvermittelte Endozytose nimmt einen Teil der Plasmamembran in Clathrin-beschichteten Vesikeln ein. Diese Vesikel können Rezeptoren rekrutieren und sie dadurch von der Plasmamembran entfernen. Die Vesikel fusionieren mit Endosomen mit niedrigem pH-Wert, die normalerweise den Liganden vom Rezeptor dissoziieren, und der Rezeptor kann zur Plasmamembran rezykliert werden. In einigen Fällen wird der Rezeptor dauerhaft von der Plasmamembran entfernt, indem der Rezeptor zu Lysosomen transportiert wird, wo er abgebaut wird.

Rezeptoren können auch inaktiviert werden, während sie in der Plasmamembran verbleiben. Einige aktivierte Rezeptoren schalten Proteine ​​ein, die den Rezeptor modifizieren (Phosphorylierung). Die modifizierte Form des Rezeptors wird dann von inhibitorischen Proteinen gebunden, die den Rezeptor daran hindern, nachgeschaltete Signalwege zu aktivieren.

In einigen Fällen wird das Signalmolekül von außerhalb der Zelle entfernt. Einige Zellen enthalten Enzyme außerhalb der Zelle, die Signalmoleküle abbauen. In anderen Fällen können Zellen durch Endozytose Signalmoleküle außerhalb der Zelle aufnehmen.



Bemerkungen:

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