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20.12: Lichttransduktion - Biologie

20.12: Lichttransduktion - Biologie



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Die Stäbchen und Zapfen sind der Ort, an dem Licht in ein neuronales Signal umgewandelt wird. Bei Wirbeltieren das wichtigste Photopigment, Rhodopsin, besteht aus zwei Hauptteilen Abbildung 1): einem Opsin, einem Membranprotein (in Form eines Clusters von α-Helices, die die Membran umspannen) und Retinal – einem Molekül, das Licht absorbiert.

Wenn Licht auf einen Photorezeptor trifft, verursacht es eine Formänderung in der Netzhaut und verändert ihre Struktur von einer gebogenen (cis) Form des Moleküls in seine lineare (trans) Isomer. Diese Isomerisierung von Retinal aktiviert das Rhodopsin und startet eine Kaskade von Ereignissen, die mit dem Schließen von Na . endet+ Kanäle in der Membran des Photorezeptors. Im Gegensatz zu den meisten anderen sensorischen Neuronen (die durch Einwirkung eines Reizes depolarisiert werden) werden visuelle Rezeptoren hyperpolarisiert und somit von der Schwelle weggetrieben (Abbildung 2).

Trichromatische Codierung

Es gibt drei Arten von Zapfen (mit unterschiedlichen Photopsinen), die sich in der Wellenlänge unterscheiden, auf die sie am stärksten reagieren, wie in Abbildung 3 gezeigt. Einige Zapfen reagieren maximal auf kurze Lichtwellen von 420 nm, daher werden sie S-Zapfen genannt („S“ für „kurz“); andere reagieren maximal auf Wellen von 530 nm (M-Kegel, für „mittel“); eine dritte Gruppe reagiert maximal auf Licht längerer Wellenlängen bei 560 nm (L oder „lange“ Zapfen). Mit nur einem Zapfentyp wäre das Farbsehen nicht möglich, und ein Zweikegel-(dichromatisches) System hat Einschränkungen. Primaten verwenden ein Drei-Kegel-System (trichromatisch), was zu einem vollen Farbsehen führt.

Die Farbe, die wir wahrnehmen, ergibt sich aus dem Aktivitätsverhältnis unserer drei Zapfenarten. Die Farben des visuellen Spektrums, das vom langwelligen Licht bis zum kurzen Licht reicht, sind Rot (700 nm), Orange (600 nm), Gelb (565 nm), Grün (497 nm), Blau (470 nm), Indigo (450 ). nm) und Violett (425 nm). Der Mensch hat eine sehr empfindliche Farbwahrnehmung und kann etwa 500 Helligkeitsstufen, 200 verschiedene Farbtöne und 20 Sättigungsstufen oder etwa 2 Millionen verschiedene Farben unterscheiden.

Netzhautverarbeitung

Visuelle Signale verlassen die Zapfen und Stäbchen, wandern zu den Bipolarzellen und dann zu den Ganglienzellen. Ein Großteil der Verarbeitung visueller Informationen findet in der Netzhaut selbst statt, bevor visuelle Informationen an das Gehirn gesendet werden.

Photorezeptoren in der Netzhaut unterliegen ständig tonische Aktivität. Das heißt, sie sind immer leicht aktiv, auch wenn sie nicht durch Licht stimuliert werden. In Neuronen, die tonische Aktivität aufweisen, hält das Fehlen von Stimuli eine Feuerrate auf einer Grundlinie; während einige Reize die Feuerrate gegenüber der Grundlinie erhöhen und andere Reize die Feuerrate verringern. In Abwesenheit von Licht werden die bipolaren Neuronen, die Stäbchen und Zapfen mit Ganglienzellen verbinden, kontinuierlich und aktiv durch die Stäbchen und Zapfen gehemmt. Die Bestrahlung der Netzhaut mit Licht hyperpolarisiert die Stäbchen und Zapfen und beseitigt ihre Hemmung der bipolaren Zellen. Die nun aktiven Bipolarzellen stimulieren wiederum die Ganglienzellen, die entlang ihrer Axone (die das Auge als Sehnerv verlassen) Aktionspotentiale aussenden. Somit verlässt sich das visuelle System auf eine Änderung der Netzhautaktivität und nicht auf das Fehlen oder Vorhandensein von Aktivität, um visuelle Signale für das Gehirn zu kodieren. Manchmal übertragen horizontale Zellen Signale von einem Stab oder Kegel zu anderen Photorezeptoren und zu mehreren bipolaren Zellen. Wenn ein Stab oder ein Kegel eine horizontale Zelle stimuliert, hemmt die horizontale Zelle weiter entfernte Photorezeptoren und bipolare Zellen, wodurch eine seitliche Hemmung entsteht. Diese Hemmung schärft Kanten und erhöht den Kontrast in den Bildern, indem Bereiche, die Licht empfangen, heller erscheinen und dunkle Umgebungen dunkler erscheinen. Amakrine Zellen können Informationen von einer Bipolarzelle an viele Ganglienzellen verteilen.

Sie können dies mit einer einfachen Demonstration demonstrieren, um Ihre Netzhaut und Ihr Gehirn über die Farben zu „täuschen“, die Sie in Ihrem Gesichtsfeld beobachten. Betrachten Sie Abbildung 4 ungefähr 45 Sekunden lang. Dann lenken Sie Ihren Blick schnell auf ein leeres weißes Blatt Papier oder eine weiße Wand. Sie sollten ein Nachbild der norwegischen Flagge in den richtigen Farben sehen. Schließen Sie an dieser Stelle für einen Moment die Augen, öffnen Sie sie dann wieder und schauen Sie erneut auf das weiße Papier oder die Wand; das Nachbild der Flagge sollte weiterhin rot, weiß und blau erscheinen.

Was verursacht das? Laut einer Erklärung, die als Gegnerprozesstheorie bezeichnet wird, haben Ihre retinalen Ganglienzellen, die positiv auf Grün, Schwarz und Gelb reagieren, ihre Feuerung dramatisch erhöht, während Sie fest auf die grüne, schwarze und gelbe Flagge starrten. Wenn Sie Ihren Blick auf den neutralen weißen Grund richteten, verringerten diese Ganglienzellen abrupt ihre Aktivität und das Gehirn interpretierte diese abrupte Abwärtsbewegung so, als würden die Ganglienzellen jetzt auf ihre „Gegenfarben“ reagieren: Rot, Weiß bzw. Blau in das Gesichtsfeld. Sobald die Ganglienzellen zu ihrem Grundaktivitätszustand zurückkehren, wird die falsche Farbwahrnehmung verschwinden.


20.12: Lichttransduktion - Biologie

Licht besteht aus Photonen, die elektromagnetische Wellen bilden, die durch Wellenlänge, Frequenz und Amplitude gekennzeichnet sind.

Lernziele

Beschreiben Sie die Eigenschaften von Licht

Die zentralen Thesen

Wichtige Punkte

  • Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die sich im Gegensatz zu Schall ohne ein Medium ausbreiten können.
  • Das Verhalten von Licht zeigt sich im Verhalten von Wellen und Photonen, der Grundeinheit des Lichts.
  • Eine Wellenlänge (die sich umgekehrt mit der Frequenz ändert) manifestiert sich als Farbe, während die Wellenamplitude als Lichtstärke oder Helligkeit wahrgenommen wird, die in der Standardeinheit Candela gemessen wird.
  • Menschen können Licht im Bereich zwischen 380 nm und 740 nm sehen, aber kein Licht, das unterhalb der Frequenz des sichtbaren roten Lichts oder oberhalb der Frequenz des sichtbaren violetten Lichts liegt.
  • Licht am roten Ende des sichtbaren Spektrums hat lange Wellenlängen (und eine niedrigere Frequenz), während Licht am violetten Ende kurze Wellenlängen (und eine höhere Frequenz) hat.
  • Lichtwellen treten als lange (rote), mittlere (grüne) und kurze (blaue) Wellen in das Auge ein. Die Farbe eines Objekts ist die Farbe, die das Objekt reflektiert.

Schlüsselbegriffe

  • Photon: das Quant von Licht und anderer elektromagnetischer Energie, betrachtet als diskretes Teilchen mit Null Ruhemasse, ohne elektrische Ladung und einer unbegrenzt langen Lebensdauer
  • Nanometer: ein Milliardstel Meter wird verwendet, um die Wellenlänge des Lichts auszudrücken
  • elektromagnetisches Spektrum: der gesamte Wellenlängenbereich aller bekannten Strahlungen bestehend aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern, einschließlich Gammastrahlen, sichtbarem Licht, Infrarot, Radiowellen und Röntgenstrahlen
  • Wellenlänge: die Länge eines einzelnen Wellenzyklus, gemessen am Abstand zwischen einem Wellenberg oder einem Wellental und dem nächsten entspricht der Geschwindigkeit der Welle geteilt durch ihre Frequenz

Hell

Wie bei akustischen Reizen breitet sich Licht in Wellen aus. Während sich die Kompressionswellen, aus denen sich der Schall zusammensetzt, in einem Medium (bestehend aus einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper) ausbreiten müssen, besteht Licht aus elektromagnetischen Wellen und benötigt kein Medium. Licht kann sich tatsächlich im Vakuum bewegen. Das Verhalten von Licht lässt sich durch das Verhalten von Wellen und das Verhalten der Grundeinheit des Lichts, des Photons, beschreiben: ein Paket elektromagnetischer Strahlung. Ein Blick auf das elektromagnetische Spektrum zeigt, dass sichtbares Licht für den Menschen nur ein kleiner Ausschnitt des gesamten Spektrums ist, das Strahlung umfasst, die wir nicht als Licht sehen können, weil sie unterhalb der Frequenz des sichtbaren roten Lichts und oberhalb der Frequenz des sichtbaren violetten Lichts liegt.

Elektromagnetisches Spektrum: Ein Blick in das elektromagnetische Spektrum zeigt, dass sichtbares Licht für den Menschen nur ein kleiner Ausschnitt des gesamten Spektrums ist.

Bestimmte Variablen sind wichtig, wenn die Lichtwahrnehmung diskutiert wird. Eine Wellenlänge (die sich umgekehrt mit der Frequenz ändert) manifestiert sich als Farbe. Licht am roten Ende des sichtbaren Spektrums hat längere Wellenlängen (und eine niedrigere Frequenz), während Licht am violetten Ende kürzere Wellenlängen (und eine höhere Frequenz) hat. Die Wellenlänge des Lichts wird in Nanometern (nm) angegeben. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter. Der Mensch nimmt Licht im Bereich zwischen etwa 380 nm und 740 nm wahr. Einige andere Tiere können jedoch Wellenlängen außerhalb des menschlichen Bereichs erkennen. Zum Beispiel sehen Bienen fast ultraviolettes Licht, um Nektarführer auf Blüten zu lokalisieren. Einige Reptilien, die keine Vögel sind, nehmen Infrarotlicht wahr (wie Wärme, die Beute abgibt).

Die Wellenamplitude wird als Lichtstärke oder Helligkeit wahrgenommen. Die Standardeinheit für die Lichtstärke ist die Candela, was ungefähr der Lichtstärke einer gewöhnlichen Kerze entspricht.

Lichtwellen bewegen sich im Vakuum 299.792 km pro Sekunde und in verschiedenen Medien wie Luft und Wasser etwas langsamer. Diese Wellen erreichen das Auge als lange (rote), mittlere (grüne) und kurze (blaue) Wellen. Der Begriff “weißes Licht” ist Licht, das vom menschlichen Auge als weiß wahrgenommen wird. Dieser Effekt wird durch Licht erzeugt, das die Farbrezeptoren im menschlichen Auge gleichermaßen stimuliert. Die scheinbare Farbe eines Objekts ist eigentlich die Farbe (oder Farben), die das Objekt reflektiert. Somit reflektiert ein rotes Objekt die roten Wellenlängen in gemischtem (weißem) Licht und absorbiert alle anderen Wellenlängen des Lichts.


Höhere Verarbeitung

Die inneren Haarzellen sind am wichtigsten für die Übermittlung akustischer Informationen an das Gehirn. Ungefähr 90 Prozent der afferenten Neuronen tragen Informationen von inneren Haarzellen, wobei jede Haarzelle mit etwa 10 Neuronen synaptisch ist. Äußere Haarzellen sind nur mit 10 Prozent der afferenten Neuronen verbunden, und jedes afferente Neuron innerviert viele Haarzellen. Die afferenten, bipolaren Neuronen, die auditive Informationen übermitteln, wandern von der Cochlea zur Medulla, über den Pons und das Mittelhirn im Hirnstamm und erreichen schließlich den primären auditiven Kortex im Temporallappen.


LABOR FÜR PFLANZENMOLEKULARBIOLOGIE

Lichtsignaltransduktionswege sind von zentraler Bedeutung für die Regulation der Pflanzenentwicklung. Sie ermöglichen es, Informationen über die Intensität und Dauer bestimmter Lichtwellenlängen zu verstärken und zu koordinieren, was zu komplexen physiologischen und entwicklungsbezogenen Reaktionen während des gesamten Lebenszyklus führt (z. Pflanzen nehmen durch Photorezeptoren diskrete Wellenlängen des Lichts wahr, wie die Phytochrome, die rotes / dunkelrotes Licht wahrnehmen, und die Kryptochrome, die blaues Licht wahrnehmen.

Der dramatische Wechsel von der skotomorphogenen (etiolierten) Keimlingsentwicklung zur photomorphogenen (deetiolierten) Entwicklung bietet ein hervorragendes System zur Aufklärung von Lichtsignaltransduktionskaskaden in Pflanzen. Genetische Screenings von mutagenisierten Sämlingspopulationen haben sowohl positiv wirkende Komponenten (Rezeptoren, Signalzwischenprodukte) als auch Repressoren der Photomorphogenese identifiziert. Unser Labor hat sich insbesondere auf die Identifizierung von Zwischenprodukten konzentriert, die die Signalübertragung von Phytochom A fördern. Mutanten-Screenings identifizierten die Signalübertragung von Phytochrom A (klopfen) und noch lange danach (laf) Mutanten. Die Charakterisierung dieser Mutanten hat die Identifizierung neuer Zwischenprodukte ermöglicht, die für eine vollständige Reaktion auf aktiviertes Phytochrom A erforderlich sind.

Andere haben vier biochemische Einheiten identifiziert: COP1, das CSN, COP10 und DET1, die die Photomorphogenese bei Dunkelheit unterdrücken. Die Charakterisierung von COP1, CSN und COP10 deutet stark darauf hin, dass die Ubiquitin-vermittelte Proteolyse eine entscheidende Rolle bei der Eliminierung von Signalkomponenten spielt, die die Skotomorphogenese ermöglichen, sodass sie durch ein Signalnetzwerk ersetzt werden können, das die Photomorphogenese fördert. Die Phänotypen von Mutanten, die in COP-Genprodukten defekt sind, weisen jedoch darauf hin, dass sie nicht nur Signale von mehreren Photorezeptoren transduzieren, sondern anscheinend eine zentrale Rolle bei der Transduktion von Signalen spielen, die nicht direkt mit der Wahrnehmung von Licht in Verbindung stehen.

COP1 ist eines von etwa 400 Arabidopsis-Proteinen, die ein RING-Motiv tragen. Diese Anordnung von acht Cystein- und Histidinresten, die zwei Zinkionen koordinieren, ist ein charakteristisches Merkmal einer Klasse von E3-Proteinen. Wir waren die ersten, die die E3-Aktivität von COP1 demonstrierten und zeigten, dass COP1 eine wichtige Rolle bei der Desensibilisierung des Phytochrom-A-Signals durch den Abbau von LAF1 spielt, einem Transkriptionsfaktor, der für die volle Reaktionsfähigkeit auf aktiviertes Phytochrom A erforderlich ist. Der Nachweis anderer, dass COP1 mit einem negativen Repressor von Phytochrom A namens SPA1 interagiert, veranlasste uns, die Wirkung von SPA1 auf die COP1-vermittelte Ubiquitinierung zu testen. Die Coiled-Coil-Domäne von SPA1 fördert die Ubiquitinierung von LAF1, jedoch nur bei niedrigen COP1-Konzentrationen. Basierend auf aktuellen Erkenntnissen über die Rolle der nuklearen Depletion von COP1 nach der Bestrahlung legt diese Beobachtung einen Mechanismus nahe, bei dem COP1 in deetiolierten Sämlingen selektiv auf verschiedene Substrate wirken könnte, um die Abschwächung von Lichtsignalen zu gewährleisten, die von einem spezifischen Photorezeptor übertragen werden.

Zhou Q, Hare PD, Yang SW, Zeidler M, Huang L-F, Chua, N-H (2005) FHL ist für die vollständige Phytochrom-A-Signalgebung erforderlich und teilt überlappende Funktionen mit FHY1. Anlage J 43: 356-370

Jang I-C, Yang J-Y, Seo HS, Chua N-H (2005) HFR1 wird von der COP1-E3-Ligase für die posttranslationale Proteolyse während der Phytochrom-A-Signalgebung gezielt. Genes Dev 19:593-602

Zeidler M, Zhou Q, Sarda, Yau C-P, Chua N-H (2004)Das Kernlokalisierungssignal und die C-terminale Region von FHY1 werden für die Übertragung von Phytochrom-A-Signalen benötigt. Werk J 40:355-36

Seo HS, Watanabe E, Tokutomi S, Nagatani A, Chua NH (2004)Photorezeptor-Ubiquitinierung durch COP1 E3-Ligase desensibilisiert die Phytochrom-A-Signalgebung. Gene Dev 18:617-622

Seo HS, Yang JY, Ishikawa M, Bolle C, Ballesteros ML, Chua NH (2003)Die LAF1-Ubiquitinierung durch COP1 kontrolliert die Photomorphogenese und wird durch SPA1 stimuliert. Natur 423:995-999

Moller SG, Kim YS, Kunkel T, Chua NH (2003) PP7 ist ein positiver Regulator der Blaulichtsignalisierung bei Arabidopsis. Pflanzenzelle 15: 1111-1119

Hare PD, Moller SG, Huang L-F, Chua NH (2003)LAF3, ein neuer Faktor, der für die normale Phytochrom-A-Signalgebung erforderlich ist. Pflanzenphysiologie 133: 1592-1604

Ballesteros ML, Bolle C, Lois LM, Moore JM, Vielle-Calzada JP, Grossniklaus U, Chua NH (2001)LAF1, ein MYB-Transkriptionsaktivator für die Phytochrom-A-Signalgebung. Gene Dev 15: 2613-2625

Moller SG, Kunkel T, Chua NH (2001)Ein plastidisches ABC-Protein, das an der interkompartimentellen Kommunikation von Lichtsignalen beteiligt ist. Genes Dev 15:90-103

Zeidler M, Bolle C, Chua NH (2001)Das Phytochrom, eine spezifische Signalkomponente PAT3, ist ein positiver Regulator der Arabidopsis-Photomorphogenese. Pflanzenzellphysiologie 42:1193-1200

Bolle C, Koncz C, Chua NH (2000) PAT1, ein neues Mitglied der GRAS-Familie, ist an der Phytochrom-A-Signaltransduktion beteiligt. Gene Dev 14:1269-1278

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Stab- und Kegelzellen

Menschliche Stäbchenzellen und die verschiedenen Arten von Zapfenzellen haben jeweils eine optimale Wellenlänge. Es gibt jedoch eine beträchtliche Überlappung bei den detektierten Wellenlängen des Lichts.

Die Farbe, die wir wahrnehmen, ergibt sich aus dem Aktivitätsverhältnis unserer drei Zapfenarten. Die Farben des visuellen Spektrums, das von langwelligem Licht bis kurz reicht, sind:

  • rot (700 nm)
  • orange (600nm)
  • gelb (565 nm)
  • grün (497 nm)
  • blau (470nm)
  • indigo (450 nm)
  • violett (425 nm).

Der Mensch hat eine sehr empfindliche Farbwahrnehmung und kann insgesamt etwa 500 Helligkeitsstufen, 200 verschiedene Farbtöne und 20 Sättigungsstufen unterscheiden, insgesamt etwa 2 Millionen verschiedene Farben.


Inhalt

Grundlage der Signalübertragung ist die Umwandlung eines bestimmten Reizes in ein biochemisches Signal. Die Natur solcher Stimuli kann stark variieren und reicht von extrazellulären Hinweisen, wie der Anwesenheit von EGF, bis hin zu intrazellulären Ereignissen, wie der DNA-Schädigung, die aus dem replikativen Telomerabrieb resultiert. [7] Traditionell werden Signale, die das zentrale Nervensystem erreichen, als Sinne klassifiziert. Diese werden in einem Prozess namens synaptische Übertragung von Neuron zu Neuron übertragen. Viele andere interzelluläre Signalweiterleitungsmechanismen existieren in multizellulären Organismen, wie beispielsweise diejenigen, die die Embryonalentwicklung steuern. [8]

Liganden Bearbeiten

Die meisten Signalübertragungswege beinhalten die Bindung von Signalmolekülen, sogenannten Liganden, an Rezeptoren, die Ereignisse innerhalb der Zelle auslösen. Die Bindung eines Signalmoleküls an einen Rezeptor bewirkt eine Änderung der Konformation des Rezeptors, bekannt als Rezeptoraktivierung. Die meisten Liganden sind lösliche Moleküle aus dem extrazellulären Medium, die an Zelloberflächenrezeptoren binden. Dazu gehören Wachstumsfaktoren, Zytokine und Neurotransmitter. Auch Bestandteile der extrazellulären Matrix wie Fibronektin und Hyaluronan können an solche Rezeptoren (Integrine bzw. CD44) binden. Darüber hinaus sind einige Moleküle wie Steroidhormone fettlöslich und passieren daher die Plasmamembran, um nukleäre Rezeptoren zu erreichen. [9] Im Fall von Steroidhormonrezeptoren führt deren Stimulation zur Bindung an die Promotorregion steroidresponsiver Gene. [10]

Nicht alle Klassifikationen von Signalmolekülen berücksichtigen die molekulare Natur jedes Klassenmitglieds. Geruchsstoffe gehören beispielsweise zu einer Vielzahl von Molekülklassen [11], ebenso wie Neurotransmitter, deren Größe von kleinen Molekülen wie Dopamin [12] bis hin zu Neuropeptiden wie Endorphinen reicht. [13] Darüber hinaus können einige Moleküle in mehr als eine Klasse passen, z. Adrenalin ist ein Neurotransmitter, wenn es vom Zentralnervensystem sezerniert wird, und ein Hormon, wenn es vom Nebennierenmark sezerniert wird.

Einige Rezeptoren wie HER2 sind in der Lage, Ligand-unabhängige Aktivierung wenn überexprimiert oder mutiert. Dies führt zu einer konstitutiven Aktivierung des Signalwegs, die durch Kompensationsmechanismen aufgehoben werden kann oder nicht. Bei HER2, das als Dimerisierungspartner anderer EGFRs fungiert, führt eine konstitutive Aktivierung zu Hyperproliferation und Krebs. [14]

Mechanische Kräfte Bearbeiten

Die Prävalenz von Basalmembranen in den Geweben von Eumetazoa bedeutet, dass die meisten Zelltypen zum Überleben eine Anhaftung benötigen. Diese Anforderung hat zur Entwicklung komplexer Mechanotransduktionswege geführt, die es den Zellen ermöglichen, die Steifigkeit des Substrats zu spüren. Solche Signale werden hauptsächlich in fokalen Adhäsionen orchestriert, Regionen, in denen das Integrin-gebundene Aktin-Zytoskelett Veränderungen erkennt und sie stromabwärts über YAP1 überträgt. [15] Calcium-abhängige Zelladhäsionsmoleküle wie Cadherine und Selectine können ebenfalls die Mechanotransduktion vermitteln.[16] Für die Mechanosensation sind spezialisierte Formen der Mechanotransduktion im Nervensystem verantwortlich: Hören, Tasten, Propriozeption und Gleichgewicht. [17]

Osmolarität Bearbeiten

Die zelluläre und systemische Kontrolle des osmotischen Drucks (der Unterschied in der Osmolarität zwischen dem Zytosol und dem extrazellulären Medium) ist für die Homöostase entscheidend. Es gibt drei Möglichkeiten, wie Zellen osmotische Reize erkennen können: als Veränderungen des makromolekularen Engstands, der Ionenstärke und Veränderungen der Eigenschaften der Plasmamembran oder des Zytoskeletts (letzteres ist eine Form der Mechanotransduktion). [18] Diese Veränderungen werden von Proteinen erkannt, die als Osmosensoren oder Osmorezeptoren bekannt sind. Beim Menschen sind die am besten charakterisierten Osmosensoren transiente potentielle Rezeptorkanäle, die im primären Zilien menschlicher Zellen vorhanden sind. [18] [19] In Hefe wurde der HOG-Weg umfassend charakterisiert. [20]

Temperatur Bearbeiten

Das Erfassen der Temperatur in Zellen ist als Thermozeption bekannt und wird hauptsächlich durch transiente Rezeptorpotentialkanäle vermittelt. [21] Darüber hinaus enthalten tierische Zellen einen konservierten Mechanismus, um zu verhindern, dass hohe Temperaturen Zellschäden verursachen, die Hitzeschockreaktion. Eine solche Reaktion wird ausgelöst, wenn hohe Temperaturen die Dissoziation von inaktivem HSF1 von Komplexen mit den Hitzeschockproteinen Hsp40/Hsp70 und Hsp90 verursachen. Mit Hilfe der ncRNA hsr1, HSF1 trimerisiert dann, wird aktiv und reguliert die Expression seiner Zielgene hoch. [22] Viele andere thermosensorische Mechanismen existieren sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten. [21]

Licht Bearbeiten

Bei Säugetieren steuert Licht den Sehsinn und die zirkadiane Uhr, indem es lichtempfindliche Proteine ​​in Photorezeptorzellen in der Netzhaut des Auges aktiviert. Beim Sehen wird Licht durch Rhodopsin in Stäbchen- und Zapfenzellen detektiert. [23] Im Fall der zirkadianen Uhr ist ein anderes Photopigment, Melanopsin, für die Detektion von Licht in intrinsisch lichtempfindlichen retinalen Ganglienzellen verantwortlich. [24]

Rezeptoren lassen sich grob in zwei Hauptklassen einteilen: intrazelluläre und extrazelluläre Rezeptoren.

Extrazelluläre Rezeptoren Bearbeiten

Extrazelluläre Rezeptoren sind integrale Transmembranproteine ​​und bilden die meisten Rezeptoren. Sie umspannen die Plasmamembran der Zelle, wobei ein Teil des Rezeptors außen und der andere innen liegt. Die Signalübertragung erfolgt als Ergebnis einer Ligandenbindung an die äußere Region des Rezeptors (der Ligand passiert die Membran nicht). Die Liganden-Rezeptor-Bindung induziert eine Änderung der Konformation des inneren Teils des Rezeptors, ein Vorgang, der manchmal als "Rezeptoraktivierung" bezeichnet wird. [25] Dies führt entweder zur Aktivierung einer Enzymdomäne des Rezeptors oder zur Freilegung einer Bindungsstelle für andere intrazelluläre Signalproteine ​​innerhalb der Zelle, wodurch das Signal schließlich durch das Zytoplasma weitergegeben wird.

In eukaryontischen Zellen besitzen die meisten intrazellulären Proteine, die durch eine Ligand/Rezeptor-Wechselwirkung aktiviert werden, eine enzymatische Aktivität, Beispiele umfassen Tyrosinkinase und Phosphatasen. Häufig sind solche Enzyme kovalent an den Rezeptor gebunden. Einige von ihnen erzeugen Second Messenger wie zyklisches AMP und IP3, wobei letzteres die Freisetzung intrazellulärer Calciumspeicher in das Zytoplasma steuert. Andere aktivierte Proteine ​​interagieren mit Adapterproteinen, die Signalproteininteraktionen und die Koordination von Signalkomplexen erleichtern, die notwendig sind, um auf einen bestimmten Stimulus zu reagieren. Enzyme und Adapterproteine ​​reagieren beide auf verschiedene sekundäre Botenstoffmoleküle.

Viele Adapterproteine ​​und Enzyme, die im Rahmen der Signaltransduktion aktiviert werden, besitzen spezialisierte Proteindomänen, die an spezifische sekundäre Botenstoffmoleküle binden. Zum Beispiel binden Calciumionen an die EF-Handdomänen von Calmodulin, wodurch es Calmodulin-abhängige Kinase binden und aktivieren kann. PIP3 und andere Phosphoinositide machen dasselbe mit den Pleckstrin-Homologiedomänen von Proteinen wie dem Kinaseprotein AKT.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren Bearbeiten

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine Familie integraler Transmembranproteine, die sieben Transmembrandomänen besitzen und an ein heterotrimeres G-Protein gebunden sind. Mit fast 800 Mitgliedern ist dies die größte Familie von Membranproteinen und Rezeptoren bei Säugetieren. Alle Tierarten gezählt, summieren sie sich auf über 5000. [26] Säugetier-GPCRs werden in 5 Hauptfamilien eingeteilt: Rhodopsin-ähnlich, Sekretin-ähnlich, metabotropes Glutamat, Adhäsion und gekräuselt/geglättet, wobei einige GPCR-Gruppen schwer zu klassifizieren sind aufgrund geringer Sequenzähnlichkeit, zB vomeronasalen Rezeptoren. [26] Andere Klassen existieren in Eukaryoten, wie z Dictyostelium zyklische AMP-Rezeptoren und pilzliche Paarungspheromonrezeptoren. [26]

Die Signaltransduktion durch einen GPCR beginnt mit einem inaktiven G-Protein, das an den Rezeptor gekoppelt ist, das G-Protein existiert als Heterotrimer bestehend aus Gα-, Gβ- und Gγ-Untereinheiten. [27] Sobald der GPCR einen Liganden erkennt, ändert sich die Konformation des Rezeptors, um das G-Protein zu aktivieren, wodurch Gα an ein GTP-Molekül bindet und von den anderen beiden G-Protein-Untereinheiten dissoziiert. Die Dissoziation legt Stellen auf den Untereinheiten frei, die mit anderen Molekülen wechselwirken können. [28] Die aktivierten G-Protein-Untereinheiten lösen sich vom Rezeptor und initiieren die Signalübertragung von vielen nachgeschalteten Effektorproteinen wie Phospholipasen und Ionenkanälen, wobei letztere die Freisetzung von Second-Messenger-Molekülen ermöglichen. [29] Die Gesamtstärke der Signalamplifikation durch einen GPCR wird durch die Lebensdauer des Ligand-Rezeptor-Komplexes und des Rezeptor-Effektor-Protein-Komplexes und die Deaktivierungszeit des aktivierten Rezeptors und der Effektoren durch intrinsische enzymatische Aktivität bestimmt, z. über Proteinkinase-Phosphorylierung oder b-Arrestin-abhängige Internalisierung.

Es wurde eine Studie durchgeführt, bei der eine Punktmutation in das Gen eingefügt wurde, das für den Chemokinrezeptor CXCR2 kodiert, mutierte Zellen durchliefen eine maligne Transformation aufgrund der Expression von CXCR2 in einer aktiven Konformation trotz fehlender Chemokinbindung. Dies bedeutete, dass Chemokinrezeptoren zur Krebsentstehung beitragen können. [30]

Tyrosin-, Ser/Thr- und Histidin-spezifische Proteinkinasen Bearbeiten

Rezeptortyrosinkinasen (RTKs) sind Transmembranproteine ​​mit einer intrazellulären Kinasedomäne und einer extrazellulären Domäne, die Liganden bindet, Beispiele umfassen Wachstumsfaktorrezeptoren wie den Insulinrezeptor. [31] Um die Signaltransduktion durchzuführen, müssen RTKs Dimere in der Plasmamembran bilden [32] das Dimer wird durch Liganden stabilisiert, die an den Rezeptor binden. Die Interaktion zwischen den zytoplasmatischen Domänen stimuliert die Autophosphorylierung von Tyrosinresten innerhalb der intrazellulären Kinasedomänen der RTKs, was zu Konformationsänderungen führt. Anschließend werden die Kinasedomänen der Rezeptoren aktiviert, wodurch Phosphorylierungs-Signalkaskaden von nachgeschalteten zytoplasmatischen Molekülen initiiert werden, die verschiedene zelluläre Prozesse wie Zelldifferenzierung und -metabolismus erleichtern. [31] Viele Ser/Thr- und Dual-Spezifität-Proteinkinasen sind für die Signaltransduktion wichtig, sie wirken entweder stromabwärts von [Rezeptor-Tyrosin-Kinasen] oder als eigenständige membraneingebettete oder zelllösliche Versionen. Am Prozess der Signaltransduktion sind etwa 560 bekannte Proteinkinasen und Pseudokinasen beteiligt, die vom menschlichen Kinom kodiert werden [33] [34]

Wie bei GPCRs spielen Proteine, die GTP binden, eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung von der aktivierten RTK in die Zelle. In diesem Fall sind die G-Proteine ​​Mitglieder der Ras-, Rho- und Raf-Familien, die zusammenfassend als kleine G-Proteine ​​bezeichnet werden. Sie fungieren als molekulare Schalter, die normalerweise durch Isoprenylgruppen, die mit ihren Carboxylenden verbunden sind, an Membranen gebunden sind. Bei der Aktivierung weisen sie Proteine ​​spezifischen Membran-Subdomänen zu, wo sie an der Signalübertragung teilnehmen. Aktivierte RTKs wiederum aktivieren kleine G-Proteine, die Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren wie SOS1 aktivieren. Einmal aktiviert, können diese Austauschfaktoren weitere kleine G-Proteine ​​aktivieren und so das Anfangssignal des Rezeptors verstärken. Die Mutation bestimmter RTK-Gene, wie die von GPCRs, kann zur Expression von Rezeptoren führen, die in einem konstitutiv aktivierten Zustand vorliegen, wobei solche mutierten Gene als Onkogene wirken können. [35]

Histidin-spezifische Proteinkinasen unterscheiden sich strukturell von anderen Proteinkinasen und werden in Prokaryoten, Pilzen und Pflanzen als Teil eines Zweikomponenten-Signalübertragungsmechanismus gefunden: Zuerst wird eine Phosphatgruppe von ATP an einen Histidinrest innerhalb der Kinase angehängt, dann auf einen Aspartatrest auf einer Empfängerdomäne auf einem anderen Protein oder auf die Kinase selbst übertragen, wodurch der Aspartatrest aktiviert wird. [36]

Integrine Bearbeiten

Integrine werden von einer Vielzahl von Zellen produziert. Sie spielen eine Rolle bei der Zellanheftung an andere Zellen und der extrazellulären Matrix und bei der Übertragung von Signalen von extrazellulären Matrixkomponenten wie Fibronektin und Kollagen. Die Bindung von Liganden an die extrazelluläre Domäne von Integrinen verändert die Konformation des Proteins und bündelt es an der Zellmembran, um die Signalübertragung zu initiieren. Integrinen fehlt die Kinaseaktivität, daher wird die Integrin-vermittelte Signalübertragung durch eine Vielzahl von intrazellulären Proteinkinasen und Adaptermolekülen erreicht, wobei der Hauptkoordinator die Integrin-gekoppelte Kinase ist. [37] Wie im nebenstehenden Bild gezeigt, bestimmt kooperativer Integrin-RTK-Signalweg den Zeitpunkt des zellulären Überlebens, der Apoptose, Proliferation und Differenzierung.

Es bestehen wichtige Unterschiede zwischen der Integrin-Signalgebung in zirkulierenden Blutzellen und nicht-zirkulierenden Zellen wie Epithelzellen Integrine zirkulierender Zellen sind normalerweise inaktiv. Zum Beispiel werden Zellmembran-Integrine auf zirkulierenden Leukozyten in einem inaktiven Zustand gehalten, um eine Anheftung von Epithelzellen zu vermeiden, sie werden nur als Reaktion auf Stimuli aktiviert, wie sie an der Stelle einer Entzündungsreaktion empfangen werden. In ähnlicher Weise werden Integrine an der Zellmembran von zirkulierenden Blutplättchen normalerweise inaktiv gehalten, um eine Thrombose zu vermeiden. Epithelzellen (die nicht zirkulieren) haben normalerweise aktive Integrine an ihrer Zellmembran, die dazu beitragen, ihre stabile Adhäsion an darunter liegende Stromazellen aufrechtzuerhalten, die Signale zur Aufrechterhaltung einer normalen Funktion liefern. [38]

In Pflanzen wurden bisher keine echten Integrinrezeptoren identifiziert, dennoch wurden mehrere integrinähnliche Proteine ​​basierend auf struktureller Homologie mit den Metazoenrezeptoren vorgeschlagen. [39] Pflanzen enthalten Integrin-gebundene Kinasen, die in ihrer Primärstruktur den tierischen ILKs sehr ähnlich sind. In der Versuchsmodellanlage Arabidopsis thaliana, eines der Integrin-gebundenen Kinase-Gene, ILK1, hat sich als ein kritisches Element der pflanzlichen Immunantwort auf Signalmoleküle von bakteriellen Pathogenen und der Pflanzenempfindlichkeit gegenüber Salz und osmotischen Stress erwiesen. [40] Das ILK1-Protein interagiert mit dem hochaffinen Kaliumtransporter HAK5 und mit dem Calciumsensor CML9. [40] [41]

Toll-ähnliche Rezeptoren Bearbeiten

Toll-like-Rezeptoren (TLRs) nehmen bei Aktivierung Adaptermoleküle im Zytoplasma der Zellen auf, um ein Signal zu verbreiten. Es ist bekannt, dass vier Adaptermoleküle an der Signalübertragung beteiligt sind, nämlich Myd88, TIRAP, TRIF und TRAM. [42] [43] [44] Diese Adapter aktivieren andere intrazelluläre Moleküle wie IRAK1, IRAK4, TBK1 und IKKi, die das Signal verstärken, was schließlich zur Induktion oder Suppression von Genen führt, die bestimmte Reaktionen auslösen. Tausende von Genen werden durch TLR-Signale aktiviert, was bedeutet, dass diese Methode ein wichtiges Tor zur Genmodulation darstellt.

Ligandengesteuerte Ionenkanäle Bearbeiten

Ein ligandengesteuerter Ionenkanal ändert nach Bindung mit einem Liganden die Konformation, um einen Kanal in der Zellmembran zu öffnen, durch den Ionen übertragende Signale passieren können. Ein Beispiel für diesen Mechanismus findet sich in der Empfängerzelle einer neuralen Synapse. Der Einstrom von Ionen, der als Reaktion auf das Öffnen dieser Kanäle auftritt, induziert Aktionspotentiale, die beispielsweise entlang von Nerven wandern, indem die Membran postsynaptischer Zellen depolarisiert wird, was zur Öffnung spannungsgesteuerter Ionenkanäle führt.

Ein Beispiel für ein Ion, das während einer Liganden-gesteuerten Ionenkanalöffnung in die Zelle eingelassen wird, ist Ca 2+, es wirkt als zweiter Botenstoff, der Signaltransduktionskaskaden auslöst und die Physiologie der reagierenden Zelle verändert. Dies führt zu einer Verstärkung der Synapsenantwort zwischen synaptischen Zellen, indem die an der Synapse beteiligten dendritischen Dornen umgebaut werden.

Intrazelluläre Rezeptoren Bearbeiten

Intrazelluläre Rezeptoren, wie nukleäre Rezeptoren und zytoplasmatische Rezeptoren, sind lösliche Proteine, die in ihren jeweiligen Bereichen lokalisiert sind. Die typischen Liganden für nukleäre Rezeptoren sind unpolare Hormone wie die Steroidhormone Testosteron und Progesteron sowie Derivate der Vitamine A und D. Um die Signalübertragung zu initiieren, muss der Ligand die Plasmamembran durch passive Diffusion passieren. Bei der Bindung an den Rezeptor gelangen die Liganden durch die Kernmembran in den Zellkern und verändern die Genexpression.

Aktivierte nukleäre Rezeptoren heften sich an die DNA an rezeptorspezifischen Hormon-responsiven-Element-(HRE)-Sequenzen, die sich in der Promotorregion der durch den Hormon-Rezeptor-Komplex aktivierten Gene befinden. Aufgrund ihrer Ermöglichung der Gentranskription werden sie alternativ als Induktoren der Genexpression bezeichnet. Alle Hormone, die über die Regulation der Genexpression wirken, haben in ihrem Wirkmechanismus zwei Konsequenzen ihre Wirkung wird nach einer charakteristisch langen Zeit erzeugt und ihre Wirkung bleibt für einen weiteren langen Zeitraum bestehen, selbst wenn ihre Konzentration auf Null reduziert wurde, bedingt durch zu einem relativ langsamen Umsatz der meisten Enzyme und Proteine, der die Ligandenbindung an den Rezeptor entweder deaktivieren oder beenden würde.

Nukleische Rezeptoren haben DNA-bindende Domänen, die Zinkfinger enthalten, und eine Liganden-bindende Domäne, wobei die Zinkfinger die DNA-Bindung stabilisieren, indem sie ihr Phosphatrückgrat halten. DNA-Sequenzen, die mit dem Rezeptor übereinstimmen, sind normalerweise hexamere Wiederholungen jeglicher Art. Die Sequenzen sind ähnlich, aber ihre Orientierung und ihr Abstand unterscheiden sie. Die Ligandenbindungsdomäne ist zusätzlich für die Dimerisierung von Nukleinrezeptoren vor der Bindung verantwortlich und stellt Strukturen für die Transaktivierung bereit, die für die Kommunikation mit dem Translationsapparat verwendet werden.

Steroidrezeptoren sind eine Unterklasse nukleärer Rezeptoren, die sich hauptsächlich im Zytosol befinden. In Abwesenheit von Steroiden assoziieren sie in einem Aporezeptorkomplex, der Chaperon- oder Hitzeschockproteine ​​(HSPs) enthält. Die HSPs sind notwendig, um den Rezeptor zu aktivieren, indem sie das Protein dabei unterstützen, sich so zu falten, dass die Signalsequenz, die seine Passage in den Zellkern ermöglicht, zugänglich ist. Andererseits können Steroidrezeptoren die Genexpression unterdrücken, wenn ihre Transaktivierungsdomäne verborgen ist. Die Rezeptoraktivität kann durch Phosphorylierung von Serinresten an ihrem N-Terminus als Ergebnis eines anderen Signalübertragungsweges, eines als Crosstalk bezeichneten Prozesses, verstärkt werden.

Retinsäurerezeptoren sind eine weitere Untergruppe der Kernrezeptoren. Sie können durch einen endokrin synthetisierten Liganden aktiviert werden, der durch Diffusion in die Zelle eindringt, einen Liganden, der aus einem Vorläufer wie Retinol synthetisiert wird, der über den Blutkreislauf in die Zelle gebracht wird, oder durch einen vollständig intrazellulär synthetisierten Liganden wie Prostaglandin. Diese Rezeptoren befinden sich im Zellkern und werden nicht von HSPs begleitet. Sie unterdrücken ihr Gen, indem sie an ihre spezifische DNA-Sequenz binden, wenn kein Ligand an sie bindet und umgekehrt.

Bestimmte intrazelluläre Rezeptoren des Immunsystems sind zytoplasmatische Rezeptoren, die kürzlich identifiziert wurden. NOD-like Rezeptoren (NLRs) befinden sich im Zytoplasma einiger eukaryontischer Zellen und interagieren mit Liganden unter Verwendung eines leucinreichen Wiederholungsmotivs (LRR) ähnlich wie TLRs. Einige dieser Moleküle wie NOD2 interagieren mit der RIP2-Kinase, die den NF-κB-Signalweg aktiviert, während andere wie NALP3 mit entzündlichen Caspasen interagieren und die Verarbeitung bestimmter Zytokine wie Interleukin-1β initiieren. [45] [46]

First Messenger sind die Signalmoleküle (Hormone, Neurotransmitter und parakrine/autokrine Wirkstoffe), die aus der extrazellulären Flüssigkeit in die Zelle gelangen und an ihre spezifischen Rezeptoren binden. Second Messenger sind die Substanzen, die in das Zytoplasma eintreten und innerhalb der Zelle eine Reaktion auslösen. Im Wesentlichen dienen Second Messenger als chemische Relais von der Plasmamembran zum Zytoplasma und führen so die intrazelluläre Signalübertragung durch.

Kalzium Bearbeiten

Die Freisetzung von Calciumionen aus dem endoplasmatischen Retikulum in das Zytosol führt zur Bindung an Signalproteine, die dann aktiviert werden und anschließend im glatten endoplasmatischen Retikulum [47] und den Mitochondrien sequestriert werden. Zwei kombinierte Rezeptor-/Ionenkanalproteine ​​steuern den Calciumtransport: das InsP3-Rezeptor, der bei Wechselwirkung mit Inositoltriphosphat auf seiner zytosolischen Seite Calcium transportiert und dem Ryanodin-Rezeptor, der nach dem Alkaloid Ryanodin benannt ist, ähnlich dem InsP3 Rezeptor, aber mit einem Rückkopplungsmechanismus, der bei Bindung mehr Kalzium freisetzt. Calcium ist aufgrund seiner Beschaffenheit im Zytosol nur für eine sehr kurze Zeit aktiv, d. h. seine Konzentration im freien Zustand ist sehr gering und wird im inaktiven Zustand meist an Organellenmoleküle wie Calreticulin gebunden.

Calcium wird in vielen Prozessen verwendet, einschließlich der Muskelkontraktion, der Freisetzung von Neurotransmittern aus Nervenenden und der Zellmigration. Die drei Hauptwege, die zu seiner Aktivierung führen, sind GPCR-Wege, RTK-Wege und gesteuerte Ionenkanäle, die Proteine ​​entweder direkt oder durch Bindung an ein Enzym reguliert.

Lipidbotenstoffe Bearbeiten

Lipophile Second-Messenger-Moleküle werden von Lipiden abgeleitet, die sich in Zellmembranen befinden. Enzyme, die durch aktivierte Rezeptoren stimuliert werden, aktivieren die Lipide, indem sie sie modifizieren. Beispiele sind Diacylglycerol und Ceramid, ersteres, das für die Aktivierung der Proteinkinase C benötigt wird.

Stickoxid Bearbeiten

Stickstoffmonoxid (NO) fungiert als zweiter Botenstoff, da es sich um ein freies Radikal handelt, das durch die Plasmamembran diffundieren und benachbarte Zellen beeinflussen kann. Es wird von der NO-Synthase aus Arginin und Sauerstoff synthetisiert und wirkt durch die Aktivierung der löslichen Guanyylcyclase, die bei Aktivierung einen weiteren sekundären Botenstoff, cGMP, produziert. NO kann auch durch kovalente Modifikation von Proteinen oder deren Metall-Cofaktoren wirken, einige haben einen Redoxmechanismus und sind reversibel. Es ist in hohen Konzentrationen giftig und verursacht Schäden bei Schlaganfällen, ist aber die Ursache für viele andere Funktionen wie die Entspannung der Blutgefäße, Apoptose und Peniserektionen.

Redox-Signalisierung Bearbeiten

Neben Stickoxid sind auch andere elektronisch aktivierte Spezies Signaltransduktionsmittel in einem Prozess, der als Redox-Signalisierung bezeichnet wird. Beispiele umfassen Superoxid, Wasserstoffperoxid, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff. Die Redox-Signalgebung umfasst auch die aktive Modulation elektronischer Flüsse in halbleitenden biologischen Makromolekülen. [48]

Genaktivierungen [49] und Stoffwechselveränderungen [50] sind Beispiele für zelluläre Reaktionen auf extrazelluläre Stimulation, die eine Signaltransduktion erfordern. Genaktivierung führt zu weiteren zellulären Effekten, da die Produkte reagierender Gene Initiatoren der Aktivierung beinhalten Transkriptionsfaktoren, die als Ergebnis einer Signaltransduktionskaskade produziert werden, können noch mehr Gene aktivieren. Daher kann ein anfänglicher Stimulus die Expression einer Vielzahl von Genen auslösen, was zu physiologischen Ereignissen wie der erhöhten Aufnahme von Glukose aus dem Blutkreislauf [50] und der Migration von Neutrophilen an Infektionsherde führt. Die Menge der Gene und ihre Aktivierungsreihenfolge für bestimmte Reize wird als genetisches Programm bezeichnet. [51]

Säugetierzellen benötigen eine Stimulation für die Zellteilung und das Überleben, wenn kein Wachstumsfaktor vorhanden ist, es kommt zur Apoptose. Solche Anforderungen an die extrazelluläre Stimulation sind notwendig, um das Zellverhalten in ein- und mehrzelligen Organismen zu kontrollieren. Drei grundlegende Signale bestimmen das Zellwachstum:

  • Stimulierend (Wachstumsfaktoren)
    • Transkriptionsabhängige Antwort
      Steroide wirken beispielsweise direkt als Transkriptionsfaktor (gibt eine langsame Reaktion, da der Transkriptionsfaktor DNA binden muss, die transkribiert werden muss. Produzierte mRNA muss translatiert werden und das produzierte Protein/Peptid kann eine posttranslationale Modifikation (PTM) erfahren)
    • Transkriptionsunabhängige Antwort
      Beispielsweise bindet epidermaler Wachstumsfaktor (EGF) den epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor (EGFR), was eine Dimerisierung und Autophosphorylierung des EGFR bewirkt, was wiederum den intrazellulären Signalweg aktiviert . [52]

    Die Kombination dieser Signale wird in eine veränderte zytoplasmatische Maschinerie integriert, die zu einem veränderten Zellverhalten führt.

    Im Folgenden sind einige wichtige Signalwege aufgeführt, die demonstrieren, wie Liganden, die an ihre Rezeptoren binden, sekundäre Botenstoffe beeinflussen und schließlich zu veränderten zellulären Reaktionen führen können.

      : Ein Weg, der intrazelluläre Reaktionen auf die Bindung von Wachstumsfaktoren an Zelloberflächenrezeptoren koppelt. Dieser Weg ist sehr komplex und umfasst viele Proteinkomponenten. [53] In vielen Zelltypen fördert die Aktivierung dieses Signalwegs die Zellteilung, und viele Krebsarten sind mit Aberrationen darin verbunden. [54] : Beim Menschen wirkt cAMP durch die Aktivierung der Proteinkinase A (PKA, cAMP-abhängige Proteinkinase) (siehe Bild). Zelle. : PLC spaltet das Phospholipidphosphatidylinositol 4,5-bisphosphat (PIP2) und liefert Diacylglycerin (DAG) und Inositol 1,4,5-triphosphat (IP .)3). DAG bleibt an die Membran gebunden und IP3 wird als lösliche Struktur in das Zytosol abgegeben. IP3 diffundiert dann durch das Zytosol, um an IP . zu binden3 Rezeptoren, insbesondere Calciumkanäle im endoplasmatischen Retikulum (ER). Diese Kanäle sind spezifisch für Kalzium und ermöglichen nur den Durchgang von Kalzium. Dadurch steigt die zytosolische Calciumkonzentration an, was zu einer Kaskade intrazellulärer Veränderungen und Aktivität führt. [55] Darüber hinaus wirken Calcium und DAG zusammen, um PKC zu aktivieren, das dann andere Moleküle phosphoryliert, was zu einer veränderten Zellaktivität führt. Zu den Endeffekten gehören Geschmack, manische Depression, Tumorförderung usw. [55]

    Die früheste Vorstellung von Signaltransduktion geht auf das Jahr 1855 zurück, als Claude Bernard vorschlug, dass Blutdrüsen wie die Milz, die Schilddrüse und die Nebennieren für die Freisetzung von "inneren Sekreten" mit physiologischen Wirkungen verantwortlich sind. [56] Bernards „Sekrete“ wurden später von Ernest Starling 1905 „Hormone“ genannt. [57] Zusammen mit William Bayliss hatte Starling 1902 das Sekretin entdeckt. [56] Obwohl viele andere Hormone, vor allem Insulin, in der In den folgenden Jahren blieben die Mechanismen weitgehend unbekannt.

    Die Entdeckung des Nervenwachstumsfaktors durch Rita Levi-Montalcini im Jahr 1954 und des epidermalen Wachstumsfaktors durch Stanley Cohen im Jahr 1962 führte zu detaillierteren Einblicken in die molekularen Grundlagen der Zellsignalisierung, insbesondere der Wachstumsfaktoren. [58] Ihre Arbeit, zusammen mit Earl Wilbur Sutherlands Entdeckung des zyklischen AMP im Jahr 1956, veranlasste die Neudefinition der endokrinen Signalübertragung, um nur die Signalübertragung von Drüsen einzuschließen, während die Begriffe autokrin und parakrin verwendet wurden. [59] Sutherland erhielt 1971 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin, während Levi-Montalcini und Cohen ihn 1986 teilten.

    1970 untersuchte Martin Rodbell die Wirkung von Glucagon auf den Leberzellmembranrezeptor einer Ratte. Er stellte fest, dass Guanosintriphosphat Glucagon von diesem Rezeptor abspaltet und das G-Protein stimuliert, das den Stoffwechsel der Zelle stark beeinflusst. Daraus leitete er ab, dass das G-Protein ein Transducer ist, der Glucagonmoleküle aufnimmt und die Zelle beeinflusst. [60] Dafür teilte er sich 1994 mit Alfred G. Gilman den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. So führte die Charakterisierung von RTKs und GPCRs zur Formulierung des Begriffs „Signaltransduktion“, ein Begriff, der erstmals 1972 verwendet wurde. [61] Einige frühe Artikel verwendeten die Begriffe Signalübertragung und Sinnestransduktion. [62] [63] Im Jahr 2007 wurden insgesamt 48.377 wissenschaftliche Arbeiten – darunter 11.211 Übersichtsarbeiten – zu diesem Thema veröffentlicht. Der Begriff erschien erstmals 1979 im Titel einer Veröffentlichung. [64] [65] Die weit verbreitete Verwendung des Begriffs wurde auf einen Übersichtsartikel von Rodbell aus dem Jahr 1980 zurückgeführt: [60] [66] Forschungsarbeiten, die sich auf die Signalübertragung konzentrierten, erschienen erstmals in großer Zahl Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre. [46]

    Signaltransduktion in der Immunologie Bearbeiten

    Der Zweck dieses Abschnitts besteht darin, einige Entwicklungen in der Immunologie in den 1960er und 1970er Jahren kurz zu beschreiben, die für die Anfangsstadien der transmembranen Signaltransduktion relevant sind und wie sie unser Verständnis der Immunologie und letztendlich anderer Bereiche der Zellbiologie beeinflusst haben.

    Die relevanten Ereignisse beginnen mit der Sequenzierung von Myelomprotein-Leichtketten, die im Urin von Personen mit multiplem Myelom reichlich vorhanden sind. Biochemische Experimente zeigten, dass diese sogenannten Bence-Jones-Proteine ​​aus 2 diskreten Domänen bestanden – eine, die von einem Molekül zum nächsten variierte (die V-Domäne) und eine, die dies nicht tat (die Fc-Domäne oder die kristallisierbare Fragment-Region). [67] Eine Analyse mehrerer Sequenzen der V-Region durch Wu und Kabat [68] identifizierte hypervariable Stellen innerhalb der V-Region, die ihrer Hypothese nach im gefalteten Protein kombiniert wurden, um die Antigenerkennungsstelle zu bilden. So wurde innerhalb relativ kurzer Zeit ein plausibles Modell für die molekulare Grundlage der immunologischen Spezifität und für die Vermittlung biologischer Funktionen durch die Fc-Domäne entwickelt. Die Kristallisation eines IgG-Moleküls folgte bald [69] ), was die Schlussfolgerungen basierend auf der Sequenzierung bestätigte und ein Verständnis der immunologischen Spezifität auf höchstem Auflösungsniveau lieferte.

    Die biologische Bedeutung dieser Entwicklungen wurde in der Theorie der klonalen Selektion zusammengefasst [70], die besagt, dass eine B-Zelle auf ihrer Oberfläche Immunglobulinrezeptoren besitzt, deren Antigenbindungsstelle identisch mit der von Antikörpern ist, die von der Zelle sezerniert werden, wenn sie auf Antigen trifft. und genauer sekretiert ein bestimmter B-Zell-Klon Antikörper mit identischen Sequenzen. Der letzte Teil der Geschichte, das Fluidmosaikmodell der Plasmamembran, lieferte alle Zutaten für ein neues Modell für die Initiierung der Signaltransduktion, nämlich die Rezeptordimerisierung.

    Erste Hinweise dazu lieferten Becker et al. [71], die zeigten, dass das Ausmaß der Degranulation von humanen Basophilen – für die bivalentes Immunglobulin E (IgE) als Oberflächenrezeptor fungiert – von der Konzentration der Anti-IgE-Antikörper abhängt, bis zu der sie werden exponiert und führen zu einer Umverteilung von Oberflächenmolekülen, die bei Verwendung eines monovalenten Liganden fehlt. Letztere Beobachtung stimmte mit früheren Erkenntnissen von Fanger et al. [72] Diese Beobachtungen verknüpften eine biologische Reaktion mit Ereignissen und strukturellen Details von Molekülen auf der Zelloberfläche. Bald gab es eine überwiegende Anzahl von Beweisen dafür, dass die Rezeptordimerisierung Reaktionen in einer Vielzahl von Zelltypen, einschließlich B-Zellen, auslöst (zusammengefasst in [73] ).

    Solche Beobachtungen führten zu einer Reihe von theoretischen (mathematischen) Entwicklungen. Das erste davon war ein einfaches Modell von Bell [74], das ein scheinbares Paradox auflöste: Die Clusterbildung bildet stabile Netzwerke, d. Eine Theorie der Dynamik der Zelloberflächen-Clusterbildung auf Lymphozytenmembranen wurde von DeLisi und Perelson [75] entwickelt, die die Größenverteilung von Clustern als Funktion der Zeit und ihre Abhängigkeit von der Affinität und Valenz des Liganden fanden. Nachfolgende Theorien für Basophile und Mastzellen wurden von Goldstein und Sobotka und ihren Mitarbeitern [76] [77] entwickelt, die alle auf die Analyse der Dosis-Antwort-Muster von Immunzellen und ihrer biologischen Korrelate abzielten. [78] Für einen aktuellen Überblick über Clustering in immunologischen Systemen siehe. [79]

    Die Bindung von Liganden an Zelloberflächenrezeptoren ist auch für die Motilität entscheidend, ein Phänomen, das am besten bei einzelligen Organismen verstanden wird. Ein Beispiel ist der Nachweis und die Reaktion auf Konzentrationsgradienten durch Bakterien [80] – die klassische mathematische Theorie, die in [81] auftaucht. Eine neuere Darstellung findet sich in [82]


    Teil II: Wissensüberblick &mdash

    Wie Bakterien miteinander sprechen

    Die Grundlagen des Quorum Sensing

    Hier sind die allgemeinen Regeln für Quorum-Sensing-Systeme:

    1) Bakterien produzieren kleine Moleküle, Autoinduktoren genannt, und geben sie in die extrazelluläre Umgebung ab: Bei geringer Zelldichte, wenn nur wenige Bakterienzellen vorhanden sind, kann nur eine kleine Menge Autoinduktor hergestellt werden und dieser diffundiert weg. Da die Konzentration des Autoinduktors niedrig ist, können die Bakterien ihn nicht erkennen. Unter dieser Bedingung agieren die Bakterien als Individuen. Wenn sich die Zellen teilen und an Zahl zunehmen, produzieren sie mehr Autoinduktor-Moleküle und geben diese an die Umgebung ab. Dieses Prinzip ist in Abbildung 11 im Zusammenhang mit der Biolumineszenz dargestellt.

    Abbildung 11: Quorum-sensorische Kontrolle der Biolumineszenz.

    2) Typischerweise sind Autoinduktoren durch die Zellmembran frei diffundierbar, so dass die extrazelluläre Konzentration gleich der intrazellulären Konzentration ist. Wenn der extrazelluläre Autoinduktor eine kritische Schwellenkonzentration erreicht, die auf eine bestimmte Zellpopulationsdichte hinweist, erkennen die Bakterien den akkumulierten Autoinduktor mithilfe von Rezeptoren (entweder im Zytoplasma oder in der Plasmamembran). Als Reaktion darauf regulieren Autoinduktor-gebundene Rezeptoren Gene, die dem kollektiven Verhalten zugrunde liegen. Die Regulation beinhaltet die genaue Kontrolle von Transkriptionsfaktoren, die mit der RNA-Polymerase interagieren, und dies bestimmt, ob ein Gen transkribiert wird oder nicht. Die Arten von Genen, die durch Quorum Sensing „an“ oder „ausgeschaltet“ werden, verleihen den Bakterien unterschiedliche Verhaltensweisen oder Phänotypen in Situationen mit niedriger Zelldichte und hoher Zelldichte (Abbildung 12). Quorum-Sensing-Systeme können beispielsweise Gene kontrollieren, die Biofilmbildung, Virulenzfaktor-Produktion, Antibiotika-Produktion, Symbiose, DNA-Aufnahme usw. ermöglichen. Typischerweise kontrolliert eine bestimmte Bakterienart mit Quorum-Sensing zwischen 200 und 600 Gene (von

    2.000–4.000 Gesamtgene), die an vielen Stellen im Bakteriengenom kodiert sind, so dass ein großer Teil des Genoms eines Bakteriums dem Gruppenverhalten gewidmet sein kann ( Abbildung 12 ).

    Abbildung 12 Ein allgemeines Modell für die Transkription von Quorum-Sensing-kontrollierten Genen. Hunderte von Genen können durch Quorum-Sensing-Signalwege ein- oder ausgeschaltet werden.

    Quorum Sensing beinhaltet Signalwege

    Akkumulierte Autoinduktoren werden auf zwei Arten erkannt:

    1) durch zytoplasmatische Rezeptoren oder

    2) durch Plasmamembran-gebundene Rezeptoren

    Bemerkenswert ist hier, dass viele eukaryontische Signaltransduktionssysteme (wie Steroidhormone [zytoplasmatischer Rezeptor] und Insulin [Membranrezeptor]) analog zu diesen beiden Typen von bakteriellen Quorum-sensing Signaltransduktionssystemen funktionieren.

    Zytoplasmatische Rezeptoren als Transkriptionsfaktoren

    Die am einfachsten zu verstehenden Quorum-Sensing-Systeme sind diejenigen, die Engebrecht und Silverman in V. fischeri entdeckt haben. Angesammelter extrazellulärer Autoinduktor diffundiert innerhalb der Zelle und bindet an den zytoplasmatischen Rezeptor (genannt LuxR). Der zytoplasmatische Rezeptor ist ein Transkriptionsfaktor, was bedeutet, dass er an eine spezifische Promotor-DNA-Sequenz bindet. Dieses System fungiert als Schalter: Der zytoplasmatische Rezeptor bindet nur an die DNA, wenn er an seinen Autoinduktor gebunden ist (Abbildung 13). Sobald der Autoinduktor-gebundene zytoplasmatische Rezeptor die DNA bindet, rekrutiert und aktiviert er die RNA-Polymerase, um auch die DNA zu binden. Die RNA-Polymerase beginnt dann mit der Transkription von Boten-RNA (mRNA), die für die nahegelegenen Gene kodiert. Die mRNA wiederum weist Ribosomen an, die von den Genen kodierten Proteine ​​zu synthetisieren (siehe Zentrales Dogma). In unserem Beispiel der Biolumineszenz codieren die exprimierten Gene das lichtproduzierende Luciferase-Enzym und das LuxI-Enzym, das den Autoinduktor herstellt.

    Abbildung 13: Wie zytoplasmatische Rezeptoren die Genexpression kontrollieren. Autoinducer bindet an einen zytoplasmatischen Rezeptor und induziert eine Konformationsänderung (verursacht eine Änderung der Form des Proteins). Der Rezeptor wird in der Lage, DNA zu binden, RNA-Polymerase zu rekrutieren und die Transkription der benachbarten Gene zu ermöglichen.

    Membranspannende Rezeptoren und Phosphorylierungskaskaden

    Viele Quorum-Sensing-Systeme beinhalten Plasmamembran-gebundene Rezeptorproteine. Die Domäne des Rezeptors, die sich auf der Außenseite der Zelle befindet, besitzt eine Tasche, die einen bestimmten Autoinduktor bindet. Die Domäne des Rezeptorproteins, die sich im Inneren der Zelle befindet, ist ein Enzym mit zwei Aktivitäten namens Kinase und Phosphatase.

    Kinasen ( 14 ) sind Enzyme, die unter Verwendung von ATP als chemisches Substrat ein Phosphat kovalent an eine bestimmte Aminosäure eines Proteins binden. Die Zugabe des Phosphats zum Protein hat eine regulatorische Funktion, es verändert die Aktivität des Proteins.

    Abbildung 14 Proteinkinasen. Diese Enzyme binden kovalent ein Phosphat von Adenosintriphosphat (ATP) an eine Aminosäure eines Proteins.

    Phosphatasen (Abbildung 15) sind Enzyme, die Phosphat aus einem Protein entfernen. Somit haben Kinasen und Phosphatasen entgegengesetzte enzymatische Aktivitäten.

    Abbildung 15 Proteinphosphatasen. Diese Enzyme entfernen ein kovalent gebundenes Phosphat von einer Aminosäure eines Proteins.

    Im Fall von Quorum Sensing wirkt bei niedriger Zelldichte, wenn sich der Autoinduktor nicht angesammelt hat, sein an die Plasmamembran gebundener Partnerrezeptor als Kinase und phosphoryliert sich selbst ( 16 ). Diese Phosphatgruppe wird durch eine Reihe anderer intermediärer Proteine ​​transportiert und endet mit der Übertragung des Phosphats auf einen Transkriptionsfaktor. Dieser phosphorylierte Transkriptionsfaktor bewirkt zusammen mit der RNA-Polymerase, dass Gene, die für die Bakterien als Individuen benötigt werden, transkribiert werden, während Gene, die für das Gruppenverhalten benötigt werden, nicht transkribiert werden ( 16 ).

    Abbildung 16 Funktionsweise von Autoinduktoren durch Plasma-Membran-überspannende Rezeptoren. Diese Rezeptoren sind Proteine ​​mit einer extrazellulären Bindungsstelle und intrazellulären Enzymaktivitäten (eine Kinase und eine Phosphatase). Ohne Autoinduktor ist der Kinase-Anteil des Rezeptors aktiv und phosphoryliert sich selbst (d. h. er legt eine Phosphatgruppe an den Rezeptor). Diese Phosphatgruppe wird über mehrere Zwischenproteine ​​auf einen Transkriptionsfaktor übertragen, der mit RNA-Polymerase die Genexpression steuert. Unter dieser Bedingung werden Gene für individuelles Verhalten aktiviert und Gene für Gruppenverhalten deaktiviert. Wenn ein Autoinduktor an den Plasmamembran-gebundenen Partnerrezeptor bindet, induziert er eine Konformationsänderung im Rezeptorprotein, die den Kinaseteil des Rezeptors aus- und den Phosphataseteil des Rezeptors einschaltet. Die Phosphatase entfernt Phosphat vom Rezeptor und kehrt den Fluss durch die Zwischenproteine ​​um. In diesem Szenario werden Gene für Gruppenverhalten aktiviert und Gene für individuelles Verhalten deaktiviert.

    Was passiert bei hoher Zelldichte? Die Autoinduktor-Spiegel steigen an, wodurch Autoinduktor-Moleküle an den Plasmamembran-gebundenen Rezeptor binden können. Die Autoinducer-Bindung verändert den Rezeptor von einer Kinase zu einer Phosphatase. Der Rezeptor entfernt die Phosphatgruppe von sich selbst. Dies kehrt den Phosphatfluss vom Transkriptionsfaktor durch die Zwischenproteine ​​zum Rezeptor um und schließlich werden diese zurückfließenden Phosphate vom Rezeptor entfernt. Unter dieser Bedingung werden Gene, die für individuelles Verhalten benötigt werden, nicht transkribiert, während Gene, die für Gruppenverhalten benötigt werden, in mRNA transkribiert und dann in Proteine ​​umgewandelt werden. (Abbildung 16).

    Die Rolle der Positiv-Feedback-Schleife

    Quorum-Sensing-Systeme veranschaulichen auch ein weit verbreitetes Kontrollsystem in der Biologie, das als „Feedback Loops“ bezeichnet wird. Wenn Sie untersuchen, wie Zellen Entscheidungen treffen, werden Sie immer wieder auf Feedbackschleifen stoßen. Rückkopplungsschleifen gibt es nicht nur in der Biologie. Elektroingenieure verwenden beim Schaltungsdesign häufig Feedback. Eine kurze Definition von positiver Rückkopplung findet sich in Wikipedia: „Positive Rückkopplung ist ein Prozess, der in einer Rückkopplungsschleife auftritt, in der die Auswirkungen einer kleinen Störung auf ein System eine Zunahme der Größe der Störung umfassen. Das heißt, A produziert mehr von B, das wiederum mehr von A produziert.“

    Sehen wir uns an, wie sich dieses Prinzip beim Quorum Sensing auswirkt. In Abbildung 17 ist der Input der Autoinduktor, der die „Aktivität A“, die Transkription von Genen, auslöst. Die Gentranskription erzeugt eine gewünschte Ausgabe, wie beispielsweise Biolumineszenz. Es erzeugt jedoch auch mehr von dem Autoinducer-Produktionsenzym, das als „Aktivität „B“ fungiert. Die Enzymaktivität führt dann zu mehr Input (dem Autoinduktor), was zu mehr Transkription führt („Aktivität A“).

    Abbildung 17 : Eine positive Rückkopplungsschleife fördert das Quorum Sensing. Autoinducer aktiviert die Transkription des Gens, das das Autoinducer-produzierende Enzym codiert, zusammen mit den Luciferase-Genen, die Biolumineszenz erzeugen. Es werden mehr Autoinduktor-produzierende Enzyme hergestellt und sie produzieren mehr Autoinduktoren (was dazu führt, dass mehr Autoinduktor-produzierende Enzyme hergestellt werden usw.). Dies ist eine positive Rückkopplungsschleife.

    Was bewirkt positives Feedback? In diesem Fall bewirkt es eine schalterartige Verhaltensänderung der Bakterienpopulation. Sobald ein bestimmtes Niveau an Autoinduktor erreicht ist (aufgrund des Bakterienzellwachstums), steigt die Produktion von Autoinduktor plötzlich schnell an, da mehr von dem Autoinduktor-Produktionsenzym hergestellt wird. Diese „Bolus-Dosis“ des Autoinducers ermutigt alle nahegelegenen Zellen, in den Quorum-Sensing-Modus zu wechseln, was vermutlich das Engagement und die Synchronität bei der Ausführung von Gruppenverhalten fördert. Ohne positives Feedback zur Autoinduktor-Produktion können Sie sich vorstellen, dass Zellen insgesamt nur langsam ansteigende Autoinduktor-Konzentrationen erfahren würden, was den Übergang träge macht. Ein solches Kommunikationssystem wäre verrauscht und ineffizient, da einige Zellen genügend Autoinducer erkennen, um an der Quorum-Erkennung teilzunehmen, während andere, die weniger Autoinducer antreffen, beim Übergang zur Quorum-Erkennung zurückbleiben. Es ist diese positive Rückkopplungsschleife, in der die Produktion des Kommunikationsmoleküls durch das Quorum-Sensing-Relais aktiviert wird, die zum Namen „Autoinducer“ geführt hat.

    Intra-Arten-, Intra-Genera- und Inter-Arten-Kommunikation

    Bakterien verwenden oft mehrere Autoinduktoren für das Quorum-Sensing und die chemische Natur jedes Autoinduktors kodiert unterschiedliche Informationen darüber, „wer“ sich in der Nähe befindet. Nehmen wir V. harveyi: Es verwendet drei verschiedene Autoinducer-Chemikalien für die Kommunikation zwischen Arten, Gattungen und Arten (Abbildungen 10 und 18). Nur V. harveyi und sein nächster Verwandter produzieren die Chemikalie AI-1, was darauf hindeutet, dass die AI-1 Autoinducer wird für die Kommunikation innerhalb der Spezies verwendet. AI-1 ist ein Homoserinlacton, ähnlich dem Homoserinlacton, das ursprünglich als V. fischeri-Autoinduktor identifiziert wurde. Dies ist ein häufiges Thema beim Quorum Sensing: Unterschiedliche Homoserin-Lacton-Verbindungen, d. h. Moleküle, die ähnlich, aber nicht identisch sind, werden von verschiedenen Bakterien für die Kommunikation innerhalb der Spezies verwendet. Vibrios (alle Bakterien der Gattung Vibrio) stellen eine weitere Chemikalie namens CAI-1 her, was darauf hindeutet, dass CAI-1 wird für die Kommunikation zwischen den Gattungen verwendet. Im Gegensatz dazu wird die Autoinduktor-Chemikalie AI-2 im Allgemeinen unter Bakterien hergestellt AI-2 soll in der Kommunikation zwischen den Arten funktionieren. V. harveyi kann das Verhältnis von AI-1:CAI-1:AI-2 bestimmen.

    Abbildung 18 Autoinducer codieren Informationen über bakterielle Identitäten. Nur die Art V. harveyi produziert die Chemikalie AI-1, was darauf hindeutet, dass sie für die „private“ Kommunikation mit ihren nächsten Verwandten verwendet wird. CAI-1 wird von allen Bakterien der Gattung Vibrio sezerniert und nachgewiesen, so dass es für eine breitere Kommunikation zwischen verschiedenen Vibrios-Arten verwendet wird. AI-2 ist ein Autoinduktor, der von vielen verschiedenen Bakterienarten produziert wird und daher für eine sehr breite Kommunikation zwischen den Arten verwendet wird.

    Interessanterweise passt V. harveyi sein Quorum-Sensing-kontrolliertes Verhalten darauf an, welches Autoinducer-Signal dominiert. Vermutlich entschlüsselt V. harveyi die Informationen in den relativen Konzentrationen der drei Autoinduktoren, um festzustellen, ob er und seine Verwandten oder alternativ eine andere Bakterienart in der Mehrheit einer gemischten Artengemeinschaft vorkommen. Auf der Grundlage dieser Informationen führt V. harveyi ein seinen Umständen angemessenes Quorum-Sensing-Verhalten durch. Das bedeutet, dass Bakterien durch Quorum Sensing Selbst von Nicht-Selbst unterscheiden können!

    Wer stellt all diese verschiedenen Autoinducer her? In den obigen Erläuterungen zu Entdeckungen von Komponenten, die am Quorum Sensing beteiligt sind, wurden die untersuchten Bakterien als einzelne Spezies in Flaschen in Laboratorien gezüchtet. Diese anfängliche Strategie war sinnvoll, um einfache Experimente durchzuführen, um die Grundprinzipien des Quorum Sensing zu entdecken. In der Natur leben Bakterien jedoch in komplexen und sich ändernden Umgebungen, in Biofilmen und häufig in Gemeinschaften mit anderen vorhandenen Bakterienarten.

    Nehmen Sie zum Beispiel das menschliche Mikrobiom, das ich bereits in dieser Erzählung erwähnt habe. Ihr Mund zum Beispiel ist eine gedeihende Gemeinschaft vieler Bakterien, die in Biofilmen auf Ihren Zähnen und Ihrem Zahnfleisch leben. Es gibt auch sehr komplexe Bakteriengemeinschaften im menschlichen Darm, die auf 1014 Bakterienzellen (mehr als die Anzahl der menschlichen Zellen in Ihrem Körper!) geschätzt werden, die aus 600 verschiedenen Arten bestehen und hauptsächlich in Biofilmen wachsen. Sie können sich vorstellen, dass viele Autoinduktoren vorhanden sind, dass ihre Konzentrationen variieren (es gibt einen periodischen Flüssigkeitsfluss im Darm, der Autoinduktoren konzentrieren oder wegspülen könnte) und Veränderungen der Nährstoffe (je nachdem, wann und was eine Person isst) das Wachstum bestimmter Bakterien ermöglichen können schneller oder langsamer zu verschiedenen Zeiten. Irgendwie müssen die einzelnen Bakterien in diesen verschiedenen Konsortien in der Lage sein, Autoinduktor-Informationen zu messen und zu interpretieren, um zu erkennen, wie viele und wer ihre Nachbarn sind, damit sie sich angemessen verhalten können. Darüber hinaus müssen sie in der Lage sein, ihre Einschätzungen zu aktualisieren, um mit Veränderungen in der Zusammensetzung der Gemeinschaft umzugehen.

    Wissenschaftler wissen noch nicht viel darüber, wie Quorum Sensing im menschlichen Mikrobiom (oder einer komplizierten Bakteriengemeinschaft gemischter Spezies) funktioniert, da solche Studien noch am Anfang stehen. Dennoch versuchen wir hier, einen Einblick in einige Möglichkeiten zu geben, basierend auf dem, was wir aus den oben diskutierten Erkenntnissen wissen. Abbildung 19 zeigt, wie wir in Gemeinschaften mit mehreren Bakterienarten über Quorum Sensing nachdenken können. Der Einfachheit halber betrachten wir nur Intraspezies- und Interspezies-Autoinduktoren. Das obere Feld von Abbildung 19 zeigt die Gemeinschaft mit gemischten Arten. Stellen Sie sich viele verschiedene Bakterienarten vor, die in unmittelbarer Nähe zueinander leben. In der Abbildung repräsentiert jedes Farbmuster eine Bakterienart.

    Abbildung 19 Ein Modell dafür, wie Quorum Sensing in Gemeinschaften mit gemischten Arten funktioniert. Das untere linke Feld hebt die „gelben“ Arten hervor, die in der Gemeinschaft zahlreich sind. Sie treffen auf eine hohe Konzentration des eigenen Intraspezies-Autoinduktors (gelbe Dreiecke) sowie auf eine hohe Konzentration des Interspezies-Autoinduktors (blaue Dreiecke). Diese Mischung von Autoinduktoren sagt der „gelben“ Spezies, dass sie eine hohe Zelldichte haben, aber Nachbarn haben, die nicht verwandt sind (im oberen Feld). Auf der anderen Seite sind die orangefarbenen Bakterienarten gering (oberes Feld). Das untere rechte Feld hebt die Situation der „Orangenarten“ hervor. Der Vergleich des eigenen Autoinduktors (orangefarbene Dreiecke) mit dem des Interspezies-Autoinduktors (blaue Dreiecke) zeigt dieser Bakterienart, dass sie von Nicht-Verwandten weit unterlegen ist.

    Frage des Entdeckers: Was glauben Sie, welche Informationen die „gelben Bakterien“ in unserem Cartoon über ihre Umgebung sammeln können?

    Antworten: Das untere linke Feld hebt die „gelben“ Arten hervor. In unserem Schema gibt es viele „gelbe“ Bakterien in der Gemeinschaft. Sie treffen auf eine hohe Konzentration des eigenen Intraspezies-Autoinduktors (gelbe Dreiecke) sowie auf eine hohe Konzentration des Interspezies-Autoinduktors (blaue Dreiecke). Diese Mischung von Autoinduktoren sagt den „gelben“ Spezies, dass sie eine hohe Zelldichte haben, aber Nachbarn haben, die nicht verwandt sind.

    Frage des Entdeckers: Nehmen Sie die "orange" Spezies im unteren rechten Feld. Was glauben Sie, welche Informationen das einsame Orangenbakterium aus der Autoinducer-Mischung ableitet?

    Antworten: In unserem Cartoon sind nur wenige Bakterien der Art „Orange“ vorhanden (siehe Original, oberes Bild). Die Bakterienart „orange“ weist keinen oder nur einen sehr geringen Anteil ihres artspezifischen Autoinduktors (orange Dreiecke) nach, trifft aber auf einen hohen Anteil des Interspezies-Autoinduktors (blaue Dreiecke). Diese Kombination von Autoinduktoren sagt der „orangefarbenen“ Spezies, dass sie und ihre Verwandten den Nicht-Verwandten zahlenmäßig weit überlegen sind.

    Zurück zum oberen Panel, in unserem Szenario würde die „gelbe“ Spezies wahrscheinlich viele vom Quorum-Sensing kontrollierte Gene aktivieren, die ihr helfen, als Gruppe zu gedeihen. Allerdings könnte die „gelbe“ Spezies nicht ihr gesamtes Repertoire an quorum-sensing-kontrollierten Genen aktivieren, weil sie entdeckt hätte, dass es auch viele nicht verwandte Nachbarn gibt, die um freigesetzte Moleküle konkurrieren und diese nutzen könnten. Die „gelbe“ Spezies weiß aufgrund des Nachweises des Interspezies-Autoinduktors, dass Nicht-Verwandte vorhanden sind. Es könnte defensives Verhalten aktivieren, um sicherzustellen, dass es die Mehrheit in der Gemeinschaft behält.

    Die „orangene“ Spezies würde ihr Quorum-Sensing-Programm nicht starten, weil es nicht genügend Mitglieder ihrer Art gibt, um als Gruppe produktiv zu agieren. Die „orangefarbene“ Spezies würde wahrscheinlich warten und die Situation so lange beobachten, bis sie ein höheres Niveau ihres artspezifischen Autoinduktors (orangefarbene Dreiecke) erkennt. Eine solche Änderung des Verhältnisses der verschiedenen Autoinducer-Moleküle könnte die „orangefarbene“ Spezies darauf aufmerksam machen, dass sie in der gemischten Artengemeinschaft an Zellzahlen zunimmt.


    Das Licht sehen: Neues in Neurospora Blaulicht-Signaltransduktion

    H. Linden, . G. Macino, in Fortschritte in der Genetik, 1999

    IV MUTATIONALE ANALYSE DER BLAULICHTSIGNALTRANSDUKTION IN Neurospora

    In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Anstrengungen zur genetischen Dissektion der Neurospora Blaulichttransduktionsweg. Zahlreiche Mutanten, die die Blaulichtsignalisierung zu beeinflussen oder daran beteiligt zu sein scheinen, wurden isoliert (für eine Übersicht siehe Linden et al., 1997a). Die wichtigsten und am besten untersuchten Neurospora Bisher isolierte Mutanten in der Blaulicht-Signaltransduktion sind die weißer Kragen Mutanten ( Perkins et al., 1982 Harding und Shropshire, 1980). Die weißer Kragen Mutanten haben pigmentierte Konidien, während die Myzelien aufgrund eines spezifischen Mangels an lichtinduzierter Carotinoid-Biosynthese weiß sind. Dies steht im Gegensatz zu den Albino-Mutanten, die aufgrund von Mutationen in Strukturgenen der Carotin-Biosynthese weiße Myzelien und weiße Konidien aufweisen. Die WC-1 und WC-2 Mutanten haben sich für fast alle als vollständig „blind“ erwiesen Neurospora Blaulichtreaktionen, und die meisten der klonierten Blaulicht-regulierten Gene wurden als nicht induzierbar durch Blaulicht in beiden a WC-1 oder WC-2 mutierten Hintergrund. Die meisten der zuvor gemeldeten Mutanten, darunter mehrere Toilette mutierte Allele, wurden entweder zufällig oder durch visuelles Screening ohne Anwendung eines Selektionssystems isoliert (Degli-Innocenti und Russo, 1984b).

    Um neue regulatorische Mutanten zu isolieren, die die Wahrnehmung von blauem Licht in n. crassa und um eine sättigende genetische Dissektion von „blinden“ Mutanten durchzuführen, wurde ein Selektionssystem entwickelt ( Carattoli et al., 1995). Ausnutzen der Tatsache, dass Blindheit nicht tödlich zu sein scheint Neurospora, alle nicht redundanten Blaulicht-Signaltransduktionskomponenten konnten mit diesem Selektionssystem identifiziert werden. Das lichtinduzierte al-3 Promotor wurde an die kodierende Region des fusioniert mtr Gen, dessen Produkt für die Aufnahme neutraler aliphatischer und aromatischer Aminosäuren in Neurospora ( Stuart et al., 1988). Nach der Transformation von a mtr – /trp – Stamm mit diesem Konstrukt, der resultierende Stamm (13-1) wurde für die Aufnahme von Tryptophan und einem toxischen Analogon von Phenylalanin lichtabhängig, P-Fluorphenylalanin ( Linden et al., 1997c). Belastung 13-1 konnte auf einem Medium wachsen, das mit ergänzt wurde P-Fluorphenylalanin nur im Dunkeln, da die al-3::mtr Genkonstrukt wird unter diesen Bedingungen nicht exprimiert. Im Gegensatz dazu ist im Licht der al-3::mtr Promotor wird induziert und verursacht mtr Expression und Aufnahme des Medikaments, das das Zellwachstum hemmt. Daher wachsen nur Mutanten, die in der Wahrnehmung von blauem Licht oder der Signalübertragung beeinträchtigt sind, in Gegenwart von . im Licht P-Fluorphenylalanin. Dieses Selektionssystem wurde erfolgreich auf die Isolierung von Mutanten angewendet, die eine verringerte Sensitivität für blaulichtregulierte Prozesse zeigten ( Carattoli et al., 1995). Die Blaulicht-Regulator-Mutanten blr-1 und blr-2 zeigte einen blass-orangefarbenen Phänotyp, der auf eine verminderte Lichtinduktion der myzelialen Carotinoid-Biosynthese hinweist. Darüber hinaus wiesen die Mutanten für alle untersuchten lichtregulierten Gene verringerte mRNA-Spiegel im Steady-State auf. In sexuellen Kreuzungsexperimenten wurden die Mutationen blr-1 und bk-2 fiel in verschiedene Segregationsgruppen von WC-1 und WC-2. Folglich stellen sie keine undichten Allele des Toilette Orte. Darüber hinaus wurde das Selektionssystem zur Isolierung von Toilette Mutanten nach Ultraviolett-Mutagenese ( Linden et al., 1997c). Trotz eingehender Prüfung keine weiteren Toilette andere Orte als WC-1 und WC-2 wurden isoliert. deshalb, die WC-1 und WC-2 Gene scheinen die einzigen nicht redundanten Loci zu sein, die in Neurospora die zu einer vollständigen „Blindheit“ gegenüber dem Licht führen.

    Das eben beschriebene Selektionssystem hat eine weitere Anwendung: Der Selektionsstamm 13-1 kann im Dunkeln keine aromatischen Aminosäuren aufnehmen. Nach UV-Mutagenese, Wachstum von 13-1 auf Tryptophan in Dunkelheit führte zur Isolierung von Mutanten ccb-1 und CCB-2 (für die konstitutive Carotinoid-Biosynthese), die auch im Dunkeln einen hellgewachsenen Phänotyp zeigte ( Linden et al., 1997c). Trotz konstitutiver myzelialer Carotinoid-Biosynthese im Dunkeln zeigten die Mutanten im Dunkeln keine erhöhten mRNA-Spiegel von lichtregulierten Genen. Allerdings trat nach Lichtinduktion eine erhöhte Expression einiger lichtregulierter Gene im Vergleich zum Wildtyp auf, was auf eine Funktion in der Blaulichtsignalisierung zumindest für . hinweist ccb-1. Seine rezessive Natur zusammen mit den spezifischen Effekten auf die Lichtinduktion der Carotinoid-Biosynthese legten eine Rolle für die ccb-1 Genprodukt als Transkriptionsrepressor einiger lichtregulierter Gene. Die Identifizierung dunkler Repressionsstellen in Promotoren von lichtregulierten Genen wies auf das Vorhandensein solcher Repressoren in Neurospora (Kaldenhoff und Russo, 1993). Auf der anderen Seite ist die CCB-2 Genprodukt wurde vorgeschlagen, während des Entwicklungsprozesses der Konidiation zu wirken.


    Fragen zur visuellen Verbindung

    Abbildung 20.12 Welche der folgenden Aussagen zum Stickstoffkreislauf ist falsch?

    1. Ammonifikation wandelt organische stickstoffhaltige Stoffe aus lebenden Organismen in Ammonium (NH4 + ).
    2. Denitrifikation durch Bakterien wandelt Nitrate (NO3 - ) zu Stickstoffgas (N2).
    3. Nitrifikation durch Bakterien wandelt Nitrate (NO3 - ) zu Nitriten (NO2 - ).
    4. Stickstofffixierende Bakterien wandeln Stickstoffgas (N2) in organische Verbindungen.

    Abbildung 20.28 In welchen der folgenden Regionen würden Sie photosynthetische Organismen erwarten?

    1. Die aphotische Zone, die neritische Zone, die ozeanische Zone und der benthische Bereich.
    2. Die photische Zone, die Gezeitenzone, die neritische Zone und die ozeanische Zone.
    3. Die photische Zone, die Abgrundzone, die neritische Zone und die ozeanische Zone.
    4. Der pelagische Bereich, die aphotische Zone, die neritische Zone und die ozeanische Zone.

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      • Autoren: Samantha Fowler, Rebecca Roush, James Wise
      • Herausgeber/Website: OpenStax
      • Buchtitel: Konzepte der Biologie
      • Erscheinungsdatum: 25.04.2013
      • Ort: Houston, Texas
      • Buch-URL: https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/1-introduction
      • Abschnitts-URL: https://openstax.org/books/concepts-biology/pages/20-visual-connection-questions

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      Molekularbiologie des Sehens

      Theodore G. Wensel , Theodore G. Wensel , in Basic Neurochemistry (Achte Auflage) , 2012

      Die Phototransduktion besteht aus einer stark verstärkten Kaskade von durch Licht ausgelösten Änderungen der Proteinkonformation und Änderungen der Wechselwirkungen von Proteinen untereinander und mit Guaninnukleotiden

      Phototransduktion ist die Erzeugung eines elektrochemischen Signals als Reaktion auf die Absorption von Licht (Baylor, 1996 Burns &. Arshavsky, 2005 Gross &. Burns, 2011 Stryer, 1986). Photorezeptoren sind im Dunkeln relativ depolarisiert, da Na + -Ionen durch lichtempfindliche Kanäle in das äußere Segment gelangen, und setzen daher kontinuierlich den Neurotransmitter Glutamat frei. Licht induziert eine biochemische Kaskade, die durch Schließen der Kanäle eine abgestufte Hyperpolarisation verursacht, mit einer resultierenden abgestuften Verlangsamung der Glutamatfreisetzung.

      Während sich die meisten erregbaren Zellen ohne Stimulation in einem hyperpolarisierten Zustand befinden, mit einem Membranpotential zwischen –90 mV (innen negativer als außen) und –60 mV, haben Photorezeptoren im Dunkeln Membranpotentiale nahe –40 mV, daher gelten sie als relativ depolarisiert. Die die Hyperpolarisation fördernden Moleküle sind Na,K-ATPase, die die aus der Hydrolyse von ATP gewonnene Energie nutzt, um Na + aus der Zelle und K + in das Zytoplasma zu pumpen, und kaliumselektive Kanäle im inneren Segment, die K + -Ionen ermöglichen zu einer geringeren Konzentration in den extrazellulären Raum diffundieren, wodurch ein Defizit an positiver Ladung innerhalb der Zelle und ein negatives Membranpotential erzeugt werden. Dieser nach außen gerichtete positive Strom im inneren Segment (wo sich die K + -Kanäle befinden) ist der große einwärts gerichtete Strom, der von Na + im äußeren Segment getragen wird (siehe Kapitel 3, 4 für weitere Diskussionen).

      Der Kanal, der diesen einwärts gerichteten Strom katalysiert, ist ein zyklischer Nukleotid-gesteuerter Kanal, der für cGMP selektiv ist. Dieser Kanal ist für physiologische Kationen relativ unspezifisch, leitet aber aufgrund der hohen extrazellulären Na + -Konzentration hauptsächlich Na + -Ionen aus dem extrazellulären Raum ins Zytoplasma.Es besteht ein vollständiger Kreislauf, der aus der Extrusion von Na + -Ionen und der Ausdiffusion von K + -Ionen aus dem inneren Segment besteht, und der Diffusion hauptsächlich von Na + -Ionen (teilweise ausgeglichen durch Auswärtsdiffusion von K + -Ionen, was zu einem Umkehrpotential führt viel niedriger als für Na + -selektive Kanäle ( Yau & Nakatani, 1984 ) in das äußere Segment, bekannt als zirkulierender Dunkelstrom (Hagins und Yoshikami, 1970). Es gibt auch eine geringfügige, aber physiologisch sehr wichtige Komponente des Dunkelstroms, der von Ca 2+ -Ionen getragen wird. Ca 2+ -Ionen werden durch einen elektrogenen Na + /K + /Ca 2+ -Austauscher (Schnetkamp, ​​2004) extrudiert und lecken durch den CNG-Kanal zurück in die Zelle.

      Warum sind diese Ströme für die Phototransduktion so wichtig? Die Essenz der Phototransduktion ist ein molekularer Mechanismus, durch den Licht, das auf die Photorezeptorzellen auftrifft, detektiert und an die nachgeschalteten Neuronen, die ON- und OFF-Bipolarzellen und horizontalen Zellen übermittelt werden kann. Photorezeptoren kommunizieren mit diesen nachgeschalteten Zellen durch ihre Freisetzung des erregenden Neurotransmitters Glutamat, und die Freisetzung von Glutamat wird durch das Membranpotential durch die Wirkung von spannungsgesteuerten Ca + -Kanälen gesteuert, deren Öffnung den präsynaptischen Raum mit Ca 2+ überflutet und synaptische Vesikel auslöst Fusion und Glutamatfreisetzung (Heidelberger et al., 2005). Sowohl in Stäbchen als auch in Zapfen erfolgt die Glutamatfreisetzung abgestuft, kontrolliert durch das Membranpotential und damit letztlich durch lichtabhängige Stromänderungen durch den CNG-Kanal. Der Strom durch diesen Kanal kontrolliert das Membranpotential, und dieser Strom wird durch die zytoplasmatische Konzentration von cGMP kontrolliert, die wiederum durch Licht kontrolliert wird.

      Wie steuert Licht die cGMP-Konzentration? Die Antwort beginnt mit der Photoaktivierung von Rhodopsin. Rhodopsin ist in vielerlei Hinsicht ein prototypischer G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR). Im Dunkeln hat es einen inversen Agonisten (eine Verbindung, deren Bindung die Fähigkeit eines GPCR verringert, G-Proteine ​​zu aktivieren), 11-cis Retinaldehyd, kovalent (als Schiffsche Base) an einen Lysinrest in seiner Transmembrandomäne gekoppelt ( Abb. 51-4 ). In diesem Zustand besitzt Rhodopsin im Wesentlichen keine Fähigkeit, den Austausch von GTP gegen GDP auf der α-Untereinheit des heterotrimeren G-Proteins des Sehvermögens, Transducin (Gαt). Lichtabsorption induziert die Photoisomerisierung von Retinal von 11-cis an alle-trans mit einer ungewöhnlich hohen Quantenausbeute von 0,65 (Kim et al., 2001). Die Quanteneffizienz von Rhodopsin in Kombination mit der Verstärkung der G-Proteinkaskade ermöglicht es den Stäbchen, auf sehr geringe Lichtmengen auf der Ebene einzelner Photonen zu reagieren. Die cistrans Isomerisierung induziert eine Konformationsänderung in Rhodopsin ( Fig. 51-4, 51-5). Alle-trans-Retinal ist ein starker Agonist und wandelt Rhodopsin in die aktivierte Form Metarhodopsin II (MII) um, die wiederum die Umwandlung von G . katalysiertαtβγ-BIP in Gαt-GTP+Gβγ, mit einer Geschwindigkeit von einigen Hundert pro Sekunde (Abb. 51-6).

      Abbildung 51-4. Molekulare Umwandlungen von Retinoiden in Photorezeptoren während der primären Ereignisse des Sehens und des Photorezeptorabschnitts des Sehzyklus.

      Rhodopsin entsteht, wenn die Aldehydeinheit von 11-cis-Retinal bildet mit Lysin 296 der . eine protonierte Schiff-Base apo-Rezeptor-Opsin. Sein Absorptionsspektrum verschiebt sich dramatisch nach Rot, von einer maximalen Absorption im Ultraviolett (380 nm) zum Sichtbaren (500 nm). Die Absorption durch Rhodopsin führt zu einer Photoisomerisierung von all-trans bis 11-cis, die Bathorhodopsin bilden. In einer Reihe von Protein-Konformationsänderungen und Deprotonierungs- und Protonierungsschritten entspannt sich Bathorhodopsin in die Form, die für die Aktivierung des G-Proteins verantwortlich ist, Metarhodopsin II. Letztlich zerfällt Metarhodopsin II zu Metarhodopsin III, aus dem alletrans-Retinal wird hydrolysiert, wodurch ein vorübergehender Pool freier All-trans-Netzhaut und Opsin. Kostenlos alle-trans-Netzhaut wird in alle umgewandelt-trans-Retinol durch die Wirkung einer Klasse von Enzymen, die als Retinol-Dehydrogenasen (RDH) bekannt sind und NADPH als Reduktionsmittel verwenden. Die alle-trans-Retinol kann durch die Zellmembran diffundieren und zum retinalen Pigmentepithel gelangen, wo weitere Transformationen des Sehzyklus stattfinden (siehe Abb. 51-10 ) und sich schließlich regenerieren 11-cis-Netzhaut.

      Abbildung 51-5. Konformationelle Aktivierung von Rhodopsin.

      Banddiagramm der Struktur des dunklen, inaktiven Zustands von Rhodopsin (cyanfarbene Bänder) mit dem kovalent gekoppelten Chromophor, 11-cis Retinaldehyd im raumfüllenden Modus (cyan) (pdb-Datei 1U19, Okada et al., 2004) überlagert mit der Struktur einer aktiven Konformation von Opsin (orangefarbene Bänder pdb-Datei 3DQB Scheerer et al., 2008) mit einem C-Terminus Peptid aus dem visuellen G-Protein Gat gebunden (oranges raumfüllendes Modell) an seiner zytoplasmatischen Seite. Alle molekularen Grafiken in diesem Kapitel wurden mit UCSF Chimera . gerendert

      Abbildung 51-6. G-Protein-Aktivierung durch Metarhodopsin II.

      Im Dunkeln existiert das visuelle G-Protein-Transducin hauptsächlich als Heterotrimer, Gαβγ, wobei GDP an die Gαt-Untereinheit gebunden ist. Dies ist der inaktive Zustand des G-Proteins, und es interagiert nur schwach mit Rhodopsin. Die Dissoziation des BIP ist extrem langsam und erfolgt mit einer Zeitkonstante von 10.000 s. Bei Lichtaktivierung und Bildung von Metarhodopsin II (MII) bindet das Heterotrimer MII, was eine Konformationsänderung induziert, die eine schnelle GDP-Dissoziation ermöglicht. In Abwesenheit von GTP ist dieser Komplex aus MII (hier als Dimer von MII und Rhodopsin) und nukleotidfreiem Gαβγ sehr stabil. Innerhalb des äußeren Stäbchensegments liegt die GTP-Konzentration in der Größenordnung von 10-3 mol/L, so dass GDP sehr schnell an die nukleotidfreie Gαt-Untereinheit bindet. Die GTP-Bindung induziert eine Konformationsänderung (siehe Abb. 51-7), die bewirkt, dass Gαt-GTP sowohl von Gαβγ als auch von MII dissoziiert.

      Strukturen basieren auf den folgenden pdb-Dateien: 1GOT (Lambright et al., 1996), 3DQ (Pettersen et al., 2004) und 1TND (Noel et al., 1993).

      Die Bedeutung von Gαt–GTP-Bildung besteht darin, dass dieser Komplex die Aktivität einer katalytisch wirksamen cGMP-spezifischen Phosphodiesterase, PDE6, kontrolliert (Wensel, 1993). PDE6 ist ein heterotetrameres Protein, das aus zwei großen (jeweils fast 100 kDa) katalytischen Untereinheiten besteht, PDE6αβ, und zwei identische kleine inhibitorische Untereinheiten, PDE6γ. Der dunkle BIP-gebundene Zustand von Gαt hat eine sehr geringe Affinität für PDE6, aber GTP löst eine Konformationsänderung aus, die seine Fähigkeit, PDE6 zu aktivieren, dramatisch verbessert ( Fig. 51-7, 51-8). Wenn PDE6γ an die katalytischen Untereinheiten gebunden ist und Gαt-GTP fehlt, dann beträgt die Aktivität von PDE6 etwa ein Tausendstel seiner maximalen Aktivität. gαt-GTP bindet an diesen Komplex und schiebt anscheinend PDE6γ in eine Position, die die katalytische Aktivität nicht mehr blockiert. In diesem Zustand mit Gαt-GTP gebunden, hydrolysiert PDE6 cGMP mit einer katalytischen Effizienz in der Größenordnung von 10 8 M –1 -s –1 , nahe der Diffusionsgrenze. Wenn die zytoplasmatische Konzentration von cGMP schnell abfällt, dissoziiert cGMP vom CNG-Kanal, Kanäle schließen sich, der Dunkelstrom wird reduziert oder aufgehoben und das Membranpotential wird hyperpolarisiert. Der Dunkelstrom wird über einen weiten Bereich von Lichtintensitäten abgestuft reduziert, von der Ein-Photonen-Anregung einzelner dunkeladaptierter Stäbchen bis hin zu einem Regen von Hunderttausenden Photonen pro Zelle, der erforderlich ist, um sich der Sättigung der lichtadaptierten . zu nähern Zapfen. Die Aktivierung von PDE6 durch Gαt-GTP wird stark durch die Lipidoberfläche der Scheibenmembran verstärkt (Malinski &. Wensel, 1992 Melia et al., 2000), an die beide durch kovalent gebundene Lipidgruppen gebunden sind, N-terminale Fettacyl-Modifikationen für Gαt, (Kokame et al., 1992 Neubert et al., 1992 Z. Yang &. Wensel, 1992b) und sowohl Farnesyl- als auch Geranylgeranyl-Isoprenoide, die an die C-Termini von PDE6 . gebunden sindαβ katalytische Untereinheiten (Anant et al., 1992, Qin et al., 1992).

      Abbildung 51-7. Konformationelle Aktivierung von Transducin, Gαt.

      Banddiagramm der Struktur des dunklen, inaktiven Zustands von Gαt (cyanfarbene Bänder) mit gebundenem GDP, dargestellt im raumfüllenden Modus (cyan) (pdb-Datei 1TAG, ( Lambright et al., 1994 ) überlagert der Struktur einer aktiven Konformation von Gαt (orangefarbene Bänder pdb file 1TNDb (Noel et al., 1993) mit einem nicht hydrolysierbaren GTP-Analogon gebunden (oranges raumfüllendes Modell, koordiniertes Mg 2+ in Schwarz).

      Abbildung 51-8. Aktivierung von PDE6 durch aktiviertes Transducin, Gαt-GTP.

      PDE6 wird im Dunkeln durch seine inhibitorischen PDE6γ-Untereinheiten auf einem sehr niedrigen Aktivitätsniveau (PDE6i) gehalten. In seiner GTP-gebundenen Form bindet Gαt fest an PDE6 und hebt die durch PDE6γ auferlegte Hemmung auf, bildet die aktive Form PDE6* und ermöglicht eine schnelle Katalyse der cGMP-Hydrolyse.

      Strukturen aus der pdb-Datei 1FQJ, Slep et al., 2001 (Gαt und C-terminales Fragment von PDE6γ) und aus unveröffentlichten Elektronenmikroskopiedaten, mit freundlicher Genehmigung von Dr. Zhixian Zhang (PDE6).


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