Signalübertragung: Definition, Funktion, Beispiele

Einzellige Organismen, wie fast alle Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) sind in der Natur reichlich vorhanden. Eukaryoten Organismen können jedoch Milliarden von Zellen enthalten.

Da es einem Organismus wenig nützen würde, so viele winzige Wesen isoliert von einem zu haben Zum anderen müssen Zellen über ein Mittel verfügen, um miteinander zu kommunizieren – d. h. sowohl senden als auch empfangen Signale. Ohne Radio, Fernsehen und Internet engagieren sich Zellen cells Signaltransduktion, mit altmodischen Chemikalien.

So wie das Kritzeln von Buchstaben oder Wörtern auf einer Seite nicht hilfreich ist, es sei denn, diese Zeichen und Einheiten bilden Wörter, Sätze und eine kohärente, eindeutige Botschaft sind chemische Signale nutzlos, es sei denn, sie enthalten spezifische Anleitung.

Aus diesem Grund sind Zellen mit allerlei cleveren Mechanismen zur Erzeugung und Transduktion (d. h. Übertragung durch ein physikalisches Medium) biochemischer Botschaften. Das ultimative Ziel der Zellsignalisierung besteht darin, die Erzeugung oder Modifikation von Genprodukten oder Proteinen, die auf den Ribosomen von Zellen hergestellt werden, in Übereinstimmung mit Informationen, die in der DNA über RNA kodiert sind, zu beeinflussen.

Wenn Sie einer von Dutzenden von Fahrern für ein Taxiunternehmen wären, benötigen Sie die Fähigkeiten, ein Auto zu fahren und durch die Straßen Ihrer Stadt zu navigieren sachkundig und gekonnt, um Ihre Fahrgäste pünktlich am richtigen Ort zu treffen und sie an ihr Ziel zu bringen, wenn sie es wollen Dort. Dies allein würde jedoch nicht ausreichen, wenn das Unternehmen hoffte, mit maximaler Effizienz zu arbeiten.

Fahrer in verschiedenen Taxis müssten miteinander und mit einem zentralen Disponenten kommunizieren, um zu bestimmen, was Passagiere sollten von denen abgeholt werden, die, wenn bestimmte Autos voll waren oder auf andere Weise für eine Weile nicht verfügbar waren, im Verkehr stecken geblieben sind und so weiter.

Ohne die Möglichkeit, mit anderen als potenziellen Passagieren per Telefon oder Online-App zu kommunizieren, würde das Geschäft chaotisch verlaufen.

Im gleichen Sinne können biologische Zellen nicht völlig unabhängig von den sie umgebenden Zellen arbeiten. Oft müssen lokale Zellcluster oder ganze Gewebe eine Aktivität koordinieren, wie z Muskelkontraktion oder Heilung nach einer Wunde. Daher müssen Zellen miteinander kommunizieren, um ihre Aktivitäten auf die Bedürfnisse des gesamten Organismus auszurichten. Ohne diese Fähigkeit können Zellen Wachstum, Bewegung und andere Funktionen nicht richtig verwalten.

Defizite in diesem Bereich können schwerwiegende Folgen haben, darunter auch Krankheiten wie Krebs im Wesentlichen unkontrollierte Zellreplikation in einem bestimmten Gewebe aufgrund der Unfähigkeit der Zellen, ihre eigenes Wachstum. Zellsignalisierung und Signalweiterleitung sind daher für die Gesundheit des gesamten Organismus sowie der betroffenen Zellen von entscheidender Bedeutung.

Die Zellsignalisierung kann in drei grundlegende Phasen unterteilt werden:

1. Rezeption: Spezialisierte Strukturen auf der Zelloberfläche erkennen das Vorhandensein eines Signalmoleküls, oder Ligand.
2. Übertragung: Die Bindung des Liganden an den Rezeptor initiiert ein Signal oder eine kaskadierende Reihe von Signalen im Inneren der Zelle.
3. Antwort: Die vom Liganden und den von ihm beeinflussten Proteinen und anderen von ihm beeinflussten Elementen signalisierte Botschaft wird interpretiert und verarbeitet, z Genexpression oder Regulierung.

Wie Organismen selbst kann ein Zellsignaltransduktionsweg äußerst einfach oder vergleichsweise komplex sein, mit einige Szenarien beinhalten nur einen Eingang oder ein Signal oder andere beinhalten eine ganze Reihe aufeinander folgender, koordinierter Schritte.

Ein Bakterium beispielsweise hat nicht die Fähigkeit, über die Art der Sicherheitsbedrohungen in seiner Umgebung, aber es kann das Vorhandensein von Glukose spüren, der Substanz, für die alle prokaryontischen Zellen verwendet werden Lebensmittel.

Komplexere Organismen senden Signale mit Wachstumsfaktoren, Hormone, Neurotransmitter und Komponenten der Matrix zwischen den Zellen. Diese Substanzen können auf nahegelegene Zellen oder aus der Ferne einwirken, indem sie durch das Blut und andere Kanäle wandern. Neurotransmitter sowie Dopamin und Serotonin durchqueren Sie die kleinen Räume zwischen benachbarten Nervenzellen (Neuronen) oder zwischen Neuronen und Muskelzellen oder Zieldrüsen.

Hormone wirken oft über besonders große Distanzen, wobei im Gehirn ausgeschüttete Hormonmoleküle auf die Keimdrüsen, Nebennieren und andere "ferne" Gewebe wirken.

Genauso wie Enzyme, die Katalysatoren der zellulären biochemischen Reaktion, sind spezifisch für bestimmte Substratmoleküle, die Rezeptoren auf der Zelloberfläche sind spezifisch für ein bestimmtes Signalmolekül. Der Grad der Spezifität kann variieren, und einige Moleküle können Rezeptoren schwach aktivieren, die andere Moleküle stark aktivieren können.

Opioid-Schmerzmittel aktivieren beispielsweise bestimmte Rezeptoren im Körper, die natürliche Substanzen genannt werden auch Endorphine auslösen, allerdings wirken diese Medikamente aufgrund ihrer pharmakologischen Schneiderei.

Rezeptoren sind Proteine ​​und die Aufnahme findet an der Oberfläche statt. Stellen Sie sich Rezeptoren als zelluläre Türklingeln vor. Sie sind wie eine Türklingel. Türklingeln befinden sich außerhalb Ihres Hauses und ihre Aktivierung veranlasst die Leute in Ihrem Haus, die Tür zu öffnen. Damit die Türklingel funktioniert, muss jedoch jemand mit dem Finger auf die Klingel drücken.

Der Ligand ist analog zum Finger. Sobald es sich an den Rezeptor bindet, der wie die Türklingel ist, beginnt er den Prozess des inneren funktioniert/Signalübertragung genauso wie die Türklingel die Personen im Haus auslöst, sich zu bewegen und die Antwort zu beantworten Tür.

Während die Ligandenbindung (und der Finger, der auf die Türklingel drückt) für den Prozess unerlässlich ist, ist sie nur der Anfang. Ein Ligand, der an einen Zellrezeptor bindet, ist nur der Beginn eines Prozesses, dessen Signal modifiziert werden muss in Kraft, Richtung und Endwirkung, um der Zelle und dem Organismus, in dem sie sich befindet, zu helfen wohnt.

Zellmembranrezeptoren umfassen drei Haupttypen:

1. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
2. Enzymgebundene Rezeptoren
3. Ionenkanalrezeptoren

In allen Fällen löst die Aktivierung des Rezeptors eine chemische Kaskade aus, die ein Signal von der Außenseite des absendet der Zelle, oder auf einer Membran innerhalb der Zelle, zum Zellkern, der de facto das "Gehirn" der Zelle und der Ort der es ist Genmaterial (DNA oder Desoxyribonukleinsäure).

Die Signale wandern zum Zellkern, weil ihr Ziel darin besteht, in irgendeiner Weise die Genexpression zu beeinflussen – die Übersetzung der in den Genen enthaltenen Codes in das Proteinprodukt, das die Gene Code für.

Bevor das Signal in die Nähe des Kerns gelangt, wird es in der Nähe seines Ursprungsorts, am Rezeptor, interpretiert und modifiziert. Diese Modifikation kann eine Verstärkung durch zweite Boten, oder es kann eine leichte Verringerung der Signalstärke bedeuten, wenn die Situation dies erfordert.

G-Proteine ​​sind polypedtide mit einzigartigen Aminosäuresequenzen. In dem Zellsignaltransduktionsweg, an dem sie teilnehmen, verknüpfen sie normalerweise den Rezeptor selbst mit einem Enzym, das die für den Rezeptor relevanten Anweisungen ausführt.

Diese nutzen in diesem Fall einen zweiten Messenger zyklisches Adenosinmonophosphat (zyklischer AMP oder cAMP), um das Signal zu verstärken und zu lenken. Andere häufige sekundäre Botenstoffe sind Stickstoffmonoxid (NO) und Calciumionen (Ca2+).

Zum Beispiel der Rezeptor für das Molekül Adrenalin, das Sie leichter als das stimulierende Molekül Adrenalin erkennen, verursacht körperliche Veränderungen G-Protein neben dem Liganden-Rezeptor-Komplex in der Zellmembran, wenn Adrenalin die Rezeptor.

Dies wiederum bewirkt, dass ein G-Protein das Enzym auslöst Adenylylcyclase, was zur cAMP-Produktion führt. cAMP „befiehlt“ dann eine Erhöhung eines Enzyms, das Glykogen, die Kohlenhydratspeicherform der Zelle, in Glukose abbaut.

Second Messenger senden oft eindeutige, aber konsistente Signale an verschiedene Gene in der Zell-DNA. Wenn cAMP den Abbau von Glykogen fordert, signalisiert es gleichzeitig einen Rollback der Glykogenproduktion durch ein anderes Enzym und reduziert so das Potenzial für sinnlose Kreisläufe (die gleichzeitige Entfaltung gegensätzlicher Prozesse, wie z. B. das Fließen von Wasser in ein Ende eines Beckens, während versucht wird, das andere abzulassen Ende).

Kinasen sind Enzyme, die Phosphorylat Moleküle. Sie erreichen dies, indem sie eine Phosphatgruppe von ATP (Adenosintriphosphat, ein AMP-äquivalentes Molekül mit zwei angehängten Phosphaten an das eine, das AMP bereits besitzt) auf ein anderes Molekül verschieben. Phosphorylasen sind ähnlich, aber diese Enzyme nehmen freie Phosphate auf, anstatt sie von ATP zu binden.

In der Zellsignalphysiologie sind RTKs im Gegensatz zu G-Proteinen Rezeptoren, die auch enzymatische Eigenschaften besitzen. Kurz gesagt, das Rezeptorende des Moleküls zeigt zur Außenseite der Membran, während das Schwanzende, das aus der Aminosäure Tyrosin besteht, die Fähigkeit besitzt, Moleküle innerhalb der Zelle zu phosphorylieren.

Dies führt zu einer Kaskade von Reaktionen, die die DNA im Zellkern anweisen, die Produktion eines oder mehrerer Proteinprodukte nach oben zu regulieren (zu erhöhen) oder herunterzuregulieren (zu verringern). Die vielleicht am besten untersuchte Reaktionskette dieser Art ist die mitogenaktivierte Protein(MAP)-Kinasekaskade.

Es wird angenommen, dass Mutationen in PTKs für die Entstehung bestimmter Krebsarten verantwortlich sind. Es sollte auch beachtet werden, dass die Phosphorylierung abhängig vom spezifischen Kontext sowohl Zielmoleküle inaktivieren als auch aktivieren kann.

Diese Kanäle bestehen aus einer "wässrigen Pore" im Zellmembran und bestehen aus in die Membran eingebetteten Proteinen. Der Rezeptor für den gemeinsamen Neurotransmitter Acetylcholin ist ein Beispiel für einen solchen Rezeptor.

Anstatt per se ein kaskadierendes Signal innerhalb der Zelle zu erzeugen, bewirkt die Bindung von Acetylcholin an seinen Rezeptor, dass sich die Pore im Komplex erweitert, was Ionen (geladene Teilchen) in die Zelle strömen und ihre Wirkung stromabwärts auf die Proteinsynthese ausüben.

Es ist wichtig zu erkennen, dass die Aktionen, die als Teil der Zellrezeptor-Signaltransduktion auftreten, typischerweise keine "Ein/Aus"-Phänomene sind. Das heißt, die Phosphorylierung oder die Dephosphorylierung eines Moleküls bestimmt nicht den Bereich möglicher Reaktionen, weder am Molekül selbst noch in Bezug auf sein nachgeschaltetes Signal.

Einige Moleküle können beispielsweise an mehr als einer Stelle phosphoryliert werden. Dies ermöglicht eine engere Modulation der Wirkung des Moleküls, auf dieselbe allgemeine Weise wie bei einem Staubsauger oder Mixer mit mehreren Einstellungen können eine gezieltere Reinigung oder Smoothie-Zubereitung ermöglichen als ein binäres "Ein / Aus" Schalter.

Darüber hinaus besitzt jede Zelle mehrere Rezeptoren jedes Typs, deren Reaktion jeweils am oder vor dem Zellkern integriert werden muss, um die Gesamtstärke der Reaktion zu bestimmen. Im Allgemeinen ist die Rezeptoraktivierung proportional zur Reaktion, was bedeutet, dass die Veränderungen innerhalb der Zelle wahrscheinlich umso ausgeprägter sind, je mehr Ligand an einen Rezeptor bindet.

Aus diesem Grund übt eine hohe Dosis eines Medikaments in der Regel eine stärkere Wirkung aus als eine kleinere Dosis. Es werden mehr Rezeptoren aktiviert, es entstehen mehr cAMP oder phosphorylierte intrazelluläre Proteine ​​und mehr was auch immer im Kern benötigt wird, findet statt (und geschieht oft schneller als auch zu einem größeren Umfang).

Proteine ​​werden hergestellt, nachdem die DNA eine codierte Kopie ihrer bereits codierten Informationen in Form von Boten-RNA erstellt, die sich bewegt außerhalb des Zellkerns zu Ribosomen, wo Proteine ​​gemäß der mitgelieferten Anleitung tatsächlich aus Aminosäuren hergestellt werden durch mRNA.

Der Prozess der Herstellung von mRNA aus einer DNA-Vorlage wird als Transkription. Proteine ​​genannt Transkriptionsfaktoren als Ergebnis der Eingabe verschiedener unabhängiger oder gleichzeitiger Transduktionssignale hoch- oder herunterreguliert werden. Dadurch wird eine andere Menge des Proteins synthetisiert, für das die Gensequenz (Länge der DNA) kodiert.