Zellen nehmen
miteinander in vielfacher Weise Kontakt auf
- mechanisch,
elektrisch, elektromagnetisch, biochemisch. Dabei wird eine Fülle von
Information ausgetauscht. Ohne diese Fähigkeit ist ein normales
Funktionieren des Körpers nicht möglich.
Viele grundlegende Vorgänge, die
den Organismus am Leben erhalten, lassen sich schon bei einzelnen
Zellen beobachten: Austausch von Energie (vor allem Wärme) mit der
Umgebung, Gasaustausch (Atmung), Austausch fester Substanzen
(Ernährung: Aufnahme von Nahrungsstoffen, Salzen, Mineralien,
Vitaminen, anderen Wirkstoffen; Abgabe von Stoffwechsel-Endprodukten,
Signalstoffen), Kraftentfaltung und Bewegung, Kommunikation.

<Abbildung: Signalkaskaden extra- zu intrazellulär
Nach: Downard J, The ins and outs of signalling. Nature 2001; 411: 759-62
Graue
Boxen: Generelle Signaltransduktionskomponenten; weiße Boxen:
spezifische Beispiele. Auf die Bindung eines Liganden an den Rezeptor
folgt eine Veränderung intrazellulärer rezeptoranhängiger
Enzymaktivität.
Effektoren können zum Zellkern wandern und dort (direkt
oder indirekt) die Genexpression verändern. Oder es werden kleine
Moleküle beeinflusst - weitere Signalstoffe entstehen bzw. der
Stoffwechselzustand wird verändert. Die
Wirkmechanismen können unterschiedlich kombiniert sein
Die Zelle greift dabei auf biochemische und biophysikalische
Mechanismen zurück, die - mit verschiedenen Abwandlungen - im Prinzip
in der gesamten Biosphäre Verwendung finden: Beispielsweise der
metabolische Grundplan mit seinen genetischen und enzymatischen
Steuerungen, die Art der "Übersetzung" extrazellulärer Signale zu
zellulären Antworten, oder die
Verwendung von Molekülen, welche der Zelle Form und Beweglichkeit
verleihen.
Zellen
können kommunizieren, indem sie sich über extrazelluläre Kontakte
gegenseitig beeinflussen, die Ladung ihrer Zellmembranen verändern (gap junctions), oder in der Empfängerzelle sekundäre chemische Mechanismen auslösen (second messenger: Intrazellulär aktivierte Signalstoffe).
Die Second-messenger-Systeme ermöglichen eine chemische Verstärkung
des extrazellulären Signals: Ihre Produkte erreichen eine wesentlich
höhere Konzentration als die des Liganden ("first messenger") an der
Zellmembran - es kommt über mehrere Zwischenschritte zu einer
lawinenartigen Intensivierung, der gewünschte Effekt in der Zelle wird
dadurch gesichert.
Rezeptormoleküle
in der Zellmembran
sind so etwas wie kleine Sinnesorgane: Sie reagieren auf Schlüsselreize (Anlagerung
passender Signalmoleküle, mechanische Beeinflussung u.a.) und lösen intrazellulär entsprechende Reaktionen aus.
Rezeptortypen (vgl. auch dort):
>Abbildung: Enzymatisch aktive Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Boron W, Boulpaep E: Medical Physiology. Philadelphia, Saunders, 2003
Rezeptoren
für atriale natriuretische Peptide (ANP), Zytokine wie TGF oder IL-6,
Wachstumsfaktoren wie NGF, oder für Insulin wirken in der Zelle
enzymatisch
Typ-1-Rezeptoren: Außen Mediatorbindung, innen Enzym (Tyrosinkinase oder Guanylatzyklase - >Abbildung).
Beispiele:
Tyrosinkinase-Rezeptoren dimerisieren
bei der Bindung des Signalmoleküls, dadurch werden sie aktiv und
phosphorylieren
"nachgeordnete" Proteine (Effektoren), entweder direkt
oder über Adapterproteine.
Resultat kann dann z.B. Aktivierung der
MAP-Kinase-Kaskade sein (MAP: Mitogen-activated protein),
was wiederum Transkriptionsfaktoren einschaltet,
Wachstumsfaktor-Rezeptoren bilden lässt (das erhöht die Wirkung dieser
Faktoren) und die Zelle zur Teilung (Mitose) veranlassen kann.
<Abbildung: Beispiele ligandengesteuerter Ionenkanäle (Ionotrope Rezeptoren)
Nach: Khakh BS, Molecular physiology of P2X receptors and ATP signalling at synapses. Nature Rev Neurosci 2001; 2: 165-74
P2X-Rezeptoren lassen nach Bindung ihres Liganden positiv geladene Teilchen (Kationen) durch die Zellmembran treten.
Nikotinische Rezeptoren binden den Transmitterstoff Azetylcholin und lassen dann ebenfalls Kationen durch die Membran diffundieren.
Glutamatrezeptoren können ionotrop (NMDA, Kainat, AMPA), aber auch metabotrop sein
Typ 2- oder ionotrope
Rezeptoren (=ligandengesteuerte Ionenkanäle). Hier greifen rasch wirkende Neurotransmitter an - z.B.
Diese Rezeptoren bestehen aus 4 oder 5 Proteinen mit jeweils vier
Transmembran-Domänen, die zusammen eine Pore formieren, deren
Permeabilität ligandenabhängig ist (d.h. die Ionendurchgängigkeit wird
durch Bindung des Liganden reguliert).
G-Proteine kommen in mehreren Varianten vor: Große,
aus drei Untereinheiten (α, β, γ) aufgebaute (heterotrimere) - bei
Bindung eines Hormonmoleküls an den Rezeptor dissoziieren sie die
γ-Einheit ab, diese koppelt an ein Enzym in der Zellmembran (z.B. Adenylatzyklase oder Phospholipase C), das triggert den Hormoneffekt; solche Proteine können stimulierend (Gs), inhibierend (Gi) oder auch anders wirken (z.B. regen Gq-Proteine die Bildung von IP3 und DAG an, wie im Signalweg von Vasopressin, GnRH, TRH, TSH, oder Angiotensin II).
Die G-Proteinrezeptor-Superfamilie weist mehr als tausend Mitglieder auf (etwa 500 davon
sind Geruchsrezeptoren).
Sie reagieren auf verschiedenste Reize, wie Licht, Duftstoffe,
Aminosäuren, biogene Amine, Neurotransmitter, Peptide. Etwa 80% aller
transmembranalen Signalmeldungen erfolgen über diesen Rezeptortyp.
<Abbildung: Nukleäre Rezeptoren
Nach einer Vorlage in Alberts B et al: Molecular Biology of the Cell, 4th ed. New York, Garland Science, 2002
Mineral-
und Glukokortikoide, Geschlechtshormone, Schilddrüsenhormone und Vitamin D-Hormon
diffundieren durch die Zellmembran und binden - im Zell- oder
Kernplasma - an Rezeptoren. DNS wird dadurch abgelesen und RNS gebildet
(Transkription), was zu Proteinsynthese führt
Typ 4: Intrazelluläre oder nukleäre Rezeptoren (NR) finden sich in Zellkern (Kern-Rezeptoren) und
Zytoplasma (zytoplasmatische Rezeptoren, >Abbildung). Es gibt mehrere Typen dieser Rezeptoren, insbesondere:
Klasse-I-NR: Bindung des Liganden an den zytosolischen Rezeptor führt
zur Dissoziierung von Hitzeschockproteinen, Dimerisierung, aktiven
Transport (Translokation) in den Zellkern und Bindung an hormone response elements (HREs) der Zielgene auf der DNS. Auf diesem Wege können viele Gene
gleichzeitig beeinflusst werden.
Klasse-II-NR verbleiben im Zellkern; sie binden Lipide und andere Substanzen.
Beispiele: Rezeptoren für
Zu Hitzeschockproteinen s. auch dort
>Abbildung: JAK-STAT-Mechanismus
Nicht maßstabgerechtes Schema nach einer Vorlage bei open.edu/openlearn
Bindet ein Signalstoff (z.B. α-Interferon)
an den Rezeptor, dimerisiert dieser; JAK's phosphorylieren einander
gegenseitig, an Tyrosinresten binden anschließend STAT-Proteine, die
ebenfalls phosphoryliert werden. STAT-Dimere gelangen dann in den
Zellkern, initiieren die Transkription von Zielgenen und damit die Synthese bestimmter Proteine
Mit
dem Fortschreiten der molekularbiologischen Forschung sind auch weitere
Rezeptoren gefunden worden, die nicht in das Typ 1 bis 4-Schema passen,
z.B. dimerisierende ohne Tyrosinkinase-Aktivität.
Rezeptoren mit Janus-Kinasen (JAKs) - die Abkürzung JAK stand ursprünglich für "just another kinase" - wirken über Dimerisierung
(zwei aktive Zentren, zwei "Gesichter": Janus!). Sie
aktivieren in der Zelle sogenannte STATs (Signal transducer and activator of transcription), die in den Zellkern wandern und Transkriptionsvorgänge freigeben.
Zum JAK-STAT-Mechanismus s. auch dort
Zahlreiche Rezeptoren für Interleukine, andere Zytokine und Wachstumsfaktoren, sowie für Somatotropin und Prolaktin funktionieren als Januskinasen.

<Abbildung: TRP-Kanal
Nach einer Vorlage bei kuleuven.be
Vier
transmembranale Untereinheiten bestimmen die Selektivität des Kanals
("Selektivitätsfilter"). Dadurch wird eine geregelte Passage
verschiedener Kationen durch die Zellmembran erreicht

TRP-Kanäle (Transient receptor potential bei Drosophila-Augen mit mutiertem TRP-Gen) sind Kationenkanäle, die einen geregelten Übertritt von Kationen (Ca++, Na+, Mg++, auch Zn++, Fe++) über Biomembranen - in der Zellmembran, aber auch intrazellulär - ermöglichen (<Abbildung).
Die funktionellen Eigenschaften dieser Kanäle sind äußerst unterschiedlich - sie dienen u.a. der Detektion von Schmerz (TRPV-Kanäle - V für
vanilloid - sind u.a. besonders stark an Schmerzfasern ausgeprägt), Temperatur,
Geschmack (Schärfe), oder der
Mobilisierung intrazellulären Kalziums und der Ca++ / Mg++-Regulation.
Es gibt mehrere
Untergruppen:
Zur Gruppe 1 zählt man TRPC (Canonical), TRPV (Vanilloid), TRPM (Melastatin), TRPN (No mechanoreceptor potential), TRPA (Ankyrin repeats)
Zur Gruppe 2 zählt man TRPP (Polycystic), TRPML (Mucolipin).