Eine Reise durch die Physiologie
Wie kommunizieren Zellen?
I.       II. Humoral-neuronale Steuerung und Kontrolle       III.


Kommunikation zwischen Zellen

Azetylcholin, Amine, Purine, Peptide, lokale Mediatoren

Applikation, Transport, Metabolismus und Clearance

Rezeptoraffinität, wirksame Konzentration von Hormonen

Bindungskinetik, Frequenzmodulation, up/down-Regulation, Transmitterrecycling

Wege der Signaltransduktion (intrazelluläre Antworten), Gewebeeffekt, Adaptation

Wirkungsweise von Steroid- und Thyroidhormonen

Wie werden Hormonaktivitäten bestimmt? (Bioassays, Immunoassays, HPLC,..)

Elektrophysiologie: Reiz, Erregung, Aktionspotential, Refrakterität, Leitungsgeschwindigkeit

Autonomes (vegetatives) Nervensystem

Vorgänge an Synapsen, Kon- und Divergenz


Zellen kommunizieren untereinander und organisieren ihre Umgebung.  Die meisten Zellen sind ortsständig und nicht einfach in den Extrazellulärraum eingebettet, sondern bilden und organisieren seine Bestandteile (extrazelluläre Matrix); andererseits lassen sie sich bei Gelegenheit von diesen Strukturen leiten (z.B. wenn Nervenfasern vorwachsen, oder im Rahmen von Heilungsprozessen). Diese Kommunikation erfolgt z.T. sehr spezifisch (Rezeptorerkennung). Signalstoffe (Hormone, Zytokine, Mediatoren, Transmitterstoffe) koordinieren auf kurzem Weg (von Zelle zu Zelle: parakrin) oder über längere Distanzen (Transport über Kreislauf: endokrin) - umstands- und zeitabhängig. Dabei kann auf die Erbinformation der beeinflussten Zellen zugegriffen (Transkriptionsfaktoren) und so deren Proteinsynthese gesteuert werden.

Die verwendeten Informationsstoffe können ganz verschiedener Art sein: Amine, Azetylcholin, Peptide, Purine, Steroide, Prostaglandine und andere Eikosanoide, auch Gase (Stickstoffmonoxid); fast alle wirken über Rezeptorproteine. Sie verschwinden meist sehr schnell wieder vom Wirkort, weil sie abgebaut oder von den sezernierenden Zellen wiederaufgenommen werden, oder einfach in die Umgebung abtransportiert (und dann z.B. von Niere oder Leber ausgeschieden). Wie ein (Signal-)Stoff sich im Körper verteilt (und wieder verschwindet), untersucht die (Pharmako-) Kinetik; wie er auf die Gewebe wirkt, die (Pharmako-) Dynamik.

Eine der praktischen Konsequenzen ist die, dass der Blutspiegel einer solchen Substanz manchmal nur sehr indirekt mit ihrer Wirksamkeit im Körper zusammenhängt: Beispielsweise kann die Zahl passender Rezeptoren vermindert sein - damit ist auch die biologische Wirksamkeit gesenkt (Refrakterität), ohne dass sich das in den Blutwerten widerspiegeln muss. Dennoch kann der Blutspiegel ein guter Anhaltspunkt für die Bildungsrate eines Signalstoffs sein - etwa der Noradrenalinspiegel für die Aktivität des Sympathikus.

Sympathikus, Parasympathikus und Darmnervensystem werden als autonomes Nervensystem zusammengefasst: Sie funktionieren recht selbständig, sind aber doch über Verbindungen mit dem Zentralnervensystem in einen übergeordneten Funktionsrahmen eingebunden. Eine der im Gehirn koordinierenden Instanzen ist der Hypothalamus, der gleichzeitig auch einen großen Anteil der Hormonsysteme steuert (neuro-humorale Koordination). So kann die Aktivität dieser Systeme in Abhängigkeit von der Gesamtsituation des Körpers moduliert werden. Stark vereinfacht spricht man z.B. von ergotropen (sich aktiv mit der Umwelt auseinandersetzenden: Angriff, Flucht,..) und trophotropen Funktionszuständen (Erholung, Verdauung,..).

Die Antwort auf die Frage, wie Signalstoffe auf die Zielzellen einwirken, geht in Richtung Biochemie: Die Reaktion mit dem "zuständigen" Rezeptor - meist in der Zellmembran (hydrophiler, polarer Signalstoff), manchmal auch in der Zelle (lipophiler, apolarer Signalstoff) löst sekundäre Reaktionen aus, die "zweite Botenstoffe" (second messenger) und Enzyme betreffen. Diese aktivieren dann entweder Zielproteine, die den Stoffwechsel beeinflussen, oder solche, welche Transkriptionsvorgänge steuern. Im ersteren Fall kann man ziemlich rasche Effekte erwarten, im letzteren dauert es wesentlich länger, bis sich Synthesen funktionell auswirken (z.B. Differenzierung und Wachstum der Zelle).

Interzelluläre Kommunikation kann auch auf elektrischem Weg erfolgen: Alle Zellen bauen an ihrer Membran eine elektrische Ladung auf (Membranpotential), die auf unterschiedlicher Konzentration von Ionen beruht. Die elektrische Ladung der Zelle im Ruhezustand (Ruhepotential: außen +, innen -) erfolgt im Wesentlichen durch die Auswärtsdiffusion von Kaliumionen (die durch die Natrium-Kalium-Pumpe in die Zelle befördert wurden). Diese Auswärtsdiffusion wird bei ausreichender Aufladung elektrisch ausbalanciert, ein Gleichgewicht ist erreicht  (Gleichgewichtspotential).

Das Ruhepotential kann gestört werden: Solche Einflüsse nennt man Reize. Ein Reiz kann das Membranpotential verstärken (er wirkt hyperpolarisierend) oder abschwächen (er wirkt depolarisierend). Treibt man die Depolarisation über ein "Schwellenpotential" hinaus, reagieren erregbare Zellen darauf mit einer plötzlichen Ent- und Umladung - bedingt durch den Einstrom von Natriumionen (evt. auch anderen Kationen). Dieses Phänomen dauert nur kurz - Millisekunden (Nervenzellen) bis Sekundenbruchteile (Herzmuskelzellen) und wird als Aktionspotential bezeichnet. Das Aktionspotential wird über die Zelle weitergeleitet und dient der Übertragung von Information (z.B. ein Bild auf der Netzhaut). Die Informationsübertragung erfolgt kodiert (zeitliches und räumliches Muster von Aktionspotentialfrequenzen an involvierten Zellen).

© H. Hinghofer-Szalkay