Signale und Signalwege in Zellen

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1 Signale und Signalwege in Zellen

2 Zellen müssen Signale empfangen, auf sie reagieren und Signale zu anderen Zellen senden können Signalübertragungsprozesse sind biochemische (und z.t. elektrische) Prozesse Beispiele: Ermüdung + Coffein munter starker Lichtreiz Schließen der Augen Glukosekonzentration im Blut steigt Translation von glukoseabbauenden Enzymen Wie erklärt sich solch eine Wirkungskette molekularbiologisch? Die Zellulare Signalverarbeitung besteht aus drei Teilschritten - Aufnahme (Signalregistrierung an der Zellmembran) - Übertragung (Chemische Aktivierung von Transkriptionsfaktoren) - Antwort (Transkription bestimmter Gene und Translation entsprechender Proteine)

3 Wiederholung: Die Initiation ist ein Schlüsselprozeß zur Einleitung der Transkription eines bestimmten Gens. Dazu sind notwendig: Ein Promotor auf der DNA (TATA-Box) Spezifische Signalsequenzen auf der DNA Transkriptionsfaktoren Initiationskomplex RNA-Polymerase II

4 Weitere Prozesse der Genregulation Die Genregulation gewährleistet, daß zum richtigen Zeitpunkt im richtigen Gewebe in den richtigen Zellen nur die jeweils notwendigen Gene aktiviert werden. - Gen-Deaktivierung durch Chromatin-Umstrukturierung - Regulation nach der Transkription Spleißen der prä-mrna - Editieren von mrna - Regulation der mrna-translation - Prä-translatorische Regulation der Haltbarkeit synthetisierter Proteine Die Regulation der Genexpression ist ein äußerst komplexer und genau determinierter biochemischer Vorgang. Er stellt sicher, daß zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur die Proteine synthetisiert werden, welche die Eigenschaften (Phänotyp) der Zelle bestimmen und die zu dem Zeitpunkt gerade funktionell benötigt werden (z.b. Herstellung von Histon-Proteinen in der Phase vor der Zellteilung).

5 Was sind Signale und wie werden sie in der Zelle detektiert? In der Zellbiologie betrachtet man in erster Linie chemische Signale. Sie können von Zellen erkannt werden und Reaktionen (Transkriptionen bestimmter Gene) in der Zelle auslösen. Chemisches Signal: bestimmtes Proteinmolekül ( Signalmolekül ) Rezeptor extrazellularen Umgebung Lokale Signale - autokrine Signale - parakrine Signale

6 Signale über größere Distanzen - endokrine Signale Chemische Signale erreichen eine Zelle durch lokale Diffusion oder (endokrin) durch Zirkulatiuon des Blutes Signalmoleküle müssen von der Zelle erkannt werden Rezeptor und in der Zelle determinierte Wirkungketten (z.b. Translation bestimmter Proteine) hervorrufen Signalübertragungsweg SIGNAL REZEPTOR SIGNALTRANSDUKTION REAKTION

7 Einige wichtige Begriffe: Signalmoleküle: Spezielle Moleküle, deren Detektion durch Rezeptoren (meist über eine Kaskade weiterer Prozesse) zu bestimmten Reaktionen in einer Zelle führt (z.b. Insulin, Adrenalin...) Rezeptor: Spezielles, meist in die Zellmembran eingebautes Protein oder Proteinkomplex, an das ein spezifisches Signalmolekül andocken kann, wodurch sich die Konformation des Rezeptors ändert. Es gibt auch intrazellulare Rezeptoren, die nach Aktivierung z.b. als Transkriptionsfaktoren für bestimmte Gene wirken können. Ligand: (oft ein Hormon) Paßform an einem Rezeptor, in das nur ein dafür passendes Signalmolekül andocken kann. Ionenkanäle: Bereiche in der Zellmembran, die geladene Teilchen (z.b. Na+ oder Ca 2+ Ionen) in die Zelle diffundieren lassen (geöffneter Ionenkanal) oder das Eindiffundieren verhindern (geschlossener Ionenkanal) Nervenzellen Sekundärer Botenstoff: Intrazellulare Substanz, deren Konzentration durch Primärsignale verändert wird.

8 Die 6 Phasen der Signalübertragung in Zellen 1. Synthese von Signalmolekülen (niedermolekulare Verbindungen, Aminosäurederivate, Peptide, Proteine) 2. Freisetzung des Signalmoleküls durch die Ausgangs- oder Signalzelle (Vesikelentleerung) 3. Transport zur Zielzelle (autokrin, parakrin und endokrin) 4. Erkennung sowie Bindung des Signalmoleküls durch ein spezifisches Rezeptorprotein 5. Veränderung von Stoffwechsel, Aktivität oder Entwicklung der Zelle durch den Komplex aus Signalmolekül und Rezeptor Konzentrationsänderung von Molekülen und Ionen im Cytoplasma Transkription und Translation spezifischer Gene 6. Entfernen des Signals Beendigung der Reaktion der Zelle auf diese Signal Einige spezifisch wirkende Signalmoleküle werden als Hormone bezeichnet.

9 Beispielhafter Signalübertragungsweg (Escherichia coli) Ein Rezeptor verändert seine Konformation, nachdem ein Signalmolekül angedockt ist Die Konformationsänderung des Rezeptors erzeugt eine Proteinkinaseaktivität Die Phosphorylierung verändert die Funktion eines Effektorproteins Signalverstärkung Ein Transkriptionsfaktor wird aktiviert Die Synthese eines entsprechenden Proteins wird angeschaltet Die Aktivität dieses Proteins verändert die Zellaktivität

10 Rezeptoren Rezeptoren können in der Plasmamembran oder im Inneren einer Zelle liegen Spezielle, aber äußerst wichtige Rezeptoren sind Ionenkanäle (Regulation Na+ -Fluß)

11 Beispiel: Öffnung von Membranporen nach Stimulus

12 Signalübertragung (Signaltransduktion) Ein bestimmtes Signalmolekül kann in unterschiedlichen Geweben unterschiedliche Reaktionen auslösen Beispiel: Adrenalin: Herzmuskelzelle stimuliert Herzmuskelkontraktionen Muskeln Verdauungstrakt hemmt Muskelkontraktionen - direkte Signaltransduktion (direkte Rezeptorfunktion) - indirekte Signaltransduktion (erfordert einen sekundären Messenger ) Kaskade biochemischer Reaktionen mit Verstärkungswirkung Ein Eingangssignal kann Mehrfachreaktionen auslösen - Proteinkinasenkaskaden können die Zellreaktion variieren (Bsp. Adrenalin)

13 Beispiel: Wirkungsweise von Insulin Kontrolle des Blutzuckerspiegels führt zu Bedingungen, die einen Glukosetransport durch die Zellmembran ermöglichen

14 Was bewirken zellulare Signale? Die Signalübertragung ist auf zellularer Ebene hochgradig reguliert. Für diese Regulierung sind eine Vielzahl von speziellen Enzymen verantwortlich. z.b. Proteinphosphatasen / GTPasen Signaleffekte: Öffnung von Ionenkanälen (Nervensystem, Geruchsrezeptoren) Veränderung von Enzymaktivitäten (Hemmung / Aktivierung) Transkribierung und anschließende Translation verschiedener Gene

15 Zusammenfassendes Beispiel für eine Signaltransduktion zur Auslösung einer Exocytose dient der Verstärkung des Eingangssignals

16 Nächstes Mal: Energie und Energiestoffwechsel von Zellen ATP

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