Signaltransduktion

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 24. Februar 2017
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Die Signaltransduktion ist die Übermittelung von äußeren und inneren Reizen im Organismus. An dieser Signalübermittlung sind vor allem Rezeptor-Proteine, Botenstoffe und Enzyme beteiligt. Fehler in der Signaltransduktion liegen den meisten Krankheiten zu Grunde, so zum Beispiel Krebs und Autoimmunerkrankungen.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Signaltransduktion?

Mittels der physiologischen Signaltransduktion oder Signalübertragung reagieren Körperzellen auf äußerer und innerer Reize. Ein Signal wird bei diesem Prozess umgewandelt und dringt ins Innere einer Zelle vor, wo es durch eine Signalkette den zellulären Effekt auslöst. So können Signale von einem Körperkompartiment in ein anderes übertragen werden. Zellen sind so zur Kommunikation miteinander befähigt.

Die Signalübertragung findet entweder auf einer oder auf mehreren Ebenen statt. Wenn mehrere hintereinander geschaltete Ebenen an dem Prozess beteiligt sind, ist von einer Signalkaskade die Rede. Enzyme und sekundäre Botenstoffe sind an der Signaltransduktion beteiligt. Die Rede ist daher oft von einem enzymatisch vermittelten, biochemischen Prozess, bei dem biologische Informationen über Trägerstoffe weitergeleitet werden.

Die Signale verschiedener Quellen werden im Zytoplasma oder Zellkern aufeinander abgestimmt. Die verschiedenen Signalwege eines Zelltypen bilden zusammen das sogenannte Signalnetzwerk.

Sowohl Immunreaktionen und Muskelkontraktionen, als auch visuelle und olfaktorische Wahrnehmungen sind auf die Signaltransduktion angewiesen.

Funktion & Aufgabe

An der Zellmembran und im inneren einer Körperzelle befinden sich Proteine. Diese Proteine dienen als Rezeptoren. Signalmoleküle schließen sich an der Oberfläche an Rezeptorproteine. So nehmen die Rezeptoren Signale von außerhalb oder innerhalb auf und leiten sie zur Verarbeitung ins Zellinnere.

Zu den bekanntesten Signalmolekülen zählen zum Beispiel Neurotransmitter und Hormone. Im menschlichen Körper gibt es viele verschiedene Rezeptoren. Cystolische Rezeptoren liegen zum Beispiel im viskösen Anteil des Zytoplasma. Zu dieser Art der Rezeptoren zählen vor allem die Steroidrezeptoren. Von diesen Rezeptoren zu unterscheiden sind die membranständigen Rezeptoren. Sie verfügen über eine intra- und eine extrazelluläre Ebene. Damit sind sie zur Signalmolekülbindung außerhalb der Zelle in der Lage. Um das Signal ins Innere dringen zu lassen, verändern sie ihre räumliche Struktur.

Das Signal selbst dringt nicht in die Zelle ein. Stattdessen erreicht die Signalinformation das Zellinnere über biochemische Prozesse der Proteine. Diese biochemischen Prozesse werden über hydrophile Substanzen wie Neurotransmitter gesteuert.

Mittels der physiologischen Signaltransduktion oder Signalübertragung reagieren Körperzellen auf äußerer und innerer Reize.

Membranständige Rezeptoren sind entweder Ionenkanäle, G-Protein-gekoppelte Rezeptoren oder Enzym-gekoppelte Signalwege. Ionenkanäle sind transmembrane Proteine. Sie werden über ein Signal entweder aktiviert oder deaktiviert. Die Durchlässigkeit der Membran vergrößert oder verkleinert sich damit für bestimmte Ionen. Vor allem für Nervensignale sind Ionenkanäle relevant.

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren regen ein G-Protein dazu an, gebundenes GDP mit der chemischen Verbindung GTP zu ersetzen. Damit zerfällt das G-Protein in die Einheiten α und βγ, die beide das Signal weiterleiten. Die G-Protein-gekoppelten-Rezeptoren sind an Prozessen wie dem Sehen oder dem Riechen beteiligt.

Enzym-gekoppelte Signalwege bestehen aus sechs Unterklassen. Alle davon entsprechen Transmembranproteinen. Prozesse wie die kinasenvermittelte Phosphorylierung und die phosphatasenvermittelte Dephosphorylierung spielen im Bezug auf diese Signalwege eine Rolle.

Unabhängig vom Signalweg ist die Übermittlung von inneren und äußeren Signalen an Effektorproteine im Zellinneren das eigentliche Ziel der Signaltransduktion. Diese Weiterleitung erfolgt über gezielte Interaktionen zwischen mehreren Proteinen. Die Aktivierung von Signalproteinen und intrazellulären Signalproteinen spielt bei diesem Prozess eine Hauptrolle. Manche Signale werden verstärkt, indem zeitgleich mehrere Effektorproteine aktiviert werden.

Für die Vernetzung von Signaltransduktionswegen und die Integration verschiedener Signale sind vor allem Second Messenger relevant. Dabei handelt es sich um Schnittstellen verschiedener Wege, die zellspezifische Reaktionen auslösen können.

Die Signaltransduktion befähigt einen einzelligen Organismus zur Anpassung an seine Umwelt, so zum Beispiel durch Sotffwechselregulierungen oder Genexpression. Damit ermöglicht der Prozess erst das Überleben der Einzeller. Bei Mehrzellern ermöglicht die Signaltransduktion die Aufnahme und Verarbeitung innerer und äußerer Reize. Auch für ihr Überleben ist die Signaltransduktion also unersetzlich. Zellwachstum, Zellteilung und Zelltod werden zum Beispiel über die beschriebenen Prozesse beeinflusst.

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Krankheiten & Beschwerden

Wenn Signalwege gestört sind, kann diese Störung verschiedene Krankheiten zur Folge haben. Krebserkrankungen, Diabetes, Nierenerkrankungen und Autoimmunerkrankungen hängen erwiesenermaßen mit Fehlern in der Signalweiterleitung zusammen.

Ein Signalmolekül bindet sich in der Regel an einen der beschriebenen Rezeptoren auf der Oberfläche einer Zelle und kann in einer komplexen Antwort Zellteilungen auslösen. Bei Krebs entsteht durch Mutationen in codierenden Genen für Signalstoffe, Rezeptoren oder Enzyme eine erhöhte oder fehlgeleitete Signalwegsaktivität. Das hat eine Erhöhung der Zellteilungs-Stimulation zur Folge. In diesem Zusammenhang spielen vor allem die an der Transduktion beteiligten Enzyme eine Hauptrolle. Sie weisen bei Krebserkrankungen oft erhöhte Aktivität auf. Die Pharmakologie will diese Enzyme daher zukünftig selektiv hemmen und so ein Krebsmittel entwickeln.

Auch abgesehen von Mitteln gegen Krebs beschäftigt sich die medizinische Forschung aktuell (Stand 2015) intensiv mit der Entwicklung von Heilmitteln auf Basis von Prozessen der Signaltransduktion. Sogar Cholera, Keuchhusten und verbreitete Volksleiden wie Bluthochdruck stehen mit Fehlern in der Signaltransduktion in Zusammenhang, die vermutlich von bestimmten äußeren Reizen begünstigt werden.

Auch die heute verfügbaren Medikamente gegen verschiedene Erkrankungen greifen bereits gezielt in die Signaltransduktion ein. Zukünftig wird sich dieser Eingriff vermutlich noch gezielter und zielführender vornehmen lassen.

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