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Kurs: Biologie Bibliothek > Lerneinheit 14
Lektion 1: Wie Zellen sich gegenseitig Zeichen gebenAntwort auf ein Signal
Die vielen verschiedenen Möglichkeiten, wie Zellen ihr Verhalten als Reaktion auf ein Signal ändern können.
Übersicht: Zelluläre Antwort
Signalwege in Zellen können sehr unterschiedlich sein. Signale (auch Liganden genannt) und Rezeptoren gibt es in vielen Varianten und das Binden kann eine breite Palette an Signalübertragungskaskaden innerhalb der Zelle auslösen, von kurz und einfach bis zu lang und komplex.
Trotz dieser Unterschiede haben die Signalwege ein gemeinsames Ziel: die Erzeugung einer zellulären Antwort. Das heißt, ein Signal wird von der sendenden Zelle abgegeben, um die empfangende Zelle auf eine bestimmte Weise zu verändern.
In einigen Fällen können wir eine zelluläre Antwort sowohl auf molekularer als auch auf makroskopischer (in großem Maßstab oder sichtbar) Ebene beschreiben.
- Auf molekularer Ebene können wir Veränderungen wie eine Zunahme der Transkription bestimmter Gene oder der Aktivität bestimmter Enzyme beobachten.
- Auf makroskopischer Ebene können wir Veränderungen im nach außen gerichteten Verhalten oder Erscheinungsbild der Zelle feststellen, wie z. B. Zellwachstum oder Zelltod, die durch die molekularen Veränderungen verursacht werden.
In diesem Artikel werden wir Beispiele für zelluläre Antworten auf Signale betrachten, die sowohl auf der mikroskopischen als auch auf der makroskopischen Ebene auftreten.
Genexpression
Viele Signalwege verursachen eine zelluläre Antwort, die sich in einer Veränderung der Genexpression äußert. Die Genexpression ist der Vorgang, bei dem die Information eines Gens von der Zelle verwendet wird, um ein funktionsfähiges Produkt, typischerweise ein Protein, herzustellen. Sie setzt sich aus zwei Hauptschritten, der Transkription und Translation, zusammen
- Bei der Transkription entsteht ein RNA-Transkript (Kopie) der DNA-Sequenz eines Gens.
- Bei der Translation werden die Informationen der RNA ausgelesen und zur Herstellung eines Proteins verwendet.
Signalwege können auf einen oder beide Schritte abzielen, um die Menge eines bestimmten in einer Zelle produzierten Proteins zu verändern.
Beispiel: Wachstumsfaktorsignalweg
Wir können den Wachstumsfaktor-Signalweg aus dem Artikel Signalweiterleitung als ein Beispiel nehmen, wie Signalwege Transkription und Translation verändern können.
Dieser Wachstumsfaktor-Signalweg hat viele Ziele, die er durch eine Signalkaskade aktiviert, die eine Phosphorylierung (Addition von Phosphatgruppen an Moleküle) beinhaltet. Einige der Ziele des Weges sind Transkriptionsfaktoren, Proteine, die die Transkription bestimmter Gene erhöhen oder vermindern. Im Falle der Wachstumsfaktorsignalübertragung können diese Gene das Zellwachstum und die Zellteilung auslösen.
Der Wachstumsfaktor-Signalweg beeinflusst auch die Genexpression auf der Ebene der Translation. Zum Beispiel ist eines seiner Ziele ein Translationsregulator namens MNK1. Aktives MNK1 erhöht die Geschwindigkeit der mRNA-Translation, insbesondere für bestimmte mRNAs, die sich selbst zurückfalten, um Haarnadelstrukturen zu bilden (die normalerweise die Translation blockieren würden). Viele wichtige Gene, die die Zellteilung und das Überleben regulieren, besitzen mRNAs, die Haarnadelstrukturen bilden, und MNK1 ermöglicht es, dass diese Gene in hohen Mengen exprimiert werden, was das Wachstum und die Teilung fördert.
Bemerkenswerterweise ist weder c-Myc noch MNK1 ein "letzter Sender" auf dem Wachstumsfaktor-Signalweg. Stattdessen fördern oder unterdrücken diese regulatorischen Faktoren, und andere ähnliche, die Produktion anderer Proteine (die orangefarbenen Kleckse in der obigen Abbildung), die direkter an der Durchführung von Zellwachstum und -teilung beteiligt sind.
Zellstoffwechsel
Einige Signalwege erzeugen eine Stoffwechselreaktion, bei der Stoffwechselenzyme in der Zelle aktiver oder weniger aktiv werden. Wir können sehen, wie dies funktioniert, indem wir die Adrenalin-Signalübertragung in Muskelzellen betrachten. Adrenalin, auch Epinephrin genannt, ist ein Hormon (produziert von den Nebennieren), das den Körper für kurzzeitige Notfälle vorbereitet. Wenn du vor einem Test oder einem Wettkampf nervös bist, pumpen deine Nebennieren wahrscheinlich Adrenalin in deinen Körper.
Wenn Adrenalin an seinen Rezeptor auf einer Muskelzelle (eine Art von G-Protein-gekoppelter Rezeptor) bindet, löst das eine Signaltransduktionskaskade aus, zu der die Produktion eines Second Messengers, dem zyklischen AMP (cAMP), gehört. Diese Kaskade führt zur Phosphorylierung von zwei Stoffwechelenzymen, das heißt zum Hinzufügen einer Phosphatgruppe, was zu einer Veränderung des Verhaltens der Enzyme führt.
Das erste Enzym ist die Glykogenphosphorylase (GP). Die Aufgabe dieses Enzyms ist es, Glykogen in Glukose aufzuspalten. Glykogen ist eine Speicherform von Glukose, und wenn Energie benötigt wird, muss Glykogen abgebaut werden. Die Phosphorylierung aktiviert die Glykogenphosphorylase, wodurch viel Glukose freigesetzt wird.
Das zweite Enzym, das phosphoryliert wird, ist Glykogensynthase (GS). Dieses Enzym ist am Aufbau von Glykogen beteiligt, und die Phosphorylierung hemmt seine Aktivität. Dies stellt sicher, dass keine neuen Glykogenmoleküle aufgebaut werden, wenn aktuelle Bedarf für die Aufspaltung von Glykogen besteht.
Durch die Regulation dieser Enzyme erhält die Muskelzelle schnell einen großen Vorrat an Glukosemolekülen. Die Glukose steht der Muskelzelle als Reaktion auf einen plötzlichen Adrenalinschub zur Verfügung - die "Kampf- oder Flucht"-Reaktion.
Gesamtbild der Auswirkungen der Zellsignalübertragung
Die Arten von Antworten, die wir oben besprochen haben, sind Ereignisse auf molekularer Ebene. Ein Signalweg löst jedoch typischerweise ein molekulares Ereignis (oder eine ganze Reihe von molekularen Ereignissen) aus, um ein größeres Ergebnis zu erzielen.
Zum Beispiel löst die Wachstumsfaktor-Signalüberrtragung eine Vielzahl von molekularen Veränderungen aus, einschließlich der Aktivierung des c-Myc-Transkriptionsfaktors und des MNK1-Translationsregulators, um die größere Reaktion der Zellproliferation (Wachstum und Teilung) zu fördern. In ähnlicher Weise löst Adrenalin die Aktivierung der Glykogenphosphorylase und den Abbau von Glykogen aus, um eine Muskelzelle mit Brennstoff für eine schnelle Reaktion zu versorgen.
Andere wichtige weitumfassende Ergebnisse der Zellsignalübertragung umfassen Zellmigration, Veränderungen der Zellidentität und Einleitung der Apoptose (programmierter Zelltod).
Beispiel: Apoptose
Wenn eine Zelle beschädigt, unnötig oder potenziell gefährlich für einen Organismus ist, kann sie dem programmierten Zelltod, der Apoptose, unterzogen werden. Die Apoptose erlaubt es einer Zelle, in kontrollierter Weise zu sterben, was die Freisetzung potenziell schädlicher Moleküle aus der Zelle verhindert.
Interne Signale (wie jene, die durch beschädigte DNA ausgelöst werden) können zur Apoptose führen, aber auch Signale von außerhalb der Zelle. Zum Beispiel besitzen die meisten tierischen Zellen Rezeptoren, die mit der extrazellulären Matrix, einem unterstützenden Netzwerk aus Proteinen und Kohlenhydraten, interagieren. Entfernt sich die Zelle von der extrazellulären Matrix, stoppt die Signalübertragung durch diese Rezeptoren und die Apoptose der Zelle wird eingeleitet. Dieses System hält Zellen davon ab, sich durch den Körper zu bewegen und unkontrolliert zu wuchern, (und wird in Krebszellen, die metastasieren oder sich an neuen Stellen ausbreiten, unterbrochen).
Die Apoptose ist auch für die normale embryonale Entwicklung entscheidend. Bei Wirbeltieren wird in den frühen Entwicklungsstadien zum Beispiel Gewebe zwischen den später entstehenden einzelnen Fingern und Zehen gebildet. Im Verlauf der normalen Entwicklung müssen diese nicht benötigten Zellen entfernt werden, damit vollständig getrennte Finger und Zehen entstehen können. Ein Zellsignalmechanismus löst eine Apoptose aus, die die Zellen zwischen den sich entwickelnden Fingern und Zehen zerstört.
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