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Einführung in die Signalübertragung bei Zellen

Erfahre, wie Zellen miteinander kommunizieren, indem sie verschiedene Arten von Kurz- und Langstrecken-Signalen in unserem Körper verwenden.

Einführung

Denkst du, deine Zellen sind nur einfache Bausteine, unbewusst und statisch wie Ziegelsteine ​​in einer Mauer? Wenn ja, dann denke nochmal nach! Zellen können erkennen, was um sie herum vorgeht, und sie können in Echtzeit auf Signale ihrer Nachbarn und ihrer Umgebung reagieren. In diesem Moment senden und empfangen deine Zellen Millionen von Nachrichten in Form von chemischen Signalmolekülen!
In diesem Artikel werden wir die grundlegenden Prinzipien untersuchen, wie Zellen miteinander kommunizieren. Wir werden uns zuerst ansehen, wie die Signalübertragung von Zelle zu Zelle funktioniert, und dann verschiedene Arten der Signalübertragung über kurze und lange Distanzen betrachten, die in unserem Körper stattfinden.

Überblick über die Signaltransduktion

Zellen kommunizieren typischerweise unter Verwendung chemischer Signale. Diese chemischen Signale, bei denen es sich um Proteine ​​oder andere Moleküle handelt, die von einer Senderzelle erzeugt werden, werden meist von der Zelle abgegeben und in den extrazellulären Raum freigesetzt. Dort können sie – wie eine Flaschenpost – zu benachbarten Zellen treiben.
Senderzelle: Diese Zelle sondert einen Liganden ab.
Zielzelle: Diese Zelle besitzt einen Rezeptor, der den Liganden binden kann. Der Ligand bindet an den Rezeptor und löst eine Signalkaskade innerhalb der Zelle aus, die zu einer Antwort führt.
Nicht-Zielzelle: Diese Zelle besitzt keinen Rezeptor für den Liganden (obwohl sie andere Arten von Rezeptoren haben kann). Die Zelle erkennt den Liganden nicht und reagiert daher nicht darauf.
Nicht alle Zellen können eine bestimmte chemische Nachricht "hören". Um ein Signal zu erkennen (das heißt eine Zielzelle zu sein), muss eine Nachbarzelle den richtigen Rezeptor (Empfänger) für dieses Signal haben. Wenn ein Signalmolekül an seinen Rezeptor bindet, verändert es die Form oder Aktivität des Rezeptors und löst eine Veränderung innerhalb der Zelle aus. Signalmoleküle werden oft als Liganden bezeichnet, ein allgemeiner Begriff für Moleküle, die spezifisch an andere Moleküle (wie Rezeptoren) binden.
Die Nachricht, die von einem Liganden übermittelt wird, wird oft durch eine Kette von chemischen Botenstoffen innerhalb der Zelle weitergeleitet. Letztlich führt sie zu einer Veränderung in der Zelle, wie der Veränderung der Aktivität eines Gens oder gar der Einleitung eines ganzen Prozesses, wie der Zellteilung. Somit wird das ursprüngliche interzelluläre (zwischen zwei Zellen) Signal in ein intrazelluläres (innerhalb der Zelle) Signal umgewandelt, das eine Reaktion auslöst.
Wie das funktioniert, erfährst du in den Artikeln Liganden und Rezeptoren, Signalweiterleitung und zelluläre Antworten.

Formen der Signalübertragung

Die Signalübertragung von Zelle zu Zelle umfasst die Übertragung eines Signals von einer sendenden Zelle zu einer empfangenden Zelle. Nicht alle Sende- und Empfangszellen sind jedoch direkte Nachbarn und nicht alle Zellenpaare tauschen Signale auf die gleiche Weise aus.
Es gibt vier grundlegende Arten chemischer Signalübertragung, die in mehrzelligen Organismen vorkommen: parakrine Signalübertragung, autokrine Signalübertragung, endokrine Signalübertragung und Signalübertragung durch direkten Kontakt. Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Arten der Signalübertragung ist die Entfernung, die das Signal durch den Organismus zurücklegt, um die Zielzelle zu erreichen.

Parakrine Signalübertragung

Oft kommunizieren Zellen, die nahe beieinander liegen, über die Freisetzung von chemischen Botenstoffen (Liganden, die durch den Raum zwischen den Zellen diffundieren können). Diese Art der Signalübertragung, bei der Zellen über relativ kurze Entfernungen kommunizieren, wird parakrine Signalübertragung genannt.
Die parakrine Signalübertragung ermöglicht es den Zellen, lokal Aktivitäten mit ihren Nachbarn zu koordinieren. Obwohl sie in vielen verschiedenen Geweben und Zusammenhängen verwendet werden, sind parakrine Signale besonders während der Entwicklung wichtig, wenn sie einer Gruppe von Zellen erlauben, einer benachbarten Gruppe von Zellen mitzuteilen, welche zelluläre Identität sie annehmen sollen.

Synaptische Signalübertragung

Ein einzigartiges Beispiel der parakrinen Signalübertragung ist die synaptische Signalübertragung, bei der Nervenzellen Signale übertragen. Dieser Prozess ist für nach der Synapse benannt, der Verbindung zwischen zwei Nervenzellen, an der die Signalübertragung abläuft.
Wenn das sendende Neuron abfeuert, bewegt sich ein elektrischer Impuls schnell durch die Zelle und wandert über eine lange, faserartige Verlängerung, ein sogenanntes Axon. Wenn der Impuls die Synapse erreicht, löst er die Freisetzung von Liganden aus, die Neurotransmitter genannt werden und schnell die kleine Lücke zwischen den Nervenzellen überqueren. Wenn die Neurotransmitter an der Empfängerzelle ankommen, binden sie sich an Rezeptoren und verursachen eine chemische Veränderung innerhalb der Zelle (oft öffnen sie Ionenkanäle und verändern das elektrische Potential über der Membran).
Synaptische Signalübertragung. Ein Neurotransmitter wird aus Vesikeln am Ende des Axons der Senderzelle freigesetzt. Er diffundiert über die kleine Lücke zwischen Sender- und Zielneuronen und bindet an Rezeptoren auf dem Zielneuron.
Abbildung verändert nach "Signaling molecules and cellular receptors: Figure 2," von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0).
Die Neurotransmitter, die in die chemische Synapse freigesetzt werden, werden schnell abgebaut oder von der Sendezelle wieder aufgenommen. Dadurch wird das System "zurückgesetzt", sodass die Synapse bereit ist, schnell auf das nächste Signal zu reagieren.
Parakrine Signalübertragung: Eine Zelle zielt auf eine benachbarte Zelle ab (eine Zelle, die nicht mit ihr durch Gap Junctions verbunden ist). Das Bild zeigt ein Signalmolekül, das von einer Zelle produziert wird und über eine kurze Distanz zu einer benachbarten Zelle diffundiert.
Autokrine Signalübertragung: Eine Zelle zielt auf sich selbst ab und gibt ein Signal frei, das an Rezeptoren auf ihrer eigenen Oberfläche binden kann.
Abbildung verändert nach "Signaling molecules and cellular receptors: Figure 1," von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0).

Autokrine Signalübertragung

Bei der autokrinen Signalübertragung sendet eine Zelle sich selbst ein Signal, indem sie einen Liganden freisetzt, der an Rezeptoren auf ihrer eigenen Oberfläche (oder abhängig von der Art des Signals an Rezeptoren innerhalb der Zelle) bindet. Dies mag sich seltsam anhören, aber die autokrine Signalübertragung spielt in vielen Prozessen eine wichtige Rolle.
Zum Beispiel ist die autokrine Signalgebung während der Entwicklung wichtig, um den Zellen zu helfen, ihre korrekte Identität zu übernehmen und zu verstärken. Aus medizinischer Sicht ist die autokrine Signalgebung bei Krebs wichtig, und es wird angenommen, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Metastasierung (der Ausbreitung von Krebs von seiner ursprünglichen Stelle in andere Körperteile) spieltstart superscript, 6, end superscript. In vielen Fällen kann ein Signal sowohl autokrine als auch parakrine Effekte haben und an die sendende Zelle sowie andere ähnliche Zellen in der Region binden.

Endokrine Signalübertragung

Wenn Zellen Signale über große Entfernungen übertragen müssen, verwenden sie oft den Blutkreislauf als Verteilungsnetz für die Nachrichten, die sie senden. Bei der endokrinen Signalübertragung über weite Entfernungen werden Signale von spezialisierten Zellen produziert und in den Blutkreislauf abgegeben, der sie zu den Zielzellen in entfernten Teilen des Körpers bringt. Signale, die in einem Teil des Körpers erzeugt werden und durch den Blutkreislauf wandern, um weit entfernte Ziele zu erreichen, werden Hormone genannt.
Beim Menschen gehören die Schilddrüse, der Hypothalamus und die Hypophyse sowie die Keimdrüsen (Hoden und Eierstöcke) und die Bauchspeicheldrüse zu den endokrinen Drüsen, die Hormone abgeben. Jede endokrine Drüse gibt eine oder mehrere Arten von Hormonen ab, von denen viele Hauptregulatoren für Entwicklung und Physiologie sind.
Die Hypophyse setzt beispielsweise das Wachstumshormon (engl. "growth hormone", GH) frei, das das Wachstum insbesondere des Skeletts und des Knorpels fördert. Wie die meisten Hormone beeinflusst GH viele verschiedene Arten von Zellen im ganzen Körper. Knorpelzellen sind jedoch ein Beispiel dafür, wie GH funktioniert: Es bindet an Rezeptoren auf der Oberfläche dieser Zellen und regt sie an, sich zu teilen.start superscript, 7, end superscript
Endokrine Signalübertragung: Eine Zelle wirkt über den Blutkreislauf auf eine entfernte Zelle. Ein Signalmolekül wird von einer Zelle freigesetzt und wandert dann durch den Blutkreislauf, um an Rezeptoren auf einer entfernten Zielzelle an anderer Stelle im Körper zu binden.
Abbildung verändert nach "Signaling molecules and cellular receptors: Figure 2," von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0).

Signalübertragung durch Zell-Zell-Kontakt

Gap Junctions bei Tieren und Plasmodesmen bei Pflanzen sind winzige Kanäle, die benachbarte Zellen direkt miteinander verbinden. Diese mit Wasser gefüllten Kanäle erlauben es kleinen Signalmolekülen, die interzelluläre Mediatoren genannt werden, zwischen den beiden Zellen zu diffundieren. Kleine Moleküle und Ionen können sich zwischen Zellen bewegen, aber große Moleküle wie Proteine ​​und DNA passen ohne besondere Hilfe nicht durch die Kanäle.
Die Übertragung von Signalmolekülen übermittelt den aktuellen Zustand einer Zelle an ihren Nachbarn. Dies ermöglicht einer Gruppe von Zellen, ihre Antwort auf ein Signal zu koordinieren, das vielleicht nur eine von ihnen empfangen hat. In Pflanzen gibt es zwischen fast allen Zellen Plasmodesmen, die die gesamte Pflanze in ein riesiges Netzwerk verwandeln.
Signalübertragung über Gap Junctions. Eine Zelle wirkt auf eine Nachbarzelle, die über Gap Junctions verbunden ist. Signale wandern von einer Zelle zur anderen, indem sie durch die Gap Junctions wandern.
Abbildung verändert nach "Signaling molecules and cellular receptors: Figure 1," von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0).
In einer anderen Form der direkten Signalübertragung können zwei Zellen aneinander binden, weil sie komplementäre Proteine ​​auf ihren Oberflächen tragen. Wenn die Proteine ​​aneinander binden, verändert diese Wechselwirkung die Form eines oder beider Proteine ​​und überträgt ein Signal. Diese Art der Signalübertragung ist besonders wichtig im Immunsystem, in dem Immunzellen Oberflächenmarker verwenden, um "körpereigene Zellen" und mit Erregern infizierte Zellen zu erkennen.start superscript, 9, end superscript
_Abbildung verändert nach "Adaptive immune response: Figure 7", von OpenStax College, Biology (CC BY 3,0)._