21.3: Zelloberflächen-Signalübertragung

Hormone bzw. Liganden, die an einen Rezeptor binden und fettunlöslich (wasserlöslich) sind, können nicht durch die Zellmembran diffundieren. Um auf eine Zelle zu wirken können, ohne in sie einzutreten, binden diese Hormone an Rezeptoren in der Zellmembran. Wenn der erste Botenstoff, ein Hormon, an einen Rezeptor bindet, beginnt eine Signalkaskade die dazu führt, dass sekundäre Botenstoffe aktiviert werden. Das sind Proteine im Inneren der Zelle, die zu Downstream-Effekten führen.

Die Vielfalt der Rezeptor-Familien

Rezeptoren der Zellmembran bestehen aus drei Teilen: einer externen Bindungsdomäne für den Liganden, einer Transmembrandomäne und einer internen Domäne. Es gibt drei Kategorien von Membranrezeptoren, die auf der Uniformität in der Struktur und Funktion dieser Domänen innerhalb jeder Kategorie basieren.

Eine Kategorie umfasst die Liganden regulierte Ionenkanäle. Wenn diese an einen Liganden binden ändern sie ihre Form, wodurch Ionen durch den vom Transmembranteil des Rezeptors gebildeten Kanal fließen.

Die zweite Kategorie umfasst G-Protein gekoppelte Rezeptoren, die eine spezifische Struktur mit sieben Transmembrandomänen besitzen. Die Bindung der externen Domäne an einen Liganden bewirkt, dass die Alpha-Untereinheit, eine von drei Untereinheiten des internen Teils des Rezeptors, vom Rezeptor dissoziiert und eine zelluläre Antwort auslöst.

Die dritte Kategorie der Membranrezeptoren, die enzymgebundenen Rezeptoren bzw. katalytischen Rezeptoren haben eine intrazelluläre Domäne, die entweder mit einem Enzym verknüpft ist oder selbst ein Enzym ist. Wenn sich ein Ligand an die extrazelluläre Region bindet, wird das intrazelluläre Enzym aktiviert und stimuliert andere Proteine in der Zelle.

Wenn Rezeptoren krank werden

Membranrezeptoren sind für die Zellfunktionen grundlegend notwendig. Daher ist es nicht überraschend, dass viele Krankheiten nachweislich die direkte Folge von nicht korrekt funktionierenden Membranrezeptoren sind. Cholera entsteht zum Beispiel, wenn ein G-Protein gekoppelter Rezeptor in Zellen, die den Dünndarm auskleiden, deaktiviert wird.

Signalübertragung

Der Prozess der Umwandlung eines extrazellulären Stimulus in eine intrazelluläre Antwort wird Signaltransduktion oder Signalübertragung genannt. Dies ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem ein Ligand an einen Rezeptor bindet, wodurch mehrere molekularen Interaktionen innerhalb der Zelle ausgelöst werden. Diese Interaktionen können sehr kompliziert werden, da jeder Schritt von mehreren anderen Reaktionen abhängig ist. Es handelt sich dabei um eine Form der Überprüfung, um sicherzustellen, dass die richtigen zellulären Aktivitäten stattfinden. Dies verstärkt auch oft die Reaktion.

Einige Hormone, die fettlöslich sind, wie z. B. Oxytocin, können sich nicht durch die Zellmembran diffundieren.

Stattdessen müssen sie sich an Rezeptoren an der Zellenoberfläche binden. Danach aktivieren die Hormone mit dem ersten Botenstoff eine Kaskade von Signalen. Beispielsweise, wenn ein protein-gekoppelter Rezeptor (oder GPCR) durch einen ersten Botenstoff auf der Außenseite der Zellenmembran gekoppelt ist, im Inneren hydrolysiert ein Enzym wie die Phospholipase C das Membran-Phospholipid PIP2 zu IP3 und DAG, zwei verschiedenen zweiten Botenstoffen.

Einmal gebildet, bewegt sich IP3 von der Zellmembran zur Endoplasmamembran, wo es sich an einen IP3-geschützten Kalziumkanal bindet, der Kalziumionen freisetzt, einen dritten zweiten Botenstoff, in den in das Zytoplasma und induziert Veränderungen wie z. B. Muskelkontraktion. Somit kann ein Hormon eine Zelle Auf diese Weise kann ein Hormon eine Zelle beeinflussen, die nicht in die Aktivierung einer Reihe von Zellprozessen eintritt, je nach vorhandenen Liganden und Rezeptoren.