6.1: Was ist die zelluläre Signalübertragung?

Trotz der schützenden Membran, die eine Zelle von der Umgebung trennt, müssen Zellen gleichzeitig die Fähigkeit besitzen, Umweltveränderungen zu erkennen und darauf zu reagieren. Zudem müssen Zellen oft miteinander kommunizieren. Ein- und mehrzellige Organismen verwenden eine Vielzahl von zellulären Signalübertragungen, um zu kommunizieren und auf die Umwelt zu reagieren.

Zellen reagieren auf viele Arten von Informationen, oft durch Rezeptorproteine, die in der Membran liegen. Zum Beispiel reagieren Hautzellen auf Berührungsinformationen und übermitteln diese, während Photorezeptoren der Netzhaut Licht erkennen können. Die meisten Zellen haben sich jedoch so entwickelt, dass sie auf chemische Signale, einschließlich Hormone, Neurotransmitter und viele andere Arten von Signalmolekülen, reagieren. Zellen können sogar verschiedene Reaktionen koordinieren, die durch dasselbe Signalmolekül hervorgerufen werden.

Die zelluläre Signalübertragung umfasst typischerweise drei Schritte: (1) Empfang des Signals, (2) Signaltransduktion und (3) eine Antwort. Bei den meisten Fällen des Signalempfangs bewirkt ein membranundurchlässiges Molekül oder ein Ligand eine Veränderung eines Membranrezeptors. Manche Signalmoleküle, wie z.B. Hormone, können jedoch die Membran durchqueren, um ihre internen Rezeptoren zu erreichen. Der Membranrezeptor kann dieses Signal dann an intrazelluläre Botenstoffe senden, welche die Botschaft in eine zelluläre Antwort umwandeln. Diese intrazelluläre Antwort kann eine Änderung der Transkription, Translation, Proteinaktivierung oder viele andere Elemente umfassen.

Einzelllige Organismen wie Bakterien können eine Art von Zellsignalen verwenden, die man Quorum Sensing nennt, um ihre Menge in einer Kolonie zu erkennen und eine koordinierte Reaktionen zu erzeugen. Eukaryotische Zellen können Liganden abgeben, die auf die gleiche Zelle, die das Signal produziert hat (autokrine Signalübertragung) oder auf benachbarte Zellen (parakrine Signalübertragung) wirken. Auch über weite Entfernungen können Signale gesendet werden, wie im Fall einiger Hormone, und somit Reaktionen in entfernten Zellen erzeugen. Man bezeichnet dies als endokrine Signalübertragung. Die kontaktabhängige Signalübertragung beschreibt physikalische Wege zwischen benachbarten Zellen, durch die zytoplasmische Signale schnell weitergeleitet werden können. Zellen des Nervensystems können schnelle Reaktionen durch eine Spezialisierung der zellulären Signalübertragung, die synaptische Signalübertragung, hervorrufen.

Zellen nutzen verschiedene Signalisierungsmechanismen, um spezifische Aktionen innerhalb und zwischen Zellen zu koordinieren. Interzelluläre Signalisierung bezieht sich auf die Kommunikation zwischen Zellen. Hier sezerniert eine Zelle ein erstes Signalmolekül, einen Liganden, um Reaktionen in den Zielzellen auszulösen.

Nach Ligandenbindung folgt die Intrazellulärsignalisierung, also wie ein Signal im Zellinneren verarbeitet wird. In einigen Bakteriengemeinschaften tritt eine Art interzelluläre Signalisierung auf, die Quorum Sensing genannt wird, bei der die Zellen einer Gemeinschaft gemeinsam reagieren, sobald die Konzentration eines Signalliganden eine kritische Schwelle erreicht hat. Bei Eukaryoten zielt der Ligand manchmal auf die Zelle, die ihn freigab, die so genannte autokrine Signalisierung.

Wenn der Ligand benachbarte Zellen angreift, spricht man von einer parakrinen Signalisierung. Zwischen zwei sich berührenden Zellen gibt es eine weitere Kommunikationsart, die kontaktabhängige Signalisierung. Das Signal geht direkt von einer Zelle zur anderen über Lückenübergänge in Tierzellen oder in Pflanzenzellen, die durch Plasmodesmaten verbunden sind.

Multizelluläre Organismen benötigen oft Zellen in einem Körperteil, um mit Zellen in einem anderen Körperteil zu kommunizieren. Dazu setzen sie Liganden in den Blutkreislauf frei, ein als endokrine Signalisierung bezeichneter Prozess. Im Nervensystem nutzen Neuronen eine bestimmte Signalform, die sich auf spezielle Strukturen stützt, die sogenannten Synapsen.

Hier treten die Zellen nicht in Kontakt, sondern setzen Neurotransmitter und andere Moleküle frei, um mit unseren Zielzellen zu kommunizieren. Innerhalb der Zelle wird das ursprüngliche Signal oft umgewandelt, wenn die Aktivierung von Rezeptoren eine Ereigniskette auslöst, also eine Signalkaskade. Die Signalisierung beinhaltet daher oft die Signalerkennung, Zwischenschritte, die das Signal umsetzen, und ein endgültiges Ziel, das eine Antwort von einer Zelle hervorruft, wie z. B. die Regulierung der Genexpression.