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21.4: Zelloberflächen-Signalisierung
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Cell-surface Signaling
 
PROTOKOLLE

21.4: Cell-surface Signaling

21.4: Zelloberflächen-Signalisierung

Hormones—or any molecule that binds to a receptor, known as a ligand—that are lipid-insoluble (water-soluble) are not able to diffuse across the cell membrane. In order to be able to affect a cell without entering it, these hormones bind to receptors on the cell membrane. When a first messenger, a hormone, binds to a receptor, a signal cascade is set off, causing second messengers, proteins inside the cell, to become activated, resulting in downstream effects.

Variety of Receptor Families

Cell membrane receptors have three portions: an external ligand-binding domain, a transmembrane domain, and an internal domain. There are three categories of cell membrane receptors based on the consistency of the structure and function of these domains within each category.

One category is ligand-gated ion channels which, when bound to a ligand, undergo a conformational change, allowing ions through a channel formed by the transmembrane portion of the receptor.

A second category is G-proteins-coupled receptors which have a distinct structure with seven transmembrane domains. Binding of the external domain to a ligand causes the alpha subunit, one of three subunits attached to the internal portion of the receptor, to disassociate from the receptor and create a cellular response.

The third category of receptors, the enzyme-linked receptor—also called catalytic receptors—have an intracellular domain that is either associated with an enzyme or is an enzyme itself. When a ligand binds to the extracellular region, the intracellular enzyme becomes active, activating other proteins within the cell.

When Receptors Go Bad

Cell membrane receptors are fundamental to cell function. Therefore, it is not surprising that many illnesses have been shown to be direct results of improperly functioning cell membrane receptors. For example, cholera develops when a G-protein-coupled receptor is disabled in the cells lining the small intestine.

Signal Transduction

The process of conversion of an extracellular stimulus to an intracellular response is known as signal transduction. This is a multi-step process involving a ligand binding to a receptor resulting in several molecular interactions within the cell. These interactions can get complicated because each step is dependent on multiple other reactions. This is a form of verification to make sure that proper cellular activities occur. This also often amplifies the response.

Hormone bzw. Liganden, die sich an einen Rezeptor binden und lipidunlöslich (wasserlöslich) sind, sind nicht in der Lage, durch die Zellmembran zu diffundieren. Um eine Zelle beeinflussen zu können, ohne in sie einzudringen, binden sich diese Hormone an Rezeptoren auf der Zellmembran. Wenn ein erster Botenstoff, ein Hormon, sich an einen Rezeptor bindet, wird eine Signalkaskade in Gang gesetzt. Diese führt dann dazu, dass sekundäre Botenstoffe aktiviert werden. Das sind die Proteine im Inneren der Zelle, die zu Downstream-Effekten führen.

Die Vielfalt der Rezeptor-Familien

Zellmembranrezeptoren bestehen aus drei Teilen: einer externen Ligandenbindungsdomäne, einer Transmembrandomäne und einer internen Domäne. Es gibt drei Kategorien von Zellmembranrezeptoren, die auf der Konsistenz der Struktur und Funktion dieser Domänen innerhalb jeder Kategorie basieren.

Bei der ersten Kategorie handelt es sich um ligandengebundene Ionenkanäle. Wenn diese an einen Liganden gebunden sind ändern sie ihre Form. So können die Ionen durch einen vom Transmembranteil des Rezeptors gebildeten Kanal gelangen.

Die zweite Kategorie sind an G-Proteine gekoppelte Rezeptoren, die eine ausgeprägte Struktur mit sieben Transmembrandomänen aufweisen. Die Bindung der externen Domäne an einen Liganden bewirkt, dass die Alpha-Untereinheit, eine von drei Untereinheiten, die an den internen Teil des Rezeptors gebunden ist, vom Rezeptor dissoziiert und eine zelluläre Antwort auslöst.

Die dritte Kategorie von Rezeptoren, die enzymgebundenen Rezeptoren bzw. katalytische 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 aktiv und regt andere Proteine innerhalb der Zelle an.

Wenn Rezeptoren krank werden

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

Signalübertragung

Der Prozess der Umwandlung eines extrazellulären Stimulus in eine intrazelluläre Antwort wird Signaltransduktion genannt. Dies ist ein mehrstufiger Prozess, bei dem ein Ligand sich an einen Rezeptor bindet. Das führt zu mehreren molekularen Interaktionen innerhalb der Zelle. 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 oft auch die Reaktion.


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