Signaltransduktion – Schneebälle und ein uralter Bote

Tief im Nebennierenmark wird Adrenalin gebildet. Wenige Augenblicke später greift eine Oberschenkelmuskelzelle ihre Nahrungsreserven an. Dazwischen liegen: ein langer Weg, ein Rezeptor und das Signaltransduktionssystem der Zelle.

Hormone sind die Fernsprecher der Zellen. Sie tragen Signale bis zu den äußersten Zellen des Körpers, und manchmal gar darüber hinweg. Doch was die Zellen aus diesem Signal machen, bestimmen sie selbst. Die Reaktionen können vielfältig sein: Proteine können gebildet oder abgebaut, Nährstoffe aufgenommen oder abgegeben, Enzyme an- oder ausgeschaltet werden. Und die Antwort kann schnell oder langsam, kurz- oder langfristrig, vorübergehend oder unumkehrbar sein.

Gemeinsam ist den Signalwegen innerhalb der Zelle, dass das hormonelle Signal an einen zweiten Boten weitergegeben und erheblich verstärkt wird. Ein gut untersuchtes Beispiel ist die Wirkung von Adrenalin auf Muskelzellen.

Das Signal des Hormons Adrenalin wird auf Cyclo-AMP als intrazellulären Botenstoff übergeben
Das Signal des Hormons Adrenalin wird auf Cyclo-AMP als intrazellulären Botenstoff übergeben

Zunächst bindet das Adrenalin an seinen passenden Rezeptor auf der Zelloberfläche. Nur Zellen, die auf dieses Hormon reagieren sollen, tragen auch die passenden Rezeptoren. Durch die Bindung des Adrenalins verändert sich die Struktur des Rezeptorteils auf der Zellinnenseite. Dort wird nun ein stimulierendes G-Protein auf den Weg geschickt, um das Membranprotein Adenylatcyclase zu aktivieren.

An dieser Stelle kommt ein uralter Botenstoff ins Spiel: Cyclo-AMP, ein verhältnismäßig kleines Molekül mit einer offenbar bewegten Vergangenheit. Jüngste Untersuchungen legen nahe, dass sich schon vor vielen Millionen Jahren Einzeller über Cyclo-AMP verständigten, um zumindest zeitweise den ersten mehrzelligen Organismus zu bilden. Innerhalb der Körperzellen dient das Cyclo-AMP als so genannter „second messenger“, auf Deutsch „zweiter Bote“: Es überträgt das Signal des ersten Boten, des Adrenalins.

Cyclo-AMP kann in verschiedenen Zellen sehr unterschiedliche Aufgaben haben – in jedem Fall stellt es jedoch den Haushalt der Zelle um. In der Muskelzelle bewirkt der Botenstoff letztlich, dass der Nährstoff Glukose aus dem Speicherstoff Glykogen gebildet wird. Die Zelle bereitet sich also auf Arbeit vor.

Bis dahin ist jedoch noch ein weiter Weg. Erst über eine lange Kaskade von Aktivierungen erreicht das Adrenalin-Signal das zuständige Abbau-Enzym. Jedes Mitglied dieser Signalkette kann mehrere nachfolgende Mitglieder aktivieren. Die Folge ist ein extremer Schneeball-Effekt: Ein einziges Adrenalin-Molekül führt auf diese Weise in kürzester Zeit zu Millionen aktiven Abbau-Molekülen. Nur so kann die Muskelzelle schnell und effektiv auf das Hormonsignal reagieren.

In einer Kaskade von Aktivierungen wird das Hormonsignal bei jedem Schritt verstärkt.
In einer Kaskade von Aktivierungen wird das Hormonsignal bei jedem Schritt verstärkt.

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