Grundlagen der Signalübertragung

Bei einer Signalübertragung unterscheidet man einen Sender und einen Empfänger. Der Sender eines Signals kann in einem Organismus entweder die Umwelt sein oder aber eine andere Zelle des gleichen Organismus.

Umweltsignale

Signale aus der Umwelt werden üblicherweise als "Reize" bezeichnet, und mit dem Thema "Reizempfung und -verarbeitung" beschäftigt sich die Neurobiologie, speziell die Sinnesphysiologie, die auf dieser Homepage schon ausführlich behandelt wird, darum werden wir hier auf dieses Thema nicht näher eingehen.

Zell-Zell-Kommunikation

Wenn eine Zelle (der Sender) einer anderen Zelle (dem Empfänger) etwas mitteilen möchte, kann das entweder auf elektrischem oder auf chemischem Wege geschehen.

Die elektrische Informationsübertragung geschieht in der Regel über elektrische Synapsen, und das ist wieder ein Thema für die Neurobiologie.

Die chemische Informationsübertragung kann entweder mit Neurotransmittern stattfinden (ebenfalls ein Neurobiologie-Thema) oder mit Hormonen und hormonähnlichen Signalstoffen.

Chemische Zell-Zell-Kommunikation bei Tieren

Bei vielzelligen tierischen Organismen kann man vier Typen der Zell-Zell-Kommunikation unterscheiden.

1. Endokrine Kommunikation

Eine endokrine Zelle scheidet ein Hormon als Signalmolekül aus.

In der Regel geschieht das über das endoplasmatische Reticulum und den Golgi-Apparat, und die Hormon-Moleküle werden in Golgi-Vesikel verpackt und dann zur Zellmembran transportiert. Dort verschmelzen sie dann mit dieser, so dass die Hormon-Moleküle nach außen gelangen. Einen solchen Vorgang bezeichnet man allgemein als Exocytose.

Membrangebundene Hormon-Rezeptoren

Über das Blut wird das Hormon dann zu den Zielzellen transportiert. In der Membran dieser Zielzelle befinden sich dann sogenannte Hormon-Rezeptoren. Das sind Proteine, die sich durch die gesamte Membran erstrecken (integrale Membranproteine). Auf der Außenseite haben diese Hormonrezeptoren ein aktives Zentrum, welches das Hormon-Molekül nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip aufnehmen kann. Für jedes Hormon gibt es daher einen eigenen Rezeptor, für das Insulin den Insulin-Rezeptor, für das Adrenalin den Adrenalin-Rezeptor und so weiter.

Wenn der Hormon-Rezeptor das passende Hormon-Molekül gebunden hat, verändert er seine Konformation und aktiviert dadurch andere Proteine auf der Innenseite der Membran, meistens sogenannte G-Proteine. Diese verändern dann ebenfalls ihre Konformation und aktivieren dadurch weitere Proteine, beispielsweise Adenylatcyclasen. Diese produzieren dann second messenger wie cAMP, die dann eine ganze Reihe weiterer Vorgänge einleiten.

Intrazelluläre Hormon-Rezeptoren

Manche Hormone docken allerdings nicht an Rezeptoren in der Zellmembran der Zielzelle an, sondern diffundieren durch die Zellmembran direkt in das Cytoplasma. Erst dort verbinden sie sich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip mit bestimmten Proteinen, die dann eine Reaktion einleiten.

Es gibt auch Hormone, die nicht im Cytoplasma halt machen, sondern auch noch die Kernmembran durchdringen und dann als Transkriptionsfaktoren direkt das Ablesen bestimmter Gene aktivieren.

2. Neuronale Kommunikation

Eine Nervenzelle schüttet ihren synaptischen Endknöpfchen Neurotransmitter aus, die durch den engen synaptischen Spalt diffundieren und dann direkt an Rezeptorproteine in der Membran der nächsten Zelle andocken - wieder nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Die aktivierten Rezeptorproteine bewirken dann, dass sich Ionenkanäle in der Membran der Zielzelle öffnen. Wenn sich beispielsweise Natriumkanäle öffnen, strömen danach Na⁺-Ionen mit dem Konzentrationsgefälle in die Zelle und depolarisieren die postsynaptische Membran der Nerven- oder Muskelzelle.

Alternativ kann der Neurotransmitter ähnlich wie ein Hormon wirken, das Rezeptorprotein in der postsynaptischen Membran verändert seine Konformation und aktiviert dadurch Proteine auf der Membraninnenseite, die second messenger wie cAMP synthetisieren. Diese second messenger können dann Ionenkanäle öffnen, die dann zum Einstrom von Na⁺ oder Ca²⁺-Ionen führen, verbunden mit einer Depolarisierung der Membran und anderen Aktionen.

3. Parakrine Kommunikation

Diese Art der Zellkommunikation ist quasi ein Mittelding zwischen endokriner und neuronaler Kommunikation. Eine Zelle schüttet Signalstoffe in das extrazelluläre Medium aus, die dann zu benachbarten Zellen diffundieren und dort an spezifische Rezeptor-Proteine andocken. Bei der parakrinen K. werden längere Strecken überwunden als bei der neuronalen K., wo nur der sehr enge synaptische Spalt überwunden werden muss. Aber die Zielzellen müssen sich in der Nähe der signalgebenden Zelle befinden, weil die Signalstoffe nicht über das Blut transportiert werden, sondern über das extrazelluläre Medium, und zwar über Diffusion, und dann können die Entfernungen ja nicht sehr groß sein, weil es sonst Jahre dauern würde, bis der Signalstoff an der Zielzelle ankommt. Die Signalstoffe der parakrinen K. werden asu diesem Grund auch als lokale Mediatoren bezeichnet - "lokal", weil sie nur in unmittelbarer Nähe wirken können.

4. Kontaktabhängige Kommunikation

Hier werden gar keine Signalstoffe ausgeschüttet, sondern die signalgebende Zelle (der Sender) besitzt in seiner Zellmembran bestimmte Proteine, die direkten Kontakt mit Membranproteinen der Zielzelle (des Empfängers) aufnehmen.

Diese Art der direkten K. spielt beispielsweise bei der Embryonalentwicklung eine Rolle. Benachbarte, zunächst gleich differenzierte Zellen nehmen auf diese Weise Kontakt miteinander auf und spezialisieren sich dann auf verschiedene Aufgaben.