Aus dem Biologieunterricht kennen Sie mit Sicherheit schon ein paar Signalmoleküle oder Botenstoffe, nämlich die Neurotransmitter wie Acetylcholin, Serotonin etc. und die Hormone wie Insulin, Adrenalin etc.
Solche Botenstoffe, die von außen auf eine Zelle wirken, werden allgemein als primäre Botenstoffe oder primary messengers bezeichnet. Die Neurotransmitter und die Hormone sind die bekanntesten dieser primären Botenstoffe.
Vielleicht kennen Sie aus dem Biologieunterricht aber auch schon eine andere Klasse von Botenstoffen, nämlich die sekundären Botenstoffe oder second messenger. Der bekannteste dieser second messenger ist wohl das cAMP, das zyklische Adenosinmonophosphat. Wie beim Riechprozess näher dargestellt, bewirkt der Duftreiz (ein primary messenger) die Produktion des second messengers cAMP, dessen Moleküle sich dann in Natriumkanäle setzen und diese öffnen, so dass die einströmenden Na+-Ionen die Membran depolarisieren.
Primäre Botenstoffe: Neurotransmitter
Acetylcholin
Der wohl bekannteste Neurotransmitter ist mit Sicherheit das Acetylcholin. Diesen Neurotransmitter finden wir beispielsweise in der motorischen Endplatte, also der Synapse zwischen einer motorischen Nervenzelle und einer Muskelzelle.
Das Acetylcholin-Molekül
Auf dieser Vertiefungsseite finden Sie eine Liste weiterer Neurotransmitter, teils mit Strukturformeln und kurzen Beschreibungen.
Primäre Botenstoffe: Hormone
Aus dem Biologie- oder Ernährungslehreunterricht der gymnasialen Oberstufe kennen Sie wahrscheinlich das Hormon Insulin, das zusammen mit seinem Gegenspieler Glucagon die Glucose-Konzentration im Blut regelt (Blutzuckerspiegel).
Diese Seite ist noch nicht fertig. Daher übernehme ich erst einmal Abschnitte aus dem entsprechenden Wikipedia-Artikel, die ich aber etwas gekürzt habe. Der folgende Kasten steht daher unter der gleichen Lizenz wie alle Artikel der Wikipedia.
Hormone
Ein Hormon ist ein biochemischer Botenstoff, der von speziellen Zellen (in endokrinen Drüsen oder Zellgeweben) produziert und als körpereigener Wirkstoff in den Körperkreislauf abgegeben wird. Dieser Signalstoff setzt dann an bestimmten Zellen der Erfolgsorgane spezifische Wirkungen oder Regulationsfunktionen in Gang, vor allem bei bestimmten Stoffwechselvorgängen. Der dadurch ausgelöste biologische Prozess stellt einen Spezialfall der Signaltransduktion dar.
Chemisch sind Hormone niedermolekulare Verbindungen oder gelegentlich auch Peptide (sogenannte Peptidhormone). Die Wissenschaft zur Erforschung der Hormone bezeichnet man als Endokrinologie. Entsprechend ist ein Endokrinologe ein Wissenschaftler oder Arzt, der sich mit der Erforschung der Hormone, ihrer Wirkungsweisen und mit Erkrankungen des hormonalen Geschehens beschäftigt...
Hormonbildende Zellen
Hormone werden von speziellen hormonproduzierenden Zellen gebildet: Diese befinden sich in Drüsen in der Hirnanhangdrüse (Hypophyse), der Zirbeldrüse, der Schilddrüse, der Nebenniere und in den Langerhans'schen Inselzellen der Bauchspeicheldrüse. Einige Hormone werden auch von Nervenzellen gebildet, diese nennt man Neurohormone oder Neuropeptide...
Geschlechtshormone werden von spezialisierten Zellen der weiblichen oder männlichen Geschlechtsorgane gebildet: Theca- und Granulosazellen bei der Frau und Leydig-Zellen beim Mann.
Charakteristisch für die hormonproduzierenden Zellen sind Enzyme, die nur in diesen Zellen vorkommen. Die Freisetzung der Hormone ist individuell für jedes Hormon geregelt. Häufig werden Hormone in der Zelle gespeichert und nach Stimulation durch einen Freisetzungsstimulus freigesetzt. Die Freisetzungsstimuli können z. B. Releasing-Hormone sein (Freisetzungshormone, auch Liberine genannt).
Hormonfreisetzung
Die Hormonfreisetzung... erfolgt in der Nähe von Blutgefäßen, die viele kleine Fenster haben, durch die Hormone direkt ins Blut übergehen können...
Durch die Bindung eines Stimulus für die Hormonfreisetzung kommt es häufig in der Zelle zu einem Anstieg der intrazellulären Calciumkonzentration. Dieser Calcium-Anstieg erlaubt die Fusion der Zellorganellen, in denen sich die vorgefertigten Hormone befinden, mit der Zellmembran. Sobald die Organellenmembran mit der Zellmembran fusioniert ist, haben die Hormone freien Zugang zum Raum außerhalb der Zelle und können in die dort benachbarten Blutgefäße durch die gefensterte Blutgefäßwand wandern.
Sekundäre Botenstoffe
Aus dem Oberstufenunterricht sollten Sie eigentlich den second messenger cAMP kennen, der von der Adenylatcyclase aus ATP gewonnen wird.
Weitere wichtige sekundäre Botenstoffe sind Diacylglycerin (DAG) und Inositoltrisphosphat (IP3), die von der Phospholipase C aus Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat (PIP2) synthetisiert werden.
Meistens werden diese second messenger in einer Signal-Kaskade hergestellt, die mit einem G-Protein gekoppelten Rezeptorprotein beginnt. Als Musterbeispiel soll hier einmal der Riechprozess herhalten, der in den Sinneszellen der Riechschleimhaut stattfindet.
Riechprozess
Ein Duftstoff dockt an einen olfaktirischen Rezeptor in der Membran einer Riechsinneszelle an. Dieser Rezeptor ist ein integrales Membranprotein. Durch das Andocken des Duftstoffes ändert das Protein seine Konformation, und dies wirkt sich auf ein G-Protein aus, dass auf der Membraninnenseite mit dem Rezeptor verbunden ist.
Das G-Protein wird dadurch aktiviert und zerfällt in zwei Komplexe. Einer dieser Komplexe aktiviert nun eine Adenylatcyclase, die sich ebenfalls auf der Innenseite der Membran befindet.
Die Adenylatcyclase stellt den second messenger cAMP aus ATP her, und der setzt sich dann in ligandengesteuerte Natrium-Kanäle in der Membran der Riechsinneszelle. Diese öffnen sich, und die hereinströmenden Na+-Ionen depolarisieren die Membran der Zelle, was schließlich zu Aktionspotenzialen führt, die weitergeleitet werden.
Auf dieser Vertiefungsseite finden Sie mehr zum Thema cAMP.
Auf dieser Vertiefungsseite finden Sie mehr zum Thema DAG.
Auf dieser Vertiefungsseite finden Sie mehr zum Thema IP3.
Neben diesen drei wichtigen second messengern gibt es weitere, auf die ich nur kurz eingehen werde.
cGMP
Der second messenger cGMP ist ähnlich aufgebaut wie cAMP und leitet sich vom GTP ab. Beim Sehprozess spielt cGMP eine wichtige Rolle.
Sehprozess
Die Na+-Kanäle in der Zellmembran der Photorezeptoren werden bei Dunkelheit durch cGMP offen gehalten, so dass es zu einem ständigen Na+-Einstrom kommt (Dunkelstrom).
Bei Belichtung wird die Konformation des Rezeptorproteins Rhodopsin verändert, das wirkt sich auf das G-Protein Transducin aus, welches dann eine Phosphodiesterase aktiviert.
Dieses Enzym baut dann cGMP ab, und die Na+-Kanäle schließen sich, so dass der Ruhestrom stoppt. Die nachfolgende hemmende Nervenzelle wird nicht mehr erregt, daher kann sie die nächste Nervenzelle nicht mehr hemmen, und Aktionspotenziale fließen zum Sehzentrum des Gehirns (vereinfacht ausgedrückt).
NO
Stickstoffmonoxid, ein Gas, ist ebenfalls ein second messenger. Weil die Moleküle klein und unpolar sind, können sie die Zellmembran ohne Weiteres durchdringen und gelangen so auf direktem Weg in das Cytoplasma.
Sonderfall Calcium Ca2+
Calcium-Ionen Ca2+ spielen eine besondere Rolle bei der Signalübertragung in der Zelle. Man könnte sie daher ebenfalls als second messenger bezeichnen, obwohl sie ja nur aus einem winzigen Ion bestehen.
Auf dieser Seite finden Sie nähere Informationen zu Ca2+ als Botenstoff.
Quellen:
- Alberts, Bruce et al. Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie, 5. Auflage, Weinheim 2021.
- Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.
- Berg, Tymoczko, Gatto jr., Stryer: Stryer Biochemie, 8. Auflage, Springer Berlin Heidelberg 2018.
- Nelson, Cox: LEHNINGER Principles of Biochemistry. Macmillan Learning, New York 2021.
- Lodish et al. Molecular Cell Biology, New York 2004
- Plattner, Hentschel. Zellbiologie, 5. Auflage. Stuttgart 2017.