Signaltransduktion

Signalstoffe, Signalübertragung und Rezeptorklassen

Wie Signalstoffe ihre Zielzellen erreichen und warum lipophile Hormone innen, hydrophile dagegen an der Zellmembran wirken.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Ein Rezeptor bindet spezifisch seinen Liganden und setzt das Signal in eine Zellantwort um; man unterscheidet ionotrope, G-Protein-gekoppelte, enzymgekoppelte und intrazelluläre Rezeptoren.
  • Endokrine Signale erreichen ihre Zielzellen über das Blut, parakrine wirken auf Nachbarzellen.
  • Steroidhormone wie Cortisol und Progesteron diffundieren durch die Membran und binden an intrazelluläre Rezeptoren, die als ligandenaktivierte Transkriptionsfaktoren wirken.
  • Acetylcholin, Adrenalin, Serotonin, Insulin, EGF und Interferone sind hydrophil und binden an Rezeptoren der Plasmamembran; die Bindung löst eine Konformationsänderung aus.
  • Der Insulinrezeptor ist eine Rezeptor-Tyrosinkinase mit eigener Kinaseaktivität und nicht G-Protein-gekoppelt.

Worum es geht

Zellen tauschen Informationen über chemische Signalstoffe aus, die an passende Rezeptoren binden. Ob ein Stoff dabei in die Zelle eindringt oder außen an der Membran wirkt, hängt von seiner Polarität ab. Das erklärt, warum Cortisol erst nach Stunden, Adrenalin dagegen in Sekunden wirkt.

Prinzip der Signaltransduktion

Ein Signalstoff wirkt als Ligand. Er bindet spezifisch an ein passendes Protein, den Rezeptor. Nur Zellen mit diesem Rezeptor reagieren auf das Signal, sie sind die Zielzellen. Ligand und Rezeptor passen wie Schlüssel und Schloss zusammen.

Jede Signalkette läuft in drei Schritten ab:

  1. Erkennung: Der Ligand bindet an seinen Rezeptor.
  2. Weiterleitung: Der Rezeptor setzt das Signal in eine Folge von Reaktionen im Zellinneren um.
  3. Antwort: Die Zelle verändert Stoffwechsel, Erregung oder Genexpression.

Nach der Art der Weiterleitung unterscheidet man vier Rezeptorklassen. Ionotrope Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle. Dazu kommen G-Protein-gekoppelte und enzymgekoppelte Rezeptoren. Diese drei sitzen in der Plasmamembran und antworten in Millisekunden bis Minuten. Intrazelluläre Rezeptoren verändern die Genexpression und brauchen dafür Stunden.

Vier schematische Rezeptortypen: drei in der Plasmamembran, einer im Zellinneren, mit Angabe der Reaktionsgeschwindigkeit.

Die vier Hauptklassen von Rezeptoren im Vergleich

Formen der Signalübertragung

Bei der endokrinen Signalübertragung gibt eine Drüse ihr Hormon ins Blut ab. Der Blutkreislauf trägt es zu weit entfernten Zielzellen. Bei der parakrinen Übertragung wirkt der Signalstoff dagegen nur auf benachbarte Zellen im selben Gewebe. Wie Hormonspiegel im Körper geregelt werden, erklärt die Seite zu den Grundprinzipien hormonaler Regulation.

Intrazelluläre Rezeptoren

Steroidhormone wie Cortisol, Aldosteron, Estradiol, Testosteron und Progesteron leiten sich vom Cholesterol ab (Sterole). Sie sind hydrophob. Deshalb diffundieren sie einfach durch die Lipiddoppelschicht der Plasmamembran. Ihr Rezeptor muss folglich im Zellinneren liegen.

Diese intrazellulären Rezeptoren befinden sich im Cytosol oder im Kern. Die Rezeptoren für Glucocorticoide wie Cortisol und für Progesteron liegen ohne Hormon im Cytosol. Dort hält sie das Hitzeschockprotein Hsp90 inaktiv. Bindet Cortisol, löst sich Hsp90 ab. Zwei Rezeptoren bilden ein Dimer und wandern in den Kern. Dort binden sie an ein Hormone Response Element (HRE) der DNA und steigern die Bildung bestimmter mRNAs.

Schema einer Zelle: Cortisol passiert die Membran, bindet an einen cytosolischen Rezeptor, der Komplex wandert in den Kern und bindet an DNA.

Wirkmechanismus eines Steroidhormons über einen intrazellulären Rezeptor
📖 Definition: Ligandenaktivierter Transkriptionsfaktor

Ein Protein, das erst nach Bindung seines Liganden an die DNA bindet und die Transkription von Zielgenen steuert. Alle Steroidhormonrezeptoren gehören zur Familie der nucleären Rezeptoren.

Die Feinheiten der Genregulation behandelt die Regulation von Transkription und Translation.

🎯 Examensrelevant: Steroidhormone wirken intrazellulär

Dass Cortisol, Aldosteron, Estradiol, Testosteron und Progesteron die Membran passieren und an intrazelluläre Rezeptoren binden, solltest du sicher können. Achte auf die Abgrenzung: Nucleäre Rezeptoren liegen nicht auf der Zelloberfläche und sind nicht an G-Proteine gekoppelt.

Membranrezeptoren

Hydrophile Signalstoffe können die Lipiddoppelschicht nicht durchqueren. Sie binden außen an Rezeptoren der Plasmamembran. Die Bindung ändert die Konformation des Rezeptorproteins. Diese Formänderung trägt das Signal durch die Membran und startet im Zellinneren eine Reaktionskette.

Zu diesen Stoffen gehören:

  • Neurotransmitter wie Acetylcholin, Adrenalin und Serotonin
  • Peptidhormone wie Insulin
  • Wachstumsfaktoren wie der epidermale Wachstumsfaktor (EGF)
  • Interferone

Acetylcholin gelangt nicht ins Cytosol der Muskelzelle. Es stimuliert Rezeptoren an der Außenseite der postsynaptischen Membran, dort an Ionenkanälen. Adrenalin wirkt über Adrenozeptoren, die zu den G-Protein-gekoppelten Rezeptoren zählen.

💡 Merke

Lipophil wirkt innen, hydrophil außen: Steroidhormone binden intrazellulär, Neurotransmitter, Peptidhormone, Wachstumsfaktoren und Interferone an der Plasmamembran.

Enzymgekoppelte Rezeptoren

Enzymgekoppelte Rezeptoren liegen auf der Zelloberfläche. Ihr Enzym ist meist eine Proteinkinase, die Phosphatgruppen auf Proteine überträgt. Bei einer Rezeptor-Tyrosinkinase sitzt die Kinase im Rezeptor selbst und phosphoryliert Tyrosinreste.

Der Insulinrezeptor ist eine solche Rezeptor-Tyrosinkinase. Er ist ein α2β2-Heterotetramer, dessen Ketten Disulfidbrücken verbinden. Insulin bindet an die äußeren α-Ketten. Die β-Ketten durchspannen die Membran und tragen innen die Kinasedomäne. Nach der Bindung phosphorylieren sie Tyrosinreste, an die Insulinrezeptor-Substrate (IRS) andocken.

Schematischer Insulinrezeptor mit zwei äußeren α- und zwei membrandurchspannenden β-Untereinheiten, innen Phosphatgruppen an Tyrosinresten.

Aufbau und Aktivierung des Insulinrezeptors
A Rezeptor-Tyrosinkinase

Eigene Kinaseaktivität, Beispiel Insulinrezeptor. Kein G-Protein beteiligt.

B G-Protein-gekoppelter Rezeptor

Keine eigene Enzymaktivität. Ein G-Protein leitet das Signal an einen Effektor weiter.

Wie Insulin gebildet wird, zeigen die Hormone der Inselzellen. Die weiteren Kinasekaskaden folgen bei den second messengern.

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Aussage 1

Der Rezeptor für Progesteron liegt ohne gebundenes Hormon im Cytosol vor.

Wie der Glucocorticoidrezeptor liegt er ohne Hormon im Cytosol, gebunden an Hsp90, und wandert nach Hormonbindung in den Kern.

Aussage 2

Acetylcholin dringt in das Cytosol der Muskelzelle ein und bindet dort an seinen Rezeptor.

Acetylcholin ist hydrophil und stimuliert Rezeptoren an der Außenseite der postsynaptischen Membran.

Aussage 3

Cortisol entfaltet seine Wirkung über einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor in der Plasmamembran.

Cortisol ist hydrophob, passiert die Membran und bindet an einen intrazellulären Rezeptor, der als ligandenaktivierter Transkriptionsfaktor wirkt.

Aussage 4

Der Insulinrezeptor besitzt eine eigene Kinaseaktivität, die Tyrosinreste phosphoryliert.

Er ist eine Rezeptor-Tyrosinkinase: Die β-Ketten tragen innen die Kinasedomäne, ein G-Protein ist nicht beteiligt.

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