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2024-12-05T18:12:16Z

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Als '''Signaltransduktion''' bzw. '''Signalüberführung''', '''Signalübertragung''' oder '''Signalübermittlung''' werden in der [[Biochemie]] und [[Physiologie]] Prozesse bezeichnet, mittels derer [[Zelle (Biologie)|Zellen]] zum Beispiel auf äußere [[Reiz]]e reagieren, diese umwandeln, als Signal in das Zellinnere weiterleiten und über eine Signalkette zum zellulären Effekt führen. An diesen Prozessen ist oft eine Vielzahl von [[Enzyme]]n und sekundären Botenstoffen ([[Second Messenger]]) beteiligt – in einer Ebene oder auf mehreren nacheinander geschalteten Ebenen (Signalkaskade). Dabei kann das ursprüngliche Signal unter Umständen erheblich verstärkt werden (Signalamplifikation). Signale verschiedener Signalwege werden oft durch „Crosstalk“ im [[Zytoplasma]] oder im [[Zellkern]] aufeinander bezogen und integriert. Die Gesamtheit aller Signalwege in einem Zelltyp wird auch als dessen [[Signalnetzwerk]] bezeichnet. Signalnetzwerke sind plastisch und variieren z. B. in verschiedenen [[Ontogenese|Entwicklungsstufen eines Organismus]].

Signaltransduktionsvorgänge sind für [[Einzeller|einzellige Organismen]] von essentieller Bedeutung, um auf Veränderungen ihrer Umwelt beispielsweise durch Regulation des [[Stoffwechsel]]s und der [[Genexpression]] reagieren zu können und das Überleben zu sichern. In [[Vielzeller|mehrzelligen Organismen]] ist die zelluläre Signaltransduktion darüber hinaus ein wichtiger Schritt sowohl bei der Verarbeitung von Signalen, die über extrazelluläre [[Botenstoffe]] wie [[Hormon]]e und [[Neurotransmitter]] mitgeteilt werden, als auch für die Aufnahme innerer (z. B. [[Blutdruck]]) und äußerer Reize (z. B. beim [[Sehen]], [[Hören]], [[Riechen]]). Wichtige biologische Prozesse, die wesentlich über Signaltransduktion reguliert werden, sind u. a. [[Gentranskription]], [[Zellproliferation]], [[Immunreaktion]], [[Geruchssinn|Geruchsempfindung]], [[Visuelle Signaltransduktion|Lichtwahrnehmung]] und [[Muskelkontraktion]].

== Stimulation ==
Der Beginn eines Signaltransduktionsprozesses wird durch einen intrazellulären oder extrazellulären Stimulus eingeleitet bzw. ausgelöst.

Extrazelluläre Stimuli können Substanzen wie [[Hormon]]e, [[Wachstumsfaktor (Protein)|Wachstumsfaktoren]], [[Extrazelluläre Matrix]], [[Zytokin]]e, [[Chemokine]], Neurotransmitter und [[Neurotrophin]]e sein. Dabei ist aber noch nichts über die molekulare Natur dieser Substanzen gesagt und bei den Signalmolekülen kann es sich um ganze [[Protein]]e, [[Steroid]]e oder kleine organische Moleküle wie [[Serotonin]] handeln. Zusätzlich können auch Umweltstimuli die Signaltransduktion in Gang setzen: elektromagnetische Wellen (Licht) stimulieren die Zellen in der [[Netzhaut|Retina]], [[Duftstoff]]e binden an [[Geruchsrezeptor (Protein)|Geruchsrezeptoren]] von [[Riechzelle]]n in der Nase, Hitzeschwankungen werden von [[sensorisches Neuron|sensorischen Neuronen]] detektiert und auditorische [[Haarzelle]]n reagieren auf mechanische Reize ([[Schallwelle]]n).

Intrazelluläre Stimuli, wie z. B. [[Calcium]]ionen (Ca2+), sind oft selbst Bestandteil von Signaltransduktionskaskaden.

== Rezeption ==
Extrazelluläre Signale werden mithilfe von Proteinmolekülen in der Membran oder im [[Zytosol]] der Zelle, sogenannten [[Rezeptor (Biochemie)|Rezeptoren]], aufgenommen und anschließend in intrazelluläre Signale überführt und verarbeitet. Nach ihrer Lokalisation, ihrem Aufbau und ihrer Funktion lassen sich Rezeptoren unterscheiden.

=== Cytosolische Rezeptoren ===
[[Cytosol]]ische Rezeptoren, wie die [[Steroidrezeptor]]en, [[Retinoidrezeptor]]en und die lösliche [[Guanylylcyclase]], sind die primären Angriffspunkte von [[Steroid]]en, [[Retinoid]]en und kleinen, löslichen Gasen wie [[Stickstoffmonoxid]] (NO) und [[Kohlenstoffmonoxid]] (CO), die auf Grund ihrer [[Lipophilie]] bzw. ihrer geringen Molekülgröße die Zellmembran passieren können. Eine Aktivierung von Steroidrezeptoren führt beispielsweise zu einer Bildung von Rezeptordimeren, die nach Bindung an ein [[Response Element]], z. B. [[Sterol Response Element]] (SRE) an der [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] selbst als [[Transkriptionsfaktor]]en wirken.

=== Membranständige Rezeptoren ===
Membranständige Rezeptoren sind Proteine, die als [[Transmembranprotein]] eine Membran durchspannen und sowohl eine außenseits liegende wie auch eine innenseits gelegene Domäne besitzen. Damit sind sie in der Lage, Signalmoleküle außerhalb der Zelle zu binden und durch die damit verbundene [[Konformationsänderung]] ein Signal innerhalb der Zelle auszulösen. Dabei passiert nicht das Signalmolekül die Membran, sondern bindet an die extrazelluläre Domäne, was zu biochemischen Veränderungen im Rezeptormolekül führt, die sich auch intrazellulär auswirken. Bei den Signalmolekülen handelt es sich meist um [[Hydrophilie|hydrophile]] Substanzen des wässrigen Mediums, wie [[Ion]]en, [[Neurotransmitter]], [[Peptidhormon]]e oder [[Wachstumsfaktor (Protein)|Wachstumsfaktoren]]. Diese Membranrezeptoren lassen sich grob drei Gruppen zuordnen.

==== Ionenkanäle ====
Bei den [[Ionenkanal|Ionenkanälen]] können spannungsgesteuerte, lichtgesteuerte und ligandengesteuerte unterschieden werden. Letztere sind transmembrane Proteine, die infolge der Bindung eines [[Ligand (Biochemie)|Liganden]] als Signalstoff entweder aktiviert oder deaktiviert werden, womit die Permeabilität (Durchlässigkeit) der Membran für bestimmte Ionen vergrößert oder verkleinert wird. Dies ist insbesondere von Bedeutung bei der [[Erregungsübertragung|Übertragung]] von Nervensignalen an chemischen [[Synapse]]n.

==== G-Protein-gekoppelte Rezeptoren ====
{{Hauptartikel|G-Protein-gekoppelter Rezeptor}}
[[Datei:CAMP-signaltransduktion-kommentiert.png|mini|400px|Signalübertragung über Rezeptor, G-Protein, Adenylylcyclase, cAMP, A-Kinase, Transkriptionsfaktor]]
Zu den am besten untersuchten Signaltransduktionswegen zählen die Signalwege über [[G-Protein-vermittelte Signalwege|G-Proteine]]. Sie sind an vielen sinnesphysiologischen Prozessen, wie beispielsweise dem Sehen (über die [[Phototransduktion]]), Riechen und Schmecken, sowie an der Wirkung zahlreicher Hormone und Neurotransmitter beteiligt. Ein aktivierter G-Protein-gekoppelter Rezeptor wirkt dadurch, dass er die α-Untereinheit eines heterotrimeren G-Proteins dazu anregt, ihr gebundenes [[Guanosindiphosphat|GDP]] gegen [[Guanosintriphosphat|GTP]] auszutauschen (also ein [[GTP-Austauschfaktor]]), woraufhin das G-Protein in seine Untereinheiten α und βγ zerfällt (diese beiden aktivierten Untereinheiten leiten dann das Signal weiter).

Beispielsweise aktivieren Gs/olf-Proteine die [[Adenylylcyclase]], die den [[Proteinkinase A|Proteinkinase-A]]-aktivierenden [[Second Messenger]] [[cyclisches Adenosinmonophosphat]] (cAMP) synthetisiert. Die Gq/11-Proteine aktivieren die [[Phospholipase C]], die aus Membranlipiden die Second Messenger Inositoltrisphosphat und Diacylglycerol bildet. Die G12/13-Proteine können über eine Aktivierung von [[Rho-GTPase]] verschiedene andere Signaltransduktionswege regulieren. Die Gi/o-Proteine können einerseits über ihre α-Untereinheit die Adenylylcyclase hemmen und andererseits über ihre βγ-Untereinheit die [[Phosphoinositid-3-Kinase]] stimulieren.

==== Enzym-gekoppelte Signalwege ====
[[Enzym-gekoppelter Rezeptor|Enzym-gekoppelte Rezeptoren]] sind die dritte wichtige Gruppe von Zelloberflächen-Rezeptoren und lassen sich in sechs Klassen gliedern:

* [[Rezeptor-Tyrosinkinase]]n, welche zum Beispiel den [[MAP-Kinase-Weg]] und den [[PI3-Kinase Signalweg]] aktivieren können
* [[Tyrosinkinase-gekoppelter Rezeptor|Tyrosinkinase-gekoppelte Rezeptoren]], zu welchen viele [[Cytokin]]rezeptoren zählen, die etwa den [[JAK-STAT-Signalweg]] aktivieren können
* [[Tyrosin-Phosphatase]]n, für welche unter anderem das [[Liste der humanen CD-Antigene|CD45 Protein]] und [[SHP]]1/2 ein Substrat ist
* [[Rezeptor-Serin/Threoninkinase]]n, durch welche beispielsweise der [[Transforming growth factor|TGF]]-Signalweg aktiviert wird
* [[Guanylylcyclasen|Rezeptor-Guanylyl-Cyclasen]], welche Guanylylcyclase-Aktivität haben
* [[Histidinkinase-gekoppelter Rezeptor|Histidinkinase-gekoppelte Rezeptoren]], welche bei Bakterien die [[Chemotaxis]] vermitteln und auch in Pflanzen gefunden wurden (nicht aber in Tieren)

== Signalweiterleitung ==
Von jedem der oben genannten Rezeptor-Typen können verschiedene Signalwege ausgehen. Die Weiterleitung (Transduktion) der von einem Rezeptor aufgenommenen äußeren oder inneren Signale zu Effektorproteinen innerhalb der Zelle ist die eigentliche Aufgabe der Signaltransduktion. Dies erfolgt durch koordinierte Protein-Protein-Interaktionen und einer Aktivierung von zwischengeschalteten Signalproteinen, welche wiederum weitere intrazelluläre Signalproteine aktivieren können. Während der Signaltransduktion wird das Signal oft amplifiziert, indem ein aktiviertes Proteinmolekül mehrere Effektormoleküle aktivieren kann. Beispielsweise kann ein einziges durch ein [[Photon]] aktiviertes [[Rhodopsin]]molekül (der [[Photorezeptor]] in der [[Netzhaut]], der für das Sehen verantwortlich ist) bis zu 2000 [[Transducin]]moleküle aktivieren.

=== Second Messenger ===
Eine besondere Bedeutung kommt den [[Second Messenger]]n zu, die sekundäre Botenstoffe des Zellstoffwechsels sind. Bekannte Beispiele sind [[cyclisches Adenosinmonophosphat]] (cAMP), [[cyclisches Guanosinmonophosphat]] (cGMP), [[Inositoltrisphosphat]] (IP3), [[Diacylglycerol]] (DAG) und [[Calcium]]ionen (Ca2+). Sie stellen Zwischenstationen der Signaltransduktion dar und können ihrerseits verschiedene Signalwege aktivieren. Sie eignen sich daher als Schnittstellen für verschiedene Signaltransduktionswege und spielen bei der Erforschung von Signaltransduktionsprozessen eine große Rolle. Die vielen Signaltransduktionswege sind untereinander vernetzt und erlauben außerdem [[Differenzierung (Biologie)|zellspezifische]] Reaktionen.

=== Modifikation von Signalproteinen ===
Man kennt mittlerweile verschiedene Ereignisse, die die Konformation eines Signalproteins verändern:
#[[Phosphorylierung]] durch [[Kinasen]] bzw. die Dephosphorylierung durch [[Phosphatase]]n,
#die direkte Interaktion zwischen zwei Proteinen,
#die Bindung der [[Nukleotid]]e [[Guanosindiphosphat|GDP]] und [[Guanosintriphosphat|GTP]] oder cyclischer Nukleotide wie [[Cyclisches Adenosinmonophosphat|cAMP]] und [[Cyclisches Guanosinmonophosphat|cGMP]] sowie
#andere Ereignisse wie beispielsweise die Bindung von Calcium-Ionen und [[Acetylierung]]en.

Signalprozesse werden häufig erst durch Rekrutierung von Signalproteinen in spezifische [[Zellkompartiment]]e oder durch lokale Akkumulation und Bindung an ihre Reaktionspartner („Signalkomplexe“) bzw. [[Gerüstprotein]]en („Scaffolds“) ermöglicht.

=== Signalweiterleitung durch Proteolyse ===
Einige, etwa in der [[Morphogenese]] oder [[Apoptose]] wichtige, Signalwege beruhen auf [[Proteolyse]]. Hierbei spaltet ein Signalprotein ein anderes und führt so zu einer Aktivierung.
Signalwege die auf Proteolyse beruhen sind unter anderem der [[Notch-Signalweg]], der [[Wnt-Signalweg]], der [[Hedgehog-Signalweg]], der [[NF-κB]]-Signalweg und Signalwege in der [[Apoptose#Signaltransduktionswege|Apoptose]].

== Aktivierung von Effektorproteinen ==
Ziel des Signaltransduktionsprozesses ist die Aktivierung von Effektorproteinen, die eine spezifische zelluläre Antwort auslösen. Effektorproteine sind beispielsweise [[Transkriptionsfaktoren]], die die [[Transkription (Biologie)|Transkription]] bestimmter Gene aktivieren.


== Literatur ==
* [[Bruce Alberts]] et al.: ''Lehrbuch der molekularen Zellbiologie.'' 2., korrigierte Auflage. Wiley-VCH, Weinheim u. a. 2001, ISBN 3-527-30493-2.
* Bruce Alberts et al.: ''Molecular biology of the cell.'' 5. Auflage. Garland Science, New York NY u. a. 2008, ISBN 978-0-8153-4106-2, Kapitel 15.
* [[Rolf Knippers]]: ''Molekulare Genetik.'' 9., komplett überarbeitete Auflage. Thieme, Stuttgart u. a. 2006, ISBN 3-13-477009-1.
* Sabine Schmitz: ''[[Der Experimentator]]. Zellkultur.'' Elsevier – Spektrum Akademischer Verlag, München 2007, ISBN 978-3-8274-1564-6.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Signal transduction}}
* [https://cgap.nci.nih.gov/Pathways/BioCarta_Pathways BioCarta – Charting Pathways of Life]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4318717-1}}

[[Kategorie:Biologischer Prozess]]
[[Kategorie:Molekularbiologie]]
[[Kategorie:Signaltransduktion| ]]

Signaltransduktion - Versionsgeschichte

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