Unter Signaltransduktion versteht man den Prozess, bei dem die Zelle äußere Signale wahrnimmt, umwandelt und ins Innere weiterleitet. Bei diesen Vorgängen sind viele Enzyme und sekundäre Botenstoffe (so genannte "second Messenger") in einer oder mehreren nacheinander geschalteten Ebenen beteiligt (Signalkaskaden). Hierbei wird auch das Signal verstärkt (Signalamplifikation).

Rezeptoren:

Im ersten Schritt muss eine Zelle ein Signal erkenne, diese Erkennung findet durch meist spezifische Bindung des Signalmoleküls an besondere Strukturen der Zellmembran, den Rezeptoren. Um differenziert auf spezifische Signale reagieren zu können sind eine Vielfalt an Rezeptoren nötig.

Eine Bindung des Signalmoleküls an den äußeren Teil des Rezeptors führt zu einer Strukturänderung im intrazellulären Teil des Rezeptors. Diese Strukturänderung wird z.B. durch eine Ladungsänderung im Signalmolekül erzeugt. Ein Signalmolekül das selbst teilweise sauer, basisch, wasserlöslich oder fettlöslich ist kann durch eine sehr enge Interaktion die Ladungsverhältnisse im Rezeptor während der Bindung ändern. Davon ist nicht nur die Bindungsstelle, sondern auch der intrazellular Teil betroffen. Nach der Aktivierung lagern sich oft zwei Rezeptoren (Monomere) zu einem Dimer zusammen.

Eine stetige Aktiverung des Rezeptors wäre für die Zelle tödlich, deshalb wird der Rezeptor und das gebundene Singalmolekül durch Einschnürungen der Zellmembran (Vesikel) aufgenommen. Entweder wird durch Ansäuern Rezeptor und Ligand voneinander getrennt, so dass der Rezeptor wieder recycled werden kann, oder aber beides wird lysiert (zerstört). Ist das Signal zu stark kann die Zelle mehr Rezeptoren internalisieren und zerstören, wodurch die Zelle weniger empfindlich für das Signalmolekül wird, da es weniger Stellen zur Bindung findet.

Neben diesen Rezeptoren auf der Zellmembran gibt es auch Steroidhormon-Rezeptoren im Zytoplasma. Steroidhormone sind fettlöslich und können deshalb ungehindert durch die Zellmembran gelangen. Diese Art von Rezeptor bindet das betreffende Steroidhormon, wird aktiviert und wandert direkt in den Zellkern. Im Zellkern angelangt lagert es sich an spezifische Stellen im Genom an und führt zu einer geänderten Genexpression, so dass spezifische Gene abgelesen, transkribiert und translatiert werden.

Veränderung der Rezeptoren nach Ligandbindung

(Phosphorylierung/Dephosphorylierung)

Bereits oben wurde erwähnt, dass der Rezeptor oft dimerisiert nachdem der Ligand gebunden wurde. Diese Dimerisierung führt oft dazu, dass ein Monomer das andere Monomer phosphoryliert. 10% aller Proteine einer eukaryontischen Zelle werden auf diese Weise verändert. Bei einer Phosphorylierung wird von ATP, Adenosin-Tri-Phosphat, dem Energiespeicher der Zelle, ein Phosphat abgespalten und auf das betreffende Molekül übertragen - in unserem Fall dem intrazellulären Teil des Rezeptors.

Diese Phosphate werden nur auf bestimmte Aminosäuren bzw. deren Reste übertragen. Es bilden sich Ester mit den Hydroxylgruppen von Serinen oder Threoninen oder aber mit Tyrosinen. Dieser Vorgang ist reversibel. P hosphorylierungen werden durch Enzyme bewerkstelligt die als Kinasen bezeichnet werden. Die Dephosphorylierung findet durch eine weitere Enzymgruppe statt, die Phosphatasen. Es gibt mindestens 2000 verschiedene Kinasen und 1000 verschiedene Phosphatasen.

Es gibt vielefältige Konsequenzen einer Phosphorylierung oder Dephosphorylierung.

Adaptermoleküle und Effektoren

An phosphorylierte Rezeptoren oder Moleküle binden in der Regel Akzeptoren, die eine sogenannte SH2-Domäne oder PTB-Domäne besitzen. Beide Domänentypen binden spezifisch phosphorylierte Tyrosine bzw. Serine/Threonine. Es gibt somit viele verschiedene SH2-Domänen die ein spezifisches phosphoryliertes Tyrosin oder Serin/Threonin erkennen.

Diese Adaptermoleküle sorgen für eine Weiterleitung des Signals an Enzyme wie etwa die Adenylatzyklase, die cAMP herstellt, welches als "second messanger" wirkt. Oder über mehrere Phosporylierungsschritte in einer Kaskade weitere Phosphorylierungen bewirkt. So wird z.B. die MAP-Kinase-Kinase aktiviert, diese phosphoryliert die MAP-Kinase usw.. Es können aber auch kleine GTPasen aktiviert werden, die wiederum andere Moleküle aktivieren.

Außerdem können über verschiedene Wege weitere "second messanger" freigesetzt werden. Darunter fallen z.B. Ca2+-Ionen oder auch Lipide. Es gibt Moleküle wie etwa die Phospholipasen, die spezifische Fettmoleküle aus der Membran spalten und ein relativ kurzes Fettmolekül freisetzten, welches an weitere Rezeptoren innerhalb der Zelle binden kann und somit weitere Signalwege aktiviert.

Die vielen Möglichkeiten die ein Signal in der Zelle nehmen kann veranschaulicht wie komplex und verzweigt dieses Netz ist. Diese Komplexität erlaubt sehr gezielt Signale von außen oder auch innen zu erkennen und in der Zelle gewisse Anpassungen darauf auszuführen. So gibt es von jeder Familie viele Isoformen, die ähnlich sind, aber spezifisch andere Rezeptoren und Moleküle erkennen und an andere Moleküle weiterleiten.

Diese Netze sind evoltuionär entstanden, wodurch sich gewisse Bereiche überlagern und ein Ausfall eines Faktors zu einem gewissen Grad tolleriert werden kann.

Für den Wissenschaftler ist dieses verwobene Netz nur sehr schwer zu analysieren, da ein "ausschalten" eines Proteins zur Aktivierung eines anderen führt. Somit werden weitere Wege angeschalten, was zu sehr veränderten Ergebnissen führen kann, als man durch ledigliches "Ausschalten" erwartet hätte. Klare Ergebnisse sind deshalb sehr selten und die Interpretation fällt oftmals sehr schwer. Die Resultate müssen dann anhand von vielen verschiedenen Methoden und Ansätzen bestätigt werden. Deshalb gilt in der Wissenschaft eine Theorie solange als bewiesen bis sie durch ein Experiment entkräftet werden kann.