Signaltransduktion

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Als Signaltransduktion oder Signalübertragung werden in der Biologie Prozesse bezeichnet, bei denen Zellen Signale von außerhalb in andere Signale umwandeln und weitergeben bzw darauf reagieren.

Für Zellen ist die Kommunikation mit der Umgebung von essentieller Bedeutung um Differenzierungsprozesse, das Überleben oder den Zelltod (Apoptose) sowie Veränderungen der Zellgestalt und die Zellbewegung zu koordinieren. In multizellulären Organismen wird die extrazelluläre Information beispielsweise durch Ionen, Komponenten der extrazellulären Matrix, durch Wachstumsfaktoren, Neurotransmitter oder Polypeptid- oder organische Hormone vermittelt. Mit Hilfe von Proteinen in der Zellmembran Membranrezeptor und innerhalb der Zelle wird das extrazelluläre Signal durch Signalkaskaden weitergeleitet. Diese Signaltransduktionsereignisse ermöglichen letztendlich die Anpassung der Zelle an die aktuellen Bedingungen und Bedürfnisse durch Regulation der Zellgestalt und Zellbewegung, des Metabolismus sowie der Genexpression. Die Informationsweiterleitung innerhalb der Zelle erfolgt durch koordinierte Protein-Protein-Interaktionen und basiert auf Signalmolekülen, die durch Konformationsänderung zwischen mindestens zwei Zuständen wechseln können und so als molekulare Schalter fungieren. Mitunter wird durch Signalkaskaden auch die Bildung von sekundären Botenstoffen (second messenger) ausgelöst, die ihrerseits bestimmte Enzyme (z. B. Proteinkinasen) aktivieren. Auf diese Weise wird das Primärsignal um viele Größenordnungen verstärkt.

Man kennt mittlerweile verschiedene Ereignisse, die die Konformation eines Signalproteins verändern:

1. Phosphorylierung durch Kinasen bzw. die Dephosphorylierung durch Phosphatasen,
2. die direkte Interaktion zwischen zwei Proteinen,
3. die Bindung der Nukleotide GDP und GTP oder cyclischer Nukleotide wie cAMP und cGMP sowie
4. andere Ereignisse wie beispielsweise die Bindung von Calcium-Ionen und Acetylierungen.

Darüber hinaus können Signalprozesse auch durch eine Rekrutierung von Signalproteinen in spezifische Zellkompartimente oder durch lokale Akkumulation an Signalkomplexen bzw. Scaffolds zu ihren jeweiligen Interaktionspartnern gebracht werden.

Wichtige Signalwege sind

• Wnt-Signalweg
• TGF-Signalweg
• FGF-Signalweg
• JAK-STAT-Signalweg
• MAP-Kinase-Weg
• G-Protein-vermittelte Signalwege

Wichtige biologische Prozesse, die durch Signaltransduktion reguliert werden, sind

• Sehvorgang
• Geruchssinn
• Muskelkontraktion
• Zellproliferation
• Fertilisation
• Gentranskription