Als Signaltransduktion oder Signalübertragung werden in der Biochemie und Physiologie alle Prozesse bezeichnet, mithilfe derer Zellen eine Art von Signal oder Stimulus in eine andere umwandelt.

Für Zellen ist die Kommunikation mit der Umgebung von essentieller Bedeutung, um Differenzierungsprozesse, das Überleben oder den programmierten 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, Neurotransmitter, Zytokine und Hormone vermittelt. Diese Signaltransduktion ermöglicht letztendlich die Anpassung der Zelle an die aktuellen Bedingungen und Bedürfnisse durch Regulation der Zellgestalt und -bewegung, des Stoffwechsels sowie der Genexpression.

Mit Hilfe von Proteinen in der Zellmembran (Rezeptoren) und innerhalb der Zelle wird das extrazelluläre Signal aufgenommen und in der Regel an eine oder mehrere Signalkaskaden weitergeleitet. Dies 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. Besondere Bedeutung haben in diesem Zusammenhang Proteinkinasen, die ihre spezifischen Effektorproteine entweder an Tyrosin-Seitenketten (v.a. Effekte auf Genexpression) oder an Serin/Threonin-Seitenketten (v.a. in der Stoffwechselregulation) phosphorylieren und damit die Konformationsänderung auslösen. Mitunter wird durch Signalkaskaden auch die Bildung von sekundären Botenstoffen (Second Messenger) ausgelöst, die ihrerseits bestimmte Enzyme (u.a. auch Proteinkinasen) aktivieren. Auf diese Weise wird das Primärsignal um viele Größenordnungen verstärkt.

Eine Ausnahme von diesem Schema stellen die Steroidhormon-Rezeptoren dar. Sie leiten das Signal nach Bindung eines Hormon-Moleküls nicht an nachgeordnete Proteinkinasen weiter, sondern bilden Homodimere, die nach Bindung an sog. SRE (sterol response elements) in der DNA selbst als Transkriptionsfaktoren wirken.

Chemische Mechanismen der Signaltransduktion

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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.

Signalprozesse werden häufig erst durch Rekrutierung von Signalproteinen in spezifische Zellkompartimente oder durch lokale Akkumulation und Bindung an ihre Reaktionspartner ("Signalkomplexe") bzw. Gerüstproteinen ("Scaffolds") ermöglicht.

Beispiele

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Wichtige Signalwege sind

• Wnt-Signalweg
• TGF-Signalweg
• FGF-Signalweg
• JAK-STAT-Signalweg
• MAP-Kinase-Weg
• G-Protein-vermittelte Signalwege: Adenylatcyclase und Phospholipase C

Wichtige biologische Prozesse, die durch Signaltransduktion reguliert werden, sind

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

Weblinks

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• Cell Signaling Pathway Slides & Charts (Sigma-Aldrich)
• BioCarta - Charting Pathways of Life

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