Communication and Signaling – Protein Movement and Cell Signaling

00:01 Eine weitere wichtige Funktion, die Proteine erfüllen, ist die der Signalübertragung. Signalisierung ist auch als Kommunikation bekannt, und ich möchte sie als die Art und Weise betrachten, in der die Zelle auf ihre Umgebung reagiert, insbesondere in einem mehrzelligen Organismus ist dies sehr wichtig. Es ist wichtig, dass die verschiedenen Gewebe der Organe gleichzeitig an den Rudern ziehen und sich nicht gegenseitig behindern. Die Leber hat zum Beispiel die Aufgabe, die Menge an Glukose und Fett usw. zu kontrollieren, die in den Blutkreislauf abgegeben wird. Es ist also wichtig, dass die Leber in der Lage ist, auf Signale anderer Körperzellen zu reagieren, die ihr den Bedarf an verschiedenen Nährstoffen mitteilen, und dass sie diese Signale wahrnimmt.

00:46 Es gibt verschiedene Ebenen der Signalgebung und verschiedene Proteine, die am Signalprozess beteiligt sind. Tatsächlich sind viele Proteine beteiligt, denn es gibt viele verschiedene Signalprozesse, aber ich werde hier nur ganz allgemein über diese sprechen.

00:58 Die erste Ebene, über die ich sprechen möchte, sind also die Membranrezeptorproteine.

01:04 Diese haben eine absolut kritische Funktion, denn durch diese Proteine muss das Signal von außerhalb der Zelle ins Innere der Zelle übertragen werden.

01:17 Wenn meine Leberzelle und der Rest des Körpers mir sagen, dass ich Glukose benötige, muss diese Information ins Innere der Zelle gelangen, wo die Glukose hergestellt und freigesetzt werden kann, damit der Körper die benötigte Glukose erhält, und diese Informationsübertragung erfolgt über einen Membranrezeptor. Die Membranrezeptorproteine sind so genannte integrale Proteine, d. h. sie sind in die Lipiddoppelschicht eingebettet, wie Sie in der Abbildung rechts sehen können.

01:43 Sie sind in der Tat von der Lipiddoppelschicht umgeben, wobei ein Teil von ihnen darüber hinausragt, in diesem Fall also außerhalb der Zelle, und ein Teil darunter, in diesem Fall innerhalb der Zelle.

01:57 Die Membranproteine selbst sind als 7TMs bekannt und das TM steht für Transmembran.

02:05 Wenn wir uns also die Abbildung rechts ansehen, hat dieses Protein sieben verschiedene Transmembrandomänen, die zwar nummeriert sind, aber nur schwer zu erkennen sind.

02:14 Die sieben verschiedenen Coil-Domänen laufen in der Lipid-Doppelschicht hin und her, und das Hin- und Herlaufen dieser verschiedenen Domänen findet siebenmal statt. Viele der Proteine sind 7TMs, und 7TMs ist eigentlich eine gemeinsame Kategorie von Membranproteinen.

02:31 Die Membranrezeptoren binden an ein so genanntes Botenmolekül. Dieses Botenmolekül ird also von anderen Zellen im Körper gesendet. Das Botenmolekül bindet an das Rezeptorprotein an der Außenseite der Zelle, und diese Bindung an den Rezeptor bewirkt, dass der Rezeptor im Inneren der Zelle seine Form verändert. Diese Veränderung im Inneren der Zelle führt dann dazu, dass alles andere passiert. Was im Inneren der Zelle passiert, führt normalerweise zur Bildung eines so genannten zweiten Botenstoffs, und das werden wir gleich sehen.

03:04 Eine weitere wichtige Funktion im Signalisierungsprozess haben Peptidhormone. Ich habe bereits die ersten Botenstoffe beschrieben, die von Zellen freigesetzt werden, um an die Zielzelle zu binden.

03:16 Diese Hormone sind oft selbst Proteine. Sie werden vom endokrinen System freigesetzt und hergestellt.

03:21 Einige Beispiele für diese Peptidhormone sind das weithin bekannte Insulin, Oxytocin und Glukagon und viele andere. Innerhalb der Zelle gibt es Proteine, die eine sehr wichtige Rolle bei der Übermittlung von Informationen spielen, die von außen kommen.

03:41 Diese Proteine können eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen haben, aber eine der häufigsten Funktionen, die viele von ihnen haben, ist, dass sie Kinasen sind. Was Kinasen tun, ist, dass sie Phosphate an andere Proteine binden. So kann es zu einer Kaskade von Kinasen kommen, bei der ein Protein ein anderes Protein phosphoryliert, wodurch dieses Protein aktiv wird und ein anderes Protein phosphoryliert, und als Ergebnis dieser Kinase-Aktion wird ein Signal von einem Protein an ein anderes weitergegeben.

04:11 Das ist nur ein Beispiel, es gibt noch viele andere.

04:14 Die letzte wichtige Funktion, über die ich sprechen möchte, ist die Funktion von Proteinen im Signalprozess als Transkriptionsfaktoren. Die Transkription ist natürlich der Prozess, bei dem die Information in der DNA durch den Prozess der Transkription in mRNA übertragen wird.

04:28 Die Fähigkeit der RNA-Polymerase, die RNA-Synthese zu starten, hängt von Proteinen ab, die ihr sagen, wo sie mit der Synthese beginnen soll. Transkriptionsfaktoren spielen in diesem Prozess eine Rolle, sie können entweder die Transkription bestimmter Gene einschalten oder die Transkription bestimmter Gene ausschalten, je nach der eigentlichen Funktion. Als Ergebnis all dieser Signalereignisse und Signalproteine kann eine Zelle dann auf das äußere Signal so reagieren, wie der Körper es braucht. Sei es die Freisetzung von Nährstoffen, sei es die Aufforderung, sich zu teilen, oder sei es die Aufforderung, andere Dinge zu tun, die nützlich sein könnten.

05:04 Diese Folie veranschaulicht den Signalisierungsprozess in einer Leberzelle. Es zeigt nicht die Transkription, über die ich vorhin gesprochen habe, aber es zeigt viele der anderen Schritte in diesem Prozess. Auf dieser Folie sehen wir oben links ein Protein, das in die Membran eingebettet ist und das eigentlich das Signalprotein ist. Es handelt sich um den beta-adrenergen Rezeptor.

05:23 Wie Sie sehen können, handelt es sich um ein 7TM, das heißt, es hat sieben Domänen, die die Lipiddoppelschicht durchqueren.

05:29 Auf der rechten Seite des beta-adrenergen Rezeptors sehen wir ein interessantes Protein, das aus drei Einheiten besteht, einer alpha-Einheit, einer beta-Einheit und einer gamma-Einheit. Und diese alpha-, beta- und gamma-Einheit ist Teil eines so genannten G-Proteins. Dieses G-Protein hat eine wichtige Funktion und transportiert ein Nukleotid namens GDP. In diesem Zustand ist es nicht aktiv, es stimuliert keinen Prozess, aber wenn der adrenerge Rezeptor von außerhalb der Leberzelle an das Hormon bindet, verändert der Rezeptor seine Form, und diese Formveränderung bewirkt eine Veränderung des G-Proteins.

06:05 Die Veränderung des G-Proteins bewirkt eine Reihe von Vorgängen. Zunächst einmal setzt das G-Protein das beta- und das gamma-Protein frei, da es anstelle des GDP ein GTP bindet. Wenn dies geschieht, geht das G-Protein zu einem Enzym über, das ebenfalls in der Membran eingebettet ist und Adenylatzyklase heißt. Wenn die Adenylatzyklase durch das G-Protein stimuliert wird, bewirkt sie die Bildung eines Moleküls namens zyklisches AMP, das aus ATP umgewandelt wird, wie Sie hier sehen können.

06:38 Nun ist zyklisches AMP ein Molekül, das wir als zweiten Botenstoff bezeichnen. Der erste Botenstoff war das Hormon außerhalb der Zelle, das die Aktivierung des Rezeptors bewirkt hat. Das zyklische AMP hingegen ist ein internes Molekül, das ein Enzym aktiviert. Das Enzym, das durch zyklisches AMP aktiviert wird, ist die Proteinkinase A, und die Proteinkinase A ist eine der Kinasen, über die ich gesprochen habe. Es phosphoryliert ein anderes Enzym, die Phosphorylase-Kinase, und bewirkt dadurch, dass dieses Enzym aktiviert wird, wo es vorher inaktiv war. Die Phosphorylase-Kinase wiederum phosphoryliert ein anderes Enzym namens Glykogenphosphorylase B und wandelt es in Glykogenphosphorylase A um. Zu diesem Zeitpunkt ist die Glykogenphosphorylase A aktiv, und diese Glykogenphosphorylase A baut dann Glykogen ab, um Glukosemoleküle zu erzeugen.