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Signalaustausch zwischen Zellen

Kategrie “Pflanzenbiotechnologie”, WeberV (2005)

Durch Plasmodesmen können Moleküle zwischen Nachbarzellen wandern, ohne dass sie die Plasmamembran durchqueren müssen. Dies stellt eine kontaktabhängige Signalübertragung dar.

Da die meisten Signalmoleküle (z.B. Phytohormone) nicht hydrophob genug sind, um die Zellmembran zu durchqueren, ist die Übertragung mittels Rezeptoren notwendig. Diese Form der Signalübertragung unterteilt sich in drei Teilabschnitte:

  1. Signalerkennung & Übertragungsbeginn durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren
  2. Signalübertragungswege
  3. Antwort der Zelle auf äußere Signale

1. Signalerkennung & Übertragungsbeginn durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

Rezeptoren durchziehen die Zellmembran mit 7 α-Helices. Der äußere Teil, im Extrazellulärraum, bindet das Signalmolekül und leitet es an den inneren Teil, im Cytosol der Zelle, weiter. Der Mittlere Teil des Rezeptors verankert diesen in der Zellmembran.

Membrangebundene Rezeptoren, die in der Ackerschmalwand nachgewiesen werden konnten, leiten Signale über GTP-bindende Proteine (G-Proteine) in das Zellinnere weiter.

2. Signalübertragungswege über Phosphorylierung durch Proteinkinasen oder sekundäre Botenstoffe

Dieser Vorgang verläuft wie folgt: Das Signal bindet an den Rezeptor, der daraufhin aktiviert ist und das inaktive G-Protein bindet. Inaktives G-Protein besteht aus drei Proteinuntereinheiten (α, β und γ), wobei die α-Untereinheit mit GDP verknüpft ist. Durch die Bindung des Rezeptors wird GDP durch GTP verdrängt, was die Abtrennung der α-Untereinheit mit GTP vom β, γ-Komplex bewirkt.

Diese aktivierte α-Untereinheit des G-Proteins kann nun verschiedene Prozesse einleiten.

(1) Die α-Untereinheit des G-Proteins bindet direkt an das Zielprotein und aktiviert dieses
-> das Zielprotein leitet das Signal dann an Enzyme weiter -> siehe Prozess (2) und (3)

(2) Sie aktiviert das Enzym Guanylatcylase, welche die Synthese von cyclischem Guanosinmonophosphat (cGMP) aus GTP katalysiert. cGMP ist ein sekundärer Botenstoff, der Proteinkinase G aktiviert. Die Proteinkinase G überträgt GTP auf eine inaktive Proteinkinase (= Phosphorylierung), wodurch diese ihre Konformation ändert und eine weitere inaktive Proteinkinase phosphoryliert. (2)    Sie aktiviert das Enzym Guanylatcylase, welche die Synthese von cyclischem Guanosinmonophosphat (cGMP) aus GTP katalysiert. cGMP ist ein sekundärer Botenstoff, der Proteinkinase G aktiviert. Die Proteinkinase G überträgt GTP auf eine inaktive Proteinkinase (= Phosphorylierung), wodurch diese ihre Konformation ändert und eine weitere inaktive Proteinkinase phosphoryliert. Dieser Prozess läuft solange weiter bis eine Proteinkinase ein Protein phosphoryliert, welches die Antwort der Zelle bewirkt.

(3) Das G-Protein aktiviert Phopholipase C. Eine durch G-Protein stimulierte Phospholipase C produziert Insositoltriphosphat (IP3). IP3 bewirkt einen Anstieg der cytosolischen Konzentration an Ca2+ durch die Freisetzung aus dem Endoplasmatischen Reticulum. Calcium entfaltet seine Wirkung über Calmodulin. Dieses bindet Calcium und aktiviert Proteinkinasen. Die entstehende Signalkaskade (vgl. 2.) überträgt das Signal bis die Antwort der Zelle erfolgt.

3. Antwort der Zelle am Beispiel des Phytohormons Gibberellin

Gibberellin bindet wahrscheinlich an einen membrangebundenen Rezeptor. Das Signal wird innerhalb der Zelle über G-Proteine und darauf folgende second messenger (Ca2+, cGMP) in den Zellkern geleitet. Das Signal bindet dann in Form eines Transkriptionsfaktors an die DNA, was die Expression der so aktivierten Gene aktiviert. Im Falle des Gibberellins hat sie eine physiologische Veränderung (z.B. Zellwachstum bei Internodienstreckung) zur Folge.

4. Quellen

Pflanzenbiochemie, 3. Auflage, Hans W. Heldt, Kapitel 19
Biologie, 6. Auflage, Campbell, Kapitel 11, 36
Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie, 2. Auflage, Alberts, Kapitel 15
www.itp.tu-bs.de

December 14th, 2005
Topic: Crop Science, Plant biochemie Tags: None

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