Intrazelluläres Kalzium und sekundäre Botenstoffe

Sekundäre Botenstoffe sind kleine intrazelluläre Moleküle und Ionen, die an der Zelloberfläche empfangene Signale weiterleiten und verstärken. Kalziumionen sind die vielseitigsten unter ihnen: Zellen halten das zytosolische Kalzium sehr niedrig und setzen es in kontrollierten Schüben frei, um Reaktionen auszulösen, die von Muskelkontraktion bis zur Sekretion reichen. Neben Kalzium leiten Botenstoffe wie zyklisches AMP und Inositoltrisphosphat Signale von aktivierten Rezeptoren in das Zellinnere weiter.

Definition

Ein sekundärer Botenstoff ist ein kleines intrazelluläres Molekül oder Ion, dessen Konzentration sich als Reaktion auf die Rezeptoraktivierung ändert und das das Signal an nachgeschaltete Effektoren weiterleitet; intrazelluläres Kalzium ist ein zentrales Beispiel, das auf niedrigen zytosolischen Ruhespiegeln gehalten und mobilisiert wird, um zelluläre Reaktionen auszulösen.

Scope

Der Eintrag behandelt das Konzept des sekundären Botenstoffs, die Quellen und die Handhabung von intrazellulärem Kalzium (Eintritt durch die Plasmamembran und Freisetzung aus internen Speichern), den Inositol-Phospholipid-Signalweg, der Inositoltrisphosphat und Diacylglycerol erzeugt, sowie andere Botenstoffe wie zyklische Nukleotide. Er behandelt die Signalübertragung durch sekundäre Botenstoffe als Referenzthema in der Zellbiologie und ist keine klinische Leitlinie.

Core questions

• Warum halten Zellen das zytosolische Kalzium in Ruhe so niedrig?
• Woher stammt das signalgebende Kalzium und wie wird es freigesetzt?
• Wie verknüpft Inositoltrisphosphat Oberflächenrezeptoren mit der Kalziumfreisetzung?
• Wie werden Kalzium- und andere sekundäre Botenstoffsignale räumlich und zeitlich geformt?

Key concepts

• Konzept des sekundären Botenstoffs
• Niedriges zytosolisches Ruhekalzium
• Kalziumeintritt durch die Plasmamembran
• Kalziumfreisetzung aus internen Speichern
• Inositoltrisphosphat und Diacylglycerol
• Zyklische Nukleotide (cAMP, cGMP)
• Räumliche und zeitliche Musterbildung von Kalziumsignalen

Key theories

Inositoltrisphosphat (IP3)-Signalweg

Die Rezeptoraktivierung der Phospholipase C spaltet ein Membranphospholipid in IP3 und Diacylglycerol; IP3 diffundiert zum endoplasmatischen Retikulum und öffnet Kalziumfreisetzungskanäle, wodurch Oberflächensignale mit einem Anstieg des zytosolischen Kalziums verknüpft werden.

Mechanisms

Zellen halten das zytosolische Kalzium durch Pumpen und Austauschsysteme weit unter den extrazellulären und gespeicherten Konzentrationen, wodurch ein steiler Gradient entsteht, der für die Signalübertragung genutzt werden kann. Wenn ein Stimulus eintrifft, tritt Kalzium durch Plasmamembrankanäle ein oder wird aus internen Speichern freigesetzt, hauptsächlich aus dem endoplasmatischen (und in Muskeln dem sarkoplasmatischen) Retikulum. Ein wichtiger Freisetzungsweg beginnt, wenn Rezeptoren die Phospholipase C aktivieren, die ein Membranphospholipid in Inositoltrisphosphat (IP3) und Diacylglycerol spaltet; IP3 öffnet retikuläre Kalziumfreisetzungskanäle, während Diacylglycerol die Proteinkinase C aktiviert. Der resultierende Kalziumanstieg bindet Effektorproteine, um Reaktionen auszulösen, und wird zu transienten Spitzen, Wellen oder Oszillationen geformt, deren Timing und Ort Informationen kodieren. Andere sekundäre Botenstoffe, insbesondere zyklisches AMP und zyklisches GMP, die nachgeschaltet von verschiedenen Rezeptoren erzeugt werden, leiten Signale parallel weiter. Signale werden beendet, indem Kalzium zurück in Speicher oder aus der Zelle gepumpt und zyklische Nukleotide abgebaut werden, wodurch das System zurückgesetzt wird.

Clinical relevance

Kalzium- und sekundäre Botenstoff-Signalübertragungen liegen grundlegenden physiologischen Prozessen wie Muskelkontraktion, Neurotransmitter- und Hormonsekretion sowie Genexpressionsreaktionen zugrunde. Daher ist ihr Verständnis grundlegend für die Interpretation vieler zellulärer Prozesse in Gesundheit und Krankheit. Dieser Eintrag beschreibt Signalmechanismen zu Referenzzwecken und ist keine Grundlage für Diagnose oder Behandlung.

History

Das Konzept des sekundären Botenstoffs entstand Mitte des 20. Jahrhunderts mit der Entdeckung von zyklischem AMP als intrazellulärem Relais der Hormonwirkung. Kalzium wurde anschließend als nahezu universelles intrazelluläres Signal erkannt, und die 1980er und 1990er Jahre klärten den Inositol-Phospholipid-Signalweg auf, indem IP3 als der Botenstoff identifiziert wurde, der Kalzium aus internen Speichern freisetzt. Spätere Arbeiten betonten die räumliche und zeitliche Musterbildung von Kalziumsignalen – Spitzen, Wellen und Oszillationen – als Mittel zur Kodierung unterschiedlicher Reaktionen.

Key figures

• Michael J. Berridge
• Robin F. Irvine

Seminal works

• berridge-2000
• berridge-irvine-1993

Frequently asked questions

Was ist ein sekundärer Botenstoff?

Ein sekundärer Botenstoff ist ein kleines intrazelluläres Molekül oder Ion, wie Kalzium, zyklisches AMP oder Inositoltrisphosphat, dessen Konzentration sich nach der Aktivierung eines Rezeptors ändert und das das Signal an Effektoren innerhalb der Zelle weiterleitet.

Warum halten Zellen das zytosolische Kalzium so niedrig?

Das sehr niedrige Ruhekalzium im Zytosol erzeugt einen steilen Gradienten zum extrazellulären Raum und zu internen Speichern, sodass das Öffnen von Kalziumkanälen einen schnellen, starken Anstieg bewirkt, der als präzises Signal dienen kann.