Zellkommunikation

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 7. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Die Zellkommunikation ist ein Prozess, der sich aus der interzellulären und intrazellulären Kommunikation zusammensetzt. So werden über Botenstoffe zunächst zwischen den Zellen Informationen ausgetauscht. Innerhalb der Zelle wird das Signal dann über Rezeptoren und sekundäre Botenstoffe weitergegeben und sogar verstärkt.

Was ist die Zellkommunikation?

Die Zellkommunikation ist ein Prozess, der sich aus der interzellulären und intrazellulären Kommunikation zusammensetzt.

Die Zellkommunikation dient der Weiterleitung äußerer Reize durch die Signalübertragung zwischen den Zellen und innerhalb der Zellen. Die äußere Signalweitergabe erfolgt über spezielle Botenstoffe wie Hormone, neurotransmittervermittelte oder ionenvermittelte elektrische Reizweiterleitungen, zellgebundene Oberflächenmoleküle oder hochmolekulare Stoffe im Interzellularraum.

Über Rezeptoren oder sogenannte Gap Junctions gelangen die Signale ins Zellinnere und lösen dort je nach Übertragungsweg eine Kaskade von Reaktionen aus. So bilden sich in der Zelle Second Messengern (sekundäre Botenstoffe), die das Signal zur Zielstelle weiterleiten und gleichzeitig verstärken. Eine Signalverstärkung findet deshalb statt, weil ein äußeres Signal die Bildung einer Vielzahl von Second Messengern zur Folge hat.

Im Unterschied zur interzellulären Kommunikation werden bei der intrazellulären Kommunikation die Signale in der Zelle aufbereitet und in eine Reaktion umgesetzt. Hier wird die Information nicht von Zelle zu Zelle übertragen, sondern von chemischen Botenstoffen unter Verstärkung bis zum zellulären Zielort weitergeleitet. Dieser gesamte Prozess der intrazellulären Kommunikation wird auch als Signaltransduktion bezeichnet.

Funktion & Aufgabe

Der Beginn der intrazellulären Kommunikation wird durch extra- oder intrazelluläre Stimuli ausgelöst. Zu den extrazellulären Auslösern zählen unter anderem Hormone, Wachstumsfaktoren, Zytokine, Neurotrophine oder Neurotransmitter. Des Weiteren sind auch Umwelteinflüsse wie Licht- oder Schallwellen extrazelluläre Stimuli.

Intrazellulär lösen oft Kalzium-Ionen die Signaltransduktionskaskaden aus. Die extrazellulären Signale werden zunächst durch Rezeptoren aufgenommen, die sich in der Zelle oder in der Zellmembran befinden. Dabei wird zwischen cytosolischen und membranständigen Rezeptoren unterschieden.

Cytosolische Rezeptoren befinden sich innerhalb der Zelle im Zytoplasma. Sie stellen Angriffspunkte für kleine Moleküle dar, welche die Zellmembran leicht passieren können. Dazu zählen Steroide, Retinoide, Kohlenmonoxid und Stickstoffmonoxid. So sorgen Steroidrezeptoren nach ihrer Aktivierung für die Bildung von Second Messengern, die für Transkriptionsprozesse zuständig sind.

Die membranständigen Rezeptoren befinden sich in der Zellmembran und haben sowohl extrazelluläre als auch intrazelluläre Bereiche. Bei der Signalübertragung docken die Signalmoleküle am extrazellulären Bereich des Rezeptors an und sorgen durch dessen Konformationsänderung für die Weiterleitung des Signals zum intrazellulären Bereich. Dort finden dann biochemische Prozesse statt, die eine Kaskade von Second Messengern bilden lässt.

Die membranständigen Rezeptoren werden in drei Gruppen aufgeteilt, in die Ionenkanäle, die g-proteingekoppelten Rezeptoren und die enzymgekoppelten Rezeptoren. Bei den Ionenkanälen gibt es wiederum ligandengesteuerte und spannungsgesteuerte Ionenkanäle. Es handelt sich hierbei um transmembrane Proteine, die in Abhängigkeit vom Signal aktiviert oder deaktiviert werden und dadurch die Durchlässigkeit für bestimmte Ionen ändern.

Ein g-proteingekoppelter Rezeptor veranlasst bei Aktivierung das G-Protein dazu, in zwei Bestandteile zu zerfallen. Diese beiden Bestandteile sind aktiv und sorgen für die Weiterleitung des Signals durch Bildung bestimmter Second Messenger.

Enzymgekoppelte Rezeptoren sind ebenfalls membranständige Rezeptoren, die bei Signalübertragung die an sie gebundenen Enzyme freisetzen. So gibt es sechs Klassen von enzym-gebundenen Rezeptoren. Je nach aktiviertem Rezeptor werden die entsprechenden Signale umgesetzt. Beispielsweise stellt die Rezeptor-Tyrosinkinase den Rezeptor für das Hormon Insulin dar. Damit wird die Wirkung von Insulin über diesen Rezeptor vermittelt.

Manche Zellen sind über sogenannte Gap Junctions verbunden. Gap Junctions sind Kanäle zwischen benachbarten Zellen und stellen eine Form von intrazellulärer Kommunikation dar. Wenn ein Signal eine bestimmte Zelle erreicht, sorgen die Gap Junctions für dessen schnelle Ausbreitung innerhalb der benachbarten Zellen.

Krankheiten & Beschwerden

Sind die Immunzellen betroffen, treten als Folge Immundefekte auf. Autoimmunerkrankungen und Allergien haben ihre Ursache in der fehlerhaften Verarbeitung von intrazellulären Signalübertragungsprozessen. Aber auch Erkrankungen wie Diabetes mellitus oder Arteriosklerose sind oft die Folge von unwirksamen Rezeptoren. So kann bei Diabetes beispielsweise genügend Insulin vorhanden sein. Aufgrund fehlender oder unwirksamer Insulin-Rezeptoren besteht hier jedoch eine Insulinresistenz. In der Folge wird noch mehr Insulin produziert. Schließlich kann es zur Erschöpfung der Bauchspeicheldrüse kommen.

Auch viele psychische Erkrankungen sind auf Störungen der intrazellulären Zellkommunikation zurückzuführen, denn in vielen Fällen ist die Signalübertragung durch ungenügend wirksame Rezeptoren für Neurotransmitter nicht ausreichend gewährleistet.

Eine wichtige Rolle für psychische Erkrankungen spielen auch die Neurotransmitter. So wird etwa untersucht, welche Störungen in den komplexen Prozessen der Signalübertragung zu Erkrankungen wie Depressionen, Manien, bipolaren Störungen oder Schizophrenien führen können.

Auch genetische Ursachen können zu einer Störung der intrazellulären Kommunikation führen. Ein besonderes Beispiel erblich bedingter Erkrankungen bezieht sich auf die Gap Junctions. Wie bereits erwähnt, sind die Gap Junctions Kanäle zwischen benachbarten Zellen. Sie werden durch Transmembranproteine, den Connexin-Komplexen, gebildet. Mehrere Mutationen dieser Eiweiß-Komplexe können zu hochgradiger Schwerhörigkeit oder gar Taubheit führen. Ihre Ursache liegt in der fehlerhaften Funktion der Gap Junctions und der daraus folgenden Störung in der Zellkommunikation.

Quellen

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