das Konzept der second messengers
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Bei diesem Thema wird man zunächst an die elektrische Anregung durch Nervenzellen denken, ein großer Teil der Informationsübertragungs- und Regelungsmechanismen basiert jedoch auf der spezifischen Freisetzung und Bindung kleiner Moleküle und Ionen. Dabei kann ein ursprünglich schwaches äußeres Signal, etwa die Bindung eines einzelnen Hormonmoleküls an einen spezifischen Rezeptor auf der Zelloberfläche, in einer Kaskade von Signalmechanismen im Zellinneren verstärkt werden. Der Zusammenhang der einzelnen Vorgänge kann schwer durchschaubar sein, weil durchaus mehrere dieser sekundären Signalsysteme zusammen oder auch einander entgegenwirken können. Gelegentlich werden daher in der Literatur Auseinandersetzungen ausgetragen, welcher sekundäre Botenstoff (second messenger) für einen bestimmten Effekt verantwortlich ist. Zu diesen Substanzen zählen etwa Inositoltriphosphat (IP3) und cyclische Nucleotide wie das cyclische Adenosinmonophosphat (cAMP). Besondere Aufmerksamkeit erfährt derzeit das Stickstoffmonoxid, dessen Funktion als second messenger erst vor kurzer Zeit erkannt wurde und in ihrem Mechanismus noch nicht vollständig verstanden wird.
In Anbetracht der vielfältigen Funktionen dieses Regelungsmechanismus kann es nicht verwundern, daß eine Reihe von Krankheiten mit Funktionsstörungen einzelner Elemente in Verbindung gebracht werden.
Calcium als second messenger
Calciumionen eine wesentliche Rolle bei der Steuerung der Funktion insbesondere von Muskelzellen spielen. Calcium ist besonders für diese Aufgaben geeignet, da es als kleines Ion (verglichen mit organischen Molekülen) relativ rasch im Zellmedium diffundieren kann. Dabei darf man selbstverständlich nicht von der Vorstellung eines nackten Ions ausgehen, in der Tat liefert die Abspaltung der Solvathülle einen erheblichen Beitrag zur Komplexierungsenergie. Die hohe Ladung stellt einen zusätzlichen Vorteil dar, da elektrostatische Wechselwirkungen die größte Bedeutung unter den nichtbindenden Wechselwirkungen besitzen. Gegenüber den anderen Metallionen zeichnet sich das Calciumion durch große Geschwindigkeitskonstanten der Assoziation und Dissoziation seiner Komplexe aus, es ist damit gewissermaßen prädestiniert für die Steuerung rasch ablaufender Vorgänge. Die Konzentrationen anderer Metallionen, die von Ladung und Radius her mit Calcium in Konkurrenz um die Bindestellen treten können, liegt auch innerhalb der Zelle so hoch, daß die Calcium-Bindestellen der Proteine eine erhebliche Spezifizität aufweisen müssen. Dabei tritt im wesentlichen Magnesium in Erscheinung, in geringerem Maße kommen auch Kalium- und Natriumionen für die Besetzung von Calcium-Bindestellen in Frage. Manche gerade der hochaffinen Calcium-Bindestellen sind daher in Gegenwart geringer Konzentrationen von Calciumionen teilweise mit Magnesiumionen belegt, die aber beim Einströmen von Calciumionen in das Zellinnere rasch von diesen verdrängt werden. In den vergangenen zwei Jahrzehnten konnte eine Vielzahl von Enzymen aus den verschiedensten Zelltypen isoliert und charakterisiert werden, deren Funktion direkt oder indirekt von der Präsenz von Calciumionen abhängig ist. Nicht alle dieser Proteine treten selbst mit Calciumionen in Wechselwirkung, ebenso ist auch die Aktivierung durch ein anderes Protein möglich, das seinerseits durch Bindung von Calciumionen aktiviert wurde.