Rezeptor Definition
Ein Rezeptor ist ein Protein, das an ein bestimmtes Molekül bindet. Das Molekül, an das es bindet, wird als Ligand bezeichnet. Ein Ligand kann ein beliebiges Molekül sein, von anorganischen Mineralien bis hin zu vom Organismus gebildeten Proteinen, Hormonen und Neurotransmittern. Der Ligand bindet an die ligandenbindende Stelle auf dem Rezeptorprotein. Wenn diese Bindung stattfindet, erfährt der Rezeptor eine Konformationsänderung. Durch diese Formveränderung wird die Funktion des Proteins leicht verändert. Daraus kann eine Reihe von Dingen entstehen. Die Konformationsänderung im Rezeptor kann dazu führen, dass der Rezeptor zu einem Enzym wird und aktiv bestimmte Moleküle verbindet oder trennt.
Die Änderung kann auch eine Reihe von Veränderungen in verwandten Proteinen verursachen, die schließlich eine Art Nachricht an die Zelle übermitteln. Diese Nachricht könnte eine Stoffwechselregulierung sein, oder es könnte ein sensorisches Signal sein. Der Rezeptor hat eine bestimmte Fähigkeit, den Liganden festzuhalten, die als Bindungsaffinität bezeichnet wird. Sobald diese Anziehungskraft nachlässt, gibt der Rezeptor den Liganden frei, nimmt seine ursprüngliche Form wieder an und die Nachricht oder das Signal endet. Die Geschwindigkeit dieses Umsatzes hängt von der Stärke der Affinität zwischen Rezeptor und Ligand ab.
Auch andere Moleküle können sich an die Ligandenbindungsstelle auf einem Rezeptor anlagern. Diese werden als agonistische Moleküle bezeichnet, wenn sie die Wirkung des natürlichen Liganden imitieren. Viele Medikamente, sowohl verschreibungspflichtige als auch illegale, sind synthetische Agonisten für Moleküle wie Endorphine, die ein Gefühl der Zufriedenheit erzeugen. Allerdings haben diese Moleküle oft eine stärkere Affinität zum Rezeptor als der natürliche Ligand. Das bedeutet, dass der Agonist länger am Rezeptor haften bleibt, weshalb sich bei bestimmten Drogen und Schmerzmitteln Toleranzen entwickeln. Um die gleiche Anzahl von Nerven zum Feuern zu bringen, wenn so viele bereits durch das Medikament blockiert sind, ist eine viel höhere Dosierung erforderlich.
Weitere Moleküle können wie Antagonisten wirken, also Moleküle, die die Bindungsstelle des Liganden am Rezeptor blockieren, aber nicht zulassen, dass der Rezeptor eine Konformationsänderung erfährt. Dadurch wird ein Signal vollständig blockiert. Zu den Rezeptorantagonisten gehören Medikamente, die zur Entwöhnung von der Heroin- und Alkoholabhängigkeit eingesetzt werden. Diese wirken, indem sie den Konsum der Droge nicht mehr lustvoll machen. Andere Antagonisten sind bestimmte Proteine in Schlangengift, die plättchenbindende Proteine imitieren. Die Rezeptoren, die normalerweise die Blutplättchen verbinden und Blutungen verhindern würden, werden dadurch deaktiviert. Dies kann zu inneren Blutungen und zum Tod führen. Pharmazeutische Unternehmen sind sowohl an Agonisten als auch an Antagonisten interessiert, weil sie das Potenzial haben, wirksame Medikamente zu entwickeln.
Rezeptortypen
Es gibt buchstäblich Tausende von verschiedenen Rezeptortypen im Körper von Säugetieren. Obwohl es viel zu viele sind, um sie alle aufzuzählen, lassen sich die Rezeptoren in einige sehr breite Funktionskategorien einteilen. Viele werden in der „zellulären Signalgebung“ verwendet, einem enorm komplexen System von Signalen und Reaktionen, das fast ausschließlich durch Rezeptoren und die Liganden, die sie empfangen, vermittelt wird. Dazu gehören in die Zellmembran eingebettete Rezeptorproteine, die beim Empfang eines Liganden andere Sequenzen aktivieren, und die im Immunsystem vorkommenden Rezeptoren, die so strukturiert sind, dass sie eindringende Proteine und Moleküle finden. Im Folgenden wird das allgemeine Modell der Zellsignalisierung dargestellt, das viele verschiedene Formen annehmen kann.
Ein weiterer Rezeptortyp ist der gated ion channel, der bei der Anlagerung eines Liganden einen speziellen Durchgang öffnet und Ionen frei durch die Membran fließen lässt. Durch diese Aktion geht die elektrische Spannung, die über der Membran aufrechterhalten wird, verloren und die Region wird depolarisiert. Wenn große Bereiche von Zellen wie Neuronen depolarisiert werden, wird ein Aktionspotential erzeugt. Dieses wandert als elektrisches Signal den Nerv hinunter. Am Ende der Nervenzelle werden Neurotransmitter freigesetzt, die als Liganden auf die Rezeptoren der nächsten Nervenzelle wirken. Auf diese Weise wandert das Signal schnell durch den Körper und beruht auf der Wirkung und Reversibilität von Rezeptorproteinen.
Weitere Rezeptoren haben eine hohe Affinität zu ihrem Liganden und werden für Funktionen wie die Bindung der Zelle an die extrazelluläre Membran und andere Zellen eingesetzt. Diese Rezeptorproteine verändern noch ihre Form, wenn ihr Ligand gebunden ist und signalisieren der Zelle, dass sie in Kontakt mit anderen Zellen steht. Verschiedene Organismen nutzen dies auf unterschiedliche Weise. Mehrzellige Tiere nutzen dies, um ihre Zellen zu orientieren und die Verbindungen zwischen ihnen sicherzustellen. Einzellige Organismen können diese Rezeptoren verwenden, um einen Verteidigungsmechanismus oder eine andere Aktion zu signalisieren, wenn der Raum zu eng wird. Viele Rezeptorproteine sind bei Tieren allgegenwärtig, da sie aufgrund ihrer extremen Nützlichkeit im Laufe der Evolution konserviert wurden.
Beispiele für einen Rezeptor
Die Insulinreaktion
Insulin ist ein extrem wichtiges Hormon, das hilft, die Menge an Glukose im Blut zu regulieren. Glukose ist der Hauptbrennstoff für die Zellen, aber sie braucht ein spezielles Transportmolekül, Glut4, damit sie in die Zelle gelangt. Beachten Sie die Abbildung unten.
Wenn der Blutzuckerspiegel ansteigt, erkennen dies spezielle Rezeptoren in der Bauchspeicheldrüse und beginnen mit der Produktion und Freisetzung von Insulin in den Blutkreislauf. Fast alle Zellen im Körper haben Insulinrezeptorproteine. Wenn diese Rezeptorproteine mit Insulin in Kontakt kommen, bindet es an die Ligandenbindungsstelle auf dem Rezeptorprotein. Dies bewirkt eine Konformationsänderung des Proteins. Diese Veränderung des Rezeptors setzt eine Reihe weiterer Reaktionen in Gang, die von assoziierten Proteinen ausgelöst werden. Diese Proteine bilden ein Botenmolekül, das die Bewegung von Glut4 zur Zellmembran beeinflusst. Solange Insulin vorhanden ist, geschieht dies schnell. Die Vesikel, die Glut4 enthalten, verschmelzen mit der Membran, binden Glukose und transportieren sie in die Zelle. Wenn das Insulin verschwindet, wird die Insulinproduktion gestoppt und die Aufnahme von Glukose wird unterbunden. Daran ist nicht nur das Insulinrezeptorprotein beteiligt, sondern eine Reihe weiterer Rezeptoren, die bei assoziierten Reaktionen und anderen Zellen verwendet werden. Wie man sieht, kann die Rolle eines Rezeptors ziemlich kompliziert werden.
Geschmacksreaktion
Eine andere Art von Rezeptor kann man am Beispiel eines Geschmacksnervs sehen. Teile des Nervs projizieren in die Mundschleimhaut. Wenn Zucker, Salz oder andere Moleküle gegessen werden, lösen sie sich im Speichel und werden in der Schleimhaut verteilt. Für jeden dieser Liganden gibt es verschiedene Zellen mit spezifischen Rezeptoren. Diese Rezeptoren sind gated Ionenkanäle, wie in einer Nervenzelle. Wenn sich ein Ligand an sie anlagert, lassen sie Ionen durch die Membran passieren. Dadurch wird ein Bereich der Membran depolarisiert. Wenn genügend Ligandenmoleküle vorhanden sind, werden viele Rezeptoren auf einmal aktiviert, was ein Aktionspotential auslöst.
Diese Welle der Depolarisation bewegt sich die Nervenzelle hinunter, bis sie die andere Seite erreicht. Dort angekommen, werden spezielle Kapseln, die Neurotransmitter enthalten, durch das Aktionspotential gesprengt, wodurch die Liganden in den Raum zwischen den Nerven freigesetzt werden. Die Rezeptoren und der nächste Nerv nehmen den Liganden auf, und der Prozess beginnt von vorne. Dies geschieht mehrmals zwischen der Zunge und dem Gehirn. Schließlich erreicht das Signal die Verarbeitungszentren im Gehirn, und der „süße“ Geschmack wird erfasst. Das alles geschieht in Bruchteilen einer Sekunde.
Quiz
1. Welcher der folgenden ist ein Rezeptor?
A. Ein Protein, das die Aktivierungsenergie einer Reaktion senkt, wenn ein Substrat vorhanden ist
B. Ein Protein, das einen Liganden akzeptiert und dadurch eine Folge von weiteren Reaktionen auslöst
C. Ein Strukturprotein, das nicht an andere Moleküle bindet
2. Welche der folgenden Aufgaben gehört NICHT zu den Aufgaben von Rezeptoren?
A. Empfangen eines Liganden
B. Übertragen eines Signals
C. Energie speichern
3. Ein Pharmaunternehmen entwickelt ein neues Medikament. Das Medikament ist ein Antagonist für Schmerzrezeptoren und blockiert das Schmerzempfinden. Das Medikament wirkt, aber das Unternehmen ist besorgt, dass die Affinität des Medikaments für den Rezeptor zu hoch ist. Warum ist das ein Grund zur Sorge?
A. Es ist kein Grund zur Sorge
B. Eine hohe Affinität bedeutet, dass die Leute nur eine Dosis kaufen müssen
C. Das Medikament kann am Rezeptor haften bleiben
- Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., Bretscher, A., . . . Matsudaira, P. (2008). Molekulare Zellbiologie (6. Aufl.). New York: W.H. Freeman and Company.
- Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2008). Principles of Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company.
- Widmaier, E. P., Raff, H., & Strang, K. T. (2008). Vander’s Human Physiology: The Mechanisms of Body Function (11th ed.). Boston: McGraw-Hill Higher Education.