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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Signalübertragung in Zellen |
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| | | Zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen müssen die einzelnen Zellen untereinander kommunizieren. Wie aber funktioniert die Signalübertragung einer Zelle tatsächlich? Mit dieser Frage beschäftigt sich Bibiane Steinecker-Frohnwieser im Rahmen ihres "Hertha-Firnberg" - Projektes, das sie in einem Gastbeitrag für science.ORF.at vorstellt. |
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Ionenkanäle - Spezialisten unter den Membranproteinen |
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Von Bibiane Steinecker-Frohnwieser
Jeder Organismus ist aus einer Vielzahl von Zellen aufgebaut, die unterschiedlichste Funktionen und Spezifitäten besitzen. Abgegrenzt werden die Zellen nach außen durch Zellmembranen, die selektiv Substanzen in das Innere der Zelle weiter leiten.
Diese Membranen beherbergen nun mehr oder weniger spezifische Eiweißkörper (Proteine), unter anderen Ionenkanäle, die sogenannte wassergefüllte Poren darstellen, die hochselektiv den Ionenaustausch zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle ermöglichen.
Durch äußere Einflüsse, wie zum Beispiel Veränderungen des Ionenmilieus an der Zellmembran (Depolarisation) oder der Ausschüttung verschiedenster Transmitterstoffe, erfolgt die Öffnung der Kanäle, wodurch Signale verschiedenster Art, an die Zelle weitergegeben werden.
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Depolarisation
Die Zellmembran verhindert, dass sich das Zellinnere mit dem umgebenden Medium vermengt. Demzufolge können geladene Ionen nicht ungehindert diese Schranke passieren. Die Membran fungiert als elektrischer Widerstand, vergleichbar einem Kondensator. Es kann sich ein sogenanntes Membranpotential einstellen. Bei einer Depolarisation kommt es zu einer Veränderung des Membranpotentials und spannungsabhängige Ionenkanäle können aktiviert werden. |
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Zusammenspiel von Ionenkanälen |
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Die Erregungsausbreitung in Nervenzellen sowie dem Herzmuskel stellt ein Zusammenspiel verschiedenste Ionenkanäle dar, indem jedoch der spannungsabhängige Natriumkanal (die Aktivierung bewirkt einen selektiven Natrium Einstrom in die Zelle) eine entscheidende Rolle spielt.
Im Rahmen der Hertha-Firnberg Nachwuchsstelle beschäftige ich mich mit der Regulation des Herz-Natrium Kanals über ein zelluläres Regulatorprotein, der cAMP abhängigen Proteinkinase (PKA, Proteinkinase A).
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Proteinkinasen
Proteinkinasen sind Enzyme (Proteine, Eiweißstoffe), die eine Übertragung eines Phosphat-Restes auf ein Zielprotein vermitteln. Dieser als Phosphorylierung bezeichnete Vorgang, reguliert die Aktivität verschiedenster Eiweiße wie Enzyme und Membrankanäle. |
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Untersuchung von Ionenströmen |
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Ein in unserer Forschungsstätte bis zur Perfektion ausgereiftes System (2EVC), ermöglicht neben Standardmethoden der Molekularbiologie und Biochemie, die Untersuchung von exakt vorgegebenen Ionenströmen.
Zu diesem Zwecke werden Eizellen (Oocyten) des Südafrikanischen Krallenfrosches Xenopus laevis mit genetischem Material (RNA) injiziert. Der über den Einbau von Ionenkanälen in die Membran entstehende Strom, kann mit Hilfe von Elektroden und einer aufwendigen Messelektronik analysiert werden.
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Zwei-Elektroden-Voltage-Clamp (2EVC)
Im Jahre 1949 wurde durch Cole, Marmont, Katz sowie von Hodgkin und Huxley ein neues Messverfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die Membran kontrolliert bei einem bestimmten Potential festgehalten und der daraus resultierende Membranstrom gemessen werden kann. Demzufolge, werden Änderung im Strom, einer auf einem beliebig vorgewählten Potential gehaltenen Membran mit Hilfe dieser Technik messbar. Lebensnotwendige Stromschwankungen im nano-Amper Bereich, hervorgerufen durch das Öffnen und Schließen von Ionenkanälen, können so makroskopisch wahrgenommen werden. |
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Vielfältige Signalübertragung |
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Während meiner Dissertation konnte ich bereits zeigen, dass die Aktivierung der zelleigenen Proteinkinase A eine Zunahme des kardialen Natriumstroms in Xenopus laevis Oocyten bewirkte. Eingeleitet wurde diese Signalkaskade durch Zugabe eines beta-adrenergen Agonisten, wodurch die einzelnen Zwischenschritte, bis hin zur aktivierten Kinase, aufgeklärt werden konnte.
Ebenso konnte der für die Regulation durch PKA verantwortliche Teil des Kanalproteins identifiziert werden. Ungeklärt sind bislang exakte Angaben zum molekularen Geschehen am Kanalprotein selbst, dessen Aufklärung ein weiteres Puzzlestück in der Vielfalt und Genialität der Signalübertragung der Bausteine des Lebens sein kann.
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Signalübertragung
Die Aufrechterhaltung sämtlicher Lebensfunktionen erfordert die Kommunikation der einzelnen Zellen untereinander. Die Umwandlung externer Signale in zellinterne erfolgt über Botenstoffe deren Informationen an der Zellmembran in chemische oder elektrische Prozesse umgewandelt und in das Innere der Zelle bis hin zum Effektor weitergeleitet werden. |
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Das "Hertha-Firnberg" - Programm
Dr. Bibiane Steinecker-Frohnwieser studierte an der Universität Graz Biologie und promovierte 1997. Die Sackler Medical School in Tel Aviv und das California Institute of Technology zählen zu ihren wissenschaftlichen Stationen. 1998 erhielt sie den Hoechst-Preis.
Im Jahr 2001 wurde sie mit einer Stelle im Rahmen des Hertha-Firnberg-Programmes ausgezeichnet, das vom Wissenschaftsfonds (FWF) im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft und Kultur durchgeführt wird. |
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 FWF |
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Weitere FWF-Gastbeiträge über das "Hertha-Firnberg" - Programm
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01.01.2010 |
