Hartmut Kuthan - Zufall im Leben der Zelle

In beiden, hier vereinfacht dargestellten, Systemen binden die multimeren Repressormoleküle sehr fest an die Operatoren und blockieren diese praktisch vollständig. Das ist ein erstaunliches Phänomen angesichts der wenigen vorhandenen Repressormoleküle, welche die Operatorsequenzen wirkungsvoll blockieren können.

Die Bindungsstärke des Lac -Repressors an den Operator verringert sich in Gegenwart eines Induktors wie Lactose beziehungsweise Allolactose oder IPTG (Isopropyl-ß-D-thiogalactopyranosid) um mehrere Größenordnungen, was zu einer fast vollständigen Aufhebung der Blockade des Operators und Initiierung der Transkription der Lac -Gene führt. Dieses Bild vermittelten quantitative Bestimmungen der Dissoziationskonstante in vitro , bei Anwendung des Massenwirkungsgesetzes. Tatsächlich wurden in einzelnen E. coli -Bakterien, in Abwesenheit eines Induktors, im Mittel nur fünf ß-Galactosidase-Moleküle gefunden, in voll-induzierten Zellen dagegen über 2.000.24

Diese Übereinstimmung bedeutet jedoch nicht, dass das Massenwirkungsgesetz bedenkenlos auf Reaktionen in der E. coli -Zelle anwendbar ist. Wie wir bereits sahen, ist das MWG eine Relation zwischen den molaren Konzentrationen der Reaktionspartner, gültig unter Bedingungen wie sie in verdünnten Lösungen näherungsweise gegeben sind. Das Zytoplasma der E. coli- Zelle ist jedoch funktionell und strukturell organisiert und „dicht gepackt“ mit niedrigmolekularen Molekülen, Makromolekülen und makromolekularen Komplexen wie den zahlreichen Ribosomen – in physikochemischer Terminologie: inhomogen, anisotrop (richtungsabhängige Eigenschaften aufweisend), hochgradig viskos und diffusionsbehindernd – unter anderem durch strukturelle Barrieren wie die kompakte DNA-Ringstruktur.25 Darüber hinaus gibt es noch einen – entscheidenden – Einwand im Fall der Lac- und Lambda-Systeme : Sowohl die Lac -Repressormoleküle als auch die λ -Repressormoleküle liegen nicht in freier, gelöster Form vor, sondern sind mehrheitlich – im Zeitmittel zu etwa 90 % – an die rund 4,64 Millionen Basenpaare umfassende E. coli -DNA unspezifisch gebunden.26

Letzteres ist ein Beispiel für eine funktionelle Mikrokompartimentierung, durch welche die Wahrscheinlichkeit für spezifische Interaktionen enorm erhöht werden kann. Wie die Repressormoleküle ihre spezifischen Bindungsorte, die Operator-DNA-Sequenzen, lokalisieren, ist nicht sicher geklärt – wiederholte Zyklen von Dissoziation und Reassoziation unter Beteiligung elektrostatischer Kräfte, eindimensionale Diffusion entlang der DNA und andere Mechanismen werden diskutiert. Sicher ist, dass es sich hierbei um stochastische Prozesse handelt, und zwar um äußerst wirksame, schnelle Prozesse, die bis heute nichts an Faszination verloren haben. Sobald ein Repressormolekül in die unmittelbare Nähe der spezifischen Operator-Sequenzen gelangt ist, können Mikrokollisionen stufenweise zur Entstehung eines spezifischen Bindungskomplexes führen. Diese diffusionsvermittelten Assoziationsprozesse wurden mittels Computersimulationen intensiv analysiert.27

Weiterhin bleibt zu erklären, wie es nach erfolgter Assoziation zu einer dauerhaften Blockade der Operatoren durch wenige oder gar einzelne Repressormoleküle kommt. Offensichtlich sind es die besonderen strukturellen und physikochemischen Eigenschaften der beteiligten Makromoleküle und des Nukleoids, der kompakten DNA-Struktur in vivo , welche die erstaunliche Effizienz der Repression bewirken. Der tetramere Lac -Repressor ist ein komplexes Protein: Je zwei der vier Untereinheiten bilden ein Dimer, die beiden Dimere binden an zwei, höchstens 600 Basenpaare entfernte, separate DNA-Bindungsorte (Operatoren), hierdurch eine Schleife bildend. Diese kooperative Bindung an die DNA bewirkt eine drastische Erhöhung der Bindungsfestigkeit, in vitro fast um den Faktor 100.28

Molekulare „Schalter“ wie der Lac -Repressor-Operator-Komplex können als molekulare Signalwandler angesehen werden, argumentierte Max Delbrück im Jahre 1972. Allolactose, die durch ß-Galactosidase aus Lactose gebildet wird, ist hierbei das chemische „Signal“. Durch die Bindung eines Allolactosemoleküls an den Repressor wird dessen Bindung an die Operatorsequenz soweit herabgesetzt, dass der Promotor für die RNA-Polymerase zugänglich wird, die nun die gemeinsame mRNA für die drei Enzyme (ß-Galactosidase, Permease und Transacetylase) synthetisiert. Wenn der Allolactosespiegel unter einen Schwellenwert absinkt, gewinnt die konkurrierende Bindung des Repressors wieder die Oberhand, sodass die mRNA-Synthese blockiert wird.

Die Regulation durch Operons bewirkt, dass die Bakterienzelle nicht alle Proteine ständig vorhalten muss, sondern bestimmte Proteine nur synthetisiert werden, wenn sie durch entsprechende Stimuli aus der sich ständig verändernden Umwelt induziert werden. Den Alles-oder-nichts-Mechanismus der Induktion des Lactosesystems beschrieben zuerst Nowick und Weiner im Jahre 1957. Isoliert vom übrigen Zellgeschehen betrachtet, ist diese Form der Regulation ein einfacher Regelkreis, wie er in der Kybernetik seit den 1940er Jahren behandelt wird.29

Die Begriffe „Signal“ und „Signalwandlung“ lenken auf den Begriff der Information , der aus der Biologie nicht mehr wegzudenken ist. Signale transportieren Informationen. Vorbereitet durch die Kybernetik, und besonders durch die Shannon’sche Informationstheorie, hielt der Informationsbegriff mit der Molekularbiologie Einzug in biologische Denkmuster. Erinnert sei an das von Francis Crick formulierte „zentrale Dogma der Molekularbiologie“ und das zuvor skizzierte Lac- Operon-Modell. Zumeist handelt es sich, wie in den beiden genannten Fällen, um semantische Information, welche die Bedeutung der Nachricht des Signals betrifft.

Indessen sind nur der syntaktische Informationsbegriff (durch die Shannon’sche Theorie) und der algorithmische Informationsbegriff formal definiert. Information bedeutet in Shannons Theorie die mittlere Anzahl der Ja-nein-Entscheidungen, die erforderlich sind, „um eine bestimmte Zuordnung innerhalb einer gegebenen Anzahl von Alternativen treffen zu können“.30 Warren Weaver hatte bereits im Jahre 1949 gewarnt:

Das Wort Information wird in dieser Theorie [Shannons Kommunikationstheorie] in einem speziellen Sinn gebraucht, die nicht mit seinem gewöhnlichen Gebrauch durcheinander gebracht werden darf. Insbesondere darf Information nicht mit Bedeutung verwechselt werden (…) Der Begriff der [syntaktischen] Information ist nicht auf eine einzelne Botschaft anwendbar (…)31

Aus dieser Klarstellung ergibt sich folgerichtig, dass die Wörter Information und Signal im biologischen Kontext oft im metaphorischen Sinne gebraucht werden, es sei denn, dass explizit auf die Shannon’sche Information Bezug genommen wird.

Bevor wir uns erneut konkreten zellulären Signalübertragungen zuwenden, erscheint es sinnvoll, noch auf einen weiteren, für das Verständnis interzellulärer Signalübertragungen unentbehrlichen, Schlüsselbegriff einzugehen – den Begriff Rezeptor .

Dieser Begriff hat eine mehr als hundert Jahre zurückreichende Geschichte: Paul Ehrlich (1854 - 1915) führte den Begriff des Rezeptors bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein. Er ging davon aus, dass „Medikamente nicht wirken, wenn sie nicht gebunden sind“. Dazu postulierte er bestimmte chemische Strukturen auf der Zelloberfläche, die für die selektive Bindung von Substanzen verantwortlich sind.

Frühe Unterstützung – und Korrekturen – erhielten Ehrlichs Vorstellungen durch die Experimente des Physiologen John N. Langley (1852 - 1925). Langley entwickelte als Erster, und unabhängig von Paul Ehrlich, die Vorstellung spezifischer Rezeptoren für pflanzliche Gifte und Hormone. Der Pharmakologe Alfred J. Clark (1885 - 1941) schuf nachfolgend eine umfassende Theorie auf der Grundlage des Rezeptorkonzepts. Indes blieben Rezeptoren bis in die 1960er Jahre umstritten, sie galten lediglich als hypothetische Strukturen.