SlideShare ist ein Scribd-Unternehmen logo
Zellbiologie

Inhaltsverzeichnis

Zellen - Grundelemente aller Lebewesen.......................................................................................................... 5
    Die Bausteine der Zellen............................................................................................................................................... 5
Allgemeiner Aufbau eukaryontischer Zellen..................................................................................................... 9
    Membranen.................................................................................................................................................................... 9
    Der Zellkern.................................................................................................................................................................. 10
    Peroxisomen................................................................................................................................................................ 14
    Mitochondrien.............................................................................................................................................................. 14
    Chloroplasten.............................................................................................................................................................. 15
    Das Cytoskelett............................................................................................................................................................ 16
    Zellbiologie der Bakterien........................................................................................................................................... 17
Grundprozesse der Molekularbiologie: Von der DNS zum Proteïn...............................................................19
    Die DNS........................................................................................................................................................................ 19
    Replikation................................................................................................................................................................... 19
    Transkription................................................................................................................................................................ 21
    Translation................................................................................................................................................................... 22
    Proteïnfaltung.............................................................................................................................................................. 25
    Proteïnabbau................................................................................................................................................................ 25
Einzelne Aspekte der Molekularen Zellbiologie.............................................................................................. 27
    Signaltransduktion...................................................................................................................................................... 27
    Apoptose...................................................................................................................................................................... 27
Anhang............................................................................................................................................................... 29
    Abbildungsverzeichnis............................................................................................................................................... 29
    Formelverzeichnis....................................................................................................................................................... 30




                                                                                           -3-
Zellbiologie


Zellen - Grundelemente aller Lebewesen
   Alle Organismen bestehen aus Zellen, die sich in ihrem Aufbau und ihren Grundfunktionen ähneln. Zellen sind nach
außen von einer Zell- oder Plasmamembran umschlossen, die den regulierten Austausch von Substanzen mit der
Umgebung er-möglicht. Alle Zellen haben einen Stoffwechsel, was bedeutet, dass sie mit einer Vielzahl von Enzymen
Stoffe auf- und abbauen und Energie für ihre Lebensvorgänge gewinnen. Alle Zellen enthalten Erbinformation in Form
von DNA und geben diese bei der Zellteilung (Mitose) an ihre Nachkommen weiter.
    Alle derzeit lebenden Zellen gehen wahrscheinlich auf einen gemeinsamen Ursprung zurück. Wie Leben auf der Erde
entstanden ist, lässt sich heute nicht mehr sicher nachstellen. Wahrscheinlich ist aber, dass sich in chemischen Prozessen
der jungen Erde Makromoleküle bildeten (vor allem Proteine, RNAs und Lipide), die sich zu zellähnlichen Verbänden
zusammenlagerten. Durch die Bildung abgrenzender Membranstrukturen wurde schließlich ein Wettbewerb dieser
Makromolekülgesellschaften möglich. Dies war die Grundlage dafür, dass durch Differenzierung und Auslese im Laufe der
Evolution sich all die unterschiedlichen Zellen - und Organismen - bilden konnten, die sich auf der Erde finden.




                                                Abbildung 1 : Evolutionskalender

Die Bausteine der Zellen
  Vier Gruppen von Makromolekülen sind für den Aufbau der Zellen entscheidend: Proteïne, Lipide, Kohlenhydrate und
Nukleïnsäuren.

Proteïne
   Proteïne sind kettenförmige Polymere aus Aminosäuren.




                                                 Abbildung 2 : Proteïnsynthese

    20 verschiedene Aminosäuren kommen in Proteïnen vor, und deren spezifische Abfolge (Primärstruktur) bestimmt
die dreidimensionale Struktur und somit die Funktion der Proteïne. Durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen
benachbarten Aminosäure-Resten bilden sich Sekundärstrukturen in Form von α-Helices und β-Faltblättern aus, die sich
zu Proteïndomänen zusammenlagern können. Die Gesamtstruktur eines Proteïns wird als Tertiärstruktur bezeichnet und
die oligomerer Proteïnkomplexe als Quartärstruktur. Proteïne sind die Funktionsträger der Zelle.

                                                              -5-
Zellbiologie




                                                                 Abbildung 3 : Proteïnstrukturen


Lipide
    Lipide, wie sie in Organismen vorkommen, fallen in zwei Gruppen:
    1.      Speicherlipide dienen vor allem dem Energiemetabolismus und haben darüber auch Bedeutung für Körperform
            von Tieren oder für die Wärmeisolation. Triglyceride bilden den größten Teil der Speicherlipide. In tierischen
            Zellen bilden sie tröpfchen-ähnliche Einschlüsse in speziellen Fettzellen, den Adipozyten.




                                                                 Abbildung 4 : Bildung von Fetten

    2.      Membranlipide sind amphipatisch, das heißt sie haben einen hydrophoben und einen hydrophilen Teil. Es gibt
            eine große Zahl verschiedener Membranlipide, deren Zusammensetzung die Eigenschaften biologischer
            Membranen maßgeblich bestimmt. Mengenmäßig den größten Anteil haben Glycerolipide. Sphingolipide bilden
            eine mitgliederreiche Gruppe; sie spielen eine wichtige Rolle bei der Isolation von Nervenzellen oder bei der
            Bildung von "lipid rafts", spezifischer Domänen der Plasmamembran. Cholesterin beeinflusst die Fluidität von
            Membranen und ist ebenfalls an der Bildung von rafts beteiligt.




                                                               Formel 1 : Cholesterol (Cholesterin)

Ist ein Bestandteil von Biomembranen und die Ausgangssubstanz von Steroidhormonen


                                                                                -6-
Zellbiologie

   Die Bildung der Membranlipide erfolgt hauptsächlich in der ER-Membran 1. Darüber hinaus besitzen auch die Außen-
und Innenmembran der Mitochondrien Enzyme der Lipidbiosynthese. Diese bilden u.a. Cardiolipin, ein für Mitochondriën
spezifisches Glycerolipid, das auch in Bakterien vorkommt.




                                                          Abbildung 5 : Lipide


Kohlenhydrate
   Kohlenhydrate bestehen aus Zuckerbausteinen, die als Einzelzucker oder als mehr oder weniger verzweigte Ketten
vorkommen. Kohlenhydrate spielen eine maßgebliche Rolle im Stoffwechsel. Darüber hinaus tragen viele Proteïne und
Membranlipide Zuckerketten. Unterschiede in diesen Zuckerketten sind beispielsweise für das AB0-Blutgruppensystem des
Menschen verantwortlich.




                                                    Formel 2 : Zucker mit 3 C-Atomen




                                               Formel 3 : Zucker mit 5 C-Atomen (Pentosen)




                                               Formel 4 : Zucker mit 6 C-Atomen (Hexosen)




1
    Membran des endoplasmatischen Retikulums

                                                                   -7-
Zellbiologie

Nukleïnsäuren
   Nukleïnsäuren tragen die Erbinformation. Sie kommen als DNS 2 und RNS3 vor und werden später ausführlicher
vorgestellt.




                                              Formel 5 : Nukleïnsäuren




2
    Desoxi-Ribonukleïnsäure
3
    Ribonukleïnsäure

                                                        -8-
Zellbiologie


Allgemeiner Aufbau eukaryontischer Zellen
Membranen
   Eukaryotische Zellen sind durch Membranen in verschiedene Kompartimente unterteilt, die ein zeitgleiches
Nebeneinander unterschiedlicher chemischer Milieus und Reaktionsbedingungen in einer Zelle ermöglichen.
Kompartimente können aus einem verzweigten Retikulum bestehen oder aus einzelnen membranumschlossenen
Organellen. Die Plasmamembran grenzt das Cytosol von der Umgebung der Zelle ab.
    Membranen sind keine passiven Hüllen, sondern komplexe Systeme, die aktiv den Austausch verschiedenster
Substanzen regulieren. Sie werden durch Membranlipide gebildet, in die Proteïne ein-, bzw. an die Proteïne angelagert
sind.




                                               Abbildung 6 : Membranaufbau

   Der Proteïnanteil reicht dabei von etwa 20 (mitochondriale Außenmembran, Plasmamembran von Erythrozyten) bis
etwa 80 Gew-% (mitochondriale Innenmembran, Thylakoid-Membran).
  Integrale Membranproteïne besitzen meist α-helikale Transmembrandomänen, die von 15-22 hydrophoben
Aminosäureresten gebildet werden.
    Die Außenmembranen von Mitochondriën, Chloroplasten und Bakterien enthalten darüber hinaus β barrel-Proteïne, die
die Membran mittels fassartig angeordneter β-Faltblätter durchspannen. Proteïne können auch durch kovalent gebundene
hydrophobe Moleküle in der Membran verankert werden.




                                                Abbildung 7 : Zellmembran

                                                           -9-
Zellbiologie

   Von besonderer Bedeutung für die Funktion und Regulation der Zelle sind Proteïne, die den regulierten Transport von
Substanzen über Membranen ermöglichen. Bei diesem Transport unterscheidet man Diffusion, erleichterte Diffusion,
Cotransport und aktiven Transport.




                                  Abbildung 8 : Ein gesteuertes Kanalproteïn (gated channel) wird durch ein äußeres Signal geöffnet

Das Membranproteïn verändert seine dreidimensionale Struktur, wenn ein Signalmolekül an das Protein bindet.

Der Zellkern
   Der Zellkern enthält die genetische Information der Zelle in Form von DNS. Die DNS liegt während der Interphase als
locker gepacktes Euchromatin, das aktiv abgelesen werden kann, und als dicht gepacktes mehr oder weniger inaktives
Heterochromatin vor. Der Packungsgrad wird vor allem durch chemische Modifikationen (v.a. Acetylierung) der
Histonkomplexe bestimmt, um die die DNS wie um Fadenrollen aufgewickelt ist.




                                                               Abbildung 9 : Aufbau eines Chromosoms

    Neben der Replikation und Transkription der DNS erfolgt im Kern die Biogenese der Ribosomen aus rRNS und
ribosomalen Proteïnen. Diese findet im Nukleolus statt, einer Struktur, die schon lichtmikroskopisch sichtbar ist. Die
Kernhülle wird durch die innen anliegende Lamina stabilisiert, die aus Laminen bestehen. Lamine gehören zu den
Intermediärfilamenten des Cytoskeletts. Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen, der inneren und der äußeren
Kernmembran. Diese schließen den perinukleären Raum ein, der in das Lumen des ERs übergeht. Kernporen erlauben den
Transport von Molekülen in den Kern (Histone, Polymerasen, ribosomale Proteïne, Importfaktoren u.a.) und aus dem Kern
(prozessierte mRNSn, tRNSn, assemblierte ribosomale Untereinheiten, Exportfaktoren u.a.). Kernporen sind hochkomplexe
Strukturen und gehören zu den größten Proteinkomplexen der Zelle.

                                                                                  -10-
Zellbiologie




                                                                Abbildung 10 : Aufbau des Zellkerns


Die Kompartimente des secretory pathway
      Die Membran des Zellkerns geht direkt in das Endoplasmatische Retikulum (ER) über.




                                                            Abbildung 11 : Endoplasmatisches Retikulum
         4
Das EM -Bild links zeigt einen Schnitt (zweidimensional) durch das endoplasmatische Retikulum; rechts ist dieser Schnitt schematisch (und dreidimensional) dargestellt.
Natürlich sind diese Membransysteme im ungeschnittenen Zustand nicht offen, sondern bilden stets geschlossene Kompartimente, die vom umgebenden Cytosol abgetrennt
sind.



4
    Elektronen-Mikroskop

                                                                                 -11-
Zellbiologie

    Das ER bildet zusammen mit dem Golgi-Apparat, den Lysosomen, den Endosomen und der Plasmamembran die
Kompartimente des secretory pathway. Membranproteïne und luminale Proteïne dieser Kompartimente werden an der ER-
Membran synthetisiert, wie auch Proteïne, die aus der Zelle durch Sekretion abgegeben werden. Diese Proteïne tragen
meist aminoterminale Zielsequenzen, die als Signalsequenzen bezeichnet werden. Diese werden bei der Synthese im
Cytosol von Signalerkennungspartikeln erkannt und mitsamt den translatierenden Ribosomen an die ER-Membran dirigiert.
Dies ermöglicht einen kotranslationalen Transport der synthetisierten Polypeptidketten durch das Sec61-Translokon.
Bereits während dieses Transports in das ER werden meist die Signalpeptide durch Signalpeptidasen entfernt und die
entstehenden Proteïne glycolysiert, wobei Zuckerketten an Asparaginreste (N-Glycosylierung) oder an Serin- oder
Threoninreste (O-Glycosylierung) angehängt werden. Im ER-Lumen erfolgt dann die Faltung dieser Proteïne durch
luminale Chaperone (s.u.).
   Der Transport von Proteïnen vom ER über den Golgi-Apparat erfolgt durch ein Vesikeltransportsystem. An der ER-
Membran schnüren sich COP II-Vesikel ab, die mit der Membran des cis-Golgi verschmelzen. Die Fusion der Membranen
wird dabei durch v-SNAREs (auf den Vesikeln) und t-SNAREs (auf den target membranes) katalysiert. Durch
entgegengesetzten Transport durch COP I-Vesikel werden v-SNAREs und residente ER-Proteïne wieder vom Golgi-
Apparat zum ER zurück transportiert. Im Lumen des Golgi-Apparates werden die Zuckerseitenketten an Proteïnen und
Membranlipiden weiter modifiziert. Die Proteïne durchwandern den Golgi-Apparat vom cis- zum trans-Golgi. Wie diese
Durchwanderung erfolgt, ist umstritten: Nach der cisternal maturation-Hypotheses reift der cis-Golgi zum trans-Golgi,
wobei cis-Golgi aus ER kommenden Vesikeln stets neu gebildet wird und der trans-Golgi sich in Vesikel auflöst. Nach
einer alternativen Hypothese bleiben die Zisternen des Golgi-Apparates fest und ihr Inhalt wird durch COP I-Vesikel hin
und her transportiert. Für beide Hypothesen gibt es gute experimentelle Evidenz, und beide Prozesse (Zisternenmaturierung
und Vesikelfluss) laufen wohl parallel ab. Distal vom trans-Golgi befindet sich das trans Golgi network (TGN). Dieses
fungiert als Sortierstation, die mit Proteïnen beladene Vesikel an verschiedene Empfängermembranen sendet.




                                                                      Abbildung 12 : Golgi-Apparat

Im Golgi-Apparat werden Proteïne aus dem ER modifiziert und an die korrekten Zielorte inner- und außerhalb der Zelle „adressiert“.

    Durch Exocytose werden Proteïne und andere Moleküle in die Umgebung der Zelle abgegeben. Beispiele für sekretierte
(= sezernierte) Proteïne sind Hormone (z.B. Insulin), Wachstumsfaktoren, Enzyme, Antikörper.
    Durch Endocytose werden Substanzen aus der Umgebung der Zelle aufgenommen. Zur Endocytose bildet sich unter
der Plasmamembran ein Grundgerüst aus Clathrin-Molekülen, die über Adapterproteine mit Rezeptoren in der Membran
interagieren. Durch Zusammenlagerung (clustering) vieler Rezeptoren in der Membran kommt es zur lokalen
Konzentration von trimeren Clathrin-Komplexen (Triskelions), die konvexe Flächen bilden. Dadurch stülpt sich die
Membran zu coatedpits ein und schließlich bilden sich clathrinumhüllte Vesikel. Die Clathrin-Hülle wird mit Hilfe von
Chaperonen (uncoating Hsp70) abgelöst. Die Vesikel können dann mit ihren Zielmembranen fusionieren, dies sind vor
allem Endosomen.




                                                                                    -12-
Zellbiologie




                                                              Abbildung 13 : Endocytose / Exocytose

Alle eukaryontischen Zellen nutzen Endocytose und Exocytose, um Substanzen aus dem umgebenden Milieu aufzunehmen, beziehungsweise an dieses abzugeben.

   Die Phagocytose ist eine Sonderform der Endocytose, in der besonders große Partikel aufgenommen werden. Zur
Phagocytose sind nur besondere Zellen befähigt. Zu solchen Phagozyten (Fresszellen) zählen verschiedene Leukozyten
(Makrophagen, B-Zellen, neutrophile Granulozyten), aber auch viele Einzeller (z.B. Amöben). Unter Pinocytose versteht
man die Endocytose besonders kleiner Volumina, meist zur Aufnahme von Flüssigkeit aus der Zellumgebung.
   Endosomen bilden ein komplexes und recht heterogenes Kompartiment, das je nach Zelltyp verschiedene
Ausbildungen und Aufgaben haben kann. So besitzen Phagozyten Endosomen, in denen Antigene von antigenbindenden
Rezeptoren (vor allem B-Zell-Rezeptoren) abgelöst werden; diese werden als CURL (compartment for uncoupling of
receptor and ligand) bezeichnet. Endosomen empfangen auch Vesikel aus dem trans Golgi network. In der Membran der
Endosomen sitzt eine Protonenpumpe (vATPase = vacuolar ATPase), die ATP-abhängig das Lumen der Endosomen
ansäuert. Der erniedrigte pH-Wert wird genutzt, um Liganden (z.B. Antigene oder LDLs) von Rezeptoren abzulösen. Die
Rezeptoren werden dann in der Regel durch Vesikel an die Plasmamembran zurücktransportiert. Die Liganden gelangen in
Lysosomen.
   Lysosomen enthalten Hydrolasen verschiedenster Spezifität zum Abbau von Proteïnen, Lipiden, Nukleïnsäuren und
Kohlenhydraten. Der pH-Wert im Lumen der Lysosomen ist noch niedriger als in Endosomen, um den Abbau von
Substanzen zu erleichtern. Lysosomen entsprechen dem "Magen" der Zelle.




                                         Abbildung 14 : Lysosomen isolieren Verdauungsenzyme vom übrigen Cytoplasma



                                                                               -13-
Zellbiologie

In den Lysosomen wird Material hydrolysiert, das durch Phagocytose in die Zelle gelangt ist oder aus der Zelle selbst stammt.

   Bestimmte Lysosomen sind auch in der Lage, Teile des Cytosols und sogar ganze Organellen zu umstülpen,
aufzunehmen und zu verdauen. Diesen Vorgang nennt man Autophagie, autophagocytierende Lysosomen
Autophagosomen.

Peroxisomen
    Die Verbindung von Peroxisomen zum secretory pathway ist nicht klar. Neueste Ergebnisse zeigen, dass einige
Membranproteine über das ER zu Peroxisomen gelangen. Die meisten peroxisomalen Proteïne werden dagegen direkt aus
dem Cytosol in die Peroxisomen aufgenommen. Interessanterweise nehmen Peroxisomen ihre Proteïne vornehmlich in
gefaltetem Zustand auf, z.T. sogar als oligomere Proteïnkomplexe. Der Mechanismus, durch den die Aufnahme hierbei
erfolgt, ist kaum verstanden. Man unterscheidet zwei Typen peroxisomaler Zielsequenzen, die als PTS1 und PTS2
bezeichnet werden (peroxisomal targeting signal). PTS1-Signale sind Tripeptide (meist SKL, Serin-Lysin-Leucin) am
Carboxyterminus der zu transportierenden Proteïne.
    Peroxisomen katalysieren unter anderem den Abbau von Fettsäuren. Der Abbau von Fettsäuren erfolgt auch in der β-
Oxidation in Mitochondrien. Im Gegensatz zu Peroxisomen können Mitochondrien aber langkettige Fettsäuren von mehr
als 16 bis 18 C-Atomen kaum aufnehmen. Patienten mit defekten Peroxisomen zeigen entsprechend Störungen im Abbau
langkettiger Fettsäuren. Das Fehlen von Peroxisomen beim Menschen wird als Zellweger-Syndrom bezeichnet, das meist
zum frühen Tod entsprechender Kinder führt.

Mitochondrien
   Mitochondrien stammen von Eubakterien ab. Wie Mitochondrien aufgenommen wurden, ist umstritten, aber
wahrscheinlich, gingen sie aus einem symbiotischen Arrangement eines Eubakteriums (woraus die Mitochondrien wurden)
und eines Archaebakteriums hervor. Aus dem letzteren entstand der Rest der Zelle. Dieses Zusammenschließen führte zu
großen Umbildungen, aus denen beispielsweise der Zellkern entstand. Nach dieser Hypothese hätte es keine
prämitochondrialen Eukaryonten gegeben.
    Mitochondrien bestehen aus 2 Membranen, der Außenmembran und der Innenmembran. Diese schließen den
Intermembranraum ein. Das Lumen der Mitochondrien heißt Matrix. Die Außenmembran ging aus der Außenmembran
der Bakterien hervor (auch wenn dies in manchen Lehrbüchern anders steht).




                                                                Abbildung 15 : Die Endosymbiontentheorie

Chloroplasten und Mitochondriën stammen sehr wahrscheinlich von kleinen Prokaryonten ab, die mit anderen größeren Prokaryonten eine Symbiose eingingen.

    Dafür spricht beispielsweise das Vorkommen von β barrel-Proteïnen, die sonst nur in der äußeren Hüllmembran der
Chloroplasten und der Außenmembran gram-negativer Bakterien vorkommen. Porine sind Beispiele für β barrel-Proteïne;
diese bilden großlumige Poren, die den Durchtritt von Molekülen von bis zu etwa 4000 Da erlauben.
   Die Innenmembran der Mitochondrien ist in Cristae eingefaltet. In der Innenmembran befindet sich die
Atmungskette, die Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum transportiert. Dieser Protonengradient wird durch
Antiporter größtenteils in einen Ionengradiënten übersetzt, wodurch der pH-Wert von Matrix und Intermembranraum (und
Cytosol) selbst bei aktiv atmenden Zellen fast neutral bleibt. Der Protonengradient wird schließlich von der F0F1-ATPase
(= F0F1-ATP-Synthase) zur ATP-Synthese genutzt. Die ATP-Synthese findet in der Matrix statt. ADP/ATP carrier sind
Antiporter in der Innenmembran, die den Rest der Zelle mit ATP versorgen.




                                                                                     -14-
Zellbiologie

    Neben dem Energiestoffwechsel gibt es eine Reihe von katabolen und anabolen Stoffwechselprozessen, die in
Mitochondrien ablaufen. Beispiele sind die Bildung von Eisen-Schwefel-Proteinen, die β-Oxidation von Fettsäuren, die
Häm-Biosynthese, die Bildung verschiedener Membranlipide, der Harnstoffzyklus und der Auf- und Abbau verschiedener
Aminosäuren. Mitochondrien besitzen ein eigenes Genom und komplette Maschinerien zur Replikation, Transkription und
Translation. Allerdings wird nur eine geringe Zahl der mitochondrialen Proteïne an mitochondrialen Ribosomen
synthetisiert (8 in Hefe, 13 im Menschen). Etwa 600-2000 verschiedene Proteïne müssen zur Bildung der Mitochondrien
aus dem Cytosol importiert werden. Dafür befinden sich in der Außen- und Innenmembran spezielle Proteïntranslokasen,
die als TOM-Komplex (translocase of the outer membrane) und TIM-Komplex (translocase of the inner membrane)
bezeichnet werden. Matrixproteïne tragen meist aminoterminale Zielsequenzen, die Präsequenzen heißen. In der Matrix
werden Präsequenzen durch die Mitochondriale Prozessierungspeptidase (MPP) entfernt.




                                                  Abbildung 16 : Energiegewinnung im Mitochondrium

Im Mitochondrium wird Energie aus Betriebsstoffen in ATP-gebundene Energie umgewandelt. Dieses EM-Bild zeigt einen Schnitt (zweidimensional) durch ein
dreidimensionales Organell. In der Zeichnung kommt noch klarer zum Ausdruck, dass die Cristae Einstülpungen der Mitochondrien Innenmembran sind.

Chloroplasten
   Chloroplasten stammen von Cyanobakterien, die wahrscheinlich als Endosymbionten in die Vorläufer der Pflanzen
aufgenommen wurden. Chloroplasten sind in 6 verschiedene Subkompartimente unterteilt: Die äußere Hüllmembran, der
Intermembranraum, die innere Hüllmembran, das Stroma, die Thylakoid-Membran und das Thylakoid-Lumen.
   Die Komplexe der Photosynthese sind in bzw. an den Thylakoidmembranen lokalisiert. Der Stoffwechsel der
Chloroplasten ist extrem komplex.




                                                                         -15-
Zellbiologie




                                                  Abbildung 17 : Der Chloroplast: Das Organell, das die Welt ernährt

Das EM-Bild zeigt einen Chloroplasten aus einem Maisblatt. Verglichen mit Mitochondriën sind Chloroplasten groß; sie enthalten ein ausgedehntes, stark gefaltetes Netzwerk
photosynthetisch aktiver Thylakoidmembranen.

   Wie Mitochondriën besitzen auch Chloroplasten ein eigenes Genom und exprimieren eine Reihe ihrer Proteïne selbst.
Darüber hinaus werden Hunderte von Proteïnen durch Proteïntranslokasen, den TOC- und TIC-Komplexen, aus dem
Cytosol in Chloroplasten importiert. Weitere Proteïntranslokasen befinden sich in der Thylakoid-Membran, die evolutiv
von den Translokationskomplexen der bakteriellen Innenmembran abstammen. Diese Vorstufenproteïne werden im Cytosol
mit Zielsequenzen synthetisiert, die als Transitpeptide (transit peptides) bezeichnet werden. Weitere Zielsignale in den
Proteïnen erlauben die Sortierung der einzelnen Proteïne in ihr jeweiliges Subkompartiment der Chloroplasten.

Das Cytoskelett
   Die Zelle wird durch ein Innenskelett verschiedener Filamente stabilisiert. Dieses Cytoskelett besteht aus drei Klassen
von Filamenten:
    1.      Aktinfilamente haben den geringsten Durchmesser und spielen eine wichtige Rolle bei der Motilität von Zellen.
            Sie bilden beispielsweise die Grundstruktur in Mikrovilli oder dienen der Bewegung von Pseudopodien in
            Makrophagen oder Amöben.
    2.      Intermediärfilamente sind eine heterogene Gruppe verschiedener Proteine. Hierzu gehören die Lamine des
            Zellkerns oder das Desmin, das an der Bildung von Desmosomen beteiligt ist.
    3.      Mikrotubuli bestehen aus α- und β-Tubulin, die sich zu röhrenförmigen Filamenten zusammenlagern.
            Mikrotubuli sind bei der Mitose an der Trennung der Chromatiden beteiligt und wichtig für den intrazellulären
            Transport von Vesikeln und Organellen. Beispielsweise erfolgt die Versorgung von Axonen und Dendriten
            entlang langer Mikrotubuli-„Schienen“, auf denen Motoren energieabhängig entlanglaufen.




                                                                                  -16-
Zellbiologie




                                                                      Abbildung 18 : Das Cytoskelett

Die drei Hauptkomponenten des Cytoskeletts sind hier genauer dargestellt. Diese Netzwerke aus fibrillären (fädigen) Proteïnen sichern die Form und Reißfestigkeit der Zellen
und tragen zu ihren Bewegungen bei. (Intermediärfilamente kommen nur bei Tierzellen vor.)

Zellbiologie der Bakterien




                                                                  Abbildung 19 : Prokariontische Zelle

Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa weist typische prokaryontische Zellstrukturen auf. Wie Sie sehen, finden sich außerhalb der Plasmamembran weitere Schutzhüllen.

   Bakterien besitzen wie eukaryontische Zellen eine Plasmamembran, die (bei Gram-positiven) meist als Innenmembran
bezeichnet wird. In Aufbau und Lipidzusammensetzung erinnert sie an die Innenmembran der Mitochondrien. Die
Plasmamembran ist meist von einer stabilisierenden Zellwand umgeben, dem Mureïnsacculus.

                                                                                   -17-
Zellbiologie

     Bei Gram-negativen Bakterien umgibt eine weitere Membran die Zellwand, die Außenmembran. In der
Außenmembran befinden sich großlumige Porine, die β Barrel-Struktur haben. Das Kompartiment zwischen Innen- und
Außenmembran wird als Periplasma bezeichnet. Der Transport von Proteïnen durch die Innenmembran wird durch eine
Proteïntranslokase ermöglicht, die als Sec-Translokase bezeichnet wird und mit dem Sec61-Translocon des ERs verwandt
ist. Sie erkennt Proteine an aminoterminalen Zielsequenzen, den leader peptides. Bakterien besitzen in der Regel keine
Kompartimente. Die DNS liegt im Cytosol als mit Proteïnen verpackte Struktur vor, dem Nucleotid. Das Fehlen des Kerns
erlaubt eine zeitliche Kopplung von Transkription und Translation, was besonders kurze Generationszeiten ermöglicht.
   Vieles von dem, was über die molekularen Vorgänge in Zellen bekannt ist, wurde an Bakterien entdeckt, vor allem an
dem Darmbakterium Escherichia coli. Das meiste lässt sich dabei auf die Prozesse in eukaryontischen Zellen übertragen.
Allerdings wurden in Eukaryonten im Laufe der Evolution meist zusätzliche Komponenten hinzugefügt, die vor allem der
besseren Regulation dienen.




                                                        Abbildung 20 : Gram-Färbung und Bakterienzellwand

Auf eine Gram-Färbung reagieren die Zellwandkomponenten verschiedener Bakterien auf zweierlei Weise.

a)             Gram-positive Bakterien besitzen eine dicke Zellwand aus dem Peptidoglykan Mureïn, in welcher der violette Farbstoff eingelagert wird; sie erscheint dann
               tiefblau oder purpurn.

b)             Gram-negative Bakterien besitzen eine dünne Peptidoglykanschicht, die den violetten Farbstoff nicht annimmt; durch Gegenfärbung mit einem roten Farbstoff
               lässt sie sich aber färben und sieht dann rosa aus.




                                                                                  -18-
Zellbiologie


Grundprozesse der Molekularbiologie: Von der DNS zum Proteïn
   Die Prozesse der Molekularbiologie liegen im Schnittfeld von Zellbiologie, Biochemie und Genetik. Hier wird nur ein
kurzer Abriss gegeben, um breite Überlappungen mit den anderen beiden Fächern zu vermeiden. Diese Prozesse werden
detailliert im Gentechnik -Teil der Vorlesung besprochen.

Die DNS
   Die DNS ist ein Polymer aus den miteinander veresterten Desoxyribonukleotiden Adenosin, Cytosin, Guanosin und
Thymidin. Die DNS liegt meist dicht verpackt vor, wobei der Packungsgrad vom Aktivitätszustand und von der
spezifischen Phase im Zellzyklus abhängt. Die DNS ist auf Histonkomplexe als Nukleosomen aufgerollt, die sich weiter zu
Superhelices aufwinden. Vor allem während der Interphase werden diese weiter eng verpackt und bilden typische
Chromosomen-Strukturen mit "zwei Armen und zwei Beinen". Die Enden der Chromsomen werden als Telomere, ihre
Zentren als Centromere bezeichnet. And den Centromeren bilden sich während der Mitose Kinetochore, an denen die
Mikrotubuli die einzelnen Chromatiden zu den Centriolen auseinanderziehen.




                                                  Abbildung 21 : Die wesentlichen Unterschiede von DNS und RNS

RNS liegt gewöhnlich einzelsträngig vor, während DNS gewöhnlich aus zwei gegenläufigen Strängen besteht.

Replikation
   Die Vermehrung von Zellen erfolgt in einem genau regulierten Ablauf, dem Zellzyklus. Dabei folgen im Wechsel die
eigentliche Zellteilung (Mitose) und die Synthese- oder S-Phase, die jeweils durch gap- oder G-Phasen getrennt sind. Der
Zellzyklus wird durch den zyklischen Auf- und Abbau von Cyclinen und anderen Proteinen präzise gesteuert.
Fehlsteuerung kann dabei zu einer unkontrollierten Zellvermehrung führen. Bei vielzelligen Organismen spricht man dabei
von Onkogenese, d.h. Krebs-Entstehung. Während der S-Phase kommt es zur Replikation, d.h. zur identischen
Verdopplung der DNA einer Zelle. Die Replikation lässt sich (wie auch die Transkription und die Translation) in drei
Phasen teilen: die Initiation, die Elongation und die Termination. Die Initiation beginnt an spezifischen Stellen der
DNA, den origins.




                                                                                 -19-
Zellbiologie




                                                             Abbildung 22 : Der eukaryontische Zellzyklus

Der Zellzyklus umfasst eine Mitosephase (M), während der zuerst eine Teilung des Zellkerns (Mitose) und dann die Teilung der Zelle (Cytokinese) erfolgen. Auf die M-Phase
folgt eine lange Wachstumsperiode, die man als Interphase bezeichnet. Die Interphase umfasst bei Zellen, die sich teilen, drei Unterphasen (G1, S und G2).




                                                        Abbildung 23 : Zwei Sichtweisen zur DNS-Replikation

a)        Zuerst nahm man an, dass sich der Replikationskomplex die DNS entlang bewegt.

b)        Neuere Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass die DNA durch einen stationären Komplex geführt wird.

   In Eukaryonten gibt es viele Origins pro Chromosom, an denen zuerst die DNA mit Hilfe von Helikasen und
Topoisomerasen aufgewunden wird, wobei sich Replikationsblasen bilden.
   An den Enden dieser Blasen, den Replikationsgabeln, sitzen die Enzyme der Replikation. Dies sind neben Helikasen
und Topoisomerasen Primasen, DNA-abhängige DNA-Polymerasen, 5'-3'-Exonukleasen (zum Entfernen der primer) und
DNS-Ligasen.




                                                                   Abbildung 24 : Replikationsgabel

An der Replikationsgabel wirken viele Proteïne zusammen. Bei der DNS-Replikation sind zusätzlich zur DNS-Polymerase weitere Proteïne beteiligt. Die beiden hier
getrennt gezeichneten Moleküle der DNS-Polymerase (rot) sind in Wirklichkeit Teil desselben Replikationskomplexes.


                                                                                  -20-
Zellbiologie


Transkription
    Der Abschnitt der DNS, der die Information für die Synthese einer RNS (mRNS, tRNS oder rRNS) enthält, wird als
Gen bezeichnet. Gene bestehen aus verschiedenen Elementen: Der Leserahmen (ORF, open reading frame) ist der
tatsächlich kodierende Bereich, der in Exons und Introns unterteilt sein kann; dazu kommen regulatorische Elemente wie
Promotor, Terminator, Enhancer und Silencer. Am Promotor bilden die Initiationsfaktoren den Initiationskomplex, was
zur Bindung der DNS-abhängigen RNS-Polymerase führt. Bei Prokaryonten gibt es ein solches Enzym, bei Eukaryonten
vier bzw. fünf: Die RNS-Polymerase I (für rRNS), II (für mRNS) und III (für tRNS und andere kurze RNSs). Dazu
kommen RNS-Polymerasen in Mitochondriën und Chloroplasten.




                                                            Abbildung 25 : DNS wird zu RNS transkriptiert

Die DNS wird teilweise entspiralisiert, um als Matrize für die RNA-Synthese dienen zu können. Das RNS-Transkript löst sich bei der Synthese von der DNS ab, sodass sich die
bereits transkribierte DNS wieder zur Doppelhelix spiralisieren kann. Die RNS-Transkription umfasst drei getrennte Reaktionen: Initiation, Elongation und Termination. Die
RNS-Polymerase ist in Wirklichkeit viel größer als hier dargestellt und bedeckt etwa 50 Basenpaare.

   In Eukaryonten werden mRNSs umfangreich modifiziert: Durch Spleißen werden Introns entfernt, durch Capping eine
Kopf-Gruppe am 5'-Ende angefügt, und am 3'-Ende wird ein Poly-A-Schwanz angehängt. Zusätzlich kann es zum
Austausch einzelner Nucleotide kommen. Dieses RNS-Editing kann sehr umfangreich sein, wie beispielsweise im
Chloroplastengenom von Pflanzen.
    Die Transkription wird durch eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren reguliert, die an die regulatorischen Elemente
eines Gens binden. Viele Transkriptionsfaktoren enthalten charakteristische Zink-Fingerstrukturen. Die Stabilität
verschiedener mRNSs ist sehr unterschiedlich und wird häufig zur Regulation der Expressionsstärke genutzt;
typischerweise sind mRNSs von regulatorischen Proteinen instabil, so dass sie nach Abschalten der Transkription schnell
abnehmen; im Gegensatz dazu sind konstitutiv exprimierte mRNSs wie die von „Haushaltsproteïnen“ relativ stabil. Die
Genexpression wird weiterhin über den Packungszustand der DNS reguliert. Dieser hängt von Modifikationen z.B. von
Histonen ab und kann teilweise bei der Replikation an neu synthetisierte DNA-Stränge weitergegeben werden. Dadurch
kommt es zu einer vererbbaren Ausprägung genetischer Information, die über die reine Sequenzinformation der DNS
hinausgeht und die man als Epigenetik bezeichnet.

                                                                                   -21-
Zellbiologie


Translation
    Die modifizierte mRNS (auch hnRNS genannt) verlässt an Proteïne gebunden den Zellkern durch die Kernporen. Im
Cytosol werden dann an der mRNS Proteïne synthetisiert (= translatiert). An einem Startcodon (AUG) nahe des 5'-Endes
lagern sich dafür Initiationsfaktoren, die kleine Untereinheit der Ribosomen, eine mit Methionin beladene Starter-tRNS
und schließlich die große Untereinheit der Ribosomen zusammen. Das Ribosom ist ein Ribozym, ein Enzym dessen
katalytische Aktivität durch RNA ausgeübt wird. Im Ribosom gibt es zwischen den Untereinheiten einen Kanal für die
mRNS und 3 Bindestellen für tRNSs, die als A-, P- und E-Stellen bezeichnet werden. GTP-abhängige
Elongationsfaktoren beladen die A-Stelle mit Aminoacyl-tRNSs. Während der Elongation befindet sich in der P-Stelle
eine Polypeptidyl-tRNS, deren Kette auf die Aminoacyl-tRNS der A-Stelle transferiert wird. Elongationsfaktoren
verschieben darauf die verlängerte Polypeptidketten-tRNS in die P-Stelle und die jetzt unbeladene tRNS in die E-Stelle und
schließlich aus dem Ribosom. Release-Faktoren erkennen spezifische Stopp-Codons in der mRNS und führen zur
Termination der Translation. Die gebildeten ("naszi er enden") Polypeptidketten verlassen das Ribosom durch einen Tunnel
in der großen Untereinheit, an dessen Ende Bindestellen für das Signalerkennungspartikel und das Sec61-Translokon
sitzen.




                                                               Abbildung 26 : Die Initiation der Translation

Die Translation beginnt mit der Bildung eines Initiationskomplexes.

    Der Austritt einer Signalsequenz aus dem Tunnel führt zur Bindung des Signalerkennungspartikels, wodurch die
Proteïnsynthese verlangsamt wird, da das Signalerkennungspartikel zwischen die beiden Untereinheiten des Ribosoms
greift und den Zugang von tRNSs und Elongationsfaktoren blockiert. Gelangen die so arretierten Ribosomen an die
Oberfläche des ERs, so löst sich das Signalerkennungspartikel ab und das Ribosom dockt an das Sec61-Translokon an.
Dies er-möglicht dann den kotranslationalen Transport der naszierenden Ketten durch die ER-Membran.

                                                                                   -22-
Zellbiologie




                                                         Abbildung 27 : Die Elongationsphase der Translation

Das Polypeptid wird durch die Translation der mRNS verlängert.


                                                                                -23-
Zellbiologie




                                                            Abbildung 28 : Die Termination der Translation

Die Translation wird beendet, wenn die A-Stelle des Ribosoms in der mRNS auf ein Stoppcodon trifft.


                                                                                   -24-
Zellbiologie




                                                                    Abbildung 29 : Ein Polysom

a)        Ein Polysom besteht aus vielen Ribosomen mit ihren wachsenden Polypeptidketten, die in einer Reihe die mRNA entlang wandern.

b)        Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Polysoms (TEM).

Proteïnfaltung
    Die spezifische Abfolge der Aminosäurenreste eines Proteïns bestimmt dessen dreidimensionale Struktur. Allerdings
nehmen in vivo Proteïne ihre native, funktionelle Struktur meist nicht spontan ein, sondern unter Mithilfe spezifischer
Faltungshelfer, den Chaperonen. Chaperone kann man in zwei unterschiedlich arbeitende Gruppen einteilen, holdases und
foldases. Holdases stabilisieren fehlgefaltete Proteine der Zelle und puffern die bei Stressbedingungen auftretenden
ungefalteten Proteine ab. Ein Beispiel sind die Crystalline in der Augenlinse, die Linsenproteine über die gesamte
Lebensdauer von Tieren korrekt gefaltet halten. Erst im hohen Alter kommt es häufig zu einer Denaturierung der
Linsenproteine und damit zum Eintrüben der Linse (grauer Star, Katarakt). Foldasen tragen aktiv zur Faltung ihrer
Substrate bei. Drei Gruppen ATP-abhängiger Chaperone sind besonders wichtig:
     a)    Hsp70-Chaperone kommen in verschiedensten Kompartimenten der Zelle vor. Sie binden ATP-reguliert an
           entfaltete Polypeptidketten und spielen neben der Proteinfaltung auch bei vielen Transportvorgängen von
           Proteinen eine Rolle, wie dem Transport in das ER, in die Mitochondrien oder in die Chloroplasten.
     b)    Chaperonine sind tonnenförmige Enzyme, die entfaltete Polypeptide von bis zu 60 kDa in ihr Inneres aufnehmen
           können und ATP-abhängig falten. Zu ihnen gehören der bakterielle GroEL/GroES-Komplex oder die Hsp60-
           Proteine in Mitochondrien und Chloroplasten. Auch im eukaryontischen Cytosol gibt es Chaperonine.
     c)    Hsp90-Chaperone wirken zusammen mit Hsp70-Chaperonen. Sie spielen eine wichtige Rolle in der
           Signalübertragung von Steroidhormonen (s.u.).
   Im Lumen des ERs und im bakteriellen Periplasma werden darüber hinaus Cysteïnreste in Proteinen zu Disulfidbrücken
verknüpft. Sulfhydryloxidasen und Proteïndisulfidisomerasen ermöglichen den Ein- und Umbau dieser kovalenten
Verknüpfungen und ermöglichen dadurch diese oxidative Proteïnfaltung.

Proteïnabbau
   Die Lebensdauer verschiedener Proteïne wird durch eine komplexe Proteïnabbaumaschinerie genau reguliert. Von
besonderer Bedeutung ist hierfür das Proteasom, ein großer Proteasenkomplex, der im Cytosol und im Zellkern vorkommt.
Proteine, die zum Abbau durch das Proteasom bestimmt sind, werden durch kurze Ubiquitin-Peptide kovalent markiert.
Das Proteasom erkennt die so markierten Proteine und spaltet sie in kurze Peptide, die von Peptidasen weiter hydrolysiert
werden. Das Proteasom baut nicht nur lösliche Proteine des Cytosols und des Kernlumens ab, sondern auch viele
Membranproteine, die auf der dem Cytosol zugewandten Seite ubiquitiniert wurden.
   Darüber hinaus hat der lysosomale Abbau eine besondere Bedeutung (s.o.). Auch gibt es in vielen Organellen eigene
Abbausysteme für Proteine. Proteasen arbeiten meist Hand in Hand mit Chaperonen, die meist an der Erkennung und
Entfaltung der Proteine beteiligt sind.




                                                                                -25-
Zellbiologie


Einzelne Aspekte der Molekularen Zellbiologie
    Vielzellige Organismen bestehen meist aus vielen verschiedenen Zelltypen, die sich in ihren Fähigkeiten stark
unterscheiden können. Die Behandlung der spezifischen Eigenschaften von Neuronen oder Muskelzellen, Stammzellen
oder Leukozyten geht deutlich über die Möglichkeiten der Grundvorlesungen hinaus und ist Stoff spezieller
Vertiefungsveranstaltungen des Hauptstudiums. Kurz erwähnt werden sollen hier aber einige Beispiele, die für die
Interaktion von Zellen in Zellverbänden besondere Bedeutung haben.

Signaltransduktion
   Zur Kommunikation zwischen Zellen und innerhalb verschiedener Kompartimente der Zelle ist die Übertragung von
Signalen entscheidend wichtig. Drei Beispiele solcher Signaltransduktionswege sollen hier vorgestellt werden.
   Als Reaktion auf eine Stress-Situation kommt es zur Anhebung des zellulären Glucosespiegels. Auslöser ist hierbei das
Hormon Adrenalin, ein Katecholamin, das im Nebennierenmark aus Phenylalanin bzw. Tyrosin gebildet wird. Zellen
besitzen in der Plasmamembran Adrenalinrezeptoren, die zur Proteinfamilie der 7-Transmembran-domänen-Rezeptoren
gehört. Nach Bindung von Adrenalin aktiviert dieser Rezeptor ein trimeres G-Protein auf der cytosolischen Seite der
Membran. Dieses aktiviert die Adenylat-Cyclase, worauf der gesteigerte cAMP-Spiegel zur Aktivierung der Proteïn-Kinase
A führt. Diese stimuliert den Glycogenabbau, indem sie die Glycogen-Phosphorylase aktiviert und die Glycogen-Synthase
hemmt.
   Steroidhormone funktionieren nach einem völlig anderen Prinzip. Da sie membran-permeabel sind, liegen ihre
Rezeptoren im Cytosol. Die Bindung der Hormone führt zur Freisetzung eines an die Rezeptoren gebundenen Hsp90-
Chaperons, wodurch ein Kernlokalisierungssignal präsentiert wird. Dieses führt zum Transport des Rezeptor-Hormon-
Komplexes in den Kern, der dort als Transkriptionsfaktor fungiert und an ein Regulationselement auf der DNA bindet.
Dadurch wird die Expression ent-sprechender Proteine reguliert.
   Beispiel für einen intrazellulären Signaltransduktionsweg ist der unfolded protein res-ponse pathway (UPR pathway).
Auf diesem Übertragungsweg sendet das ER Botschaften in den Zellkern. Eine Anhäufung von entfalteten Proteïnen im ER
führt zu einer Überbeschäftigung des luminalen Hsp70-Chaperons BiP. Dieses wird durch einen Rezeptor in der ER-
Membran registriert, der mit cytosolischen Proteïnen wechselwirkt, die dann in den Kern wandern und dort die Expression
von ER-Chaperonen induzieren.

Apoptose
   Andere Signaltransduktionswege führen zur Selbsttötung der Zelle, dem programmierten Zelltod oder Apoptose.
Dabei können die Signale von außen über membranständige Todesrezeptoren registriert werden oder auch im Inneren der
Zelle. Durch die Aktivierung bestimmter Proteasen, sog. Caspasen, werden verschiedene Effektorproteïne reguliert, die
unter anderem zu einer Fragmentierung der Kern-DNS führen und schließlich die Zelle töten. Apoptose ist ein aktiver
Vorgang, der beispielsweise für Umbauten von Gewebeverbänden essentiell ist. Der Apoptose steht die Nekrose
gegenüber, die eher einem passiven Absterben von Zellen gleicht, wie zum Beispiel nach Verletzungen.




                                                          -27-
Zellbiologie


Anhang
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 : Evolutionskalender...................................................................................................................... 5

Abbildung 2 : Proteïnsynthese........................................................................................................................... 5

Abbildung 3 : Proteïnstrukturen......................................................................................................................... 6

Abbildung 4 : Bildung von Fetten...................................................................................................................... 6

Abbildung 5 : Lipide............................................................................................................................................ 7

Abbildung 6 : Membranaufbau........................................................................................................................... 9

Abbildung 7 : Zellmembran................................................................................................................................. 9

Abbildung 8 : Ein gesteuertes Kanalproteïn (gated channel) wird durch ein äußeres Signal geöffnet.....10

Abbildung 9 : Aufbau eines Chromosoms...................................................................................................... 10

Abbildung 10 : Aufbau des Zellkerns............................................................................................................... 11

Abbildung 11 : Endoplasmatisches Retikulum............................................................................................... 11

Abbildung 12 : Golgi-Apparat........................................................................................................................... 12

Abbildung 13 : Endocytose / Exocytose.......................................................................................................... 13

Abbildung 14 : Lysosomen isolieren Verdauungsenzyme vom übrigen Cytoplasma.................................13

Abbildung 15 : Die Endosymbiontentheorie................................................................................................... 14

Abbildung 16 : Energiegewinnung im Mitochondrium...................................................................................15

Abbildung 17 : Der Chloroplast: Das Organell, das die Welt ernährt............................................................16

Abbildung 18 : Das Cytoskelett........................................................................................................................ 17

Abbildung 19 : Prokariontische Zelle............................................................................................................... 17

Abbildung 20 : Gram-Färbung und Bakterienzellwand..................................................................................18

Abbildung 21 : Die wesentlichen Unterschiede von DNS und RNS..............................................................19

Abbildung 22 : Der eukaryontische Zellzyklus................................................................................................20

Abbildung 23 : Zwei Sichtweisen zur DNS-Replikation..................................................................................20

Abbildung 24 : Replikationsgabel.................................................................................................................... 20

Abbildung 25 : DNS wird zu RNS transkriptiert.............................................................................................. 21

Abbildung 26 : Die Initiation der Translation................................................................................................... 22

Abbildung 27 : Die Elongationsphase der Translation...................................................................................23

Abbildung 28 : Die Termination der Translation.............................................................................................24

Abbildung 29 : Ein Polysom............................................................................................................................. 25




                                                                              -29-
Zellbiologie


Formelverzeichnis
Formel 1 : Cholesterol (Cholesterin).................................................................................................................. 6

Formel 2 : Zucker mit 3 C-Atomen..................................................................................................................... 7

Formel 3 : Zucker mit 5 C-Atomen (Pentosen).................................................................................................. 7

Formel 4 : Zucker mit 6 C-Atomen (Hexosen)................................................................................................... 7

Formel 5 : Nukleïnsäuren.................................................................................................................................... 8




                                                                            -30-
Zellbiologie


Formelverzeichnis
Formel 1 : Cholesterol (Cholesterin).................................................................................................................. 6

Formel 2 : Zucker mit 3 C-Atomen..................................................................................................................... 7

Formel 3 : Zucker mit 5 C-Atomen (Pentosen).................................................................................................. 7

Formel 4 : Zucker mit 6 C-Atomen (Hexosen)................................................................................................... 7

Formel 5 : Nukleïnsäuren.................................................................................................................................... 8




                                                                            -30-

Weitere ähnliche Inhalte

Andere mochten auch

Capitulo # 2 tipos de negocios
Capitulo # 2 tipos de negociosCapitulo # 2 tipos de negocios
Capitulo # 2 tipos de negocios
Peluza2
 
El Nivel Educativo
El Nivel EducativoEl Nivel Educativo
El Nivel Educativo
wilson
 
Apuntes Psicologia Criminologica Editado
Apuntes Psicologia Criminologica EditadoApuntes Psicologia Criminologica Editado
Apuntes Psicologia Criminologica Editado
marialbem
 
Lablue test
Lablue testLablue test
Traditionelle chinesische medizin
Traditionelle chinesische medizinTraditionelle chinesische medizin
Traditionelle chinesische medizin
nudlaug
 
Rima yousif nov.2012
Rima yousif nov.2012Rima yousif nov.2012
Rima yousif nov.2012
Rima Yousif
 
Tano Condor 2009
Tano Condor 2009Tano Condor 2009
Tano Condor 2009
guestdfef36
 
Datos
DatosDatos
Tarea4 Angelicajaramillo
Tarea4 AngelicajaramilloTarea4 Angelicajaramillo
Tarea4 Angelicajaramillo
University of Israel
 
Horrorsituationen für Nägelkauer
Horrorsituationen für NägelkauerHorrorsituationen für Nägelkauer
Horrorsituationen für Nägelkauer
Max Liebig
 
Radio Online Streaming
Radio Online StreamingRadio Online Streaming
Radio Online Streaming
Roger Emanuel Cabrera Guillen
 
Amor
AmorAmor
Amor
David
 
Tennis legend
Tennis legendTennis legend
Tennis legend
kiven235
 
A Slice Of Europe
A Slice Of EuropeA Slice Of Europe
A Slice Of Europe
guest1b38149
 
Familia
FamiliaFamilia
Familia
clau on
 
Presentaciones
PresentacionesPresentaciones
Presentaciones
anapunzon
 
Los Deportes
Los  DeportesLos  Deportes
Los Deportes
flasheameelavv
 

Andere mochten auch (19)

Capitulo # 2 tipos de negocios
Capitulo # 2 tipos de negociosCapitulo # 2 tipos de negocios
Capitulo # 2 tipos de negocios
 
El Nivel Educativo
El Nivel EducativoEl Nivel Educativo
El Nivel Educativo
 
Apuntes Psicologia Criminologica Editado
Apuntes Psicologia Criminologica EditadoApuntes Psicologia Criminologica Editado
Apuntes Psicologia Criminologica Editado
 
Lablue test
Lablue testLablue test
Lablue test
 
Traditionelle chinesische medizin
Traditionelle chinesische medizinTraditionelle chinesische medizin
Traditionelle chinesische medizin
 
Rima yousif nov.2012
Rima yousif nov.2012Rima yousif nov.2012
Rima yousif nov.2012
 
Tano Condor 2009
Tano Condor 2009Tano Condor 2009
Tano Condor 2009
 
Datos
DatosDatos
Datos
 
Tarea4 Angelicajaramillo
Tarea4 AngelicajaramilloTarea4 Angelicajaramillo
Tarea4 Angelicajaramillo
 
Horrorsituationen für Nägelkauer
Horrorsituationen für NägelkauerHorrorsituationen für Nägelkauer
Horrorsituationen für Nägelkauer
 
Radio Online Streaming
Radio Online StreamingRadio Online Streaming
Radio Online Streaming
 
Amor
AmorAmor
Amor
 
Tennis legend
Tennis legendTennis legend
Tennis legend
 
A Slice Of Europe
A Slice Of EuropeA Slice Of Europe
A Slice Of Europe
 
Familia
FamiliaFamilia
Familia
 
Italien – Überblick zur allg. wirtschaftlichen Situation
Italien – Überblick zur allg. wirtschaftlichen  SituationItalien – Überblick zur allg. wirtschaftlichen  Situation
Italien – Überblick zur allg. wirtschaftlichen Situation
 
Presentaciones
PresentacionesPresentaciones
Presentaciones
 
Los Deportes
Los  DeportesLos  Deportes
Los Deportes
 
Gat2
Gat2Gat2
Gat2
 

Ähnlich wie Zellbiologie

Biomembran sengel maturaporjekt2014
Biomembran sengel maturaporjekt2014Biomembran sengel maturaporjekt2014
Biomembran sengel maturaporjekt2014
Büsra Sengel
 
Biomembran funktion
Biomembran funktionBiomembran funktion
Biomembran funktion
Rudi2014
 
Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...
Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...
Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...
Wolfgang Geiler
 
PowerPoint Proteine
PowerPoint ProteinePowerPoint Proteine
PowerPoint Proteine
Miriam Gronert
 
2017_12_07_Zellorganellen.pptx
2017_12_07_Zellorganellen.pptx2017_12_07_Zellorganellen.pptx
2017_12_07_Zellorganellen.pptx
Osman Karabel
 
Fettsäuren Und Gesundheit
Fettsäuren Und GesundheitFettsäuren Und Gesundheit
Fettsäuren Und Gesundheit
swissestetix
 
39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...
39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...
39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...
Wolfgang Geiler
 

Ähnlich wie Zellbiologie (7)

Biomembran sengel maturaporjekt2014
Biomembran sengel maturaporjekt2014Biomembran sengel maturaporjekt2014
Biomembran sengel maturaporjekt2014
 
Biomembran funktion
Biomembran funktionBiomembran funktion
Biomembran funktion
 
Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...
Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...
Zellmembranen von Prokaryoten, Eukarioten und Archaen. Spezieller Zellaufbau ...
 
PowerPoint Proteine
PowerPoint ProteinePowerPoint Proteine
PowerPoint Proteine
 
2017_12_07_Zellorganellen.pptx
2017_12_07_Zellorganellen.pptx2017_12_07_Zellorganellen.pptx
2017_12_07_Zellorganellen.pptx
 
Fettsäuren Und Gesundheit
Fettsäuren Und GesundheitFettsäuren Und Gesundheit
Fettsäuren Und Gesundheit
 
39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...
39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...
39_05 Kompendium Hämostasiologie, Hämostasiologie. Düsseldorf, Teil 5,Gerinnu...
 

Mehr von Frank Bölter

Stereochemie organischer Verbindungen
Stereochemie organischer VerbindungenStereochemie organischer Verbindungen
Stereochemie organischer VerbindungenFrank Bölter
 
Physikalische Chemie
Physikalische ChemiePhysikalische Chemie
Physikalische ChemieFrank Bölter
 
Kernresonanzspektroskopie
KernresonanzspektroskopieKernresonanzspektroskopie
KernresonanzspektroskopieFrank Bölter
 
Infrarot- und Ramanspektroskopie
Infrarot- und RamanspektroskopieInfrarot- und Ramanspektroskopie
Infrarot- und RamanspektroskopieFrank Bölter
 

Mehr von Frank Bölter (10)

Zellchemie
ZellchemieZellchemie
Zellchemie
 
Stereochemie organischer Verbindungen
Stereochemie organischer VerbindungenStereochemie organischer Verbindungen
Stereochemie organischer Verbindungen
 
Physikalische Chemie
Physikalische ChemiePhysikalische Chemie
Physikalische Chemie
 
Organische Chemie
Organische  ChemieOrganische  Chemie
Organische Chemie
 
Mikrobiologie
MikrobiologieMikrobiologie
Mikrobiologie
 
Biochemie
BiochemieBiochemie
Biochemie
 
Bioanalytik
BioanalytikBioanalytik
Bioanalytik
 
Abbe-Refraktometer
Abbe-RefraktometerAbbe-Refraktometer
Abbe-Refraktometer
 
Kernresonanzspektroskopie
KernresonanzspektroskopieKernresonanzspektroskopie
Kernresonanzspektroskopie
 
Infrarot- und Ramanspektroskopie
Infrarot- und RamanspektroskopieInfrarot- und Ramanspektroskopie
Infrarot- und Ramanspektroskopie
 

Zellbiologie

  • 1.
  • 2. Zellbiologie Inhaltsverzeichnis Zellen - Grundelemente aller Lebewesen.......................................................................................................... 5 Die Bausteine der Zellen............................................................................................................................................... 5 Allgemeiner Aufbau eukaryontischer Zellen..................................................................................................... 9 Membranen.................................................................................................................................................................... 9 Der Zellkern.................................................................................................................................................................. 10 Peroxisomen................................................................................................................................................................ 14 Mitochondrien.............................................................................................................................................................. 14 Chloroplasten.............................................................................................................................................................. 15 Das Cytoskelett............................................................................................................................................................ 16 Zellbiologie der Bakterien........................................................................................................................................... 17 Grundprozesse der Molekularbiologie: Von der DNS zum Proteïn...............................................................19 Die DNS........................................................................................................................................................................ 19 Replikation................................................................................................................................................................... 19 Transkription................................................................................................................................................................ 21 Translation................................................................................................................................................................... 22 Proteïnfaltung.............................................................................................................................................................. 25 Proteïnabbau................................................................................................................................................................ 25 Einzelne Aspekte der Molekularen Zellbiologie.............................................................................................. 27 Signaltransduktion...................................................................................................................................................... 27 Apoptose...................................................................................................................................................................... 27 Anhang............................................................................................................................................................... 29 Abbildungsverzeichnis............................................................................................................................................... 29 Formelverzeichnis....................................................................................................................................................... 30 -3-
  • 3. Zellbiologie Zellen - Grundelemente aller Lebewesen Alle Organismen bestehen aus Zellen, die sich in ihrem Aufbau und ihren Grundfunktionen ähneln. Zellen sind nach außen von einer Zell- oder Plasmamembran umschlossen, die den regulierten Austausch von Substanzen mit der Umgebung er-möglicht. Alle Zellen haben einen Stoffwechsel, was bedeutet, dass sie mit einer Vielzahl von Enzymen Stoffe auf- und abbauen und Energie für ihre Lebensvorgänge gewinnen. Alle Zellen enthalten Erbinformation in Form von DNA und geben diese bei der Zellteilung (Mitose) an ihre Nachkommen weiter. Alle derzeit lebenden Zellen gehen wahrscheinlich auf einen gemeinsamen Ursprung zurück. Wie Leben auf der Erde entstanden ist, lässt sich heute nicht mehr sicher nachstellen. Wahrscheinlich ist aber, dass sich in chemischen Prozessen der jungen Erde Makromoleküle bildeten (vor allem Proteine, RNAs und Lipide), die sich zu zellähnlichen Verbänden zusammenlagerten. Durch die Bildung abgrenzender Membranstrukturen wurde schließlich ein Wettbewerb dieser Makromolekülgesellschaften möglich. Dies war die Grundlage dafür, dass durch Differenzierung und Auslese im Laufe der Evolution sich all die unterschiedlichen Zellen - und Organismen - bilden konnten, die sich auf der Erde finden. Abbildung 1 : Evolutionskalender Die Bausteine der Zellen Vier Gruppen von Makromolekülen sind für den Aufbau der Zellen entscheidend: Proteïne, Lipide, Kohlenhydrate und Nukleïnsäuren. Proteïne Proteïne sind kettenförmige Polymere aus Aminosäuren. Abbildung 2 : Proteïnsynthese 20 verschiedene Aminosäuren kommen in Proteïnen vor, und deren spezifische Abfolge (Primärstruktur) bestimmt die dreidimensionale Struktur und somit die Funktion der Proteïne. Durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Aminosäure-Resten bilden sich Sekundärstrukturen in Form von α-Helices und β-Faltblättern aus, die sich zu Proteïndomänen zusammenlagern können. Die Gesamtstruktur eines Proteïns wird als Tertiärstruktur bezeichnet und die oligomerer Proteïnkomplexe als Quartärstruktur. Proteïne sind die Funktionsträger der Zelle. -5-
  • 4. Zellbiologie Abbildung 3 : Proteïnstrukturen Lipide Lipide, wie sie in Organismen vorkommen, fallen in zwei Gruppen: 1. Speicherlipide dienen vor allem dem Energiemetabolismus und haben darüber auch Bedeutung für Körperform von Tieren oder für die Wärmeisolation. Triglyceride bilden den größten Teil der Speicherlipide. In tierischen Zellen bilden sie tröpfchen-ähnliche Einschlüsse in speziellen Fettzellen, den Adipozyten. Abbildung 4 : Bildung von Fetten 2. Membranlipide sind amphipatisch, das heißt sie haben einen hydrophoben und einen hydrophilen Teil. Es gibt eine große Zahl verschiedener Membranlipide, deren Zusammensetzung die Eigenschaften biologischer Membranen maßgeblich bestimmt. Mengenmäßig den größten Anteil haben Glycerolipide. Sphingolipide bilden eine mitgliederreiche Gruppe; sie spielen eine wichtige Rolle bei der Isolation von Nervenzellen oder bei der Bildung von "lipid rafts", spezifischer Domänen der Plasmamembran. Cholesterin beeinflusst die Fluidität von Membranen und ist ebenfalls an der Bildung von rafts beteiligt. Formel 1 : Cholesterol (Cholesterin) Ist ein Bestandteil von Biomembranen und die Ausgangssubstanz von Steroidhormonen -6-
  • 5. Zellbiologie Die Bildung der Membranlipide erfolgt hauptsächlich in der ER-Membran 1. Darüber hinaus besitzen auch die Außen- und Innenmembran der Mitochondrien Enzyme der Lipidbiosynthese. Diese bilden u.a. Cardiolipin, ein für Mitochondriën spezifisches Glycerolipid, das auch in Bakterien vorkommt. Abbildung 5 : Lipide Kohlenhydrate Kohlenhydrate bestehen aus Zuckerbausteinen, die als Einzelzucker oder als mehr oder weniger verzweigte Ketten vorkommen. Kohlenhydrate spielen eine maßgebliche Rolle im Stoffwechsel. Darüber hinaus tragen viele Proteïne und Membranlipide Zuckerketten. Unterschiede in diesen Zuckerketten sind beispielsweise für das AB0-Blutgruppensystem des Menschen verantwortlich. Formel 2 : Zucker mit 3 C-Atomen Formel 3 : Zucker mit 5 C-Atomen (Pentosen) Formel 4 : Zucker mit 6 C-Atomen (Hexosen) 1 Membran des endoplasmatischen Retikulums -7-
  • 6. Zellbiologie Nukleïnsäuren Nukleïnsäuren tragen die Erbinformation. Sie kommen als DNS 2 und RNS3 vor und werden später ausführlicher vorgestellt. Formel 5 : Nukleïnsäuren 2 Desoxi-Ribonukleïnsäure 3 Ribonukleïnsäure -8-
  • 7. Zellbiologie Allgemeiner Aufbau eukaryontischer Zellen Membranen Eukaryotische Zellen sind durch Membranen in verschiedene Kompartimente unterteilt, die ein zeitgleiches Nebeneinander unterschiedlicher chemischer Milieus und Reaktionsbedingungen in einer Zelle ermöglichen. Kompartimente können aus einem verzweigten Retikulum bestehen oder aus einzelnen membranumschlossenen Organellen. Die Plasmamembran grenzt das Cytosol von der Umgebung der Zelle ab. Membranen sind keine passiven Hüllen, sondern komplexe Systeme, die aktiv den Austausch verschiedenster Substanzen regulieren. Sie werden durch Membranlipide gebildet, in die Proteïne ein-, bzw. an die Proteïne angelagert sind. Abbildung 6 : Membranaufbau Der Proteïnanteil reicht dabei von etwa 20 (mitochondriale Außenmembran, Plasmamembran von Erythrozyten) bis etwa 80 Gew-% (mitochondriale Innenmembran, Thylakoid-Membran). Integrale Membranproteïne besitzen meist α-helikale Transmembrandomänen, die von 15-22 hydrophoben Aminosäureresten gebildet werden. Die Außenmembranen von Mitochondriën, Chloroplasten und Bakterien enthalten darüber hinaus β barrel-Proteïne, die die Membran mittels fassartig angeordneter β-Faltblätter durchspannen. Proteïne können auch durch kovalent gebundene hydrophobe Moleküle in der Membran verankert werden. Abbildung 7 : Zellmembran -9-
  • 8. Zellbiologie Von besonderer Bedeutung für die Funktion und Regulation der Zelle sind Proteïne, die den regulierten Transport von Substanzen über Membranen ermöglichen. Bei diesem Transport unterscheidet man Diffusion, erleichterte Diffusion, Cotransport und aktiven Transport. Abbildung 8 : Ein gesteuertes Kanalproteïn (gated channel) wird durch ein äußeres Signal geöffnet Das Membranproteïn verändert seine dreidimensionale Struktur, wenn ein Signalmolekül an das Protein bindet. Der Zellkern Der Zellkern enthält die genetische Information der Zelle in Form von DNS. Die DNS liegt während der Interphase als locker gepacktes Euchromatin, das aktiv abgelesen werden kann, und als dicht gepacktes mehr oder weniger inaktives Heterochromatin vor. Der Packungsgrad wird vor allem durch chemische Modifikationen (v.a. Acetylierung) der Histonkomplexe bestimmt, um die die DNS wie um Fadenrollen aufgewickelt ist. Abbildung 9 : Aufbau eines Chromosoms Neben der Replikation und Transkription der DNS erfolgt im Kern die Biogenese der Ribosomen aus rRNS und ribosomalen Proteïnen. Diese findet im Nukleolus statt, einer Struktur, die schon lichtmikroskopisch sichtbar ist. Die Kernhülle wird durch die innen anliegende Lamina stabilisiert, die aus Laminen bestehen. Lamine gehören zu den Intermediärfilamenten des Cytoskeletts. Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen, der inneren und der äußeren Kernmembran. Diese schließen den perinukleären Raum ein, der in das Lumen des ERs übergeht. Kernporen erlauben den Transport von Molekülen in den Kern (Histone, Polymerasen, ribosomale Proteïne, Importfaktoren u.a.) und aus dem Kern (prozessierte mRNSn, tRNSn, assemblierte ribosomale Untereinheiten, Exportfaktoren u.a.). Kernporen sind hochkomplexe Strukturen und gehören zu den größten Proteinkomplexen der Zelle. -10-
  • 9. Zellbiologie Abbildung 10 : Aufbau des Zellkerns Die Kompartimente des secretory pathway Die Membran des Zellkerns geht direkt in das Endoplasmatische Retikulum (ER) über. Abbildung 11 : Endoplasmatisches Retikulum 4 Das EM -Bild links zeigt einen Schnitt (zweidimensional) durch das endoplasmatische Retikulum; rechts ist dieser Schnitt schematisch (und dreidimensional) dargestellt. Natürlich sind diese Membransysteme im ungeschnittenen Zustand nicht offen, sondern bilden stets geschlossene Kompartimente, die vom umgebenden Cytosol abgetrennt sind. 4 Elektronen-Mikroskop -11-
  • 10. Zellbiologie Das ER bildet zusammen mit dem Golgi-Apparat, den Lysosomen, den Endosomen und der Plasmamembran die Kompartimente des secretory pathway. Membranproteïne und luminale Proteïne dieser Kompartimente werden an der ER- Membran synthetisiert, wie auch Proteïne, die aus der Zelle durch Sekretion abgegeben werden. Diese Proteïne tragen meist aminoterminale Zielsequenzen, die als Signalsequenzen bezeichnet werden. Diese werden bei der Synthese im Cytosol von Signalerkennungspartikeln erkannt und mitsamt den translatierenden Ribosomen an die ER-Membran dirigiert. Dies ermöglicht einen kotranslationalen Transport der synthetisierten Polypeptidketten durch das Sec61-Translokon. Bereits während dieses Transports in das ER werden meist die Signalpeptide durch Signalpeptidasen entfernt und die entstehenden Proteïne glycolysiert, wobei Zuckerketten an Asparaginreste (N-Glycosylierung) oder an Serin- oder Threoninreste (O-Glycosylierung) angehängt werden. Im ER-Lumen erfolgt dann die Faltung dieser Proteïne durch luminale Chaperone (s.u.). Der Transport von Proteïnen vom ER über den Golgi-Apparat erfolgt durch ein Vesikeltransportsystem. An der ER- Membran schnüren sich COP II-Vesikel ab, die mit der Membran des cis-Golgi verschmelzen. Die Fusion der Membranen wird dabei durch v-SNAREs (auf den Vesikeln) und t-SNAREs (auf den target membranes) katalysiert. Durch entgegengesetzten Transport durch COP I-Vesikel werden v-SNAREs und residente ER-Proteïne wieder vom Golgi- Apparat zum ER zurück transportiert. Im Lumen des Golgi-Apparates werden die Zuckerseitenketten an Proteïnen und Membranlipiden weiter modifiziert. Die Proteïne durchwandern den Golgi-Apparat vom cis- zum trans-Golgi. Wie diese Durchwanderung erfolgt, ist umstritten: Nach der cisternal maturation-Hypotheses reift der cis-Golgi zum trans-Golgi, wobei cis-Golgi aus ER kommenden Vesikeln stets neu gebildet wird und der trans-Golgi sich in Vesikel auflöst. Nach einer alternativen Hypothese bleiben die Zisternen des Golgi-Apparates fest und ihr Inhalt wird durch COP I-Vesikel hin und her transportiert. Für beide Hypothesen gibt es gute experimentelle Evidenz, und beide Prozesse (Zisternenmaturierung und Vesikelfluss) laufen wohl parallel ab. Distal vom trans-Golgi befindet sich das trans Golgi network (TGN). Dieses fungiert als Sortierstation, die mit Proteïnen beladene Vesikel an verschiedene Empfängermembranen sendet. Abbildung 12 : Golgi-Apparat Im Golgi-Apparat werden Proteïne aus dem ER modifiziert und an die korrekten Zielorte inner- und außerhalb der Zelle „adressiert“. Durch Exocytose werden Proteïne und andere Moleküle in die Umgebung der Zelle abgegeben. Beispiele für sekretierte (= sezernierte) Proteïne sind Hormone (z.B. Insulin), Wachstumsfaktoren, Enzyme, Antikörper. Durch Endocytose werden Substanzen aus der Umgebung der Zelle aufgenommen. Zur Endocytose bildet sich unter der Plasmamembran ein Grundgerüst aus Clathrin-Molekülen, die über Adapterproteine mit Rezeptoren in der Membran interagieren. Durch Zusammenlagerung (clustering) vieler Rezeptoren in der Membran kommt es zur lokalen Konzentration von trimeren Clathrin-Komplexen (Triskelions), die konvexe Flächen bilden. Dadurch stülpt sich die Membran zu coatedpits ein und schließlich bilden sich clathrinumhüllte Vesikel. Die Clathrin-Hülle wird mit Hilfe von Chaperonen (uncoating Hsp70) abgelöst. Die Vesikel können dann mit ihren Zielmembranen fusionieren, dies sind vor allem Endosomen. -12-
  • 11. Zellbiologie Abbildung 13 : Endocytose / Exocytose Alle eukaryontischen Zellen nutzen Endocytose und Exocytose, um Substanzen aus dem umgebenden Milieu aufzunehmen, beziehungsweise an dieses abzugeben. Die Phagocytose ist eine Sonderform der Endocytose, in der besonders große Partikel aufgenommen werden. Zur Phagocytose sind nur besondere Zellen befähigt. Zu solchen Phagozyten (Fresszellen) zählen verschiedene Leukozyten (Makrophagen, B-Zellen, neutrophile Granulozyten), aber auch viele Einzeller (z.B. Amöben). Unter Pinocytose versteht man die Endocytose besonders kleiner Volumina, meist zur Aufnahme von Flüssigkeit aus der Zellumgebung. Endosomen bilden ein komplexes und recht heterogenes Kompartiment, das je nach Zelltyp verschiedene Ausbildungen und Aufgaben haben kann. So besitzen Phagozyten Endosomen, in denen Antigene von antigenbindenden Rezeptoren (vor allem B-Zell-Rezeptoren) abgelöst werden; diese werden als CURL (compartment for uncoupling of receptor and ligand) bezeichnet. Endosomen empfangen auch Vesikel aus dem trans Golgi network. In der Membran der Endosomen sitzt eine Protonenpumpe (vATPase = vacuolar ATPase), die ATP-abhängig das Lumen der Endosomen ansäuert. Der erniedrigte pH-Wert wird genutzt, um Liganden (z.B. Antigene oder LDLs) von Rezeptoren abzulösen. Die Rezeptoren werden dann in der Regel durch Vesikel an die Plasmamembran zurücktransportiert. Die Liganden gelangen in Lysosomen. Lysosomen enthalten Hydrolasen verschiedenster Spezifität zum Abbau von Proteïnen, Lipiden, Nukleïnsäuren und Kohlenhydraten. Der pH-Wert im Lumen der Lysosomen ist noch niedriger als in Endosomen, um den Abbau von Substanzen zu erleichtern. Lysosomen entsprechen dem "Magen" der Zelle. Abbildung 14 : Lysosomen isolieren Verdauungsenzyme vom übrigen Cytoplasma -13-
  • 12. Zellbiologie In den Lysosomen wird Material hydrolysiert, das durch Phagocytose in die Zelle gelangt ist oder aus der Zelle selbst stammt. Bestimmte Lysosomen sind auch in der Lage, Teile des Cytosols und sogar ganze Organellen zu umstülpen, aufzunehmen und zu verdauen. Diesen Vorgang nennt man Autophagie, autophagocytierende Lysosomen Autophagosomen. Peroxisomen Die Verbindung von Peroxisomen zum secretory pathway ist nicht klar. Neueste Ergebnisse zeigen, dass einige Membranproteine über das ER zu Peroxisomen gelangen. Die meisten peroxisomalen Proteïne werden dagegen direkt aus dem Cytosol in die Peroxisomen aufgenommen. Interessanterweise nehmen Peroxisomen ihre Proteïne vornehmlich in gefaltetem Zustand auf, z.T. sogar als oligomere Proteïnkomplexe. Der Mechanismus, durch den die Aufnahme hierbei erfolgt, ist kaum verstanden. Man unterscheidet zwei Typen peroxisomaler Zielsequenzen, die als PTS1 und PTS2 bezeichnet werden (peroxisomal targeting signal). PTS1-Signale sind Tripeptide (meist SKL, Serin-Lysin-Leucin) am Carboxyterminus der zu transportierenden Proteïne. Peroxisomen katalysieren unter anderem den Abbau von Fettsäuren. Der Abbau von Fettsäuren erfolgt auch in der β- Oxidation in Mitochondrien. Im Gegensatz zu Peroxisomen können Mitochondrien aber langkettige Fettsäuren von mehr als 16 bis 18 C-Atomen kaum aufnehmen. Patienten mit defekten Peroxisomen zeigen entsprechend Störungen im Abbau langkettiger Fettsäuren. Das Fehlen von Peroxisomen beim Menschen wird als Zellweger-Syndrom bezeichnet, das meist zum frühen Tod entsprechender Kinder führt. Mitochondrien Mitochondrien stammen von Eubakterien ab. Wie Mitochondrien aufgenommen wurden, ist umstritten, aber wahrscheinlich, gingen sie aus einem symbiotischen Arrangement eines Eubakteriums (woraus die Mitochondrien wurden) und eines Archaebakteriums hervor. Aus dem letzteren entstand der Rest der Zelle. Dieses Zusammenschließen führte zu großen Umbildungen, aus denen beispielsweise der Zellkern entstand. Nach dieser Hypothese hätte es keine prämitochondrialen Eukaryonten gegeben. Mitochondrien bestehen aus 2 Membranen, der Außenmembran und der Innenmembran. Diese schließen den Intermembranraum ein. Das Lumen der Mitochondrien heißt Matrix. Die Außenmembran ging aus der Außenmembran der Bakterien hervor (auch wenn dies in manchen Lehrbüchern anders steht). Abbildung 15 : Die Endosymbiontentheorie Chloroplasten und Mitochondriën stammen sehr wahrscheinlich von kleinen Prokaryonten ab, die mit anderen größeren Prokaryonten eine Symbiose eingingen. Dafür spricht beispielsweise das Vorkommen von β barrel-Proteïnen, die sonst nur in der äußeren Hüllmembran der Chloroplasten und der Außenmembran gram-negativer Bakterien vorkommen. Porine sind Beispiele für β barrel-Proteïne; diese bilden großlumige Poren, die den Durchtritt von Molekülen von bis zu etwa 4000 Da erlauben. Die Innenmembran der Mitochondrien ist in Cristae eingefaltet. In der Innenmembran befindet sich die Atmungskette, die Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum transportiert. Dieser Protonengradient wird durch Antiporter größtenteils in einen Ionengradiënten übersetzt, wodurch der pH-Wert von Matrix und Intermembranraum (und Cytosol) selbst bei aktiv atmenden Zellen fast neutral bleibt. Der Protonengradient wird schließlich von der F0F1-ATPase (= F0F1-ATP-Synthase) zur ATP-Synthese genutzt. Die ATP-Synthese findet in der Matrix statt. ADP/ATP carrier sind Antiporter in der Innenmembran, die den Rest der Zelle mit ATP versorgen. -14-
  • 13. Zellbiologie Neben dem Energiestoffwechsel gibt es eine Reihe von katabolen und anabolen Stoffwechselprozessen, die in Mitochondrien ablaufen. Beispiele sind die Bildung von Eisen-Schwefel-Proteinen, die β-Oxidation von Fettsäuren, die Häm-Biosynthese, die Bildung verschiedener Membranlipide, der Harnstoffzyklus und der Auf- und Abbau verschiedener Aminosäuren. Mitochondrien besitzen ein eigenes Genom und komplette Maschinerien zur Replikation, Transkription und Translation. Allerdings wird nur eine geringe Zahl der mitochondrialen Proteïne an mitochondrialen Ribosomen synthetisiert (8 in Hefe, 13 im Menschen). Etwa 600-2000 verschiedene Proteïne müssen zur Bildung der Mitochondrien aus dem Cytosol importiert werden. Dafür befinden sich in der Außen- und Innenmembran spezielle Proteïntranslokasen, die als TOM-Komplex (translocase of the outer membrane) und TIM-Komplex (translocase of the inner membrane) bezeichnet werden. Matrixproteïne tragen meist aminoterminale Zielsequenzen, die Präsequenzen heißen. In der Matrix werden Präsequenzen durch die Mitochondriale Prozessierungspeptidase (MPP) entfernt. Abbildung 16 : Energiegewinnung im Mitochondrium Im Mitochondrium wird Energie aus Betriebsstoffen in ATP-gebundene Energie umgewandelt. Dieses EM-Bild zeigt einen Schnitt (zweidimensional) durch ein dreidimensionales Organell. In der Zeichnung kommt noch klarer zum Ausdruck, dass die Cristae Einstülpungen der Mitochondrien Innenmembran sind. Chloroplasten Chloroplasten stammen von Cyanobakterien, die wahrscheinlich als Endosymbionten in die Vorläufer der Pflanzen aufgenommen wurden. Chloroplasten sind in 6 verschiedene Subkompartimente unterteilt: Die äußere Hüllmembran, der Intermembranraum, die innere Hüllmembran, das Stroma, die Thylakoid-Membran und das Thylakoid-Lumen. Die Komplexe der Photosynthese sind in bzw. an den Thylakoidmembranen lokalisiert. Der Stoffwechsel der Chloroplasten ist extrem komplex. -15-
  • 14. Zellbiologie Abbildung 17 : Der Chloroplast: Das Organell, das die Welt ernährt Das EM-Bild zeigt einen Chloroplasten aus einem Maisblatt. Verglichen mit Mitochondriën sind Chloroplasten groß; sie enthalten ein ausgedehntes, stark gefaltetes Netzwerk photosynthetisch aktiver Thylakoidmembranen. Wie Mitochondriën besitzen auch Chloroplasten ein eigenes Genom und exprimieren eine Reihe ihrer Proteïne selbst. Darüber hinaus werden Hunderte von Proteïnen durch Proteïntranslokasen, den TOC- und TIC-Komplexen, aus dem Cytosol in Chloroplasten importiert. Weitere Proteïntranslokasen befinden sich in der Thylakoid-Membran, die evolutiv von den Translokationskomplexen der bakteriellen Innenmembran abstammen. Diese Vorstufenproteïne werden im Cytosol mit Zielsequenzen synthetisiert, die als Transitpeptide (transit peptides) bezeichnet werden. Weitere Zielsignale in den Proteïnen erlauben die Sortierung der einzelnen Proteïne in ihr jeweiliges Subkompartiment der Chloroplasten. Das Cytoskelett Die Zelle wird durch ein Innenskelett verschiedener Filamente stabilisiert. Dieses Cytoskelett besteht aus drei Klassen von Filamenten: 1. Aktinfilamente haben den geringsten Durchmesser und spielen eine wichtige Rolle bei der Motilität von Zellen. Sie bilden beispielsweise die Grundstruktur in Mikrovilli oder dienen der Bewegung von Pseudopodien in Makrophagen oder Amöben. 2. Intermediärfilamente sind eine heterogene Gruppe verschiedener Proteine. Hierzu gehören die Lamine des Zellkerns oder das Desmin, das an der Bildung von Desmosomen beteiligt ist. 3. Mikrotubuli bestehen aus α- und β-Tubulin, die sich zu röhrenförmigen Filamenten zusammenlagern. Mikrotubuli sind bei der Mitose an der Trennung der Chromatiden beteiligt und wichtig für den intrazellulären Transport von Vesikeln und Organellen. Beispielsweise erfolgt die Versorgung von Axonen und Dendriten entlang langer Mikrotubuli-„Schienen“, auf denen Motoren energieabhängig entlanglaufen. -16-
  • 15. Zellbiologie Abbildung 18 : Das Cytoskelett Die drei Hauptkomponenten des Cytoskeletts sind hier genauer dargestellt. Diese Netzwerke aus fibrillären (fädigen) Proteïnen sichern die Form und Reißfestigkeit der Zellen und tragen zu ihren Bewegungen bei. (Intermediärfilamente kommen nur bei Tierzellen vor.) Zellbiologie der Bakterien Abbildung 19 : Prokariontische Zelle Das Bakterium Pseudomonas aeruginosa weist typische prokaryontische Zellstrukturen auf. Wie Sie sehen, finden sich außerhalb der Plasmamembran weitere Schutzhüllen. Bakterien besitzen wie eukaryontische Zellen eine Plasmamembran, die (bei Gram-positiven) meist als Innenmembran bezeichnet wird. In Aufbau und Lipidzusammensetzung erinnert sie an die Innenmembran der Mitochondrien. Die Plasmamembran ist meist von einer stabilisierenden Zellwand umgeben, dem Mureïnsacculus. -17-
  • 16. Zellbiologie Bei Gram-negativen Bakterien umgibt eine weitere Membran die Zellwand, die Außenmembran. In der Außenmembran befinden sich großlumige Porine, die β Barrel-Struktur haben. Das Kompartiment zwischen Innen- und Außenmembran wird als Periplasma bezeichnet. Der Transport von Proteïnen durch die Innenmembran wird durch eine Proteïntranslokase ermöglicht, die als Sec-Translokase bezeichnet wird und mit dem Sec61-Translocon des ERs verwandt ist. Sie erkennt Proteine an aminoterminalen Zielsequenzen, den leader peptides. Bakterien besitzen in der Regel keine Kompartimente. Die DNS liegt im Cytosol als mit Proteïnen verpackte Struktur vor, dem Nucleotid. Das Fehlen des Kerns erlaubt eine zeitliche Kopplung von Transkription und Translation, was besonders kurze Generationszeiten ermöglicht. Vieles von dem, was über die molekularen Vorgänge in Zellen bekannt ist, wurde an Bakterien entdeckt, vor allem an dem Darmbakterium Escherichia coli. Das meiste lässt sich dabei auf die Prozesse in eukaryontischen Zellen übertragen. Allerdings wurden in Eukaryonten im Laufe der Evolution meist zusätzliche Komponenten hinzugefügt, die vor allem der besseren Regulation dienen. Abbildung 20 : Gram-Färbung und Bakterienzellwand Auf eine Gram-Färbung reagieren die Zellwandkomponenten verschiedener Bakterien auf zweierlei Weise. a) Gram-positive Bakterien besitzen eine dicke Zellwand aus dem Peptidoglykan Mureïn, in welcher der violette Farbstoff eingelagert wird; sie erscheint dann tiefblau oder purpurn. b) Gram-negative Bakterien besitzen eine dünne Peptidoglykanschicht, die den violetten Farbstoff nicht annimmt; durch Gegenfärbung mit einem roten Farbstoff lässt sie sich aber färben und sieht dann rosa aus. -18-
  • 17. Zellbiologie Grundprozesse der Molekularbiologie: Von der DNS zum Proteïn Die Prozesse der Molekularbiologie liegen im Schnittfeld von Zellbiologie, Biochemie und Genetik. Hier wird nur ein kurzer Abriss gegeben, um breite Überlappungen mit den anderen beiden Fächern zu vermeiden. Diese Prozesse werden detailliert im Gentechnik -Teil der Vorlesung besprochen. Die DNS Die DNS ist ein Polymer aus den miteinander veresterten Desoxyribonukleotiden Adenosin, Cytosin, Guanosin und Thymidin. Die DNS liegt meist dicht verpackt vor, wobei der Packungsgrad vom Aktivitätszustand und von der spezifischen Phase im Zellzyklus abhängt. Die DNS ist auf Histonkomplexe als Nukleosomen aufgerollt, die sich weiter zu Superhelices aufwinden. Vor allem während der Interphase werden diese weiter eng verpackt und bilden typische Chromosomen-Strukturen mit "zwei Armen und zwei Beinen". Die Enden der Chromsomen werden als Telomere, ihre Zentren als Centromere bezeichnet. And den Centromeren bilden sich während der Mitose Kinetochore, an denen die Mikrotubuli die einzelnen Chromatiden zu den Centriolen auseinanderziehen. Abbildung 21 : Die wesentlichen Unterschiede von DNS und RNS RNS liegt gewöhnlich einzelsträngig vor, während DNS gewöhnlich aus zwei gegenläufigen Strängen besteht. Replikation Die Vermehrung von Zellen erfolgt in einem genau regulierten Ablauf, dem Zellzyklus. Dabei folgen im Wechsel die eigentliche Zellteilung (Mitose) und die Synthese- oder S-Phase, die jeweils durch gap- oder G-Phasen getrennt sind. Der Zellzyklus wird durch den zyklischen Auf- und Abbau von Cyclinen und anderen Proteinen präzise gesteuert. Fehlsteuerung kann dabei zu einer unkontrollierten Zellvermehrung führen. Bei vielzelligen Organismen spricht man dabei von Onkogenese, d.h. Krebs-Entstehung. Während der S-Phase kommt es zur Replikation, d.h. zur identischen Verdopplung der DNA einer Zelle. Die Replikation lässt sich (wie auch die Transkription und die Translation) in drei Phasen teilen: die Initiation, die Elongation und die Termination. Die Initiation beginnt an spezifischen Stellen der DNA, den origins. -19-
  • 18. Zellbiologie Abbildung 22 : Der eukaryontische Zellzyklus Der Zellzyklus umfasst eine Mitosephase (M), während der zuerst eine Teilung des Zellkerns (Mitose) und dann die Teilung der Zelle (Cytokinese) erfolgen. Auf die M-Phase folgt eine lange Wachstumsperiode, die man als Interphase bezeichnet. Die Interphase umfasst bei Zellen, die sich teilen, drei Unterphasen (G1, S und G2). Abbildung 23 : Zwei Sichtweisen zur DNS-Replikation a) Zuerst nahm man an, dass sich der Replikationskomplex die DNS entlang bewegt. b) Neuere Erkenntnisse deuten jedoch darauf hin, dass die DNA durch einen stationären Komplex geführt wird. In Eukaryonten gibt es viele Origins pro Chromosom, an denen zuerst die DNA mit Hilfe von Helikasen und Topoisomerasen aufgewunden wird, wobei sich Replikationsblasen bilden. An den Enden dieser Blasen, den Replikationsgabeln, sitzen die Enzyme der Replikation. Dies sind neben Helikasen und Topoisomerasen Primasen, DNA-abhängige DNA-Polymerasen, 5'-3'-Exonukleasen (zum Entfernen der primer) und DNS-Ligasen. Abbildung 24 : Replikationsgabel An der Replikationsgabel wirken viele Proteïne zusammen. Bei der DNS-Replikation sind zusätzlich zur DNS-Polymerase weitere Proteïne beteiligt. Die beiden hier getrennt gezeichneten Moleküle der DNS-Polymerase (rot) sind in Wirklichkeit Teil desselben Replikationskomplexes. -20-
  • 19. Zellbiologie Transkription Der Abschnitt der DNS, der die Information für die Synthese einer RNS (mRNS, tRNS oder rRNS) enthält, wird als Gen bezeichnet. Gene bestehen aus verschiedenen Elementen: Der Leserahmen (ORF, open reading frame) ist der tatsächlich kodierende Bereich, der in Exons und Introns unterteilt sein kann; dazu kommen regulatorische Elemente wie Promotor, Terminator, Enhancer und Silencer. Am Promotor bilden die Initiationsfaktoren den Initiationskomplex, was zur Bindung der DNS-abhängigen RNS-Polymerase führt. Bei Prokaryonten gibt es ein solches Enzym, bei Eukaryonten vier bzw. fünf: Die RNS-Polymerase I (für rRNS), II (für mRNS) und III (für tRNS und andere kurze RNSs). Dazu kommen RNS-Polymerasen in Mitochondriën und Chloroplasten. Abbildung 25 : DNS wird zu RNS transkriptiert Die DNS wird teilweise entspiralisiert, um als Matrize für die RNA-Synthese dienen zu können. Das RNS-Transkript löst sich bei der Synthese von der DNS ab, sodass sich die bereits transkribierte DNS wieder zur Doppelhelix spiralisieren kann. Die RNS-Transkription umfasst drei getrennte Reaktionen: Initiation, Elongation und Termination. Die RNS-Polymerase ist in Wirklichkeit viel größer als hier dargestellt und bedeckt etwa 50 Basenpaare. In Eukaryonten werden mRNSs umfangreich modifiziert: Durch Spleißen werden Introns entfernt, durch Capping eine Kopf-Gruppe am 5'-Ende angefügt, und am 3'-Ende wird ein Poly-A-Schwanz angehängt. Zusätzlich kann es zum Austausch einzelner Nucleotide kommen. Dieses RNS-Editing kann sehr umfangreich sein, wie beispielsweise im Chloroplastengenom von Pflanzen. Die Transkription wird durch eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren reguliert, die an die regulatorischen Elemente eines Gens binden. Viele Transkriptionsfaktoren enthalten charakteristische Zink-Fingerstrukturen. Die Stabilität verschiedener mRNSs ist sehr unterschiedlich und wird häufig zur Regulation der Expressionsstärke genutzt; typischerweise sind mRNSs von regulatorischen Proteinen instabil, so dass sie nach Abschalten der Transkription schnell abnehmen; im Gegensatz dazu sind konstitutiv exprimierte mRNSs wie die von „Haushaltsproteïnen“ relativ stabil. Die Genexpression wird weiterhin über den Packungszustand der DNS reguliert. Dieser hängt von Modifikationen z.B. von Histonen ab und kann teilweise bei der Replikation an neu synthetisierte DNA-Stränge weitergegeben werden. Dadurch kommt es zu einer vererbbaren Ausprägung genetischer Information, die über die reine Sequenzinformation der DNS hinausgeht und die man als Epigenetik bezeichnet. -21-
  • 20. Zellbiologie Translation Die modifizierte mRNS (auch hnRNS genannt) verlässt an Proteïne gebunden den Zellkern durch die Kernporen. Im Cytosol werden dann an der mRNS Proteïne synthetisiert (= translatiert). An einem Startcodon (AUG) nahe des 5'-Endes lagern sich dafür Initiationsfaktoren, die kleine Untereinheit der Ribosomen, eine mit Methionin beladene Starter-tRNS und schließlich die große Untereinheit der Ribosomen zusammen. Das Ribosom ist ein Ribozym, ein Enzym dessen katalytische Aktivität durch RNA ausgeübt wird. Im Ribosom gibt es zwischen den Untereinheiten einen Kanal für die mRNS und 3 Bindestellen für tRNSs, die als A-, P- und E-Stellen bezeichnet werden. GTP-abhängige Elongationsfaktoren beladen die A-Stelle mit Aminoacyl-tRNSs. Während der Elongation befindet sich in der P-Stelle eine Polypeptidyl-tRNS, deren Kette auf die Aminoacyl-tRNS der A-Stelle transferiert wird. Elongationsfaktoren verschieben darauf die verlängerte Polypeptidketten-tRNS in die P-Stelle und die jetzt unbeladene tRNS in die E-Stelle und schließlich aus dem Ribosom. Release-Faktoren erkennen spezifische Stopp-Codons in der mRNS und führen zur Termination der Translation. Die gebildeten ("naszi er enden") Polypeptidketten verlassen das Ribosom durch einen Tunnel in der großen Untereinheit, an dessen Ende Bindestellen für das Signalerkennungspartikel und das Sec61-Translokon sitzen. Abbildung 26 : Die Initiation der Translation Die Translation beginnt mit der Bildung eines Initiationskomplexes. Der Austritt einer Signalsequenz aus dem Tunnel führt zur Bindung des Signalerkennungspartikels, wodurch die Proteïnsynthese verlangsamt wird, da das Signalerkennungspartikel zwischen die beiden Untereinheiten des Ribosoms greift und den Zugang von tRNSs und Elongationsfaktoren blockiert. Gelangen die so arretierten Ribosomen an die Oberfläche des ERs, so löst sich das Signalerkennungspartikel ab und das Ribosom dockt an das Sec61-Translokon an. Dies er-möglicht dann den kotranslationalen Transport der naszierenden Ketten durch die ER-Membran. -22-
  • 21. Zellbiologie Abbildung 27 : Die Elongationsphase der Translation Das Polypeptid wird durch die Translation der mRNS verlängert. -23-
  • 22. Zellbiologie Abbildung 28 : Die Termination der Translation Die Translation wird beendet, wenn die A-Stelle des Ribosoms in der mRNS auf ein Stoppcodon trifft. -24-
  • 23. Zellbiologie Abbildung 29 : Ein Polysom a) Ein Polysom besteht aus vielen Ribosomen mit ihren wachsenden Polypeptidketten, die in einer Reihe die mRNA entlang wandern. b) Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Polysoms (TEM). Proteïnfaltung Die spezifische Abfolge der Aminosäurenreste eines Proteïns bestimmt dessen dreidimensionale Struktur. Allerdings nehmen in vivo Proteïne ihre native, funktionelle Struktur meist nicht spontan ein, sondern unter Mithilfe spezifischer Faltungshelfer, den Chaperonen. Chaperone kann man in zwei unterschiedlich arbeitende Gruppen einteilen, holdases und foldases. Holdases stabilisieren fehlgefaltete Proteine der Zelle und puffern die bei Stressbedingungen auftretenden ungefalteten Proteine ab. Ein Beispiel sind die Crystalline in der Augenlinse, die Linsenproteine über die gesamte Lebensdauer von Tieren korrekt gefaltet halten. Erst im hohen Alter kommt es häufig zu einer Denaturierung der Linsenproteine und damit zum Eintrüben der Linse (grauer Star, Katarakt). Foldasen tragen aktiv zur Faltung ihrer Substrate bei. Drei Gruppen ATP-abhängiger Chaperone sind besonders wichtig: a) Hsp70-Chaperone kommen in verschiedensten Kompartimenten der Zelle vor. Sie binden ATP-reguliert an entfaltete Polypeptidketten und spielen neben der Proteinfaltung auch bei vielen Transportvorgängen von Proteinen eine Rolle, wie dem Transport in das ER, in die Mitochondrien oder in die Chloroplasten. b) Chaperonine sind tonnenförmige Enzyme, die entfaltete Polypeptide von bis zu 60 kDa in ihr Inneres aufnehmen können und ATP-abhängig falten. Zu ihnen gehören der bakterielle GroEL/GroES-Komplex oder die Hsp60- Proteine in Mitochondrien und Chloroplasten. Auch im eukaryontischen Cytosol gibt es Chaperonine. c) Hsp90-Chaperone wirken zusammen mit Hsp70-Chaperonen. Sie spielen eine wichtige Rolle in der Signalübertragung von Steroidhormonen (s.u.). Im Lumen des ERs und im bakteriellen Periplasma werden darüber hinaus Cysteïnreste in Proteinen zu Disulfidbrücken verknüpft. Sulfhydryloxidasen und Proteïndisulfidisomerasen ermöglichen den Ein- und Umbau dieser kovalenten Verknüpfungen und ermöglichen dadurch diese oxidative Proteïnfaltung. Proteïnabbau Die Lebensdauer verschiedener Proteïne wird durch eine komplexe Proteïnabbaumaschinerie genau reguliert. Von besonderer Bedeutung ist hierfür das Proteasom, ein großer Proteasenkomplex, der im Cytosol und im Zellkern vorkommt. Proteine, die zum Abbau durch das Proteasom bestimmt sind, werden durch kurze Ubiquitin-Peptide kovalent markiert. Das Proteasom erkennt die so markierten Proteine und spaltet sie in kurze Peptide, die von Peptidasen weiter hydrolysiert werden. Das Proteasom baut nicht nur lösliche Proteine des Cytosols und des Kernlumens ab, sondern auch viele Membranproteine, die auf der dem Cytosol zugewandten Seite ubiquitiniert wurden. Darüber hinaus hat der lysosomale Abbau eine besondere Bedeutung (s.o.). Auch gibt es in vielen Organellen eigene Abbausysteme für Proteine. Proteasen arbeiten meist Hand in Hand mit Chaperonen, die meist an der Erkennung und Entfaltung der Proteine beteiligt sind. -25-
  • 24. Zellbiologie Einzelne Aspekte der Molekularen Zellbiologie Vielzellige Organismen bestehen meist aus vielen verschiedenen Zelltypen, die sich in ihren Fähigkeiten stark unterscheiden können. Die Behandlung der spezifischen Eigenschaften von Neuronen oder Muskelzellen, Stammzellen oder Leukozyten geht deutlich über die Möglichkeiten der Grundvorlesungen hinaus und ist Stoff spezieller Vertiefungsveranstaltungen des Hauptstudiums. Kurz erwähnt werden sollen hier aber einige Beispiele, die für die Interaktion von Zellen in Zellverbänden besondere Bedeutung haben. Signaltransduktion Zur Kommunikation zwischen Zellen und innerhalb verschiedener Kompartimente der Zelle ist die Übertragung von Signalen entscheidend wichtig. Drei Beispiele solcher Signaltransduktionswege sollen hier vorgestellt werden. Als Reaktion auf eine Stress-Situation kommt es zur Anhebung des zellulären Glucosespiegels. Auslöser ist hierbei das Hormon Adrenalin, ein Katecholamin, das im Nebennierenmark aus Phenylalanin bzw. Tyrosin gebildet wird. Zellen besitzen in der Plasmamembran Adrenalinrezeptoren, die zur Proteinfamilie der 7-Transmembran-domänen-Rezeptoren gehört. Nach Bindung von Adrenalin aktiviert dieser Rezeptor ein trimeres G-Protein auf der cytosolischen Seite der Membran. Dieses aktiviert die Adenylat-Cyclase, worauf der gesteigerte cAMP-Spiegel zur Aktivierung der Proteïn-Kinase A führt. Diese stimuliert den Glycogenabbau, indem sie die Glycogen-Phosphorylase aktiviert und die Glycogen-Synthase hemmt. Steroidhormone funktionieren nach einem völlig anderen Prinzip. Da sie membran-permeabel sind, liegen ihre Rezeptoren im Cytosol. Die Bindung der Hormone führt zur Freisetzung eines an die Rezeptoren gebundenen Hsp90- Chaperons, wodurch ein Kernlokalisierungssignal präsentiert wird. Dieses führt zum Transport des Rezeptor-Hormon- Komplexes in den Kern, der dort als Transkriptionsfaktor fungiert und an ein Regulationselement auf der DNA bindet. Dadurch wird die Expression ent-sprechender Proteine reguliert. Beispiel für einen intrazellulären Signaltransduktionsweg ist der unfolded protein res-ponse pathway (UPR pathway). Auf diesem Übertragungsweg sendet das ER Botschaften in den Zellkern. Eine Anhäufung von entfalteten Proteïnen im ER führt zu einer Überbeschäftigung des luminalen Hsp70-Chaperons BiP. Dieses wird durch einen Rezeptor in der ER- Membran registriert, der mit cytosolischen Proteïnen wechselwirkt, die dann in den Kern wandern und dort die Expression von ER-Chaperonen induzieren. Apoptose Andere Signaltransduktionswege führen zur Selbsttötung der Zelle, dem programmierten Zelltod oder Apoptose. Dabei können die Signale von außen über membranständige Todesrezeptoren registriert werden oder auch im Inneren der Zelle. Durch die Aktivierung bestimmter Proteasen, sog. Caspasen, werden verschiedene Effektorproteïne reguliert, die unter anderem zu einer Fragmentierung der Kern-DNS führen und schließlich die Zelle töten. Apoptose ist ein aktiver Vorgang, der beispielsweise für Umbauten von Gewebeverbänden essentiell ist. Der Apoptose steht die Nekrose gegenüber, die eher einem passiven Absterben von Zellen gleicht, wie zum Beispiel nach Verletzungen. -27-
  • 25. Zellbiologie Anhang Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 : Evolutionskalender...................................................................................................................... 5 Abbildung 2 : Proteïnsynthese........................................................................................................................... 5 Abbildung 3 : Proteïnstrukturen......................................................................................................................... 6 Abbildung 4 : Bildung von Fetten...................................................................................................................... 6 Abbildung 5 : Lipide............................................................................................................................................ 7 Abbildung 6 : Membranaufbau........................................................................................................................... 9 Abbildung 7 : Zellmembran................................................................................................................................. 9 Abbildung 8 : Ein gesteuertes Kanalproteïn (gated channel) wird durch ein äußeres Signal geöffnet.....10 Abbildung 9 : Aufbau eines Chromosoms...................................................................................................... 10 Abbildung 10 : Aufbau des Zellkerns............................................................................................................... 11 Abbildung 11 : Endoplasmatisches Retikulum............................................................................................... 11 Abbildung 12 : Golgi-Apparat........................................................................................................................... 12 Abbildung 13 : Endocytose / Exocytose.......................................................................................................... 13 Abbildung 14 : Lysosomen isolieren Verdauungsenzyme vom übrigen Cytoplasma.................................13 Abbildung 15 : Die Endosymbiontentheorie................................................................................................... 14 Abbildung 16 : Energiegewinnung im Mitochondrium...................................................................................15 Abbildung 17 : Der Chloroplast: Das Organell, das die Welt ernährt............................................................16 Abbildung 18 : Das Cytoskelett........................................................................................................................ 17 Abbildung 19 : Prokariontische Zelle............................................................................................................... 17 Abbildung 20 : Gram-Färbung und Bakterienzellwand..................................................................................18 Abbildung 21 : Die wesentlichen Unterschiede von DNS und RNS..............................................................19 Abbildung 22 : Der eukaryontische Zellzyklus................................................................................................20 Abbildung 23 : Zwei Sichtweisen zur DNS-Replikation..................................................................................20 Abbildung 24 : Replikationsgabel.................................................................................................................... 20 Abbildung 25 : DNS wird zu RNS transkriptiert.............................................................................................. 21 Abbildung 26 : Die Initiation der Translation................................................................................................... 22 Abbildung 27 : Die Elongationsphase der Translation...................................................................................23 Abbildung 28 : Die Termination der Translation.............................................................................................24 Abbildung 29 : Ein Polysom............................................................................................................................. 25 -29-
  • 26. Zellbiologie Formelverzeichnis Formel 1 : Cholesterol (Cholesterin).................................................................................................................. 6 Formel 2 : Zucker mit 3 C-Atomen..................................................................................................................... 7 Formel 3 : Zucker mit 5 C-Atomen (Pentosen).................................................................................................. 7 Formel 4 : Zucker mit 6 C-Atomen (Hexosen)................................................................................................... 7 Formel 5 : Nukleïnsäuren.................................................................................................................................... 8 -30-
  • 27. Zellbiologie Formelverzeichnis Formel 1 : Cholesterol (Cholesterin).................................................................................................................. 6 Formel 2 : Zucker mit 3 C-Atomen..................................................................................................................... 7 Formel 3 : Zucker mit 5 C-Atomen (Pentosen).................................................................................................. 7 Formel 4 : Zucker mit 6 C-Atomen (Hexosen)................................................................................................... 7 Formel 5 : Nukleïnsäuren.................................................................................................................................... 8 -30-