Zusammenfassung
Zellen sind die kleinsten Bau- und Funktionseinheiten lebender Organismen. Auch die Zelle selbst ist schon ein lebender Organismus (man denke an Bakterienzellen oder Protozoen); häufig lagern sich jedoch Zellen zu Geweben oder Organismen zusammen.
Alle Zellen sind von einer Membran umgeben, die aus einer Lipiddoppelschicht mit eingelagerten Proteinen besteht. Vom Aufbau her unterscheidet man prokaryotische von eukaryotischen Zellen. Prokaryotische Zellen haben keinen Zellkern und keine membranumgrenzten Organellen. Eukaryotische Zellen hingegen sind sehr komplex aufgebaut und enthalten neben dem Zellkern eine Vielzahl von Organellen, die hochspezifische Funktionen erfüllen. Außerdem wird ihr Zytosol von einem Netz aus Filamenten durchzogen, dem sog. Zytoskelett. Dieses ist wichtig für Transportvorgänge und die Stabilität der Zelle.
Zelltypen
Man unterscheidet prokaryotische von eukaryotischen Zellen. Prokaryoten sind zellkernlose Einzeller, zu denen bspw. Bakterien, Blaualgen und Archaebakterien zählen. Als Eukaryoten werden alle Zellen bezeichnet, die einen Zellkern und andere Zellorganellen besitzen. Häufig schließen sie sich zu mehrzelligen Verbänden zusammen („Organismen“ wie Pflanzen, Tiere, Pilze); es gibt aber auch einzellige Eukaryoten (Protozoen). Eukaryotische Zellen sind wesentlich größer (100- bis 10.000-fach) als prokaryotische Zellen und weisen einen deutlich komplexeren Organisationsgrad auf.
Zelltypen | ||
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Eukaryoten | Prokaryoten | |
Zellkern |
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Speicherort der DNA | ||
Speicherform der DNA |
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Anteil nicht-kodierender DNA |
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Äußere Begrenzung |
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Kompartimentierung |
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Fortbewegungsorgan (Flagellum/Geißel) |
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Zytoskelett |
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Prokaryotische Zellen haben keinen Zellkern!
„Penicilline“:
Die Zellwand ist ein wunder Punkt der Bakterien. Wird ihr Aufbau oder ihr Erhalt gestört, ist die Zelle nicht mehr lebensfähig. Die Immunabwehr des Menschen macht sich dies im Kampf gegen die Bakterien zunutze. So zerstört das Protein Lysozym die Mureinbindungen in der Zellwand v.a. grampositiver Bakterien. Auch medikamentös wird an diesem Punkt angesetzt: Die Penicilline hemmen die Mureinsynthese und -vernetzung der grampositiven Bakterien. Gramnegative Bakterien sind hingegen aufgrund ihrer zusätzlichen Zellmembran nahezu unempfindlich gegen Lysozym und Penicilline.
Zellmembran
Membranen sind ein unabdingbarer Bestandteil lebender Systeme. Sie umhüllen sowohl prokaryotische als auch eukaryotische Zellen und grenzen das „Innere“, in dem geordnete und komplexe Lebensvorgänge stattfinden, von der „chaotischen Außenwelt“ ab. Eukaryotische Zellen besitzen zusätzlich zur Zellmembran noch intrazelluläre Membranen. Sie umhüllen die einzelnen Organellen und ermöglichen wiederum, dass in ihrem Inneren spezialisierte, geordnete Vorgänge stattfinden können, die nicht von den Vorgängen im Zytosol gestört werden sollen. Die meisten Prokaryoten und Pflanzenzellen besitzen zusätzlich zur Zellmembran noch eine Zellwand, die die Zellmembran umgibt und die Zellen vor der Außenwelt schützt.
Aufbau von Membranen
Biomembranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, der Membranproteine ein- und angelagert sind. Die Synthese der Membranbestandteile erfolgt im glatten endoplasmatischen Retikulum.
Lipiddoppelschicht
- Aufbau
- Amphiphile Lipide wie Phospho- oder Sphingolipide: Besitzen eine polare Kopfgruppe (z.B. Phosphat, Sphingosin) und apolare Kohlenwasserstoffschwänze (Fettsäuren)
-
Cholesterin: Besitzt eine polare OH-Gruppe und ein apolares Sterangerüst
- Verteilung der apolaren und polaren Gruppen: In wässriger Lösung lagern sich die apolaren Kohlenwasserstoffschwänze nach innen zusammen, während die polaren Kopfgruppen in beide Richtungen eine Grenzstruktur zum Wasser bilden → Es entstehen stabile Lipiddoppelschichten, die kugelartige Gebilde (z.B. Zellen oder Vesikel) formen
- Verteilung der Membranlipide: Lipide können zwar teilweise zwischen innerer und äußerer Lipidschicht wechseln, trotzdem finden sich bestimmte Lipide vorrangig auf einer Seite
- Äußere Lipidschicht: Reich an Phosphatidylcholin und Sphingomyelin
- Innere Lipidschicht: Reich an Phosphatidylserinen, Phosphatidylethanolaminen und Phosphatidylinositol
- Eine erhöhte Exprimierung von Phosphatidylserin auf der Zelloberfläche fungiert als Phagozytosesignal
- Eigenschaften
- Durchlässigkeit
- Nahezu undurchlässig für große polare Moleküle
- Gut durchlässig für kleine apolare Verbindungen
- Fluidität: In Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Lipiddoppelschicht und der Temperatur ändern sich die Flüssigkeitseigenschaften der Membran
- Hohe Temperaturen erhöhen, niedrige Temperaturen senken die Fluidität
- Ungesättigte Fettsäuren erhöhen die Fluidität
- Cholesterin
- Erniedrigt Membranfluidität bei höheren Temperaturen
- Erhöht Membranfluidität bei niedrigeren Temperaturen
- Diffusion: Die fluiden Eigenschaften der Lipidschicht ermöglichen die Bewegung und Ausbreitung einzelner Moleküle
- Laterale (parallele) Diffusion: Innerhalb einer Lipidschicht sind einzelne Lipidmoleküle frei beweglich
- Transversale Diffusion : Sehr langsam, benötigt enzymatische Unterstützung durch Flippasen, Floppasen oder Scramblasen (sog. Phospholipidtranslokatoren)
- Flippasen: Verschieben Phospholipide von außen nach innen
- Floppasen: Verschieben Phospholipide von innen nach außen
- Scramblasen: Verschieben Phospholipide in beide Richtungen
- Durchlässigkeit
Membranproteine
- Definition
- Proteine, die in die Lipiddoppelschicht von Membranen eingelagert sind
- Häufig Glykoproteine
- Membranproteingehalt in Lipiddoppelschichten: 20–80%
- Arten von Membranproteinen
- Integrale Membranproteine
- Zeigen eine starke Bindung an die Lipiddoppelschicht
- Dringen mit einem Teil in die Membran ein
- Transmembranproteine: Durchdringen die Lipiddoppelschicht vollständig (z.B. Na+/K+-ATPase)
- Periphere Membranproteine
- Haben eine schwächere Bindung an die Lipiddoppelschicht
- Häufig Bindung über elektrostatische Anziehung oder Wasserstoffbrücken zwischen einem peripheren und einem integralen Membranprotein
- Integrale Membranproteine
- Verteilung der Membranproteine: Unterschiedliche Zusammensetzung der inneren und äußeren Membranoberfläche
Beispiele für asymmetrisch verteilte Membranbestandteile | ||
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Integrale Membranproteine | Transmembranproteine | |
Einseitig integrale Membranproteine |
| |
Periphere Membranproteine | Nach extrazellulär |
|
Nach intrazellulär |
„Antimykotika“:
In der Zellmembran von Pilzen kommt anstelle des Cholesterins das chemisch verwandte Ergosterol vor. Diesen Umstand nutzt man bei der Bekämpfung von Pilzerkrankungen: Viele Anti-Pilz-Medikamente (Antimykotika) wirken über eine Hemmung der Ergosterolsynthese. Da das Ergosterol in tierischen – also auch in menschlichen – Zellen nicht vorkommt, bleiben diese unbehelligt.
Aufgrund ihrer Fluidität sind Membranen auch ohne die Nutzung spezifischer Kanäle oder Transporter durchlässig für Wasser und bestimmte andere kleine Teilchen. Man bezeichnet diese Eigenschaft als Semipermeabilität („Teildurchlässigkeit“)!
Glykokalyx
- Definition: Schicht aus Zuckermolekülen an der Außenfläche der Zellmembran bei eukaryotischen Zellen
- Aufbau
- Lange, verzweigte Kohlenhydratketten
- Kovalent gebunden mit Proteinen und zum geringeren Teil auch Lipiden der Zellmembran
- Elektronenmikroskopisch als filziger Saum erkennbar
- Funktion
- Schützt Zelle vor Austrocknung
-
Antigenfunktion
- Ermöglicht Immunzellen, eine Zelle als körpereigen zu erkennen
- An der Erythrozytenmembran: Blutgruppendifferenzierung
Funktionen von Membranen
- Abgrenzung zur Umwelt
- Zellmembran: Abgrenzung der Zelle nach außen
- Membran der Zellorganellen (sog. Endomembransystem): Abgrenzung der Kompartimente zum Zytosol
- Transport von Stoffen von innen nach außen oder von außen nach innen (siehe: Stofftransport)
- Signaltransduktion: Umwandlung extrazellulärer Signale in intrazelluläre Reaktionen
- Zellidentifikation
- Jede Zelle exprimiert auf ihrer Oberfläche spezifische Protein- und Kohlenhydratfragmente
- Durch die spezifischen Oberflächenfragmente lässt sie sich von anderen Zellen abgrenzen, ist als „selbst“ erkennbar
- Elektrische Erregbarkeit
- Wird ermöglicht durch das Membranpotenzial
- Bei Erregung der Zelle wird das Membranpotenzial durch Öffnen von Ionenkanälen kurzzeitig positiv (siehe: Aktionspotenzial)
- Kontakt zwischen Zellen: Werden durch Ankerproteine (Zelladhäsionsmoleküle) gebildet, die extrazellulär herausragen und intrazellulär mit dem Zytoskelett in Verbindung stehen
Zellorganellen
Zellorganellen sind Kompartimente in Zellen, die von einer Membran umgeben sind und ganz spezielle Aufgaben erfüllen. In Eukaryoten gibt es viele verschiedene Organellen, in Prokaryoten gibt es hingegen keine Kompartimentierung.
Um die Größe der verschiedenen Zellbestandteile zu ermitteln, werden diese in mehreren Schritten isoliert. So erhält man durch Zentrifugation folgende Fraktionen (in absteigender Größe):
- Zellkerne, Bestandteile des Zytoskeletts
- Mitochondrien, Lysosomen, Peroxisomen
- Mikrosomen sowie andere kleine Vesikel
- Ribosomen, Viren, große Makromoleküle
Überblick über die wichtigsten Zellorganellen | ||
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Zellorganellen | Aufbau | Funktion |
Zellkern |
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Endoplasmatisches Retikulum (ER) |
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Golgi-Apparat |
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Mitochondrien |
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Lysosomen |
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Peroxisomen |
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Zellkern
Aufbau
Der Zellkern (Nukleus) ist die auffälligste intrazelluläre Struktur und stellt die Steuerungszentrale der Zelle dar. Er ist von einer Doppelmembran umhüllt und enthält fast das gesamte genetische Material .
Kernhülle
Die Kernhülle besteht aus einer inneren und einer äußeren Kernmembran, die jeweils aus einer Lipiddoppelschicht aufgebaut ist. Die beiden Membranen umschließen den perinukleären Raum, wobei die äußere Kernmembran in die Zisternen des rauen endoplasmatischen Retikulums übergeht.
- Äußere Kernmembran: Wie das raue endoplasmatische Retikulum von Ribosomen besetzt
- Innere Kernmembran: Von der sog. Kernlamina unterlagert, einem Geflecht aus Intermediärfilamenten (Lamin), die der Stabilisierung dienen
- Kernporen: An manchen Stellen verschmelzen innere und äußere Kernmembran miteinander und bilden mithilfe eines großen Proteinkomplexes sog. Kernporen
- Funktion
- Steuern den Stofftransport zwischen Zytosol und Nukleoplasma (sog. nukleozytoplasmatischer Transport)
- Aktiver Transport von größeren Proteinen über ca. 40 kDa (bspw. Nucleoplasmine) und RNAs, vermittelt durch die löslichen Importine und Exportine
- Aktiver Transport
- Ran (Ras-related nuclear Protein): Kleines G-Protein und wichtiger Vermittler des Kernimports und -exports von Proteinen
- Import: Importine binden an sog. Kernlokalisierungssignal (kurze Aminosäuresequenz) am Protein → Importin + von Importin gebundenes Protein gelangen über Kernpore in den Zellkern → Ran-GTP bindet im Zellkern an Importin → Freisetzung des transportierten Proteins im Zellkern
- Export: Ran-GTP bindet im Zellkern an Exportin + von Exportin über ein Kernexportsignal gebundenes Molekül → Transport über Kernpore ins Zytosol → Ran-GTP wird zu Ran-GDP dephosphoryliert → Freigabe des von Exportin gebundenen Proteins
- Funktion
Inhalt des Zellkerns
- Chromatin: Komplex aus DNA, Histonen und Nicht-Histon-Proteinen
- Nukleolus: Definierte Kernregion mit besonders hoher Transkriptionsaktivität für die Synthese der ribosomalen RNA (rRNA)
Funktionen
- Speicherung fast der gesamten genetischen Information eines Organismus in Form des Chromatins
- Verdopplung der genetischen Information vor einer Zellteilung (Replikation)
- Transkription: Erster Schritt der Proteinbiosynthese
- Herstellung von rRNA im Nukleolus
- Verpackung und Schutz der nicht-aktiven DNA durch Histonproteine
Endoplasmatisches Retikulum
Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein im Zytosol weit verzweigtes Membransystem, das mit der äußeren Membran des Zellkerns in direkter Verbindung steht und ein Kanalsystem langgestreckter Hohlräume bildet. Seine wichtigste Aufgabe ist die Synthese von zellulären Bestandteilen und Zell-Export-Produkten. Mikroskopisch und funktionell lassen sich zwei Bereiche voneinander abgrenzen: Das raue und das glatte endoplasmatische Retikulum.
Aufbau
- Membranöses Kanalsystem
- Steht mit der äußeren Membran des Zellkerns in direkter Verbindung
- Besteht aus zwei mikroskopisch und funktionell unterschiedlichen Bereichen
Funktionen
- Raues endoplasmatisches Retikulum
- Synthese der Proteine der Zellmembran, lysosomaler und sekretorischer Proteine
- Verpackung der Syntheseprodukte in Vesikel zum Verschicken an den Golgi-Apparat (zur weiteren Prozessierung) oder direkt an den Bestimmungsort
- Glattes endoplasmatisches Retikulum
- Synthese von Phospholipiden, langkettigen Fettsäuren und Steroiden
- Kohlenhydratspeicherung und Freisetzung gespeicherter Kohlenhydrate
- Biotransformation
- Calciumspeicherung (siehe: Muskelgewebe)
Golgi-Apparat
Der Golgi-Apparat liegt in der Zelle zwischen dem ER und der Zellmembran und ist für die weitere Prozessierung der im ER gebildeten Stoffe zuständig. Er stellt sich als ein membranumhülltes, scheibenförmiges Vesikelsystem dar, das zwei Seiten aufweist: die konvexe Cis-Golgi-Seite und die konkave Trans-Golgi-Seite.
Aufbau
-
Membranumhülltes, scheibenförmiges, leicht gebogenes Vesikelsystem mit zwei Seiten
- Cis-Golgi-Seite (konvexe Seite): Biegt sich leicht um das ER herum
- Funktion: Hier werden proteinbeladene Membranvesikel aus dem ER empfangen
- Trans-Golgi-Seite (konkave Seite): Der Zellmembran zugewandt
- Funktion: Vesikel werden hier abgeschnürt und Richtung Zellmembran und Lysosomen geschickt
- Cis-Golgi-Seite (konvexe Seite): Biegt sich leicht um das ER herum
Funktionen
- Modifikation von Glykoproteinen und Hormonvorstufen aus dem ER sowie endozytotisch aufgenommener Membranproteine (z.B. O-Glykosylierung durch die Galactosyltransferase)
- Aktivierung von Hormonen und anderen Proteinen
- Adressierung sekretorischer Proteine durch Anhängen einer Sequenz, die den Zielort des Proteins definiert
- Synthese von Lysosomen und deren Befüllung mit Enzymen
- Wiederverwertung von Membranbestandteilen
I-Zell-Krankheit
Im Golgi-Apparat werden die Enzyme, die in die Lysosomen gelangen sollen, mit einem Mannose-6-phosphat-Rest versehen („Adressierung“). Ohne diese Adressierung finden die Enzyme nicht ihren Weg in die Lysosomen und gelangen über die Plasmamembran ins Blut. Genau dies passiert bei der extrem seltenen I-Zell-Krankheit, die zu den lysosomalen Speicherkrankheiten gezählt wird und mit massiver psychomotorischer Retardierung und Skelettdeformierung einhergeht.
Mitochondrien
Mitochondrien werden auch als die „Kraftwerke der Zelle“ bezeichnet, denn ihre Hauptaufgabe besteht in der Synthese des wichtigsten Energieträgers des Körpers: ATP. Darüber hinaus erfüllen sie weitere essenzielle Stoffwechselfunktionen. Sie bestehen aus einer Doppelmembran, dem Intermembranraum und der Matrix. Nach dem Aufbau der inneren Membran unterscheidet man verschiedene Mitochondrientypen.
Aufbau
Mitochondrien ähneln vom Aufbau und der DNA her den Prokaryoten, weshalb man annimmt, dass sie ursprünglich selbstständig lebende Bakterien waren (siehe: Endosymbiontentheorie).
Mitochondrienmembran
Die Mitochondrienmembran besteht wie die Kernmembran aus zwei Schichten.
Äußere Mitochondrienmembran
- Struktur: Glatt
- Durchlässigkeit: Von Poren durchsetzt und daher für viele Stoffe gut permeabel
- Mitochondriales Porin (Voltage-dependent Anion Channel, VDAC): Ermöglicht den geregelten Durchtritt negativ geladener Moleküle (z.B. Chlorid, Phosphat, Nukleotide)
Innere Mitochondrienmembran
- Struktur: Gefaltet
- Durchlässigkeit: Undurchlässig, allerdings befinden sich in der inneren Membran viele Transporter und Kanäle (s.u.)
- Wichtiger Bestandteil: Cardiolipin (stabilisiert die Enzyme der oxidativen Phosphorylierung)
Form der inneren Membran
- Mitochondrien vom Crista-Typ
- Dünne Einstülpungen (Cristae) der inneren Membran
- Kommt in den meisten Zellen vor
- Mitochondrien vom Tubulus-Typ
- Innere Membran bildet Röhren aus
- Hauptsächlich in Zellen, die Steroidhormone produzieren
- Mitochondrien vom Sacculus-Typ
- Innere Membran liegt in Falten (Cristae) mit perlenartigen Aussackungen
- Nur in der Zona fasciculata der Nebennierenrinde
Carrier der inneren Mitochondrienmembran
Spezifische Transporter und Permeasen regulieren den Stofftransport durch die innere Membran.
- Funktionsmechanismus: Antiport zweier Stoffe
- Beispiele
- Malat-Aspartat-Shuttle : Transport von Reduktionsäquivalenten
- Zytosol: Übertragung der Elektronen vom zytosolischen NADH auf Oxalacetat, wobei Malat entsteht (Enzym: Zytosolische Malatdehydrogenase)
- Transport von Malat durch die innere Mitochondrienmembran und gegen α-Ketoglutarat mithilfe des Malat/α-Ketoglutarat-Carriers (auch Malat/2-Oxoglutarat-Carrier)
- Mitochondriale Matrix: Reoxidation von Malat zu Oxalacetat durch die mitochondriale Malatdehydrogenase , wobei wieder NADH entsteht
- Mitochondriale Matrix: Transaminierung von Oxalacetat zusammen mit Glutamat in Aspartat und α-Ketoglutarat
- Transport von Aspartat durch die innere Mitochondrienmembran ins Zytosol mithilfe eines anderen Carrierproteins im Austausch mit Glutamat
- Zytosol: Desaminierung von Aspartat zu Oxalacetat, wobei gleichzeitig α-Ketoglutarat in Glutamat umgesetzt wird
- Glycerin-3-phosphat-Shuttle: Transport von Reduktionsäquivalenten
- Zytosol: Übertragung der Elektronen vom zytosolischen NADH auf Dihydroxyacetonphosphat , wobei Glycerin-3-phosphat entsteht
- Transport von Glycerin-3-phosphat zur äußeren Seite der inneren Mitochondrienmembran
- Mitochondrialer Intermembranraum: Oxidation von Glycerin-3-phosphat zu Dihydroxyacetonphosphat
- Innere Mitochondrienmembran: Übertragung der Elektronen erst auf FAD und dann auf Ubichinon
- Carnitin-Acylcarnitin-Transporter
- Aspartat-Glutamat-Carrier
- Malat-Aspartat-Shuttle : Transport von Reduktionsäquivalenten
Beim Malat-Aspartat-Shuttle wird nicht NADH+ über die innere Mitochondrienmembran transportiert, sondern dessen Elektronen!
Mitochondrienmatrix
- Enthält u.a. die mitochondriale DNA (mtDNA) und einige Ribosomen, die für die Synthese von ca. 1% der mitochondrialen Proteine zuständig sind (bspw. einige Proteine der Atmungskette)
- Die restlichen mitochondrialen Proteine werden im Zellkern kodiert und gelangen ungefaltet ins Mitochondrium, wo sie ihre endgültige Faltungsstruktur annehmen
Funktion
- Energiestoffwechsel: An der inneren Mitochondrienmembran wird in der Atmungskette mithilfe der oxidativen Phosphorylierung ein Großteil der Energie in Form von ATP erzeugt, die der Organismus benötigt
- Weitere Stoffwechselvorgänge in der Matrix
- Einleitung der Apoptose: Über die Freisetzung des Apoptosis-Inducing Factor (AIF) aus der Matrix des Mitochondriums kann die Apoptose eingeleitet werden
Exkurs: Endosymbiontentheorie
Die Mitochondrien erinnern aufgrund ihrer DNA (hohe Gendichte, ringförmige Struktur) an Prokaryoten. Auch ihre Ribosomen weisen starke Ähnlichkeiten mit den 70S-Ribosomen von Bakterien auf. Aus diesem Grund wird vermutet, dass die Mitochondrien ursprünglich selbstständig lebensfähige Bakterien waren, die die besondere Fähigkeit hatten, durch oxidative Phosphorylierung Energie bereitzustellen. Die Endosymbiontentheorie nimmt an, dass im Laufe der Evolution eine solche Bakterienzelle von einer eukaryotischen Zelle aufgenommen wurde, im Laufe der Zeit einen Teil ihrer DNA verlor und somit nicht mehr eigenständig lebensfähig war. Die mitochondriale DNA kodiert nur noch für etwa 1% der mitochondrialen Proteine. Der restliche Teil der Proteine wird vom Kerngenom kodiert, an zytoplasmatischen Ribosomen synthetisiert und in die Mitochondrien importiert. Die eukaryotische Zelle wurde im Gegenzug abhängig von der Energieproduktion der inkorporierten Bakterienzelle.
Aminoglykoside
Aufgrund der Ähnlichkeit der Nukleinsäuren von Mitochondrien mit denen der Bakterien kann es bei einer bestimmten Mutation der mitochondrialen DNA zum gehäuften Auftreten unerwünschter Nebenwirkungen bei Einnahme von Aminoglykosid-Antibiotika kommen. Diese Medikamente können ototoxisch sein und zu Taubheit führen. Aminoglykoside greifen eigentlich die bakterielle ribosomale RNA an. Liegt jedoch eine Mutation der mitochondrialen DNA vor, ist auch die daraus entstehende mitochondriale ribosomale RNA so verändert, dass sie empfindlicher für Aminoglykoside wird. Die genaue Ursache, wieso die Bindung von Aminoglykosiden zu Taubheit führen kann, ist noch nicht abschließend geklärt.
Mitochondriopathien
Mitochondrien werden mütterlicherseits vererbt, dementsprechend auch die Defekte der mitochondrialen DNA. Da Mitochondrien in sehr großer Zahl vorhanden sind und nicht immer alle gleichzeitig defekt sein müssen, kommt es zu großen Variationen in der Art und Schwere der Erkrankung. Von solchen Defekten sind zumeist Gewebe mit hohem Sauerstoffverbrauch betroffen wie bspw. das Gehirn (mitochondriale Enzephalopathie) oder die Muskulatur (mitochondriale Myopathien).
Lysosomen
Lysosomen werden häufig als die „Mülleimer“ der Zelle bezeichnet. Ihre Hauptaufgabe ist die Zerlegung von Biopolymeren in Monomere. Sie sind kleine kugelförmige, mit saurer Flüssigkeit gefüllte Organellen, die von einer Biomembran (Lipiddoppelschicht) umgeben werden.
Aufbau
-
Von einer Lipiddoppelschicht umgebener Flüssigkeitsraum mit saurem Milieu und hydrolytischen Enzymen
- Hydrolytische Enzyme: Lipasen, Glucosidasen, saure Phosphatasen, Nukleasen, Endoproteasen (z.B. Cathepsine )
- Herkunft der hydrolytischen Enzyme
- Enzyme werden von den Ribosomen direkt ins Lumen des endoplasmatischen Retikulums synthetisiert und dann zum Golgi-Apparat transportiert
- Im Golgi-Apparat wird posttranslational ein Mannose-6-phosphat-Molekül angehängt
- Markierte Enzyme werden in Vesikeln abgeschnürt, dieses Vesikel wird nun als primäres Lysosom bezeichnet
- Herkunft der hydrolytischen Enzyme
- Saures Milieu (pH-Wert von etwa 5)
- Hydrolytische Enzyme: Lipasen, Glucosidasen, saure Phosphatasen, Nukleasen, Endoproteasen (z.B. Cathepsine )
Das Leitenzym der Lysosomen ist die saure Phosphatase!
Funktion
- Intrazellulärer lysosomaler Abbau von Makromolekülen
- Ablauf
- Lysosom im Ruhezustand (primäres Lysosom) entsteht durch Abschnürung vom Golgi-Apparat
- Verschmilzt mit Vesikeln , die abzubauende Strukturen enthalten (wird nun als sekundäres Lysosom bezeichnet)
- Die im sekundären Lysosom enthaltenen hydrolytischen Enzyme bauen die Makromoleküle ab
- Spaltprodukte werden ins Zytosol entleert und können für neue Synthesevorgänge wiederverwendet werden
- Telolysosom (Residualkörper): Beim lysosomalen Abbau kann unverdauliches Lipofuscin entstehen, das sich im Alter in Nerven-, Leber- und Herzmuskelzellen anreichert
- Herkunft der Makromoleküle
- Endozytose
- Rezeptorvermittelte Endozytose: Vesikel werden dann Endosomen genannt
- Phagozytose : Vesikel werden dann Phagosomen genannt
- Autophagie
- In allen Körperzellen werden auch zelleigene gealterte bzw. dysfunktionale Proteine, Lipide und Zellorganellen von Autophagosomen (syn. autophagische Vakuolen) durch eine doppelte Membran zunächst vom Zytoplasma abgetrennt
- Anschließend fusionieren sie mit Lysosomen zu einem Autolysosom
- Innere Membran und die alten Zellbestandteile werden abgebaut und sind nicht mehr differenzierbar
- Abbauprodukte werden anschließend wieder ins Zytosol abgegeben (z.B. zum „Recycling“ von Aminosäuren)
- Endozytose
- Ablauf
- Autolyse: Liegt eine schwere Zellschädigung vor, wird der Inhalt der Lysosomen ins Zytosol abgegeben. Daraufhin löst sich die Zelle auf (siehe auch: Apoptose).
Lysosomen spielen eine wichtige Rolle bei der spezifischen Immunantwort. Antigene werden nach endozytotischer Aufnahme in sog. antigenpräsentierende Zellen (z.B. Makrophagen, B-Lymphozyten) im Lysosom zerlegt. Die Fragmente werden an MHC-II-Proteine gebunden, die durch Exozytose an die Zelloberfläche gelangen und dort exprimiert werden (Antigenpräsentation). Dies führt zur Aktivierung von T-Helfer-Zellen!
Peroxisomen
Peroxisomen ähneln vom Aufbau her den Lysosomen. Sie befinden sich im Zytosol und beherbergen Enzyme, die unter Sauerstoffverbrauch Aminosäuren und Fettsäuren oxidieren.
Aufbau
- Kleine runde Vesikel, die von einer Membran umhüllt werden
Funktion
- Abbau (β-Oxidation) langkettiger Fettsäuren bis zum Octanoyl-CoA (8 C-Atome)
- Abbau von Wasserstoffperoxid
- Die Monooxygenasen in den Peroxisomen setzen ihre Substrate mithilfe von Sauerstoff um
- Das dabei entstehende zytotoxische Wasserstoffperoxid (H2O2) wird mithilfe des Enzyms Katalase zu Wasser und Sauerstoff umgesetzt (2 H2O2 → 2 H2O + O2)
- Synthese von Etherlipiden (sog. Plasmalogene )
- Teilschritte der Steroidhormonsynthese, Gallensäuresynthese etc.
Zellweger-Syndrom
Bei dieser Erbkrankheit ist die Peroxisomenbildung und -funktion erheblich gestört, was zu einer Akkumulation des zytotoxischen Wasserstoffperoxids führt. Die Betroffenen leiden unter neurologischen und hepatointestinalen Symptomen und versterben meist im ersten Lebensjahr.
Zytosol und Ribosomen
Zytosol
Das Zytosol, auch Matrix genannt, wird von der Zellmembran umschlossen. In Prokaryoten finden bis auf wenige Ausnahmen sämtliche Stoffwechselwege innerhalb des Zytosols statt, während bei Eukaryoten die Zellorganellen einige dieser Prozesse übernehmen und mit einer Membran vom Zytosol abgegrenzt werden können (Kompartimentierung).
Aufbau
- Wasser und darin gelöste Ionen und kleine Moleküle (70%)
- Proteine wie z.B. Enzyme vieler Stoffwechselwege (30%)
Funktion
- Stoffwechselvorgänge (bspw. Glykolyse, Translation, Proteinabbau)
Das Zytoplasma umfasst die Gesamtheit der Dinge, die innerhalb der Zellmembran, aber außerhalb des Zellkerns liegen. Dazu gehören das Zytosol, die Zellorganellen und das Zytoskelett!
Ribosomen
Ribosomen sind sehr große Molekülkomplexe aus RNA und Proteinen, die sich im Zytosol, am rauen endoplasmatischen Retikulum und in den Mitochondrien befinden. An ihnen läuft der zweite Teil der Proteinbiosynthese ab: die Translation.
Aufbau
- Allgemeiner Aufbau
- Granuläre Partikel aus ⅓ Proteinen und ⅔ RNA mit zwei Untereinheiten
- Lagern sich mehrere Ribosomen an eine mRNA an, bezeichnet man diesen Komplex als Polysom (auch Polyribosom)
- Masse: Die Masse der Untereinheiten wird mithilfe der Sedimentationskonstante (Einheit: Svedberg, S) angegeben
- Kleine Untereinheit: 40S bei Eukaryoten, 30S bei Prokaryoten
- Große Untereinheit: 60S bei Eukaryoten, 50S bei Prokaryoten
- Gesamtmasse : 80S bei Eukaryoten, 70S bei Prokaryoten
Lokalisation
- Zytosolische Ribosomen: Liegen frei im Zytosol vor oder sind an Elemente des Zytoskeletts gebunden
- Membrangebundene Ribosomen: Sind an das raue endoplasmatische Retikulum gebunden
Funktion
- Translation: Ribosomen bilden die strukturellen Voraussetzungen für die Proteinbiosynthese und sind katalytisch aktiv, ihre RNA-Bestandteile interagieren u.a. mit mRNA und tRNA und katalysieren die Bildung der Peptidbindung
- Bspw. bindet in Prokaryoten die mRNA über eine sog. Shine-Dalgarno-Sequenz an die 16S-rRNA der kleinen ribosomalen Untereinheit und reguliert den Translationsbeginn
Zytosolische Proteine (wie Tubulin) werden an den freien Ribosomen synthetisiert. Sekretorische Proteine (also solche, die für den Export bestimmt sind) und Membranproteine werden an den Ribosomen des rauen ERs synthetisiert!
Zytoskelett
Das Zytosol wird von einem dreidimensionalen Netz aus Filamenten durchzogen, das als Zytoskelett bezeichnet wird. Es ist verantwortlich für die Stabilisierung und die Bewegung der Zellen sowie für Transportvorgänge innerhalb der Zelle.
Überblick
- Funktion
- Stabilisierung und Bewegung der Zelle
- Transportvorgänge innerhalb der Zelle
- Aufbau: Besteht aus Filamenten und spezifischen Begleitproteinen
- Filamente: Aus Monomeren zusammengesetzte längliche Zellstrukturen
- Je nach Durchmesser werden Aktinfilamente, Mikrotubuli und Intermediärfilamente unterschieden
- Begleitproteine: Sind für verschiedene Funktionen des Zytoskeletts verantwortlich (Beweglichkeit, An- und Abbau von Monomeren etc.)
- Motorproteine: Wichtige Begleitproteine, die verantwortlich für die Beweglichkeit der Filamente sind, z.B. Dynein
- Filamente: Aus Monomeren zusammengesetzte längliche Zellstrukturen
Die wichtigsten Bestandteile des Zytoskeletts
Filament | Bauweise | Begleitproteine | Funktion |
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Aktinfilamente (Mikrofilamente) |
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Intermediärfilamente (IF) |
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Mikrotubuli (MT) |
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Der Wortbestandteil „intermediär“ in „Intermediärfilamente“ bezieht sich darauf, dass Intermediärfilamente einen Durchmesser besitzen, der im Mittel zwischen dem der Aktinfilamente (kleinerer Durchmesser) und dem der Mikrotubuli (größerer Durchmesser) liegt!
Intermediärfilamente als Tumormarker
Die normalerweise in Zellen vorkommenden Filamente werden bei einer unkontrollierten Teilung dieser Zellen (im Sinne eines Tumors) auch vermehrt exprimiert und können deshalb als immunhistochemische Marker in der Tumordiagnostik herangezogen werden. So ist bspw. Vimentin – als Intermediärfilament des Zytoskeletts aller Mesenchymzellen – v.a. mit Tumoren mesenchymalen Ursprungs wie Sarkomen und Mesotheliomen assoziiert. Desmin – das Intermediärfilament in glatter und quergestreifter Muskulatur – ist hingegen vermehrt bei Tumoren muskulären Ursprungs wie bspw. bei Rhabdo- und Leiomyosarkomen nachweisbar.
Primär ziliäre Dyskinesie (PCD)
Die primär ziliäre Dyskinesie ist zumeist eine autosomal-rezessiv vererbte Störung des mukoziliären Transports. Häufig ist dabei das Transportprotein Dynein defekt, was zu einer Funktionsstörung der Zilien führt. Betroffen ist v.a. das respiratorische Flimmerepithel, aber auch die Spermienmotilität ist beeinträchtigt. Die Folge sind chronische Nasennebenhöhlenentzündungen sowie bei männlichen Betroffenen Sterilität. Bei etwa der Hälfte der Fälle kommt es in der Embryonalentwicklung zu Lageanomalien der Organe, z.B. zum Situs inversus (Kartagener-Syndrom).
Zellkontakte
Zellen sind meistens über Zellkontakte mit anderen Zellen oder den umliegenden Strukturen verbunden. Die Art und Anzahl dieser Kontakte variiert dabei stark zwischen den verschiedenen Zellarten: Während Erythrozyten keine Zellkontakte ausbilden, sind Epithelzellen fest untereinander und mit der Basalmembran verbunden. Neben verschließenden und haftenden Kontakten unterscheidet man außerdem kommunizierende Kontakte, die z.B. bei der Erregungsweiterleitung der Herzmuskelzellen eine wichtige Rolle spielen.
Verschließende Kontakte
- Tight Junction (Zonula occludens bzw. Barrierekontakt): Besteht aus den Membranproteinen Claudin und Occludin und dient als sehr dichter Kontakt zwischen zwei Zellen, der den Zellzwischenraum verschließt und als Diffusionsbarriere wirkt
- Aufbau
- Membranproteine (Claudine und Occludine) zweier Zellen verbinden sich miteinander
- Über Adapterproteine sind sie mit Aktinfilamenten des Zytoskeletts verbunden
- Lokalisation: Häufig im apikalen Bereich zwischen Epithelzellen
- Funktion
- Kontrolliert den Durchfluss von Ionen und Molekülen
- Diffusionsbarriere
- Trennung von Kompartimenten (bspw. Darmlumen von Darmwand): Trennt die basalen von den apikalen Zellkompartimenten der Epithelzellen
- Aufbau
Haftende Kontakte (Adhäsionskontakte)
Bei den haftenden Kontakten handelt es sich um mechanische Verbindungen von Zellen. Anhand der verschiedenen Funktionen werden mehrere Formen unterschieden.
- Desmosom (Macula adhaerens): Verbindung zweier Zellen miteinander unter Einbeziehung der Intermediärfilamente der beteiligten Zellen
- Aufbau
- An der Innenseite der Zellmembran befindet sich ein sog. Desmoplakin-Plaque, in das von intrazellulär die beteiligten Intermediärfilamente und von extrazellulär sog. desmosomale Cadherine (hauptsächlich Desmoglein und Desmocollin) einstrahlen
- Die Cadherine verbinden die Desmoplakin-Plaques zweier Zellen miteinander
- Vorkommen/Funktion: Verbinden insb. Zellen mit hoher mechanischer Belastung (z.B. Epithelzellen und Herzmuskelzellen)
- Aufbau
- Hemidesmosom („Halbes Desmosom“): Verbindet nicht zwei Zellen, sondern eine Zelle mit dem Extrazellulärraum
- Aufbau (ähnlich wie die Desmosomen): Das Transmembranprotein Integrin verbindet das intrazelluläre Zytoskelett (die Intermediärfilamente) mit den Lamininmolekülen der Basallamina
- Vorkommen/Funktion: Verbinden Epithelzellen mit der Basalmembran
- Zonula adhaerens (Gürteldesmosom): Verbindet Zellen über eine breitere (gürtelförmige) Fläche eng miteinander
- Aufbau: An der Innenseite der Zellmembran befindet sich Vinculin und Catenin, die intrazelluläre Aktinfilamente mit transmembranären Cadherinen (hauptsächlich E-Cadherin) verbinden
- Vorkommen/Funktion: Verbinden z.B. Epithelzellen und Endothelzellen gürtelförmig untereinander
- Fokaler Kontakt: Verbindet (ähnlich wie die Hemidesmosomen) Zellen mit der extrazellulären Matrix
- Aufbau: Transmembranproteine der Zellmembran (insb. Integrine) sind verbunden mit Aktinfasern des Zytoskeletts
- Vorkommen/Funktion: Bspw. in beweglichen Zellen wie Makrophagen
Kommunizierende Kontakte
Die kommunizierenden Kontakte ermöglichen den freien Durchfluss elektrischer oder chemischer Signale. Es werden zwei Formen unterschieden.
- Gap Junction (Nexus): Zell-Zell-Kanäle, die zwischen zwei Zellen entstehen
- Aufbau: Entsteht durch die Zusammenlagerung der Connexone zweier Zellen
- Connexon: Besteht aus sechs membrandurchspannenden Proteinen (sog. Connexine), die in der Mitte eine Pore freilassen
- Connexone in den Zellmembranen sind für Ionen und Moleküle bis zu einer Größe von ungefähr 1 kDa durchlässig
- Vorkommen/Funktion: Insb. Herzmuskelzellen, aber auch Epithelien und Retina
- Aufbau: Entsteht durch die Zusammenlagerung der Connexone zweier Zellen
- Synapse
Pemphigus vulgaris, bullöses Pemphigoid
Der Pemphigus vulgaris und das bullöse Pemphigoid zählen beide zu den blasenbildenden Autoimmunkrankheiten der Haut. Beim Pemphigus vulgaris sind Antikörper gegen Proteine der Desmosomen (insb. Desmoglein) ursächlich, beim bullösen Pemphigoid Antikörper gegen Proteine der Hemidesmosomen (bspw. Kollagen XVII).
Wiederholungsfragen zum Kapitel Zelle
Zellmembran
Welche Lipide befinden sich vorrangig in der äußeren Lipidschicht der Zellmembran, welche in der inneren?
Was sind Transmembranproteine? Nenne ein Beispiel!
Was ist die Glykokalyx? Nenne wichtige Funktionen!
Zellorganellen
Zellkern
Beschreibe den Aufbau der Kernhülle!
Wie erfolgt der Stofftransport zwischen Zytosol und Nukleoplasma?
Welche Funktion hat das sog. Ran-Protein für den nukleozytoplasmatischen Transport?
Definiere Nukleolus!
Endoplasmatisches Retikulum
Welche Gemeinsamkeit teilen das raue endoplasmatische Retikulum und die äußere Kernhülle?
Welche Aufgabe hat das raue endoplasmatische Retikulum?
Welche Funktionen hat das glatte endoplasmatische Retikulum?
Golgi-Apparat
Beschreibe den Aufbau des Golgi-Apparats sowie die jeweilige Funktion seiner zwei Seiten!
Was geschieht bei der sog. Adressierung der Proteine im Golgi-Apparat? Spezifiziere dies am Beispiel der lysosomalen Proteine!
Welches Enzym gilt als ein Leitenzym des Golgi-Apparats und katalysiert dort Glykosylierungen?
Mitochondrien
Beschreibe den Aufbau der Mitochondrienmembran! Wie erfolgt der Stoffaustausch zwischen Mitochondrium und Zytoplasma?
Welches ist das charakteristische Membranlipid der inneren Mitochondrienmembran und was ist seine Funktion?
Welche möglichen Faltungen der inneren Mitochondrienmembran gibt es?
Wozu dient der Malat-Aspartat-Shuttle der inneren Mitochondrienmembran? Beschreibe grob den Transportmechanismus!
Was ist die Hauptfunktion der Mitochondrien? Nenne weitere Aufgaben!
Wo werden die mitochondrialen Proteine kodiert und synthetisiert?
Was besagt die Endosymbiontentheorie über die Herkunft der eukaryotischen Mitochondrien?
Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Mann mit einer durch eine Mutation der mitochondrialen DNA bedingten Erkrankung diese an sein Kind vererbt?
Lysosomen
Beschreibe den Aufbau von Lysosomen, nenne ihr Leitenzym sowie weitere Beispiele für lysosomale Enzyme!
Wie wird das saure Milieu in den Lysosomen aufrechterhalten und zu welchem Zweck?
Peroxisomen
Welche Funktion haben die Peroxisomen? Wie heißt ihr Leitenzym?
Zytosol und Ribosomen
Beschreibe den Aufbau von Ribosomen! Wann spricht man von einem Polyribosom?
Die Masse der Ribosomen wird mithilfe der Sedimentationskonstante (Einheit: Svedberg, S) angegeben. Wie viel S beträgt die Gesamtmasse der zusammengesetzten Ribosomen-Untereinheiten bei Eukaryoten bzw. Prokaryoten?
Welche Proteine werden an den freien Ribosomen synthetisiert und welche an den membrangebundenen Ribosomen?
Welcher Teil der Proteinbiosynthese läuft an den Ribosomen ab? Inwiefern ist die RNA der Ribosomen dabei katalytisch aktiv?
Zytoskelett
Welche Funktionen hat das Zytoskelett und welche Zytoskelett-Filamente können unterschieden werden?
Beschreibe den Aufbau eines Aktinfilaments!
Weshalb werden Intermediärfilamente so bezeichnet? Nenne Beispiele für die spezifischen Intermediärfilamente verschiedener Zellen!
Mikrotubuli unterliegen einem ständigen Auf- und Abbauprozess. Beschreibe den Ablauf der Polymerisation!
Was sind Axoneme und Zentriolen und wo kommen sie typischerweise vor?
Nenne Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAP)!
Zellkontakte
Beschreibe Aufbau und Funktion von Tight Junctions!
Beschreibe den Aufbau von Gap Junctions! Wo kommen sie typischerweise vor?
Um welche Art von Zellkontakt handelt es sich bei Desmosomen? Beschreibe ihren Aufbau!
Was sind Zonulae adhaerentes und wodurch unterscheiden sie sich von den Maculae adhaerentes?
Der Pemphigus vulgaris und das bullöse Pemphigoid zählen zu den blasenbildenden Autoimmunkrankheiten der Haut. Gegen welche Strukturen werden dabei jeweils Antikörper gebildet und welche Folgen hat dies?
Eine Sammlung allgemeinerer und offenerer Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.
Meditricks
In Kooperation mit Meditricks bieten wir durchdachte Merkhilfen an, mit denen du dir relevante Fakten optimal einprägen kannst. Dabei handelt es sich um animierte Videos und Erkundungsbilder, die auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend sind. Die Inhalte liegen meist in Lang- und Kurzfassung vor, enthalten Basis- sowie Expertenwissen und teilweise auch ein Quiz sowie eine Kurzwiederholung. Eine Übersicht aller Inhalte findest du im Kapitel „Meditricks“. Meditricks gibt es in unterschiedlichen Paketen – für genauere Informationen empfehlen wir einen Besuch im Shop.
Malat-Aspartat-Shuttle
Zell-Zell-Kontakte
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3D-Anatomie
In Kooperation mit Effigos bieten wir dir die Möglichkeit, Anatomie auch in 3D zu erfahren. Die Inhalte sind vielfach auf AMBOSS abgestimmt oder ergänzend. Neben Komplettmodellen bieten wir dir auch sprach- oder textgeführte Exkurse zu einzelnen Themen. In allen Versionen hast du die Möglichkeit, mit den Modellen individuell zu interagieren, z.B. durch Schneiden, Zoomen oder Aus- bzw. Einblenden bestimmter Strukturen. Eine Übersicht über alle Inhalte findest du in dem Kapitel Anatomische 3D-Modelle. Die unterschiedlichen Pakete zu den 3D-Modellen findest du im Shop.