Zelluläre Strukturelemente

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1 9 Zelluläre Strukturelemente Werner Buselmaier.1 Zellmembran und intrazelluläre Membranen Funktion Aufbau Glykokalyx Biosynthese von Membran bestandteilen Transmembranärer Stofftransport Zellverbindungen 19. Zellkern 1..1 Kerngestalt 1.. Kernanzahl..3 Kernbestandteile..4 Transkription und Replikation im Lichtmikroskop 7.3 Zytoplasma und Zytosol 8.4 Ribosomen Aufbau 9.4. Funktion 30.5 Endoplasmatisches Retikulum Aufgaben Formen 31.6 Golgi-Apparat Cis-trans-Golgi-Netzwerk 33.7 Lysosomen Intrazelluläre Verdauung 37 W. Buselmaier, Biologie für Mediziner, DOI / _, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 015

2 .8 Stoffabgabe und Stoffaufnahme über membranvermittelte Transportvorgänge Exozytose Endozytose Transzytose 4.9 Peroxisomen 4.10 Mitochondrien Aufbau Mitochondrien und Zelltod Zytoskelett Mikrotubuli Intermediärfilamente Actinfilamentsystem Zellgestalt und Haftfähigkeit 56

3 .1 Zellmembran und intrazelluläre Membranen 11 Die gesamte lebende Substanz einer Zelle wird als Protoplasma bezeichnet. Sie ist umgeben von der Zell- oder Plasmamembran. Zellen nehmen durch bestimmte Oberflächenstrukturen Kontakt mit Nachbarzellen auf und zeigen häufig eine Differenzierung ihrer Oberfläche, die im Zusammenhang mit ihrer spezifischen Funktion steht. Das Protoplasma gliedert sich in das Zytoplasma (Zellplasma ohne Kernplasma) und das Karyo- oder Nucleoplasma (Kernplasma). Das Zytoplasma besteht aus dem Zytosol, dem Zytoskelett und zahlreichen verschiedenen Organellen.. Tab..1 zeigt, aus welchen chemischen Sub stanzen sich das Protoplasma tierischer Zellen zusammensetzt. Die grobe Untergliederung der Eukaryotenzelle in ihre Zellbestandteile illustriert. Abb..1. In den nun folgenden Abschnitten werden die wichtigsten zellulären Strukturelemente eingehend beschrieben: 44Zellmembran und intrazelluläre Membranen (7 Abschn..1) 44Zellkern (Nucleus, 7 Abschn..) 44Zytoplasma und Zytosol (7 Abschn..3) 44Ribosomen (7 Abschn..4) 44endoplasmatisches Retikulum (ER, 7 Abschn..5) 44Golgi-Apparat (7 Abschn..6) 44Lysosomen (7 Abschn..7) 44Stoffabgabe und Stoffaufnahme über membranvermittelte Transportvorgänge (7 Abschn..8) 44Peroxisomen (7 Abschn..9) 44Mitochondrien (7 Abschn..10) 44Zytoskelett (7 Abschn..11).1 Zellmembran und intrazelluläre Membranen.1.1 Funktion Die Entwicklung der Zell- oder Plasmamembran war ein entscheidender Schritt bei der Entstehung der frühesten Lebensformen. Ohne sie ist die Existenz von Zellen unmöglich. Die Gewebe der Vielzeller sind meist aus Tausenden von Zellen aufgebaut, die entweder dicht Tab..1 Übersicht: Durchschnittliche chemische Zusammensetzung des Protoplasmas tierischer Zellen Protoplasmabestandteil Protoplast mit umgebender Plasmamembran Zytoplasma Zytosol und Zytoskelett Zellorganellen Anteil Wasser % Proteine % DNA, RNA 1 % Lipide 4 % Polysaccharide 0,1 1,5 % Kleine organische Moleküle und Mineralsalze % Nucleoplasma Abb..1 Bestandteile der Eukaryotenzelle (Euzyte) gepackt direkt aneinandergrenzen oder durch ein heterogenes Gemisch zellulärer Syntheseprodukte miteinander verbunden sind, die sog. Extrazellulärmatrix (ECM). > > Biologische Membranen fungieren als Abgrenzung von Zellen oder Zellkompartimenten sowohl nach außen als auch nach innen. Aber anders als rein passive Barrieren sind Biomembranen hochselektive Filter, die ungleiche Stoffkonzentrationen aufrechterhalten, Nährstoffe ein- und Abfallstoffe ausschleusen. > > Biomembranen kontrollieren den Stoffaustausch, etablieren und erhalten intrazelluläre Milieuunterschiede und ermöglichen über in sie eingebettete Rezeptoren die interzelluläre Kommunikation. Membranassoziierte Moleküle verleihen der Zelle Funktionalität (etwa bei Sinneszellen) sowie Individualität (wie im Fall der Blutgruppenantigene) und definieren damit körpereigen und körperfremd.

4 1 Kapitel Zelluläre Strukturelemente a b hydrophiler Kopf hydrophober Schwanz Abb.. Flüssigmosaikmodell der Membranstruktur. Glykoproteine und Glykolipide ragen mit ihren Kettenmolekülen als Glykokalyx über die Membran hinaus Abb..3a,b Molekularer Aufbau von Strukturlipiden. a Lecithin (Phospholipid), b Galactosyllipid (Glykolipid).1. Aufbau Alle biologischen Membranen einschließlich der Zellmembran und der intrazellulären Membransysteme der Eukaryoten besitzen den gleichen Grundaufbau aus Lipid- und Proteinmolekülen: 44Die Lipidmoleküle sind in einem bimolekularen Film angeordnet (. Abb..). 44Die Proteinmoleküle sind in diese Lipiddoppelschicht eingelagert und steuern die verschiedenen Funktionen der Membran, wie den Stofftransport. Sie dienen den strukturellen Bindungen zwischen Zytoskelett und Extrazellulärmatrix. Als Enzyme katalysieren sie membrangebundene Reaktionen, als Rezeptoren sind sie für den Erhalt und die Übertragung chemischer Signale verantwortlich. Dabei ist die Membran nicht fest durch unverrückbare Bausteine zusammengefügt. Die Lipide bilden einen flüssigen Film, in dem die Moleküle beweglich sind. Man bezeichnet daher das Membranmodell als Fluid-Mosaic- oder Flüssigmosaikmodell. Membranlipide Die 3 Haupttypen von Lipiden in der Zellmembran sind: 44Phospholipide (mengenmäßig am häufigsten) 44Cholesterin 44Glykolipide Alle haben ein hydrophiles Kopf- und ein hydrophobes Schwanzende (. Abb..3). Der bimole kulare Film bildet sich in wässrigem Milieu durch Aneinanderlagern der hydrophoben Schwänze, während die hydrophilen Köpfe beiderseits nach außen ragen. In eukaryotischen Zellen ist der Anteil des Cholesterins im Verhältnis zu den Phospholipiden relativ hoch. Er beträgt bei menschlichen Erythrozytenmembranen ca. 30 %. Im Gegensatz zu den Prokaryoten enthalten Eukaryoten zudem verschiedene Phospholipide. Die Erythrozytenmembran enthält z. B. 4 Hauptphospholipide: 44Phosphatidylcholin (= Lecithin) 44Sphingomyelin 44Phosphatidylserin 44Phosphatidylethanolamin

5 .1 Zellmembran und intrazelluläre Membranen 13 Interzellularraum oder extrazellulärer Raum Zytoplasma Abb..4 Asymmetrische Verteilung von Phospho- und Glykolipiden in der Erythrozytenmembran. Lipidmoleküle mit Cholinende, Phospholipide mit einer Aminogruppe, Glykolipide Tab.. Übersicht: Grundaufbau biologischer Membranen Bestandteile Anordnung Funktion Lipidmoleküle: Phospholipide Cholesterin Glykolipide Bimolekularer, flüssiger Film mit Membranasymmetrie ca nm dick Rückgrat der Membran, Permeabilitätsschranke Proteinmoleküle: In Lipidschicht eingelassen Spezifische Funktionen, z. B. Enzyme, Zellkontakt, Transmembranproteine antigene Zellrezeptoren, Membrantransport, Zellerkennung Periphere Membranproteine Die Lipidzusammensetzung beider Hälften des bimolekularen Lipidfilms ist bei allen bisher untersuchten Zellmembranen sehr unterschiedlich, man spricht von Membranasymmetrie (. Abb..4): Bei Erythrozytenmembranen haben die meisten Lipidmoleküle auf der Zellaußenseite ein Cholinende, während an der Innenseite überwiegend Phospholipide mit einer Aminogruppe zu finden sind. An der Zellaußenseite sammeln sich außerdem Lipidmoleküle, die Oligosaccharide enthalten. Diese nach außen präsentierten Zuckergruppen spielen möglicherweise eine Rolle bei interzellulären Kommunikationsprozessen. Membranproteine Während der bimolekulare Lipidfilm das Rückgrat biologischer Membranen darstellt, bestimmen Proteine im Wesentlichen deren spezifische Funktionen. Der Proteingehalt variiert bei verschiedenen Membranen stark. In Zellmembranen beträgt er ca. 50 % der Gesamtmasse. Da Proteinmoleküle viel größer als Lipidmoleküle sind, entfallen auf 1 Proteinmolekül ca. 50 Lipidmoleküle. Viele dieser Proteinmoleküle sind direkt in die bimolekulare Lipidschicht eingelagert. Ihre hydrophoben Regionen interagieren mit den hydrophoben Schwänzen der Lipidmoleküle. Dagegen sind ihre hydrophilen Regionen dem wässrigen Milieu zugekehrt. Innere oder äußere periphere Membranproteine sind nur in eine Hälfte der Lipiddoppelschicht eingebettet, während Trans membranproteine die Membran ganz durchspannen und auf beiden Seiten an wässriges Milieu grenzen (. Tab..). Transmembranproteine lassen sich nur unter Zerstörung der Membran isolieren, periphere Membranproteine sind dagegen leichter herauszulösen. Man sollte jedoch diese eher methodische Unterscheidung nicht als molekulare Beschreibung interpretieren, da in den meisten Fällen über die wirkliche Lage wenig bekannt ist.

6 14 Kapitel Zelluläre Strukturelemente Caveolin lipid rafts Caveolae Phospholipid Sphingolipid Zytosol Zytosol Cholesterin Abb..5 Organisation von Caveolae. Caveolae sind reich an Cholesterin und Sphingolipiden und bilden Mikrodomänen in der flüssigen ungeordneten Lipiddoppelschicht. Caveoline besitzen Bindungsdomänen für Cholesterin und lagern sich haarnadelförmig in die flüssig geordneten Domänen der Membran ein. Über eine Dimerisierungsdomäne (blau) bilden sich Dimere, die über C-terminale Bereiche (grün) oligomerisieren, was zur Aus bildung von Caveolae führt. (Aus Heinrich et al. 014) jcaveolae Weiterhin findet man an der Oberfläche der Zellmembran vieler Zelltypen mit dem Elektronenmikroskop erkennbare nm große sackförmige Grübchen. Es handelt sich um Bereiche mit einer speziellen Lipidzusammensetzung, vorwiegend mit einer hohen Konzentration von Cholesterin und Spingolipiden, weshalb sie auch als lipid-rafts (engl. raft = Floß) bezeichnet werden. Das Membranprotein Caveolin ist für die Bildung und Stabilisierung dieser Grübchen verantwortlich. Caveolae sind besonders häufig im Gefäßendothel, auf glatten Muskelzellen und auf Fettzellen. Sie können stationär an der Oberfläche verbleiben, wie in Muskel-, Fett- und anderen Zellen und sind möglicherweise Mikrodomänen für die Koppelung zwischen Membranrezeptoren und intrazellulären Signalkaskaden, da ihre Membran zahlreiche Rezeptoren und an der zellulären Signaltransduktion beteiligte Proteine enthält. Caveolae können sich, wie im Gefäßendothel, aber auch mithilfe von Dynamien von der Zellmembran abschnüren und so die Transzytose von Plasmaproteinen ermöglichen. Die Entstehung der Caveolae als Mikrodomänen hat die Interpretation des Fluid-Mosaik-Modells der Biomembranen in den letzten Jahren verändert. Es haben sich hierdurch Hinweise ergeben, dass Areale höherer und niedrigerer Membranfluidität nebeneinander existieren. Der Nachweis der Caveolae ist aufgrund ihrer geringen Größe, aber auch wegen ihrer Dynamik und Instabilität bis heute schwierig. Daher wird ihre Existenz und Bedeutung auch für mögliche Krankheitsgeschehen heute noch kontrovers diskutiert. Caveolin bildet in der zytoplasmatischen Membranschicht Haarnadelstrukturen aus. Die Familie dieser membranständigen Proteine besteht aus 3 Isoformen, Caveolin-1, - und -3, welche durch verschiedene Gene codiert werden. Dabei werden Caveolin-1 und - häufig in vielen Zellen gemeinsam exprimiert, Caveolin-3 nur in Muskelzellen. Die Membrankrümmung entsteht durch Oligomerisierung (. Abb..5). Caveolin-1 beeinflusst durch Interaktion mit Wachstumsfaktoren und anderen Signalproteinen die Proliferation und Transformation von Zellen, wobei es eher hemmend und wie ein Tumorsuppressor-Gen wirkt. Daher scheint die Caveolinkonzentration der Zelle auch eine Rolle in der Karzinogenese zu spielen. Tumorzellen haben oft eine niedrige bzw. fehlende Caveolin-1-Expression. Caveolae dienen auch einigen Viren als Eintrittspforte in die Zelle. Auch bei der Entstehung von Alz heimer gilt eine entscheidende Beteiligung von Caveolin-1 als gesichert. Mutationen im Caveolin- 3-Gen führen zu einer seltenen Form der muskulären Dystrophie und bei der idiopathischen Lungenfibrose ist Caveolin-1 im Lungengewebe deutlich vermindert.

7 .1 Zellmembran und intrazelluläre Membranen Glykokalyx Aufbau der Glykokalyx Nach außen ist die Plasmamembran mit einer komplexen Schicht aus Polysacchariden überzogen. Diese sind an Protein- oder Lipidmoleküle gebunden, sind also Glykoproteine bzw. Glykolipide. Man bezeichnet diese extrazelluläre Schicht als Glykokalyx. Die wichtigsten am Aufbau der Glykokalyx beteiligten Zuckermoleküle sind: 44Glucose 44Galactose 44Fructose 44die Aminozucker Glucosamin und Galactosamin Eine wesentliche Rolle spielt auch die Neuraminsäure, die ebenfalls ein Aminozucker ist. Die einzelnen Zuckermoleküle können zu Oligo- oder Polysacchariden verbunden werden, wodurch sich eine große Zahl von Kombinationsmöglichkeiten ergibt. Daher sind die Zelloberflächen durch außerordentlich vielfältige Polysaccharidmuster gekennzeichnet. Die mögliche Variationsbreite ist dabei größer als die Zahl der Zellen in einem Organismus. In Bakterien und Pflanzen sind nahezu alle Glykolipide vom Glycerin abgeleitet, in tierischen Zellen hingegen von Sphingosin, einem langen Aminoalkohol. Sie werden daher als Glykosphingolipide bezeichnet. Bei allen Epithelzellen schließt sich der Gly kokalyx auf der Seite des Bindegewebes eine Basalmembran oder Basallamina an. An ihrem Aufbau sind die in der Außenschicht der Plasmamembran vorhandenen Glykoproteine beteiligt. Andere Glykoproteine werden nach ihrer Sekretion in den Interzellularraum an die Membran absorbiert. Funktionen der Glykokalyx > > Durch die Vielfalt der Kombinationsmöglichkeiten stellt die Glykokalyx ein spezifisches Erkennungsareal der Zelle dar. Sie dient der Kontaktaufnahme zwischen Zellen, der Zellidentifizierung und der Zellkommunikation. Beispielsweise können sich Leukozyten via Glykokalyx an Endothelzellen der Blutgefäße heften. Tab..3 Übersicht: Aufbau und Funktion der Glykokalyx Aufbau Funktion Netzwerk von Glykoproteinen und Glykolipiden Steuerung der Wechselwirkungen zwischen Zellen, der Kommunikation mit der Außenwelt, Rezeptorfunktion und Wirkung als Antigen (Selbst-Fremd- Unterscheidung) Oligosaccharide an der Oberfläche der Leukozyten werden durch Selectin erkannt, ein Transmembranprotein der Endothelzellen. Die gebundenen Leukozyten vermitteln dann eine Entzündungsreaktion, beispielsweise an Gewebedefekten. In den Makrophagen der Milz befinden sich Asialoglykoproteinrezeptoren, die sich am Abbau alternder Erythrozyten beteiligen. Diese Rezeptoren in Hepatozyten helfen beim Abbau von extrazellulären Glykoproteinen. Danach werden glykosylierte Serumproteine, die ihre terminalen Sialinsäuren verloren haben, aus der Zirkulation entfernt und abgebaut. Die Moleküle der Glykokalyx wirken auch als Antigene und bestimmen damit die serologischen Eigenschaften einer Zelle. So sind die Blutgruppensubstanzen nichts anderes als Glykolipide mit definierten Zuckerenden. Bestimmte Moleküle der Glykokalyx binden Bakterientoxine und Viren. Andere Moleküle dienen als Rezeptoren (. Tab..3). So besitzen z. B. Mastzellen Membranrezeptoren für Komplexe aus Immunglobulin-E- Antikörpern und dem entsprechenden Antigen (etwa aus Blütenpollen). Immunglobuline der Klasse IgE sind für bestimmte Allergien (Heuschnupfen) verantwortlich. Wird ein IgE-Antigen- Komplex an eine Mastzelle gebunden, schüttet sie Substanzen (v. a. Histamin) aus, die eine Gefäßerweiterung und eine Kontraktion der glatten Muskulatur (in den Bronchiolen) bewirken. So entstehen die bekannten Beschwerden von Allergikern und Asthmatikern. Grundsätzlich ist jedoch das Zusammenwirken von IgE-Antikörpern, Antigen und Mastzellen vorteilhaft: Es ermöglicht die Bildung von Entzündungsherden und damit eine effektive lokale Infektionsabwehr.

8 16 Kapitel Zelluläre Strukturelemente Adrenalin Rezeptor Adenylatcyclase ATP Proteinkinase (inaktiv) c AMP + P P Phosphorylasekinase (inaktiv) ATP (aktiv) Blutbahn Membran Proteinkinase ADP +P Phosphorylase b Phosphorylasekinase 4ATP (aktiv) Phosphorylase a 4ADP +4P Glucose Glucose-6-phosphatase Glucose 6 - P Phosphoglucomutase Glucose 1 - Glykogen P Abb..6 Second-Messenger-Mechanismus am Beispiel des adrenalingesteuerten Glykogenabbaus in der Leberzelle Wieder andere Moleküle der Glykokalyx dienen als Hormonrezeptoren. Solche Rezeptoren für Adrenalin und Noradrenalin sind an der Zellmembran nachgewiesen. Jedoch wird nur ein Teil der natürlich vorkommenden Hormone an Rezeptoren der Zellmembran gebunden. Diese gehören zur Gruppe der Proteo- und Peptidhormone. > > Die Hormonmoleküle (sog. first messenger) erreichen mit der Körperflüssigkeit die Zellmembran und werden von den spezifischen Rezeptoren eingefangen. Daraufhin beginnt ein besonderer Zyklus der Beeinflussung des Zellstoffwechsels, der als Zyklischer-Adenosinmonophosphat-(cAMP-)Mechanismus oder Second-Messenger-Mechanismus bezeichnet wird. Dabei wird der Zellstoffwechsel über einen sekundären Botenstoff (Second Messenger), in diesem Falle camp, beeinflusst. Der 1. Schritt hierzu ist die Aktivierung des Enzyms Adenylatcyclase an der Innenseite der Membran. Dieses Enzym baut das von den Mitochondrien hergestellte Adenosintriphosphat (ATP) in camp um, das nun ein bereits in der Zelle vorhandenes Enzym von einer inaktiven in eine aktive Form überführt. Dieses aktivierte Enzym überführt seinerseits andere Enzyme in eine aktive Form. Dadurch laufen eine Vielzahl von Stoffwechselvorgängen in der Zelle an. So stimuliert beispielsweise Adrenalin in der Leber den Abbau von Glykogen zu Glucose. Die genauen Schritte sind. Abb..6 zu entnehmen..1.4 Biosynthese von Membranbestandteilen Das endoplasmatische Retikulum (ER, 7 Abschn..5) ist die wichtigste Produktionsstätte neuer Membranen. Dort entstehende Membranen werden mithilfe von Vesikeln zu ihren Bestimmungsorten geschleust. Diese Vesikel schnüren sich als meist kugelförmige Membranstücke vom ER ab und werden dann durch Membranfusion in andere Membranen eingebaut. Das glatte ER synthetisiert Membranlipide, das ribosomenbesetzte raue ER Proteine. Die an den Ribosomen synthetisierten Proteine werden je nach deren Funktion entweder ins ER-Lumen abgegeben oder in seine Membran eingebaut. Der Golgi-Apparat (7 Abschn..6) erhält die Proteine und Lipide vom ER und modifiziert sie. Dabei erhalten beispielsweise die Glykolipide ihre Zuckergruppen..1.5 Transmembranärer Stofftransport Die Zelle benötigt zur Aufrechterhaltung ihrer Lebensfunktionen Stoffe von außen. Diese Substanzen müssen durch die Membranen transportiert werden. Umgekehrt muss die Zelle auch in der Lage sein, Stoffe nach außen abzugeben. Dies alles geschieht nicht zufällig wie durch ein Sieb: Die Zellmembran zeigt ein selektives Verhalten. Wegen seiner hydrophoben Innenseite ist der bimolekulare Lipidfilm der Membran für die meisten polaren Moleküle undurchlässig (impermea-

9 .1 Zellmembran und intrazelluläre Membranen 17 Abb..7 Transmembranprotein bel). Daher werden die meisten wasserlöslichen Inhaltsstoffe in der Zelle zurückgehalten. Es bedarf also spezieller Mechanismen, um polare Moleküle durch die Membran zu transportieren. Auch Ionen müssen in beide Richtungen transportiert werden, damit intrazelluläre Ionenkonzentrationen reguliert werden können. > > Der Transport kleinerer Moleküle und Ionen sowie von Makromolekülen, wie Proteinen, und sogar großer Partikel erfolgt mithilfe spezifischer membranständiger Transportproteine, sog. Transmembranproteine (. Abb..7). Beim Transmembrantransport lassen sich unterscheiden: 55passiver Transport durch Diffusion und Osmose, 55aktiver Transport unter Energieverbrauch. Diffusion Sowohl Ionen als auch Moleküle zeigen eine thermische Eigenbewegung. Deshalb prallen Moleküle ständig aufeinander. Aufgrund ihrer Beweglichkeit wandern die Teilchen durch eine für sie durchlässige Membran hindurch von der höheren zur niedrigeren Molekülkonzentration. Somit stimmt die Transportrichtung mit der des Konzentrationsgefälles überein. Dies führt zum Konzentrationsausgleich. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist von der Art der Moleküle, der Temperatur, dem Konzentrationsgefälle und vom Druck abhängig. Diese Transportform betrifft vor allem kleine Moleküle, z. B. Wassermoleküle. Die Diffusion kann durch Membranproteine, die als Transporter agieren, erleichtert werden (. Abb..8). Osmose Bei der Osmose erfolgt die Diffusion durch eine selektiv permeable Membran. Diese lässt nur die kleineren Moleküle des Lösungsmittels (meist Wasser), aber nicht die darin gelösten Stoffe durch. Die Osmose ist einseitig gerichtet: Das Lösungsmittel bewegt sich immer in Richtung der höheren Konzentration des gelösten Stoffes, um einen Konzentrationsausgleich herbeizuführen. Ist die Konzentration gelöster Stoffe in der Zelle höher als außerhalb, wird ein Druck auf die selektiv permeable Membran ausgeübt (osmotischer Druck). Er bewirkt, dass Wasser durch die Zellmembran in die Zelle eindringt. Die Wasseraufnahme erfolgt solange, bis die Konzentration gelöster Stoffe innerhalb und außerhalb der Zelle gleich ist. Ist dieses Stadium erreicht, dringen genau so viele Wassermole küle in die Zelle ein wie sie verlassen (. Abb..9). a b c Abb..8a-c Diffusion (a, b). Diffusion über Transporter beschleunigt (c)

10 18 Kapitel Zelluläre Strukturelemente a isoton Schwellung hypoton b isoton Schrumpfung hyperton Abb..9a,b Osmotische Wirkung auf eine Zelle. a Die Zelle wird in eine wässrige Lösung mit geringerer Konzentration gelöster Stoffe gebracht: Da die Umgebung hypoton gegenüber dem Zellplasma ist, kommt es durch Wassereinstrom zum Platzen der Zelle. Man benutzt diese hypotone Behandlung u. a. zur Chromosomenanalyse. b Die Zelle wird in eine hypertone wässrige Lösung (mit höherer Konzentration gelöster Stoffe) gebracht. Wasserentzug führt zur Zellschrumpfung (hypertone Behandlung) Aktiver Transport Anders als bei Diffusion und Osmose muss die Zelle beim aktiven Transport Energie aufwenden. Damit können gelöste Substanzen auch gegen ein Konzentrationsgefälle, einen osmotischen Druck oder einen elektrischen Gradienten transportiert werden. Dies betrifft v. a. Ionen, Zucker, Aminosäuren, Nucleotide und viele Metaboliten. Dabei transportieren die unterschiedlichen Membrantransportproteine sehr selektiv jeweils nur eine bestimmte Substanzklasse und oft sogar nur eine bestimmte Molekülart. Na + K + ADP ATP Na Na + + P P K + P K + P jionentransport Ein wichtiges Beispiel für den Transport von Ionen ist die Na + -K + -Pumpe, die jeweils gegen den Konzentrationsgradienten Na + aus und K + in die Zelle befördert. Sie stellt dadurch sicher, dass die K + -Konzentration innerhalb der Zelle höher als außerhalb und umgekehrt die Na + -Konzentration außerhalb höher als innerhalb ist. Die für den aktiven Transport notwendige Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt. Dabei wird durch den gekoppelten und entgegengesetzt gerichteten Na + - und K + -Transport Energie gespart. Ein Enzym in der Membran, das ATP zu Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat hydrolysiert, bewerkstelligt diesen Transportmechanismus: die Na + -K + -ATPase. Dieser Prozess findet wahrscheinlich in allen Zellen statt (. Abb..10). Abb..10 Na + -K + -Pumpe: Funktionsablauf des gekoppelten Na + - und K + -Transports durch die Zellmembran unter Einsatz von ATP Eine weitere ATPase transportiert Ca + -Ionen aktiv aus eukaryotischen Zellen hinaus. Diese besitzen deswegen eine im Vergleich zur extrazellulären Konzentration sehr geringe Ca + -Konzentration im Zytosol. Die gerade beschriebenen Vorgänge sind nachgewiesene Transportmechanismen in der tierischen Zellmembran. Eine Reihe von Modellvorstellungen zeigt hypothetisch, wie ein Stofftransport durch Ionenporen und Tunnelproteine bewerkstelligt werden könnte. Modellbeispiele für Ionenporen sind gewisse von Mikroorganismen produzierte Antibiotika. Dies sind komplexe Ringverbindungen

11 .1 Zellmembran und intrazelluläre Membranen 19 Membran beteiligt sind. Beim mutierten CFTR- Gen sind diese Poren defekt. Normalerweise wird unaufhörlich Salz durch die Natrium- und Chloridporen gepumpt, dem Wasser osmotisch folgt, das so die Hohlräume der Lunge durchspült. Sind diese Membranporen defekt, funktioniert das Drainagesystem der Lunge nicht. Dadurch sammelt sich zähflüssiger Schleim in den Bronchien an, den Bakterien besiedeln können. Über ständige Infekte, Bronchitiden und Lungenentzündungen (Pneumonien) kann es schließlich zum Lungenversagen kommen. Abb..11 Raumdarstellung von Nonactin (Aufsicht). In der Mitte des käfigartigen Moleküls befindet sich ein Ion, das die Pore gerade passiert mit hydrophoben und hydrophilen Anteilen, die wie ein Käfig Ionen einfangen und anschließend durch Änderung der Konfiguration wieder entlassen (. Abb..11). Beispiele hierfür sind Valinomycin, Enniatin, Monactin, Nonactin, Dinactin und Trinactin. Der Einbau solcher Moleküle in Zellmembranen steigert den Ionentransport. Klinik Mukoviszidose Die zystische Fibrose oder Mukoviszidose ist ein Beispiel für die klinischen Folgen, wenn Membrantransportvorgänge durch eine Mutation gestört sind. Ein als cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) bezeichnetes Membranprotein bildet Poren, die am Transport von Chloridionen durch die Auch Tunnelproteine sind uns nur in Form von Antibiotika bekannt. Gramicidin A ist eine solche Verbindung, die in die Zellmembran eingelagert werden kann und dann einen verschließbaren Tunnel bildet (. Tab..4)..1.6 Zellverbindungen Die Glykokalyx an der Außenseite der Plasmamembran ist für die Zellkontakte verantwortlich. Sie dient der Kontaktaufnahme zwischen Zellen und einer spezifischen Zellkommunikation. Beim ständigen Umbau von Membranen bauen lebende Zellen immer neue Membranmoleküle, also auch Glykoproteine, in ihre Zellmembran ein. Diese üben Signalwirkungen auf die benachbarten Zellen aus. Frei bewegliche Zellen können hierdurch mobilisiert werden, gleichartige Zellen an ihren Oberflächeneigenschaften erkennen und Zell-Zell- Verbindungen mit diesen eingehen. Daraufhin kommt es zur Kontaktinhibition, also zum Still- Tab..4 Übersicht: Mechanismen des Stofftransports durch die Zellmembran Transportform Mechanismus Transportierte Stoffe Transportrichtung Passiver Transport ohne Einsatz von Stoffwechselenergie Aktiver Transport unter Einsatz von Stoffwechselenergie Diffusion Ionen, kleine Moleküle In Richtung des Konzentrations- Osmose oder elektrischen Gradienten Ionenpumpe Ionen Gegen den Konzentrations- oder Tunnelproteine Moleküle elektrischen Gradienten, gegen osmotischen Druck

12 0 Kapitel Zelluläre Strukturelemente stand der Zellbewegung und möglicherweise zur Hemmung der Zellteilung. Dieses Verhalten kann man an Zellkulturen, z. B. Fibroblastenkulturen, beobachten. Fibroblasten wachsen nur so lange, bis sie an allen Seiten mit Zellen in Kontakt stehen, dann stellen sie das Wachstum ein. Um eine erneute Teilungsaktivität anzuregen, müssen die Kulturen geteilt und damit wieder verdünnt werden. Krebszellen verhalten sich umgekehrt: Sie wachsen ungehemmt und sind zu keiner geordneten Gewebebildung mehr fähig, weil sie die Kommunikationsmöglichkeit über Zellverbindungen verloren haben. Desmosom Interzellularraum Zonula occludens tight junction Zonula adhaerens Kittsubstanz gap junction Abb..1 Zellverbindungen zwischen Epithelzellen Formen von Zellverbindungen Durch Kontaktinhibition wird es auch für embryonale Zellen möglich, Gewebe aufzubauen. Dies geschieht durch Ausbildung bestimmter Haftzonen zwischen den Zellen. Die erste Verbindung zwischen den Zellen wird durch bestimmte Molekülaggregate bewerkstelligt, die in den Membranen vorhanden sind. Hierbei gehen die Moleküle der Glykokalyx eine Bindung ein. Diese Verknüpfung wird durch weitere lokale Differenzierungen der Zellmembran verfestigt, die dann die endgültige Verbindung herstellen. Dabei lassen sich verschiedene Formen von Zellverbindungen unterscheiden: Bei manchen verschmelzen die einander angenäherten Zellmembranen direkt miteinander, bei anderen ist keine direkte Verschmelzung vorhanden. Betrachten wir die verschiedenen Zellverbindungen am Beispiel der Zellhaftung zwischen Epithelzellen (. Abb..1). Die Plasmamembranen dieser Zellen bilden zur Vermeidung eines Stoffdurchtritts im Interzellularraum regelmäßige Schlussleisten, die den gesamten Zellumfang ohne Unterbrechung umfassen. Unterhalb von Membranelementen, die der Oberflächenvergrößerung dienen, schließen sich miteinander verschmolzene Strecken der Zellmembranen an. Diese werden als Zonula occludens oder tight junction bezeichnet. Darunter folgt ein Bereich der Zellverbindung ohne Membranverschmelzung, die Zonula adhaerens. Die auseinander gerückten Membranen werden hier durch Interzellularsubstanz (ECM) verkittet. Andere Verbindungsarten sind auf enge Bereiche beschränkte, kompliziert aufgebaute Kontaktzonen, wie die Desmosomen (Maculae adhaerentes). Diese kann man gleichsam als Nieten bezeichnen, während die Zonulae eher mit Nähten vergleichbar sind. Auch die Desmosomenhälften zeigen keine Membranverschmelzung, sondern sind durch Kittsubstanz verbunden. Diese besteht vorwiegend aus Glykoproteinen und Mukopolysacchariden. An der zytoplasmatischen Seite der Membran finden sich plattenartige Verdickungen, in die Fibrillenbündel aus Keratin münden (Tonofilamente). Diese durchziehen die ganze Zelle. Neben den Desmosomen kennt man Hemidesmosomen, die jedoch keine eigentlichen Zellverbindungen sind, sondern als Verankerung von Epithelzellen mit dem darunter gelegenen Bindegewebe dienen. Weiterhin existieren noch lokale Verengungen des Interzellularraumes zwischen den Zellen, die man als Kommunikationskontakte bezeichnen kann, die sog. gap junctions. Funktionen von Zellverbindungen Die Aufgabe der gap junctions ist der direkte Stoffaustausch zwischen den Zellen. Der Interzellular-

13 . Zellkern 1 Tab..5 Übersicht: Interzelluläre Verbindungen und ihre Funktion Zellverbindung Funktion Morphologische Beschreibung Vorkommen Zonula occludens (tight junction) Impermeabler Verschlusskontakt zur Erhaltung des interzellulären Milieus Gürtelförmige Verschmelzung von Zellmembranen In Epithelzellen von Dünndarm, Blase, Niere, Gehirngefäßen Zonula adhaerens Feste mechanische Zellverankerung Gürtelförmige Verbindung von Zellmembranen mit einem interzellulären Spalt In Epithelzellen Macula adhaerens (Desmosom) Feste mechanische Zellverankerung Punktförmige Verbindung von Zellmembranen mit einem interzellulären Spalt In Epithel- und Herzmuskelzellen Gap junction Zellkommunikation durch direkten Stoffaustausch und elektrische Kopplung Zylindrische Transmembranproteine, die lokale Verengungen des Interzellularraumes tunnelartig durchziehen Ubiquitär raum wird durch Tunnelproteine (Hauptprotein: Connexin) überbrückt, die durch die Zellmembranen benachbarter Zellen ziehen. Dabei bilden die 6 Connexin-Untereinheiten eine Röhre, die wasserlösliche, kleine Moleküle, wie Aminosäuren, Nucleotide, Vitamine, Disaccharide, Steroidhormone oder camp, durchtreten lässt. Außerdem wird durch Zellverbindungen eine elektrische Kopplung von Zellen erreicht. Diese können elektrische Impulse so mit hoher Geschwindigkeit an Nachbarzellen weitergeben. Darum spricht man auch von elektrischen Synapsen, im Gegensatz zu den chemischen Synapsen der Nervenzellen. Die Erregungsleitung durch Kommunikationskontakte ist in der frühen Embryonalentwicklung, bei der Darmperistaltik, aber auch bei der Aktivität der Herzmuskulatur von Bedeutung. > > Zellverbindungen dienen einerseits dem Austausch von Substanzen zwischen benachbarten Zellen. Andererseits sind sie wegen ihres geringen elektrischen Widerstands für den interzellulären Ionentransport geeignet und ermöglichen durch Ionenaustausch eine elektrische Kopplung (Ionenkopplung) benachbarter Zellen. Sie sorgen also für eine stoffliche und elektrische Integration von Nachbarzellen. Darüber hinaus stabilisieren sie Zellverbände (. Tab..5). Klinik Pemphigus vulgaris Pemphigus vulgaris ist eine Erkrankung, die durch Auflösung von Zellverankerungen zustande kommt. Der Körper entwickelt Antikörper gegen transmembranöse Verbindungsproteine der Desmosomen. Die Folgen sind Blasenbildungen in der Haut und in den Schleimhäuten.. Zellkern Die prominenteste Organelle einer Eukaryotenzelle ist bereits unter dem Lichtmikroskop zu erkennen: der Zellkern oder Nucleus (. Abb..13). Er ist der Hauptträger der Erbinformation, die in Form von DNA in den Chromosomen verpackt ist...1 Kerngestalt Die äußere Kerngestalt ist abhängig vom momentanen Aktivitätszustand der Chromosomen und von ihrer für alle Organismen spezifischen Anzahl. Die einfachste Gestalt des Zellkerns ist die Kugelform, häufig sind nierenförmige Kerne, wobei die Lage

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