326 Es gibt zwei Gruppen von Organismen: Prokaryonten und Eukaryonten. Diese beiden Gruppen unterscheiden sich im Aufbau ihrer Zellen. 2.1 Aufbau der Prokaryontenzelle Die uns heute bekannten Organismen lassen sich in zwei groûe Gruppen unterteilen: die Prokaryonten und die Eukaryonten. Zu den Prokaryonten gehören die Eubakterien akterien und laualgen) und die Archaebakterien; zu den Eukaryonten gehören alle anderen Einzeller und die höheren, vielzelligen Lebewesen, also auch der Mensch. Prokaryonten und Eukaryonten unterscheiden sich in der Gröûe ihrer Zellen: Eine typische Prokaryontenzelle ist etwa 0,1 ± 1 ìm groû, während eine Eukaryontenzelle 10 ± 50 ìm groû sein kann. Der entscheidende Unterschied aber besteht im Aufbau ihrer Zellen. 2.1 Aufbau der Prokaryontenzelle Prokaryontenzellen bestehen aus einem zytoplasmatischen Raum, den eine Membran umgibt Abb. -2.1). Ist diese Zell- oder Zyto)Plasmamembran von einer Polysaccharidschicht umgeben, entsteht ein periplasmatischer Raum. E Merke Das ringförmige DNA-Molekül liegt im Zytoplasma. Evtl. sind weitere kleinere DNA- Ringe, sog. Plasmide, vorhanden. Prokaryontische Zellen bestehen aus einem einzigen zytoplasmatischen Raum, der eine Vielzahl von Molekülen in wässriger Lösung enthält und von einer Membran Zellmembran, Plasmamembran oder Zytoplasmamembran genannt) nach auûen abgegrenzt wird Abb. -2.1). Oft sind sie zusätzlich von einer stabilisierenden Polysaccharidschicht umgeben, die bei akterien zu deren Infektiosität beiträgt. Der Raum zwischen Polysaccharidschicht und Zellmembran wird periplasmatischer Raum genannt. E Merke. Prokaryonten haben keinen Zellkern. Sie besitzen auch keine anderen Zellkompartimente. Ihr Genom besteht aus einem ringförmigen DNA-Molekül, das frei im Zytoplasma liegt. In manchen Fällen kann es auch an einer Stelle der Zellmembran befestigt sein. Neben dem Genom können auch kleinere ringförmige DNA-Moleküle, sog. Plasmide, vorhanden sein. Diese sind aber nicht essenziell. Erst seit neuerem weiû man, dass auch Prokaryonten ein Zytoskelett besitzen. Man hat im Zytoplasma Proteine gefunden, die den Aktin-, Tubulin- und Intermediärfilamenten der Eukaryonten entsprechen s.s. 382) -2.1-2.1 Schematischer Aufbau einer akterienzelle Polysaccharidschicht periplasmatischer Raum Plasmid Zytoplasma Zellmembran DNA (Genom) Ribosomen Hauptbestandteile einer akterienzelle sind die Zellmembran, das Zytoplasma, Ribosomen und ein ringförmiges DNA-Molekül, das Genom. Evtl. enthalten akterien weitere, kleinere ringförmige DNA-Moleküle, sog. Plasmide. Oft sind sie von einer stabilisierenden Polysaccharidschicht umgeben, wodurch zwischen Zellmembran und Polysaccharidschicht der periplasmatische Raum entsteht.
327 Eukaryontenzellen zeigen einen komplexeren Aufbau als Prokaryontenzellen. Sie sind nach auûen ebenfalls durch eine Plasmamembran abgegrenzt Abb. -2.2). Innerhalb dieser Membran befindet sich das Zytoplasma mit den Zellorganellen. Im Zytoplasma sind zahlreiche Moleküle in Wasser gelöst. Diese wässrige Lösung ohne die Zellorganellen bezeichnet man als Zytosol. Zellorganellen sind Kompartimente, die durch Membranen vom Zytosol abgetrennt sind und so in sich geschlossene Reaktionsräume bilden. E Merke. Das gröûte Zellorganell und gleichzeitig das charakteristische Merkmal der Eukaryontenzelle ist der Zellkern. In ihm ist das Erbgut in Form von DNA gespeichert. Er ist im Lichtmikroskop leicht zu erkennen. Manchmal sind im Zellkern auch ein oder mehrere Nukleoli Kernkörperchen) zu sehen. Die äuûere Membran der porenhaltigen Kernhülle geht in das endoplasmatische Retikulum ER) über, das als geschlossenes System aus Röhren und Höhlen das ganze Zytosol durchzieht. Ist die Membran des ER von Ribosomen besetzt, bezeichnet man es als raues ER, sonst als glattes ER. Ein weiteres in sich geschlossenes Membransystem ist der Golgi-Apparat. E r spielt eine wichtige Rolle bei der Reifung und beim Transport von Proteinen. Dabei wird er von kleinen Membranvesikeln Endosomen) unterstützt, die den Transport von Proteinen zwischen den einzelnen Kompartimenten und der Zellmembran übernehmen. Für den Stoffwechsel wichtige Organellen sind die Mitochondrien. Sie haben etwa akteriengröûe und werden oft als die Kraftwerke der Zelle bezeichnet. In ihnen sind Atmungskette und ATP-Synthese lokalisiert. Manche Zellen enthalten 2000 oder mehr Mitochondrien. Der Aufbau von Eukaryontenzellen ist komplexer. Sie enthalten neben Ribosomen membranumschlossene Zellorganellen Abb. -2.2). F Merke Der Zellkern enthält ein oder mehrere Nukleoli. Die porenhaltige Kernhülle geht in das endoplasmatische Retikulum über. Golgi-Apparat und Endosomen spielen beim intrazellulären Transport von Proteinen eine wichtige Rolle. Mitochondrien beherbergen die Atmungskette. In ihnen findet die ATP-Synthese statt. -2.2 Schematischer Aufbau einer Eukaryontenzelle -2.2 Endosom Mitochondrium Komponenten des Zytoskeletts Tight Junction Golgi-Apparat Lysosom glattes ER Nukleolus Zellkern Kernhülle mit Kernporen raues ER Peroxisom freie Ribosomen Zytoplasma Zytoplasmamembran extrazelluläre Matrix (Interzellulärraum) In dieser sehr schematischen Darstellung einer Eukaryontenzelle sind die wichtigsten Organellen dieser Zelle gezeigt. Anzahl, Gröûe und Anordnung der Organellen können von Zelltyp zu Zelltyp stark variieren.
328 Lysosomen und Peroxisomen enthalten Enzyme, die es ihnen ermöglichen, den Zellabfall zu entsorgen. Das Zytoskelett stabilisiert die Zelle. Es ist wichtig für intrazelluläre ewegungsabläufe. 2.2.1 esonderheiten in mehrzelligen Organismen Im vielzelligen Organismus stehen die Zellen über spezielle Strukturen miteinander in Verbindung. 2.2.2 Vorteile der Kompartimentierung Die Aufteilung der Zelle in Kompartimente ermöglicht n die Regulation des Zellstoffwechsels, n n die Schaffung unterschiedlicher Reaktionsbedingungen, die Nutzung von Kompartimenten ER, Mitochondrien) als Speicher. Ebenfalls wichtig für den Stoffwechsel sind die Lysosomen und die Peroxisomen. n Lysosomen sind kleine Membranvesikel, die Hydrolasen, z.. proteolytische Enzyme, enthalten. Mit Hilfe dieser Enzyme werden in Lysosomen Moleküle verdaut, die entweder von der Zelle aufgenommen wurden oder aus der Zelle selbst stammen. n Peroxisomen, ebenfalls kleine Membranvesikel, enthalten als wichtigste Enzyme Peroxidasen und Katalase. Sie haben u. a. Entgiftungsfunktion. Im Zytoplasma der Eukaryontenzelle befindet sich ein Gerüst aus Proteinen, das Zytoskelett. Es verleiht der Zelle Stabilität und Struktur und spielt bei intrazellulären ewegungsabläufen z.. Organellentransport, Zellteilung) ein Rolle. 2.2.1 esonderheiten in mehrzelligen Organismen In einem vielzelligen Organismus sind Zellen in Organen zusammengefasst. Um den Zusammenhalt und die Kommunikation zwischen den Zellen zu gewährleisten, stehen diese über unterschiedlichste Strukturen, z.. Tight Junctions S. 359) und die extrazelluläre Matrix S. 396) miteinander in Verbindung. Pflanzenzellen und viele Pilzzellen besitzen auûerhalb der Plasmamembran eine Zellwand aus Proteinen und Polysacchariden, die diesen Organismen ihre äuûere Struktur und Stabilität verleiht. Tierische Zellen haben grundsätzlich keine Zellwand. Ein tierischer Organismus erhält seine äuûere Struktur z.. durch ein Exoskelett z.. Chitinpanzer bei Insekten) oder durch ein Endoskelett z.. Skelett bei Wirbeltieren). 2.2.2 Vorteile der Kompartimentierung Durch die Kompartimentierung wird die Eukaryontenzelle in einzelne, in sich geschlossene Reaktionsräume aufgeteilt. Dies ermöglicht n die Regulation des Zellstoffwechsels: In verschiedenen Kompartimenten kann ein und dieselbe Substanz auf unterschiedliche Weise metabolisiert werden. Fettsäuren in den Mitochondrien werden z.. schnell mittels â-oxidation S.128) abgebaut, während Fettsäuren im Zytosol hauptsächlich verestert oder ausgeschleust werden. n die Schaffung unterschiedlicher Reaktionsbedingungen: Manche Enzyme brauchen bestimmte Reaktionsbedingungen, um aktiv zu werden. So arbeiten saure Hydrolasen nur bei einem ph-wert von 5,0. Sie sind deshalb in Lysosomen lokalisiert, deren Lumen diesen ph-wert hat. Der ph-wert des Zytosols entspricht dem physiologischen ph-wert von ca. 7,2. n die Nutzung von Kompartimenten als Speicher: Das Lumen von ER und Mitochondrien enthält hohe Konzentrationen an Ca 2+ -Ionen. Diese Ca 2+ -Ionen werden bei edarf schnell freigesetzt z.. bei der Muskelkontraktion, S. 384) und auch schnell wieder aufgenommen. So kann die Zelle eine sehr schnelle Signalübertragung gewährleisten. Um Struktur und Funktion der einzelnen Zellbestandteile untersuchen zu können, bricht man Zellen mit verschiedenen Methoden auf Zellaufschluss). Zur Trennung der Komponenten Zellfraktionierung) schlieûen sich mehrere Zentrifugationsschritte mit zunehmend höheren Geschwindigkeiten an Abb. -2.3). Um die Struktur und die Funktionen der verschiedenen Zellbestandteile zu untersuchen, kann man Zellen in ihre estandteile zerlegen. Zunächst müssen die Zellen aufgeschlossen werden. Dafür gibt es verschiedene Methoden: Ultraschall, osmotischer Schock, Zermahlen in einem Mixer, Passagieren durch eine enge Öffnung oder Homogenisieren im Homogenisator. Geht man vorsichtig genug vor, bleiben die Organellen beim Zellaufschluss intakt und können anschlieûend voneinander getrennt werden. Die Trennung der einzelnen Zellbestandteile Zellfraktionierung) erfolgt durch Zentrifugation. Der Zellaufschluss wird in mehreren Schritten bei zunehmend höheren Geschwindigkeiten zentrifugiert Abb. -2.3). Dabei werden die Zell-
329-2.3 Zellfraktionierung durch Zentrifugation -2.3 1 2 3 4 Zellaufschluss Niederschlag (Pellet): ganze Zellen Zellfragmente Zellkerne Zytoskelettfragmente Mitochondrien Lysosomen Peroxisomen kleine Vesikel Ribosomen u. a. Makromolekülkomplexe Viren Überstand: Zytosol = lösliche Fraktion 1 niedertourige Zentrifugation bei 1000g 5 Minuten) 2 mitteltourige Zentrifugation bei 20.000 g 20 Minuten) 3 hochtourige Zentrifugation bei 50 ±80.000 g 1 ±2 Stunden) 4 Ultrazentrifugation bei 150.000 g 2±3 Stunden) Der Überstand nach der Ultrazentrifugation wird lösliche Zellfraktion genannt und entspricht dem Zytosol. komponenten nach ihrer Gröûe und Dichte getrennt. Groûe Partikel, wie Zellkerne, setzen sich bereits bei niedrigen Geschwindigkeiten am oden des Zentrifugenröhrchens ab. Wird der Überstand dieser ersten Zentrifugation bei höherer Geschwindigkeit erneut zentrifugiert, sammeln sich Mitochondrien, Lysosomen und Peroxisomen im Niederschlag. ei noch höheren Geschwindigkeiten gewinnt man schlieûlich kleine Vesikel, Ribosomen und andere Makromolekülkomplexe. Durch Zugabe von löslichen Substanzen, wie z.. KCl oder Saccharose, zu den einzelnen Fraktionen kann deren Dichte erhöht werden. Wählt man dann eine geeignete Zentrifugationsgeschwindigkeit, können die einzelnen Fraktionen noch weiter aufgetrennt werden. Welche Zellorganellen in welcher Fraktion enthalten sind, wird mit Hilfe von Enzymtests bestimmt. Jedes Organell enthält ein charakteristisches Leitenzym, auf dessen Vorhandensein die Fraktionen untersucht werden. Enthält eine bestimmte Fraktion z.. eine hohe Katalaseaktivität, ist in dieser Fraktion eine hohe Anzahl von Peroxisomen enthalten. Weitere eispiele für Leitenzyme sind in Tabelle -2.1 aufgeführt. E k lin i k. Leitenzyme spielen auch in der medizinischen Diagnostik eine wichtige Rolle. So kann das Vorhandensein bestimmter Enzyme im lut Aufschluss über die Schwere eines Leberschadens geben. ei einem leichten Leberschaden steigt im Serum zuerst die Aktivität der ã-gt ã-glutaryltransferase) und der ALT Alanin-Aminotransferase), zweier Enzyme aus dem Zytosol der Hepatozyten. ei schwereren Leberschäden steigt auch die Aktivität der AST Aspartat-Aminotransferase) an, da diese sich sowohl im Zytosol als auch in den Mitochondrien befindet. ei schwersten Leberschäden findet sich auch GLDH Glutamat-Dehydrogenase) im Serum. Dieses Enzym ist rein mitochondrial und deutet deshalb auf stark zerstörte Hepatozyten hin. F k lin i k
330 2 Aufbau biologischer Membranen -2.1-2.1 Leitenzyme verschiedener Zellorganellen Zellorganell Zellkern endoplasmatisches Retikulum Golgi-Apparat Peroxisomen Lysosomen Mitochondrien Leitenzym DNA-Polymerasen Proteindisulfid-Isomerase PDI) spezifische Glykosyltransferasen Katalase saure Phosphatase Cytochrom-c-Oxidase