Zellbiologie - Kapitel 1 (PDF)

Notizen KAPITEL 1 Zellbiologie Deniz Tafrali, Paul Windisch 1.1 Einführung 1l-5tichwort ie menschlIche LE DEFINITI NDie „Zelle“ ist e...

Notizen KAPITEL 1 Zellbiologie Deniz Tafrali, Paul Windisch 1.1 Einführung 1l-5tichwort ie menschlIche LE DEFINITI NDie „Zelle“ ist eine kleine, dreidimensionale Struktur, die auch Grundbaustein der Lebewe- sen genannt wird. Sie ist lebendig und mit einer wässrigen Flüssigkeit voll (bio-)chemischer Stoffe befüllt, die von einer dynamisch-beweglichen Hü Die kleinste Einheit des Leben So werden Zellen heutzutage von verschiedenen Lehrbüchern beschrieben. Und das nicht zu Unrecht: Alle uns bekannten Lebensformen bestchen im Grunde aus ihnen. Begonnen von den kleinsten einzelli- gen Blaualgen, bis hin zu vielzelligen Tieren wie dem Blauwal. Man darf sich von dem Begriff „Einheit" jedoch nicht irritieren lassen: Zellen sind nämlich besonders in ihrer Form und Funktion alles andere als einheitlich (> Abb. LI). Die Körperzellen von hochentwickelten Organismen wie dem Menschen sind sogar, bis auf wenige Ausnahmen, höchst spezialisiert. Epithelzel Eizelle (stal pithelz ll rpelzelle ervenzelle ispiele für die Differenzierung menschlicher Z Und doch haben alle Zellen bestimmte, elementare Grundbausteine, die (fast) allen gleich sind: die Zell- organellen. Um das "Thema Zelle ganzheitlich zu verstehen, werden wir uns zunächst allgemein mit dem Aufbau und der Funktion der Zelle befassen, um danach die Zellorganellen in den nachfolgenden Kapi- n genauer zu untersuchen. Zunăchst einmal jedoch eine (sehr) grobe Unterteilung der Zellen in zwei Sparten: Es gibt die Prokaryo— en (auch Prokaryozyten oder Prozyten) und die Eukaryoten (auch Eukary zyten oder Euzyten) (>Abb. 1.2). 60-TAGE-LERNPLAN Prokaryonten besitzen keinen Zellkern und sind im Allgemeinen simpler aufgebaut als Eukaryonten. Die wichtigsten Vertreter der Prokaryonten sind die Bakterien. Eukaryonten besitzen einen Zelkern. Zu den Eukaryonten zählen unter anderem die mehrzelligen Organ (wie Tiere und Pflanzen) sowie die Pilze.  1 ZELLBIULUGI N0te Zellwand Bakterienchromosom B Kterienze (Nukleoid) 8 8 " 8 aO0 e 88 B 8 8 C 88 Zellmembran Zyłoplasma mit Plasmid (Ort der Zellatmung) zahlreichen Ribsomen Mitochondrium Zellmembran (Ort der Zellatmung) Euzyte Kernhulle Zytoso glalles Taues endoplasmatisches aop Retikulum (Ribosomen) otikul U 1C Abb. 1.2 Bakterienzelle und eukaryontische Zelle im Vergleich. (GI57) MedAT-GEHEIMTIPP Da seit dem MedAT 2015 das Thema Prokanyoten aus der Stichwonliste getikhe in der Jahren 2016 und 20v7 such keine einzige Frage mehrzu diesem Thema im BNS gestelt wej konzentrieren wir uns in diesem Arbeitsbuch lediglich auf die eukaryotische Zel Schon einmal geprlft: Bid einer Zelle mit zu benennenden Zellorganellen. Außerdem: Was ist die keinse teilungsfähige Einheit des Lebens? Was macht nun eine eukaryotische Zelle aus? (>Abb. 1.3) Sie stellt einen durch eine Zellmembran begrenzten dreidimensionalen Raum dar, in welchem Stoi chsel hetriehen wird. Dieser Raum ist nicht etwa leer, sondern mit einer wässrigen Lösung befilt, d 1Zytosol nennt. Das mag zwar so klingen, als wären Zellen mikroskopisch kleine Waserballe doch ist dem nicht so. Ihre Struktur und Stabilität bekommen sie von einem Stützgerüst namens Zto skelett, welches aus mehreren dichten Proteinnetzen mit verschiedenen Grundbausteinen besteht, d eilweise fest, teilweise locker mit den Zellorganellen und der Zellmembran verwachsen sind. Ausšänóao des Zytoskeletts, die über die Zellmembran Kinozilien, Geißeln oder Mikrovilli bilden, vergróße e Zer Mitochondriu Zell- — I PeroXIS0 7ute Taues ER glattes ER -— Z llKern - olgi-Apparat Nlucle0l 1e || Rib0S0ITI Ii Abb. 1.3 Die Eukaryontenzelle (in zweidimensionaler Darstellung). (L253)  R LLLNRIV (INUULEU ) 0 2en nerseits die Zelloberfläche, andererseits befahigen sie die Zelle dazu, verschiedenste Bewegungen durch- führen zu können. Eukaryotische Zellen besitzen außerdem einen Zellkern, welcher den Großteil der Erbinformation des Organismus, auch DNA genannt, beinhaltet. Der Rest der DNA ist in den sogenann- ten Mitochondrien zu finden, welche als „Kraftwerke der Zelle" die notwendige Energie für den Stoff- schsel liefern. Eng gekoppelt mit der Produktion von Stoffen und dem Organisieren der produzierten Stoffe sind das endoplasmatische Retikulum (ER) und der Golgi-Apparat. Da die produzierten Stoffe aber auch irgendwann abgebaut werden müssen, verfügt die Zelle über eine „Müllabfuhr"; den Lysos0- Proteasomen und Peroxisomen. Man kann also sagen, dass die Zelle die Summe ihrer Bestandteile ist. Die allgemeinen Funktionen den Zellen ergeben sich aus dem Zusammenspiel der spezifschen Funktionen der einzelnen Zellorganellen Die nennenswertesten dieser allgemeinen Funktionen, die die Zelle gleichzeitig auch „lebendig" machen (>Abb. 14), nennen wir die Grundeigenschaften des Lebens (> Kap. 73). Die wichtigste Fahigkeit der Zelle ist es, sich im Rahmen des Zellzyklus durch die Zellteilung zu reproduzie- ren. Des Weiteren ist sie fähig, Stoffwechsel zu betreiben und dadurch Energie und Proteine nicht nur für sich selbst, sondemn auch für andere Zellen bereitzustellen. Eine weitere elementare Fähigkeit von Zellen ist es, Reize wahrnehmen zu können und diese gegebenenfalls auch weiterzuverarbeiten. Das augenscheinlichst Charakteristikum ist es, sich bewegen zu können. Außerdem sind Zellen strukturiert, können sich ent- ickeln und wachsen und ebenso durch Zellnekrose und Apoptose (> Kap. 1.61, > Kap. 1.7) untergehen tot Alorkmale von a ▇ Erregbarkeit / Kon Abb. 14 Die Kennzeichen des Lebens. [L190) DEFINITION Der Begriff Stoffwechsel (oder auch Metabolismus) beschreibt die Gesamtheit der chemische gänge in der Zelle. Der Zweck des Stoffwechsels ist der Aufbau und die Erhaltung der Zellsubstanz sowie die Bereitstellung von Energie fürenergieverbrauchende Prozesse wie z. B. die Kontraktion von Muskelzellen. Zu berücksichtigen ist aber, dass nicht jede Zelle über oben beschriebene Eigenschaften verfügt. Es ist al les eine Frage der Spezialisierung und der daraus resultierenden Konstellation der Zellorganellen. Eine abile Knochenzelle muss sich zum Beispiel nicht bewegen, wohingegen Fresszellen des Immunsyste das sehr wohl müss STÄNDNIS* Um sich unbekannte Begriffe herzuleiten, ist es hilfreich, sich ein paar Wortbestandtelle einzuprägen, die einem immer wieder begegnen werden: „Pro“ bedeutet so viel wie „vor“. Alles mit „kary“ hat etwas mit dem Zellkern zu tun und „zyto"“ sagt uns, dass es um Zellen geht. „Prokary zyten“ sind folglich Zellen, die „vor einem Kem" sind, sprich keinen Kem karyonten sind passenderweise in der Evolution auch vor den Eukaryor 1.2 Der Zellkern (Nucleus) DEFINITIONEN DNA steht für deoxyribonucleic acid. DNS ist Deutsch für Desoxyribonukleinsäure. Proteine (Eiweiße) sind aus unterschiedlichen Aminosäuren bestehende biologische Makromoleküle, dere Zusammensetzung von den Genen der DNA bestimmt wird. ehr dazu im > Kap. 6.2. Jeder Zellkern, oder auch Nucleus, beinhaltet ein Biomolekül von immenser Bedeutung: die DNA. In je- dem DNA-Molekūl ist die gesamte Erbinformation des kompletten Organismus verpackt. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass eine derart wichtige Struktur einen besonderen Schutz durch den Zelkern ge- nießtcund un nicht wie bei Prokaryoten frei im Zytoplasma herumschwimmt. Der Nucleus selbst besteht  ZELLBIOLOGIE Notizen IIuKI ae Kernmemdran 1omatin a rmmembran Euc matin M rieL matisches Retikulum |1253) entr Dopelnembnn (ako zwi Phophlipidappdshichea), ie de saaate Kj (aaleg uun Zy plama) smshliet. Dar isnden Menbsean lieg von inea die Keniaminag iadkere Duppeimemhan gehe mbios in dis eændepiamtische Retkuisn iherhs- Abh 15 aks, plsta tntabstehen, sith unte wird Ebiniormtin in FomChromatin Chromatin genanut. wa Ghromeomen Die Ssehaam,für diasder ist der Sammelbegrif e DMAto, Proteine, die mit ihr assoziiert sind. 60-TAGE-LERNPLAN Es gibt zwei Formen von Chromatin: Euchromatin und Heterochromatin. Das Heterochromatin ist im Zelken verpackt wie Smartphone-Kopfhörer in der Hosentasche: unordentich miteinander verfochten und dicht beieinander. Soll die DNA in bestimmten Bereichen abgelesen werden, muss man das Chromatin dort entwirren. Diese Bereiche nennt man dann Euchro Natürlich muss es auch die Möglichkeit geben, das Stoffe vom Zytoplasma in den Kem gelangn ui pngekehrt. Dafür giht es einescis Kermporen, anderenseis auch Proteinkomplexe, die Importine g rden, um größere Moleküle wie etwa Histone, mit denen wir uns noch befasen werden, in de zu schleno MedAT-GEHEIMTIPP Mögliche Frage, da Altfrage: Welche Zellen haben keinen Zellkerm? (Die richtige Antwort lautet: Rote Blutkörperchen und Thrombozyten, > Kap. 4.3.4). Außerdem wurde schon einn ach dem Glykokalyx gefragt 1,2.1 Nucleolus Wenn man gefärbte Zellen durchs Lichtmikroskop beobachtet, fällt einem im Zelkern eine Struktur aí, die vergleichsweise auffällig angefärbt ist. Die gefärbte Struktur wird Kernkörperchen oder Nucledlus genannt. Der Nucleolus besteht aus speziellen Abschnitten von fünf Chromosomen und stellt die rRNA der R:hacoman har 1GE-LERNPLAN Die besagten Abschnitte heißen Nucleolus Organizer Regions (NOR) und sind auí Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 vorzufinden. Man nennt sie auch die akrozentrischen Chromoso Con des Zellkerns ist es also, eine Barriere zwischen der DNA und dem Zytoplasma zu schalf um dadurch die wichtigen Informationen des Erbguts zu schütze Hier findet auch der erste Schritt der Proteinbiosynthese statt. Man nennt ihn Transkription. Dabri zd aus DNA, mRNA gemacht, welche entweder aus dem Zelkern über die Kernporen zu den Ribor des rauen endoplasmatischen Retikulums (rER) oder zu denen des Zytoplasmas gelangt. Jetite giht die räumliche Nähe zwischen dem Zelkerm und dem tER auch Sinn. Der zweite Schritt wind Irr lation genannt und spielt sich an besagten Ribosomen ab. Dabei wird die mRNA in ein Protein überscti  1.3 DAS ENDOPLASMATISCHE RET KULUM UND DIE RIB0sOMEN lotizen 1.3 Das endoplasmatische Retikulum und die Ribosomen 1.3.1 Endoplasmatisches Retikulum (ER) Die Ubersetzung der mRNA in ein Protein ist zwar der Löwenanteil der Aufgaben des endoplasmatischen Retikulums. Jedoch gibt es eine Vielzahl weiterer Prozesse, die in unseren Zellen ablaufen für die das ER zuständig ist. Will man zum Beispiel Substrate für Reaktionen in einer Zelle in hohen Konzentration reichern, wäre es doch praktisch, wenn man die Reaktionen räumlich voneinander trennen könnte. i ER als Membransystem, welches große Teile der Zelle netzartig durchzieht und dabei Kanäle bildet, ist dafür wie geschaffen. Um die Aufgabenbereiche dieses komplexen Organells zu verstehen elektronenmikroskopisch rau (rough) aussehende und daher mit Ribosomen besetzte ER (rER) und in das glatte (smooth) ER ohne Ribosomen (sER)(>Abb. 1.6). Glattes und raues ER haben also jeweils unterschiedliche Aufgaben. Dabei ist interessant, dass das glatte ER durch Anlagerung von Ribosomen zu rauem ER werden kann und umgekehrt. Ubrigens ist das ER uch sonst sehr dynamisch. Verarbeitete Stoffe werden in Form von Vesikeln, also mobilen Membra bläschen, abgeschnürt und zur Weiterverarbeitung zum Golgi-Apparat gesendet, oder direkt aus der Zelle sezerniert. Andere Stoffe werden importiert und die Membranen bilden permanent neue Lumina Glattes ER: Hier ist Faktenwissen gefragt! Die wichtigsten Funktionen des glatten ER sind: Lipidsynthese: Dazu zähit einerseits die Synthese von Phospholipiden (die in jeder biologischen Membran gebraucht werden), andererseits auch die Synthese von Steroidhormonen wie Testo on und Östrogen. Entsprechend verfügen Gewebe, deren Zellen viele Steroidhormone produz (Hoden, Eierstöcke, Nebennierenrinde etc.) über vergleichsweise große Mengen an glattem ER Calciumspeicher: Diese Funktion ist vor allem in Muskelzellen wichtig (dort wird das endoplas— tisches Retikulum genannt). Soll eine Kontraktion ausgelöst werden, strömen Calcium-lonen ins Zytosol (=Zytoplasma), was über verschiedene Mechanismen zur Kontraktion führt. Biotransformation: Die Biotransformation ist eigentlich eine Domäne der Biochemie. Grob gesagt geht es darum, lipophile bzw. hydrophobe Stoffe wie bestimmte Medikamente durch chemische Reaktionen in eine hydrophile bzw. lipophobe Form zu bringen, um sie dann über die Niere oder Galle ausscheiden zu können (> Kap. 4.2 und > Kap. 49). Kohlenhydratspeicher a U e DT Das raue ER synthetisiert mithilfe seiner Ribosomen im Rahmen der Translation aus der mRNa Proteine (> Abb. 1.7, SRP = signal recognition particle, GDP (GTP) = Guonosindi-(tri-)phosphat). Nach der Translation können im ER auch sogenannte posttranslationale Modifikationen durch- geführt werden -G H IMIIPPBISner aremal gepruI (IeIZtes Iial 2U22); Wa5 SIm glattes ER Kernporen ernhülle raues ER ER-Lumen ER-Zistern Abb, 1.6 Endoplasmatis Notizen | Z LLDIULU l 60" TAG L RI Glattes ER: der Leber übt das glatte Dieses In(Glucose-6-phosphatase), eine weitere wichtige runktonl aus: In seiner Membran e ER nochspalt on agspen von Guseésghosghstah iDed n sltzt ein Piee, weeaelcruose esi ▇ beisr ade Zee ▇ M , Rutsni onslgetryiNodiAtomen s AehikóeendeGhhasl enngaionen(Disulfdbriücken) wg dsPoi eaa ba Raues ER: Peatenndai doppelten Schwefel rewnabdei in die mAminosäuresequenz nsoesendss Pneshdder des Proteins das t ser wecnmsamios, Sptbes witupmm swhis Seker, Proteinbiosynthese durch Ribosomen. 1,3.2 Ribosomen bosm snduoti Ridebakromoi eküie, die dine Aufe gmddner he hiaben,peimRNAea inateBi Protein,e daz über sbnsetsetnzadanen. SiKSA(asAly e besthan a dekaet sthehei e n,edesi dsti nnur t itm n I nusnnehaemn, puasna Man w en wedéta ea Ar o t i neshsa n smksi bei Untereinheit. Beide Untereinheiten zusammen bilden dann das 80S-Ribosom. n n ert et wnka (09) wl wi prila pi SZne l, MedAT-GEHEIMTIPP MedAT-Altfrage: Was ist die Aufgabe der Ribosom In Prokaryonten und Mitochondrien finden sich hingegen 70S-Ribo iese bestehen aus é dieSe * kleinen (30S) und einer großen (50S) Untereinheit. (AGELERNPLAN DlWasese hates mentavnsconstante. mit tbeidemder„"auf Grtnvon8e isgroßer sich? oDasn einSesstehtTeicflhens ir Svedberg, htig,diMete Eiknt teuh, eit derdash Se die Sedimentationskonstanten gesamten Ribosoms addieren (40 + 60 undZenti fugati kleiner Untereinheit nicht zur wiSedimentationsko Denkt in 20er-Schritten! Ribosomen von Eukaryonten: 40, 60, 80 Fürdie Ribosomen von Prokaryonten und Mitochondrien: 30, 50, 70 Örtictihlen.kannDiesemanAufteéidie lRiungbosomen in die zytoplasmatischen Ribosomen und die Ribosomen des i ist für die Produktion von unterschiedlichen Proteinen wichtig Dine),e 1Ge-LERPLAN fERZwisyntheti bosomen desProteine, Rilysosomale schen den beiden Formen der Ribosomen besteht eine klare Aufgabentellung die insdas ierenLysosom Proteine,transportiert Zelle sezemiert werden (sekretorische Prute die aus der werder kte der Zelle zu ver. dauen, und Membranproteine, die in die Zellmembran eingebaut werden (> Abb. 1.7). Die Ribosomen des Zytosols (= flüssiger Teil des Zytoplasmas) stellen Proteine her, die letztich im Zyto sol bleiben. Zyto SRP. |1 Abb. 1.7 Proteinsynthese am rER. [L253)  4 ER▇ Jotizen Kurz zur Translation im Rahmen der Proteinbiosynthese: Ribosomen müssen wissen, in welcher Reihern folge sie Aminosšäiuren zu einem Protein zusammensetzen sollen. Dafür gibt es in unserer Zelle die schon thnten mRNAs aus dem Zellkern, die gewissermaßen das „Kochrezept" darstellen. An einer mRNA beide Untereinheiten des Ribosoms zusammen und die Translation, also die Synthese des lagernseins,sichbeginnt. Aber was passiert, nachdem das Protein am ER fertig synthetisiert wurde? 1.4 Der Golgi-Apparat Proteine, die am rauen ER produziert wurden, gelangen zum Golgi-Apparat. Von dort werden sie zum Ort ihrer Bestimmung transportiert, weshalb der Golgi-Apparat gelegentlich als Paketzentrum der Zelle bezeichnet wird. Dieser Titel wird jedoch den vielfáltigen Aufgaben des Golgi-Apparates nicht gan gerecht, denn hier finden unter anderem auch noch weitere posttranslationale Modifika Doch zunächst ein paar Fakten zur Struktur: Der Golgi-Apparat besteht, ähnlich wie das ER, aus Mem- branen, die Hohlräume (sogenannte Zisternen) bilden. Diese Hohlräume organisieren sich zu Stapeln, die man Diktyosomen nennt. Eine Seite des Golgi-Apparats ist dem rauen ER zugewandt, von dem es Vesikel mit frisch synthetisierten und modifizierten Proteinen empfängt. Diese Seite bezeichnet man als cis-Golgi-Netzwerk. Auf der anderen Seite des Golgi-Apparats werden die verarbeiteten Proteine in Ve. sikeln abgeschnürt und weitertransportiert. Man spricht vom trans-Golgi-Netzwerk (> Abb. 1.8). Was passiert nun im Golgi-Apparat? Grundsätzlich kann man sagen, dass Proteine hier weiter modifiziert werden. Die Modifikationen kön nen etwa für die Funktion des Proteins wichtig sein, aber auch deutlich machen, wohin es im weiteren Verlauf transportiert werden muss. Ihr solltet euch die wichtigsten Modifikationen, zu denen der Golgi- Glykosylierung: Wie das raue ER auch kann der Golgi-Apparat Zucker (Glukose) an Proteine anbän gen. Markierung von Proteinen für den Transport in Lysosomen Die Markierung der Proteine, die in das Lysosomen transportiert werden sollen, findet auch mittels eines Zuckers statt. Diesmal ist es je- doch Mannose statt Gluu Abspaltung von Peptidketten aus dem Protein Als Peptid bezeichnet man Aminosäureketten, die aus 100 oder weniger Aminosäuren bestehen. Alles darüber nennt man Protein. Sulfatierungen Damit ist das Anhängen von Sulfat-lonen mit der Summenformel S0/ gemeint. Phosphorylierungen Damit ist das Anhängen von Phosphat-lonen mit der Summenformel PO, ge- meint MedAT-GEHEIMTIPP Es wurde auch schon zweimal eine unspezifische Frage zu einer Aufgabe des Golgi. Apparats gestellt. Die richtige Antwort lautet: Die Herstellung von Lys Zel End t I I o—0- CIS-G0LG - Trans-GOLGI Al t VetZwerk para Abb. 1.8 Der Golgi-Apparat. |L253)  1 ZELLBIOLOGIE der nph eAasedkedeneskannte VtaieeerdeseesenEnerpe kpudkensnekantbaben hund wve ia hen Abhaf Energe Wie wied sie produiert und wie sieht sie überhaupt eng 1.5 Das Mitochondrium