Zusammenfassung Wehner-Gehring, 22. Auflage

Die einfachsten heute lebenden Zellen sind sog. Mycoplasmen: bakterienähnliche Lebewesen mit nur 0,2 mm Durchmesser, wahrscheinlich recht primitiv und mit die kleinsten Lebewesen überhaupt. Sie sind von einer Zellmembran aus Lipiden und Proteinen umhüllt, die das bei diesen Organismen noch wenig strukturierte Cytoplasma umschließt, das zahlreiche Ribosomen enthält. Mycoplasma-Erbgut besteht aus DNA und codiert für etwa 750 Proteine, das ist zehmal weniger genetische Information als in den meisten Bakterien. In den primitivsten Urzellen war aber wahrscheinlich RNA als ursprünglichste Form der Erbsubstanz vorhanden, weil diese gewisse enzymatische Funktionen übernehmen kann.
RNA tritt auch als Erbgut in verschiedenen Viren (s. dort) auf; dort codiert sie für bis zu einige hundert Proteine.
Die Organismen lassen sich aufgrund ihrer Eigenschaften in die Hauptkategorien Prokaryoten (ohne echten Zellkern) und Eukaryoten (mit Zellkern = Karyon) einteilen; Unterschiede siehe Tabelle 1, Ansicht Abb. 1.

Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, daß Mitochondrien ursprünglich aerobe Bakterien waren, die in die eukaryotische Zelle integriert wurden ("Endosymbionten-Theorie"), z.B., daß die Mitochondrien über eigene DNA verfügen sowie über eine "Maschinerie" zur Proteinsynthese.

Die Zellvermehrung beruht auf einer Verdoppeltung des Genoms mit anschließender Zellteilung. Bei Prokaryoten ist die DNA der Zellwand angeheftet. Vor der Zellteilung verdoppeln sich Genom und Anheftungsstelle, und die beiden Tochtergenome werden durch Membranwachstum und Bildung einer Trennwand zwischen den Tochterzellen getrennt. Bei Eukaryoten ist das Genom von einer doppelten Kernmembran umgeben. Hier geht eine Kernteilung (Mitose) der Zellteilung voraus. Bei bestimmten einzelligen Eukaryoten ist das Genom an die Kernmembran angeheftet und diese bleibt während der Mitose intakt (vgl. Abb. 3.1). Bei höheren Eukaryoten löst sich dagegen die Kernmembran während der Mitose auf (Abb. 1.15) und bildet sich anschließend neu.

1.2 Die Zellmembran

1.2.1 Membranstruktur

Biologische Membranen wirken als selektive Barrieren, die einen gerichteten Stoff-, Energie- und Informationsaustausch zwischen Zelle und Umwelt sowie zwischen bestimmten Kompartimenten innerhalb der Zelle ermöglichen. Der Prinzipielle Aufbau aller biologischen Membranen besteht aus einer Doppellipidschicht, in die Membranproteine eingebaut sind (vgl. Abb. 1.2).

Die Lipide der Zellmembran sind amphiphil, d.h. sie bestehen aus einem hydrophilen ("wasserliebenden") Kopf aus Phosphat und einem lipophilen ("fettliebenden") (Doppel-)Schwanz aus Fettsäure. Diese Phospholipide bilden in wässriger Umgebung entweder kugelförmige Micellen (hydrophile Köpfe außen, lipophile Schwänze innen) oder Doppelschichten (auch hier die hydrophile Seite an der Membranoberfläche).
Natürliche Lipiddoppelschichten sind asymmetrisch oder polarisiert; diese Polarisation übernimmt vor allem bei Nervenzellen eine wichtige Funktion.
Die wichtigsten Funktionen der Membranen werden von Membranproteinen übernommen, die in der Lipiddoppelschicht gleichsam gelöst sind. Der lipophile Anteil durchspannt bei den integralen Membranproteinen die Lipiddoppelschicht (Dicke ca. 5 nm) in Form einer a-Helix ein- oder mehrfach; polare Teile des Proteins liegen auf der cytoplasmatischen bzw. extrazellulären Seite der Doppelschicht. Ca. 20 Aminosäuren in helikaler Anordnung durchspannen die Lipiddoppelschicht. Meist sind die Membranproteine Glycoproteine mit Seitenketten aus Zuckern; hydrophile Zuckerresste liegen dabei stets auf der extrazelluären Seite (daher die Asymmetrie!). Außerdem gibt es auch membranassoziierte Proteine, die in der Membran mittels Fettsäureresten in der Lipidschicht verankert sind. Membranassoziierte Glycoproteine, die sog. Glycokalix, könnne auf der extrazellulären Seite an integrale Membranproteine binden. Auf cytoplasmatischer Seite können integrale Membranproteine an Ankerproteine binden. Wie die Lipidmoleküle könnnen auch die Proteine lateral in der Membranebene diffundieren, doch mit wesentlich geringerer Diffusionsgeschwindigkeit. Auch bei den Proteinen erfolgt kein Flip-Flop.

Bestimmte Membranproteine binden an die sog. extrazelluläre Matrix und tragen damit zur Adhäsion der Zelle an das umgebende Substrat bei, andere sind am Cytoskelett im Inneren der Zelle verankert.
Außer Lipiden und Proteinen enthält die Zellmembran auch Glycolipide (Verbindungen aus Lipiden und Zuckern), die stets in der äußeren Lipidschicht lokalisiert sind. Auf der Außenseite der Zellmembran sind außerdem Glycoproteine und Polysaccharide adsorbiert und bilden die Glycocalix.

1.2.2 Membrantransport

Die Zellmembran als selektive Barriere dient der Aufrechterhaltung des intrazellulären Millieus und ermöglichen einen gerichteten Austausch von Ionen, niedermolekularen Stoffen und Makromolekülen. Das Innen- und Außenmillieu ist sehr unterschiedlich zusammengesetzt, z.B. in Bezug auf die Ionenkonzentration; meist haben tierische Zellen eine höhere innere [K+]-und eine hohe [Na+]-Konzentration, was zu einem elektrochemischen Gradienten führt. Das resultierende Membranpotential liegt zwischen -20 und -200 mV (gemessen innen gegen außen).
Lpiddoppelschichten sind für lipophile und kleine ungeladene, aber polare Moleküle wie Wasser, CO₂ und Harnstoff permeabel, für größere polare Moleküle wie Glucose und für Ionen jedoch undurchlässig. Daher existieren spezielle Ionentransportmechanismen. Dabei unterscheidet man passiven (entlang des Konzentrationsgefälles) und aktiven Transport (entgegen dem Gradienten); der passive geschieht über Ionenkanäle (aus integralen Membranproteinen, verschließbar), der aktive über Ionenpumpen (integrale Membranproteine; unter Energieverbrauch und reversibler Phosphorylierung der Proteine durch ATP Konformationsänderung der Moleküle, dadurch Punpfunktion), der Transport von niedermolekularen Stoffen (z.B. Glucose) ist mit dem Ionentransport gekoppelt und erfolgt am gleichen Trägerprotein.

1.2.3 Endo- und Exocytose

Hierbei spielen Membranfusionsprozesse eine wichtige Rolle. Das Schaubild zeigt den Verlauf von Endo- und Exocytose: Bei der Endocytose bildet sich zunächst eine Einbuchtung der Membran. Dann binden Teile des äußeren Blattes der Lipiddoppelschicht aneinander, und anschließend schnürt sich ein Vesikel ab, wobei die Membranen fusionieren, die das Vesikel umhüllen. Die Polarität der Membran bleibt hier erhalten: Die gegen das Cytoplasma gerichtete Schicht bleibt auf der Cytoplasmatischen Seite. Bei der Exocytose läuft der Vorgang umgekehrt ab, wobei der Ihalt des Vesikels nach außen abgegeben wird. Eine Modifikation der Exocytose, bei der das Bläschen nach außen abgeschnürt wird und von der Zellmembran eingeschlossen bleibt, ist die Knospung.
Der Mechanismus der Membranfusion ist von grundsätzlicher Bedeutung, da er bei jeder Zellteilung analog zur Knospung und jeder Zellfusion (z.B. bei der Befruchtung) analog zur Endocytose abläuft. Im Inneren der Zelle laufen diese Prozesse pausenlos ab, was einen Membranfluß zur Folge hat.

Rezeptorvermittelte Endocytose dient v.a. der Aufnahme und dem Transport von Proteinen, z.B. Insulin, oder von Dotterproteinen, die von der Leber über das Blut ins Ovar transportiert werden; auch andere Metaboliten (z.B. Cholesterol, Eisen) werden endocytiert, wenn sie an ein Trägerprotein gebunde sind (LDL bzw. Transferrin). Durch Pinocytose können gelöste Stoffe, durch Phagocytose auch feste Stoffe ins Zellinnere aufgenommen werden.

Exocytose dient der Sekretion von Makromolekülen. Sekretorische Vesikel können kontinuierlich oder erst auf ein Signal hin (z.B. Nervenimpuls, hormonales Signal) freigesetzt werden. Knospung gibt es z.B. bei der Milchsekretion: Fettröpfchen der Milch werden von den Milchdrüsen als Vesikel in die Milch abgegeben. Auch bestimmte Viren werden in der Zellmembran zusammengebaut und durch Knospung freigesetzt.

1.3 Inneres Membransystem

Die eukaryotischen Zellen sind durch innere Membranen in Kompartimente unterteilt. Dadurch erfolgt eine Vergrößerung der inneren Oberfläche und zu einer strukturellen und funktionellen Differenzierung der Membranen. Es gibt 7 Hauptkompartimente: Zellkern, Mitochondrien, Chloroplasten (doppelte Membran), Endoplasmatisches Reticulum (ER), Golgi-Apparat, Lysosomen, Endosomen (einfache Membran; stehen direkt oder über Membranvesikel in Verbindung).

1.3.1 Endoplasmatisches Reticulum und Ribosomen

Das ER hat eine ca. 25x größere Oberfläche als die Plasmamembran. Es bildet ein Netz von Cisternen und Kanälen (mit einfacher Membran). Die ER-Membran geht kontinuierlich in die äußere Kernmembran über (vgl. Abb. 1.1); eine direkte Verbindung zwischen ER und Golgi-Apparat besteht aber scheinbar nicht, so daß der Transport von Membrankomponenten und Sekreten zwischen beiden über Membranvesikel ablaufen muß.
Das ER synthetisiert Membranen. Der Membranfluß läuft vom ER zur Kernmembran und über Vesikel zum Golgi-Apparat, wo er in Richtung Plasmamembran und sekretorische Vesikel oder in Richtung Lysosomen geleitet wird (vgl. Abb. 1.3). Auch Phosphatidylcholin und -ethanolamin werden hier synthetisiert; deren Transport findet aber mit Hilfe von Transportproteinen durch das Cytosol statt.

Der proteinsynthetsierende Teil des ER ("rauhes ER") ist mit Robosomen besetzt, die stets auf der Außenseite (cytoplasmatische Seite) des ER. Das rauhe ER geht direkt in das glatte ER über, kann aber von diesem durch Zellfraktionierungsverfahren abgetrennt werden. Infolge der höheren Dichte der RNA-Moleküle in den Ribosomen können die (bei Zellfraktionierung entstehenden) rauhen Mikrosomen auch von den glatten Mikrosomen getrennt werden. Das rauhe ER unterscheidet sich vom glatten z.B. durch die Proteinsynthese, die an den Ribosomenpartikeln abläuft (vgl. Kap. 2). Membrangebundene Ribosomen synthetisieren v.a. die Proteine und Glykoproteine der Membranen des ER selbst, des Golgi-Apparats, der Lysosomen und der Plasmamembran sowie Sekretproteine, die aus der Zelle ausgeschieden werden, sowie Proteine der extrazellulären Matrix. Freie Ribosomen synthetisieren dagegen die löslichen Proteine des Cytosols, membranassoziierte Proteine, die auf der cytoplasmatischen Seite an die Membran gebunden sind, Proteine der Peroxisomen, und die mitochondrialen Proteine, die von der DNA im Zellkern codiert werden. Alle Ribosomen werden im Cytosol mit mRNA als Matritze für die Synthese der entsprechenden Proteine dient, beladen.

Das Signal zur Bindung der Ribosomen an die Membran des ER ist im zu synthetisierenden Protein selbst enthalten (Signalpeptid), das häufig am Aminoterminus des Proteins lokalisiert ist und aus 16-30 Aminosäuren besteht. Dem reifen Protein fehlt es. Daher nennt man signaltragende Proteinvorläufer Präproteine (vgl. auch Abb. 1.4).

Die meisten der am ER synthetisierten Proteine werden glykcolysiert; diese Glycolisierung findet auf der Lumenseite des ER statt. Die Kohlenhydratseitenketten bestehen aus drei Zuckern: N-Acetylglucosamin, Mannose und Glucose, die an einen Asparaginrest gebunden sind. Dies kann durch den Inhibitor Tunicamycin gehemmt werden.
Das glatte ER ist v.a. auf den Fettstoffwechsel spezialisiert und in solchen Zellen (wie z.B. Leberzellen) stark entwickelt, die große Mengen Lipoproteine "exportieren". Außerdem übernimmt es die Detoxifikation in Bezug auf Medikamente, Drogen und toxische Stoffwechselprodukte; hierbei sind vor allem die am Cytochrom P 450 lokalisierten Enzyme wichtig. Im glatten ER findet auch die Synthese von Steroidhormonen statt (vom Cholesterol ausgehend).

1.3.2 Golgi-Apparat

Er liegt bei vielen Zelltypen in der Nähe des Zellkerns und des Centriols und besteht aus einem Stapel flacher oder scheibenförmiger Membrancisternen (vgl. Abb. 1.1 und 1.3), die mit zahlreichen Vesikeln assoziiert sind. Die dem ER zugewandte Seite ist die cis-Seite, die entferntere die trans-Seite; daran findet sich ein ausgeprägtes Netzwerk von Zisternen. Der Transport von Glycoproteinen vom ER über den Golgi-Apparat zu sekretorischen Vesikeln läßt sich in einem Pulse-Chase-Experiment nachweisen.

Der Transport vom ER zum Golgi-Apparat erfolgt wahrscheinlich über Vesikel, die sich vom ER abschnüren und mit dem cis-Golgi-Apparat fusionieren. Im Inneren werden die Oligosaccharidseitenketten der Glycoproteine modifiziert, d.h., bestimmte im ER addierte Zucker werden abgespalten und andere hinzugefügt. Es gibt zwei Klassen N-gekoppelter Oligosaccharide: Die mannosereichen Oligosaccharidseitenketten bestehen nur aus Mannose und N-Acetylglucosamin, während die komplexen Seitenketten zusätzlich Galactose, Sialinsäure und Fucose enthalten. Die Glycolysierung von Serin und Threonin findet auch im Golgi-Apparat statt. Nach der Modifikation stattgefunden hat, werden sie dort sortiert und entsprechend ihrem Bestimmungsort in Vesikeln zu verschiedenen Abschnitten der Plasmamembran oder zu Lysosomen weitergeleitet.

1.3.3 Lysosomen und Peroxisomen

Lysosomen sind von einer Membran umhüllte Vesikel, die eine Reihe saurer Hydrolasen (pH-Optimum 5) zur Spaltung von Proteinen, Nucleinsäuren, Kohlenhydraten, Fetten, Phospholipiden, Phosphat- und Sulfatestern enthalten. Ein spezielles Protein pumpt H+ in ihr Lumen zur Aufrechterhaltung des pH. Die Enzyme werden im rauhen ER synthetisiert, glykolysiert und anschließend im Golgi-Apparat an den Mannoseseitenketten phosphoryliert. Das entstehende Mannose-6-Phosphat dient als "Adresse" für die lysosomalen Enzyme, damit sie ins richtige Kompartiment transportiert werden, denn die Membran des Golgi-Apparats besitzt einen Rezeptor dafür. Vom Golgi-Apparat schnüren sich Vesikel mit lysosomalen Proteinen als primäre Lysosomen ab. An ihrem Bestimmungsort dissoziieren die Enzyme wegen des dort niedrigeren pH-Wertes von ihrem Rezeptor ab. Die von Lysosomen verdauten Substrate sind verschiedenartig: endocytotische Vesikel, Zellorganellen, phagocytierte Mikroorganismen. Die Autolyse der Zelle wird dadurch verhindert, daß die sauren Hydrolasen nicht frei im Cytosol, sondern in Vesikeln eingeschlossen sind.

Peroxisomen sind lysosomenähnliche Vesikel, die jedoch nicht im Golgi-Apparat gebildet werden. Sie enthalten Oxidasen, die Substrate (z.B. Aminosäuren, Purine, Milchsäure, Fettsäuren, usw.) oxidieren; dabei entsteht H₂O₂ (Name!). Die entstehenden Peroxide (starke Zellgifte) werden von der Katalase zu Wasser reduziert. Möglicherweise handelt es sich bei den Peroxisomen um autonome Zellorganellen, die ählich wie Mitochondrien durch Teilung aus ihresgleichen entstehen.

1.4 Das Cytoskelett

Pflanzenzellen besitzen eine formgebende Zellwand, tierische Zellen sind formveränderlich. Sowohl Form als auch Motilität werden durch das Cytoskelett aus Filamenten, die in der Zellmembran verankert sind, bestimmt. Es gibt drei Typen Filamente: Actinfilamente, Mikrotubuli (dienen der Motilität) und intermediäre Filamente (Stützfunktion).

1.4.1 Actinfilamente

Sie treten in allen Zellen auf und haben wichtige Aufgaben bei Bewegung, Zellteilung, Muskelkontraktion, Stützfunktion bei Mikrovilli. Sie liegen als sog. Streßfasern v.a. unter der Zelloberfläche und sind über andere Proteine (z.B. Vinculin) in der Zellmembran verankert. Bei der Zellteilung (Furchung) bildet sich ein kontraktiler Ring von Actinfilamenten, der sich unter dem Einfluß von Myosin kontrahiert und die beiden Tochterzellen voneinander abschnürt (Abb. 3.10). Actinfilamente sind dynamische Strukturen, sie entstehen laufend neu und werden wieder abgebaut. Dabei sind actinmodulierende Proteine beteiligt (Abb. 1.6).

Actin ist ein längliches, globuläres Protein einer Größe von 4 x 6,5 nm, das in monomerer Form als G-Actin (globuläres Actin) bezeichnet wird. Es bindet ein Molekül ATP und ein Ca2+-Ion und kann zu fädigem F-Actin (fädiges Actin) polymerisieren, wobei ATP hydrolysiert wird. F-Actin besteht aus 2 zu einer Helix verdrillten Strängen (Abb. 1.6). Die Polymerisation erfolgt "Kopf an Schwanz", dadurch sind die Stränge polarisiert und binden an den Enden verschiedene modulierende Proteine. Actin bildet im Muskel die dünnen Filamente, die dicken bestehen aus Myosin. Bei der Muskelkontraktion kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen Actin und Myosin, die dabei gegeneinander verschoben werden, ohne ihre Länge zu ändern (Modell der gleitenden Filamente).

1.4.2 Mikrotubuli

Mikrotubuli sind röhrenförmige Filamente des Cytoskeletts, zu finden in allen Eukaryoten. Sie bilden den Spindelapparat bei der Zellteilung. Sie sind für den intrazellulären Transport von Partikeln (z.B. in Nervenfasern) verantwortlich und bauen Cilien oder Flagellen auf. Diese haben den selben Bauplan ("9+2"-Aufbau; Abb. 8.9).
Die Mikrotubuli sind aus Tubulin aufgebaut, das aus einer a- und einer b-Einheit besteht und zu röhrenförmigen Filamenten polymerisieren kann. Dabei werden auch im polarisierten Zustand ständig Untereinheiten ausgetauscht: Die Assoziationsrate ist am (+)-Ende, die Dissoziationsrate am (-)-Ende größer. Eine Blockierung des (-)-Endes führt zu einer Verlängerung des Mikrotubulus, die des (+)-Endes zu einem Schrumpfen.
Mikrotubuli entstehen von Organisationszentren aus, die entweder als Basalkörper an der Basis der Cilie liegen oder als Centriolen im Zentrum der Zelle. Der Basalkörper besteht aus 9 dreifachen Mikrotubuli; die zentralen Tubuli fehlen. Vom Basalkörper aus erfolgt die Polymerisation zum Mikrotubulus in einem Selbstorganisationsprozeß. Die Centriolen bestehen aus zwei senkrecht aufeinanderstehenden Zylindern mit ca. 0,1 mm Durchmesser und 0,3 mm Länge, die sich strukturell kaum vom Basalkörper unterscheiden.
Die nur im EM-Bild sichtbaren Centriolen liegen in der Nähe des Zellkerns im Zentrum der Zelle im Bereich des Centrosoms. Dieses wirkt als Organisationszentrum von Mikrotubuli auch dann, wenn elektronenoptisch keine Centriolen nachweisbar sind (z.B. bei Zellen höherer Pflanzen).
Bei tierischen Gewebekulturen liegen die beiden Centriolen meist im Zentrum der Zelle. In der Verlängerung des einen Centriols liegt eine unbewegliche primäre Cilie nach "9+0"-Schema.
Auch für Tubulin sind polymerisationshemmende Inhibitoren gefunden worden, z.B. Colchicin (Alkaloid der Herbstzeitlose) und (synthetisches) Colcemid.

1.4.3 Intermediäre Filamente

1.5 Zellkontakte

Zwischen den Plasmamembranen benachbarter Zellen bestehen spezialisierte Kontakte (3 unterschiedliche Typen): Desmosomen (dienen der Adhäsion zwischen den Zellen), Verschlußkontakte (tight junctions; als Barriere gegen die Passage von Stoffen durch die schmalen Interzellulärspalten und gegen die freie Diffusion von Membranproteinen innerhalb der Membran), Kommunikationskontakte (gap junctions) und chemische Synapsen (zur Kommunikation der Zellen miteinander).
Desmosomen sind Membranspezialisationen, mit denen die Zellen aneinanderhaften. Sie bilden (z.B. in Darmepithelzellen) entweder einen Gürtel auf der apikalen Seite (gegen das Darmlumen) der Zelle oder scheibenförmige, druckknopfähnliche Plaques (vgl. Abb. 1.1, 1.7). Bei Plaquedesmosomen sind die aneinandergehefteten Zellmembranen außen durch einen Abstand von 30 nm getrennt, der mit filamentösem Material gefüllt ist. Auf der Membraninnenseite ist ein scheibenförmiger Plaque angelagert, an dem intermediäre Tonofilamente ansetzen. Gürteldesmosomen sind dagegen mit einem Bündel von Actinfilamenten assoziiert (Abb. 1.7), bei dessen Kontraktion sich die Zelle wie an einem Kragen zusammenzieht; das ist bei Formveränderungen der Zelle (z.B. beim Einrollen des Neuralrohrs in der Embryonalentwicklung) von großer Bedeutung.
Bei Verschlußkontakten (tight junctions) grenzen die Membranen benachbarter Zellen direkt aneinander und dichten beide Seiten einer Zellschicht gegeneinander ab (z.B. das Darmlumen gegen das Darmepithel; vgl. Abb. 1.1, 1.7), sodaß keine Stoffe zwischen den Zellen hindurch ins Innere des Körpers gelangen können; dadurch müssen Nahrungsaufnahme und Stofftransport in kontrollierter Weise geschehen. Verschlußkontakte verhindern außerdem auch die Diffusion von Membranproteinen innerhalb der Membran.
Kommunikationskontakte (gap junctions) ermöglichen Kommunikation zwischen den Zellen und bestehen aus Connexin, einem Protein, das in der Membran hexagonale Hohlzylinder (Connexone) bildet (Abb. 1.7). Der entstehende Kanal (Æ ca. 2 nm) ist wahrscheinlich verschließbar. Durch ihn können kleine Moleküle (bis 1500 D Molekulargewicht) passieren. So können Zellen chemische Signale, z.B. cAMP u.a. Botenstoffe austauschen; auch Ionen können ausgetauscht werden, wodurch elektrischer Kontakt zwischen den Zellen hergestellt wird (elektrische Synapsen bei Nervenzellen).

1.6 Extrazelluläre Matrix

Extrazelluläre Matrix ist die Grundsubstanz, in die tierische Zellen eingebettet sind. Sie bildet nicht nur Unterlage (Basallamina) für Zellepithelien oder einen "Klebstoff", der die Zellen zusammenhält, sondern auch spezialisierte Strukturen wie Sehnen, Knorpel, Knochen und Zähne.
Sie besteht hauptsächlich aus Proteinen (Kollagen, Elastin, Fribronectin, Laminin), die in ein wasserreiches Gel aus Polysacchariden (z.B. Hyaluronsäure: unverzweigte Kette mehrer tausend Zuckermoleküle aus alternierend verbundener N-Acetylglucosmain- und Glucurnsäuremoleküle) und Proteoglycanen (Serin-reiche Polypeptidketten mit Glycosaminoglycan-Seitenketten) eingebettet sind.
Kollagene stellen den größten Anteil der extrazellulären Matrixprotein (bei Säugern ca. 25%); es gibt mindestens 12 unterschiedliche Kollagentypen (von verschiedenen Genen codiert), deren Synthese im rauhen ER erfolgt, wo zunächst eine Pro-a-Proteinkette mit einem Signalpeptid synthetisiert wird, die aufgrund ihres Prolingehalts eine leicht gewundene Schraubenstruktur hat. Je 3 a-Ketten bilden eine über Disulfidbrücken verknüpfte Tripelhelix, die in den Extrazellulärraum sezerniert wird. Dort spalten spezielle Proteasen die nichthelicalen Strukturen ab, was eine Polymerisation zu Kollagenfasern ermöglicht.
Elastin bestimmt wesentlich die Elastizität der extrazellulären Matrix und ist ein Protein, das ebenfalls Kreuzvernetzung, aber Knäuelstruktur aufweist; daher zieht es sich nach Streckung wieder zusammen.
Extrazelluläre Matrixproteine sind daneben auch für Zelladhäsion, Zellwanderung und Differenzierung bedeutsam. Fibronectin ist ein faserbildendes Glycoprotein aus zwei ähnlichen Untereinheiten (250 kD), die durch Disulfidbrücken verbunden sind. Es kann durch partielle Proteaseverdauung in verschiedene Domänen gespalten werden, die spezifisch an andere Komponenten der Extrazellulärmatrix binden: Kollagen oder Heparin, Fibrin (entsteht bei der Blutgerinnung) oder Rezeptoren in der Membran von Zellen. Fibronectin dient als Substrat bei der Adhäsion von Zellen an die Unterlage, die extrazelluläre Matrix und bei Zellwanderung. Es gibt auch Hinweise, daß die extrazelluläre Matrix die Differenzierung und Teilung der Zelle beeinflußt.
Die Basallamina ist eine sezielle Form der extrazellulären Matrix, die Epithelzellen gegen das Bindegewebe abgrenzt, Muskelzellen umschließt oder in den Myelinscheiden Nervenfasern umhüllt. Sie wird von den Zellen sezerniert, die ihr aufsitzen und besteht hauptsächlich aus Kollagen (Typ IV), Laminin und Proteoglykanen. Laminin ist ein Glykoprotein zur Verankerung von Epithelzellen, das ähnlich wie Fibronectin verschiedene Domänen aufweist, die an unterschiedliche Rezeptoren u.a. Komponenten der extrazellulären Matrix binden. Seine Zellerkennungsregion ist Arg-Gly-Asp-Ser. Die Basallamina hat unterschiedliche Aufgaben: In der Niere dient sie als Filter, in Epithelien als Barriere gegen das Eindringen von Fibroblasten; sie kann auch heterogen strukturiert sein: an der neuromotorischen Synapse ist sie speziell strukturiert. Sie scheint auch während der Entwicklung beim Erkennungsmechanismus zwischen Nerven - und Muskelzellen eine wichtige Rolle zu spielen.

1.7 Mitochondrien

Sie sind zylinderförmig (Æ 0,5-1 nm) und dienen der Energieumwandlung: sie oxidieren Pyruvat (Brenztraubensäure) mit O₂ vollständig bis zu CO₂ und H₂O. Dabei entsteht in der oxidativen Phosphorylierung 36 Moleküle ATP (vgl. chemiosmotische Hypothese, Abb. 4.2C).
Chloroplasten der Pflanzenzellen funktionieren nach dem gleichen Prinzip, benutzen aber statt Fetssäuren und Zucker Sonnenlicht als Energiequelle (vgl. auch Chemiosmose bei Bakterien).

Bau (vgl. Abb. 1.8): Zwei Membranen unterteilen das Mitochondrium in vier Kompartimente: die äußere Membran, den Intermembranraum, die innere Membran und die Matrix. Die vier Kompartimente können durch osmotischen Schock voneinander getrennt werden.
Die äußere Membran ist eine Lipiddoppelschicht, enthält Enzyme des Lipidstoffwechsels und ein Transportprotein, das hydrophile Kanäle bildet, durch die kleinere Moleküle (bis 10 kD) in den Intermembranraum eindringen können. Die innere Membran ist für sie dagegen undurchlässig. Sie enthält viel Cardiolipin (ein spezielles Phospholipid) und ist zu Christae zur Oberflächenvergrößerung aufgefaltet. Hier liegen die Enzyme der Atmungskette und der ATP-Synthetase-Komplex, der durch den elektrochemischen Gradienten angetrieben wird, sowie Transportproteine, die Metabolite in die Matrix hinein bzw. heraus transportieren. Die Matrix enthält hunderte von Enzymen, die zur Oxidation von Pyruvat und Fettsäuren für den Citratcyclus und die Biosynthese von Aminosäuren benötigt werden. Außerdem liegen hier mehrere ringförmige mitochondriale DNA-Stücke, spezielle Ribosomen, tRNA und alle Enzyme, die für die Expression und Replikation der mitochondrialen Gene notwendig sind.
Mitochondrien gehen während ihrer Biogenese immer nur aus bereits vorhandenen Mitochondrien durch Teilung hervor. Diese beginnt wie bei Bakterien mit einer Einfaltung der inneren Membran. Die genetische Information für die Biogenese ist im mitochondrialen Genom und im Zellkern enthalten. Mitochondrien enthalten zirkuläre DNA, bei Tieren mit ca. 14-19 kb, bei Pflanzen wesentlich länger.
Mitochondriale DNA des Menschen besteht aus 16569 b (Basenpaaren). Sie codiert für die beiden ribosomalen RNA-Typen, 22 verschiedene tRNA und 13 Proteine. Außerdem werden mindestens 90 Gene des Zellkerns für die Biogenese der Mitochondrien benötigt. Die Mitochondrien enthalten außer der DNA auch ihr eigenes Transkriptionssystem für die RNA-Synthese und eigene Ribosomen für die Proteinsynthese, deren Mechanismen an diejenigen der Bakterien erinnern. Inhibitoren der Proteinbiosynthese (z.B. Chloramphenicol, Tetracyclin) wirken auch bei Mitochondrien, Cycloheximid hemmt sie dagegen nicht.

1.8 Der Zellkern

Der Nucleus ist von einer Kernhülle umgeben (doppelte Membran), die das Nucleoplasma umschließt. Dieses besteht hauptsächlich aus Chromatin (= Erbsubstanz), dem Nucleolus (= Bildungsort der Ribosomen) sowie löslichen und partikulären Komponenten (z.B. Enzyme für die Replikation, Transkription und Prozessierung der Transkripte).

1.8.1 Kernhülle

Sie besteht aus 2 Membranen, deren äußere kontinuierlich in das rauhe ER übergeht und wie dieses mit Ribosomen besetzt ist. Die innere Membran ist von der nucleären Lamina bedeckt, die aus 3 Proteinen (Laminen) gebildet wird. Die beiden Membranen stehen durch Kernporen direkt miteinander in Verbindung und umschließen einen perinucleären Raum, der mit dem Lumen des rauhen ER in Verbindung steht. Die Neubildung der Kernhülle nach der Teilung erfolgt durch Neusynthese im ER und Selbstknostitution der verbleibenden Membrankomponenten. Die Auflösung der Kernmembran während der Mitose scheint durch vorübergehende Phosphorylierung der Lamine induziert zu werden.
Die Kernhülle ist von vielen Kernporen aus regelmäßigen Porenkomplexen aus 8 ringförmig angeordneten Granula durchsetzt. Der Kanal im Zentrum ist dabei für Moleküle bis ca. 20 kD frei durchlässig. Größere Proteine (z.B. Histone, Nucleoplasmin) werden im Cytoplasma synthetisiert und gelangen durch vektoriellen Transport in den Kern. Im Gegensatz zum vektoriellen Transport durch das ER wird die Signalsequenz jedoch beim Durchtritt durch die Kernporen nicht abgespalten; spaltet man sie experimentell ab, wird das Protein nicht mehr in den Kern transportiert. Die Poren können offensichtlich geöffnet und verschlossen werden.

1.8.2 Chromatinstruktur und Interphasechromosomen

Aus dem Chromatin der Zellkerne von Lymphocyten hat MIESCHER 1869 zum ersten mal Nucleinsäuren isoliert und sie wegen ihres hohen Phosphatgehaltes von Proteinen unterschieden. Chromatin besteht v.a. aus DNA und Histonen.
Somatische Zellen des Menschen enthalten ca. 6 pg (= 6 10-12 g) DNA, was ca. 6 109 b entspricht. Die DNA ist auf die Chromosomen bzw. diffus im Kern verteilt. Die DNA-Moleküle in den Chromosomen sind mehrere cm lang, daher muß es sehr dicht gepackt sein.
Chromatin besteht neben DNA auch aus Histonen (kleine basische Moleküle von 11-21 kD), von denen 5 Klassen (H1, H2A, H2B, H3, H4) unterschieden werden. Sie werden von einer Fünfergruppe von Genen codiert, die in der DNA nebeneinander liegen und tandemrepetiert sind. Histone gehören zu den in der Entwicklung am meisten konservierten Proteinen: Das aus 102 Aminosäuren bestehende H4 unterscheidet sich bei Rind und Erbse nur in 2 Positionen! H4 ist stark basisch, weil es 24 basische Aminosäuren (Arg, Lys) enthält, und bindet deshalb stark an saure DNA.
Histone bilden das "Rückgrat" des Chromosoms bzw. Chromatins, das aus den Untereinheiten Nucleosomen aufgebaut ist: das sind Scheiben von 11 nm Durchmesser und 6 nm Höhe, die aus einem Histon-Octamer (H2A, H2B, H3, H4)2 bestehen. Die DNA ist in ca. 1,75 Windungen außen um diese Scheibe gewickelt und verbindet über einen Linker ein Nucleosom mit dem anderen. Das Nucleosom besteht aus einem Histon-Octamer und ca. 200 b DNA.
Im Chromatin des Zellkerns sind die Nucleosomen als Fasern (Æ 30 nm), sog. Solenoide, angeordnet, in denen die Nucleosomen in einer engen Schraube liegen. Diese Struktur wird v.a. durch das H1 bestimmt, das wahrscheinlich im Inneren des Solenoids lokalisiert.

1.8.3 Polytäne Riesenchromosomen

Diese sind während des ganzen Zellzyklus lichtmikroskopisch sichtbar, weshalb man ihren Zustand auch während der Interphase studieren kann. Durch ihre Größe lassen sich auch mehr Strukturen erkennen. Sie treten v.a. in bestimmten Geweben der Dipteren (Mücken und Fliegen) aber auch bei Protozoen (Ciliaten) und gewissen Pflanzen auf. Sie entstehen durch schrittweise Replikation der DNA ohne Kernteilung (Endomitose). Die resultierenden Kerne sind polyploid. Polyploidie kommt in vielen Zellen vor, z.B. in den Leberzellen des Menschen u.a. Säuger, wobei diese Zellkerne sich morphologisch nur durch ihre Größe unterscheiden. Bei den polyploiden Kernen der Dipteren sind dagegen die homologen Chromatiden gebündelt und bilden ein vielsträngiges Riesenchromosom, in dem tausende DNA-Moleküle parallel angeordnet sind.
Die euchromatischen Chromosomenarme zeigen ein charakteristisches Bänderungsmuster, das die Anordnung der Gene in den Chromosomen repräsentiert. Bestimmte Gene lassen sich mit genetischen und molekularbiologischen Methoden einzelnen Bändern zuordnen. In verschiedenen Geweben sind die Bänderungsmuster in einzelnen Zellen ähnlich, aber nicht identisch, wohl wegen dem Funktionszustand der Gene.
Nach Untersuchungen an Riesenchromosomen von Drosophila scheint die DNA hier zu Strukturen noch höherer Ordnung, als die Solenoide darstellen, gefaltet zu sein. Das trifft v.a. für die Bänder zu, in denen ca. 90% der DNA zu liegen kommen und die Kondensation scheinbar noch einmal um den Faktor 5 erhöht ist.
Zwischen Aktivitätszustand der Gene und Chromosomenkondensation besteht eine enge Korrelation: Stark kondensierte Chromosomenabschnitte (Bänder, Heterochromatin) sind weitgehend inaktiv, die Transkription der Gene ist auf die Interbanden und die sog. Puffs beschränkt. In einer Interbande behält das Chromosom seinen Durchmesser bei, in einem Puff dekondensiert es teilweise.

1.8.4 Metaphasechromosomen

Die meisten Organismen bilden keine Riesenchromosomen, daher ist die Untersuchungsmöglichkeit auf Metaphasenchromosomen beschränkt. Kerne können durch Vergiftung mit Colchicin oder Colchemid in der Metaphase angereichert werden. Metahasechromosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, den Chromatiden, die am Centromer (= Spindelfaseransatzstelle) noch zusammenhängen. Man unterscheidet metacentrische Chromosomen (Centromer in der Mitte, daher X-förmig) von acrozentrischen Chromosomen (Centromer am Ende). Heterochromatische Bereiche können durch Färbefverfahren als Banden sichtbar gemacht werden; dadurch lassen sich alle 23 (Paar) Chromosomen des Menschen identifizieren.
Metaphasechromosomen haben einen Kondensationsgrad von 104 und sind damit 100fach stärker kondensiert als Riesenchromosomen. Daher sind Strukturuntersuchungen schwierig, Metaphasechromosomen sind aber nachweislich in Schleifen gelegt. Die DNA-Schleifen sind an einer zentralen Achse (Proteingrundgerüst) verankert und 10-30 mm lang. In den Schleifen liegen die codierenden DNA-Sequenzen, die dazwischenliegenden Regionen enthalten Anheftungspunkte für das Grundgerüst. Metaphasechromosomen sind wegen ihres Kondensationsgrades weitgehend inaktiv.

1.8.5 Nucleolus

Der Neucleolus entspricht einem besonders großen Puff und ist der Bildungsort der Ribosomen. Die Gene, die für die rRNA (ribosomale RNA) codieren (18s-, 28s-, 5,8s-RNA) sind im Nucleolusorganisator lokalisiert. Sie bilden eine stark repetitierende Serie von meist mehreren hundert im Tandem angeordnete dekondensierte Gene, die eine hohe Transkriptionsrate aufweisen. Bei einigen Tieren findet man mehrere Nucleolusorganisatoren, die häufig zu großen globulären Strukturen fusionieren.
Außer der rDNA sind im Nucleolus auch entsprechende rRNA-Transkripte und ribosomale Proteine, die im Cytoplasma synthetisiert und in den Nucleolus transportiert werden. Dort erfolgt ihr Zusammenbau zu Ribosomen durch Selbstorganisation.

1.9 Kern- und Zellzyklus

Der Zellzyklus gliedert sich in zwei Hauptphasen: Interphase und Teilungsphase. In der Interphase übt die Zelle ihre wichtigen Funktionen aus, verdoppelt ihre DNA und nimmt an Masse zu, während die Teilungsphase aus der Kernteilung (Mitose) und der Teilung des Cytoplasmas (Cytokinese) besteht.

1.9.1 Interphase

Die Zellteilung wird von der Replikation der DNA dominiert. Die Chromosoemn werden verdoppelt und exakt auf die Tochterkerne.
Unter optimalen Bedingungen teilen sich Einzeller oder Zellen in Kultur in regelmäßigen Abständen (exponentielles Wachstum). Dabei kann die Dauer der einzelnen Phasen unterschiedlich lange dauern.
Regulation der Zellteilung: Nervenzellen, Muskelzellen und Erythrocyten teilen sich nach der Reifung i.d.R. nicht mehr, die Erythrocyten von Säugern stoßen auch ihren Zellkern ab. Epithelzellen des Darms, der Lungen und der Haut teilen sich dagegen ständig und werden laufend ersetzt; so auch die blutbildenden Zellen des Knochenmarks. Zwischen normalen Zellen existieren Rückkoppelungsmechanismen, die das Zellwachstum beschränken: Normale Zellen wachsen in Kultur nur so lange, bis die Kulturschale einschichtig bedeckt ist. Danach kommt es zur Teilungshemmung (Kontaktinhibition der Zellteilung). Daneben hat auch die Position der Zelle innerhalb einer Kolonie Einfluß auf ihre Teilungsrate. In situ ist der Kontak der Epidermiszellen mit der Basallamina entscheidend.
In der Regel sind Zellen, die sich nicht teilen, in der späten G1-Phase (Restriktionspunkt) arretiert. Der Eintritt in die S- und M-Phase wird durch die Cycline A und B gesteuert. Dabei bilden sie mit dem M-Phase-induzierenden-Faktor (MPF) einen aktiven Komplex; dieser ist seit der Hefe evolutorisch konserviert.
Die Zellproliferation wird durch Wachstumsfaktoren gefördert und gehemmt. Dazu gehören lokal wirkende chemische Mediatoren, z.B. Prostaglandine, Histamin, andererseits Hormone, z.B. der epidermale Wachstumsfaktor (EGF) und der Nervenwachstumsfaktor (NGF), die diejenigen Zellen, die entsprechende Rezeptoren besitzen, beeinflussen.

1.9.2 Mitose

Die Mitose (Kernteilung) gliedert sich in 5 Phasen (Abb. 1.15), denen die Teilung des Cytoplasmas folgt (Cytokinese).

Abb. 1.9: Mitose und Cytokinese (für 2n = 2 Chromosomen)
As = Aster
Ce = Centriol
Ch = Chromosom
Cm = Centromer
Cr = Chromatin
Kf = Kinetochorfaser
Kh = Kernhülle
kR = kontraktiler Ring
No = Nucleolus
Pf = Polfaser
Sp = Spindel

Prophase
Das Chromatin kondensiert zu lichtmikroskopisch sichtbaren Chromosomen; sie bestehen aus zwei Chromatiden, die am Centromer noch zusammenhängen. Die beiden Centriolen haben sich schon vorher geteilt und organisieren die Teilungsspindeln, die zunächst sternförmig um die Centriolen angeordnet sind (Aster).

Prometaphase
DIe Kernhülle beginnt sich aufzulösen, seine Überreste unterschieden sich morphologisch kaum vom ER. Auf beiden Seiten der Centromere bilden sich Kinetochore, an denen die Mikrotubuli ansetzen. Sie stehen senkrecht zur Chromosomenachse und ordnen sich parallel zu den Polfasern an. Durch gleitende Bewegungen zwischen den Mikrotubuli werden die Chromosomen bewegt.

Metaphase
Die Chromosomen stellen sich unter Einfluß der Kinetochormikrotubuli senkrecht zu Spindel in der Äquatorialebene ein und bilden eine Metaphaseplatte. Die Zugkräfte zu beiden Polen halten sich die Waage.

Anaphase
Sie beginnt mit der abrupten Trennung der Chromatiden, die bisher noch an den Centromeren zusammenhingen. Die Kinetochorfasern verkürzen sich, die Chromosomen werden zu den Spindelpolen gezogen; dabei gehen die Kinetochoren voran und die Arme der Chromosomen ziehen nach (Geschwindigkeit ca. 1 mm pro min).

Telophase
Die Chromosomen erreichen die Pole; die Kinetochorfasern werden kürzer und depolymerisieren. Die Polfasern verlängern sich dagegen weiter, dadurch weichen die Zellpole auseinander. Um die Chromosomen wird eine neue Kernhülle gebildet. Anschließend dekondensieren die Chromosomen, die Nucleolen treten wieder in Erscheinung.

1.9.3 Cytokinese

Die Cytokinese beginnt bereits in der späten Ana- oder Telophase. Dabei schnürt sich die Zelle durch Kontraktion eines Ringes von Actinfasern senkrecht zur Spindel durch. An der Zelloberfläche bildet sich zunächst eine Furche, die sich vertieft. Überreste der Spindel können zwischen beiden Zellen noch eine Zeit lang erhalten bleiben, bis die Plasmamembranen fusionieren und sich die Tocherzellen vollständig trennen.
Bei der Spindelbildung bestehen zwischen Pflanzen, verschiedenen Protozoen und höheren Metazoen Unterschiede. Das Organisationszentrum der Mirkdotubuli ist nicht ausschließlich in den Centriolen lokalisiert, sondern in einer amorphen Masse (Centrosom). Die Centriolen (fehlen bei vielen Pflanzen) können bei tierischen Zellen mit Laser zerstört werden, ohne daß die Spindelfunktion beeinträchtigt würde. Bei Organismen, bei denen die Kernmembran während der Mitose erhalten bleibt, bildet sich die Spindel außerhalb der Kernmembran. Mikrotubuli setzen an der äußeren Kernmembran an und sind über kinetochorähnliche Strukturen mit den Centromeren der Chromosomen verbunden.

1.9.4 Meiose

Die meisten Organismen pflanzen sich sexuell fort. Dabei fusionieren zwei Gameten zu einer Zygote, die sich zum Embryo und später zum Adultorganismus weiterentwickelt. Hierbei wechseln diploide (Zygote, Embryo, Adultorganismus) und haploide Kernphase (Gameten) einander ab. Dazu muß eine Reduktionsteilung (Meiose) stattfinden.
Die einzelnen Phasen der Meiose sind:

Die jetzt anschließende Meiose 2 unterscheidet sich im Mechanismus wenig von einer normalen Mitose, doch findet in der kurzen Interphase keine DNA-Synthese statt.

Die resultierenden vier haploiden Zellen differnzieren sich dann zu Gameten. Bei der Bildung der weiblichen Gameten differenziert sich jedoch meist nur eine der vier haploiden Zellen zum reifen Ei; die übrigen Meioseprodukte werden als abortive Schwesternzellen (Polkörper) abgestoßen.

Die Lampenbürstenchromosomen erlauben wegen ihrer Größe wieder interessante Schlüsse zu (s.o.).

Zusammenfassung Wehner-Gehring: "Zoologie", 22. Auflage (Thieme, Stuttgart)

A. Zelle

1. Struktur und Funktion der Zelle

1.1 Evolution und Aufbau der eukariotischen Zelle