ZELLSTRUKTUR

„Lebewesen bestehen aus einer oder mehreren Zellen.“„Jede Zelle kann unabhängig von den anderen leben.“„Zellen können nur aus anderen Zellen entstehen.“Diese drei Behauptungen drücken die „Zelldoktrin“ aus, die besagt,dass diejenigen Teile unseres Körpers, die leben – die essen, atmen,sich bewegen und sich fortpflanzen –, dies nur mittels Zellen tun kön-nen, die etwa zwei Drittel unseres Körpergewichts ausmachen. Wenndie Physiologie erforschen möchte, wie Lebewesen funktionieren,muss sie ihre Erklärungen im Sinn zellulärer Aktivitäten ausdrücken.

Zellen gibt es in unterschiedlichen Größen, Formen und mit diver-gierenden inneren Strukturen. Leberzellen unterscheiden sich von Ge-hirnzellen, die sich wiederum von Blutzellen unterscheiden. Alle Zel-len enthalten „Miniorgane“, Organellen genannt, die jeweils auf einebestimmte Funktion spezialisiert sind. Obwohl die in der Tafel abge-bildete Zelle nicht alle Zelltypen repräsentieren kann, enthält sie fol-gende Strukturen und Organellen, die für gewöhnlich in den meistenZellen vorkommen.

Zellmembran – Diese äußere Begrenzung der Zelle besteht aus einerdünnen Schicht (4 – 5 nm) von Fettmolekülen (Lipiden) mit eingebet-teten Proteinen. Zusätzlich zu den Strukturproteinen sorgen mancheProteine für Transportwege und den regulierten Ein- und Ausstromvon Stoffen in die und aus der Zelle. Andere Proteine dienen als Re-zeptoren für chemische Signale, die von anderen Zellen kommen. Wei-terhin dienen manche Membranproteine als Enzyme, während wiederandere als Antigene fungieren, die das „selbst“ erkennen.

Zellkern (Nucleus) – Das wichtigste Zellorganell, der Kern, enthältgenetisches Material: Gene, DNA und Chromosomen. In Genen enthal-tene Information wird im Alltagsleben der Zelle und für die Reproduk-tion gebraucht. Der Kern enthält außerdem noch einen kleineren Kör-per, das Kernkörperchen (Nucleolus), das aus dichtgepacktenChromosomenregionen zusammen mit einigen Proteinen und RNA-Strängen besteht. Der Nucleolus initiiert die Bildung von Ribosomen,Strukturen, die für die Proteinsynthese nötig sind. Der Kern ist umge-ben von einer Doppelmembran, die von Poren durchsetzt ist, die amStofftransport zwischen Kern und dem Rest der Zelle beteiligt sind.

Cytoplasma/Cytosol – Das Cytoplasma, das den Raum zwischenZellkern und Plasmamembran einnimmt, enthält membranumhüllteOrganellen, Ribosomen für die Synthese von Cytoplasmaproteinenund ein komplexes Netzwerk aus Fasern und Röhren, Cytoskelett ge-nannt. Der Flüssigkeitsanteil des Cytoplasmas zwischen diesen Struk-turen, das Cytosol, enthält viele Enzyme aus Proteinen (Katalysatorender Zellchemie).

Mitochondrien – Diese „Kraftwerke“ der Zelle sind die Orte, an de-nen die in den Nährstoffen enthaltene chemische Energie gewonnenund gespeichert wird durch die Bildung von ATP-Molekülen. ATPdient umgekehrt als „Energiewährung“ für die Verrichtung von Arbeitin der Zelle, indem es die Energie bereitstellt, die für Bewegung, Sekre-tion und Synthese komplexer Strukturen nötig ist.

Endoplasmatisches Reticulum – Das endoplasmatische Reticulum(ER) ist ein Netzwerk aus Schläuchen und flachen Hohlräumen, die imCytoplasma verteilt sind. Einige Teile des ER (raues ER) haben ein kör-niges Erscheinungsbild aufgrund angehefteter Ribosomenpartikel.Hier findet die Synthese von Proteinen statt, die für die Organellen,Zellmembranbestandteile oder für die Sekretion in den Extrazellular-raum (z.B. Hormone) gedacht sind. Dem glatten ER fehlen angehefteteRibosomen. Gewöhnlich ist es am Fettstoffwechsel beteiligt, es kannaber auch der Entgiftung von Wirkstoffen und der Deaktivierung vonSteroidhormonen dienen. In Muskelzellen sequestriert das glatte ER(hier sarcoplasmatisches Reticulum genannt) große Mengen von Cal-cium, das für die Auslösung von Muskelkontraktionen benötigt wird.

Golgi-Apparat – Einheiten von glatten Membranen, die abgeflachte,flüssigkeitsgefüllte und pfannkuchenartig aufgeschichtete Hohlräumebilden, heißen Golgi-Apparat. Dieser ist beteiligt an der Modifizierung,Sichtung und Verpackung von Proteinen, die für andere Organellenoder für die Sekretion aus der Zelle bestimmt sind. Um den Golgi-Ap-parat herum findet man zahlreiche membranumhüllte Vesikel. Sietransportieren wahrscheinlich Stoffe zwischen Golgi-Apparat und an-deren Zellorganellen (z.B. empfangen sie proteinbeladene Vesikel vomrauen ER oder leiten andere Vesikel weiter zur Plasmamembran).

Endo- und exocytotische Vesikel – Diese membranumschlossenenVesikel wandern von der Plasmamembran weg (und zu ihr hin); siesind wichtige Transporter für die Proteinaufnahme in die Zelle unddie Proteinabgabe aus der Zelle heraus. Exocytose (Sekretion) bedeutet

eine richtiggehende Verschmelzung der Vesikelmembran mit der Plas-mamembran, wodurch der Vesikelinhalt aus der Zelle ausgestoßen (se-zerniert) werden kann. Endocytose (Pinocytose, Phagocytose) ist derumgekehrte Vorgang: die Plasmamembran stülpt sich ein und um-schließt extrazelluläres Material; dann schnürt sich ein membranum-hüllter Vesikel ab (der dieses Material und umgebende Flüssigkeit ent-hält) und wird ins Zellinnere aufgenommen.

Lysosomen – Diese membranumhüllten Vesikel enthalten viele En-zyme, die in der Lage sind, Stoffwechselprodukte der Zelle, defekteOrganellen und per Endocytose in die Zelle geschleuste Bakterien zuverdauen. Die tödliche Tay-Sachs-Erkrankung beruht auf einem erb-lichen Mangel an lysosomalen Enzymen, die Bestandteile der Nerven-zellen (Glykolipide) verdauen. Diese häufen sich in den Zellen an, wassie anschwellen und degenerieren lässt.

Peroxisomen – Dies sind ebenfalls membranumschlossene Vesikel,die Verdauungsenzyme enthalten. Sie zerlegen langkettige Fettsäurenebenso wie manche toxische Substanzen. Genetische Defekte imperoxisomalen Membrantransport verursachen die im Kindesalter töd-lichen Krankheiten Zellweger-Syndrom und X-chromosomale Adreno-leukodystrophie.

Cytoskelett – Das Cytoskelett besteht aus Ansammlungen von Pro-teinfilamenten, die ein Netzwerk innerhalb des Cytosols bilden undder Zelle ihre Form verleihen. Diese Filamente liefern auch die Basisfür Bewegungen der gesamten Zelle ebenso wie für interne Bewegun-gen ihrer Organellen und Proteine. Die drei Haupttypen von Cytoske-lettfilamenten sind Mikrotubuli (25 nm im Durchmesser), Actinfila-mente (25 nm – siehe nächste Tafel) und intermediäre Filamente(10 nm – nächste Tafel). Intermediäre Filamente sind starke, stabileKonstruktionen, die die Zelle vor mechanischer Beanspruchung schüt-zen. Mikrotubuli durchlaufen häufige Veränderungen; sie vergrößernoder verkürzen sich durch Zugabe oder Wegnahme ihrer molekularenBausteine (Tubulin). Normalerweise wachsen sie aus Organisations-zentren heraus, z.B. Zentrosomen (die während der Zellteilung vonBedeutung sind). Während sie sich nach außen hin ausbreiten, bildensie ein System von intrazellulären Pfaden aus, die zum Transport vonVesikeln, Organellen und anderen Zellbestandteilen zu verschiedenenPositionen innerhalb der Zelle dienen. Diese Bewegung wird von spe-zialisierten Motormolekülen angetrieben (Dynein, Kinesin). Durch ge-ringfügige Formveränderungen können diese Motormoleküle sich anaufeinanderfolgende Positionen anheften, loslösen und erneut anhef-ten, so dass das Motormolekül auf dem Filament „wandert“. Sein an-deres Ende kann mit einem Transportgut, das bewegt wird, verbundensein. Obwohl Actinfilamente starre, dauerhafte Strukturen bilden kön-nen, sind sie wie Mikrotubuli auch in der Lage, zu wachsen und zuschrumpfen, und sie sind an einer Vielzahl von Zellbewegungen,einschließlich Zellwanderung, Phagocytose und Muskelkontraktion,beteiligt. Eine Anzahl verschiedener Proteine kann an die Filamentebinden. Das Verhalten des Filaments wird von den gebundenen spezi-fischen Proteinen determiniert. Diese Proteine, die Myosin heißen,sind Motormoleküle (Tafel 21).

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Verwenden Sie Ihre hellsten Farben für A und G.1. Beginnen Sie in der linken oberen Ecke mit dem Ausmalen von Über-schrift, Strukturbeispiel und der entsprechenden Struktur in der zentralenAbbildung der gesamten Zelle. Verfahren Sie so mit jeder Struktur, wäh-rend Sie im Uhrzeigersinn die Seite bearbeiten. Beachten Sie, dass der Zwi-schenraum zwischen den Membranen des rauen endoplasmatischen Reti-culums (I) im rechten Beispiel nicht ausgemalt wird, in der zentralenZeichnung zu Identifikationszwecken jedoch schon.

1 ZELLPHYSIOLOGIE

ZELL-(PLASMA-)MEMBRANA(Transport / Schutz)

PROTEINB

Lipiddoppelschicht

Erblichkeit

ZELLKERNC Chef-Zimmer

KERNKÖRPERCHENDproduziert Ribosomen für dieProteinsynthese

RIBOSOME

Gene (DNA)

KERNHÜLLEFzweifacheLipiddoppelschicht

Pore

CYTOPLASMAG

(CYTOSOL)G

Nährstoffe

MITOCHONDRIUMH

ATP-Produktion

RAUESENDOPLASMATISCHES RETICULUMISynthese von Proteinen

Wirkstoffe

Lipidsynthese

HormoneGLATTESENDOPLASMATISCHES RETICULUMJ

Sekretion

EXOCYTOSEK1

ENDOCYTOSEK2

Pino- und Phagocytose

VESIKELK

GOLGI-APPARATLSortieren und Verpackenvon Proteinen

Intrazelluläre Verdauung

LYSOSOMM

PEROXISOMM1

ENZYMN

Mikrotubuli

ZENTROSOMO

Zellteilung

Die Zellen in den verschiedenen Organen des Körpers sind hoch spezialisiert, und diese Spezialisierung spiegelt sich oft in strukturellen Variationen wider. Obwohl die oben beschriebene generalisierte Zelle keine bestimmte Zelle repräsentieren kann, enthält sie Strukturen und Organellen, die gewöhnlich in den meisten Zellen vorkommen. Alle Zellen sind begrenzt von einer Plasmamembran, einer durchgehenden doppelschichtigen Lage von Lipidmolekülen mit eingebetteten Proteinen. Ähnliche Membranen bilden eine Reihe von Strukturen innerhalb der

Zelle. Generell haben alle Zellen einen membranumhüllten Zellkern, der die genetischen Instruktionen (Gene) enthält. Durch die Expression der in den Genen gespeicherten Information steuert der Zellkern das Alltagsleben der Zelle und ihre Reproduktion. Der Raum zwischen Plasmamembran und Zellkern wird Cytoplasma genannt. Membranumschlossene Organellen sowie die Filamente und Mikrotubuli, die das Cytoskelett bilden, sind in der cytoplasmatischen Flüssigkeit, dem Cytosol, verteilt.

EPITHELZELLEN

Es gibt viele verschiedene Arten von menschlichen Zellen, die in vier all-gemeine Typen eingeteilt werden können: 1. Muskelzellen, spezialisiertauf die Erzeugung von mechanischer Arbeit und Bewegung; 2. Nerven-zellen, spezialisiert auf schnelle Kommunikation; 3. verbindende undstützende Gewebezellen einschließlich Blut und Lymphe und 4. Epi-thelzellen für Schutz, selektive Sekretion und Absorption. Diese Tafelkonzentriert sich auf Epithelzellen, um darzustellen, wie sich Gruppendieser Zellen im Rahmen der Gewebebildung miteinander verbindenund wie spezialisierte Strukturen – Zellverbindungen, Mikrovilli undCilien – bestimmte Funktionen unterstützen. Auf andere Zelltypen wirdim Zusammenhang mit den spezifischen Organen genauer eingegangen.

Epithelzellenschichten trennen dieKörperkompartimenteEpithelzellen sind miteinander verwachsen und bilden oft mehrlagigeSchichten mit sehr geringen Zellzwischenräumen. Diese findet man anOberflächen, die den Körper bedecken oder die Wände röhrenförmigeroder hohler Strukturen auskleiden. Epithelzellen kommen also in Haut,Nieren und Drüsen sowie in den Auskleidungen von Lunge, Gastroin-testinaltrakt, Blase und Blutgefäßen vor. Epithelzellschichten stellen oftdie Grenzen zwischen verschiedenen Körperkompartimenten dar, wosie den Austausch von Molekülen zwischen ihnen regulieren. Praktischalle Substanzen, die vom Körper aufgenommen oder abgegeben werden,müssen mindestens eine Epithelschicht durchqueren. Zum Beispiel bil-det der Dünndarm einen Hohlzylinder, dessen Innenseite von verschie-denen Typen von Epithelzellen besiedelt ist. Einige sezernieren Verdau-ungsenzyme, andere absorbieren Nährstoffe, wieder andere sondernschützenden Schleim ab. In jedem der genannten Fälle haben die Epi-thelzellen die Aufgabe, Material nur in eine Richtung zu transportieren:entweder von den Blutgefäßen (die in die Darmwand eingebettet sind)zum Hohlraum des Zylinderinneren (Lumen) bei der Sekretion odervom Lumen in das Blut bei der Absorption. Die Zelle muss also einen„Richtungssinn“ besitzen; sie muss den Unterschied zwischen Lumen-und Blut-Seite „kennen“. Die Zelle kann nicht absolut symmetrischsein, und diese Ungleichmäßigkeit in der Funktion spiegelt sich in einerasymmetrischen oder polaren Struktur wider.

Die strukturelle Asymmetrie, die sowohl die Zellform als auch die Po-sitionierung der Organellen zeigen, wird von einem komplizierten Cy-toskelett erzeugt und aufrechterhalten. Zusätzlich finden sich deutlicheUnterschiede zwischen den Plasmamembranen auf den verschiedenenSeiten der Zelle. Wir können drei unterschiedliche Oberflächen von Epi-thelzellen unterscheiden: 1. Die apikale Oberfläche zeigt zur Außenseiteoder in das Lumen eines einzelnen Organs. 2. Die basale Oberfläche be-findet sich auf der gegenüberliegenden Seite, die den Blutgefäßen amnächsten ist. 3. Die lateralen Flächen zeigen zu den benachbarten Epi-thelzellen. Jede dieser Membranoberflächen enthält verschiedene Pro-teine und Strukturen, die für eine normale Funktion notwendig sind.

Epithelzellen verknüpfen sich mit ihren Nachbarn undkommunizieren mit ihnenDie lateralen Oberflächen der Epithelzellen müssen aneinander bin-den, um die Flächenstruktur aufrechtzuerhalten und um einen dichtenVerschluss zu bilden, der das Durchsickern von Wasser und gelöstenStoffen zwischen benachbarten Zellen verhindert. Wenn Substanzendie Epithelschicht überwinden, so erfolgt das für gewöhnlich nur, weilsie selektiv erkannt und von den Zellen selbst transportiert werden.Besondere Strukturen, Desmosomen genannt, stellen eine Hauptursa-che für die Zelladhäsion dar. Sie liegen nahe bei oder innerhalb derMembran und halten die Zellen dort zusammen, wo sie in Kontaktkommen. Andere spezialisierte Kontaktstellen (Tight Junctions) die-nen zum Verschluss potenziell undichter Stellen; wieder andere (GapJunctions) werden für die Kommunikation zwischen den Zellen ge-braucht. Generell nennt man diese Kontaktstellen „Junctions“.

Desmosomen gewährleisten eine starke AdhäsionDesmosomen sind Regionen, die von enger Verknüpfung der Zellen ge-prägt sind und dem Gewebe strukturelle Stabilität verleihen. An einemDesmosom ist ein schmaler extrazellulärer Raum zwischen den beidenZellmembranen mit feinem faserigem Material gefüllt, das wahrschein-lich die beiden Zellen zusammenklebt. Es gibt zwei Arten von Desmoso-men: gürtelförmige Desmosomen (durchgehende Haftungszonen, diedie Zelle umschließen) und punktförmige Desmosomen (Anhänge ankleine Kontaktregionen, oft mit „Punktschweißstellen“ verglichen).

Tight Junctions verhindern Lecks und halten diePolarität aufrechtTight Junctions bilden sehr enge Kontakte zwischen benachbartenZellen und lassen praktisch keinen Zwischenraum. Diese Junctionserstrecken sich über den gesamten Umfang der Zelle und stellen soeinen dichten Verschluss her, der das Durchsickern von Flüssigkei-ten und Stoffen verhindert. Außerdem erhalten sie die Asymmetrieder Zelle, indem sie Membranproteine daran hindern, innerhalb derMembran, entlang der Zelloberfläche oder von einer Seite zur ande-ren zu wandern.

Gap Junctions ermöglichen KommunikationGap Junctions sind spezialisiert auf die Kommunikation zwischen be-nachbarten Zellen. Sie bestehen aus einer Reihe von sechs zylindri-schen Proteinuntereinheiten, die die Plasmamembran überspannenund ein kurzes Stück in den Extrazellularraum hineinreichen. Die Un-tereinheiten sind auf eine Weise gebündelt, bei der die langen Achsenparallel verlaufen und einen offenen Raum oder Kanal von etwa1,5 nm Breite bilden, der sich über die gesamte Länge der Reihe er-streckt. Diese Kanäle haben die Funktion von Porenöffnungen in derMembran, wobei diese Öffnungen nicht in den Extrazellularraum rei-chen. Stattdessen knüpft jede Reihe an eine ähnliche Reihe einer an-grenzenden Zelle und bildet einen Tunnel von doppelter Länge mitdem Eingang in der einen und dem Ausgang in der angrenzenden Zel-le. Diese Tunnels sind breit genug, um gelöste Stoffe von geringerGröße und gewöhnliche Ionen durchzulassen. Die Junctions gewähr-leisten also die Übertragung elektrischer und chemischer Signale zwi-schen den Zellen und ermöglichen ihnen, als Einheit zu funktionieren.Unter bestimmten Umständen (z.B. einem Anstieg des intrazellulärenCa++) schließen sich die zentralen Kanäle und isolieren so die betroffe-nen Zellen von den anderen. Gap Junctions sind besonders wichtig fürdie Koordination der Aktivitäten von Herz, glatter Muskulatur undEpithelzellen.

Mikrovilli vergrößern den Bereich der ZelloberflächeMikrovilli sind kleine, fingerartige Ausstülpungen an der apikalenOberfläche von Epithelzellen. Am häufigsten findet man sie in Gewe-ben, in denen Moleküle in erster Linie durch das Epithel transportiertwerden. Mikrovilli haben den Vorteil, dass sie die Oberfläche für denTransport erheblich vergrößern (z.B. um den Faktor 25 im Darm).Actinfilamente, die mit ihrer Basis im terminalen Fasernetz verankertsind und sich über die gesamte Länge der Mikrovilli erstrecken, unter-stützen deren aufrechte Position.

Cilien treiben Flüssigkeiten und Partikel dieZelloberfläche entlangCilien sind sehr lange Ausstülpungen der apikalen Oberfläche, dievor allem für den Materialtransport entlang der (d.h. tangential zur)epithelialen Oberfläche, statt durch diese hindurch, zuständig sind.Zahlreich sind sie im Atmungstrakt, in den Eierstöcken und im Ute-rus. Sie funktionieren durch „Schlagen“ (d.h. durch peitschenartigeBewegungen in Richtung eines schnellen Vorwärtsschlags, die Flüs-sigkeiten und Partikel auf der Zelloberfläche mechanisch vorantrei-ben). Eine Reihe von Mikrotubuli entlang jeder Cilie überträgt dieseBewegungen.

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Verwenden Sie dieselbe Farbe für die Plasmamembran (F) wie bei Tafel 1.1. Beginnen Sie mit der 3-dimensionalen Zeichnung von Epithelzellen aufder rechten Seite. Wenn Sie eine Struktur ausmalen, vervollständigen Siedie entsprechende Struktur im Querschnittsdiagramm auf der linken Seite.Letzteres enthält zusätzliche Strukturen, die ebenfalls ausgemalt werdensollen. Beachten Sie, dass A, D und L Teile der Plasmamembran (F) sind,aber unterschiedliche Farben erhalten.2. Achten Sie darauf, dass bei der Überschriftenliste die Funktionen derStrukturen H–N in Klammern gesetzt sind und grau ausgemalt werden.

2 ZELLPHYSIOLOGIE

APIKALE OBERFLÄCHECILIEA

MIKROTUBULUSB

BASALKÖRPERC

MIKROVILLID

MIKROFILAMENTE(ACTIN)

LATERALE OBERFLÄCHELATERALE PLASMAMEMBRANF

TIGHT JUNCTIONG (IMPERMEABEL)*GÜRTELFÖRMIGES DESMOSOMH

(INTERZELLULÄRE ADHÄSION)*PUNKTFÖRMIGES DESMOSOMI

(INTERZELLULÄRE ADHÄSION)*GAP JUNCTIONJ

(INTERZELLULÄRE* KOMMUNIKATION)*1

BASALE OBERFLÄCHEHEMIDESMOSOMK (ANHEFTUNG)*BASALE PLASMAMEMBRANL

TERMINALES NETZM

CYTOSKELETTN(INTERMEDIÄRE FILAMENTE)

EXTRAZELLULARRAUMO

NÄHRSTOFFE UND METABOLITENP

TUBULUSLUMEN

Nerv

Nucleus

KapillareBasalmembran(Basallamina)

Epithelzellen haften aneinander und bilden oft mehrlagige Schichten, die Körper und Organe bedecken, oder sie säumen die Wände röhrenförmiger oder hohler Strukturen (Haut, Nieren, Drüsen; Auskleidung von Lunge, Verdauungstrakt, Blase und Blutgefäßen). Sie haben 3 verschiedene Oberflächen: 1. die apikale Oberfläche, die nach außen oder in das Lumen eines Organs zeigt, 2. die basale Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite, die in Richtung der Blutgefäße zeigt, und 3. die lateralen Flächen, die den benachbarten Epithelzellen zugewandt sind.

DIE APICALE OBERFLÄCHE enthält mitunter Mikrovilli und Zilien. Mikrovilli vergrößern den Bereich der apicalen Oberfläche um ein Vielfaches. Actinfilamente, die im terminalen Netz verankert sind und sich über die gesamte Länge jedes Mikrovillus erstrecken, scheinen deren aufrechte Position zu erhalten. Cilien sind am tangentialen Material- transport entlang der epithelialen Oberfläche beteiligt und treiben mit peitschenartigen Bewegungen Flüssigkeiten und Partikel in Richtung eines schnellen Vorwärtsschlags an der Zelloberfläche voran. Diese Bewegungen werden von Mikrotubuli übertragen, die die Länge jeder Cilie in einer charakteristischen 9+2-Anordnung bedecken (9 Mikrotubuli- paare bilden einen Ring um ein zentrales Paar). Jede Cilie ist in einem Basalkörper verankert. Die Cilie wird gekrümmt, wenn die Mikrotubuli- paare aneinander vorbeigleiten.

DIE LATERALE OBERFLÄCHE enthält 3 Typen von Zellverbindungen:1. Desmosomen zur Anheftung benachbarter Zellen,2. Tight Junctions zum Verschluss von Lecks zwischen den Zellen und3. Gap Junctions, die offene Kanäle zwischen den Zellen für die elektrische und chemische Signalübertragung bilden.

Punktförmige Desmosomen kitten die Zellen an einzelnen Stellen zusammen. Innerhalb der Zelle sind sie durch ein ausgedehntes Netzwerk von Filamenten verbunden, die ein Teil des Cytoskelettssind, das mechanische Stabilität verleiht.

Gürtelförmige Desmosomen umgeben die gesamte Zelle mit einem intrazellulären Faserkitt. Innerhalb der Zelle hat das gürtelförmige Desmosom ein Band aus zylindrischen Actinfilamenten (im Querschnitt abgebildet), die direkt an den inneren Teil der Zellmembran angrenzen.

Die Plasmamembran der BASALEN OBERFLÄCHE ist an der Basalmembran (Basallamina) befestigt. Diese ist eine poröse Struktur, die Kollagen und Glykoproteine enthält, die die Epithelzellen von darunterliegendem Bindegewebe, Nerven und Blutgefäßen trennt. Die Befestigung wird durch Hemidesmosomen verstärkt (halb-punktförmige Desmosomen).

(LUMINALE SEITE)

LATERALEOBERFLÄCHEN

BASALE OBERFLÄCHE

(BLUT-SEITE)

APICALE OBERFLÄCHE

Protein-Untereinheit

GAP JUNCTIONSTIGHT JUNCTIONS

DNA-REPLIKATION UND ZELLTEILUNG

Keine Zelle lebt ewig. Abgesehen von einigen Ausnahmen (vor allemNerven- und Muskelzellen) sind die Zellen in Ihrem Körper nichtdieselben wie die vor einigen Tagen vorhandenen. „Alte“ Zellen nut-zen sich offensichtlich ab, sterben ab und werden kontinuierlichdurch neue ersetzt. Darmzellen leben im Durchschnitt nur 36 Stun-den, weiße Blutzellen 2 Tage und rote Blutzellen 4 Monate; Gehirn-zellen können 60 Jahre oder länger leben. Auch Wachstum bedarfder Produktion neuer Zellen. Bei einer Zunahme der Zellgröße ver-ringert sich die Effizienz der Zellen, weil die Distanzen zwischenPlasmamembran und den zentraleren Bereichen der Zelle ebenfallsgrößer werden, was den Transport essenzieller Stoffe wie O2 in dieZelle und CO2 aus der Zelle erschwert. Diese Schwierigkeit ergibtsich jedoch nicht, da Wachstum vor allem durch Erhöhung der An-zahl an Zellen anstatt durch Zunahme der individuellen Zellmasseerfolgt.

ZellteilungBei der Zellteilung teilt sich eine Mutterzelle in zwei Tochterzellenund erschafft so neue Zellen. Obwohl die Tochterzellen sich in einigenMerkmalen (z.B. Gewicht) von der Mutterzelle unterscheiden mögen,sind sie im wichtigsten Punkt identisch: beide tragen dieselbe Grund-ausstattung an genetischen Instruktionen zur Regelung ihrer Aktivitä-ten und ihrer Vermehrung. Dieser Satz von Instruktionen, der geneti-sche Code, wird durch die Struktur der DNA(Desoxyribonuklein-säure)-Moleküle geliefert, die innerhalb des Zellkerns zusammenge-packt sind. Die Replikation dieser Moleküle und ihre Aufteilung aufjede Tochterzelle gewährleistet die Aufrechterhaltung der Zelleigen-schaften bei jeder Teilung. Die am Zellzyklus beteiligten Prozesse er-folgen in drei Phasen.

1. Interphase: Die Zellmasse nimmt zu – Dies geschieht durch dieSynthese einer Reihe von Molekülen, einschließlich einer exaktenKopie der DNA. Dieser Abschnitt der Interphase, in dem die DNA-Synthese stattfindet, nennt sich S-Phase; vorangehend und nachfol-gend gibt es zwei „Gap“-Phasen, die entsprechend G1 und G2 heißen(siehe Illustration). Während der S-Phase verdoppeln sich auch dieZentrosomen.

2. Mitose: DNA wird verdoppelt und bewegt – Anschließend andie G2-Phase tritt die Zelle in die Mitose ein, ein Stadium, in demdie verdoppelten DNA-Stränge zu entgegengesetzten Enden derZelle geschafft werden in Vorbereitung der letzten Stadien, in denendie Zelle sich in zwei Teile trennt (entnehmen Sie Einzelheiten denDiagrammen auf der Tafel). Die Mitose beginnt, wenn die DNA-Mo-leküle, die während der Interphase entknäult worden sind, sich festaufwickeln und zu stäbchenförmigen Körpern verdichten, die alsChromosomen bekannt sind. In diesem Stadium ist jedes Chromo-som der Länge nach in zwei identische Hälften, die Chromatiden, ge-teilt. Jedes Chromatid enthält eine Kopie der verdoppelten DNA zu-sammen mit einigen Proteinen, die ein Gerüst für die langenDNA-Moleküle bilden und die DNA-Aktivität mit regulieren. In derZwischenzeit degeneriert die Kernhülle, und außerhalb des Zell-kerns wandern die Zentrosomen zu entgegengesetzten Enden derZelle, um eine ausgedehnte Struktur aus Mikrotubuli zu bilden, denSpindelapparat. Jedes Chromosom ist an solchen Mikrotubuli befes-tigt und reiht sich so in der Äquatorialebene der Zelle auf, dass seinebeiden Chromatiden an Mikrotubuli befestigt sind, die zu den oppo-sitionellen Enden der Zelle führen. Die Mikrotubuli ziehen dann anden Chromatiden und bewegen einen kompletten Satz in die einan-der gegenüberliegenden Bereiche der Zelle. Schließlich beginnendie Chromatiden an beiden Zellenden sich zu entspulen und sie ver-lieren ihre Kontur, während sich eine neue Kernhülle um jeden derzwei Chromatidensätze bildet.

3. Cytokinese: Die Zelle teilt sich – Dies ist das letzte Stadium. DieTeilung des Cytoplasmas erfolgt durch die Bildung einer Furche, dieimmer tiefer wird, bis die ursprüngliche Zelle entzweigeschnürt istund die Tochterkerne, die sich während der Mitose gebildet haben,in getrennten Zellen eingeschlossen sind. An diesem Punkt tretendie Tochterzellen in das G1-Stadium der Interphase ein und vervoll-ständigen den Zyklus.

DNA-ReplikationWenn die DNA das Erbmaterial darstellt, ergeben sich zwei wichtigeFragen. Erstens: Wie wird die DNAverdoppelt, sodass sie unverändertvon einer Generation zur nächsten weitergegeben werden kann? Zwei-

tens: Auf welche Weise trägt die DNA die Informationen, die für dieSteuerung der Zellaktivitäten nötig sind? Um diese beiden Fragen be-antworten zu können, benötigt man Informationen über die chemischeStruktur der DNA.

Die DNA bildet eine Doppelhelix – Ein DNA-Molekül enthält zweiextrem lange „Rückgrat“-Ketten, die aus vielen 5-Kohlenstoff-Zuckern(Desoxyribosen) bestehen, deren Enden über Phosphatverbindungen(d.h. ...Zucker-Phosphat-Zucker-Phosphat...) miteinander verbundensind. Wie die Seitenteile einer Leiter verlaufen diese Rückgratkettenparallel zueinander. Sie sind in regelmäßigen Abständen durch Stick-stoffbasen verbunden, die die „Sprossen“ der Leiter bilden. Zwei Ba-sen sind nötig, um die Entfernung zwischen den Seitenteilen zu über-brücken; diese zwei sind in der Mitte durch schwache chemischeVerbindungen, die Wasserstoff-Brückenbindungen, verknüpft.Schließlich sind die Seitenteile der Leiter zu einer schraubenförmigenStruktur eingedreht, wobei jede zehnte „Sprosse“ der Leiter eine kom-plette Umdrehung der Schraube markiert. Da jedes Seitenteil der Leitereine Helix bildet, ist die DNA eine Doppelhelix.

Die Basenpaare A-Tund G-C sind komplementär – Die speziellenBasen, die die Sprossen ausbilden, und ihre relative Anordnung inner-halb der Leiterstruktur sind der Schlüssel zu unseren Problemen. Nurvier verschiedene Basen bilden die DNA: Adenin (abgekürzt mit A),Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Der Aufbau jeder Leiter-sprosse erfordert zwei dieser Basen, jedoch nicht zwei beliebige. Diebeiden Basen müssen, wie die Teile eines Puzzles, die richtige Größeund Form haben und in der Lage sein, in einer bestimmten Konfigura-tion aneinander zu binden (Wasserstoff-Brückenbindungen einzuge-hen). Eine Untersuchung der DNA-Struktur zeigt, dass Sprossen vonfolgenden Basenpaaren ausgebildet werden können: A mit T (A-T)oder G mit C (G-C). Alle anderen möglichen Kombinationen, wie A-A,A-C oder G-T, funktionieren nicht. A-Tund G-C werden komplemen-täre Basenpaare genannt.

Replikation erfordert die Trennung und den erneuten Zusammen-bau von Basenpaaren – Stellen Sie sich vor, dass Sie und eine anderePerson jeweils ein Seitenteil der Leiter ergreifen und ziehen. Die Leiterwird an den Nahtstellen auseinandergehen (d.h. in der Mitte der Spros-sen, wo die komplementären Basenpaare durch relativ schwache Was-serstoff-Brückenbindungen zusammengehalten werden). Jeder von Ih-nen nimmt einen Strang (die Hälfte der Struktur), bestehend aus einemlangen Seitenteil mit daran gebundenen einzelnen Basen, und unab-hängig voneinander beginnen Sie, die jeweils fehlende Hälfte zu ergän-zen. Das fehlende Seitenteil ist kein Problem, da es immer die gleicheKette aus Desoxyribose und Phosphat darstellt. Die Basen sind jedochauch vorgeschrieben: an jedes A eines Einzelstrangs binden Sie ein T,an jedes Tein A, an jedes G ein C und an jedes C ein G. Sie haben eineexakte Kopie der ursprünglichen DNA hergestellt – und Ihr Partnerebenfalls. Es existieren nun zwei Kopien anstatt eines Originals; einepräzise Verdoppelung ist erreicht. Ein ähnlicher Prozess findet inner-halb der Zelle statt, nur werden die Stränge hier Stück für Stück auf-getrennt und die Synthese neuer DNA erfolgt direkt anschließend andie Auftrennung, unterstützt von speziellen Enzymen, den DNA-Poly-merasen. Eine Diskussion unseres zweiten Problems, wie DNA die Erb-information trägt, wird bei Tafel 4 geführt.

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Verwenden Sie eine dunkle Farbe für D.1. Malen Sie zuerst die Zelle ganz oben auf der Seite aus und dann daskreisförmige Diagramm des Zellzyklus direkt darunter.2. Malen Sie die Stadien des Zellzyklus aus. Beginnen Sie mit der Inter-phase oben auf der linken Seite und fahren Sie den Stadien der Mitose undder Cytokinese folgend fort.3. Malen Sie die schematische Darstellung der DNA-Replikation an derrechten Seite aus. Achten Sie bei den Basen darauf, dass Guanin (I) und Cy-tosin (I’) schraffiert sind.

3 ZELLPHYSIOLOGIE

INTERPHASEC1–

Während der Interphase: 1. Entspulte DNA (im Chromatin enthalten) verdoppelt sich. 2. Anschließend beginnt die DNA aktiv die für die Zellteilung nötige RNA- und Proteinsynthese zu steuern. 3. Die Zentro-somen verdoppeln sich.

MITOSED1–

PROPHASED1–

Während der Prophase:1. Die Kernhülle beginnt sich aufzulösen. 2. Die beiden Kopien der DNA spulen sich auf und verknäuln dann weiter; dabei bilden sie Chromosomen. 3. Die Zentrosomen trennen sich und wandern zu den Zellpolen (in der Illustration ganz rechts und ganz links lokalisiert). 4. Die Zentro-somen bilden Mikrotubuli, die sich zum Spindelapparat formen.

METAPHASED1–

Pol

Pol Äquatorial-ebene

Während der Metaphase:1. Kernhülle und Kern verschwinden. 2. Die Chromo-somen reihen sich entlang der Äquatorialebene der Zelle (die angedeu-tete Linie senkrecht in der Mitte der Illustration) auf.

ANAPHASED1–

Während der Anaphase:1. Mikrotubuli knüpfen an Proteine (Kinetochore) an, die an eine verengte Stelle (Zentromer) des Chromatids gebunden sind. 2. Die Schwesterchromatidenwerden von den Mikrotubuli des Spindelapparats zu entgegengesetzten Zellpolen gezogen.

TELOPHASED1–

Teilungs-furche

Während der Telophase:1. Eine neue Kernhülle bildet sich um die Chromosomen in der Nähe jedes der beiden Pole, während sich zwei Kerne und zwei Kernkörperchen zu zeigen beginnen. 2. Die Chromosomen entspulen sich und bilden das Chromatin. 3. Die Fasern des Spindelapparats verschwinden.

CYTOKINESEA1–

Teilungs-furche

Während der Cytokinese trennen sich die beiden Tochterzellen. Eine Furche (die sich verengt) bildet sich entlang der Äquatorialebene und schnürt die Zelle zunehmend ein, bis sie sich in zwei Teile trennt. Erste Anzeichen einer Teilungsfurche kann man schon in der Anaphase erkennen.

PLASMAMEMBRANA

KERNHÜLLEB

CHROMATINC

CHROMOSOM (46)D

KINETOCHORE

ZENTROSOMF

SPINDELFASERNG

Zellkern

Cytoplasma

PHASEN DESZELLZYKLUS

SC1

G2C1

MD1

CA1

G1C1

DNA-REPLIKATIONC2

freieNukleotide

ORIGINALSTRANGC2–

BASEN:*–

ADENINH THYMINH1

GUANINI CYTOSINI1

WASSERSTOFFBRÜCKENBINDUNGJ

DNA-POLYMERASEK

NEUER STRANGL

RÜCKGRATL1

Replikation ist der Prozess, in dem eine exakte Kopie des DNA-Moleküls angefertigt wird. Die doppelsträn-gige DNA im Chromatin entfaltet sich und trennt sich an den Stellen, wo die beiden Stränge verbunden sind (Wasserstoff-Brückenbindungen zwischen den Komplementärbasen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin). Jeder Strang besteht aus einem Rückgrat (Seitenteil der Leiter) plus angefügten Basen. Unterstützt von Enzymen wie der DNA-Polymerase und mithilfe der getrennten Originalstränge als Vorlage werden zwei neue Stränge synthetisiert, während Nucleotid-Bausteine an die Vorlage binden (Moleküle, die die Base zusammen mit Material für das Rückgrat, Zucker und Phosphat enthalten). Es entsteht immer eine exakte Kopie, weil nur Komple-mentärbasen anbinden. Adenin bindet nur an Thymin (und umgekehrt); Guanin bindet nur an Cytosin (und umgekehrt).

DNA-EXPRESSION UND PROTEINSYNTHESE

Um zu verstehen, wie die DNA die Zelle steuert, beginnen wir mit derFeststellung, dass Aktivitäten wie Wachstum, Reproduktion, Sekretionund Beweglichkeit letztlich alle aus chemischen Reaktionen abgeleitetwerden können. Von der Vielzahl an Produkten, die theoretisch ausden Stoffen, die die Zelle benutzt, hergestellt werden könnten, werdennur wenige innerhalb der Zelle produziert. Diese Produkte werdendurch die Aktivität von Enzymen „ausgewählt“, die als Katalysatorenspezifische Reaktionen beschleunigen. Für sich allein laufen die meis-ten fassbaren Reaktionen zu langsam ab, um von Wirkung zu sein. DieAnwesenheit eines spezifischen Enzyms stößt eine bestimmte Reak-tion einfach dadurch an, indem es sie beschleunigt. Auf diese Weisesteuern Enzyme chemische Reaktionen und zelluläre Aktivitäten.Doch was steuert die Enzyme? Sie bestehen aus Protein und werden injeder Zelle synthetisiert. Daraus folgt, dass die für die Proteinsynthesezuständige Instanz auch regelt, welche Enzyme anwesend sind, unddie Zelle steuert. Die DNA spielt hierbei die dominante Rolle, weil siedetaillierte Pläne für jedes Enzym enthält, das synthetisiert wird. Diesdeterminiert Wachstum und Entwicklung der einzelnen Zellen, derGewebe und des gesamten Organismus.

Proteine bestehen aus AminosäurenProteine sind Riesenmoleküle, die sich aus einer großen Anzahl vonAminosäuren aufbauen, deren Enden durch bestimmte chemischeBindungen (Peptidbindungen) so verknüpft sind, dass sie eine Kettebilden. Es gibt lediglich 20 verschiedene Arten von Aminosäuren inProteinen, und da Proteine oft hunderte von ihnen enthalten, musseine Art von Aminosäure in mehr als einer Position in der Kette er-scheinen. Wir können die Aminosäuren mit den Buchstaben des Al-phabets und die Proteine mit sehr langen Wörtern vergleichen. So wiedas Wort durch die genaue Abfolge von Buchstaben bestimmt wird,wird das Protein (und seine Eigenschaften) durch die Abfolge vonAminosäuren entlang der Kette bestimmt. Daraus folgt, dass die DNA,wenn sie den „Entwurf“ für den Proteinaufbau enthält, die Aminosäu-resequenz für dieses Protein enthalten muss. Aber wie?

Jede Aminosäure wird von einer Sequenz aus drei BasencodiertDie DNA (Tafel 3) besteht auch aus einer großen Anzahl von Bausteinen,den Stickstoffbasen, und die Eigenschaften des DNA-Moleküls sind de-terminiert durch die Reihenfolge dieser Basen als „Sprossen“ im leiter-artigen Kettenaufbau. Jede DNA kann auch als langes Wort betrachtetwerden, wobei die Basen die Buchstaben des Alphabets darstellen. Ob-wohl Proteine auf einem 20-Buchstaben-„Alphabet“ (20 Aminosäuren)aufbauen, hat die DNA nur vier Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin(C) und Thymin (T). Irgendwie liefert die Abfolge von nur vier verschie-denen Basenarten entlang der DNA-Leiter einen Code für die Verteilungvon 20 verschiedenen Aminosäuren in einer Proteinkette. Es kann keineEins-zu-eins-Übereinstimmung zwischen den Buchstaben der zwei Al-phabete geben, denn wenn jede Base mit einer einzelnen Aminosäurekorrespondieren würde, dann wäre die DNA nur imstande, für Proteineaus höchstens vier verschiedenen Aminosäuren zu codieren. Stattdes-sen wird eine Sequenz von drei Basen für die Codierung jeder Amino-säure benutzt. Wenn zum Beispiel die Basen C, C, G nacheinander inder DNA-Leiter vorkommen, ist das ein Code für die Aminosäure Gly-cin; die Sequenz A-G-Tcodiert für die Aminosäure Serin. Die SequenzC-C-G-A-G-T ist ein Signal für den Teil eines Proteins, wo Serin auf Gly-cin folgt. Bei gleichzeitiger Verwendung von immer drei Basen ist esmöglich, 64 unterschiedliche Kombinationen zu bilden (z.B. AAA,AAG, ... CCA, CTC, ... TTC, ... etc.), weit mehr, als für die Codierung von20 Aminosäuren nötig ist.

Messenger- und Transfer-RNAWie übersetzen die Zellen eigentlich den Code und wie bauen sie Pro-teine? Die DNAverbleibt stets innerhalb des Zellkerns, die Proteinewerden jedoch im Cytoplasma synthetisiert. Der erste Schritt ist alsodie Anfertigung einer Kopie des „Entwurfs“ und deren Transport indas Cytoplasma, ein Vorgang, der Transkription genannt wird. DasTranskript (die Kopie) dieses genetischen Codes ist ein Molekül na-mens Messenger-Ribonucleinsäure (mRNA), das in das Cytoplasmawandert, wo es mit Teilchen assoziiert, die Ribosomen heißen und dieSammelstellen für neue Proteine sind. Inzwischen sammeln andereRNA-Moleküle, tRNA (Transfer-Ribonucleinsäure), freie Aminosäu-ren, die für den Gebrauch aktiviert (mit Energie versorgt) wurden, im

Cytoplasma auf. Jedes tRNA-Molekül, verknüpft mit einer einzigenspezifischen Aminosäure, wandert zu den Ribosomen, wo seine Ami-nosäure an passender Stelle verwendet wird, indem sie sich von dertRNA löst und mit der sich bildenden Proteinkette verbindet.

Transkription: die mRNA erhält die „Botschaft“Angesichts dieses Szenarios ergeben sich zwei Probleme. Das erste istdie Transkription: Wie werden DNA-Entwürfe auf die RNA kopiert?Das zweite ist die Translation: Wie wird der Code benutzt, sodass dieAminosäuren immer in der richtigen Reihenfolge an das Protein gebun-den werden? Die Antworten auf beide Fragen begründen sich mit dergroßen Ähnlichkeit zwischen RNA und DNA. Sie unterscheiden sichdarin, dass 1. ihre Zucker geringfügig verschieden sind (Desoxyriboseund Ribose); 2. RNA gewöhnlich einsträngig ist, also nur aus einem Sei-tenteil der Leiter mit anhängenden Stickstoffbasen besteht, die halbe„Sprossen“ bilden; und 3. die RNA ebenso wie die DNA A, G und C ent-hält, T jedoch durch ein sehr ähnliches Molekül, Uracil (U), ersetzt ist.Die RNA ist also ein ähnliches „Vier-Buchstaben“-Molekül mit denBuchstaben A, G, C und U. Jede RNA, jedoch speziell die mRNA, wirdauf die gleiche Weise aus DNA gebildet, wie DNAweitere DNA bildet.Die doppelsträngige DNA reißt ein wenig auf und eines der beiden Sei-tenteile dient als Vorlage für die RNA-Bildung. Wie bei der DNA-Syn-these ist die Basensequenz in der RNA komplementär zu der Sequenzin der DNA-Vorlage, die sie gebildet hat. Ein Stück DNA mit der Se-quenz AGATCTTGTwird zum Beispiel ein Stück RNA mit der SequenzUCUAGAACA bilden. Jedes Basentriplett (drei Buchstaben) in dermRNAwird ein Codon genannt. Das Problem der Transkription wirddurch die Bildung eines RNA-Strangs gelöst, der nicht die Basense-quenz der Original-DNA dupliziert, sondern stattdessen die komple-mentäre Basensequenz als Codon enthält.

Translation: mRNA und tRNA interagierentRNA-Moleküle sind wie ein Kleeblatt geformt. Der Stiel enthält dieBindungsstelle für die Aminosäure, das Blatt enthält einen speziellenSatz von drei Basen (Anticodon genannt), der den Code für die Amino-säure, die gebunden werden soll, bildet. Da die mRNA-Codons den zurDNA und damit zum Aminosäure-Code komplementären Basensatzenthalten, haben folglich mRNA und tRNA komplementäre Basensätzeund bilden somit leicht lockere Wasserstoffbrücken-Bindungen. DietRNA reiht sich einfach, wie dargestellt, entlang den mRNA-Bindungs-stellen auf, sodass die Aminosäuren sich in der richtigen Sequenz befin-den und über Peptidbindungen verknüpft werden können. Tatsächlichbewegt das Ribosom sich den mRNA-Strang entlang und handhabt, wiedargestellt, nur zwei Aminosäuren gleichzeitig. Nachdem die Peptid-bindung zwischen den beiden Aminosäuren ausgebildet ist, löst sichdie tRNA, die am längsten am Ribosom angeheftet war, und hinterlässteine freie Stelle für die Bindung der nächsten tRNA (und Aminosäure)mit dem komplementären Anticodon. Auf diese Weise wächst die Pro-teinkette, bis die letzte oder die beiden letzten Codons auf der mRNAdas Ende signalisieren. Anschließend an diesen Translationsvorgangwerden die Proteine oft durch Faltung, Verkürzung oder Hinzufügenvon Kohlenhydraten verändert. Dieser Prozess nennt sich posttrans-lationale Modifikation.

MA

LHIN

WE

IS

Verwenden Sie eine dunkle Farbe für E und eine sehr helle Farbe für I. Ver-wenden Sie die gleichen Farben wie auf der vorhergehenden Tafel fürKernhülle (A), Chromatin (B) und Zellmembran (L). Beachten Sie, dassCodon-Tripletts (E) und Anticodon-Tripletts (H) Komplementärbasen sind,aber zu Identifikationszwecken unterschiedliche Farben erhalten sollen.1. Beginnen Sie mit dem Ausmalen der Zelle oben auf der Seite.2. Malen Sie die Vorgänge aus, die innerhalb des Zellkerns stattfinden undauf der rechten Seite gezeigt werden.3. Malen Sie das Schema für die Proteinsynthese im unteren Drittel derTafel aus.

4 ZELLPHYSIOLOGIE

1B

Cytoplasma

DIE ZELLE

TRANSKRIPTIONDNA➔RNA

(IM ZELLKERN)KERNHÜLLEA

CHROMATINBDNA-HELIX:

RÜCKGRATB1 BASEC

RNA-SYNTHESE:*MESSENGER-RNAD (RÜCKGRAT)D1

CODON-TRIPLETTSE (BASEN)E1

RNA-POLYMERASE-ENZYMF

TRANSFER-RNA (tRNA)G

ANTICODON-TRIPLETTH

Wenn die DNA nicht mit Replikation beschäftigt ist, steuert sie die Synthese von Proteinen, die verschiedene Zellfunktionen ausführen. Zu diesem Zweck produziert die DNA spezielle Kopien ihres Codes in Form von funktionell verschiedenen Typen von RNA-Molekülen (TRANSKRIPTION). Diese RNA-Moleküle wandern dann in das Cytoplasma, wo sie interagieren, um den von der DNA übertragenen Code zu exprimieren, woraus die Synthese spezifischer Polypeptidketten/Proteine resultiert (TRANSLATION). Alle Proteine sind Ketten aus 20 verschiedenen Aminosäuren (AS) in unterschiedlichen Anordnungen. Um RNA herzustellen, muss sich die DNA im Kern (1) teilweise entfalten (2). Unterstützt durch RNA-Polymerase-Enzyme (3) werden die entsprechenden RNA-Moleküle (4), wie Messenger-RNA (mRNA) (5) und Transfer-RNA (tRNA) (6), gebildet und in das Cytoplasma geschickt, wo AS zur Verfügung stehen (7). Energetisiert durch ATP (8) bindet jede AS mit dem korrespondierenden tRNA-Molekül und bildet einen tRNA-AS-Komplex (9). Die mRNA (5) trägt den Code für die Anordnung der AS in der Polypeptidkette. Die mRNA interagiert mit den Ribosomen (R) (10). Jedes R hat eine kleine und eine große Untereinheit. Während das R sich entlang der mRNA bewegt (11), binden die tRNA-Moleküle mit dem R-mRNA-Komplex entsprechend den zueinander passenden Codes in der mRNA und der tRNA. Während sie sich am Ribosom befinden, gehen die an die verschiedenen tRNA-Moleküle gebundenen AS untereinander Peptidbindungen ein und bilden so eine Polypeptid-(Protein-)Kette. Die Kette löst sich vom „Fließband“ (12) am R, wenn die Synthese beendet ist. In sekretorischen Zellen synthetisiert das R Proteine, während es an das endoplasmatische Reticulum gebunden ist.

Wasser-stoff-

brücken-Bindung

2C

Ker

np

ore

4D

3F

5D

Pore

KERN

6G

7J

9G

8M

11I

12K

CYTOPLASMA

13J1

14J1

15N

10I

POSTTRANSLATIONALE MODIFIKATIONPOLYSACCHARIDEN

Oft benötigen die fertiggestellten („übersetzten“) Polypeptide eine Faltung (13) oder Verkürzung (14), bevor sie voll funktionsfähig sein können. In einigen Fällen werden Polysaccharide angefügt (15).

TRANSLATIONRNA→PROTEIN(IM CYTOPLASMA)

RIBOSOMI –

GROSSE UNTEREINHEITI1

KLEINE UNTEREINHEITI2

AMINOSÄUREJ

POLYPEPTIDKETTEJ1

PEPTIDBINDUNGK

ZELLMEMBRANL

ATPM

STOFFWECHSEL:FUNKTION UND PRODUKTION VON ATP

Das Herumlaufen, das Pumpen von Blut, die Produktion komplexerZellstrukturen, der Molekültransport – diese und andere Alltagsaktivi-täten, die wir normalerweise für selbstverständlich halten, fordern alleeinen Preis: sie benötigen Energie. Diese Energie wird durch Nahrungzugeführt. Auf der einen Seite haben wir die Maschinen, die die Arbeitverrichten (Muskeln zum Beispiel); auf der anderen Seite haben wirdie Nahrung als Energiequelle. Irgendwie müssen sie verknüpft wer-den; die Energie muss aus der Nahrung gewonnen und in einer Formgespeichert werden, die für die Maschine direkt nutzbar ist. Die pri-märe von lebenden Organismen gebrauchte Speicherform ist das Mole-kül ATP (Adenosintriphosphat).

ATP ist die zelluläre EnergiewährungATP enthält drei in Serie gebundene Phosphatgruppen. Wenn sich dasendständige Phosphat abspaltet, wird es zum ADP (Adenosindiphos-phat); hierbei wird beträchtliche Energie freigesetzt. Wenn die pas-sende Maschinerie anwesend ist, kann der größte Teil dieser Energieeingefangen und für die Verrichtung von Arbeit genutzt werden. DasADP ist nicht einfach ein Abfallprodukt; es wird wiederverwendetund für die Synthese von neuem ATP benutzt.

Energiequelle für Arbeit*ATP ADP + P + Energie*

der Nahrung entzogene Energie*

Nach rechts verläuft die Reaktion, um die zelluläre Maschinerie fürKontraktion, Transport und Synthese mit Energie zu versorgen. Wennaber die abgespaltene Phosphatgruppe einfach auf die Maschine über-tragen wird, nimmt es die Energie mit und die Maschine wird mitEnergie versorgt. (Der molekulare Teil der Maschine, der die Phosphat-gruppe aufnimmt, hat nun einen höheren Energiegehalt, was ihm er-möglicht, Reaktionen einzugehen, die er sonst nicht eingehen könnte.)ATP ist die universelle Energiewährung wegen seiner Fähigkeit, zellu-läre Maschinerien zu phosphorylieren (das Phosphat auf sie zu über-tragen) und sie in einen höheren energetischen Zustand zu befördern.

Glucose wird in kleinen Schritten zerlegtNach links läuft die Reaktion ab, wenn Kohlenhydrate, Fette und Pro-teine durch chemische Reaktionen, die innerhalb der Zelle stattfinden,zerlegt werden (Stoffwechsel). In dieser Tafel konzentrieren wir unsauf die ATP-Bildung mittels Kohlenhydratstoffwechsel. Glucose ent-hält große Mengen an Energie, die freigesetzt werden kann, wenn diechemischen Bindungen, die ihre Atome zusammenhalten, gelöst wer-den. Wenn zum Beispiel 1 Mol (180 g) Glucose unter Bildung von CO2

und Wasser oxidiert wird, wird eine Energiemenge von 686.000 Kalo-rien (163.723 Joule) frei. Viele verschiedene Wege sind vorstellbar, umzu denselben Produkten zu gelangen, aber in jedem Fall würde die-selbe Energiemenge freigesetzt. Die Zelle muss die Glucose in kleinenkontrollierten Schritten zerlegen und den Großteil dieser Energie inForm von ATP einfangen, bevor sie als Wärme verloren geht. Zum Teilgelingt dies der Zelle, weil sie eine Reihe spezifischer Enzyme enthält,die die Reaktion in eine bestimmte Richtung beschleunigen (z.B. be-stimmen sie durch ihre Gegenwart den Weg des „geringsten Wider-stands“).

Anaerober Stoffwechsel (ohne O2) produziert Milchsäureund minimale Mengen ATPDie Energiegewinnung aus Glucose oder Glykogen (die Speicherformvon Glucose) beginnt immer mit einer Reaktionssequenz, die Glyko-lyse heißt; sie wandelt die Glucose in Pyruvat um, unter Produktionvon ATP. Beginnend mit Glukose-6-Phosphat wird die Reaktionsreihevorbereitet, indem zwei ATP-Moleküle eingesetzt werden, um das Mo-lekül zu phosphorylieren, bevor es in zwei C3-Körper zerlegt wird.Diese werden weiterverarbeitet, wobei sie vier neue ATP liefern, waseine Nettoausbeute von zwei ausmacht (4 – 2[ursprüngliche ATP] = 2).Die gesamte Sequenz besteht aus 10 Reaktionen, wovon jede von ei-nem spezifischen Enzym katalysiert wird, und endet mit der Produk-tion von zwei Pyruvatmolekülen (C3-Körper).

Für keinen dieser Schritte ist das Vorhandensein von O2 nötig.Wenngleich nur ein kleiner Anteil (etwa 2 %) der verfügbaren Energieim ursprünglichen Glucosemolekül als ATP gewonnen wurde, so kanndie Zelle offensichtlich ATP anaerob (in Abwesenheit von Luft oder

freiem Sauerstoff) bilden. Dieser glykolytische Prozess des Zerlegensvon Glucose funktioniert jedoch nur, wenn H-Atome aus dem Kohlen-stoffskelett herausgelöst und auf andere Moleküle, NAD+, übertragenwerden.

2 H (vom Kohlenhydrat) + NAD+ ! NADH + H+

Für jede Glucose werden 4 H auf 2 NAD+ übertragen. Die Gesamt-menge an NAD+ ist jedoch sehr klein (es entsteht aus dem Vitamin Nia-cin) und die Reaktion stoppt, wenn kein NAD* mehr vorhanden ist.NADH muss sein H irgendwo abladen, um ein neues aufnehmen zukönnen. Normalerweise dient O2 als endgültiger Abladeplatz für Hund es bildet sich H2O. In Abwesenheit von O2 dient das Pyruvatselbst als Müllkippe für H und es bildet sich Milchsäure. NAD+ zirku-liert und transportiert H von ganz oben im Glykolyseschema bis zumPyruvat und zurück (siehe Tafel).

Aerober Stoffwechsel (mit O2) produziert sehr viel mehrATP über die AtmungsketteIn Anwesenheit von O2 läuft die Glykolyse wie gehabt ab, aber jetztwird die Rolle des NAD+ (und eines ähnlichen H-Trägers, des FAD) of-fensichtlicher. Sie haben erfolgreich einen großen Teil der Energie ausder ursprünglichen Glucose gewonnen und die Anwesenheit von O2

ermöglicht die Nutzung dieser Energie zur Bildung von ATP. Anstattdas Pyruvat zu nutzen, geben hier die H-Träger ihr H und die Energiean die Atmungskette ab, ein System von Trägern (Carriern), das in denMitochondrienmembranen sitzt. In der Folge können die mit Energieversorgten Mitochondrienmembranen 3 ATP für jedes NADH, das vo-rüberkommt, bilden (wenn der H-Donator FAD ist, nur 2 ATP).

Darüber hinaus erlaubt die Verfügbarkeit der Atmungskette, die imPyruvat enthaltene Energie anzuzapfen. Anstatt H aufzunehmen undLactat zu bilden, spaltet das Pyruvat ein CO2 ab, und der übrig blei-bende C2-Körper (Acetat) wird über Acetyl-CoA in den Citratzyklusüberführt, wo er weiter zu zwei CO2-Molekülen abgebaut wird (sieheTafel 6). H wird wiederum von den H-Trägern vom Kohlenstoffskelettabgespalten und an die Atmungskette weitergegeben, woraufhin siefür die neue Aufnahme zurückkehren. Letztlich ist die Bilanz für diezelluläre Verbrennung eines Glucosemoleküls wie folgt:

Glykolyse: 2 ATP + 2 NADH + 0 FADH2

2 Pyruvat!Acetyl-CoA: 0 ATP + 2 NADH + 0 FADH2

2 Runden im Citratzyklus: 2 ATP + 6 NADH + 2 FADH2

Summe: 4 ATP + 10 NADH + 2 FADH2

ATP-Gesamtsumme (inklusiveH-Träger der Atmungskette): 4 + (10x3) + (2x2) = 38 ATP!

MA

LHIN

WE

IS

Benutzen Sie Rot für A und eine andere leuchtende Farbe für B, des Wei-teren eine blasse Farbe für D und eine helle Farbe für M.1. Fangen Sie mit dem oberen Feld an und vollziehen Sie nach, wie Sauer-stoff und Nährstoffe (die einen hohen Energiestatus darstellen) im Stoff-wechsel einer Körperzelle verarbeitet werden.2. Malen Sie den anaeroben Weg links aus bis hinunter zur „Straßensperre“O2.

3. Malen Sie den aeroben Stoffwechselweg aus. Beachten Sie, dass der Teilüber die Glykolyse (oberhalb der gestrichelten Linie) eine vereinfachte Ver-sion desselben Prozesses ist, der anaerob auftritt, mit der Ausnahme, dasskeine Milchsäure gebildet wird. Folgen Sie dieser Abbildung entlang biszur tatsächlichen Produktion von 34 ATP. Eine detailliertere Erklärung desCitratzyklus und der Atmung ist auf Tafel 6 dargestellt.

5 ZELLPHYSIOLOGIE

ATATPA ÜBERTRÄGT ENERGIE FÜR DIE ARBEIT DER ZELLE

Zelluläre Maschinen verrichten Arbeit. Einige transportieren Materialien, andere heben Gewichte (Muskelzellen) und wieder andere synthetisieren komplexe Moleküle und Strukturen aus einfachen Grundstoffen. Die Nahrung stellt die Energie zur Verfügung, doch ATP (Adenosintri-phosphat), eine intermediäre Substanz, überträgt die Energie von der Nahrung auf die zelluläre Maschinerie. Wenn Nahrung in einem Ofen verbrannt wird, wird Energie als Wärme und Licht freigesetzt. Wenn

dieselbe Nahrung in den Stoffwechselreaktionen der Zelle (1) „verbrannt“ wird, wird ein großer Teil dieser Energie durch die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat aufgefangen. ATP kann wiederum die Zellmaschinerie mit Energie versorgen. Es tut dies (2), indem es sein terminales Phosphat (~P) auf die Maschinerie überträgt und diese dadurch auf ein höheres Energieniveau hebt, wo sie an mehr Reaktionen teilnehmen und zelluläre Arbeit verrichten kann (3).

(HOHE ENERGIEB)(GERINGE ENERGIEB)

ATPATPA

(HOHE ENERGIE)B

ARBEITB

KÖRPERWÄRMEB

chemische mechanische elektrische

(GERINGE ENERGIE)D

ZELLSTOFFWECHSELC

(HOHE ENERGIEB)O2E + NAHRUNGB

ZELL-MASCHINERIE*

WIE ATP GEMACHT WIRDAANAEROB* (KEIN O2)E

1 GLUCOSEMOLEKÜLF

LAC.I1 LAC.I1PYRUVATI

„STRASSENSPERRE“*– KEIN O2E

(Wasserstoffträger)

GlykolyseFATP kann in Abwesenheit von O2 durch Glykolyse gebildet werden. Beginnend mit dem 6-Kohlenstoff(6-C)-Zucker Glucose wird die Reaktionsfolge angestoßen, indem zwei Moleküle ATP für die Phophorylierung dieses Moleküls investiert werden, bevor es in zwei 3-Kohlenstoff-Fragmente gespalten wird. Diese werden so weiterver-arbeitet, dass vier neue ATP entstehen, was einem Nettogewinn von zwei ATP entspricht (4-2[ursprüngliche ATP] = 2). Dies funktioniert nur, wenn H-Atome von den Kohlenstoffskeletten abgespalten und auf H-Träger wie NAD+ übertragen werden. Für jedes Glukosemolekül werden vier H auf zwei NAD+ übertragen. Die Gesamtmen-ge von NAD+ ist jedoch sehr klein und die Reaktion würde zum Erliegen kommen, wenn kein NAD+ mehr vorhanden wäre. NAD+ muss folglich sein H irgendwo loswerden, bevor es zurückkehren und neues aufnehmen kann. Normalerweise dient O2 als endgültiger Bindungspartner für H und reagiert mit diesem zu H2O. In Abwesenheit von O2 dient Pyruvat, welches selbst ein Produkt der Glykolyse ist, als Endlager für H und Lactat entsteht. NAD+ zirkuliert, indem es H von hoch oben im Glykolyseschema zum Pyruvat und zurück trägt.

GLYKOLYSEF + ATMUNGMWenn O2 vorhanden ist, findet die Glykolyse wie gehabt statt, nur wird die Rolle von NAD+ (und einem ähnlichen H-Träger, FAD) offensichtlicher. Wenn sie ihren H auf die Atmungskette (anstatt auf das Pyruvat) übertragen, versorgen sie die Membranen der Mitochondrien mit Energie, die 3 ATP für jedes aufgebaute NADH produzieren können (bei FAD als H-Donator nur 2 ATP). Darüber hinaus erlaubt die Verfügbarkeit des respiratorischen Systems, dass die Energie, die im Pyruvat enthalten ist, angezapft wird, während es zu Acetyl-CoA und dann, im Lauf des Citratzyklus, zu CO2 abgebaut wird. H wird wiederum von den Kohlenstoffskeletten abgespalten und auf die H-Träger, die es an die Atmungskette weitergeben und dann zur erneuten Beladung zurückkehren, übertragen. Das Nettoergebnis zweier Runden des Citratzyklus ist die Produktion von 10 NADH und 2 FADH2. Aus diesen produziert das respiratorische System10×3 + (2×2) = 34 ATP. Zählen Sie die 2 ATP, die während der Glykolyse produziert, und zusätzliche 2, die im Citratzyklus gebildet werden, dazu, und wir kommen auf eine Summe von 38 ATP! Vergleichen Sie das mit den nur 2 ATP, die gebildet wurden, als O2 fehlte und der Stoffwechselweg die Umleitung über Lactat nahm.

ATMUNGSKETTEM

CITRAT-ZYKLUS

ACETYL-COENZYM AJ

PYRUVATI

AEROBE (O2)E

1 Glucosemol.F

GLY

KO

LYSE IM

ZYTO

PLASM

AA

TMU

NG

IN D

EN M

IRO

CH

ON

DR

IEN

(Wasserstoffträger)

PiD + ADPD1

2l

+1A +1A

3*

2*

1*

PiD

PB

+

+

Kohlenhydrate und Fette

CO2D + H2OD

(GERINGE ENERGIE)D

NAD+G

WASSERSTOFFH

NADGHH+ HH

+

FADL

FADLH2H +2

+2

34 (ADPD + PiD) 34 AT34 ATPA

O2E

CO2L

CO2L

H2OH

2I

2L

8G

2G

STOFFWECHSEL: ATMUNG UND DERCITRATZYKLUS

Tafel 5 konzentrierte sich auf den Abbau von Kohlenhydraten, ins-besondere von Glucose, bei der Bildung von ATP. Fette und Proteinewerden ebenfalls für diesen Zweck verwendet, wobei die Stoffwech-selwege jedoch eine gemeinsame Endstrecke haben – den Citratzyklusund die Atmungskette, wie im Folgenden dargestellt. Um einen Über-blick über die Reaktionen zu bekommen, die mit der Bildung von ATPzu tun haben, können wir die Oxidation der Nahrungsstoffe zweck-mäßigerweise in drei Schritte einteilen:

Schritt I. Gewinnung von Glucose, Glycerin, Fett und Aminosäuren– Makromoleküle in der Nahrung werden in einfachere Verbindungenzerlegt. Proteine werden in Aminosäuren abgebaut, Fette in Glycerinund Fettsäuren und große Kohlenhydrate (z.B. Stärke, Glykogen,Saccharose) werden in einfache 6-Kohlenstoff-Zucker verstoffwech-selt, die der Glucose ähneln.

Schritt II. Der Stoffwechsel von Glucose, Glycerin, Fett- und Ami-nosäuren konvergiert bei Acetyl-CoA – Diese Bestandteile spieleneine zentrale Rolle im Stoffwechsel. Die meisten von ihnen (ein-schließlich einfacher Zucker, Fettsäuren, Glycerin und einiger Amino-säuren) werden zu dem gleichen 2-Kohlenstoff-Fragment, nämlichAcetat, abgebaut. Dieses bindet an das unverzichtbare Molekül Coen-zym A (abgekürzt CoA) und tritt als das so genannte Acetyl-CoA in denCitratzyklus ein.

Schritt III. Die gemeinsame Endstrecke: Citratzyklus und Atmungs-kette – Dieser finale Schritt besteht aus dem Citratzyklus und der At-mungskette (auch Elektronentransportkette genannt) zusammen mitder damit verbundenen Synthese von ATP. Von Acetyl-CoA aus ist derStoffwechselweg für alle Nahrungsstoffe derselbe. Diese Tafel beschäf-tigt sich mit dieser gemeinsamen Endstrecke (Schritt III), die nur inAnwesenheit von O2 stattfindet.

Acetyl-CoA tritt in den Citratzyklus ein und führt zurBildung von 3 NADH, 1 FADH2 und 1 ATPWenn wir kurz zu unserem Beispiel des Glucosestoffwechsels zurück-kehren, erinnern Sie sich bitte, dass ein Molekül Glucose einen Netto-gewinn von zwei ATP, zwei NADH und zwei Pyruvat erzielt. In Anwe-senheit von O2 wird Pyruvat nicht zur Bildung von Lactat verwendet,da NADH sein H an O2 bindet (über die Atmungskette, siehe unten)und damit das Pyruvat frei ist, in andere Reaktionen einzutreten. Diezwei Pyruvatmoleküle bewegen sich in die Mitochondrien in Vorberei-tung auf ihren Eintritt in den Citratzyklus. Ein vorgeschalteter Reak-tionsschritt baut sie in 2-C-Fragmente (Acetatmoleküle) um, die an Co-enzym-A (CoA) gebunden werden und Acetyl-CoA ergeben. Beidiesem Vorgang wird Energie gewonnen, indem H auf NAD+ übertra-gen und CO2 gebildet wird. Acetyl-CoAwird auch bei der Verbrennungvon Fetten und Proteinen gebildet und spielt eine Schlüsselrolle beider Einspeisung von 2-C in den Citratzyklus. Das Acetat wird von CoAgetrennt und verbindet sich mit einer 4-C-Struktur zum 6-C-MolekülCitrat, womit der Zyklus beginnt. Wie dargestellt, produziert jederDurchlauf des Zyklus 3 NADH, 1 FADH2 und 1 ATP, wobei die Kohlen-stoffreste des ursprünglichen Acetats als CO2 abgegeben werden.

NADH und FADH2 laden ihr H auf die Atmungskette abWie auch die Glykolyse wird der Citratzyklus mit quietschendenBremsen zum Stehen kommen, sobald alle H-Träger (NADH undFADH2) mit H beladen sind. Allerdings wird H auf die Atmungskette,die an der Mitochondrienmembran lokalisiert ist, entladen. Dabei wer-den NAD+ und FAD regeneriert, sodass sie am weiteren Stoffwechselteilnehmen können. Die Atmungskette ist ein System von Elektronen-und H-Trägern, das in das innere Blatt der mitochondrialen Doppel-membran eingebettet ist.

Zusätzlich zur Regeneration von NAD+ und FAD pumpt die At-mungskette auch H+-Ionen in den Raum zwischen den beiden Mito-chondrienmembranen. Diese Ionen werden in der letztendlichen Syn-these von ATP gebraucht.

Die Atmungskette pumpt H+ in den Raum zwischen denMitochondrienmembranenUm die Atmungskette zu verstehen, ist zu erinnern, dass einneutrales H-Atom aus einem Elektron und einem H+ besteht(d.h. H = H+ + 1 Elektron). Wenn NADH am ersten Träger der Atmungs-kette auf der Innenseite der inneren mitochondrialen Membran an-

kommt, transferiert es zwei Elektronen und ein H+. Ein weiteres H+

wird aus der umgebenden Lösung aufgenommen und die Elektronenund H+ (= 2 H) werden von der Innen- zur Außenseite transportiert. Andiesem Punkt trennen sich die Wege der Komponenten des H (H+ undElektronen). H+ wird im schmalen Raum zwischen den beiden Mito-chondrienmembranen deponiert, während die Elektronen zur Innen-seite zurückkehren, um ein weiteres Paar H+ aus der umgebenden Lö-sung abzuholen. Diese Reise durch das innere Membranblatt wirdnoch zweimal wiederholt, sodass sich drei Rundreisen ergeben. Nachder dritten Runde werden die Elektronen vom O2 aufgenommen undbilden zusammen mit H+ aus den umgebenden Flüssigkeiten Wasser.

ATP wird gebildet, wenn H+ zurück„leckt“Nach jeder dieser drei Runden werden zwei H+ im Spalt zwischen denMembranen deponiert, sodass die H+-Konzentration ansteigt. Diese H+

„lecken“ in die Matrix der Mitochondrien zurück über einen bestimm-ten Proteinkomplex, die ATP-Synthase, die einen Kanal durch dieMembran bildet. Die Energie, die H+ abgibt, wenn es sowohl aufgrundseiner hohen Konzentration als auch mittels elektrischer Kräfte durchdiese Kanäle getrieben wird, wird für die Synthese von ATP aus ADPund Phosphat (Pi) benutzt.

FADH2 unterscheidet sich von NADH; es überträgt seine 2 H auf dieAtmungskette unterhalb der Übertragungsstelle des NADH, wo nurzwei Runden durch die Membran zur Verfügung stehen. Das Ergebnisist, dass es nur 4 H+ durch die Mitochondrienmembran trägt, was wie-derum die Tatsache erklärt, dass es nur Energie für die Synthese vonzwei (statt drei) ATP liefert.

Spezielle Systeme transportieren Substrate durch dieMitochondrienmembranDer Citratzyklus und die ATP-Synthese finden in den Mitochondrienstatt; andere Funktionen (z.B. die Glykolyse) ereignen sich im Cyto-plasma. Spezielle Transportsysteme innerhalb der Mitochondrien-membran, die Material hinein- und hinaustragen, umgehen diese Ein-schränkungen. Das Transportsystem für neu synthetisiertes ATP treibtATP im Austausch gegen ADP aus (Gegentransport, siehe Tafel 9), dasfür die weitere ATP-Produktion verwendet wird. Es gibt noch anderespezialisierte Transportsysteme für Pyruvat und das in der Glykolysegebildete NADH. NADH selbst überquert die Membran nicht; stattdes-sen überträgt es sein H an der Außenseite auf H-Träger, die es zu deninneren Oberflächen transportieren. Hier wird H von NAD+, das in denMitochondrien gefangen ist, aufgenommen. Es wird zu NADH, dasnun Zugang zur Atmungskette hat. In einigen Mitochondrien wird dasH von FAD statt von NAD+ aufgenommen, was einen Energieverlustzur Folge hat. In diesen Mitochondrien wird die Nettoproduktion, diebei der Verbrennung eines Glucosemoleküls anfällt, 36 anstatt 38 ATP-Moleküle sein.

MA

LHIN

WE

IS

Benutzen Sie die gleiche Farbe für die Überschriften wie auf der vorgehen-den Seite (beachten Sie, dass die Buchstaben-Kennzeichnungen unter-schiedlich sind, und prüfen Sie diese sorgfältig): A, C, D, E F, G, I, J, P, Q, Rund S. Gebrauchen Sie dunkle Farben für B und K.1. Beginnen Sie oben auf der Seite mit dem Eintritt des Pyruvats vom Cyto-plasma in den Citratzyklus. Es ist nicht notwendig, die Bezeichnungen derverschiedenen Säuren in diesem Zyklus auszumalen.2. Beginnen Sie das untere Feld mit der kleinen Schnittzeichnung einesganzen Mitochondriums. Malen Sie den vergrößerten rechteckigen Teil ausund beachten Sie dabei, dass die Pfeile auf der linken Seite den Eintritt vonPyruvat (F) und Wasserstoff-Ionen (D) markieren.3. Malen Sie die nächste Vergrößerung aus. Beachten Sie, dass die innereMatrix (N) und der Intermembranraum (L) farblos bleiben. Beginnen Siedie obere linke Seite mit dem Ausmalen der Passage des H+ durch dieMembran mittels des Elektronenträgers (P). Beachten Sie, dass die Elektro-nen, die über den Weg dieses Systems transportiert werden, nicht gezeigtsind. Folgen Sie dem H+-Anstieg im Intermembranraum und seiner Passagezurück in die Matrix.

6 ZELLPHYSIOLOGIE

CITRATZYKLUSA

KOHLENSTOFFB CB

NAD+C

WASSERSTOFFD

NADC HHD+H+D

FADE

FADE H2D

Während der Glykolyse werden aus jedem Glucosemolekül zwei Pyruvatmoleküle gebildet. Diese bewegen sich in Vorberei-tung auf ihren Eintritt in den Citratzyklus in die Mitochondrien hinein. Ein dem Zyklus vorgeschalteter Schritt baut sie zu 2-C-Fragmenten (Acetat) um, die an Coenzym A (CoA) binden und somit eine Verbindung namens Acetyl-CoA bilden. Bei diesem Vorgang wird durch den Übergang von H auf NAD+ Energie frei und CO2 wird gebildet. Acetyl-CoA wird auch bei der Verbrennung von Fetten und Proteinen gebildet. Das Acetat reagiert mit einer 4-C-Struktur unter Bildung des C-6-Citratmoleküls und der Zyklus beginnt. Wie dargestellt, produziert jeder Umlauf des Zyklus 3 NADH (+ 3 H+), 1 FADH2 und 1 ATP. Die C-Reste des ursprünglichen Acetatmoleküls werden schließlich als2 CO2 freigesetzt.

PYRUVAT

COENZYM A

AUS DER GLYKOLYSEF

+2ATPG

zur AtmungsketteACETYL-COAI

CCCCB

CITRATCCCCCCCCCCCB

ACONITATCCCCCCCCCCCB

CIS-ISOCITRATC CCCCCCCCCCCB

KETOGLUTARATC CCCCCCCB

ZUR ATMUNGSKETTEP

ADPJ

SUCCINATCCCCCCCB

FUMARATCCCCCCCB

MALATCCCCCCCB

OXALACETATCCCCCCCB

CITRATZYKLUSA

DAS MITOCHONDRIUM

ÄUSSERE MEMBRANK

INTERMEMBRANRAUML

INNERE MEMBRANM

MATRIXN

CYTOPLASMAO

Citrat-zyklus

DIE ATMUNGSKETTEP

ELEKTRONENTRÄGERP1

ATP-SYNTHASEQ

INTER-MEMBRAN-

RAUM

H+D

34ATPG

34ATPJ

Gegen-transportCITRAT-

ZYKLUSA

NA

DH

D +

H+

D

NA

D+

C

FAD

EH2D

FAD

E

2H+D + ½O2R

H2OADPADPJ

MATRIX

ATPG

Mitochondrien haben eine Doppelmembran. Die Atmungskette ist ein System von Elektronen- und H+-Trägern, die in die innere Membran eingebettet sind. NADH kommt am ersten Träger an und überträgt zwei Elektronen und ein H+. Ein weiteres H+ wird aus der umgebenden Lösung aufgenommen und beide Elektro-nen sowie 2 H+ werden von der Innen- zur Außenseite getragen, wo die H+ im Intermembranraum abgeladen werden. Die Elek-tronen kehren zurück, nehmen ein weiteres H+-Paar auf und wiederholen die Reise noch zweimal, was in der Summe drei Runden ergibt. Jedes Mal werden zwei H+ im Intermembranraum abgeladen, sodass die H+-Konzentration ansteigt. Diese H+

„lecken“ durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix des Mitochondriums. Die Energie, die durch die Bewegung vonH+ durch diese Kanäle von einer hohen zu einer niedrigen Konzentration hin frei wird, wird zur Synthese von ATP aus ADP und Phosphat (PI) benutzt. Das neu synthetisierte ATP bewegt sich aus der mitochondrialen Matrix mittels eines speziellen Transportsystems, das es gegen ADP austauscht, das wiederum für die weitere ATP-Produktion genutzt wird. Beachten Sie, dass nach der dritten Rundreise die Elektronen nicht mehr „nützlich“ sind. Ihre Energie ist aufgebraucht und wenn sie sich ansammeln, wird der respiratorische Prozess angehalten. Die Aufgabe des O2 ist es einfach, diese Ansamm-lung zu verhindern. O2 nimmt Elektronen auf und bildet zusammen mit H+ aus der Umgebungsflüssigkeit Wasser.

ATPG

CO2 B1

CO2 B1

+1G

C

DIE STRUKTUR VON ZELLMEMBRANEN

Membranen sind ubiquitär! Sie definieren nicht nur die Grenzen vonZellen und subzellulären Organellen, sondern übertragen auch Signaleüber diese Grenzen hinweg, enthalten Enzymkaskaden, die für denStoffwechsel essenziell sind, und regulieren, welche Substanzen indie Zelle hineingelangen und sie verlassen. In vielerlei Hinsicht ähneltdie Zellmembran der Burgmauer alter Städte; durch die Regelung desein- und ausführenden Verkehrs entscheidet die Membran maßgeblichüber den Haushalt der Zelle.

Zellmembranen sind aus Proteinen aufgebaut, die ineiner Lipiddoppelschicht treibenObwohl die verschiedenen Membranen auch unterschiedlich zusam-mengesetzt sind, haben alle Zellmembranen eine gemeinsame ein-fache Struktur. Sie sind aus Proteinen aufgebaut, die in einer flüssigenDoppelschicht (zwei Schichten Rücken an Rücken) von Lipiden trei-ben. Wie formieren sich solche Doppelschichten? Was hält sie zusam-men? Obwohl Membranmoleküle miteinander interagieren, scheinendie einfachen Kräfte, die die Membran zusammenhalten, aus den Inter-aktionen zwischen Membran und Wasser sowie zwischen Wasser undWasser zu resultieren.

Wassermoleküle interagieren miteinander und mitanderen polaren MolekülenWasser ist ein asymmetrisches Molekül mit den beiden Wasserstoffato-men auf der einen Seite des Moleküls und dem Sauerstoff auf der an-deren Seite. Außerdem befinden sich die Elektronenwolken, die dasMolekül ausmachen, tendenziell näher am Sauerstoff als am Wasser-stoff. Da Wasser netto ungeladen ist, hat es folglich einen negativen Polnahe dem Sauerstoff und einen positiven Pol nahe dem Wasserstoff.Wir bezeichnen Wasser daher als polar im Gegensatz zu elektrischsymmetrischen Molekülen wie Kohlenwasserstoffen, die unpolar sind.In gewöhnlichem Wasser wird das positive Wasserstoffende einesWassermoleküls nicht nur vom negativen Sauerstoffende seines Nach-barn angezogen, sondern kann sogar eine schwache chemische Bin-dung mit ihm eingehen (Wasserstoff-Brückenbindung oder H-Brü-cken). Flüssiges Wasser hat daher eine Struktur: Obwohl es kein festesKristall wie Eis ist, enthält es eine Vielzahl von Aggregaten von bis zuacht oder zehn Molekülen, die lose durch H-Brücken zusammengehal-ten werden.

So wie Wassermoleküle durch polare Anziehung oder Bildung vonH-Brücken miteinander interagieren, treten sie auch mit anderen pola-ren Molekülen in Wechselwirkung und bilden Mikrostrukturen. Sieinteragieren jedoch nicht mit unpolaren Molekülen. Unpolare Mole-küle werden daher aus der wässrigen Phase ausgeschlossen; sie sindunlöslich. Die Wassermoleküle, die „einander suchen“, werfen unpo-lare zu lösende Stoffe aus, so wie im übertragenen Sinn ein Seifenstückvon einer sich schließenden Faust ausgeworfen wird. Die aus diesemPhänomen resultierenden Kräfte werden als hydrophobe Wechselwir-kungen und unpolare Substanzen als hydrophob bezeichnet.

Phospholipide haben polare Köpfe und unpolareSchwänzeDie meisten Membranlipide sind Phospholipide; diese haben eineduale Struktur. Ein Ende, der „Kopf“, ist polar (hydrophil) und wirdvon Wasser angezogen. Der restliche „Schwanz“ ist unpolar (hydro-phob) und wird von Wasser ausgeschlossen. Diese Unvereinbarkeitder beiden Enden ist der Schlüssel zur Membranstruktur. Wenn Phos-pholipide mit Wasser gemischt werden, treten Kräfte auf, die dazu ten-dieren, den Kopf dem Wasser zuzuwenden und den Schwanz aus-zuschließen. Die Abbildungen zeigen, wie beiden Kräften entsprochenwerden kann, indem Mizellen oder Doppelschichten gebildet werden.Cholesterin ist ein weiterer verbreiteter Lipidbestandteil von Membra-nen. Es füllt einige der Spalten zwischen den Schwänzen aneinander-liegender Phospholipidmoleküle und beeinflusst die Fluidität derMembran, indem es die Interaktionen und Bewegungen der Schwänzemoduliert.

Membranproteine haben polare wasserexponierteRegionen und unpolare Regionen, die in dieDoppelschicht eingebettet sindÄhnliche Prinzipien gelten auch für die Proteine, die Teil der Mem-bran sind. Proteine bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren, vondenen einige eher polar und andere eher hydrophob sind. Obwohl Pro-

teine keine so offensichtliche Unterteilung in Kopf oder Schwanz ha-ben, sind sie so gefaltet, dass ihre hydrophoben Abschnitte der wäss-rigen Phase abgewandt und in den hydrophoben Teil desMembrankörpers eingebettet sind; ihre polaren Anteile sind dem Was-ser zugewandt.

Spezifische Membranproteine erfüllen spezifischeAufgabenEinige Membranproteine spielen eine Rolle beim Transport von Stof-fen in die Zelle hinein bzw. aus ihr heraus. Andere fungieren als Re-zeptoren für Hormone oder katalysieren spezifische chemische Reak-tionen. Wieder andere dienen als Verbindung zwischen Zellen oder als„Anker“ für Strukturelemente innerhalb der Zelle.

Jene Proteine, die sich durch die gesamte Dicke der Membran hin er-strecken, sind beiden Oberflächen ausgesetzt. Sie dienen oft dem Ein-oder Auswärtstransport von Stoffen. Einige scheinen Gruppen vonvielleicht zwei bis vier Molekülen in der Membran zu bilden und beieinigen geht man davon aus, dass sie so gefaltet sind, dass ihre polarenAnteile einen inneren Kern begrenzen, der durch das Innere des Mole-küls oder durch das Zentrum einer Molekülgruppe durchbohrt. Diesstellt einen Kanal für kleine polare Moleküle dar, insbesondere fürWasser und Ionen, und ermöglicht deren Durchtritt durch die Mem-bran. Einige dieser Kanäle können „Tore“, „Filter“ oder andere Ein-richtungen enthalten, die den Verkehr regeln. Dieser Gedanke wird inspäter folgenden Tafeln wieder aufgenommen.

Die Zelloberfläche hat einen KohlenhydratmantelDie Präsenz einiger Moleküle ist auf nur eine Seite der Membran be-schränkt. An Proteine oder Phospholipide, die sich auf der äußerenOberfläche der Membran (der Außenseite der Zelle) befinden, sind oftKohlenhydratketten gebunden; sie werden als Glykoproteine bzw. alsGlykolipide bezeichnet. Diese externen Kohlenhydrate dienen derZelle als „Schmierfilm“ und verhindern deren „Anheften“ und mecha-nische oder chemische Beschädigung. Zusätzlich spielen sie einewichtige Rolle bei der Zell-Zell-Erkennung und der Adhäsion. DieseKohlenhydrate haben darüber hinaus antigene Eigenschaften (z.B. alsBlutgruppenantigene des AB0-Systems – Tafel 144).

MA

LH

INW

EIS

Verwenden Sie Hellblau für B und eine dunkle Farbe für H.1. Fangen Sie mit dem polaren Abschnitt des Phospholipidmoleküls anund beachten Sie dabei die dicken Umrisse, die das Molekül in drei Farb-flächen (C, D und E) unterteilen. Aus diesen Flächen besteht der Kopf (A)in der symbolischen Abbildung rechts.2. Malen Sie den unpolaren Abschnitt aus und fahren Sie fort mit demCartoon in der Mitte. Malen Sie dann die beiden Formen aus, die die mögli-chen Endergebnisse darstellen: Mizelle oder Lipiddoppelschicht.3. Malen Sie den Abschnitt aus, der die Zellmembran darstellt, einschließ-lich der kleinen Zeichnung einer Zelle. Beachten Sie, dass die Wasserflä-chen, die an beide Seiten der Membran angrenzen, mit Ausnahme der Be-schriftungen, die ihre Lokalisierung bezeichnen, ungefärbt bleiben.

7 ZELLPHYSIOLOGIE

DAS PHOSPHOLIPIDMOLEKÜLKohlenstoff

Stickstoff

Wasserstoff

STRUKTURMODELL

PhosphorSauerstoff

KOPFA

SCHWANZFSYMBOL

POLARER ANTEILA (HYDROPHIL)A

GELADENE GRUPPE:*ALKOHOLEC

PHOSPHATD

GLYCERINE

WASSERB

UNPOLARER ANTEIL (HYDROPHOB)F

FETTSÄUREKETTEF1

Das Mischen von Phospholipiden mit Wasser führt zu Strukturen, bei denen die polaren Kopfgruppen im Wasser verbleiben, während die unpolaren Schwänze ausgeschlossen werden. Dies kann zu verschiedenen Anordnungen führen: Die einfachste sind sphärische Mizellen; ihre Schwanzgruppen vermeiden den Kontakt zu Wasser, indem sie dem wasserfreien Kern der Mizellen zugewandt sind. Vesikel, die von Lipiddoppelmembranen umgrenzt sind, sind zellähnlicher. Ihre Schwänze vermeiden den Wasserkontakt, indem sie sich so aneinanderlagern, dass die Kopfgruppen entweder dem Wasser außerhalb oder innerhalb des Vesikels zugewandt sind.

MIZELLE*

ODER

LIPIDDOPPELSCHICHT*

DIE ZELLMEMBRANLIPIDDOPPELSCHICHT:* POLARA UNPOLARF

PROTEING

KANALH

KOHLENHYDRATI

Membranproteine sind so gefaltet, dass ihre polaren Teile dem Wasser zugewandt sind, während ihre unpolaren Teile tiefer in die hydrophoben Abschnitte des „Bilayers“ eingebettet sind. Einige Proteine durchspannen die gesamte Membran; sie sind oft am Transport von Stoffen in die Zelle oder aus der Zelle beteiligt. Andere Proteine sind nur an einer Seite der Membran lokalisiert. Spezifische Proteine, die in die Membran eingebettet sind, erfüllen ganz bestimmte Funktionen. Einige dienen dem Transport, andere als Hormonrezeptoren, wieder andere katalysieren spezifische chemische Reaktionen oder stellen Verbindungen zwischen den Zellen dar.

Zuckermolekül

ZELLE

Glykoprotein

unpolar

polarCYTOPLASMA DER ZELLEB2-

EXTRAZELLULÄREFLÜSSIGKEITB1-