Zellbiologie

Grundvorlesung ellbiologie, Kaiserslautern, Prof. Dr. Herrmann – 1

Skript zur ellbiologie

Grundstudium Biologie, Uni Kaiserslautern

Dieses Skript stellt ein erweitertes Inhaltsverzeichnis der Grundstudiums-Vorlesungen zur ellbiologie dar. Es soll das Vor- und Nacharbeiten der Vorlesungen erleichtern und den Studierenden zur Orientierung dienen. Es dient zusammen mit den Folien der Vorlesungen als Arbeitsgrundlage, die das Mitschreiben während der Vorlesung deutlich erleichtern soll, so dass die Studierenden sich besser auf den Inhalt der Vorlesung konzentrieren können. Es kann weder das Studium von Lehrbüchern, noch den Besuch der Vorlesung ersetzen!

Lehrbücher zur Vorlesung: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Alberts, Lehrbuch der molekularen ellbiologie, Wiley-VCH, 3. Aufl., 69.- € Pollard, Earnshaw, Cell Biology, Saunders, 1. Aufl., 59,50 € Alberts, Molekularbiologie der elle, Wiley-VCH, 4. Aufl., 119,- € Lodish, Molecular Cell Biology, Freeman, 4. Aufl., 119,95$ Karp, Molekulare ellbiologie, Springer, 1. Auflage, 59,95 € Plattner, Hentschel: ellbiologie, Thieme, 3. Auflage, 34.95 €

I. ellen – Grundelemente aller Lebewesen

Alle Organismen bestehen aus ellen, die sich in ihrem Aufbau und ihren Grundfunktionen ähneln. ellen sind nach außen von einer ell- oder Plasmamembran umschlossen, die den regulierten Austausch von Substanzen mit der Umgebung ermöglicht. Alle ellen haben einen Stoffwechsel, was bedeutet, dass sie mit einer Vielzahl von Enzymen Stoffe auf- und abbauen und Energie für ihre Lebensvorgänge gewinnen. Alle ellen enthalten Erbinformation in Form von DNA und geben diese bei der ellteilung (Mitose) an ihre Nachkommen weiter. Alle derzeit lebenden ellen gehen wahrscheinlich auf einen gemeinsamen Ursprung zurück. Wie Leben auf der Erde entstanden ist, lässt sich heute nicht mehr sicher nachstellen. Wahrscheinlich ist aber, dass sich in chemischen Prozessen der jungen Erde Makromoleküle bildeten (vor allem Proteine, RNAs und Lipide), die sich zu zellähnlichen Verbänden zusammenlagerten. Durch die Bildung abgrenzender Membranstrukturen wurde schließlich ein Wettbewerb dieser Makromolekülgesellschaften möglich. Dies war die Grundlage dafür, dass durch Differenzierung und Auslese im Laufe der Evolution sich all die unterschiedlichen ellen – und Organismen – bilden konnten, die sich auf der Erde finden.

Die Bausteine der ellen

Vier Gruppen von Makromolekülen sind für den Aufbau der ellen entscheidend: Proteine, Lipide, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren. Proteine sind kettenförmige Polymere aus Aminosäuren. 20 verschiedene Aminosäuren kommen in Proteinen vor, und deren spezifische Abfolge (Primärstruktur) bestimmt die dreidimensionale Struktur und somit die Funktion der Proteine. Durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Aminosäure-Resten bilden sich Sekundärstrukturen in

Grundvorlesung ellbiologie, Kaiserslautern, Prof. Dr. Herrmann – 2 Form von α-Helices und β-Faltblättern aus, die sich zu Proteindomänen zusammenlagern können. Die Gesamtstruktur eines Proteins wird als Tertiärstruktur bezeichnet und die oligomerer Proteinkomplexe als Quartärstruktur. Proteine sind die Funktionsträger der elle. Im Rahmen der Vorlesung wird die Beziehung von Struktur und Funktion von Proteinen an verschiedenen Beispielen erläutert. Lipide, wie sie in Organismen vorkommen, fallen in zwei Gruppen: (1) Speicherlipide dienen vor allem dem Energiemetabolismus und haben darüber auch Bedeutung für Körperform von Tieren oder für die Wärmeisolation. Triglyceride bilden den größten Teil der Speicherlipide. In tierischen ellen bilden sie Tröpfchen-ähnliche Einschlüsse in speziellen Fettzellen, den Adipozyten. (2) Membranlipide sind amphipatisch, das heißt sie haben eine hydrophoben und einen hydrophilen Teil. Es gibt eine große ahl verschiedener Membranlipide, deren usammensetzung die Eigenschaften biologischer Membranen maßgeblich bestimmt. Mengenmäßig den größten Anteil haben Glycerolipide. Sphingolipide bilden eine mitgliederreiche Gruppe; sie spielen eine wichtige Rolle bei der Isolation von Nervenzellen oder bei der Bildung von “lipid rafts”, spezifischer Domänen der Plasmamembran. Cholesterin beeinflusst die Fluidität von Membranen und ist ebenfalls an der Bildung von rafts beteiligt. Die Bildung der Membranlipide erfolgt hauptsächlich in der ER-Membran. Darüber hinaus besitzen auch die Außen- und Innenmembran der Mitochondrien Enzyme der Lipidbiosynthese. Diese bilden u.a. Cardiolipin, ein für Mitochondrien spezifisches Glycerolipid, das auch in Bakterien vorkommt. Kohlenhydrate bestehen aus uckerbausteinen, die als Einzelzucker oder als mehr oder weniger verzweigte Ketten vorkommen. Kohlenhydrate spielen eine maßgebliche Rolle im Stoffwechsel. Darüber hinaus tragen viele Proteine und Membranlipide uckerketten. Unterschiede in diesen uckerketten sind beispielsweise für das AB0-Blutgruppensystem des Menschen verantwortlich. Nukleinsäuren tragen die Erbinformation. Sie kommen als DNA und RNA vor und werden ausführlicher in Teil III des Scripts vorgestellt.

II. Allgemeiner Aufbau eukaryotischer ellen Membranen

Eukaryotische ellen sind durch Membranen in verschiedene Kompartimente unterteilt, die ein zeitgleiches Nebeneinander unterschiedlicher chemischer Milieus und Reaktionsbedingungen in einer elle ermöglichen. Kompartimente können aus einem verzweigten Retikulum bestehen oder aus einzelnen Membran-umschlossenen Organellen. Die Plasmamembran grenzt das ytosol von der Umgebung der elle ab. Membranen sind keine passiven Hüllen, sondern komplexe Systeme, die aktiv den Austausch verschiedenster Substanzen regulieren. Sie werden durch Membranlipide gebildet, in die Proteine ein-, bzw. an die Proteine angelagert sind. Der Proteinanteil reicht dabei von ca. 20 (mitochondriale Außenmembran, Plasmamembran von Erythrozyten) bis ca. 80 Gewichtsprozent (mitochondriale Innenmembran, Thylakoidmembran). Integrale Membranproteine besitzen meist α-helikale Transmembrandomänen, die von 15-22 hydrophoben Aminosäureresten gebildet werden. Die Außenmembranen von Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien enthalten darüber hinaus β barrel-Proteine, die die Membran mittels Fass-artig angeordneter β-Faltblätter durchspannen. Proteine können auch durch kovalent gebundene hydrophobe Moleküle in der Membran verankert werden. Von besonderer Bedeutung für die Funktion und Regulation der elle sind Proteine, die den regulierten Transport von Substanzen über Membranen ermöglichen. Bei diesem Transport unterscheidet man Diffusion, erleichterte Diffusion, Cotransport und aktiven Transport. Beispiele für solche Transportsysteme werden in der Vorlesung besprochen.

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Der ellkern

Der ellkern enthält die genetische Information der elle in Form von DNA. Die DNA liegt während der Interphase als locker gepacktes Euchromatin, das aktiv abgelesen werden kann, und als dicht gepacktes mehr oder weniger inaktives Heterochromatin vor. Der Packungsgrad wird vor allem durch chemische Modifikationen (v.a. Acetylierung) der Histonkomplexe bestimmt, um die die DNA wie um Fadenrollen aufgewickelt ist. Neben der Replikation und Transkription der DNA erfolgt im Kern die Biogenese der Ribosomen aus rRNA und ribosomalen Proteinen. Diese findet im Nukleolus statt, einer Struktur, die schon lichtmikroskopisch sichtbar ist. Die Kernhülle wird durch die innen anliegende Lamina stabilisiert, die aus Laminen bestehen. Lamine gehören zu den Intermediärfilamenten des Cytoskeletts. Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen, der inneren und der äußeren Kernmembran. Diese schließen den perinukleären Raum ein, der in das Lumen des ERs übergeht. Kernporen erlauben den Transport von Molekülen in den Kern (Histone, Polymerasen, ribosomale Proteine, Importfaktoren u.a.) und aus dem Kern (prozessierte mRNAs, tRNAs, assemblierte ribosomale Untereinheiten, Exportfaktoren u.a.). Kernporen sind hochkomplexe Strukturen und gehören zu den größten Proteinkomplexen der elle.

Die Kompartimente des secretory pathway

Die Membran des ellkerns geht direkt in das Endoplasmatische Retikulum (ER) über. Das ER bildet zusammen mit dem Golgi-Apparat, den Lysosomen, den Endosomen und der Plasmamembran die Kompartimente des secretory pathway. Membranproteine und luminale Proteine dieser Kompartimente werden an der ER-Membran synthetisiert, wie auch Proteine, die aus der elle durch Sekretion abgegeben werden. Diese Proteine tragen meist aminoterminale ielsequenzen, die als Signalsequenzen bezeichnet werden. Diese werden bei der Synthese im Cytosol von Signalerkennungspartikeln erkannt und mitsamt den translatierenden Ribosomen an die ER-Membran dirigiert. Dies ermöglicht einen kotranslationalen Transport der synthetisierten Polypeptidketten durch das Sec61-Translokon. Bereits während dieses Transports in das ER werden meist die Signalpeptide durch Signalpeptidasen entfernt und die entstehenden Proteine glykolysiert, wobei uckerketten an Asparaginreste (NGlykosylierung) oder an Serin- oder Threoninreste (O-Glykosylierung) angehängt werden. Im ER-Lumen erfolgt dann die Faltung dieser Proteine durch luminale Chaperone (s.u.). Der Transport von Proteinen vom ER über den Golgi-Apparat erfolgt durch ein Vesikeltransportsystem. An der ER-Membran schnüren sich COP II-Vesikel ab, die mit der Membran des cis-Golgi verschmelzen. Die Fusion der Membranen wird dabei durch vSNAREs (auf den Vesikeln) und t-SNAREs (auf den target membranes) katalysiert. Durch entgegengesetzten Transport durch COP I-Vesikel werden v-SNAREs und residente ERProteine wieder vom Golgi zum ER zurück transportiert. Im Lumen des Golgi-Apparates werden die uckerseitenketten an Proteinen und Membranlipiden weiter modifiziert. Die Proteine durchwandern den Golgi-Apparat vom cis- zum trans-Golgi. Wie diese Durchwanderung erfolgt, ist umstritten: Nach der cisternal maturation-Hypothese reift der cis-Golgi zum trans-Golgi, wobei cis-Golgi aus ER-kommenden Vesikeln stets neu gebildet wird und der trans-Golgi sich in Vesikel auflöst. Nach einer alternativen Hypothese bleiben die isternen des Golgi-Apparates fest und ihr Inhalt wird durch COP I-Vesikel hin und her transportiert. Für beide Hypothesen gibt es gute experimentelle Evidenz, und beide Prozesse ( isternenmaturierung und Vesikelfluss) laufen wohl parallel ab. Distal vom trans-Golgi befindet sich das trans Golgi network (TGN). Dieses fungiert als Sortierstation, die mit Proteinen beladene Vesikel an verschiedene Empfängermembranen sendet.