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B978-3-437-43690-1.10016-6

10.1016/B978-3-437-43690-1.10016-6

978-3-437-43690-1

Idealisierte schematische Darstellung einer eukaryontischen Zelle und ihrer Organellen. Die Darstellung der Organellen ist nicht maßstabsgerecht. (1) Zellkern mit Nucleolus, (2) kondensiertes Chromatin (Heterochromatin), (3) dekondensierte Chromatinfäden (Euchromatin) und (4) Kernhülle mit Kernporenkomplexen. (5) Raues, (6) glattes, (7) transitorisches endoplasmatisches Retikulum, (8) Prä-Golgi-Transportintermediate, (9) Golgi-Apparat, (10) unreife Sekretgranula im trans-Golgi-Apparat und (11) reife Sekretgranula. (12) Mitochondrien, (13) Peroxisomen, (14) clathrinüberzogene Membranbucht und (15) clathrinüberzogene Vesikel, (16) Caveolae, (17) Endozytosevesikel und Endosomen, (18) multivesikuläres Körperchen, (19) Lysosomen und (20) Autophagolysosom.

Lichtmikroskopische Darstellung von Zellen und Organellen.

a) Kultivierte Rattenhepatozyten unter Hellfeldbedingungen; bedingt durch den schwachen Kontrast sind die Umrisse der Zellen und die Zellkerne mit den Nucleoli nur schattenhaft erkennbar.

b) Durch Phasenkontrast werden die Gestalt der Zellen, insbesondere ihre feinen Zytoplasmafortsätze, die Zellkerne mit den Nucleoli und das perinucleäre granuläre Zytoplasma besser erkennbar.

c) Durch das Differenzial-Interferenzkontrastverfahren (Nomarski) wird eine reliefartige, quasidreidimensionale Darstellung der Zellen erreicht.

d) Das endoplasmatische Retikulum (ER) in einem kultivierten Rattenhepatozyten ist mit einem Antikörper gegen die Glucosidase II (eine glucosetrimmende Glykosidase im ER) mit der Technik der konfokalen Immunfluoreszenz dargestellt. Zur Sichtbarmachung der Bindung des primären Antikörpers wurde ein mit Fluoreszenzfarbstoff markierter sekundärer Antikörper eingesetzt, der die Immunmarkierung in Grün erscheinen lässt.

e) Die gleiche Zelle, jedoch ist jetzt der Golgi-Apparat mit einem Antikörper gegen die Golgi-Mannosidase II rot markiert.

f) Digitale Überlagerung von (d) und (e). Solche Doppelmarkierungen erlauben die Darstellung und Untersuchung verschiedener subzellulärer Strukturen in der gleichen Zelle. Konfokale Doppelimmunfluoreszenz für Glucosidase II (g) und für Glucosyltransferase (h) sowie digitale Überlagerung (i), die zu einer gelborangenfarbenen Mischfarbe führt, da beide Proteine im ER vorhanden sind. N: Nucleus.

Elektronenmikroskopische Darstellung von Organellen in einer exokrinen Pankreasepithelzelle.

a) Bei schwacher Vergrößerung sind lediglich der Zellkern (N) und das von Zisternen des rauen ER (rER) und von Zymogengranula (ZG) ausgefüllte Zytoplasma sowie grob der Golgi-Apparat (GA) erkennbar.

b) Bei stärkerer Vergrößerung sind die verschiedenen Organellen, wie die Zisternen des rauen ER (rER), das transitorische ER (TE), ein Prä-Golgi-Transportintermediat (PGI), der Golgi-Apparat (GA), unreife Sekretgranula (CV), Zymogengranula (ZG) und Lysosomen (Ly), gut erkennbar.

Immunelektronenmikroskopische Lokalisierung von Proteinen in Organellen.

a) Immungoldmarkierung für Glucosidase II im rauen ER; ultradünner Gefrierschnitt, Pankreas. Die Goldpartikel sind als schwarze Punkte sichtbar; Mitochondrium (M).

b) Immungoldmarkierung für Amylase im rauen ER (rER), im Golgi-Apparat (GA), in unreifen Sekretgranula (CV) und Zymogengranula (ZG); ultradünner Gewebeschnitt von in Kunstharz eingebettetem Pankreas.Abb. 16.5 Zellkern.

Zellkern.

a) Übersichtsvergrößerung: Nucleolus (Nu), kondensiertes Chromatin (C) und Interchromatingranula (IG) im Euchromatin.

b) Zellkerndetail mit einem Nucleolus und kondensiertem Chromatin (C); fibrilläres Zentrum (fZ), dichte fibrilläre Komponente (dfK) und granuläre Komponente (gK) des Nucleolus.

Kernhülle und Kernporenkomplexe.

a) Kernhülle mit äußerer und innerer Kernmembran (Pfeilköpfe), die einen von einem Diaphragma (Pfeil) durchspannten Kernporenkomplex bilden; kondensiertes Chromatin (C), Zisternen des rauen ER (rER). Transmissionselektronenmikroskopie.

b–d) Dreidimensionale Rekonstruktion eines intakten, transportkompetenten Kernporenkomplexes durch Kryoelektronentomographie:

(b) Ansicht der zytoplasmatischen Seite, (c) Ansicht der nucleären Seite und (d) Querschnitt entlang der Längsachse des Kernporenkomplexes. Die drei übereinandergelagerten Hauptstrukturen des Zylinders sind der in die Kernhülle eingebettete, aus acht speichenartigen Elementen bestehende luminale Ring, der mit ihm verbundene, aus acht gleichen Untereinheiten aufgebaute zytoplasmatische Ringwulst sowie der mit ihm verbundene, ebenfalls aus acht gleichen Untereinheiten aufgebaute nucleäre Ringwulst. Von beiden Ringwülsten gehen acht Filamente aus. Die Filamente des nucleären Ringwulstes bilden mit dem distalen Ring eine korbartige Struktur.

Kernlamina. Die Kernlamina (Kl) liegt als ein amorph erscheinendes Band zwischen der inneren Kernmembran und dem kondensierten Chromatin; äußere Kernmembran (Pfeilköpfe), Zisterne des rauen ER (rER).

Raues endoplasmatisches Retikulum.

a) Quergeschnittene parallel angeordnete Zisternen des rER in einem Hepatozyten der Rattenleber; Pfeilköpfe weisen auf Ribosomen an der zytosolischen Seite der ER-Zisternen.

b) Erweiterte Zisternen (Sterne) des rER einer immunglobulinspeichernden Plasmazelle.

c) Lokale Erweiterung des rER durch Aggregate fehlgefalteter Proteine. Diese auch lichtmikroskopisch sichtbaren Strukturen werden als Russell-Körperchen (RB) bezeichnet.

Qualitätskontrolle der Faltung von Glykoproteinen.

a) Calnexin/Calreticulin-Zyklus für korrekt gefaltete Glykoproteine; Gls II Glucosidase II, Cnx Calnexin, Crt Calreticulin, ER-Man ER-Mannosidase; Asn N-Acetylglucosamin

b) Calnexin/Calreticulin-Zyklus und ERAD für fehlgefaltete Glykoproteine; GT UDP-Glc-Glykoprotein-Glucosyltransferase.

Schicksal fehlgefalteter Glykoproteine. (1) Fehlgefaltete Glykoproteine werden in das Zytosol disloziert und proteasomal abgebaut. (2) Unzureichende Kapazität der Proteasomen führt zur Ansammlung von Aggregaten fehlgefalteter Proteine im Zytosol, den sog. Aggresomen, die von Intermediärfilamenten umgeben sind. Fehlgefaltete Proteine können auch im Lumen des ER unlösliche Aggregate bilden, die nicht disloziert werden können. Dadurch kann das gesamte ER dilatiert sein (3) oder (4) nur umschriebene Anteile in Form der Russell-Körperchen.

Glattes endoplasmatisches Retikulum. In den Hepatozyten der Leber existieren sowohl reichlich rER als auch sER. Die Pfeilköpfe markieren Stellen des Übergangs vom rER in das sER.

Prä-Golgi-Transportintermediate.

a) Ein aus unterschiedlich großen vesikulären Strukturen und Tubuli zusammengesetztes Prä-Golgi-Transportintermediat (PGI). Es liegt zwischen dem transitorischen ER (tER), das eine von COP-II-überzogene Membranknospe bildet (Pfeilkopf), und dem Golgi-Apparat (GA) einer pankreatischen -Zelle.

b) Ein peripheres, nicht mit dem Golgi-Apparat assoziiertes Prä-Golgi-Transportintermediat (PGI) mit COP-II-überzogener Membranknospe (Pfeilkopf).

Zelluläre Transportwege. Anterograder, von COP-II-Vesikeln vermittelter Transport von Cargo aus dem ER über Prä-Golgi-Transportintermediate zum Golgi-Apparat (rote Vierecke und Pfeile) sowie retrograder, von COP-I-Vesikeln vermittelter Transport von Cargo vom Golgi-Apparat zum ER (blaue Dreiecke und Pfeile).

(1) Lysosomale Enzyme werden im trans-Golgi-Netzwerk in clathrinüberzogene Membranknospen sortiert und in clathrinüberzogenen Vesikeln zu Lysosomen (Ly) transportiert.

(2) Membranproteine werden über Vesikel und Tubuli aus dem trans-Golgi-Netzwerk in die apikale oder basolaterale Plasmamembran sortiert.

(3) Durch clathrinüberzogene Vesikel oder Caveolae endozytiertes Material kann über Endosomen in Lysosomen (Ly) oder zum trans-Golgi-Netzwerk und in andere Bereiche des Golgi-Apparats gelangen.

Golgi-Apparat.

a) Hufeisenförmig gestalteter Golgi-Apparat in einer insulinproduzierenden -Zelle des Pankreas. Der Aufbau aus kompakten zisternalen Stapeln und dazwischengelegenen nicht kompakten Anteilen ist gut ersichtlich; cis-Seite des Golgi-Apparats (Cis), Anteile des trans-Golgi-Netzwerks (TGN), Sekretgranula (SG); Lysosom (Ly), Mitochondrium (M).

b, c) Golgi-Apparat von Hepatozyten mit stark entwickeltem trans-Golgi-Netzerk (TGN). Die Immungoldmarkierung für Albumin in (b) ist sowohl in den Golgi-Zisternen als auch im TGN vorhanden. In (c) ist der Golgi-Apparat und insbesondere das TGN mit einer speziellen Kontrastierungstechnik hervorgehoben; cis-Seite des Golgi-Apparats (Cis), Peroxisom (PO).

Sekretgranula.

a) Zymogengranula in einer azinären Pankreasepithelzelle mit homogem elektronendichtem Inhalt.

b) Sekretgranula einer insulinbildenden -Zelle mit elektronendichtem Kern und leer erscheinendem Hof.

Bildung von Sekretgranula und regulierte Sekretion. (1) Aggregation sekretorischer Proteine in trans-Zisternen und dem trans-Golgi-Netzwerk sowie Sortieren in clathrinüberzogene Membranknospen. (2) Bildung von unreifen Sekretgranula, die einen partiellen Clathrinüberzug haben und SNARE-Proteine (Balken) besitzen. (3) SNARE-Protein-vermittelte Fusion unreifer Sekretgranula. (4) Umwandlung in reife Sekretgranula durch Entfernung von Membranproteinen und nicht sekretorischer, luminaler Proteine durch clathrinüberzogene Vesikel. (5, 6) Ein Sekretionsstimulus führt zur Erhöhung des Ca2+-Spiegels, zum Abbau des Actinnetzwerks unter der Plasmamembran und zur Annäherung des Sekretgranulums. (7) SNARE-vermitteltes Andocken der Sekretgranula an die Plasmamembran. (8) Fusion der Sekretgranulamembran mit der Plasmamembran und nachfolgende Sekretion. (9) Rezyklieren der Sekretgranulamembran.

Endozytose.

a) Clathrinüberzogene Membranbucht (Coated pit, cp) und clathrinüberzogenes Vesikel (Coated vesicle, cv); raues ER (rER).

b) Charakteristische flaschenförmig gestaltete Caveolae der Plasmamembran (Pfeilköpfe).

Nachweis von Lysosomen.

a) Darstellung von Lysosomen in kultivierten Fibroblasten durch konfokale Immunfluoreszenz mit einem gegen ein lysosomales Membranprotein gerichteten Antikörper.

b) Nachweis von Lysosomen mit einem Lyso-Tracker, einer fluoreszierenden schwachen Base, die im sauren Milieu der Lysosomen protoniert wird und akkumuliert.

Lysosomen.

a) Unterschiedlich große, unregelmäßig gestaltete Lysosomen. Der helle Spalt (Pfeilköpfe) besteht aus gegen die Selbstverdauung schützenden polylaktosaminhaltigen Zuckerseitenketten lysosomaler Membranproteine.

b) Residualkörperchen mit myelinartigem Inhalt aus nicht verdaubarem Material.

c) Die Beziehung zwischen Endozytose und Lysosomen kann elektronenmikroskopisch sichtbar gemacht werden, wenn mit Ferritin markierte Eiweiße endozytiert werden. Der Ferritinmarker ist dann sowohl in Endozytosevesikeln (Pfeilköpfe) als auch in multivesikulären Körperchen (MVK), die späten Endosomen entsprechen, und in Lysosomen (Ly) sichtbar.

Autophagosomen. Autophagosom in einem Hepatozyten. Es besteht aus einer Doppelmembran (Pfeilköpfe), die ein Mitochondrium (Stern) mit angrenzendem Zytoplasmarest umschließt. Im umgebenden Zytoplasma befinden sich weitere Mitochondrien (M).

Bildung der Autophagolysosomen. Schematische Darstellung der Autophagozytose eines Peroxisoms (PO), sog. Pexophagie. (1) Induktion und (2) Ausbildung einer Doppelmembran (Phagophore), von der das Peroxisom anfänglich partiell umgeben ist. (3) Wenn das Peroxisom vollständig von der Doppelmembran (Sequestrierungsmembran) umgeben ist, ist ein Autophagosom entstanden. (4, 5) Die Fusion zwischen Autophagosom und primären Lysosomen führt zur Bildung eines Autophagolysosoms und zur anschließenden lysosomalen Verdauung des Peroxisoms.

Lysosomale Speicherung bei der Fabry-Krankheit. Nierenbiopsie von einem Patienten mit Fabry-Krankheit. Das Zytoplasma eines Podozyten ist mit vergrößerten Lysosomen gefüllt, die zwiebelschalenartig angeordnete Glykosphingolipide enthalten. Sterne: Kapillaren.

Mitochondrien.

a) Lichtmikroskopische Darstellung von Mitochondrien in kultivierten Fibroblasten mit einem Mito-Tracker, einem Farbstoff, der spezifisch durch den Mitochondrienstoffwechsel oxidiert wird und dann fluoresziert.

b) Elektronenmikroskopische Struktur von Mitochondrien in einem Hepatozyten der Leber. Querschnitte der äußeren und inneren Mitochondrienmembran sind gut zu erkennen (Pfeilkopf). Die innere Mitochondrienmembran bildet Cristae.

Peroxisomen. Peroxisomen (PO) können von benachbarten Mitochondrien (M) durch das Fehlen einer Doppelmembran und von Cristae eindeutig unterschieden werden. Peroxisomen in der Rattenleber enthalten einen kristallinen Einschluss in der Matrix, der beim Menschen allerdings nicht vorkommt.

Intrazelluläre Kompartimente

J. Roth

  • 16.1

    Aufbau eukaryontischer Zellen 470

  • 16.2

    Zellkern 471

  • 16.2.1

    Nucleoplasma471

  • 16.2.2

    Kernhülle und Kernporenkomplexe474

  • 16.2.3

    Kernlamina475

  • 16.3

    Endoplasmatisches Retikulum 476

  • 16.3.1

    Raues endoplasmatisches Retikulum476

  • 16.3.2

    Glattes endoplasmatisches Retikulum478

  • 16.4

    Prä-Golgi-Transportintermediate 479

  • 16.5

    Golgi-Apparat 481

  • 16.6

    Sekretgranula 481

  • 16.7

    Endozytose, Lysosomen und Autophagolysosomen 484

  • 16.8

    Mitochondrien 486

  • 16.9

    Peroxisomen 487

  • 16.10

    Zytoplasma 488

Praxisfall

Herr R. S. ist 57 Jahre alt und Nichtraucher. Bei ihm ist im 34. Lebensjahr eine chronisch-obstruktive Lungenerkrankung diagnostiziert worden. Klinisch steht seit Längerem ein fortschreitendes Lungenemphysem im Vordergrund. Bei der Lungenfunktionsprüfung zeigte die Spirometrie Hinweise auf einen exspiratorischen Kollaps der kleinen Atemwege. Des Weiteren wurden eine chronisch-aktive Hepatitis diagnostiziert und anlässlich einer im 48. Lebensjahr durchgeführten Leberbiopsie eine Leberzirrhose festgestellt. In der ersten Leberbiopsie fanden sich im Zytoplasma der Hepatozyten auffällige, PAS-positive Einschlüsse, die immunhistochemisch Ablagerungen von 1-Antitrypsin entsprachen. Die Serumkonzentration des 1-Antitrypsins lag bei 0,2 g/L (Normalbereich 0,9 bis 2,0 g/L) bei gleichzeitig auf 1,1% erniedrigter -Globulin-Fraktion, mäßiger Cholestase und leicht erhöhten Transaminasen. Bei der isoelektrischen Fokussierung fand sich der PiZZ-Phänotyp des 1-Antitrypsins (Proteinaseinhibitor, Z-Allel), der durch DNA-Analyse bestätigt wurde. Somit handelt es sich um einen 1-Antitrypsin-Mangel, der durch eine Punktmutation (E342K) bedingt ist. Diese und andere Formen des 1-Antitrypsin-Mangels stellen eine Proteinfaltungskrankheit dar. Fehlgefaltetes 1-Antitrypsin wird durch die Qualitätskontrolle im endoplasmatischen Retikulum erkannt und zurückgehalten. Es können sich unlösliche 1-Antitrypsin-Aggregate bilden, die zur Apoptose von Leberzellen führen. Daraus kann eine Leberzirrhose resultieren. Der durch die Störung der Sekretion des 1-Antitrypsins verminderte Serumspiegel ist Ursache für die Lungenerkrankung. Wegen des fehlenden 1-Antitrypsins, das ein Proteinasehemmer ist, kann die Leukozytenelastase nicht inaktiviert werden, was zum Abbau der elastischen Fasern in der Lunge und somit zum Lungenemphysem führt.

Zur Orientierung

In diesem Kapitel werden die Zelle und ihre einzelnen Bestandteile aus biochemischer Sicht dargestellt. Biochemische Prozesse finden zumeist in strukturell definierten Bestandteilen von Zellen statt. Ihre Aktivität und Koordination erfordern räumliche Trennungen sowohl innerhalb von Zellen als auch zwischen Zellen. Eine detaillierte Kenntnis der zellulären Strukturen, in denen die verschiedensten biochemischen Prozesse ablaufen, ist somit Voraussetzung für eine ganzheitliche Betrachtung der Biochemie von Zellen und Geweben. Auch auf die Krankheiten, die aus Schäden oder Fehlfunktionen der Zellkompartimente resultieren können wird eingegangen.

Aufbau eukaryontischer Zellen

Tierische Zellen bestehen aus dem Zellkern und dem Zytoplasma und werden durch die Plasmamembran von ihrer Umgebung abgegrenzt. Das Zytoplasma beinhaltet verschiedene membranbegrenzte Strukturen, die als Organellen bezeichnet werden. Die Bezeichnung Organelle ist somit ein über die Struktur definierter Begriff: Die Organellen sind die komplexen supramolekularen Strukturen, in denen spezifische biochemische Prozesse ablaufen.
Wenn funktionelle Aspekte im Vordergrund der Betrachtung subzellulärer Strukturen stehen, wird die Bezeichnung intrazelluläres Kompartiment verwendet. Obwohl alle tierischen Zellen hinsichtlich ihrer verschiedenen intrazellulären Kompartimente über eine gleiche Grundausstattung verfügen (Abb. 16.1), gibt es abhängig von ihrer Funktion und Spezialisierung quantitative Unterschiede. So ist das raue endoplasmatische Retikulum (rER) (Kap. 16.3.1) in Zellen mit einer hohen Proteinsyntheserate wie den Hepatozyten und den exokrinen Pankreasepithelzellen besonders stark entwickelt. Im Gegensatz zu den meisten anderen Zelltypen findet sich ein stark entwickeltes glattes endoplasmatisches Retikulum (Kap. 16.3.2) z.B. in den steroidhormonproduzierenden Zellen der Nebennierenrinde.

Schon gewusst

In normalen Hepatozyten machen das Zytosol 54%, der Zellkern 6%, das raue ER 9% und glattes ER weniger als 6% des gesamten Zellvolumens aus. Nicht unerwartet werden 22% des Zellvolumens von Mitochondrien und nur 1% von Peroxisomen eingenommen. Große Unterschiede bezüglich der relativen Anteile zellulärer Membranen bestehen zwischen verschiedenen Zelltypen. In Hepatozyten machen die Membranen des rauen ER 35% und in exokrinen Pankreaszellen 60% der gesamten zellulären Membranen aus. Andererseits stellen die Membranen des glatten ER in Hepatozyten 16% und in exokrinen Pankreaszellen weniger als 1% der zellulären Membranen dar. Bemerkenswert ist auch, dass in den meisten Zelltypen die Plasmamembran nur etwa 2–5% der zellulären Membranen ausmacht.

Blick ins Labor

Biochemische Prozesse in der Zelle können mittels verschiedener mikroskopischer Verfahren untersucht werden.

  • Das Lichtmikroskop erreicht eine optischen Auflösung von 0,2 m (Abb. 16.2). Antikörper ermöglichen den Nachweis der unterschiedlichen zellulären Bausteine (Proteine, Glykolipide, Zuckerstrukturen) und deren Zuordnung zu subzellulären Strukturen mit der Technik der Immunhistochemie. Antikörper gegen organellenspezifische Proteine gestatten die Markierung der verschiedenen zellulären Organellen. Zur Sichtbarmachung der Immunmarkierung im Lichtmikroskop werden an Antikörper gekoppelte Enzyme, Fluoreszenzfarbstoffe und Goldpartikel verwendet. In Ergänzung zu organellenspezifischen Antikörpern sind nichtimmunologische Reagenzien (sog. Tracker) zur Darstellung verschiedener zellulärer Organellen verfügbar. Gegenüber der klassischen Fluoreszenzmikroskopie kann mittels der konfokalen Laserscanningmikroskopie die Schärfe der Immunfluoreszenz enorm verbessert werden. Durch das konfokale optische Schneiden wird das nicht in der Fokusebene gelegene Fluoreszenzlicht herausgefiltert. Ein weiterer Vorteil der konfokalen Laserscanningmikroskopie besteht darin, dass mit Serien von konfokalen optischen Schnitten die dreidimensionale Rekonstruktion der intrazellulären Organellen möglich wird. Die totale interne Reflexionsmikroskopie wird für die Untersuchung von Vorgängen eingesetzt, die sich nahe der Plasmamembran abspielen, wie z.B. Endozytose und Exozytose.

  • Die Lebendzellbeobachtung mit Phasenkontrast und Zeitraffermikroskopie ist eine klassische Methode zur Analyse der Zellwanderung in Zellkulturen. Seit einigen Jahren ist es möglich geworden, die Beweglichkeit und den vesikulären Transport von einzelnen Proteinen in bzw. zwischen intrazellulären Organellen in lebenden Zellen zu analysieren. Grundlage hierfür sind ein natürliches fluoreszierendes Protein, das GFP (green fluorescent protein), und andersfarbig fluoreszierende Varianten, die gentechnologisch an das zu untersuchende Protein fusioniert werden. Der vesikuläre Transport zwischen dem ER und dem Golgi-Apparat kann in Zellen, die entsprechende fluoreszierende Fusionsproteine exprimieren, mit digitaler Videomikroskopie verfolgt werden. Moderne Fluoreszenz-Photobleichungstechniken, wie FRAP (Fluoreszenzerholung nach Photobleichung) und FLIP (Fluoreszenzverlust nach Photobleichung), ermöglichen es zudem, dynamische Vorgänge in intrazellulären Kompartimenten lebender Zellen zu untersuchen.

  • Die Transmissionselektronenmikroskopie übertrifft mit einer optischen Auflösung von etwa 20 nm die der Lichtmikroskopie deutlich. Die klassische Transmissionselektronenmikroskopie von 50–70 nm ultradünnen Gewebeschnitten ist nach wie vor unentbehrlich für die Untersuchung der intrazellulären Organellen (Abb. 16.3).

  • Bei der Immunelektronenmikroskopie werden Proteine durch spezifische, mit Goldpartikeln markierte Antikörper nachgewiesen (Abb. 16.4). Es können so intrazelluläre Organellen hinsichtlich der Anwesenheit und der Verteilung von Proteinen, Lipiden oder spezifischen Zuckerstrukturen untersucht werden. Die Goldpartikelmarkierung kann zudem quantifiziert werden und liefert dadurch Informationen zur Menge des untersuchten Moleküls.

  • Die Untersuchung von Serien konsekutiver ultradünner Schnitte ermöglicht die dreidimensionale Rekonstruktion von intrazellulären Strukturen. Dabei stellte sich z.B. heraus, dass Mitochondrien stark verzweigte Organellen sind. Neue Entwicklungen für die Fixierung von Kristallen makromolekularer Proteinkomplexe, Viren, Zellen und Geweben wie das Hochdruck-Schnellgefrieren haben die Elektronentomographie zur Methode der Wahl für die hochauflösende dreidimensionale Rekonstruktion werden lassen. So konnten z.B. das ER-Translokon, Proteasomen, 70S-Ribosomen oder Viren mit einer Auflösung von wenigen rekonstruiert werden. Die Kryoelektronentomographie erlaubt Strukturuntersuchungen und dreidimensionale Rekonstruktionen von ganzen Zellen und deren Bestandteilen wie z.B. der Kernporenkomplexe (Abb. 16.6b–d) in tiefgefrorenem, quasi nativem Zustand. Schnelle Rechner ermöglichen dann die Rekonstruktion und Betrachtung der Strukturen aus den verschiedensten Blickwinkeln. So können auch interessante Einblicke in die räumliche Beziehung von Organellen zueinander erhalten werden.

Zellkern

Der Interphasenzellkern ist von einer Doppelmembran umgeben, der Kernhülle, die von den Kernporenkomplexen durchsetzt ist. Die Kernhülle umschließt das Nucleoplasma, das aus verschiedenen, nicht membranbegrenzten Kompartimenten (Kernkörperchen) besteht. Das markanteste Kompartiment ist der bereits lichtmikroskopisch erkennbare Nucleolus. Die innere Oberfläche der Kernhülle ist von der Kernlamina überzogen.

Nucleoplasma

Das Nucleoplasma beinhaltet mit der DNA das Genom der Zelle und ist der Ort der DNA-Replikation. Des Weiteren finden hier die Neusynthese der RNA sowie deren Reifung und Verpackung in Ribonucleoproteinpartikel statt. Verschiedene Kompartimente des Nucleoplasmas, wie der Nucleolus, die Interchromatingranula, die Cajal bodies (Coiled bodies) und das transkriptional inaktive kondensierte Chromatin (Heterochromatin), sind elektronenmikroskopisch leicht erkennbar (Abb. 16.5a), während andere Strukturen, wie die aktiven dekondensierten Chromatinfäden (Euchromatin), nur gering elektronendicht sind.
Die DNA der einzelnen Chromosomen ist im Interphasenzellkern in sog. Chromosomenterritorien konzentriert, deren Lage im Nucleoplasma stabil bleibt. Gleichermaßen stabil positioniert sind andere Kernkompartimente wie z.B. der Nucleolus und das Splicing-factor-Kompartiment, das elektronenmikroskopisch den Interchromatingranula entspricht. Allerdings weisen diese morphologisch stabil erscheinenden Kompartimente eine hohe innere Dynamik auf, da die sie aufbauenden Komponenten sich ständig zwischen ihnen und dem umgebenden Nucleoplasma austauschen. Das führt dazu, dass nucleäre Kompartimente innerhalb von 1–2 min komplett umgesetzt werden. Gleichermaßen dynamisch verhalten sich die chromatinbindenden Proteine, die kontinuierlich mit dem Chromatin assoziieren und dissoziieren. Der schnelle Transport ist i.d.R. energieunabhängig und wegen des schwammartigen porösen Aufbaus der Kernkompartimente möglich. Diese strukturelle Organisation erlaubt auch die Diffusion von RNA-Partikeln durch kompaktere Kernregionen wie das kondensierte Chromatin. Diese vielfältigen dynamischen Interaktionen und die damit verbundene zeitlich begrenzte Retention von Molekülen regulieren wahrscheinlich die Funktion der jeweiligen Kernkompartimente.
Das kondensierte Chromatin liegt vorzugsweise in der Zellkernperipherie, ist aber auch dem Nucleolus angelagert. Am Nucleolus entspricht es den Territorien von Nucleolusorganisationsregionen-(NOR-)tragenden Chromosomen, in denen die Gene für die Synthese der Vorstufen der ribosomalen RNA (Prä-rRNA) lokalisiert sind. In der Peripherie des kondensierten Chromatins befindliche Perichromatinfibrillen sind in die DNA-Replikation einbezogen.
Die Nucleoli sind der Ort der Transkription von rRNA und der Biogenese der Ribosomen. Sie bestehen aus einer dichten fibrillären Komponente, der granulären Komponente und dem fibrillären Zentrum (Abb. 16.5b). Das fibrilläre Zentrum ist der Ort der Transkription und stellt einen Speicher für Proteine dar. Die dichte fibrilläre Komponente ist reich an neu synthetisierter Prä-rRNA, während die granuläre Komponente präribosomale Partikel enthält.
Die Funktion der verschiedenen anderen Kernstrukturen ist nur unvollständig bekannt. In den Cajal bodies werden Transkriptionskomplexe zusammengefügt und gespeichert und auch nucleoläre Ribonucleoproteine gebildet. In den Interchromatingranula (Splicing-factor-Kompartiment) sind für das Prä-mRNA-Spleißen benötigte RNA und Proteine angereichert. Allerdings findet in ihnen nur wenig Prä-mRNA-Spleißen statt, sodass sie womöglich Speicherorte von Spleißkomplexen sind.

Kernhülle und Kernporenkomplexe

Die Kernhülle wird von zwei Membranen gebildet, welche die sog. perinucleäre Zisterne umschließen. Die innere Kernmembran umgibt das Nucleoplasma. Die äußere Kernmembran ist von Ribosomen besetzt und Bestandteil des rauen ER. Die perinucleäre Zisterne und das raue ER stehen über ihr Lumen in Kontakt miteinander, da die äußere Kernmembran sich lokal in die des rauen ER fortsetzt.
Die Kernhülle ist von zahlreichen Kernporenkomplexen durchsetzt, an denen die innere und die äußere Kernmembran ineinander übergehen (Abb. 16.6a). Ihre Anzahl variiert in Abhängigkeit vom Zelltyp und von seiner Aktivität um einen Mittelwert von etwa 4000 pro Zellkern. Die Bedeutung der Kernporenkomplexe für den bidirektionalen Transport zwischen dem Nucleoplasma und dem Zytoplasma und die hierbei beteiligte Gruppe von Transportproteinen, Importine und Exportine, werden in Kap. 17.2 detailliert behandelt. Proteine bis etwa 60 kDa können durch die Kernporenkomplexe diffundieren, während solche mit einer größeren Molekülmasse aktiv transportiert werden.
Die Kernporenkomplexe sind aus mehr als 30 verschiedenen Proteinen, den Nucleoporinen, aufgebaut. Das Grundgerüst eines Kernporenkomplexes besteht aus einem dreiteiligen Zylinder, der einen Kanal bildet (Abb. 16.6b–d). In dem dem Zytoplasma zugewandten Lumen der Kernpore befindet sich der sog. zentrale Pfropfen oder Transporter. Bei ihm handelt es sich um Import/Export-Transportgut. Ein Kernporenkomplex weist eine achtfache Rotationssymmetrie auf, da er aus acht gleichartigen Modulen aufgebaut ist (Abb. 16.6d und Kap. 17.2).

Kernlamina

Die Kernlamina besteht aus einer elektronenmikroskopisch erkennbaren Schicht fibrösen Materials, das der inneren Kernmembran anliegt (Abb. 16.7). Ihre Dicke variiert je nach Zelltyp zwischen 30 und 80 nm. Die Kernlamina ist ein zweidimensionales orthogonales Netzwerk, das aus den Laminen A, B und C besteht. Die Lamine gehören der Familie der Intermediärfilamente an (Kap. 19.1.1). Mit Beginn der Mitose werden sowohl die Kernlamina als auch die Kernhülle aufgelöst; sie bilden sich erst während der späten Anaphase wieder zurück. Die Funktion der Kernlamina ist vielfältig. Lamine sind für die Aufrechterhaltung der Gestalt und für die mechanische Belastbarkeit der Kernhülle und somit des Zellkerns wichtig. Ferner verknüpfen Lamine die Chromosomen mit der inneren Kernmembran. Dadurch sind sie in die DNA-Replikation und -Reparatur sowie in die RNA-Polymerase-II-Transkription und somit in die Regulation der Genexpression einbezogen.

Klinik

Mutationen des Lamin-A-Gens verursachen Deformationen der Zellkerne, die Ablösung des Heterochromatins von der inneren Kernmembran und Defekte bei der DNA-Reparatur. Sie sind die Ursache für eine Reihe schwerster Krankheiten, die unter dem Überbegriff Laminopathien zusammengefasst werden. Laminopathien betreffen die Herz- und Skelettmuskulatur, das Fettgewebe und periphere Nerven und führen zu dilatativer Kardiomyopathie oder diversen Formen von Muskeldystrophie (z.B. autosomal-dominante Emery-Dreifuss-Muskeldystrophie), zu familiärer partieller Dunnigan-Lipodystrophie oder zur Charcot-Marie-Tooth-Neuropathie. Klinisch am eindrucksvollsten sind die durch Lamin-A-Mutationen bedingten vorzeitigen Alternssyndrome (Progerien, Kap. 30.6.1) wie das Hutchinson-Gilford-Progeriesyndrom.

MERKE

Das Nucleoplasma besteht aus verschiedenen, nicht membranbegrenzten Kompartimenten (Kernkörperchen). Die Bestandteile der meisten stabil erscheinenden Kompartimente weisen aber einen hohen Umsatz auf. Sowohl Proteine als auch RNA bewegen sich relativ ungehindert und schnell im Nucleoplasma. Die temporäre Retention von mobilen Proteinen und die Interaktion mit Strukturelementen der Kernkompartimente regulieren deren Funktion.

Die Kernhülle besteht aus einer Doppelmembran, die von Kernporenkomplexen durchsetzt ist. Diese sind modular aufgebaute zylindrische Strukturen, durch die ein aktiver, bidirektionaler Transport zwischen Nucleoplasma und Zytoplasma erfolgt.

Die Kernlamina liegt der inneren Kernmembran an und ist aus Laminen aufgebaut. Neben mechanischen, strukturerhaltenden Funktionen für den Zellkern regulieren Lamine die Genexpression und sind an der Steuerung des Alternsprozesses beteiligt.

Endoplasmatisches Retikulum

Das endoplasmatische Retikulum besteht aus zwei strukturell und funktionell unterscheidbaren Anteilen: dem rauen und dem glatten ER. Die beiden Anteile des ER bilden ein miteinander verbundenes Membransystem mit einem gemeinsamen Lumen, das sich netzwerkartig durch das gesamte Zytoplasma erstreckt. Die Form und Ausdehnung des ER ändern sich ständig, und seine residenziellen Membranproteine und -lipide sind mobil.

Raues endoplasmatisches Retikulum

Das raue ER (rER) besteht aus einem Netzwerk untereinander verbundener, flacher, membranbegrenzter Zisternen. In Zellen mit sehr hoher Proteinsyntheserate wie den Hepatozyten oder den Pankreasazinuszellen sind große Anteile des Zytoplasmas mit dicht gepackten, parallel angeordneten Zisternen gefüllt, was zur Bezeichnung Ergastoplasma (arbeitsreiches Plasma) geführt hat. Die Bezeichnung rER rührt daher, weil die zytosolische Oberfläche der Zisternen mit Ribosomen besetzt ist (Abb. 16.8a). Die membranassoziierten Ribosomen des ER bilden Polysomen, die haarnadelförmige oder spiralige Anordnungen entlang der zu translatierenden RNA einnehmen. An dieser Stelle sei erwähnt, dass an den nicht ER-membrangebundenen Polysomen die zytosolischen und peroxisomalen Proteine sowie verschiedene nicht von der mitochondrialen DNA kodierte mitochondriale Proteine synthetisiert werden.
Die Hauptaufgaben des rER sind die Synthese von Membranproteinen für die diversen Organellen und sekretorischer inklusive lysosomaler Proteine. Weitere Aufgaben bestehen in der posttranslationalen Modifikation von Proteinen, in der Kontrolle von Proteinfaltung und -transport sowie in der posttranslationalen Modifizierung von Proteinen (z.B. initiale N-Glykosylierung; Kap. 17.5).
Das rER kann in morphologisch unterscheidbare Domänen unterteilt werden: die Zisternen, die äußere Kernmembran und das transitorische ER (Kap. 16.4). Das transitorische ER stellt spezialisierte Anteile von Zisternen dar, die partiell frei von Ribosomen sind. In diesen ribosomenfreien Anteilen werden von COP-II überzogene Membranknospen gebildet (COP coat protein, Kap. 17.6.1 und Abb. 16.12), die die erste morphologisch erkennbare Stufe des Proteintransports vom rER zum Golgi-Apparat darstellen. Sie führen dann zur Ausbildung von COP-II-überzogenen Vesikeln, die entlang von Mikrotubuli zum Golgi-Apparat transportiert werden. Das transitorische ER wird daher auch als ER exit site (ERES) bezeichnet. Diese und weitere Transportprozesse zwischen ER und Golgi-Apparat werden in Kap. 17.6 näher besprochen. Zusätzlich zu diesen strukturell definierten Domänen des rER existieren funktionelle Domänen. Für gewöhnlich ist das Lumen der rER-Zisternen selbst in Hepatozyten eng, da die Syntheserate und der Export sich gegenseitig die Waage halten. In manchen Zelltypen wie z.B. den Plasmazellen kann es durch die Speicherung von Immunglobulinen erweitert sein (Abb. 16.8b).
Neu synthetisierte Proteine werden im rER einer Qualitätskontrolle unterzogen, durch die nicht korrekt gefaltete oder inkomplett assemblierte Proteine erkannt und zumindest temporär zurückgehalten werden (Kap. 17.5.4). In diesen Prozess ist eine Vielfalt von Proteinen einbezogen wie das Chaperon BiP, die Glucosidase II, die UDP-Glc-Glykoprotein-Glucosyltransferase, die Lektine Calnexin und Calreticulin und ER-Mannosidasen. Von zentraler Bedeutung für die Qualitätskontrolle der Proteinfaltung ist der Calnexin/Calreticulin-Zyklus (Abb. 16.9):
  • Über das Prozessieren durch Glucosidase I und Glucosidase II entstandene monoglucosilierte Glykoproteine werden von den ER-Lektinen Calnexin oder Calreticulin gebunden. Nach Abspaltung des Glucoserests durch Glucosidase II wird diese Bindung beendet. Ein korrekt gefaltetes Glykoprotein wird dann nach eventueller weiterer Prozessierung durch ER-Mannosidasen in den Golgi-Apparat transportiert (Abb. 16.9a).

  • Bei Proteinfehlfaltung werden die Glykoproteine durch den Faltungssensor UDP-Glc-Glykoprotein-Glucosyltransferase erkannt und reglucosyliert und durchlaufen einen weiteren Calnexin/Calreticulin-Zyklus.

  • Wenn die Proteinfehlfaltung nicht behoben werden kann, werden diese Glykoproteine durch ER-assoziierte Degradation (ERAD) abgebaut (Abb. 16.9b). Hierfür müssen sie aus dem Lumen des rER zurück zum Zytosol gebracht werden. Dieser Vorgang wird als Dislokation (oder Retrotranslokation) bezeichnet. Die ER-Mannosidase I spielt hierbei eine wichtige Rolle, da durch sie ein Mannose8-B-Isomer-Oligosaccharid generiert wird, das einen Glykocode für die Dislokation darstellt. Diese Oligosaccharidstruktur wird von EDEM1 (ER-degradation enhancing 1-mannosidase like protein 1), einem ERAD-Faktor, erkannt (Abb. 16.9b und Kap. 17.5.3).

An die Dislokation fehlgefalteter Proteine schließen sich deren Polyubiquitinierung und Abbau durch zytosolische Proteasomen an (Abb. 16.10).
  • Infolge einer Überlastung (oder experimenteller Hemmung) der Proteasomen kann es zur Ansammlung und Aggregation fehlgefalteter Proteine im Zytoplasma kommen. Diese Einschlusskörper werden generell als Aggresomen (Abb. 16.10) bezeichnet und können bei chronisch-neurodegenerativen Erkrankungen wie z.B. der Parkinson-Krankheit, der amyotrophen Lateralsklerose und der Alzheimer-Krankheit gefunden werden.

  • Andererseits können fehlgefaltete Proteine unlösliche Aggregate im Lumen des rER bilden, die nicht disloziert werden können. Sie führen entweder zu einer generellen oder zu einer lokalen Erweiterung des rER (Abb. 16.10). Ersteres kann bei der sog. PiZ-Variante des 1-Antitrypsins beobachtet werden, Letzteres sind die Russell-Körperchen (Abb. 16.8c und 16.10). Der durch die Ansammlung fehlgefalteter Proteine verursachte ER-Stress und die Induktion einer Unfolded protein response (UPR; Kap. 17.5.4) können zum Zelltod durch Apoptose führen. Beim 1-Antitrypsin-Mangel kann daraus eine Leberzirrhose resultieren.

Klinik

Eine irreversible Fehlfaltung, d.h. thermodynamische Instabilität, von Glykoproteinen stellt die Ursache von Proteinfaltungskrankheiten dar. Häufig ist die Proteinfehlfaltung durch eine Punktmutation verursacht, wobei zu beachten ist, dass nicht alle Punktmutationen zu einer Proteinfaltungskrankheit führen. Die zystische Fibrose und der 1-Antitrypsin-Mangel sind typische Vertreter dieser großen Krankheitsfamilie. Die Krankheitssymptome können über verschiedene Mechanismen entstehen:

  • Durch das fehlende Protein tritt ein zellulärer Funktionsverlust auf.

  • Die Anwesenheit von Einschlusskörpern (Aggresomen) kann einen Zellschaden verursachen.

  • Irreversibel fehlgefaltete Glykoproteine im rER führen zu einer Unfolded protein response mit ER-Stress, der Zelltod durch Apoptose verursachen kann.

In den meisten Fällen sind die Proteine trotz Fehlfaltung noch funktionell. Darauf basiert der Einsatz pharmakologischer Chaperone für eine eventuelle Therapie von Proteinfaltungskrankheiten. Dabei handelt es sich um niedermolekulare Substanzen, die den Faltungszustand fehlgefalteter Proteine günstig beeinflussen. Auf diese Weise werden ihre Erkennung durch die Qualitätskontrolle und ihr Abbau durch ERAD umgangen. Sie können so an den Ort ihrer Wirkung in der Zelle gelangen, was zur Behebung oder Milderung der Krankheitssymptomatik führt.

Glattes endoplasmatisches Retikulum

Wie durch den Namen bereits definiert, ist das glatte ER (sER) frei von Ribosomen. Es unterscheidet sich vom rER weiter dadurch, dass es nicht aus Zisternen, sondern aus Konvoluten von Tubuli besteht (Abb. 16.11). Obwohl alle Zellen sER besitzen, weisen bestimmte Zelltypen wie die steroidhormonproduzierenden Zellen der Nebennierenrinde überwiegend sER und nur wenig rER auf. sER und rER gehen kontinuierlich ineinander über, was besonders gut in Hepatozyten beobachtet werden kann (Abb. 16.11).
Das sER ist der Hauptsyntheseort für Lipide (Kap. 7) und führt wichtige Entgiftungsfunktionen über das Cytochrom-P450-System aus (Kap. 27.3). Eine Sonderform des sER stellt das Longitudinalsystem des sarkoplasmatischen Retikulums der Skelettmuskelfasern dar, das Bestandteil eines Signalübertragungssystems bei der Muskelkontraktion ist (Kap. 19.2.1).

MERKE

Das raue ER (rER) besteht aus verschiedenen Domänen: den ribosomenbesetzten flachen Zisternen, der äußeren Kernmembran und dem transitorischen ER. Seine Hauptfunktionen sind die Biosynthese und der Transport von Proteinen und deren initiale N-Glykosylierung sowie die Qualitätskontrolle der Proteinfaltung.

Das glatte ER (sER) besteht aus Konvoluten von Tubuli, die mit dem rER in Verbindung stehen. Hier finden die Lipidsynthese und die Entgiftung durch Biotransformation statt.

Prä-Golgi-Transportintermediate

Der Begriff Prä-Golgi-Transportintermediate ist gleichbedeutend mit Begriffen wie intermediäres Kompartiment, Salvage compartment und vesikulotubuläre Cluster (VTC). Ihre Hauptaufgabe besteht im anterograden und retrograden Transport von Frachtgut (Cargo) zwischen dem ER und dem Golgi-Apparat. Die Prä-Golgi-Transportintermediate bestehen zum einem aus Gruppen von 60–80 nm großen Vesikeln und zum anderen aus bis 500 nm langen Tubuli sowie größeren, unregelmäßig begrenzten vesikulären Strukturen (Abb. 16.12). Die unterschiedliche Größe der anterograden Transportelemente (d.h. vom ER zum Golgi-Apparat) ist erforderlich, um unterschiedlich große Proteine zu transportieren. So können z.B. die 300 nm langen Trimere des Prokollagens I nicht in 60–80 nm großen Vesikeln transportiert werden. Entsprechend ihrer Funktion liegen die Prä-Golgi-Transportintermediate zwischen dem transitorischen ER und dem cis-Golgi-Apparat (Abb. 16.12a). Allerdings existieren sie auch gemeinsam mit dem transitorischen ER in der Zellperipherie (Abb. 16.12b). Diese peripheren Prä-Golgi-Transportintermediate werden entlang von Mikrotubuli zum Golgi-Apparat transportiert. Sowohl die Tubuli als auch die größeren vesikulären Strukturen werden vom transitorischen ER gebildet.
Durch die Abschnürung von COP-II-überzogenen Membranknospen werden vom transitorischen ER COP-II-überzogene Vesikel gebildet (Abb. 16.12), die dem anterograden Transport vom ER zum Golgi-Apparat dienen (Abb. 16.13). Die Vesikel verlieren ihren COP-II-Proteinüberzug rasch und können miteinander fusionieren.
In den Prä-Golgi-Transportintermediaten existiert noch ein anderer Typ von Vesikeln, die einen zytosolischen Überzug aus COP-I besitzen. Im Gegensatz zu den COP-II-überzogenen Vesikeln, die dem anterograden Transport vom ER zum Golgi-Apparat dienen, vermitteln die COP-I-überzogenen Vesikel den retrograden Transport vom Golgi-Apparat in das ER (Abb. 16.13 und Kap. 17.6.3).
Für das Anheften und die nachfolgende Fusion der COP-überzogenen Transportvesikel an die Zielmembranen sind SNARE-Proteine (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptors, Kap. 17.6.3) wichtig. SNARE-Proteine existieren sowohl in der Zielmembran als sog. Target-(t-)SNARE als auch in der Vesikelmembran als sog. Vesicle-(v-)SNARE und sind sowohl für den anterograden als auch für den retrograden Transport zwischen dem ER und dem Golgi-Apparat wichtig.
In den Prä-Golgi-Transportintermediaten sind, ähnlich wie im ER, Proteine für die Qualitätskontrolle der Proteinfaltung vorhanden. Falsch gefaltete Proteine können in Prä-Golgi-Transportintermediaten gespeichert werden, wodurch diese vergrößert werden.

Klinik

Das ERGIC-53-Protein ist ein Markerprotein für Prä-Golgi-Transportintermediate und stellt einen Rezeptor für den Transport vom ER in den Golgi-Apparat von wenigen spezifischen Proteinen dar. Mutationen des ERGIC-53-Proteins gemeinsam mit dem MCFD2-Protein (multiple coagulation factor deficiency 2) führen zu einem kombinierten Mangel an den Gerinnungsfaktoren V und VIII, einer autosomal-rezessiven Hämophilie (Bluterkrankheit). Bei dieser Form einer Hämophilie handelt es sich also um eine Transportdefektkrankheit.

MERKE

Die Prä-Golgi-Transportintermediate sind aus Gruppen von unterschiedlich großen Vesikeln und Tubuli zusammengesetzt. Sie vermitteln den anterograden COP-II- und den retrograden COP-I-Transport zwischen ER und Golgi-Apparat und sind in die Kontrolle der Proteinfaltung einbezogen.

Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat ist ein kompliziert aufgebautes Organell (Abb. 16.14). Er besteht aus miteinander verbundenen Untereinheiten und erstreckt sich wie ein Band durch die Zelle. Die klassische Beschreibung des Golgi-Apparats als eines Stapels von flachen, eng aufeinanderliegenden Zisternen entspricht der Struktur, die in einzelnen Ultradünnschnitten elektronenmikroskopisch sichtbar ist (Abb. 16.14a). Je nach Zelltyp variiert die Zahl der Zisternen pro Stapel beträchtlich. Die kompakten zisternalen Anteile sind seitlich über Netzwerke aus Tubuli verbunden, sodass ein einziges zusammenhängendes Organell resultiert. Die oftmals verwirrende Strukturvielfalt des Golgi-Apparats ist nicht nur durch seinen komplexen Aufbau bedingt, sondern auch dadurch, dass es sich um ein in sich verdrehtes Organell handelt.
Diejenige Seite des Golgi-Apparats, in welche die verschiedensten Transportgüter (Cargo) aus dem ER über die Prä-Golgi-Transportintermediate eintreten, wird als cis-Seite bezeichnet. Nach allgemeiner Übereinkunft werden die ersten zwei Zisternen auf dieser Seite als cis-Golgi-Apparat bezeichnet. An ihn schließen sich die Zisternen des medialen Golgi-Apparats an, der von den Zisternen des trans-Golgi-Apparats und seinem trans-Golgi-Netzwerk gefolgt wird. Zur Identifizierung der verschiedenen, sich gegenseitig überlappenden Subkompartimente des Golgi-Apparats werden heutzutage fast ausschließlich immunhistochemische Markierungen verwendet.
Das trans-Golgi-Netzwerk besteht aus einem System von verzweigten, miteinander verbundenen Tubuli, das je nach Zelltyp unterschiedlich stark ausgeprägt ist und große Anteile des Zytoplasmas durchspannen kann (Abb. 16.14b, c). Die Tubuli des trans-Golgi-Netzwerks besitzen clathrinüberzogene Membranknospen, von denen clathrinüberzogene Vesikel gebildet werden (Kap. 17.7.1, Abb. 17.20Kap. 17.7.1Abb. 17.20).
So komplex, wie seine Struktur ist, so vielfältig sind auch die Funktionen des Golgi-Apparats (Kap. 17.6.4):
  • Er wird als die Hauptkreuzung in der Zelle bezeichnet, da sich verschiedene Transportwege in ihm treffen und ihn durchkreuzen (Abb. 16.13). Unterschiedlichster Cargo wird aus dem ER zum Golgi-Apparat und zurück sowie durch den Golgi-Apparat und anschließend in Sekretgranula oder in Lysosomen weiter zur Plasmamembran transportiert. Der Transport innerhalb des Golgi-Apparats kann sowohl in anterograder als auch in retrograder Richtung erfolgen. Extrazelluläre Substanzen einschließlich Toxinen können über Endozytose in den Golgi-Apparat gelangen, und manche können von hier sogar in das ER transportiert werden.

  • In ihm finden posttranslationale Modifikationen statt, wie z.B. die terminale Glykosylierung von N-Glykanen der Glykoproteine und der Glykolipide (Kap. 17.6.2), die O-Glykosylierung von Glykoproteinen, Phosphorylierungsreaktionen, die Synthese des Mannose-6-phosphat-Rests an lysosomalen Enzymen und die Sulfatierung von Proteoglykanen, von Oligosacchariden bestimmter Hormone oder anderer sekretorischer Proteine und von Tyrosin.

  • Die Synthese der Glykosphingolipide (Kap. 8.2) findet ebenfalls im Golgi-Apparat statt.

  • Im trans-Golgi-Apparat beginnt die endoproteolytische Umwandlung von Prohormonen in reife Hormone (Kap. 24).

  • Das trans-Golgi-Netzwerk ist eine wichtige Station für das Sortieren von Proteinen des sekretorischen Wegs, das die Bildung verschiedener Typen von Vesikeln und Tubuli beinhaltet. Die Sekretgranula sind dabei allein durch ihre Größe die eindrucksvollsten Vesikel. Des Weiteren werden kleine Vesikel für die sog. konstitutive Sekretion gebildet. Kleine clathrinüberzogene Vesikel vom trans-Golgi-Netzwerk dienen dem Transport von lysosomalen Enzymen. Sie entsprechen primären Lysosomen, die mit Endosomen fusionieren und die sekundären Lysosomen bilden (Kap. 16.7).

MERKE

Der Golgi-Apparat ist ein einziges Organell, dessen Grundstruktur stapelförmig angeordnete Zisternen bilden, die durch verzweigte Tubuli seitlich verbunden sind. Strukturell und funktionell werden ein cis-, ein medialer und ein trans-Golgi-Apparat sowie das trans-Golgi-Netzwerk unterschieden, bei denen es sich um überlappende Subkompartimente handelt. Die Hauptfunktionen des Golgi-Apparats bestehen im Transport und Sortieren von Proteinen, in verschiedenen posttranslationalen Modifikationen an Proteinen sowie in der Synthese von Glykosphingolipiden.

Sekretgranula

Sekretgranula sind membranbegrenzte Vesikel, in denen sekretorische Proteine intrazellulär gespeichert werden. Nach einem Reiz fusionieren sie mit der Plasmamembran und sezernieren ihren Inhalt.
  • Elektronenmikroskopisch weisen die reifen Sekretgranula von exokrinen Zellen häufig einen gleichmäßig strukturierten Inhalt auf. Beispiele hierfür sind die Zymogengranu

  • la der azinären Pankreaszellen (Abb. 16.15a) oder die Schleimgranula der Becherzellen.

  • Die Sekretgranula von endokrinen Zellen enthalten i.d.R. einen sog. Dense core, der von einem luzenten Hof umgeben sein kann. Ein Beispiel hierfür sind die Sekretgranula der insulinproduzierenden -Zellen des Pankreas (Abb. 16.15b).

Die Bildung der Sekretgranula erfolgt in vier Schritten (Abb. 16.16, 1–4):
  • Der erste Schritt umfasst das aktive Sortieren und die Bildung von Oligomeren der sekretorischen Proteine im Lumen des trans-Golgi-Apparats. Ein Teil der sekretorischen Proteine ist hierbei membranassoziiert, was für das Sortieren der übrigen wichtig ist. Die Membranassoziation wird über Lipidmikrodomänen (Rafts, Kap. 17.7.2) vermittelt. Die aggregierten sekretorischen Proteine erscheinen elektronenmikroskopisch als kontrastreiche, rundliche Gebilde in lokal erweiterten Anteilen von trans-Golgi-Zisternen und des trans-Golgi-Netzwerks.

  • Der zweite Schritt besteht in der Bildung von unreifen Sekretgranula über die Abschnürung von Membranknospen im trans-Golgi-Netzwerk. Sowohl die Membranknospen als auch die von ihnen gebildeten unreifen Sekretgranula weisen einen partiellen Clathrinüberzug auf. Bei der Bildung der unreifen Sekretgranula sind SNARE-Proteine wie das Syntaxin 6 wichtig.

  • In einem dritten Schritt kommt es, ebenfalls unter Vermittlung von SNARE-Proteinen, zur Fusion von unreifen Sekretgranula.

  • Der letzte Schritt besteht in der Umwandlung der unreifen in die reifen Sekretgranula. Dieser Reifungsprozess beinhaltet die Entfernung verschiedener Proteine der Sekretvesikelmembran (z.B. der SNARE-Proteine und des Clathrinadapterproteins AP1) sowie nichtsekretorischer, luminaler Proteine mittels clathrinüberzogener Vesikel.

Auf einen Reiz hin fusionieren die reifen Sekretgranula mit der Plasmamembran und entleeren ihren Inhalt durch Exozytose (Abb. 16.16, 5–9). Diese ATP-abhängige Art der Sekretion wird als regulierte Sekretion bezeichnet. Sie ist von der konstitutivenSekretion zu unterscheiden, die fortwährend über die Bildung und Exozytose kleiner Sekretvesikel vor sich geht. Im Gefolge eines Sekretionsstimulus kommt es zu einer Zerlegung des Actinzytoskeletts unter der Plasmamembran, zur Annäherung der Sekretgranula an die Plasmamembran und letztlich zur Fusion der Sekretgranulamembran mit der Plasmamembran. Hierbei sind ebenfalls SNARE-Proteine beteiligt, wie das VAMP1/2 der Vesikelmembran sowie Syntaxin 1 und SNAP-25 der Plasmamembran. Im Anschluss an die Exozytose des Inhalts der Sekretgranula werden Teile der Sekretgranulamembran endozytiert, da die Plasmamembran sonst unkontrolliert expandieren würde.

MERKE

Sekretgranula sind die Organellen der regulierten Sekretion, in denen sekretorische Proteine gespeichert sind. Auf einen Reiz hin fusionieren sie mit der Plasmamembran und entleeren ihren Inhalt durch Exozytose.

Endozytose, Lysosomen und Autophagolysosomen

Endozytose (Kap. 17.7) vermittelt die Aufnahme zellfremden Materials in die Zellen.
  • Die rezeptorvermittelte Endozytose erfolgt typischerweise durch clathrinüberzogene Membraneinbuchtungen (Coated pits), aus denen sich clathrinüberzogene Vesikel (Coated vesicles) bilden (Abb. 16.17a).

  • Endozytose kann aber auch durch Caveolae vor sich gehen, die charakteristische flaschenförmige Plasmamembraninvaginationen mit einem zytosolischen Überzug aus Caveolinen darstellen (Abb. 16.17b).

Die so entstandenen Endozytosevesikel bilden die frühen Endosomen, die in enger Nachbarschaft zur Plasmamembran liegen. Aus ihnen entstehen die mehr im Inneren der Zelle gelegenen späten Endosomen, zu denen auch die multivesikulären Körperchen zählen (Abb. 16.19c). Frühe und späte Endosomen unterscheiden sich in der Zusammensetzung ihrer Proteine; sie weisen beide einen sauren pH-Wert ( 6) auf und enthalten keine lysosomalen Enzyme und Proteine.
Die Lysosomen sind membranbegrenzte zelluläre Verdauungskompartimente. Sie befinden sich bevorzugt, aber nicht ausschließlich in der Nachbarschaft des Golgi-Apparats (Abb. 16.18).
Die Bildung der sekundären Lysosomen erfolgt über die Fusion von primären Lysosomen mit späten Endosomen. Die primären Lysosomen sind lysosomale Enzyme enthaltende, dem trans-Golgi-Netzwerk entstammende, anfänglich clathrinüberzogene Vesikel. Sie enthalten eine Vielzahl hydrolytischer Enzyme wie Proteinasen, Lipasen, Nucleasen, Glykosidasen, Phosphatasen und Sulfatasen, deren pH-Optimum im sauren Bereich liegt.
Durch ATP-abhängige Protonenpumpen in der Membran der sekundären Lysosomen wird das typische saure Milieu (pH-Wert 5) geschaffen und erhalten. Zum Schutz gegen Eigenverdauung ist die innere Oberfläche der lysosomalen Membran mit einer dicken Schicht von polylaktosaminhaltigen Oligosacchariden ausgekleidet (Abb. 16.19a). Diese sind Teil von Strukturproteinen der lysosomalen Membran, die als LAMP (lysosomenassoziierte Membranproteine) bezeichnet werden.
Lysosomen variieren nicht nur in ihrer Größe und Gestalt, sondern auch bezüglich der Struktur ihres Inhalts (Abb. 16.19). Dabei führen unterschiedliche Stadien des Abbaus endozytierter Substanzen zu elektronenmikroskopisch erkennbar unterschiedlichen Strukturen. Die sog. Residualkörperchen sind Lysosomen, die nicht mehr verdaubares Material enthalten. Hierbei handelt es sich oftmals um peroxidierte Lipide, die myelinartige Strukturen bilden (Abb. 16.19b).
Autophagolysosomen sind Verdauungsorganellen, die im Gegensatz zu sekundären Lysosomen den Abbau von zelleigenen Bestandteilen bewerkstelligen (Abb. 16.20). Die Autophagozytose dient der Beseitigung überschüssiger oder geschädigter zellulärer Organellen, wie Bestandteilen des rauen und glatten ER oder von Mitochondrien und Peroxisomen sowie von Anteilen des Zytosols.
Die Bildung der Autophagolysosomen ist ein vielstufiger Prozess, an dem zahlreiche spezifische Proteine beteiligt sind. Abb. 16.21 zeigt schematisch ihren Ablauf. Zunächst wird das betreffende Organell, z.B. ein Peroxisom, partiell von einer Doppelmembran (Phagophore) umgeben. Mit der anschließenden vollständigen Umschließung kommt es zur Sequestrierung des Organell; daraus leitet sich auch die Bezeichnung Sequestrierungsmembran ab. Die äußere und die innere Membran dieser Doppelmembran besitzen unterschiedliche autophagieassoziierte Proteine. Das so entstandene Autophagosom besitzt weder lysosomale Enzyme noch lysosomale Membranproteine und hat somit auch keine Verdauungskapazität. Erst durch die anschließende Fusion mit Lysosomen entstehen die Autophagolysosomen. Die Anwesenheit lysosomaler Enzyme und lysosomaler Membranproteine (inklusive Protonenpumpen) erlaubt nun den lysosomalen Abbau des Inhalts der Autophagolysosomen.

Klinik

Lysosomale Speicherkrankheiten sind eine Gruppe von angeborenen Stoffwechselerkrankungen, die durch das Fehlen lysosomaler Enzyme bedingt sind. Dadurch ist der lysosomale Abbau verschiedener Proteine, komplexer Lipide oder anderer Metaboliten gestört. Das führt zur Anhäufung von spezifischen Zwischenprodukten in den vergrößerten Lysosomen. Die schwerste Form einer lysosomalen Speicherkrankheit ist die I-Zell-Erkrankung, bei der die Synthese des Mannose-6-phosphats gestört ist, sodass keine lysosomalen Enzyme in die Lysosomen sortiert werden können. Andere lysosomale Speicherkrankheiten sind durch das isolierte Fehlen eines lysosomalen Enzyms in den Lysosomen charakterisiert. Bei der Gaucher-Krankheit fehlt die lysosomale -Glucosidase und bei der Fabry-Krankheit die lysosomale -Galaktosidase A. Das führt zur Anhäufung von Glucosylceramid bzw. von Globotriaosylceramid in den vergrößerten Lysosomen (Abb. 16.22).

MERKE

Lysosomen sind membranbegrenzte Vesikel, in denen zellfremdes endozytiertes Material hydrolytisch abgebaut wird. Autophagolysosomen sind auf den Abbau zelleigener Bestandteile spezialisiert. Gebildet werden sie über die Fusion von Autophagosomen, die keine Verdauungskapazität haben, mit primären Lysosomen.

Mitochondrien

Die Mitochondrien können bereits lichtmikroskopisch als mobile, kugel- oder fadenförmige Gebilde von unterschiedlicher Größe identifiziert werden (Abb. 16.23a). Elektronenmikroskopisch sind sie nach einem einheitlichen Prinzip aufgebaut (Abb. 16.23b). Eine Doppelmembran (äußere und innere Mitochondrienmembran) begrenzt den 10–20 nm weiten Intermembranraum. Die äußere Mitochondrienmembran ist wegen der Anwesenheit von Porinen durchlässig für Ionen und niedrigmolekulare Substanzen (Kap. 17.3). Die innere Mitochondrienmembran bildet zahlreiche leistenförmige Membranausstülpungen, die als Cristae bezeichnet werden. In steroidhormonproduzierenden Zellen haben die Ausstülpungen der inneren Mitochondrienmembran die Gestalt von Tubuli. Folglich werden Mitochondrien vom Crista-Typ und vom Tubulus-Typ unterschieden.
Der von der inneren Mitochondrienmembran und ihren Ausstülpungen begrenzte Raum wird als mitochondriale Matrix bezeichnet. Passend zum Vorhandensein eines eigenen Genoms (Kap. 11.4.5) finden sich in Mitochondrien 150 große Ribosomen. Wesentlich größere intramitochondriale Partikel enthalten Phospholipide und speichern Kationen, vorzugsweise Calcium, im Einklang mit der Speicherfunktion der Mitochondrien für Calcium. Oftmals stehen Mitochondrien mit Abschnitten von Zisternen des rauen ER in enger räumlicher Beziehung, was dem Calciumaustausch zwischen diesen Organellen dient. In der inneren Mitochondrienmembran befinden sich die Enzyme für die oxidative Phosphorylierung sowie Transportproteine und in der Matrix viele Enzyme des Energie- und Intermediärstoffwechsels.
Entsprechend vielfältig sind die Funktionen der Mitochondrien.
  • Gemeinhin werden sie als die Kraftwerke der Zellen bezeichnet, da sie der Hauptsyntheseort für ATP sind (Kap. 6.2). Je nach dem Energiebedarf des betreffenden Zelltyps variieren daher die Zahl und Größe der Mitochondrien.

  • Zudem fließen hier viele Stoffwechselprozesse zusammen, in denen Acetyl-CoA entsteht – nämlich die Umsetzung des in der Glykolyse und im Aminosäurestoffwechsel entstehenden Pyruvats und die -Oxidation der Fettsäuren – wie auch dessen weitere Verstoffwechslung im Zitronensäurezyklus.

  • In der Matrix finden zudem ein Teil des Harnstoffzyklus, die Bildung von Pyruvat in der ersten Umkehrreaktion der Gluconeogenese, die Bildung des Citrats für den Export der C2-Bausteine der Fettsäuresynthese, viele Schritte des katabolen und anabolen Aminosäurestoffwechsels, die ersten Schritte der Hämsynthese (Bildung des 5-Aminolävulats) sowie Teilschritte der Steroidhormonsynthese statt.

  • Mitochondrien spielen schließlich auch eine wichtige Rolle für die Einleitung der Apoptose (Kap. 23.3.1).

MERKE

Mitochondrien sind von einer Doppelmembran umgeben. Ausstülpungen der inneren Mitochondrienmembran bilden entweder Cristae oder Tubuli. Mitochondrien sind für die ATP-Synthese und die -Oxidation von Fettsäuren zuständig und speichern Calcium. Sie können die Apoptose initiieren.

Peroxisomen

Die Peroxisomen sind i.d.R. von sphärischer Gestalt und im Gegensatz zu den Mitochondrien nur von einer einzelnen Membran umgeben (Abb. 16.24). Je nach Zelltyp variiert ihre Größe beträchtlich von 0,1 bis 1,0 m.
Die Peroxisomen enthalten H2O2-produzierende oxidative Enzyme und Katalase. Die oxidativen Enzyme ermöglichen die Verkürzung langkettiger oder verzweigtkettiger Fettsäuren unter Verwendung von molekularem Sauerstoff. Das bei dieser Form der -Oxidation anfallende Wasserstoffperoxid wird von der peroxisomalen Peroxidase in Sauerstoff und Wasserstoff umgewandelt. Die peroxisomale Katalase ist dabei wichtig für die enzymatische Beseitigung zellschädigender, sauerstoffabgeleiteter freier Radikale. Außerdem oxidiert die Katalase Alkohol, Phenol, Formaldehyd und Ameisensäure unter Verwendung von Wasserstoffperoxid. Solche Reaktionen stellen wichtige Entgiftungsfunktionen in der Leber und der Niere dar. Peroxisomen werden als Reaktion auf Umweltgifte vermehrt und vergrößert und passen ihren Gehalt an Enzymen den jeweils neuen Anforderungen an. In der Leber sind Peroxisomen auch in den Cholesterinstoffwechsel und in die Gluconeogenese einbezogen. Des Weiteren katalysieren sie die Initialreaktion der Plasmalogenbiosynthese, eines Hauptbestandteils der Myelinscheiden.
Bezüglich der Biogenese der Peroxisomen gibt es unterschiedliche Vorstellungen. Die ursprüngliche Annahme, dass die Peroxisomen vom ER gebildet werden, ist durch neuere Befunde an Hefen untermauert worden. Das nach wie vor aktuelle Wachstums-/Teilungsmodell, für das ebenfalls viele Daten sprechen, geht davon aus, dass Peroxisomen eigenständige Organellen sind, die sich durch Teilung vermehren. Gegenwärtig wird angenommen, dass beide Vorgänge bei der Neubildung von Peroxisomen eine Rolle spielen. Unbestritten sind die Synthese der peroxisomalen Membran- und Matrixproteine im Zytosol an freien Polysomen und der anschließende Import durch Peroxine (Kap. 17.4.2).

Klinik

Peroxisomale Erkrankungen können entweder durch einen isolierten Enzymmangel oder durch eine Störung der Bildung der Peroxisomen infolge von Mutationen in Peroxingenen verursacht sein. Enzymdefekte äußern sich in gestörter -Oxidation von langkettigen oder verzweigtkettigen Fettsäuren (X-chromosomale Adrenoleukodystrophie bzw. Refsum-Krankheit), beeinträchtigter Plasmalogen- und Isoprenoidsynthese oder mangelnder Entgiftungsfunktion. Eine gestörte Bildung der Peroxisomen führt zum Spektrum der Zellweger-Erkrankungen wie dem Zellweger-Syndrom, der neonatalen Adrenoleukodystrophie und der Refsum-Krankheit. Diese drei Krankheiten unterscheiden sich klinisch durch ihren Schweregrad, wobei das Zellweger-Syndrom die schwerste Form ist. Bei ihnen werden unterschiedlich ausgeprägte, elektronenmikroskopisch sichtbare Strukturdefekte der Peroxisomen bis hin zu deren vollständigem Fehlen gefunden. Beim Zellweger-Syndrom beobachtete Veränderungen der Mitochondrien sind wahrscheinlich durch die vermehrte Anwesenheit von Sauerstoffradikalen verursacht, die normalerweise von den Peroxisomen abgebaut werden.

MERKE

Peroxisomen sind von einer einzelnen Membran umgeben. Sie enthalten H2O2-produzierende oxidative Enzyme und Katalase und üben wichtige Funktionen für den Lipidstoffwechsel und Entgiftungsfunktionen aus. Angeborene Störungen in der Bildung und Funktion von Peroxisomen sind Ursache der Zellweger-Erkrankungen.

Zytoplasma

Der von der Zellmembran umschlossene und die Zelle ausfüllende Inhalt wird als Zytoplasma bezeichnet, das aus dem Zytosol und darin eingebettetem Zytoskelett (Kap. 20) und Organellen besteht. Es ist das wässrige Reaktionsmedium vieler Stoffwechselvorgänge und umgibt die einzelnen Organellen. Der Wassergehalt beträgt 80–85%. Daneben besteht es aus Proteinen (10–15%), Lipiden (2–4%), Polysacchariden (0,1–1,5%), DNA (0,4%), RNA (0,7%), kleinen organischen Molekülen (0,4%) und anorganischen Molekülen und Ionen (1,5%). Im Zytoplasma findet an freien Polysomen die Biosynthese der intrazellulären Proteine statt. Ferner ist es Reaktionsraum der Glykolyse und der Gluconeogenese, des Pentosephosphatwegs, des Auf- und Abbaus von Glykogen, der Fettsäuresynthese und des Nucleotidstoffwechsels.
Das Zytoplasma ist auch der Ort, in dem die von außen auf die Zelle eintreffenden Signale, die von Rezeptoren auf der Zelloberfläche empfangen werden, durch Proteine und andere Moleküle weitergeleitet werden und wo dann die zelluläre Antwort ausgelöst wird, z.B. die Veränderung der Expression eines bestimmten Gens im Zellkern.

MERKE

Das Zytoplasma besteht aus dem Zytosol, in dem das Zytoskelett und die Organellen eingebettet sind. Es bietet Raum für viele Stoffwechselvorgänge, für den Molekültransport zwischen den Organellen und den Membranen sowie für die Weiterleitung von extrazellulär empfangenen Signalen und Informationen an den Zellkern und andere Organellen zur Auslösung der zellulären Antwort.

ZUSAMMENFASSUNG

Zellkern

Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben, der Kernhülle, die von den Kernporenkomplexen durchsetzt ist. Letztere dienen dem bidirektionalen nucleozytoplasmatischen Transport. Das Nucleoplasma besteht aus verschiedenen, nicht membranbegrenzten Kompartimenten (Kernkörperchen). Hier finden die DNA-Replikation und die RNA-Synthese statt. In den Nucleoli laufen die Transkription der rRNA und die Biogenese der Ribosomen ab. Die Kernlamina hat mechanische, strukturerhaltende Funktionen, koordiniert die Expression von Genen und ist an der Steuerung des Alternsprozesses beteiligt.

Endoplasmatisches Retikulum, Prä-Golgi-Transportintermediate und Golgi-Apparat

Das raue ER ist ein System ribosomenbesetzter Zisternen. In ihm finden die Biosynthese und die Qualitätskontrolle von Proteinen sowie initiale Reaktionen der N-Glykosylierung von Proteinen statt. Das transitorische ER ist der Austrittsort von Transportgut aus dem ER für den Weitertransport zum Golgi-Apparat, der über COP-II-Vesikel der Prä-Golgi-Transportintermediate vermittelt wird. Der retrograde Transport vom Golgi-Apparat zum ER geschieht über COP-I-Vesikel.
Das glatte ER besteht aus Konvoluten von Tubuli, die mit dem rauen ER in Verbindung stehen. Im glatten ER findet die Synthese von Lipiden statt. Des Weiteren hat es eine wichtige Entgiftungsfunktion, die über das Cytochrom-P450-System realisiert wird.
Der Golgi-Apparat besteht aus Stapeln von Zisternen, die über Tubuli seitlich miteinander verbunden sind. Strukturell und funktionell können cis-, mediale und trans-Golgi-Apparat-Zisternen sowie das trans-Golgi-Netzwerk unterschieden werden. Im Golgi-Apparat kreuzen sich zahlreiche Transportwege. Er dient dem Transport und dem Sortieren von Membranproteinen in die Plasmamembran, von sekretorischen Proteinen in Sekretgranula und von lysosomalen Enzymen in Lysosomen. Endozytierte Substanzen können in den Golgi-Apparat und von hier weiter in das ER gelangen. Im Golgi-Apparat wird die Synthese der N-Glykane beendet und die gesamte Synthese der O-Glykane durchgeführt. Die Glykosphingolipide werden hier ebenfalls synthetisiert. Des Weiteren finden Sulfatierungsreaktionen und die endoproteolytische Prozessierung von Prohormonen in reife Hormone statt.

Sekretgranula

Sekretgranula sind die Organellen der regulierten Sekretion. Ihre Bildung beginnt in den Zisternen des trans-Golgi-Apparats und im trans-Golgi-Netzwerk über das Sortieren und Oligomerisieren sekre- torischer Proteine. Unreife Sekretgranula werden vom trans-Golgi-Netzwerk abgeschnürt. Sie werden in reife Sekretgranula umgewandelt, die nach einem Stimulus, der zur Erhöhung des zellulären Ca2+-Spiegels führt, mit der Plasmamembran fusionieren. Über Exozytose wird der Inhalt der Sekretgranula sezerniert.

Endozytose, Lysosomen und Autophagosomen

Die Endozytose dient der Aufnahme von extrazellulärem Material in die Zellen. Lysosomen sind die Organellen für die intrazelluläre Verdauung des endozytierten Materials. Sie enthalten eine Vielzahl lytischer Enzyme, deren pH-Optimum im sauren Bereich liegt. Protonenpumpen der Lysosomenmembran gewährleisten das saure Milieu in den Lysosomen. Autophagolysosomen dienen der Verdauung zelleigener Bestandteile.

Mitochondrien

Mitochondrien sind von einer Doppelmembran begrenzte Organellen. Die innere Mitochondrienmembran bildet Cristae oder Tubuli. In ihr sitzen die Enzyme für die oxidative Phosphorylierung. In der von der inneren Mitochondrienmembran umschlossenen Matrix befinden sich die Enzyme des Zitronensäurezyklus und der -Oxidation von Fettsäuren. Mitochondrien sind ein wichtiger Calciumspeicher und an der Steroidsynthese beteiligt; außerdem sind sie in die Apoptose involviert.

Peroxisomen

Peroxisomen sind von einer einzelnen Membran begrenzte Organellen. Ihre H2O2-produzierenden oxidativen Enzyme sind für den Lipidstoffwechsel wichtig. Peroxisomale Katalase oxidiert Wasserstoffperoxid und andere Substanzen wie Alkohol oder Phenol. Peroxisomen üben somit wichtige Entgiftungsfunktionen aus.

Zytoplasma

Das Zytoplasma umgibt die Organellen und wird nach außen durch die Plasmamembran begrenzt. Es ist der Ort vieler Stoffwechselprozesse sowie des Transports von Molekülen und Informationen zwischen den Organellen.
020 IMPP-Fragen

Fragen

  • 1.

    Substanzen können vom Zellkern in das Zytoplasma transportiert werden. Welche Strukturen sind hierfür wichtig, und wie geschieht dieser Transport?

  • 2.

    Nennen Sie Kernkörperchen und ihre Funktionen.

  • 3.

    Was versteht man unter Laminopathien, und wie äußern sie sich?

  • 4.

    Worin besteht der Unterschied zwischen COP-II- und COP-I-vermitteltem vesikulärem Transport?

  • 5.

    Welche Formen des endoplasmatischen Retikulums können unterschieden werden, und welche Funktionen üben sie aus?

  • 6.

    Wie entstehen Proteinfaltungskrankheiten, und welche zellulären Veränderungen bzw. Reaktionen haben sie zur Folge?

  • 7.

    Welche Funktionen hat das trans-Golgi-Netzwerk?

  • 8.

    In welchen Kompartimenten beginnt die Synthese der N- und der O-Glykane?

  • 9.

    Welche Organellen dienen der zellulären Verdauung?

  • 10.

    In welchen Organellen geht die -Oxidation von ungesättigten Fettsäuren vonstatten?

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