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B978-3-437-41784-9.00011-7

10.1016/B978-3-437-41784-9.00011-7

978-3-437-41784-9

Zellwand und Zellmembran(en) bei grampositiven (a) und gramnegativen Bakterien (b).

Organellen einer eukaryonten Zelle.

Schematische Darstellung einer Lipiddoppelschicht.

Phosphoglycerid. a) Strukturschema, b) Beispiel Phosphatidylserin.

Cholesterin. Rot: Hydroxylgruppe.

Bewegung von Lipiden in Membranen.

Membranproteine. ac: Integrale Membranproteine (Transmembranproteine), d–e: Periphere Membranproteine.

Fünf membrandurchspannende -Helices.

-Faltblatt.

Glykosidische Bindungen in Glykoproteinen. GlcNAc N-Acetylglucosamin, GalNAc Acetylgalactosamin.

Grundstruktur N-gebundener Oligosaccharide (Pentasaccharid, blau) am Beispiel eines mannosereichen Oligosaccharids (a) und eines komplexen Oligosaccharids (b). Dargestellt sind jeweils die Strukturformel und ein Schema.

Antiport, Symport und Uniport.

Schematische Darstellung der Na+-K+-ATPase.

Zellkontakte.

Aufbau des Chromatins.

Schematische Darstellung eines Mitochondriums.

Transportsysteme der inneren Mitochondrienmembran.

Einbau von Hydrolasen in ein Lysosom.

Entstehung und Funktion von Lysosomen. H: Hydrolasen.

Transport in das raue endoplasmatische Retikulum.

Qualitätssicherung im rauen endoplasmatischen Retikulum.

Anordnung von rauem endoplasmatischem Retikulum und Golgi-Apparat.

Fettsäureabbau in Peroxisomen.

Struktur (a) und Bewegung (b) einer Zilie.

Zellzyklus.

Zellfraktionen und ihre Leitenzyme

Tab. 11.1
Zellfraktion Leitenzym
Zellkern NAD+-Pyrophosphorylase oder Nikotinat-Mononukleotid-Adenylyl-Transferase (NMNAT)
Mitochondrien Glutamat-Dehydrogenase, Succinat-Dehydrogenase, Pyruvat-Dehydrogenase
Lysosomen saure Phosphatase, -Glucuronidase
Mikrosomen(ER, Golgi-Apparat, Peroxisomen) Glucose-6-phosphatase, Cytochrom P450 (innere Mitochondrienmembran)
Zytoplasma Enzyme der Glykolyse
Zellmembran Na+-K+-ATPase, Adenylatzyklase

Vergleich von pro- und eukaryonten Zellen

Tab. 11.2
Kriterium prokaryonte Zelle eukaryonte Zelle
Größe 15 m 5100 m
Aufbau der Zellwand Zellwand enthält Murein Zellwand enthält kein Murein
DNA kleines, einsträngiges, ringförmiges DNA-Molekül, unverpackt im Zytoplasma (Nukleoid) großes DNA-Molekül, im Zellkern an Histone gebunden
Introns nein ja
Zellorganellen Ribosomen weitere Zellorganellen
Lokalisation der Atmungskette an der Innenseite der inneren Zellmembran an der inneren Mitochondrienmembran
Ribosomen 70 S (30 S + 50 S) 80 S (40 S + 60 S)
Lokalisation von Transkription und Translation im Zytoplasma Transkription im Kern, Translation im Zytoplasma
RNA-Prozessierung nein im Zellkern

Übersicht über die verschiedenen Transportarten

Tab. 11.3
Transportart Beispiel Energielieferant
passiv
• passive (reine) Diffusion Aufnahme von NH3 aus dem Darm bzw. von O2 oder CO aus der Lunge ins Blut Konzentrationsgradient
• erleichterte Diffusion (über GLUT) Glucoseaufnahme aus dem Blut in Zellen Konzentrationsgradient
aktiv
• primär aktiv Na+-K+-ATPase, H+-Sekretion im Magen ATP
• sekundär aktiv Adeninnukleotid-(ADP-ATP-)Translokase in der inneren Mitochondrienmembran, Glucose- und Aminosäureresorption im Darm und im renalen Tubulus elektrochemischer Gradient

Vorkommen wichtiger Kollagensubtypen

Tab. 11.4
Subtyp Aufbau Vorkommen
Typ I 2 1(I)-Ketten,1 2-Kette Gefäße, Knochen,Sehnen, Haut
Typ II 3 1(II)-Ketten Knorpel
Typ III 3 1(III)-Ketten Organe, Gefäße, Haut
Typ IV 3 1(IV)-Ketten Basalmembranen

Bestandteile der extrazellulären Matrix und ihre Funktion

Tab. 11.5
Bestandteil Funktion
Kollagen Stabilität gegenüber mechanischer Belastung
Elastin Elastizität
Proteoglykane Wasserbindung ( Polsterung), Elastizität
Hyaluronat Wasserbindung ( Polsterung), Elastizität
Fibronektin Förderung der Wundheilung

Zytologie

E. Schindler

  • 11.1

    Zelltypen290

    • 11.1.1

      Prokaryonte Zellen290

    • 11.1.2

      Eukaryonte Zellen291

    • 11.1.3

      Pro- und eukaryonte Zellen im Vergleich293

  • 11.2

    Membranen293

    • 11.2.1

      Membrantypen293

    • 11.2.2

      Aufbau293

    • 11.2.3

      Synthese und Abbau296

    • 11.2.4

      Funktion296

  • 11.3

    Zellkern301

    • 11.3.1

      Aufbau301

    • 11.3.2

      Funktion302

  • 11.4

    Mitochondrien302

    • 11.4.1

      Aufbau302

    • 11.4.2

      Funktion303

  • 11.5

    Lysosomen304

    • 11.5.1

      Aufbau304

    • 11.5.2

      Entstehung304

    • 11.5.3

      Funktion304

  • 11.6

    Endoplasmatisches Retikulum306

    • 11.6.1

      Aufbau306

    • 11.6.2

      Funktion306

  • 11.7

    Golgi-Apparat (Dictyosom)307

    • 11.7.1

      Aufbau307

    • 11.7.2

      Funktion307

  • 11.8

    Peroxisomen308

    • 11.8.1

      Aufbau308

    • 11.8.2

      Funktion309

  • 11.9

    Zytoplasma (Zytosol)309

  • 11.10

    Zytoskelett309

    • 11.10.1

      Definition309

    • 11.10.2

      Aufbau310

    • 11.10.3

      Funktion310

  • 11.11

    Extrazelluläre Matrix311

    • 11.11.1

      Definition311

    • 11.11.2

      Komponenten311

  • 11.12

    Zellzyklus312

    • 11.12.1

      Ablauf312

    • 11.12.2

      Regulation313

  • 11.13

    Apoptose314

    • 11.13.1

      Definition314

    • 11.13.2

      Ablauf314

    • 11.13.3

      Bedeutung315

IMPP-Hits

  • Aufbau und Funktion der einzelnen Zellbestandteile

  • Lokalisation der Stoffwechselvorgänge in den Zellorganellen

  • Transportsysteme und Substanztransport

  • Ablauf des Zellzyklus

Zelltypen

ZelltypenMan unterscheidet zwei Zelltypen: prokaryonte und eukaryonte Zellen.

Prokaryonte Zellen

Definition
Zelltypen:Prokaryonte ZellenProkaryonten sind Einzeller. Ihre Zellen enthalten keinen Zellkern und nur eine Form von Zellorganellen (Ribosomen). Zu den Prokaryonten zählen Bakterien (einschließlich Blaualgen) und Archaebakterien (Archaeen).
Aufbau
Alle prokaryonten Zellen besitzen eine Zellwand, die die äußere Form der Zelle stabilisiert. Ausnahme sind die zellwandlosen Mykoplasmen, die polymorphe Formen aufweisen.
Die Zellwand besteht aus Murein, welches in Schichten angeordnet ist (Mureinsacculus).
  • Bakterien mit vielen Mureinschichten behalten nach Gramfärbung und Entfärbung mit Alkohol die violette Farbe bei, da Murein die Farbe festhält (grampositive Bakterien).

  • Bakterien mit wenigen Mureinschichten dagegen lassen sich mit Alkohol entfärben und sind nach einer Gegenfärbung rot (gramnegative Bakterien).

Merke

Penicillin hemmt die Murein- und somit die Zellwandsynthese vor allem grampositiver Bakterien, indem es die Vernetzung der Mureinschichten unterbindet.

Ein wesentlicher Bestandteil der unspezifischen Immunabwehr von Mensch und Tier ist das Protein Lysozym, das Mureinbindungen in der Zellwand zerstört.

Grampositive Bakterien besitzen eine Zellmembran, die der Zellwand innen anliegt (Abb. 11.1). Gramnegative Bakterien hingegen besitzen zwei Membranen, die der Zellwand außen und innen anliegen (Abb. 11.1). Die äußere Zellmembran ist für kleine Moleküle permeabel, die innere Zellmembran ist eine Permeabilitätsbarriere. Den Raum zwischen den beiden Zellmembranen bezeichnet man als periplasmatischen Raum oder Periplasma.

Merke

Grampositiv viele Mureinschichten, der dicken Zellwand liegt innen eine Zellmembran auf.

Gramnegativ wenige Mureinschichten, die dünne Zellwand liegt zwischen zwei Zellmembranen (innere und äußere Zellmembran). Dank der äußeren Zellmembran sind gramnegative Bakterien nahezu unempfindlich gegenüber Penicillinen und Lysozym.

Die einsträngige, ringförmige DNA, das Nukleoid ( Kernäquivalent) der prokaryonten Zellen, liegt unverpackt im Zytoplasma. Die einzigen Zellorganellen prokaryonter Zellen sind Ribosomen. Hier findet die Proteinbiosynthese statt. Sämtliche Stoffwechselvorgänge finden also im Zytoplasma an unterschiedlichen Orten statt.
An der Innenseite der inneren Zellmembran finden statt:
  • Atmungskette

  • DNA-Replikation

  • Synthese von Membranbestandteilen

  • Um mehr Platz für die verschiedenen Stoffwechselvorgänge zu schaffen, wird die innere Membranoberfläche durch viele Einfaltungen (Mesosomen) vergrößert.

Eukaryonte Zellen

Definition
Zelltypen:Eukaryonte ZellenAls Eukaryonten werden alle Lebewesen bezeichnet, die einen Zellkern und andere Zellorganellen (Zellkompartimente) sowie ein Zytoskelett besitzen. Zu den Eukaryonten zählen Einzeller mit Zellkern (früher: Protozoen), Pflanzen, Pilze, Tiere und der Mensch.
Aufbau
Die Zellorganellen sind von einer Membran umschlossen und vom Zytoplasma (Zytosol) getrennt.
Bestandteile einer eukaryonten Zelle (Abb. 11.2) sind:
  • Zellkern: Chromosomen, DNA-Replikation

  • Mitochondrien: Energiestoffwechsel (Fettsäureabbau u. a.), ATP-Synthese

  • Lysosomen: Abbauvorgänge

  • Ribosomen: Translation

  • endoplasmatisches Retikulum (ER): Synthese von Proteinen, Lipiden und Membranbausteinen

  • Golgi-Apparat: Synthese von Glykoproteinen, Modifikation von Syntheseprodukten

  • Peroxisomen: Oxidationsschutz

  • Zytoplasma: Fettsäuresynthese, Harnstoffzyklus, Zytoskelett

Die verschiedenen Kompartimente ermöglichen den gleichzeitigen Ablauf verschiedener, teils gegenläufiger Stoffwechselvorgänge (z. B. Fettsäuresynthese und Fettsäureabbau).

Praxistipp

Oft ist es im Rahmen von analytischen Untersuchungen notwendig, die Zellorganellen voneinander zu trennen. Dazu wird das Gewebe mittels Ultraschall oder Enzymen zerkleinert, wodurch die Zellmembranen zerstört, die intrazellulären Membranen aber geschont werden. Durch Zentrifugation können die verschiedenen Zellorganellen separiert werden. Die Reinheit der unterschiedlichen Fraktionen kann man prüfen, indem man die Aktivität der Leitenzyme (Tab. 11.1) bestimmt. Das sind Enzyme, die hauptsächlich in einer Fraktion vorkommen.

Pro- und eukaryonte Zellen im Vergleich (Tab. 11.2)

Membranen

Membrantypen

MembranenDie Zellmembran stellt die Hülle der eukaryonten Zelle dar und grenzt sie gegen den Extrazellularraum ab. Die intrazellulären Membranen begrenzen die verschiedenen Zellorganellen.

Aufbau

Alle Membranen sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: Sie bestehen aus einer 6–10 nm dicken Lipiddoppelschicht.

Komponenten
Lipiddoppelschicht
Entstehungsmechanismus
Membranen:LipiddoppelschichtDie Lipiddoppelschicht bildet sich durch Wechselwirkungen zwischen den Lipidbestandteilen aus. Das Ergebnis ist eine enge Lagerung, die polaren Reste zeigen nach außen, die unpolaren nach innen (Abb. 11.3, 4.1.1).
Bausteine
  • Phospholipide: Phosphoglyceride (Abb. 11.4, 4.2) und Sphingophosphatide (Sphingomyelin, 4.2) sind die häufigsten Bestandteile der Lipiddoppelschicht.

  • Glykolipide (kohlenhydrathaltige Lipide, 4.8.1), leiten sich vom Sphingosin ab, z. B. Cerebroside und Ganglioside.

Merke

Glykolipide befinden sich immer auf der Außenseite der Zellmembran.

  • Das Steroid Cholesterin (Abb. 11.5) ist ein weiterer Bestandteil fast aller Membranen tierischer eukaryonter Zellen. Bei Prokaryonten fehlt es völlig. Bei den Pflanzen nehmen dem Cholesterin verwandte Sterine, z. B. Sitosterin, die Aufgaben des Cholesterins wahr.

Klinik

In der Zellmembran von Pilzen kommt anstelle des Cholesterins das chemisch verwandte Ergosterol vor. Viele Antimykotika wirken über eine Hemmung der Synthese von Ergosterol, da dieses beim Menschen nicht vorkommt.

Eigenschaften
Die Lipiddoppelschicht gleicht einem Flüssigkeitsfilm. Der Flüssigkeits- oder Fluiditätsgrad einer Membran hängt von der Länge der darin enthaltenen Fettsäuren und der Zahl der Doppelbindungen ab. Je kürzer die Fettsäureketten sind und je mehr Doppelbindungen sie enthalten, desto niedriger ist der Schmelzpunkt der Membran und desto flüssiger ist sie. Cholesterin hat maßgeblichen Einfluss auf die Membranfluidität. Die Steroidstruktur stört die normalen Wechselwirkungen zwischen den Fettsäureketten. Es stabilisiert dadurch den Fluiditätsgrad von Membranen. Je nach Fluiditätsgrad der Lipiddoppelschicht sind Lipide und (Glyko-)Proteine darin parallel verschiebbar. Diese so genannte laterale Diffusion kann sehr schnell erfolgen. Die Wanderung eines Moleküls von einer Membranseite zur anderen (transversale Diffusion oder Flip-Flop) dagegen ist ein sehr langsamer Vorgang (Abb. 11.6). Manche Moleküle sind durch Aktinfilamente des Zytoskeletts befestigt und somit wenig bis gar nicht beweglich.
(Glyko-)Proteine
Membranen:(Glyko-)ProteineIn die Lipiddoppelschicht sind Proteine eingelagert.
Klassifikation und Struktur
  • Integrale Membranproteine zeigen eine starke Bindung an die Lipiddoppelschicht. Liegt der C-Terminus des Proteins intrazellulär und der N-Terminus extrazellulär, spricht man von einem integralen Membranprotein Typ I. Bei Typ II verhält es sich umgekehrt. Durchdringen sie die Lipiddoppelschicht, bezeichnet man sie als Transmembranproteine (Abb. 11.7). Diese erfüllen wichtige Funktionen als Pumpen, Kanäle, Rezeptoren, Energieüberträger oder Enzymträger. Transmembranproteine haben meist die Form einer -Helix (Abb. 11.8, 7.2.2). Viele Kanalproteine bestehen aus -Strängen (-Faltblatt, Form eines hohlen Zylinders, Abb. 11.9).

  • Periphere Membranproteine stehen über elektrostatische Anziehung und Wasserstoffbrückenbindungen mit der Lipiddoppelschicht in Verbindung. Oft sind sie an integrale Membranproteine gekoppelt.

Integrale oder periphere Glykoproteine sind oft an der Zellaußenseite mit Kohlenhydraten verbunden. Diese Kohlenhydrate verleihen der Membran ihre Spezifität (z. B. Blutgruppenantigene). Sie können entweder an Asparagin (N-glykosidisch) oder an Serin oder Threonin (O-glykosidisch) gebunden sein (Abb. 11.10). Alle N-glykosidisch gebundenen Oligosaccharide haben als Grundstruktur ein Pentasaccharid (Abb. 11.11). An dieses können weitere Kohlenhydrateinheiten angehängt werden, was die große Vielfalt der Glykoproteine erklärt.
Glykoproteine unterliegen einem Alterungsprozess. Das auf Blutgefäßwänden lokalisierte Enzym Neuraminidase spaltet allmählich N-Acetylneuraminsäuregruppen (Kohlenhydratgruppen) von Glykoproteinen im Plasma ab, dabei werden Galaktosereste freigelegt. Die Glykoproteine gelangen schließlich über den Blutweg in die Leber, binden dort an Galaktoserezeptoren von Leberzellen und werden von diesen abgebaut.

Merke

N-Acetylneuraminsäure schützt Glykoproteine im Plasma vor Endozytose und Abbau. Im Laufe der Proteinalterung werden diese N-Acetylneuraminsäuren abgespalten und die Proteine abgebaut.

Proteingehalt von Membranen
Membranen haben je nach ihrer speziellen Aufgabe einen unterschiedlichen Proteingehalt. Der Proteingehalt der meisten Membranen liegt bei ca. 50 % (Pumpen, Kanäle oder Rezeptoren). Einen Proteingehalt von ca. 75 % haben Membranen, die bei der Energieübertragung mitwirken (z. B. die innere Mitochondrienmembran).
Anordnung der Komponenten in der Membran

Der Aufbau aller Membranen ist asymmetrisch: Die innere und die äußere Membranoberfläche haben eine unterschiedliche Zusammensetzung und somit auch unterschiedliche Enzymaktivitäten. Beispiele:

  • äußere Oberfläche der Zellmembran: erythrozytäre Acetylcholinesterase

  • Innenseite der Plasmamembran: Adenylatzyklase (Signaltransduktion vieler Hormone)

  • in der Zellmembran, ragt sowohl nach innen als auch nach außen: Na+-K+-ATPase

Die Asymmetrie bleibt dadurch erhalten, dass Membranproteine nicht transversal diffundieren können und dass die Membransynthese durch Erweiterung bereits vorhandener Membranen geschieht. Lipide dagegen können – mit Ausnahme der Glykolipide – transversal diffundieren.

Synthese und Abbau

Die Membrankomponenten werden im glatten (Lipide) und rauen (Proteine) ER synthetisiert und zu Membranvesikeln zusammengesetzt. Diese gelangen an ihren Zielort und verschmelzen dort mit dem bereits bestehenden Membrananteil.
Der Abbau von Membranen erfolgt durch rezeptorvermittelte Endozytose: Membrananteile werden abgeschnürt, wandern ins Zellinnere und werden vor allem im Golgi-Apparat abgebaut und recycelt. Enzyme (z. B. Hydroxylasen) setzen mehrfach ungesättigte Fettsäuren frei, die als Ausgangsstoff zur Bildung von Signalmolekülen (Eikosanoide wie z. B. Prostaglandine) verwendet werden.

Funktion

Überblick
Membranen:FunktionNeben der Abgrenzung der Zelle und der Kompartimente sind weitere Funktionen der Zellmembran:
  • Energieumwandlung und Erregbarkeit: Ausschlaggebend dafür ist die elektrische Ladung der Zellmembran: Die Membraninnenseite ist gegenüber der Außenseite negativ geladen.

  • Zellidentifikation: Mithilfe der Glykoproteine auf der Außenseite der Zellmembran kann das Immunsystem zwischen körpereigenen und körperfremden Zellen unterscheiden.

  • Signaltransduktion: Signale werden meist über transmembranäre Rezeptorproteine in das Innere der Zelle vermittelt. Die Bindung eines spezifischen Moleküls (Transmitter oder Hormon) an seinen Rezeptor verursacht ein intrazelluläres Signal (die Bildung eines Second messenger). Dieses kann aber auch durch Öffnung von Kanälen oder Phosphorylierung von Proteinen entstehen.

  • Transport von Substanzen aus und in die Zelle mittels Rezeptor-, Carrier- und Kanalproteinen sowie mittels Exo- und Endozytose. Diese spezifischen Transportsysteme (unten) machen die Membran selektiv permeabel, d. h., es werden nur bestimmte Moleküle durch die Membran transportiert.

  • Zellkontakte: Ermöglichen die Kommunikation zwischen Zellen.

Substanztransport durch die Zellmembran

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Substanzen durch die Zellmembran zu transportieren:

Große Moleküle werden vor allem mittels Endo- oder Exozytose durch die Zellmembran geschleust:

  • Bei der rezeptorvermittelten Endozytose bindet ein Molekül an einen Rezeptor auf der Außenseite der Zellmembran. Daraufhin stülpt sich die Membran in der Umgebung des Molekül-Rezeptor-Komplexes in die Zelle ein, bis sich der Membrananteil, der den Komplex umgibt, von der übrigen Zellmembran löst und sich nun im Inneren der Zelle befindet. Nun verbinden sich die Enden der Membran wieder miteinander (Fusion) und auch um den Molekül-Rezeptor-Komplex fusioniert die Membran und bildet ein Vesikel aus. Dieser Mechanismus spielt beim Cholesterinstoffwechsel eine große Rolle: LDL bindet an einen Membranrezeptor. Der LDL-Rezeptor-Komplex gelangt durch Endozytose in die Zelle. Im Vesikel löst sich das LDL vom Rezeptor. Dieser gelangt zur Membran zurück und wird dort wiederverwendet. Das LDL fusioniert mit einem Lysosom (enthält Verdauungsenzyme). Auf diese Weise wird das Cholesterin aus LDL freigesetzt.

  • Exozytose ist der umgekehrte Mechanismus der Endozytose. Hierbei verschmilzt die Membran eines Vesikels, das sich in der Zelle befindet, mit der Zellmembran, sodass der Vesikelinhalt nach außen gelangt. So werden z. B. Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freigesetzt.

Kleine Moleküle werden meist mittels passiven oder aktiven Transports durch die Zellmembran befördert:

  • Wird ein Molekül in Richtung eines Konzentrations- oder elektrochemischen Gradienten transportiert, liegt ein passiver Transport vor. Dieser ist nicht abhängig von ATP und kann auf zwei Arten erfolgen:

    • Die passive (reine) Diffusion ist unspezifisch und kann in beide Richtungen stattfinden. Auf diese Weise können sich allerdings nur unpolare Moleküle (Tab. 11.3) durch Membranen bewegen. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt vom Konzentrationsunterschied zwischen innerer und äußerer Membranoberfläche ab.

    • Die erleichterte Diffusion ist spezifisch und nur in eine Richtung möglich. Das Molekül bindet an einen Carrier (Transportmolekül in Form eines Kanals) und wird durch diesen durch die Membran geschleust (Beispiele Tab. 11.3).

  • Wird ein Molekül mithilfe von ATP entgegen einen Gradienten transportiert, liegt ein aktiver Transport vor. Dabei unterscheidet man:

    • den primär-aktiven Transport: Hierbei ist der Transportvorgang direkt mit einer Energie liefernden Reaktion (ATP-Spaltung) verknüpft.

    • den sekundär-aktiven Transport: Die Energie für den Transportvorgang wird durch seine Kopplung mit einem primär-aktiven Transportvorgang bereitgestellt.

Beim aktiven Transport unterscheidet man wiederum in:

  • Antiport: Hier erfolgen zwei gegenläufige Transportvorgänge gleichzeitig (Abb. 11.12). Ein Beispiel ist die Na+-K+-ATPase in der Zellmembran:

    • Mit jedem Funktionszyklus werden drei Na+-Ionen aus der Zelle hinaus und zwei K+-Ionen in die Zelle hinein transportiert.

    • Das Enzym besteht aus zwei - und zwei -Untereinheiten (Abb. 11.13).

    • Drei Na+-Ionen lagern sich innen an die mit einem ATP besetzten -Untereinheiten an.

    • Durch die ATP-Spaltung kommt es zu einer Konformationsänderung der -Untereinheiten, wobei der Phosphatrest an diese gebunden bleibt.

    • Zwei K+-Ionen lagern sich außen an die -Untereinheiten an und der Phosphatrest wird abgespalten.

    • Die Konformation der -Untereinheiten ändert sich erneut.

    • Na+-Ionen werden in den Extrazellularraum und K+-Ionen in den Intrazellularraum freigesetzt.

    • Ein ATP bindet an die -Untereinheit und der Zyklus kann von Neuem beginnen.

    • Durch diesen kontinuierlichen Ladungsaustausch wird die elektrische Potenzialdifferenz zwischen Intra- und Extrazellularraum aufrechterhalten.

    • Da ATP für diesen Prozess hydrolysiert wird, handelt es sich bei der Na+-K+-ATPase um einen primär-aktiven Transport.

  • Symport: Mindestens zwei verschiedene Moleküle werden in eine Richtung befördert, wobei ihre Transportvorgänge gekoppelt sind. So erfolgt die Glucoseresorption in Niere und Darm über einen sekundär-aktiven Na+-Glucose-Symport.

  • Uniport: Ein einziges Molekül wird in eine Richtung transportiert. Auf diese Weise erfolgt z. B. die Aufnahme von Glucose über die verschiedenen Glucosetransporter:

    • GLUT1: In fast allen Geweben (von Insulin unabhängig)

    • GLUT2: Leber, Niere, -Zellen des Pankreas, Mukosa (von Insulin unabhängig)

    • GLUT3: Nervenzellen (von Insulin unabhängig)

    • GLUT4: Muskel- und Fettzellen (insulinabhängig!)

Lerntipp

Nur GLUT4 ist insulinabhängig!

Als Transzytose bezeichnet man den Transport von Substanzen in Vesikeln durch die Zelle hindurch, z. B. in Darmepithel- und Nierentubuluszellen von der luminalen zur basalen Zellseite.

SNARE-Proteine (synaptosome-asssociated protein receptors) sind Schlüsselfaktoren in der Fusion biologischer Membranen und werden daher auch als Syntaxine bezeichnet. Diese Transmembranproteine bilden bei der Fusion von Zellen stabile Komplexe, die jeweils aus 4 SNARE-Proteinen bestehen (Verbindung der Plasmamembran und der Vesikelmembran).

Merke

Die Na+-K+-ATPase ist ein Membranprotein aus je zwei - und -Untereinheiten. Auf den -Untereinheiten sind die Bindungsstellen für Na+, K+ und ATP lokalisiert.

Zellkontakte
Funktion
ZellkontakteZellkontakte ermöglichen es der Zelle, mit anderen Zellen ihres Verbands in Kontakt zu treten. Sie spielen in der Entwicklung mehrzelliger Organismen eine große Rolle, denn sie übernehmen während der embryonalen Entwicklung und der Regeneration eine steuernde Funktion, ebenso bei der Zellvermehrung (Regulation durch Kontaktinhibition). Liegt in diesem System ein Defekt vor, können sich Zellen unkontrolliert vermehren (Tumorzellen).
Formen
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Interzellularspalt zu überbrücken (Abb. 11.14):
  • Tight junctions (Zonulae occludentes) verbinden Epithelzellen so, dass eine abgeschlossene Zellschicht entsteht. Da Epithelzellen rundherum durch Tight junctions mit anderen Epithelzellen verknüpft sind, kann keine Flüssigkeit aus dem Extrazellularraum an die Oberfläche des Epithels gelangen. Aus diesem Grund finden sich Tight junctions vor allem dort, wo eine strikte Trennung zwischen zwei Kompartimenten nötig ist, z. B. zwischen Blutgefäß und Hirngewebe (Blut-Hirn-Schranke).

  • Desmosomen (Haftverbindungen) halten stärkerer mechanischer Belastung stand. Wo sich Desmosomen befinden, ist der Interzellularspalt etwas breiter und mit transmembranösen Proteinen (Cadherinen) angefüllt, welche über Filamente mit dem Zytoskelett der Zellen verbunden sind. Dieser Zellkontakt dient dem mechanischen Zusammenhalt von Geweben und der Befestigung von Zellen an der extrazellulären Matrix (z. B. an der Basalmembran). Man unterscheidet Desmosomen vom Typ I (Maculae adhaerentes) und vom Typ II (Puncta adhaerentes), bei Epithelien Zonulae adhaerentes genannt. Bei Zell-Matrix-Kontakten erfolgt die Verbindung zwischen Zelle und extrazellulärer Matrix über die sog. Integrine.

Merke

Desmosomen Typ I: Zell-Zell-Kontakte (Intermediärfilamente)

Desmosomen Typ II: Zell-Zell- bzw. Zell-Matrix-Kontakte (Aktinfilamente)

Hemidesmosomen: Zell-Matrix-Kontakte (Intermediärfilamente)

  • Eine direkte Zellverbindung stellen die Gap junctions (Nexus) dar. Sie koppeln die beteiligten Zellen somit elektrisch und metabolisch miteinander. Gap junctions finden sich in elektrisch erregbaren Geweben, z. B. im Herzmuskel.

Klinik

Störungen in Aufbau und Funktion der Zellmembran spielen bei den folgenden Erkrankungen eine wichtige Rolle:

  • Defekte oder fehlende Rezeptorproteine:

    • LDL-Rezeptordefekt: Das Apolipoprotein des LDL-Partikels wird von der Zelle nicht erkannt und deshalb kann LDL-Cholesterin nicht in die Zelle aufgenommen werden. Die Erkrankung heißt familiäre Hypercholesterinämie. Die Folge ist eine Hypercholesterinämie mit frühzeitiger Arteriosklerose (4.10.3).

    • Vasopressin-Rezeptordefekt: Ein fehlender oder defekter V2-Rezeptor bedingt die mangelhafte oder fehlende Bildung von Aquaporin-2-Molekülen. Diese sind für die Wasserrückresorption im distalen Tubulus und im Sammelrohr verantwortlich. Die Erkrankung heißt Diabetes insipidus renalis und geht mit einem massiven Wasserverlust über die Niere einher.

  • Defekte oder fehlende Ionenkanalproteine:

    • Chloridkanaldefekt: Aufgrund einer Mutation des CFTR-Gens (cystic fibrosis transmembrane regulator) kommt es zu einer fehlerhaften Bildung eines Chloridkanalproteins. Die Folge ist ein gestörter transmembranärer Chloridtransport. Die Erkrankung heißt Mukoviszidose oder zystische Fibrose und geht mit der Eindickung verschiedener Körpersekrete einher. Die Bildung von zähem Schleim in den Atmungsorganen und von zähen Verdauungssekreten führt u. a. zu schweren respiratorischen Infektionen und rezidivierenden Pankreatitiden, insgesamt mit eingeschränkter Lebenserwartung.

    • Defekte in kardialen Kalium- und/oder Natriumkanalproteinen: Bestimmte Mutationen führen zur Bildung defekter kardialer Ionenkanäle. Hierdurch ist die Repolarisation der Herzmuskelzelle gestört. Die Erkrankung heißt QT-Syndrom. Sie geht mit ventrikulären Herzrhythmusstörungen und einem erhöhten Risiko für plötzlichen Herztod einher.

  • Defekte periphere Membranproteine:

    • An ihrer inneren Zellmembranoberfläche besitzen Erythrozyten ein peripheres Membranprotein, das Spektrin. Es ist mit anderen Membranproteinen verknüpft. Bei einem genetisch bedingten Defekt des Spektrinmoleküls ist diese Verbindung unterbrochen und der Erythrozyt kann seine normale Scheibenform nicht ausbilden. Stattdessen nimmt er eine kugelförmige Gestalt an. Die Erkrankung heißt Sphärozytose. Die Lebensdauer von Sphärozyten ist verkürzt (ca. 10 Tage), sodass eine chronische Anämie die Folge ist.

    • Das periphere Membranprotein Dystrophin stabilisiert die Zellmembran von Skelettmuskelzellen. Eine Mutation des Dystrophingens führt zur Muskeldystrophie. Bei der schweren Form (Typ Duchenne) ist Dystrophin stark vermindert oder fehlt, bei der leichten Form (Typ Becker) ist die Dystrophinkonzentration normal, aber es ist nicht voll funktionstüchtig. Bei beiden Formen liegt eine defekte Zellmembran mit gestörter Signalübertragung vor. Patienten mit Duchenne-Typ sitzen meist schon früh im Rollstuhl und werden nicht älter als 20 Jahre. Beim Becker-Typ bleibt die Gehfähigkeit meist bis zum 15. Lebensjahr erhalten.

Zellkern

Aufbau

Kernmembran
Der ZellkernZellkern ist von einer äußeren und einer inneren Kernmembran umgeben, die an einigen Stellen miteinander verschmelzen. An diesen Stellen befinden sich Kernporen. Durch sie können bis zu 62 kD große Proteine ATP-abhängig transportiert werden (Beispiele 11.3.2).
Chromatin
Im Zellkern befindet sich fast das gesamte genetische Material der Zelle (Ausnahme: die mitochondriale DNA). Die DNA im Zellkern ist an Histon-Proteine, Nicht-Histon-Proteine und RNA gebunden. DNA und die Histon- und Nicht-Histon-Proteine bilden zusammen das Chromatin (10.3.1). Dieses ist wie folgt aufgebaut (Abb. 11.15): Vier Histon-Protein-Dimere bilden eine Kugel, die als Nukleosomenkern bezeichnet wird. Hierum windet sich die DNA-Doppelhelix in einer Länge von ungefähr 150 Basenpaaren. Nukleosomenkern und DNA zusammen werden Nukleosom genannt. Nach ca. 60 Basenpaaren wickelt sich die DNA um das nächste Nukleosom.

Merke

Histone sind globuläre basische Proteine mit hohem Arginin- und Lysingehalt.

Man unterscheidet zwei Chromatinvarianten (10.3.1):
  • Das Euchromatin ist locker gepackt und ermöglicht Transkriptionsprozesse.

  • Das Heterochromatin ist dicht gepackt und lässt keine Transkription zu.

Vor Beginn der Mitose bzw. Meiose kondensiert das Chromatin zu den Chromosomen.

Merke

Transkription kann nur an DNA-Abschnitten erfolgen, die nicht an Histon-Proteine gebunden sind.

Nukleolus
Der Nukleolus ist eine Kernregion mit hoher Transkriptionsaktivität für die Synthese von rRNA (ribosomaler RNA).

Funktion

Die Aufgaben des Zellkerns liegen in der Speicherung und Vervielfältigung der Erbinformation. Die genetische Information wird in Form der DNA im Chromatin gespeichert. Vor der Zellteilung wird sie verdoppelt (Replikation), damit in jeder Zelle wieder das vollständige Erbgut vorliegt. Schließlich erfolgt im Zellkern die Transkription, d. h. die Synthese von RNA, der erste Schritt der Proteinbiosynthese.

Die Funktionen des Zellkerns lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

  • Speicherung der gesamten genetischen Information eines Organismus (Chromatin)

  • Verpackung und Schutz der momentan nicht aktiven DNA durch Histon- und Nicht-Histon-Proteine

  • Verdoppelung der gesamten genetischen Information und Organisation derselben in Chromosomen vor einer Zellteilung (Replikation)

  • Herstellung der mRNA am DNA-Strang als Voraussetzung für die Proteinbiosynthese (Transkription)

  • Herstellung der rRNA im Nukleolus für die Zusammensetzung der Ribosomen-Untereinheiten im Zytoplasma

  • NAD+-Synthese

  • Kontrolle und Regulation des Stoffaustauschs zwischen Kern und Zytoplasma (Kernmembran)

Mitochondrien

Aufbau

Mitochondrien sind eiförmig, 2–4 m lang, ca. 1 m dick und von einer Doppelmembran umgeben (Abb. 11.16). Die äußere Mitochondrienmembran ist glatt und stellt die Barriere zwischen Zytoplasma und Mitochondrium dar, ist aber für die meisten Substanzen gut permeabel, da sie von Poren durchsetzt ist. Die innere liegt in Falten (Cristae), was zu einer Vergrößerung der Membranoberfläche führt. Die Intensität der Faltung ist von der Stoffwechselaktivität abhängig. Die innere Membran ist im Gegensatz zur äußeren Membran so gut wie nicht permeabel und enthält Cardiolipin.

Der Bereich innerhalb der inneren Membran wird als Matrix bezeichnet. Zwischen den beiden Membranen befindet sich der Intermembranraum. Der Teil des Intermembranraums, der zwischen den Falten der inneren Membran liegt, heißt Intercristaeraum.

Im Matrixraum befinden sich die ringförmige, einsträngige mitochondriale DNA (m-DNA) und einige Ribosomen. Die m-DNA kodiert für die mitochondrialen Enzymsysteme (11.4.2), für die Replikationsenzyme (Polymerasen), die mitochondriale mRNA und tRNA (Proteinsynthese) und die rRNA (Bildung von mitochondrialen Ribosomen). Etwa 15 % der mitochondrialen Proteine sind von der m-DNA kodiert. Der Rest ist kernkodiert, wird an zytoplasmatischen Ribosomen synthetisiert und nach Fertigstellung in die Mitochondrien transportiert.

Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit der DNA und der Ribosomen von Mitochondrien mit der von Prokaryonten vermutet man, dass die Mitochondrien von den Prokaryonten abstammen (Endosymbiontentheorie). Diese Theorie besagt, dass im Lauf der Evolution einmal eine zur oxidativen Phosphorylierung fähige Bakterienzelle von einer eukaryonten Zelle aufgenommen wurde. Dann verlor die inkorporierte Bakterienzelle einen Teil ihrer DNA und damit die Fähigkeit zur unabhängigen Existenz, und die Wirtszelle wurde abhängig von der Energie, die die Bakterienzelle erzeugte.

Klinik

Chloramphenicol ist ein Antibiotikum, das die Proteinsynthese an bakteriellen Ribosomen hemmt. Dass es auch auf menschliche Mitochondrien wirkt und dort die Proteinsynthese an den Ribosomen hemmt, ist ein weiterer Hinweis auf die Endosymbiontentheorie. Es kommt zu Störungen bei der Blutbildung, Durchfall, Depressionen und Störungen der Leber- und Nierenfunktion.

Mitochondrien

Funktion

Energiestoffwechsel
Mitochondrien sind für den Energiestoffwechsel zuständig.
Lokalisation der Stoffwechselschritte
An der inneren Mitochondrienmembran wird der größte Teil der Energie für den Organismus erzeugt. Dabei werden NADH+H+ und FADH2 unter Sauerstoffverbrauch und Bildung von H2O in der Atmungskette oxidiert. Daran gekoppelt läuft die Phosphorylierung von ADP (zu ATP) ab (oxidative Phosphorylierung).
In der Matrix laufen verschiedene Stoffwechselwege ab, z. B. der Citratzyklus, der Fettsäureabbau, die Ketonkörperbildung, Teile des Harnstoffzyklus und die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion.
Die Enzyme für Atmungskette, -Oxidation und Citratzyklus sind in der m-DNA kodiert.
Substanztransport durch die innere Mitochondrienmembran
Da die innere Membran für viele Substanzen nicht permeabel ist, gibt es besondere Transportsysteme (Carrier), um diese Barriere zu überwinden. Man unterscheidet Symports, Antiports und Uniports.
Symports
  • Phosphat-Carrier: Phosphat wird für die oxidative Phosphorylierung von ADP in die Matrix transportiert.

  • Verzweigtkettige Aminosäuren werden zum Abbau in die Matrix transportiert.

Antiports (Abb. 11.17)
  • ADP-ATP(Adeninnukleotid)-Translokase: transportiert ADP aus dem Zytosol in die Matrix und ATP in die Gegenrichtung (zum Mechanismus 6.4.2).

  • Pyruvat-Carrier: bringt Pyruvat in die Matrix, dieses kann dort oxidiert werden.

  • Aspartat-Glutamat-Carrier: Transport von Glutamat und H+ in die Matrix und Aspartat ins Zytosol.

  • Ketoglutarat-Malat-Carrier: Beförderung von Malat in die Matrix und Ketoglutarat ins Zytosol.

  • Dicarboxylat-Phosphat-Translokase: Für die Gluconeogenese wird Malat oder Succinat in den Intermembranraum transportiert, dagegen Phosphat in den Matrixraum.

  • Citrat-Malat-Carrier: Malat wird in die Matrix gepumpt, wo es mit Acetyl-CoA zu Citrat reagiert und so den Matrixraum wieder verlässt. Auf diese Weise wird im Zytosol Citrat für die Acetyl-CoA-Bildung für die Fettsäurebiosynthese bereitgestellt.

  • Carnitin-Acylcarnitin-Carrier: Fettsäuren gelangen aus dem Zytosol in die Matrix, dort werden sie der -Oxidation zugeführt (4.3.2).

  • Ornithin-Citrullin-Carrier: Teil des Harnstoffzyklus. Ornithin wird in die Matrix aufgenommen und Citrullin ins Zytosol entlassen.

Uniports
  • Glutamin-Carrier: Transport von Glutamin zum weiteren Abbau in die Matrix.

  • Thermogenin: Protonenpassage durch die sonst H+-undurchlässige innere Mitochondrienmembran und Aufhebung des Protonengradienten als Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung.

Merke

Für die Regeneration von NAD+ aus NADH+H+, das im Zytosol bei der Glykolyse entsteht, existieren in der inneren Mitochondrienmembran Shuttle-Systeme. Sie transportieren nicht NADH, sondern seine Protonen und Elektronen (6.4.1).

Porphyrinsynthese
Teile Porphyrinsyntheseder Porphyrinsynthese (Bestandteile für Hämoglobin und Cytochrome) laufen in der Matrix ab. Die Hämoglobinexpression wird durch Sauerstoffmangel induziert. Bei chronischem Sauerstoffmangel und auch bei intensivem Muskeltraining kann man eine Zunahme der Mitochondrien in der Skelettmuskulatur beobachten. Dadurch erhöht der Organismus indirekt die Hämoglobinkonzentration, da Hämoglobin bei größerer Mitochondrienzahl vermehrt gebildet werden kann. Gewebe mit einem großen Sauerstoffverbrauch und Energieumsatz (z. B. Muskeln, Nerven) weisen eine große Zahl an Mitochondrien auf.

Klinik

Mitochondrien werden bei Säugetieren nur mütterlicherseits vererbt, dementsprechend auch Defekte der mitochondrialen DNA. Von solchen Defekten sind vor allem Gewebe mit großem Sauerstoffverbrauch betroffen (oben), wie z. B. das Gehirn (mitochondriale Enzephalopathie). Da Mitochondrien in sehr großer Zahl vorhanden sind und bei einem Gendefekt nicht alle geschädigt sein müssen, sind in einer Familie, d. h. bei identischer Mutation, große Variationen in Art und Schweregrad der Erkrankung möglich.

Lysosomen

Aufbau

Lysosomen sind kleine kugelförmige Organellen, die nur von einer Membran umgeben sind und in ihrem Inneren keine weiteren Strukturen enthalten. Sie sind mit hydrolytischen Enzymen wie Lipasen, Phosphatasen, Nukleasen und Glykosidasen angefüllt. Der intralysosomale pH-Wert ist sauer (ca. 4). Er wird von einer membranständigen Protonen-ATPase aufrechterhalten. Das saure pH-Optimum der Enzyme garantiert, dass sie bei Freisetzung in die Zelle (physiologischer pH von etwa 7) wenig Aktivität aufweisen.

Entstehung

LysosomenLysosomen entstehen durch Abschnürung von den Membranen des Golgi-Apparats, wo sie mit den Hydrolasen gefüllt werden (Abb. 11.18): Hydrolase und Rezeptor werden als Vesikel abgeschnürt und fusionieren mit einem Lysosom. Im Lysosom dissoziiert die Hydrolase vom Rezeptor, der in einem eigenen Vesikel in den Golgi-Apparat zurücktransportiert wird (Rezeptor-Recycling). Das nunmehr betriebsbereite Lysosom heißt primäres Lysosom.

Funktion

Die Aufgabe der Lysosomen ist der Abbau von zelleigenen (Autophagolyse) und zellfremden Strukturen (Heterophagolyse), z. B. defekter Zellorganellen. Das primäre Lysosom verschmilzt mit der abzubauenden Struktur. So entsteht das sekundäre Lysosom (Abb. 11.19), in dem die Struktur hydrolytisch abgebaut wird. Die Spaltprodukte werden in das Zytoplasma abgegeben und stehen nach weiterem Abbau evtl. für neue Synthesevorgänge zur Verfügung. Erfolgt der Abbau unvollständig, bleibt ein sog. Residualkörper zurück. Liegt eine schwere Zellschädigung vor, wird der In halt der Lysosomen in die Zelle freigesetzt, woraufhin sich die Zelle auflöst (Autolyse).

Merke

  • Primäres Lysosom: Hat noch keine Substanzen aufgenommen.

  • Sekundäres Lysosom: Hat Substanzen aufgenommen, die abgebaut werden.

Klinik

Bei lysosomalen Speicherkrankheiten besteht ein Enzymdefekt und bestimmte Substanzen können nicht mehr abgebaut werden. Diese Substanzen werden dann in der Zelle gespeichert.

Zu den lysosomalen Speicherkrankheiten zählen:

  • Sphingolipidosen

    • Beispiel: Bei der Tay-Sachs-Krankheit (4.8.2) können Zellen des ZNS Ganglioside nicht abbauen. Diese akkumulieren und führen zu Zellschwellung. Symptome sind u. a. geistige Retardierung und Sehverlust infolge Optikusatrophie. Der Tod tritt schon im 2.–3. Lebensjahr ein, bisher ist keine Therapie möglich.

  • Mukolipidosen

    • Beispiel: Die I-Zell-Krankheit (Mukolipidose II) erhielt ihren Namen, weil die Lysosomen der Patienten große Einschlüsse (Inclusions) aufweisen, die nicht abgebaute Glykosaminoglykane und Glykolipide enthalten. (Ursache und Symptomatik 11.7.2.)

  • Mukopolysaccharidosen

    • Beispiel: Pfaundler-Hurler-Syndrom: muskuläre Hypotonie, psychomentale Retardierung, Hepatosplenomegalie, Hornhauttrübung.

  • Glykogenosen

    • Beispiel: Morbus v. Gierke, Morbus Pompe (3.6.4): Hypoglykämie, Leberzirrhose, Muskelschwäche.

Lysosomen sind durch den intrazellulären Abbau von fremden Substanzen wichtig für die Antigenpräsentation: Exogene Antigene werden endozytotisch aufgenommen und in Fragmente zerlegt. Das sekundäre Lysosom verschmilzt nun mit einem Vesikel, das MHC-II-Proteine enthält. Diese binden die Antigenfragmente, gelangen durch Exozytose an die Zelloberfläche und präsentieren dort die Antigenfragmente. Dies führt zur Bildung von Antikörpern und spezifischen T-Killerzellen.

Endoplasmatisches Retikulum

Aufbau

Das Endoplasmatisches Retikulumendoplasmatische Retikulum ist ein im gesamten Zytosol verzweigtes, schlauchförmiges Membransystem. Man unterscheidet zwei Formen:
  • raues endoplasmatisches Retikulum (rER): An der Außenseite der Membran sind Ribosomen gleichmäßig verteilt.

  • glattes endoplasmatisches Retikulum (sER smooth ER): An der Membran befinden sich keine Ribosomen.

Funktion

Raues endoplasmatisches Retikulum

An den Ribosomen des rER werden nichtzytosolische Proteine, also z. B. sekretorische, lysosomale und Membranproteine synthetisiert. Anschließend werden sie für den Transport in Vesikel verpackt und teils zuerst in den Golgi-Apparat (11.7.2), teils direkt an ihren Bestimmungsort transportiert.

Syntheseweg eines nichtzytosolischen Proteins am Beispiel der Elastase:

  • Proteinsynthese an einem zytosolischen, freien Ribosom

  • Anhängen einer Signalsequenz aus ca. 20 Aminosäuren am N-terminalen Ende des Proteins

  • Sobald diese aus dem Ribosom herausragt, wird sie von einem SRP (Signal recognition particle) erkannt und an dieses gebunden (10.6.2).

  • Das SRP leitet das Ribosom an die Membran des endoplasmatischen Retikulums, wo es an einen Ribosomenrezeptor bindet (Abb. 11.20).

  • Das wachsende Protein gelangt durch einen Kanal in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums.

  • Nach Fertigstellung des Proteins trennt eine Signalpeptidase die Signalsequenz ab.

  • N-Glykosylierung des Proteins

  • Überprüfung der Proteinfaltung (Abb. 11.21):

    • Glucosidasen spalten von dem Protein – ob korrekt oder falsch gefaltet – drei Glucoseeinheiten ab.

    • Ein korrekt gefaltetes Protein gelangt ohne weitere Modifikation in den Golgi-Komplex.

    • An ein falsch oder nicht gefaltetes Protein wird ein Glucoserest angehängt.

    • Das Protein mit dem Glucoserest wird von Calnexin und Calreticulin gebunden, die es im Lumen des rER zurückhalten und ihm bei der Faltung behilflich sind.

    • Hat sich das Protein korrekt gefaltet, wird die Bindung zwischen den Chaperonen und dem Protein aufgehoben, der Glucoserest abgespalten und der Weg in den Golgi-Apparat ist frei.

    • Liegt aber auch nach einer gewissen Zeit noch immer keine korrekte Faltung vor, wird wiederum ein Glucoserest angehängt und erst abgespalten, wenn das Protein in der richtigen Faltung vorliegt und das rER verlassen darf.

  • Aufnahme in den Golgi-Apparat (Abb. 11.22).

  • Fortführung der N-Glykosylierung im Golgi-Apparat.

Glattes endoplasmatisches Retikulum

  • Synthese von Membranlipiden (Mukopolysaccharide, Cholesterin, Lipoproteine)

  • Verschiedene Stoffwechselvorgänge (Glykosylierungen und Glucuronidierungen, z. B. von Bilirubin)

  • Biotransformation durch das Cytochrom-P450-Monooxygenase-System in Leberzellen

  • Adressierung von Proteinen durch An- oder Einbindung einer spezifischen Signalsequenz für den Transport in das richtige Zellkompartiment

Merke

Zytoplasmatische Proteine werden an freien Ribosomen synthetisiert.

Golgi-Apparat (Dictyosom)

Aufbau

Der Golgi-Golgi-Apparat (Dictyosom)Apparat stellt sich in Form von scheibenförmigen, hintereinander gelegenen Vesikeln dar, die von einer einfachen Membran umgeben sind. Da die Organelle in einer leichten Biegung verläuft, unterscheidet man eine konkave Seite (Trans-Seite), die der Zellmembran zugewandt ist, und eine konvexe Seite (Cis-Seite), die sich leicht um das rER herumbiegt (Abb. 11.22).

Funktion

  • Modifikation von Glykoproteinen und Hormonvorstufen aus dem rER sowie endozytotisch aufgenommener Membranproteine (Weiterführung der im rER begonnenen N-Glykosylierung, O-Glykosylierung)

    • Das rER gibt Vesikel mit Glykoproteinen ab, die mithilfe des Coating Proteins II (COPII)

    • abgeschnürt werden und von der Cis-Seite des Golgi-Apparates endozytotisch aufgenommen werden.

    • Es folgt ein Transport in Richtung Trans-Seite, währenddessen Zuckerreste modifiziert werden.

    • Auf der Trans-Seite angekommen, werden die betriebsbereiten Proteine als sekretorische Vesikel abgeschnürt.

    • ER-Proteine, die mit den Vesikeln zum Golgi-Apparat transportiert wurden, werden in anderen Vesikeln unter Beteiligung von COP I wieder zum ER zurücktransportiert.

  • Aktivierung von Hormonen (Abb. 13.1). Diese und andere sekretorische Proteine erhalten darüber hinaus eine Adress-Sequenz.

  • Synthese und Abgabe von Lysosomen

  • Wiederverwertung von Membranbausteinen.

Klinik

Im Golgi-Apparat werden die für die Lysosomen bestimmten Hydrolasen an einem Mannoserest phosphoryliert. Der Phosphat-Rest lenkt die Hydrolasen in die Lysosomen (11.5.3). Bei der I-Zell-Krankheit, einer lysosomalen Speicherkrankheit, unterbleibt diese Phosphorylierung. Die Hydrolasen werden also synthetisiert, gelangen aber nicht in die Lysosomen, sondern tauchen im Blut und im Harn auf, mit dem sie ausgeschieden werden. Die Betroffenen sind psychomotorisch massiv retardiert und haben Skelettdeformationen.

Peroxisomen

Aufbau

PeroxisomenPeroxisomen sind kaum strukturierte Zellorganellen, die vom rER abgeschnürt werden. In ihnen befinden sich Enzyme des Fettsäure- und Aminosäureabbaus.

Funktion

Viele Oxidationen von Fett- oder Aminosäuren finden nicht im Zytoplasma, sondern in Peroxisomen statt, um die Zelle vor entstehenden Sauerstoffradikalen zu schützen. Mit einer Ausnahme (unten) laufen dieselben Oxidationsreaktionen ab wie im Mitochondrium. Die Peroxidasen bauen langkettige Fettsäuren ab einer Länge von 18 C-Atomen bis auf etwa 16 C-Atome ab. Der weitere Abbau und derjenige von kürzeren Fettsäuren erfolgt in den Mitochondrien. Die Oxidation in den Peroxisomen unterscheidet sich bei der ersten Wasserabspaltung von der -Oxidation in den Mitochondrien (4.3.2). Eine Flavoprotein-Dehydrogenase überträgt Elektronen auf O2, woraus H2O2 entsteht (Abb. 11.23). In den Mitochondrien dagegen werden die Elektronen in FADH2 fixiert. Um große Mengen von zytotoxischem Wasserstoffperoxid abbauen zu können, sind Peroxisomen mit einer Katalase ausgestattet. Sie katalysiert folgende Reaktion:

2 H2O2 2 H2O + O2

Klinik

Beim Zellweger-Syndrom liegt ein erblicher Defekt der Peroxisomenbildung oder der Peroxisomenfunktion durch einen Enzymdefekt oder -mangel vor. Die resultierenden neurologischen und hepatointestinalen Störungen sind schwerwiegend, der Tod tritt meist bis zum 6. Lebensjahr ein.

Zytoplasma (Zytosol)

Unter Zytoplasma bzw. Zytosol versteht man den größtenteils flüssigen Raum einer Zelle, der die Zellorganellen als auch das Zytoskelett (11.10) enthält. Darin befinden sich die so genannten Proteasomen, Proteinase-Komplexe (teils auch im Kern vorhanden), die für den Abbau falsch synthetisierter oder beschädigter und mit einer Polyubiquitinkette markierten Proteine zuständig sind. Außerdem finden viele Stoffwechselvorgänge hier statt:

  • Glykolyse und Gluconeogenese

  • Pentosephosphatweg

  • De-novo-Synthese von Fettsäuren

  • Purin- und Pyrimidinsynthese

  • Glykogensynthese

  • Triacylglycerinspeicherung

  • Cholesterinsynthese

  • Teile des Harnstoffzyklus

Zytoskelett

Definition

ZytoskelettDas Zytoskelett ist ein Netz aus mehreren stabilen Proteinen, das der Zelle ihre mechanische Festigkeit gibt und Zellbewegungen und Transportvorgänge in der Zelle ermöglicht. Es besteht aus Mikrotubuli, Mikrofilamenten und Intermediärfilamenten.

Aufbau

Mikrotubuli
Mikrotubuli entstehen, indem sich aus Dimeren von - und -Tubulin sog. Protofilamente bilden, die sich zusammenlagern (20.2.1): 13 Protofilamente in gestaffelter Anordnung ergeben einen hohlen, zylindrischen Mikrotubulus mit einem Plus- und einem Minuspol. Mikrotubuli haben einen Durchmesser von ca. 25 nm und sind unterschiedlich lang.
Mikrofilamente
Hierunter versteht man Aktin und die mit ihm assoziierten Proteine, z. B. Myosin. Mikrofilamente sind ca. 7 nm dick.
Das Protein Aktin (20.2.2) existiert in drei Varianten, deren Aminosäuresequenz sich geringfügig unterscheidet: -, - und -Aktin. Im Zytoskelett finden sich - und -Aktin. Aktinmonomere (sog. G-Aktin) polymerisieren in Gegenwart von K+, Mg+ und ATP zu Strängen (Polymere). Eine Doppelhelix aus zwei Polymeren bezeichnet man als Aktinfilament (sog. F-Aktin).
Intermediärfilamente
Dies sind ca. 10 nm dicke Polymere, die aus nur einer Untereinheit bestehen. Neurofilamente kommen nur in Neuronen, Desmin nur in Muskelzellen und Keratin nur in Epithelien vor. Intermediärfilamente sind in Anzahl, Länge und Lokalisation variabel.

Funktion

Mikrotubuli
Zytoskelett:Mikrotubuli

Mikrotubuli sind für die Beweglichkeit von Zilien, Mikrovilli und Geißeln verantwortlich. Diese Strukturen bestehen aus neun Doubletten (1 Doublette 2 Mikrotubuli), die um eine zentrale mikrotubuläre Doublette angeordnet sind, mit der sie über Speichen verbunden sind. Die peripheren Doubletten sind durch Nexin verknüpft. Ein Mikrotubulus jeder Doublette hat Arme aus Dynein, die er der benachbarten Doublette entgegenstreckt. Am freien Ende des Dyneins befindet sich eine ATP-Bindungsstelle. So kann das Dynein bei Spaltung von ATP auf der anderen Doublette wandern. Hieraus resultiert aufgrund der Verbindung der neun peripheren Doubletten eine Verbiegung der gesamten Struktur und damit eine Schlagbewegung (Abb. 11.24).

Darüber hinaus sind Mikrotubuli an intrazellulären Transportvorgängen beteiligt (20.2.1), z. B. an der Vesikelbewegung. Für den Transport von Vesikeln aus der Peripherie in Richtung Zellkern ist Dynein verantwortlich, während Kinesin in umgekehrter Richtung transportiert. Während der Mitose sind sie für den Transport der Chromosomen zuständig, sie bilden den Spindelapparat. In Neuronen dienen sie der Ausbildung von Axonen und Dendriten.

Merke

Dynein Vesikeltransport zum Zellzentrum

Kinesin Vesikeltransport zur Peripherie

Klinik

Colchicin, das Gift der Herbstzeitlose, hemmt die Bildung von Mikrotubuli, daher auch die Bildung des Spindelapparats und damit die Mitose. Es wird im Labor zur Darstellung der Chromosomen (in der Metaphase) eingesetzt. Da es auch intrazelluläre Transportvorgänge und die Phagozytose in Neutrophilen hemmt, die eine wichtige Rolle in der Pathogenese der Gicht spielt, wird es zur Akutbehandlung des Gichtanfalls eingesetzt.

Vinca-Alkaloide (Vinblastin, Vincristin) haben eine ähnliche Wirkung. Sie verhindern die Mitose durch Hemmung der Tubulinpolymerisierung. Da bei Tumoren besonders viele Mitosen ablaufen, werden Vinca-Alkaloide als Zytostatika eingesetzt.

Mikrofilamente
Zytoskelett:Mikrofilamente

Aktinfilamente sind zusammen mit Nichtmuskelmyosin (20.2.2) an der Zellbewegung im Rahmen von Phagozytose und Migration und an der Bewegung von Mikrovilli, Stereozilien und Geißeln beteiligt. Die Migration ist von großer Bedeutung für Spermien und Fibroblasten. Letztere bewegen sich, indem an gegenüberliegenden Stellen der Zelle abwechselnd Endo- und Exozytose stattfindet. Wichtig ist die Migration auch für das Immunsystem: Durch sie gelangen Makrophagen dorthin, wo sich Bakterien befinden, und können diese zerstören. Aber auch Tumorzellen machen sich ihre Fähigkeit zur Migration zunutze und dringen in das umliegende Gewebe vor.

Aktin und Myosin sind außerdem am Transport von Molekülen, Vesikeln und Zellorganellen innerhalb der Zelle und an Endo- und Exozytosevorgängen beteiligt. Außerdem spielen sie eine Rolle bei der Ausbildung von Zonulae adhaerentes und der Desmosomen vom Typ II.

Intermediärfilamente
Zytoskelett:Intermediärfilamente

Ihre Aufgaben sind die Stabilisierung von Nervenzellen, Endothel- und Epithelzellen und die Fixierung des Zellkerns in den Zellen. Außerdem sorgen sie dafür, dass die Zelle mechanischer Belastung standhält.

Extrazelluläre Matrix

Definition

Unter der Extrazelluläre Matrixextrazellulären Matrix versteht man die Strukturen, die für den Zusammenhalt einzelner Zellen sorgen.

Komponenten

Die Komponenten der extrazellulären Matrix sind:
Kollagen sorgt für die Stabilität des Bindegewebes gegenüber mechanischer Belastung. Die Subtypen I bis III machen 80–90 % des gesamten Kollagens aus (Vorkommen Tab. 11.4). Typ IV (5–10 %) kommt ausschließlich in Basalmembranen vor. Daneben gibt es noch diverse weitere Kollagensubtypen (z. B. VI, VII, X). Kollagen wird durch Kollagenasen (Zinkproteasen) abgebaut.

Merke

Die Schritte der Kollagensynthese in Fibroblasten sind:

Synthese von 1- und 2-Präprokollagen-Monohelices (hoher Glycin- und Prolingehalt)

Abspaltung des Signalpeptids Prokollagen

Tripelhelixbildung durch Disulfidbrücken

Hydroxylierung von Prolin und Lysin erhöhte Stabilität. Dafür sind Ascorbinsäure und Fe2+ notwendig.

Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen erhöhte Stabilität

O-Glykosylierungen von Hydroxylysylresten

Sekretion der Prokollagen-Tripelhelix in den Extrazellularraum

Entfernung von N- und C-terminalen Peptiden

Zusammenlagerung zu Kollagenmikrofibrillen und Quervernetzung

Elastin ist ein Protein, das, wie der Name schon sagt, für die Elastizität des Bindegewebes verantwortlich ist. Daher kommt es vor allem an Stellen vor, die großen Druck- und Volumenschwankungen ausgesetzt sind, z. B. in großen Arterien, im Respirationstrakt und in der Haut. Elastinmoleküle bilden zusammen mit Kollagen und Fibrillin elastische Fasern.
Proteoglykane sind Proteine mit angehefteten Kohlenhydratseitenketten. Da die Kohlenhydratseitenketten aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten bestehen, bezeichnet man sie als Glykosaminoglykane (früher: Mukopolysaccharide). Sulfat- und N-Acetylreste bedingen, dass die Kohlenhydratseitenketten mehrfach negativ geladen sind und daher positiv geladene Natriumionen reversibel binden können. Durch die hohe Dichte an Natriumionen entsteht eine osmotische Anziehung von Wassermolekülen. Hieraus ergibt sich die Funktion der Proteoglykane: die Wasserbindung in Geweben, die diesen Elastizität verleiht.
Hyaluronat ist ein Glykosaminoglykan ohne Proteinanteil. Seine Funktion ist mit der der Glykosaminoglykane in Proteoglykanen identisch: Wasserbindung.
Fibroblasten produzieren neben Kollagen das Fibronektin. Es wird bei Gefäßverletzungen aus subendothelialen Strukturen und aus daran anhaftenden Thrombozyten freigesetzt und fördert die Wundheilung.
Aufbau und Funktionen dieser Komponenten sind in Tab. 11.5 nochmals zusammengefasst.

Klinik

Die häufigsten angeborenen Bindegewebsdefekte sind:

Marfan-Syndrom: Hier liegt eine Punktmutation im Fibrillin-1-Gen vor. Da Fibrillin für die Bildung elastischer Fasern aus Elastin und Kollagen verantwortlich ist, führt dieser Gendefekt zu einer Überelastizität des Bindegewebes.

Bei der Erbkrankheit Osteogenesis imperfecta bildet der Organismus fälschlicherweise Kollagen III statt I, sodass eine instabile Knochensubstanz resultiert.

Die Mukopolysaccharidosen gehören zu den lysosomalen Speicherkrankheiten (11.5.3): Die lysosomalen Enzyme für den Abbau der Glykosaminoglykane fehlen.

Zellzyklus

Ablauf

Der Zellzyklus somatischer Zellen lässt sich in zwei Abschnitte teilen: Im ersten Abschnitt, der Interphase, erfolgen die Vorbereitungen für den zweiten Abschnitt, die Mitose (Zellteilung).

Interphase
Zellzyklus

Folgende Phasen lassen sich unterscheiden (Abb. 11.25):

  • G1-Phase (Dauer: Stunden bis Monate): Wachstumsvorgänge zur Vorbereitung der Mitose. Alle Zellbestandteile – Zytoplasma, Organellen – werden synthetisiert, außerdem Moleküle, die für den eigentlichen Mitosevorgang benötigt werden (z. B. Bestandteile des Spindelapparats).

  • Nicht teilungsfähige Zellen (Nervenzellen) bleiben für immer in der G1-Phase hängen. In diesem Fall spricht man von der G0-Phase.

  • S-Phase (Dauer: ca. 8 Stunden): DNA-Replikation. Nun verfügt die Zelle über einen doppelten Chromatidensatz. Die S-Phase leitet die Mitose ein.

  • Die G2-Phase (Dauer: 2–5 Stunden) geht der Mitose unmittelbar voraus. Reparatur von Replikationsfehlern.

Mitose

Sind alle Vorbereitungen abgeschlossen, beginnt die Mitose. Hierbei wird der doppelte Chromatidensatz (die Schwesterchromatiden) auf zwei Zellen aufgeteilt.

  • Prophase: Kondensation des Chromatins zu Chromosomen. Die Schwesterchromatiden hängen am Zentromer zusammen. Bildung des Spindelapparats: Die Zentrosomen bewegen sich zu den jeweils entgegengesetzten Zellpolen, zwischen ihnen formieren sich Mikrotubuli. Die Kernmembran löst sich auf.

  • Metaphase: Chromosomen sind maximal kondensiert und befinden sich in der Äquatorialebene.

  • Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden am Zentromer getrennt und bewegen sich zu entgegengesetzten Zellpolen.

  • Telophase: Der Spindelapparat löst sich wieder auf, eine neue Kernmembran bildet sich um jeden neu entstandenen Chromosomensatz. Der Zellkörper teilt sich in der Äquatorialebene. Zwei eigenständige Zellen sind entstanden.

Lerntipp

Reihenfolge der Mitoseschritte:

Probier Mal Ananas-Tee! – Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase.

Regulation

Proteinkinasen
Zellzyklus:MitoseDer ZellzyklusZellzyklus:Regulation wird jeweils an den Phasenübergängen durch Proteinkinasen reguliert. Sie aktivieren die für Phasenübergänge essenziellen Proteine, z. B. das Retinoblastomprotein Rb 105 (pRb).
Die Proteinkinasen liegen im Komplex mit einem Zyklinprotein (MPF mitosis promoting factor) vor, welches für den jeweiligen Phasenübergang spezifisch ist. Deshalb werden sie zyklinabhängige Kinasen (cyclin-dependent kinases, CDK) genannt. Die Aktivität des Enzyms hängt von der Anwesenheit von Zyklin ab. Im Laufe des Zyklus wird Zyklin durch Neusynthese in der Zelle angereichert, wobei die höchste Konzentration vor Beginn der Mitose erreicht wird. Ist die Zellteilung abgeschlossen, wird Zyklin schnell der Proteolyse zugeführt.
Inhibitorproteine können CDKs in allen Zyklusphasen deaktivieren und so den Phasenübergang verhindern. Dies muss geschehen, wenn die DNA durch toxische Einwirkung geschädigt wurde und eine Reparatur nötig ist. Dann wird der Transkriptionsfaktor p53 (guardian of the genome) aktiviert. Er initiiert die Synthese eines Proteins, das den CDK-Komplex der S-Phase so lange hemmt, bis der Schaden behoben ist. Ist dieser so schwerwiegend, dass eine Reparatur unmöglich ist, werden die Apoptosemechanismen aktiviert (11.13). Ohne diesen Hemmmechanismus könnten Mutationen im Genom entstehen, die die Bildung eines Tumors auslösen können.

Cave

Eine oder mehrere Mutationen in somatischen Zellen Tumorbildung

Mutation in einer Keimbahnzelle genetischer Defekt

Bei manchen Menschen liegen jedoch Mutationen im Erbgut von Keimbahnzellen vor, die sie zur Entwicklung von Tumoren prädestinieren.

Klinik

Zu den Vorgängen bei Entstehung und Therapie von Tumoren auf Gen-Ebene 10.8.

Daher an dieser Stelle nur eine kurze Wiederholung:

Bei benignen wie bei malignen Tumoren entziehen sich die Tumorzellen der Wachstumsregulation. Bei benignen Tumoren ist die Proliferation begrenzt, bei malignen Tumoren unbegrenzt. Bei malignen Tumoren sind zudem die Mechanismen der Zelldifferenzierung außer Kraft gesetzt.

Karzinome (maligne epitheliale Tumoren) entstehen primär durch mehrere Veränderungen des Erbguts somatischer Zellen. Mutationsauslösende Faktoren (Karzino- oder Kanzerogene) können physikalischer, chemischer oder viraler Natur sein.

Solange ein Gleichgewicht zwischen Protoonkogenen und Suppressorgenen herrscht, kann kein Tumor entstehen. Beide Gen-Arten sind für die Kontrolle von Zellwachstum und -differenzierung zuständig.

  • Gain-of-function-Mutationen in Protoonkogenen. Das Protoonkogen wird zum Onkogen. Aus einem Protein mit kontrollierter Wirkung kann ein Protein mit konstitutiver (ständiger) Wirkung werden (z. B. Punktmutation im Ras-Protoonkogen beim Kolonkarzinom). Oder ein für Wachstumsfaktoren kodierendes Gen kann unter die Kontrolle eines fremden Promotors gebracht werden.

  • Loss-of-function-Mutationen von Tumorsuppressorgenen. Dies kann z. B. Rezeptoren für Wachstumsfaktoren betreffen (z. B. TGFb-Rezeptor) oder Checkpoint-controll-Proteine, die den Zellzyklus stoppen, wenn DNA-Schäden vorliegen (z. B. Rb 105, p53). Auch eine Mutation im Gen eines an der DNA-Reparatur beteiligten Enzyms kann zur Krebsentstehung führen (z. B. RAD 25).

Wachstumsfaktoren
Wachstumsfaktoren stimulieren die Zellproliferation und beeinflussen somit den Zellzyklus. Eukaryonte Zellen können sich nur auf Signale anderer Zellen (Wachstumsfaktoren) hin vermehren.
  • Das Beispiel des epidermalen Wachstumsfaktors (Epidermal growth factor, EGF) zeigt die Signaltransduktion: Der Wachstumsfaktor bindet an einen Rezeptor der Zielzelle, nach Anlagerung von Proteinen und mehreren Phosphorylierungen kann die MAP-Kinase die Kernmembran passieren und dort Transkriptionsfaktoren phosphorylieren, die die Genexpression beeinflussen.

  • Es gibt vielfältige Wirkungsmechanismen von Wachstumsfaktoren. Der Wachstumsfaktor bindet immer an einen Rezeptor der Zielzelle. Die Signaltransduktionswege sind jedoch unterschiedlich. So bindet das Retinoblastomprotein Rb 105 (pRb) zwei Transkriptionsfaktoren und hemmt dadurch die Transkription von Genen, die für S-Phase-Proteine kodieren. Wird Rb 105 von einer CDK phosphoryliert, dissoziiert es von den Transkriptionsfaktoren ab, die Transkription der Gene und damit der Übertritt in die S-Phase kann erfolgen.

Apoptose

Definition

Unter Apoptose Apoptose(programmierter Zelltod) versteht man die gezielte Abtötung und Entfernung von einzelnen alten und defekten Zellen. Auch Zellen, die nur zeitweise benötigt werden (z. B. die Zellen der laktierenden Mamma), werden auf diese Weise entsorgt.

Cave

Der programmierte Zelltod (physiologisch) betrifft gezielt einzelne Zellen. Sterben Zellen auf Grund äußerer Umstände unkontrolliert ab, spricht man von einer Nekrose (pathologisch).

Ablauf

Das Selbstmordprogramm einer Zelle ist in Form der Procaspasen-Gene im Genom angelegt. Procaspasen sind die inaktiven Vorstufen proteolytischer Enzyme, die Cystein enthalten und Proteine dort spalten, wo sich ein Aspartat befindet. Aufgrund dieser Eigenschaften heißen diese Proteasen Caspasen (Cysteinyl-Aspartasen). Sie katalysieren eine Reaktionskaskade, die in Apoptose mündet. Die Aktivierung der Caspasen kann durch Killerzellen, Glucocorticoide, Cytochrom c, das p53-Protein, den Tumornekrosefaktor (TNF-) und weitere Substanzen erfolgen, ebenso durch einen Mangel an Wachstumsfaktoren. Cytochrom c spielt eine zentrale Rolle als Kaskadenaktivator. Es kann auf bestimmte Stimuli hin seinen Standort zwischen innerer und äußerer Mitochondrienmembran verlassen und ins Zytosol gelangen.

Klinik

Das Produkt des bcl-2-Onkogens, das Bcl-2-Protein, reduziert die Permeabilität der Mitochondrienmembran und hindert so Cytochrom c daran, die Mitochondrien zu verlassen. Deshalb hemmt die Überexpression des bcl-2-Onkogens bei vielen Zellen die Apoptose und macht sie unempfindlich gegen Strahlung und Zytostatika.

Im Verlauf der Apoptose erfolgt die Aktivierung einer Endonuklease. Diese kann die vorher kondensierten Chromosomen in mehrere Bruchstücke teilen und somit den Zelltod auslösen. Der Zellkern schrumpft. Später lösen sich die Membranen auf (Zelllyse). Makrophagen aus der Umgebung nehmen die Reste auf.
Die Wirkung der Caspasen hat keine allgemeine Proteinzerstörung zur Folge. Vielmehr wirken sie an genau definierten Stellen, z. B. an Proteinen, die für die Aufrechterhaltung der Zellstruktur verantwortlich sind. Charakteristisch für die Apoptose ist, dass sie nicht von einer Reaktion des Immunsystems (z. B. Entzündung) begleitet ist.

Bedeutung

Die Apoptose spielt eine große Rolle bei:
  • Embryonalentwicklung: Bei der Entwicklung der Hände und Füße eines Embryos bilden sich zunächst plattenartige Gewebsknospen aus. Apoptose-Ereignisse sorgen dafür, dass die Zellen in den Finger- und Zehenzwischenräumen absterben und Hände und Füße ihre endgültige Form ausbilden können.

  • Gewebehomöostase: Ein Gleichgewicht von Zellteilung und Zelltod gewährleistet beim Erwachsenen, dass die Zellen von Organen und Organsystemen wie Leber, Niere und Immunsystem ständig erneuert werden können und dabei in ihrer Zahl dennoch konstant bleiben. Wichtig ist dabei vor allem die Eliminierung von alten und z. B. durch Mutationen oder virale Infekte geschädigten Zellen.

  • Reifung des Immunsystems: Lymphozyten werden nach der Abwehr einer Infektion durch Apoptose entfernt. Dadurch wird die Immunantwort beendet. Lymphozyten, die sich gegen körpereigene Antigene richten könnten, werden im Thymus bereits im Stadium der Differenzierung als autoreaktiv erkannt und durch Apoptose unschädlich gemacht. Apoptose gewährleistet so die Selbsttoleranz des Immunsystems.

  • physiologischen Regeneration: Ein defekter oder nicht vorhandener Apoptosemechanismus wird mit dem Wachstum von malignen Tumoren in Verbindung gebracht.

Klinik

Fehlerhaft regulierte Apoptose kann zu verschiedenen Krankheitsbildern führen. Erkrankungen mit erhöhter Apoptoserate sind:

  • AIDS (T-Helferzellen)

  • Hepatitis

  • Ischämie

  • Sepsis

Erkrankungen mit verminderter Apoptoserate sind vor allem Autoimmun- und Tumorerkrankungen, z. B.:

  • Pankreaskarzinom

  • Kolonkarzinom

  • hepatozelluläres Karzinom

Durch verminderte Apoptose kann es zu Zytostatikaresistenz kommen (oben).

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