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B978-3-437-44433-3.00002-7

10.1016/B978-3-437-44433-3.00002-7

978-3-437-44433-3

Verschiedene Techniken, Bakterien darzustellen. a: Rasterelektronenmikroskopie:Helicobacter pylori\"\iHelicobacter pylori:Elektronenmikroskopie\"\iRasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Helicobacter pylori, Vergr. 14.000-fach. b: Ziehl-Neelsen-Ziehl-Neelsen-Färbung, Mycobacterium tuberculosis\"\iMycobacterium tuberculosis, Ziehl-Neelsen-Färbung\"\iFärbung von Mycobacterium tuberculosis (rote Stäbchen), dem Erreger der Lungentuberkulose, Lunge Mensch, Vergr. 1.000-fach. c: Elektronenmikroskopie:Actinomyces viscosus\"\iActinomyces viscosus\"\iTransmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von Actinomyces viscosus, Zahnbelag Mensch, Vergr. 52.000-fach.

Eukaryotische Zelle:eukaryotische\"\iZelle. Kern, wichtigste Organellen und typische Oberflächendifferenzierungen einer eukaryotischen Epithelzelle. Einige der Zellbestandteile, die im Schnittpräparat zweidimensional erscheinen, sind zum besseren Verständnis dreidimensional und vergrößert herausgezeichnet. 1 Zellkern\"\iKern mit Hetero-Heterochromatin\"\i (dunkel) und Euchromatin\"\iEuchromatin (heller) sowie Nukleolus\"\iNukleolus; 2 Golgi-Golgi-Apparat\"\iApparat; 3 Mikrovilli\"\iMikrovilli (mit Glykokalyx); 4 Sekretgranulum (mit Exozytose); 5 Zentriolen; 6 Kinozilie; 7 Zonula Zonula:occludens\"\ioccludens; 8 terminales Netz mit Zonula Zonula:adhaerens\"\iadhaerens; 9 Lysosom; 10 glattes endoplasmatisches Retikulum (glattes ER); 11 Peroxisom; 12 Gap Gap Junction:Epithelzelle\"\iJunction (Nexus); 13 clathrinbedeckte Endozytosefigur; 14 Desmosom:Epithelzelle\"\iDesmosom; 15 Glykogen:Epithelzelle\"\iGlykogen; 16 Interzellulärspalt; 17 Einfaltung des basalen Labyrinths; 18 Lamina densa der Basallamina:Epithelzelle\"\iBasallamina; 19 Polysom:Epithelzelle\"\iPolysomen; 20 Hemidesmosom:Epithelzelle\"\iHemidesmosom; 21 Mikrotubuli und Keratinfilamente; 22 Mitochondrien:Epithelzelle\"\iMitochondrium; 23 rauesRetikulum, endoplasmatisches:raues endoplasmatisches Retikulum (raues ER); 24 multivesikulärer KörperKörper:multivesikulärer.

(Aus [R252])

Spinalganglienzelle\"\iSpinalganglienzellen des Menschen. Die großen oder kleineren Zellkörper (Perikarya, 1) erscheinen im Schnittpräparat rundlich bis oval; der helle Zellkern:Spinalganglienzelle\"\iZellkern (➔) ist auch rundlich und glattrandig, er enthält einen kräftig gefärbten Nukleolus. Den Ganglienzellen liegen flache Mantelzelle:Spinalganglienzelle\"\iMantelzellen (= Satellitenzelle:Spinalganglienzelle\"\iSatellitenzellen) an, deren Kerne klein, rund-oval und relativ dunkel sind. Azan-Färbung; Vergr. 380-fach.

Blutzellen des Menschen im Ausstrichpräparat. 1 Erythrozyt:Ausstrich\"\iErythrozyten; 2 neutrophiler GranulozytGranulozyt:neutrophiler; 3 Monozyt:Ausstrich\"\iMonozyt; 4 Thrombozyt:Ausstrich\"\iThrombozyt. Färbung: nach Pappenheim-Färbung\"\iPappenheim; Vergr. 1.250-fach.

Resorbierendes Darmepithel des Menschen. Das Epithel:Darm\"\iDarm:Epithel\"\iEpithel besteht aus einer Schicht prismatischer Zellen mit länglichem Kern und Bürstensaum:Darmepithel\"\iBürstensaum (▶); zwischen diesen Zellen kommen einzelne Becherzelle:Darmepithel\"\iBecherzellen (helles „schaumiges“ Zytoplasma) vor. In das Epithel sind einige Lymphozyten (rundliche, kräftig dunkel violett gefärbte Kerne) eingewandert. L. P.: Lamina propria, die Bindegewebsschicht unter dem Epithel mit einem bunten Gemisch verschiedener Zelltypen. H. E.-H.E.-Färbung:Darmepithel\"\iFärbung; Vergr. 500-fach.

Glatte MuskelzellenMuskelzelle:glatte, Uterus, Mensch. Oben: längs geschnitten (1 längliche, zigarrenförmige Kerne), unten: quer oder schräg angeschnitten (2 kleine, unterschiedlich große, rundliche Kernanschnitte). Das Erscheinungsbild der Kerne der glatten Muskelzellen wechselt in Korrelation mit der Anschnittrichtung. ➔ Mastzelle:Uterus\"\iMastzelle. Plastikschnitt; H. E.-H.E.-Färbung:glatte Muskulatur\"\iFärbung; Vergr. 600-fach.

Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin in der Zellmembran:Lipide\"\iPlasmamembran:Lipide\"\iLipide:Zellmembran\"\iZellmembran.

Zellmembran-Gefrierbruchpräparat:Zellmembran\"\iGefrierbruchpräparate in einer EM-Aufnahme. Bei Gefrierbruchpräparaten wird die Membran in ihrer hydrophoben Mitte in ein äußeres (externes) und ein inneres (protoplasmatisches) Blatt geteilt, deren Innenansichten freigelegt werden. a: Protoplasmatische Membranhälfte eines Erythrozyt:Gefrierbruchpräparat\"\iErythrozyten des Menschen (rotationsbedampft), zahlreiche Membranpartikel (➔), die Membranproteinen (vor allem dem Bande-3-Protein) entsprechen. Vergr. 162.000-fach. b: Äußere Membranhälfte (E-Seite) einer Erythrozytenmembran (schräg bedampft), weniger Membranpartikel. Vergr. 156.200-fach.

Zellmembran:Elektronenmikroskopie\"\iPlasmamembran:Elektronenmikroskopie\"\iElektronenmikroskopie:Zellmembran\"\iZellmembran (Dünnschnittpräparate) in einer EM-Aufnahme. a: Apikale Membran mit Mikrovilli einer Sammelrohrzelle (Niere, Mensch). Die Membran ist mit einem dichten feinfädigen Besatz aus extrazellulären Domänen von Glykoproteinen, Glykolipiden oder Oberflächenmuzinen mit Oligosaccharidketten versehen, die Teil von Glykoproteinen sind (Glykokalyx:ElektronenmikroskopieGlykokalyx, ➔). Vergr. 37.000-fach. b: Apikale Zellmembran (zwischen den ▶) einer Epithelzelle des Harnleiters des Menschen. Innere und äußere Membranhälfte sind als dunkle Linie zu erkennen, dazwischen hydrophobe helle Region im Inneren der Membran. Vergr. 168.000-fach.

Verschiedene Typen peripherer und integraler Proteine in der Zellmembran.

Verschiedene Transmembranprotein\"\iTransmembranproteine in Zellen eines transportierenden Epithels. Basolateral pumpt die Na+-K+-ATPase gegen einen Gradienten Na+ aus der Zelle heraus und K+ in die Zelle hinein. Aquaporin:Transmembranproteine\"\iAquaporine sind Wasserkanäle. Apikal befinden sich Ionenkanäle oder Transportproteine, durch die Ionen in die Zelle einströmen können.

Kinozilie:Elektronenmikroskopie\"\iKinozilien (Flimmerhaare). a: Längsschnitt von Kinozilien auf dem Apex einer Epithelzelle der Tuba uterina des Menschen. An den Basalkörper, KinozilieBasalkörpern (▶) befinden sich feine Wurzelstrukturen, die der Verankerung dienen. Vergr. 15.285-fach. (Aus [R252]). b: Querschnitt durch in unterschiedlicher Höhe angeschnittene Basalkörper (➔) in einer Flimmerzelle eines Bronchiolus des Menschen. Vergr. 39.000-fach. c: Im Querschnitt lassen die Kinozilien (Bronchus, Mensch) die „9 + 2“-9 + 2-Muster\"\iStruktur erkennen; ∗ atypische Riesenzilie mit 3 z. T. unvollständigen Mikrotubulussätzen, links unten: Mikrovilli\"\iMikrovilli. Vergr. 35.000-fach.

Kinozilie:Ultrastruktur\"\iUltrastruktur einer Nexin:KinozilieKinozilie:SchemaKinozilie. MTOC: mikrotubulusorganisierendes Zentrum.

(Nach [S010-1-16])

Mikrovilli der resorbierenden EpithelzellenEpithel:Darm im Ileum (Mensch). a: Längsschnitt. Im Zentrum der Mikrovilli:Darmepithel\"\iMikrovilli verlaufen feine, streng parallel angeordnete Aktinfilament:Mikrovilli\"\iAktinfilamente (1), die in das apikale Zytoplasma einstrahlen. (2) Glykokalyx:Darmepithel\"\iGlykokalyx der Mikrovilli. b: Querschnitt. Vergr. 68.000-fach.

Mikrovilli und terminales Netz am Zellapex von Enterozyten mit Zellkontakten und Anteilen des Zytoskeletts. Im Zentrum der Mikrovilli:Schema\"\iMikrovilli verläuft ein Bündel von Aktinfilament:Mikrovilli\"\iAktinfilamenten, das im terminalen Netz (Spektrin:Mikrovilli\"\iSpektrin, Myosin II und in der Tiefe Intermediärfilamente) verankert ist. Die Aktinfilamente sind miteinander und mit der Membran der Mikrovilli verbunden. Die Zonula adhaerens besteht auf der zytoplasmatischen Seite aus verschiedenen Proteinen und einem gut ausgeprägten Bündel aus Aktinfilamenten. Mit dem Desmosom stehen Intermediärfilamente (Zytokeratine) in Kontakt.

Stereozilie:Innenohr\"\iSpektrin:Stereozilie\"\iInnenohr:Stereozilie\"\iStereozilie einer Haarzelle im Innenohr. Sie enthält zahlreiche Aktinfilament:Stereozilien\"\iAktinfilamente und hat eine schlanke Basis. Stereozilien als spezielle Oberflächenstrukturen im Innenohr sind steif, können aber im Bereich ihrer schlanken Basis gekippt werden.

(Aus [G077])

Basales Labyrinth:basales\"\iLabyrinth einer Epithel:Niere, basales Labyrinth\"\iEpithelzelle des proximalen TubulusTubulus:proximaler in der Niere (Mensch). 1 Einfaltungen der basalen Zellmembran; 2 Mitochondrien; 3 BasallaminaBasallamina:Epithelzelle (z. T. verdoppelt); 4 Bindegewebsraum; 5 fenestriertes EndothelEndothel:fenestriertes einer Blutkapillare mit Basallamina; 6 Erythrozyt. ➔ Fenestrationen im Endothel. Vergr. 20.700-fach.

Pinozytose\"\iPinozytose, Phagozytose\"\iPhagozytose, Autophagie\"\iAutophagie. Makromoleküle werden durch Pinozytose\"\iPinozytose, eine verbreitete Form der Endozytose\"\iEndozytose, aus dem Extrazellulärraum aufgenommen. Die entstehenden Bläschen verschmelzen mit den frühen Endosomen (Kap. 2.4.4) und diese wiederum mit Transportvesikeln aus dem Golgi-Apparat, die lysosomale Enzyme (saure Hydrolasen) enthalten. Dadurch entstehen graduell späte Endosom:spätes\"\iEndosomen. In ihnen bauen die lysosomalen Enzyme die Makromoleküle ab, die späten Endosomen werden so zu Lysosom\"\iLysosomen. Aus den frühen Endosomen können sich Vesikel abknospen, die zur Zellmembran zurückwandern (Kap. 2.4.4). Bakterien, Zellfragmente und Fremdkörper werden von Makrophagen und Granulozyten mithilfe von Pseudopodien in die Zelle aufgenommen (Phagozytose, rechte Bildhälfte); intrazellulär entsteht ein Phagosom\"\iPhagosom. Dies nimmt lysosomale Enzyme auf oder verschmilzt mit Endo- oder Lysosomen und entwickelt sich mit fortschreitendem Abbau der Partikel zu einem Phagolysosom. Der Abbau überalterter, überflüssiger oder geschädigter Zellorganellen (Autophagie, unten im Bild) beginnt mit der Umhüllung des Organells durch eigentümliche Doppelmembranen (s. a. Kap. 2.4.4). Mit diesem Komplex, dem Autophagosom\"\iAutophagosom, verschmelzen Lysosomen. Mit fortschreitendem Abbau der eingeschlossenen Organellen entstehen Autolysosom\"\iAutolysosomen.

(Aus [R252])

Clathrinbedeckte () und andere Endozytose:clathrinvermittelte\"\iEndozytosevesikel sowie Anteile des endolysosomalen Systems (∗) in der Peripherie eines Makrophagen. Vergr. 28.500-fach.

Schematische Darstellung der Zellkontakt:Schema\"\iZellkontakte.

Integrine\"\iIntegrine. Diese Transmembranproteine sind Heterodimere und binden gleichzeitig an intra- und extrazelluläre Proteine.

Zellkontakt:Elektronenmikroskopie\"\iElektronenmikroskopie:Zellkontakte\"\iZellkontakte in EM-Aufnahmen (a, b, d, e; aus [R252]) und Gefrierbruchpräparat (c, f; Präparate Prof. Helmut Bartels, Hannover). a: Haftkomplex (Schlussleistenkomplex) zwischen 2 Deckzellen im Epithel des Harnleiters des Menschen. Dieser Komplex besteht aus einer zuoberst liegenden Zonula Zonula:occludens\"\ioccludens (1), einer darunter gelegenen Zonula Zonula:adhaerens\"\iadhaerens (2) und an unterster Stelle Desmosom\"\iDesmosomen (3). Vergr. 36.500-fach. b: Desmosomen (Maculae adhaerentes), Epidermis, Mensch; im Interzellulärraum strukturiertes Material (besteht vor allem aus Cadherinen); der Zellmembran sind auf der zytoplasmatischen Seite Plaque-(Anheftungs-)Proteine angelagert, in denen Keratinfilamente verankert sind. Vergr. 92.000-fach. c: Membran von Chordazellen eines Neunauges (Lampetra fluviatilis), freigelegte protoplasmatische Membran. ➔ Desmosomen, ▶ Nexus. Vergr. 48.000-fach. d: Hemidesmosom\"\iHemidesmosomen an der basalen Zellmembran der Basalzellen in der Epidermis des Menschen. In die Membranverdichtungen der Hemidesmosomen strahlen Keratinfilamentbündel (1) ein. Zwischen basaler Zellmembran und Lamina densa der Basallamina (2) befindet sich im Bereich der Hemidesmosomen der Epidermis elektronendichtes Material (➔). Vergr. 36.600-fach. e: Zonula Zonula:occludens\"\ioccludens (Tight Tight Junction\"\iJunction) zwischen 2 Kolonepithelzellen des Menschen. Die äußeren Blätter der Zellmembran verschmelzen in Form von anastomosierenden Leisten (im Schnittpräparat oft schwer zu erkennen) und versiegeln den Interzellulärraum. Vergr. 115.000-fach. f: Im Gefrierbruchpräparat tritt das netzartige Leistenmuster der Zonula occludens in der Zellmembran deutlich hervor. Anordnung und Ausdehnung der Leistensysteme bestimmen die funktionellen Eigenschaften – v. a. die Durchlässigkeit – der Zonula occludens. Trachealepithel, Mensch. Vergr. 32.000-fach.

Zonula Zonula:adhaerens\"\iadhaerens.

Desmosom\"\i Desmosom mit molekularen Komponenten.

Hemidesmosom\"\i Hemidesmosom.

Nexus\"\iNexus (Gap Junction). a: Im Gefrierbruchpräparat:Gap Junction\"\iGap Junction:Gefrierbruchpräparat\"\iGefrierbruchpräparat besteht die Gap Junction aus einem Feld sehr dicht gelagerter gleich großer Membranpartikel in der Zellmembran, die den Connexonen entsprechen. In den anderen Membranarealen locker verteilte Membranpartikel. Es sind 2 Nexus in der Membran einer Herzmuskelzelle einer fetalen Ratte zu erkennen. Vergr. 80.000-fach. (Gefrierbruchpräparat Prof. Helmut Bartels, Hannover). b: Immunhistochemie:Connexin\"\iImmunhistochemischer Nachweis des Connexine:Nachweis\"\iConnexins 43 in den Nexus der Glanzstreifen in der Herzmuskulatur (➔); Vergr. 450-fach.

Aufbau eines Nexus:Aufbau\"\iNexus (Gap Gap Junction:Aufbau\"\iJunction). Jeweils 2 zusammengefügte Connexone:Gap Junction\"\iConnexone verbinden die benachbarten Zellen. Ein Connexon besteht entweder aus 6 identischen oder unterschiedlichen Connexine:Gap Junction\"\iConnexinen.

(Aus [G077])

Aufbau einer Zonula occludensZonula:occludens (Tight Tight Junction:Aufbau\"\iJunction); grün = Claudine, rötlich braun = Occludin, Tight Junction\"\iOccludine. Entscheidend für den funktionellen Verschluss des Interzellulärspalts sind die Claudine.

(Aus [G077])

Zonula occludensZonula:occludens (Tight Tight Junction:Schema\"\iJunction) im dreidimensionalen Schema. Die Zonula occludens ist durch anastomosierende Verschlussleisten gekennzeichnet, die aus speziellen Membranproteinen aufgebaut sind.

Zellkern:Morphologie\"\iNukleus:Morphologie\"\iKernmorphologie in einem Ausschnitt aus der inneren Wand der Harnblase (Mensch). Von der Basis bis zur Oberfläche des Epithels (1) werden die Kerne der ganz dicht beieinanderliegenden Epithelzelle:Zellkern\"\iEpithelzellen größer und verändern ihre Form. Die durch die Bindegewebsmatrix (2) getrennten Fibroblast:Zellkern\"\iFibroblasten des Bindegewebes haben dagegen kleinere, flache, dunklere Kerne (➔). Plastikschnitt; H. E.-H.E.-Färbung:Kernmorphologie\"\iFärbung; Vergr. 500-fach.

Zellkerne in einem Ausschnitt aus der parafollikulären Zone eines Lymphknoten:Zellkerne\"\iLymphknotens (Mensch). Die hochendothelialen VenolenVenole:hochendotheliale (1) besitzen ein Endothel mit kennzeichnenden ovalen, hellen Kernen (➔). Die Kerne der benachbarten Lymphozyt:Zellkern\"\iLymphozyten (2) sind kleiner, eher rundlich und besitzen ein viel dichteres Chromatin. H. E.-Färbung; Vergr. 750-fach.

Proliferierende Zellkern:proliferierender\"\iZellkerne reagieren mit dem Ki-67-Antikörper (Braunfärbung). Apokrine Duftdrüse:apokrine\"\iDuftdrüsen (∗), Achselhöhle, Mensch. Vergr. 450-fach.

Zellkern:Epithelzelle\"\iEpithelzelle:Zellkern\"\iZellkerne der Epithelzellen. Immunhistochemischer Nachweis des Östrogenrezeptors in den Kernen der Epithelzellen (Braunfärbung) einer nicht laktierenden Brustdrüse (∗, Mensch). Vergr. 240-fach.

Zellkern:Hülle\"\iNukleus:Hülle\"\iKernhülle\"\iKernhülle. a: Anschnitt eines Kerns einer exokrinen Pankreas:Zellkern\"\iPankreaszelle (1) der Ratte mit 2 Kernporen (2). Am Rand der Kernporen gehen innere und äußere Kernmembran punktförmig ineinander über (➔). 3 Heterochromatin:Elektronenmikroskopie\"\iHeterochromatin. Vergr. 78.000-fach. (Aus [R252]). b: Zellkern:Gefrierbruchpräparat\"\iNukleus:Gefrierbruchpräparat\"\iGefrierbruchpräparat:Zellkern\"\iGefrierbruchpräparat der Oberfläche des Zellkerns einer Follikelepithelzelle der Schilddrüse. In der inneren Kernmembran sind die Kernporen (➔) gut zu erkennen, die Perinuklearzisterne\"\iPerinuklearzisterne (∗) und die äußere Kernmembran (1) sind ebenfalls zu erkennen. Meerschweinchen. Vergr. 19.000-fach.

Kern mit zahlreichen Kernporenkomplex\"\iKernporen (1) einer Leberzelle (Ratte). Flachschnitt durch die Peripherie. Die Kernporen sind meist kreisförmig (lichte Weite hier ca. 35 nm) und zeigen bei geeigneter Schnittführung eine zentrale punktförmige Verdichtung (➔). Weitere Einzelheiten sind jedoch wegen zu geringer Auflösung nicht zu erkennen. Vergr. 48.000-fach.

(Aus [R252])

Wichtige Komponenten eines Kernporenkomplex:Komponenten\"\iKernporenkomplexes in der Kernhülle.

Aufbau des Chromatin:Aufbau\"\iChromatins und seine Veränderungen bei – von unten nach oben – zunehmender Kondensierung vor der Zellteilung. Die DNA-Doppelhelix (unten) verläuft entweder frei (Linker-DNA) oder ist in regelmäßigen Abständen um Histon-Oktamere gewickelt. DNA und Histon-Oktamere bilden die Nukleosom\"\iNukleosomen. So entsteht eine Chromatinfibrille, in der die Nukleosomen wie Perlen in einer Perlenkette liegen. Die Chromatinfibrille kann kondensiert werden – in zunehmender Packungsdichte –, bis sie als Chromosomen (oben) sichtbar werden. Vor der Zellteilung verknüpfen Condensine (Proteine) schleifenförmige Gebilde, sodass die Chromatinfibrillen stark kondensiert sind. Im Interphasekern sind die Chromatinfibrillen wenig kondensiert und bilden weit auseinanderliegende Schleifen.

Zyklische Veränderungen der Nukleosom:Veränderungen\"\iNukleosomen. In diesem Modell werden Standardnukleosomen (1) durch einen Ummodellierungskomplex A (grünes Feld) so angeordnet (2), dass sich DNA-bindende Proteine anheften können (3). Diese können bei der Genexpression, der DNA-Replikation und der DNA-Reparatur eine Rolle spielen. In manchen Fällen kann ihre Bindung zum Zerfall des Nukleosomenkerns führen, sodass nukleosomenfreie DNA-Abschnitte entstehen. Andernfalls lösen sich die DNA-bindende Proteine von den Nukleosomen und ein anderer Ummodellierungskomplex lagert sich an (4, grüne Fläche) und stellt die Ausgangssituation wieder her. Möglicherweise kann aber auch ein einzelner Komplex beide Reaktionen katalysieren.

(Modifiziert nach [G075])

Hetero-Heterochromatin:Elektronenmikroskopie\"\i und Euchromatin\"\iEuchromatin. Kugelförmiger Zellkern mit glatter Oberfläche und deutlichem Kernkörperchen (Nukleolus:Pankreas\"\iNukleolus, 2) aus einer exokrinen Zelle des Pankreas der Ratte. Das elektronendichte, feingranuläre Material im Kern entspricht kondensiertem, inaktivem Chromatin (= Heterochromatin), das am Nukleolus (1), innen an der Kernhülle (4, mit Unterbrechung an den Kernporen, ▶) und auch im übrigen Kern unregelmäßig gestaltete Körper bildet. Aufgelockerte, helle Kernbezirke bestehen aus Euchromatin (3). Vergr. 19.000-fach.

(Aus [R252])

Riesenchromosomen mit speziellem Querbandenmuster aus den Speicheldrüsen von Drosophila, Orcein-Färbung, Vergr. 450-fach.

Spiralförmige Polyribosom:spiralförmiges\"\iPolyribosomen (➔) am rauen endoplasmatischen Retikulum (RER) in einer proteinbildenden Drüsenzelle (Reichensperger-Reichensperger-Organ\"\iOrgan in der Seelilie, Metacrinus rotundus). Diese Polyribosomen werden durch mRNA zusammengehalten und sind erst in Tangentialschnitten durch die Wand des RER gut zu erkennen. Vergr. 66.650-fach.

Endoplasmatisches Retikulum, endoplasmatisches\"\iRetikulum. Raues (1) und glattes (2) endoplasmatisches Retikulum in der Leberepithelzelle einer Ratte. 3 Mitochondrien; 4 Glykogen. Vergr. 36.600-fach.

Dicht gepackte RER-ZisternenRetikulum, endoplasmatisches:raues in einer Drüsenzelle (1, laktierende Milchdrüse einer Ratte). 2 Mitochondrien:Elektronenmikroskopie\"\iMitochondrium; 3 Mikrovilli. Vergr. 36.600-fach.

RER-Stapel als Ergastoplasma\"\iErgastoplasmaRetikulum, endoplasmatisches:raues. In den Epithelzellen des exokrinen Pankreas und anderer eiweißbildender Drüsen ist das Zytoplasma der basalen Zellhälfte deutlich basophil und blau-lila gefärbt (➔, Ergastoplasma, entspricht Stapeln des RER). Der Zellapex enthält rötlich gefärbte Sekretionsgranula. 1 zentroazinäre Zelle:zentroazinäre\"\iZellen. Pankreas, Mensch. Plastikschnitt; H. E.-Färbung; Vergr. 420-fach.

RER-Stapel als Nissl-Nissl-Substanz\"\iSubstanzRetikulum, endoplasmatisches:raues (➔) im Zytoplasma des Perikaryons einer motorischen Vorderhornzelle (Rückenmark, Mensch). ∗ Zellkern mit Nukleolus. H. E.-Färbung; Vergr. 500-fach.

Retikulum, endoplasmatisches:glattes\"\iGlattes endoplasmatisches Retikulum. Das GER ist in einer Leydig-Zelle im Hoden des Menschen reich entwickelt, die dicht gelagerten Schläuche des GER (1) sind quer, schräg und längs angeschnitten. 2 tubuläre Mitochondrien; 3 Zellkern. Vergr. 35.700-fach.

Golgi-Golgi-Apparat\"\iApparat () mit cis- (1) und trans-Seite (2); ▶ glatte Vesikel; ➔ Stachelsaumbläschen; 3 Zellkern. Epithelzelle des Nebenhodens des Menschen. Vergr. 36.610-fach.

Stofftransport:Golgi-Apparat\"\iGolgi-Apparat:Stofftransport\"\iStofftransport im Golgi-Apparat. a: Vesikuläres Transportmodell. b: Modell der Zisternenreifung. RER: raues endoplasmatisches Retikulum; CGN: Cis-Golgi-Cis-Golgi-Netzwerk\"\iNetzwerk; TGN: Trans-Golgi-Trans-Golgi-Netzwerk\"\iNetzwerk; rote Pfeile: Wanderungsrichtung von cis nach trans; blaue Pfeile: Wanderungsrichtung von trans nach cis. Die 2 Modelle schließen sich nicht gegenseitig aus.

(Modifiziert nach [G075])

Golgi-Apparat und Golgi-Apparat:Sekretionsgranula\"\iSekretionsgranula. a: Golgi-Apparat (1) und Sekretionsgranula (2); 3 Anschnitte durch den Golgi-Apparat. Aus dem Golgi-Apparat gehen die Sekretionsgranula (2) hervor, deren Inhalt sich außerhalb des Golgi-Apparats noch verdichten kann. 3 Zellkern; 4 Mitochondrium. Seröse Drüsenzelle der Bronchialdrüsen des Menschen; Vergr. 15.300-fach. b: Golgi-Apparat (1) und große Sekretionsgranula (2). Becherzelle aus dem Darm einer Maus (Präparat Dr. Tim Nebelsiek, München); Vergr. 11.500-fach.

Golgi-Golgi-Apparat\"\iApparat, der durch Osmiumsäurebehandlung in Form schwärzlicher ösen-, haken- und schleifenförmiger Figuren hervortritt (➔). Spinalganglienzelle einer Katze; Färbung: Osmierung nach Kolatschev und Gegenfärbung mit Safranin; Vergr. 500-fach.

Lysosom:Schema\"\iLysosom. Schematische Darstellung mit wichtigen funktionellen Komponenten. Das Lumen besitzt einen pH-Wert von ca. 5,0 und enthält verschiedene saure hydrolytische Enzyme. Die Membran enthält Protonenpumpen, Chloridkanäle, Transportproteine und stark glykosylierte Membranproteine, die die Membran vor den Hydrolasen schützen.

(Nach [G075])

Lysosom:Phosphatasenachweis\"\iLysosomen. a: Lichtmikroskopischer Nachweis der sauren Phosphatase (Rotfärbung) in Lysosomen von Skelettmuskelzellen. Vergr. 450-fach. (Präparat Prof. C. Sewry, London). b: Ultrastruktur von Lysosom:Ultrastruktur\"\iLysosomen in einem Makrophagen des Kolons des Menschen. Die meisten der abgebildeten Lysosomen sind groß und besitzen einen heterogenen Inhalt. Vergr. 15.300-fach. c: Lysosomen (Lipofuszingranula) in einer Herzmuskelzelle des Menschen mit vielen (helleren) Lipidanteilen. Vergr. 12.000-fach.

An Biosynthese, Sekretion sowie Endozytose\"\iEndozytose beteiligte intrazelluläre Kompartimente. Die verschiedenen Kompartimente kommunizieren über Transportvesikel. Die Wege der Biosynthese und Sekretion sind durch rote Pfeile markiert; hier werden Proteinmoleküle vom RER über den Golgi-Apparat in Vesikeln bzw. Granula zur Zelloberfläche transportiert oder in Transportvesikel verpackt (lysosomale Enzyme). Die zur Zelloberfläche wandernden Proteine werden in die Zellmembran eingebaut oder per Exozytose freigesetzt. Eine kontinuierliche Sekretion ohne auslösendes Signal wird dabei als konstitutive Sekretion:konstitutive\"\iSekretion, eine durch ein Exozytosesignal ausgelöste Sekretion als regulierte Sekretion:regulierte\"\iSekretion bezeichnet. Endozytosevesikel, meistens clathrinbedeckte Vesikel:clathrinbedeckte\"\iVesikel (obere Bildhälfte) mit den aus dem Extrazellulärraum aufgenommenen Makromolekülen und ihrem Zellmembranrezeptor schnüren sich von der Zellmembran ab und verschmelzen mit frühen Endosomen (pH 6,5). Diese verschmelzen auch mit den Transportvesikeln lysosomaler Enzyme und wandeln sich langsam um zu späten Endosom:spätes\"\iEndosomen (Endolysosom\"\iEndolysosomen), in denen ein pH-Wert von 5–6 herrscht. Der eigentliche Abbau der aufgenommenen Makromoleküle beginnt in den späten Endosomen. Mit fortschreitendem Abbau entwickeln sich späte Endosomen zu typischen Lysosom\"\iLysosomen, deren Inhalt heterogen ist und deren pH bei ca. 5 liegt, oder sie verschmelzen mit schon existierenden Lysosomen. Zwischen den einzelnen Kompartimenten gibt es auch Rücktransportvorgänge (blaue Pfeile).

(modifiziert aus [R252])

Multivesikuläre Körper:multivesikulärer\"\iKörper (➔). a: Dunkler Typ (Enterozyt, Duodenum, Mensch). b: Heller Typ (Leberzelle, Ratte). Vergr. 35.700-fach.

Peroxisom\"\iPeroxisomen (▶) in einer Leberepithelzelle des Menschen. Diese membranbegrenzten Organellen besitzen beim Menschen und bei anderen Primaten eine homogene feinkörnige Struktur. 1 Mitochondrien\"\iMitochondrium; 2 Glykogenpartikel; 3 Lipidtropfen. Vergr. 27.170-fach.

(Aus [R252])

Mitochondrium vom Crista-Mitochondrien:Crista-Typ\"\iTyp (Schema). TIM: Translokase der Innenmembran, TOM: Translokase der Außenmembran.

Elektronenmikroskopie:Mitochondrien\"\iMitochondrien vom Crista-Mitochondrien:Crista-Typ\"\iTyp in einer EM-Aufnahme. Gruppe kompakter Mitochondrien mit dicht gelagerten Cristae in einer Herzmuskelzelle eines Meerschweinchens. Vergr. 40.000-fach.

Weitere Mitochondrien:Formen\"\iMitochondrienformen. a: Kleine abgerundete Mitochondrien mit wenigen Cristae und gut entwickelter Matrix in einem Hepatozyten der Ratte. Vergr. 35.700-fach. b: Rundliche Mitochondrien vom Tubulus-Typ in einer Zelle der Zona reticularis in der Nebennierenrinde des Menschen, die Innenmembran bildet nicht nur Tubuli, sondern auch kleine sackförmige Strukturen. Vergr. 47.000-fach. c: Mitochondrien in einer Skelettmuskelzelle, die sehr gut erkennbare Matrixgranula (dunkle Punkte) enthalten. Zungenmuskulatur Ratte, Vergr. 22.000-fach.

Melanin\"\iMelanin (in dicht gelagerten Granula verpacktes dunkelbraunes Pigment) im Zytoplasma der zahlreichen Melanozyt:Choroidea\"\iMelanozyten (➔) in der Choroidea (Ch) der mittleren Augenhaut und in den Pigmentepithelzellen (▶) der Retina; Vergr. 200-fach.

Melanosom\"\iMelanosomen (➔) in einer Epidermiszelle des Menschen. 1 Keratinfilamentbündel. Vergr. 48.000-fach.

Intrazelluläres Glykogen:intrazelluläres\"\iGlykogen in Form granulärer bis kleinscholliger Partikel (hier rot gefärbt). Deziduazellen, Uterus einer schwangeren Frau. Färbung: Best-Glykogenfärbung; Vergr. 600-fach.

Glykogenpartikel\"\iElektronenmikroskopie:Glykogenpartikel\"\iGlykogenpartikel als α-Partikel (➔) in einer EM-Aufnahme einer Leberzelle des Menschen. 1 Peroxisom\"\iPeroxisom; 2 glattes ER; 3 raues ER; 4 matrixreiches Mitochondrium. Vergr. 50.000-fach.

Lipideinschlüsse\"\iLipideinschlüsse (helle Punkte) in den Steroidhormon bildenden Epithelzellen der Nebennierenrinde des Menschen. Das Fett ist aus den Zellen präparationsbedingt herausgelöst, die verbleibenden Vakuolen verleihen dem Zytoplasma ein „schaumiges“ Aussehen. Plastikschnitt. H. E.-H.E.-Färbung:Lipideinschlüsse\"\iFärbung; Vergr. 450-fach.

Zahlreiche hell erscheinende Lipideinschlüsse\"\iLipideinschlüsse (1) in einer EM-Aufnahme von Talgdrüsenepithelzellen des Menschen. 2 Zellkern. Vergr. 2.840-fach.

(Aus [R252])

Krankhafte Einlagerung von Lipidtropfen in Leberzellen des Menschen bei toxisch-nutritivem (oft alkoholbedingtem) Leberschaden. Die Fetteinlagerungen sind mithilfe des Fettfarbstoffs Sudan III orange-rot gefärbt; Vergr. 200-fach.

(Aus [R252])

Kristalline Einschlüsse (1 Reinke-Reinke-Kristall\"\iKristalle) in einer Leydig-Zelle im Hoden des Menschen. 2 Lipofuszingranula\"\iLipofuszingranula. Vergr. 15.300-fach.

Große Ansammlungen von gelbbraunen Lipofuszingranula\"\iLipofuszingranula (➔) in einer Spinalganglienzelle (Mensch). H. E.-Färbung; Vergr. 450-fach.

Makrophagen in der Milz des Menschen. Die Zellen enthalten eisenreiches Hämosiderin (blau gefärbt durch Eisennachweis mit Berliner Blau), ein Pigment, das vom Hämoglobinabbau herrührt. Die Makrophagen sind weitgehend auf die rote Pulpa beschränkt. Färbung: Berliner Blau, Kernfärbung mit Kernechtrot; Vergr. 260-fach.

Zahlreiche mit Rußpartikeln beladene Makrophagen:Anthrakose\"\iMakrophagen in einem Ausschnitt aus dem Mark eines Hiluslymphknotens (Lunge, Mensch). Die Beladung des Lymphknotens mit schwarzen Rußpartikeln wird Anthrakose\"\iAnthrakose (anthrax = Kohle) genannt. Azan-Färbung; Vergr. 380-fach.

Viruseinschlüsse\"\iViruseinschlüsse. a: Viruseinschlüsse (➔) im Perikaryon von Nervenzellen (Spinalganglion einer Katze). Azan-Färbung; Vergr. 450-fach. b: Partikel von Herpesviren (➔) in Epidermiszellen eines Pinselohräffchens. ▶ im Extrazellulärraum gelegene Viruspartikel. Vergr. 50.000-fach.

Mikrotubulus\"\iMikrotubuli und Zentriol\"\iZentriolen. a: Mikrotubuli (▶) in einem Fibroblasten (Herz, Meerschweinchen). 1 Zellkern; 2 Golgi-Apparat; ➔ Zentriol mit assoziiertem dichtem Material. Vergr. 36.600-fach. b: Zentriolen in Längsrichtung (➔) in einem Fibroblasten der Dermis, Vergr. 30.000-fach.

Aufbau eines Mikrotubulus:Aufbau\"\iMikrotubulus. α- und β-Tubulin lagern sich zu Dimeren zusammen, die 13 lange Ketten (Protofilamente) des Mikrotubulus bilden.

Elemente des Zytoskelett:Elemente\"\iZytoskeletts. a: Ausschnitt aus einer Teilungsspindel einer Mitosefigur in einer Follikelepithelzelle im Ovar des Menschen. 1 Zentriol\"\iZentriol mit assoziiertem dichtem Material; 2 Mikrotubuli der Spindel; 3 Chromosom. Vergr. 27.000-fach. b: Terminales Netz (➔) unter dem Mikrovillisaum (1) in einer Epithelzelle des Dünndarms des Menschen. Das terminale Netz besteht u. a. aus Spektrin und Keratinfilamenten. Es steht mit den Zonulae adhaerentes (2) in Verbindung. In ihm sind die Aktinfilamentbündel der Mikrovilli verankert. Vergr. 17.000-fach.

Axonaler Transport:axonaler\"\iTransport. Wesentliche Motorprotein:axonaler Transport\"\iMotorproteine für den bidirektionalen Transport von Organellen entlang den Mikrotubuli in einem Axon sind Kinesin und Dynein.

Bündel von Aktinfilament:Endothel\"\iAktinfilamenten (1) im Endothel einer Venole im Harnleiter des Menschen. 2 Intermediärfilament:Endothel\"\iIntermediärfilamente (Vimentin:Endothel\"\iVimentinfilamente). Vergr. 50.000-fach.

Intermediärfilament\"\iFilament, intermediäres\"\iIntermediärfilamente. a: Gliafilamente (∗) in den dicht gepackten Astrozytenfortsätzen in der oberflächlichen Schicht der Großhirnrinde des Menschen. ➔ Glykogenpartikel. Vergr. 28.000-fach. b: Basale Epidermiszelle des Menschen mit kompakten Keratinfilamentbündeln (1). 2 Hemidesmosom:Epidermiszelle\"\iHemidesmosom; 3 Basallamina:Epidermiszelle\"\iBasallamina. Vergr. 66.600-fach.

Immunhistochemischer Nachweis von Zytokeratin Immunhistochemie:Zytokeratin 7\"\i7 (CK7:immunhistochemischer Nachweis\"\iCK7, Braunfärbung) in den Epithelzellen der Drüsenläppchen der nicht laktierenden Milchdrüse (Mensch). Vergr. 140-fach.

Immunhistochemischer Nachweis des Vimentin:Immunhistochemie\"\iImmunhistochemie:Vimentin\"\iVimentins (Rotfärbung) in hyalinen Knorpelzelle:Vimentinnachweis\"\iKnorpelzellen (Bronchus, Mensch). Vergr. 260-fach.

Immunhistochemischer Nachweis von Neurofilament:Nachweis\"\iImmunhistochemie:Neurofilament-Protein\"\iNeurofilamenten (Braunfärbung) in den Nervenzellfortsätzen zweier peripherer Nerven (∗). Haut des Menschen. Vergr. 260-fach.

Zellzyklus\"\iZellzyklus (Schema). Einzelheiten siehe Text.

Zellzyklus:Regulation\"\iRegulation des Zellzyklus. Zyklinabhängige Kinasen, ZyklineZykline, Zellzyklus\"\i und andere Proteine spielen wesentliche Rollen bei Kontrolle und Regulation des Zellzyklus. Der Komplex aus Zyklin B und Cdk1 wird MPF (M-Phase-Promoting-Factor)MPF (M-Phase-Promoting-Factor)\"\i genannt. Tyr = Tyrosin, Thr = Threonin, Cdk = zyklinabhängige Proteinkinase.

Lichtmikroskopie:Chromosomen\"\iChromosom:Lichtmikroskopie\"\iChromosomen und Lichtmikroskopie:Chromatin\"\iChromatin:Lichtmikroskopie\"\iChromatin im lichtmikroskopischen Präparat. a: Das sog. Sexchromatin\"\iSexchromatin (➔) entspricht einem der beiden X-Chromosomen der Frau. Es bleibt auch in der Interphase kondensiert, ist also Heterochromatin. Zu seiner färberischen Darstellung werden Abstriche z. B. von der Wangenschleimhaut auf Objektträgern angefertigt und mit einem Farbstoff behandelt, der die DNA spezifisch erfasst (z. B. Thionin oder das Leukofuchsin der Feulgen-Reaktion). Das Sexchromatin ist dann als diskretes, stärker gefärbtes Körperchen meist dicht an der Kernmembran erkennbar. Vergr. 960-fach. (Aus [S018]) b–h: Verschiedene Stadien der Karyokinese\"\iKaryokinese (= Kernteilung) mit entsprechenden Mitosestadien aus der Wurzelspitze eines Bohnenkeimlings (Vicia faba). (Aus [R252]). b: Mehrere dicht beieinanderliegende Zellen mit Kernen in unterschiedlichen Phasen der Mitose. In der oberen Zellreihe liegen rechts neben einer beginnenden Telophase (➔, vgl. Bild h) sowie links neben einer späten Metaphase (vgl. dazu Bild e) je 2 Zellen, die nur halb so groß wie die übrigen sind. Sie sind die beiden aus einer vollständig abgelaufenen Mitose hervorgegangenen Tochterzellen. Färbung: Eisenhämatoxylin; Vergr. 500-fach. c: Am unteren Bildrand 2 noch frühe Prophasen mit deutlich erkennbarem Nukleolus (➔), darüber eine Metaphase in Aufsicht. d: Von der Seite gesehene Metaphase mit Einstellung der Chromosomen in der Äquatorialebene des Zellleibes; in Aufsicht ergäbe sich das Bild des sog. Monasters, vgl. Bild c. Die „Fasern“ (= Mikrotubuli) der deutlichen Mitosespindel verbinden die Kinetochore (liegen am Zentromer) der Chromosomen mit den an die Zellpole gewanderten Zentriolen (hier nicht vorhanden, da Zellen höherer Pflanzen keine Zentriolen besitzen). e: Späte Metaphase\"\iMetaphase, von schräg seitlich gesehen und daher kein ideales Bild eines Monasters bietend. Vor allem bei der rechten unteren Teilungsfigur beginnen sich die beiden aus einem Chromosom durch identische Reduplikation hervorgegangenen Tochterchromatiden schon zu trennen (➔). Sie sind die definitiven Chromosomen der späteren Tochterzellen. f: Frühe Anaphase:Mitose\"\iAnaphase mit „Diaster“ (Tochterstern). Alle Chromosomen sind in ihre Chromatiden gespalten und diese mit ihrem Scheitel schon eine Strecke weit polwärts gezogen. g: Spätere Anaphase mit einer gerade erkennbaren und zwischen den Zellpolen verlaufenden Zentralspindel. h: Beginnende Telophase mit zunehmender Verklumpung der Chromosomen zu einer homogenen, stark färbbaren basophilen Masse: Die Zentralspindel ist noch gut erkennbar. Färbungen b–h: Eisenhämatoxylin; Vergr. c–h: 1.250-fach.

Stadien der Mitose:Stadien\"\iMitose. In der Mitose wird der verdoppelte Chromosomensatz:Mitose\"\iChromosomensatz auf 2 Tochterzellen verteilt. G- und S-Phasen sind Phasen des Zellzyklus, wobei die DNA-Synthese während der S-Phase (S = Synthese) stattfindet. 1 Nukleolus:Mitose\"\iNukleolus an Organisator-Region eines Chromosoms; 2 Kernhülle; 3 Zentrosom:Mitose\"\iZentrosom mit sich verdoppelnden Zentriolenpaaren und ausstrahlenden Mikrotubuli; 4 verdoppelte DNA; es entstehen „Doppelchromosomen“, die am Zentromer verbunden bleiben. Die beiden identischen Hälften der „Doppelchromosomen“ heißen Chromatide:Mitose\"\iChromatiden (Schwesterchromatiden); 5 kondensierte Chromatiden mit Zentromer (+ Kinetochor); 6 kontraktiler Schnürring; 7 Zytoplasmabrücke mit Mittelkörper.

(Aus [S010-1-16])

Mitoseapparat. Er besteht aus dem Zentrosom und der Teilungsspindel. Das Zentrosom setzt sich aus Zentriolen, MTOC und Astralmikrotubuli (verankern das Zentrosom an der Zellmembran) zusammen. Die Teilungsspindel besteht aus Kinetochormikrotubuli (setzen mit ihrem Plus-Ende an den Kinetochoren an) und interpolaren Mikrotubuli (sind nicht an den Chromosomen befestigt).

Mitosefigur\"\iMitosefiguren () in einem histologischen Routinepräparat. Nachweis in 2 Kolonkrypten, Kolon, Mensch. H. E.-H.E.-Färbung:Mitosefiguren\"\iFärbung; Vergr. 500-fach.

Mitosefigur\"\iElektronenmikroskopie:Mitosefiguren\"\iMitosefiguren in einer EM-Aufnahme. 1 kondensierte Chromosomen, vermutlich frühe Metaphase; 2 Mikrotubuli (Kinetochormikrotubuli) der Spindel. Ovar, Mensch, Follikelepithelzelle; Vergr. 20.700-fach.

Stamm- und Vorläuferzelle\"\iVorläuferzellen. Stammzelle\"\iStammzellen bilden 2 Tochterzelle\"\iTochterzellen, von denen die eine wieder eine Stammzelle wird und die andere in einen Differenzierungsweg eintritt, zu dem auch Vorläuferzellen gehören. Diese können sich noch mehrfach teilen, terminal differenzierte Zellen teilen sich nicht mehr.

Entwicklung verschiedener differenzierter Zellen aus embryonalen Stammzellen der Maus in Zellkultur. Verschiedene Faktoren spielen bei der Differenzierung eine Rolle.

Meiose\"\iMeiose und Mitose\"\iMitose im Vergleich. Nur jeweils eines der 23 mütterlichen und 23 väterlichen Chromosomen ist dargestellt. Die diploide Mutterzelle besitzt insgesamt 46 Chromosomen. Bei Meiose und Mitose ist der erste Schritt die DNA-Replikation, d. h., aus den mütterlichen und väterlichen Chromosomen entstehen Chromosomen mit je 2 Chromatide:Mitose\"\iChromatiden, also bei den 2 homologen Chromosomen insgesamt 4 Chromatiden. Bei der Mitose wird dieser verdoppelte Chromosomensatz:Mitose\"\iChromosomensatz nachfolgend wieder gleichartig auf die Tochterzellen verteilt, d. h., die Schwesterchromatiden aller Chromosomen werden getrennt. In der Meiose lagern sich zuerst die homologen Chromosomen zu Paaren zusammen, wobei Austauschvorgänge innerhalb dieser Homologenpaare stattfinden (Crossing Crossing over\"\iover), danach werden die homologen Chromosomen, die je aus 2 Chromatiden bestehen, getrennt. Am Ende der 1. Reifeteilung der Meiose besitzt jede Tochterzelle daher nur den halben Chromosomensatz (also insgesamt nur 23 Chromosomen). In der 2. Reifeteilung (ohne S-Phase) der Meiose werden die 2 Schwesterchromatiden der Chromosomen getrennt (analog zur Mitose).

Apoptotischer Zellkern:apoptotischer\"\iZellkern (kräftig braun gefärbt, ➔) im Epithel der laktierenden Milchdrüse des Afrikanischen Elefanten (Loxodonta africana). TUNEL-Reaktion; Vergr. 460-fach.

Apoptotische, zerfallende Zellkerne () in den ausgereiften Zellen einer Talgdrüse des Menschen. H. E.-Färbung; Vergr. 500-fach.

Experimentell erzeugte apoptotische Zelle:apoptotische\"\iZellen (➔) im Kryptenepithel des Dünndarms in einer Transmissionselektronenmikroskopie:Apoptose\"\itransmissionselektronenmikroskopischen Aufnahme (Präparat Dr. Tim Nebelsiek, München). Maus; Vergr. 4.500-fach.

Wege zur Apoptose (programmierter Zelltod). Verschiedene molekulare Wege können zur Apoptose führen. a: Eine virusbefallene Zielzelle wird von einem zytotoxischen T-Lymphozyten angegriffen, der Perforinmoleküle (bilden einen Kanal in der Membran der Zielzelle) und Proteasen freigesetzt, die in die Zielzelle eindringen. Hier aktivieren sie das Protein Bid, das zur Freisetzung von Cytochrom C aus Mitochondrien beiträgt. Cytochrom C aktiviert die Caspasenkaskade, die zur Apoptose führt. b: Eine virusbefallene Zielzelle exprimiert einen Todesrezeptor an ihrer Oberfläche (Fas), der durch Bindung des Fas-Liganden an der Oberfläche eines zytotoxischen T-Lymphozyten aktiviert wird. Daraufhin wird die Caspasenkaskade in Gang gesetzt, die zur Apoptose führt.

AdhäsionskontakteAdhäsionskontakte.Zonula:adhaerensVinculin:AdhäsionskontaktePunktdesmosomMacula:adhaerensHemidesmosomFokalkontaktFilament, intermediäres:AdhäsionskontakteDesmosomAktinfilament:AdhäsionskontakteAdhäsionsmolekül

Tab. 2.1
Typ Alternative Bezeichnung Typ Adhäsionsmolekül Proteine in der Plaque
Adhäsionskontakte mit Aktinfilamenten in der Plaque
Zonula adhaerens gürtelförmiger Zell-Zell-Kontakt Cadherine (meist E-Cadherine, Abb. 2.23) α-Aktinin, Vinculin, α- und β-Catenine, p120-Catenin
Punktdesmosom Typ-II-Desmosom, Punctum adhaerens punktförmiger Zell-Zell-Kontakt Cadherine
Fokalkontakt fokaler Kontakt punkt- oder streifenförmiger Zell-Matrix-Kontakt Integrine Talin, Vinculin und α-Aktinin
Adhäsionskontakte mit intermediären Filamenten in der Plaque
Desmosom Macula adhaerens, Typ-I-Desmosom punktförmiger Zell-Zell-Kontakt nicht klassische Cadherine: Desmoglein und Desmocollin (Abb. 2.24) Plakoglobin (= γ-Catenin), Desmoplakine, Plakophilin u. a.
Hemidesmosom Verbindung zwischen Zelle und Basallamina Integrin α6β4 und Kollagen Typ XVII (Abb. 2.25) Plektin, Dystonin

Zelle

U. Welsch

  • 2.1

    Zellmembran (= Plasmamembran)17

    • 2.1.1

      Aufbau und Funktion17

    • 2.1.2

      Differenzierungen der Zelloberfläche21

    • 2.1.3

      Endozytose und intrazellulärer vesikulärer Transport25

    • 2.1.4

      Zelladhäsionsmoleküle und Zellkontakte28

  • 2.2

    Zellkern (Nukleus)35

    • 2.2.1

      Kernhülle35

    • 2.2.2

      Chromatin38

    • 2.2.3

      Nukleolus41

    • 2.2.4

      Kernmatrix42

  • 2.3

    Zytosol42

  • 2.4

    Zellorganellen43

    • 2.4.1

      Ribosomen43

    • 2.4.2

      Endoplasmatisches Retikulum (ER)44

    • 2.4.3

      Golgi-Apparat46

    • 2.4.4

      Lysosomen – Endosomen48

    • 2.4.5

      Multivesikuläre Körper52

    • 2.4.6

      Proteasomen52

    • 2.4.7

      Anulierte Lamellen53

    • 2.4.8

      Peroxisomen53

    • 2.4.9

      Mitochondrien54

    • 2.4.10

      Melanosomen56

  • 2.5

    Zelleinschlüsse57

    • 2.5.1

      Glykogenpartikel57

    • 2.5.2

      Intrazelluläre Fetttropfen57

    • 2.5.3

      Kristalline Einschlüsse59

    • 2.5.4

      Pigmentierte Zellstrukturen59

  • 2.6

    Zytoskelett61

    • 2.6.1

      Mikrotubuli, Zentrosom und Zentriolen61

    • 2.6.2

      Aktinfilamente (Mikrofilamente)64

    • 2.6.3

      Intermediärfilamente65

    • 2.6.4

      Myosin67

    • 2.6.5

      Spektrin67

  • 2.7

    Zellzyklus und Stammzellen67

    • 2.7.1

      Zellzyklus67

    • 2.7.2

      Stammzellen und Tochterzellen74

  • 2.8

    Meiose75

  • 2.9

    Allgemeine Anpassungen von Zellen, Zelltod78

    • 2.9.1

      Zellanpassungen78

    • 2.9.2

      Zelltod78

ZelleZellen sind die Grundbausteine aller Gewebe und Organe des Menschen und aller anderen Organismen. Die ersten Zellen entstanden vor ca. 3,5 Milliarden Jahren und waren kleine, oft nur wenige Mikrometer große prokaryotische Zellen, die schon eine Zellmembran und ein einfach strukturiertes Zytoplasma, aber noch keinen Kern und keine intrazellulären Membransysteme besaßen. Beispiele für solche Zellen bieten die Archäen und Eubakterien, die noch heute sehr erfolgreich existieren. Vor ca. 1,5 Milliarden Jahren entstanden aus prokaryotischen eukaryotische Zellen (Euzyten), zu denen auch die Zellen des Menschen zählen.

Prokaryotische Zellen
CharakteristikaZelle:prokaryotischeProkaryot:CharakteristikaProkaryoten, wie z. B. die Bakterien:CharakteristikaBakterien, sind kleine, einzellige Organismen. Der Zelltyp, aus dem sie aufgebaut sind, wird prokaryotische Zelle oder ProtozyteProtozyte genannt. Die prokaryotischen Zellen sind typischerweise viel kleiner als eukaryotische Zellen, sie sind oft nur 1–2 μm, vereinzelt aber auch über 10 μm lang. Ihre Gestalt ist rundlich, oval, stäbchen- oder spiralförmig (Abb. 2.1). Sie leben meist als Einzelindividuen oder in nur locker strukturierten Verbänden. Sie vermehren sich durch Zellteilung. Sie können bemerkenswerterweise ganze Pakete von Genen – oft mit Virulenzgenen – abgeben und/oder aufnehmen (horizontaler Gentransfer). Ihre Zell-(Plasma-)membran ist eine typische Biomembran (Kap. 2.1) Ihr Zytoplasma ist ein einheitlicher Verkehrsraum, membranbegrenzte Organellen und ein Zellkern fehlen.
ZellwandZellwandProkaryot:ZellwandBakterien:ZellwandEine Besonderheit und ein wichtiges Merkmal der Bakterien ist ihre feste Zellwand. Sie liegt außerhalb der Zellmembran, die, wie bei den Eukaryoten, aus einer Phospholipiddoppelschicht und Proteinen besteht. Die Zellwand ist komplex gebaut und schützt die hyperosmolare Zelle vor dem Zerplatzen. Der unterschiedliche Aufbau der Zellwand hilft, im Großen und Ganzen 2 Typen von Bakterien zu unterscheiden: grampositive und gramnegative Bakterien (benannt nach H. C. Gram, 1853–1938, einem dänischen Arzt und Bakteriologen):
Zellwand:GramfärbungGramfärbung, ZellwandGrampositive Bakterien:grampositiveBakterien (z. B. Streptokokken, Staphylokokken) haben eine relativ dicke Zellwand (20–80 nm), die aus vernetzten Peptidoglykanen (= Mureinschicht) besteht und außen eine Teichoinsäurekomponente tragen kann. Zwischen der Zellwand und der Zellmembran befindet sich ein sehr schmaler periplasmatischer Spaltraum, der das Periplasma enthält. Ganz außen ist bei einigen Formen noch eine dicke Polysaccharidkapsel ausgebildet. Grampositive Bakterien färben sich mit der Gram-Färbung blau-violett.
Gramnegative Bakterien:gramnegativeBakterien (z. B. E. coli, Salmonellen, Vibrionen, Campylobacter, Helicobacter und Spirochäten) haben außerhalb ihrer Zellmembran (= „innere Membran“) einen relativ breiten periplasmatischen Raum, in dem sich außen eine schmale (ca. 1–2 nm dicke) Peptidoglykanschicht, die Zellwand, befindet. Außen wird diese Zellwand von einer bemerkenswerten zweiten Membran begrenzt, die einer Biomembran ähnelt und „äußere Membran“ genannt wird und die, wie die äußere Mitochondrienmembran, Porine enthält. Das innere Blatt dieser äußeren Membran besteht aus Phospholipiden, das äußere Blatt besteht dagegen zum größten Teil aus einem einzigartigen glykosilierten Lipid, dem LipopolysaccharidLipopolysaccharid (LPS), das auch Endotoxin genannt wird. Es ist kein Sekretionsprodukt der Bakterienzelle – sekretorisch abgegebene Toxine werden Exotoxine genannt. Auch die Wand vieler gramnegativer Bakterien kann eine Polysaccharidkapsel ausbilden, z. B. bei Meningokokken. Die Zellmembran kann Pili, ZellwandPili (= Fimbrien, ZellwandFimbrien) bilden, die der Adhäsion an Wirtszellen dienen. Gramnegative Bakterien färben sich nicht mit der Gram-Färbung an, lassen sich aber mit anderen Färbungen darstellen.
Darüber hinaus sind z. B. Mykobakterien, die Erreger von Tuberkulose (Abb. 2.1b) und Lepra, außerhalb ihrer Peptidoglykanschicht mit Zuckerpolymeren und Lipiden umhüllt. Andere Bakterien sind mithilfe von (1 oder 2 oder vielen) Flagellen, BakterienFlagellen beweglich: Flagellen sind ganz anders aufgebaut als die Kinozilien der Eukaryoten. Sie bestehen aus sich wiederholenden Untereinheiten des Proteins Flagellin und bilden damit ein festes helikales Filament, das über ein hakenförmiges Verbindungsstück in einem sehr komplexen scheibenförmigen Aggregat aus Proteinen verankert ist. Dieses Aggregat funktioniert wie ein Motor, der die Flagellen ca. 100-mal pro Sekunde rotieren lässt.

Klinik

Zellwand und Flagellen sind z. T. aus Molekülen aufgebaut, die in Euzyten nicht vorkommen und die vom menschlichen Immunsystem als fremd erkannt werden. Die Zellwand der Bakterien kann durch Antibiotika destabilisiert werden, wodurch die Bakterien geschwächt werden oder absterben.

ZytoplasmaDasZytoplasma:ProkaryotZytoplasma:BakterienProkaryot:Zytoplasma Bakterien:ZytoplasmaZytoplasma ist einfach strukturiert, in ihm laufen alle Stoffwechselwege ab. Es enthält keinen Zellkern, keine Organellen (bis auf zahlreiche Ribosomen) und kein (typisches) Zytoskelett (Abb. 2.1c). Prokaryoten haben aber dynamische Proteine, die denen des Zytoskeletts der Eukaryoten homolog sind. Viele Bakterien haben z. B. ein Protein (FtsZ), das dem Tubulin homolog ist und das dort, wo sich bei der Zellteilung ein Septum bildet, zu einem ringförmigen Filament (dem Z-Ring) polymerisieren kann. Außerdem gibt es Proteine, die dem Aktin und den Komponenten der Intermediärfilamente homolog sind. Es gibt oft peripher gelegene dunklere, ribosomenreiche Bezirke und meist innen gelegene helle Bereiche, in denen die DNA vorkommt, die ein einziges (selten 2), meist ringförmiges Chromosom bildet. Das Zytoplasma enthält alle lebensnotwendigen Makromoleküle wie DNA, RNA und Proteine und alle kleineren Moleküle wie Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren.
GenomDas Genom besteht meist aus 1.000–6.000 Genen, die aus 106 bis 107 Nukleotidpaaren aufgebaut sind.
In funktionell-biochemischer Hinsicht sind Bakterien und andere Prokaryoten außerordentlich vielseitig und an zahlreiche, auch extreme Lebensräume angepasst. Diese zahllosen molekularen Anpassungen machen sie seit Beginn des Lebens auf der Erde zu den eigentlich erfolgreichsten Organismen, die die Evolution hervorgebracht hat.
Eukaryotische Zellen
Eukaryotische Zelle:eukaryotischeEukaryotZellen sind viel größer als prokaryotische Zellen und haben eine Zellmembran (= Plasmamembran), einen Kern, der die DNA enthält, und das ZytoplasmaZytoplasma:Eukaryot. Eukaryot:ZytoplasmaDas Zytoplasma besteht aus ZytosolZytosol, hochdifferenzierten Membransystemen, die die Zellorganellen und die Kernhülle aufbauen, Zelleinschlüssen und dem Zytoskelett (Abb. 2.2). Eukaryote Zellen kommen bei Pflanzen, Pilzen und Tieren vor. Der Körper des erwachsenen Menschen besteht aus insgesamt ca. 1013 Zellen. Größe, Binnenstruktur, Kernmorphologie und Gestalt der mehr als 200 Zelltypen variieren erheblich (Abb. 2.3, Abb. 2.4, Abb. 2.5, Abb. 2.6), was diagnostisch hilfreich ist und im Allgemeinen gut mit der jeweiligen Funktion korreliert werden kann.

Zellmembran (= Plasmamembran)

Zur Orientierung

Eine eukaryotische Zelle wird von einer Eukaryot:ZellmembranZellmembran (Plasmamembran) gegen ihre Umgebung abgegrenzt. Diese Membran ist im Wesentlichen eine hauchdünne filmähnliche Schicht aus Lipiden und Proteinen. Proteine in der Membran bilden Ionenkanäle, Transporter, Membranpumpen, Rezeptorproteine, Wasserkanäle und Zelladhäsionsproteine; Membranlipide bilden eine flexible Doppelschicht. Außen wird die Membran von einer Glykokalyx bedeckt. Mit dem unmittelbar angrenzenden Zytoplasma bildet die Zellmembran Kinozilien, primäre Zilien, Mikrovilli, Mikroplicae, Invaginationen und verschiedene Endozytosebläschen.

Zellen haften mittels der in der Membran verankerten Zelladhäsionsmoleküle aneinander (z. B. durch Cadherine) und an der Bindegewebsmatrix (v. a. durch Integrine). Spezielle Zellkontakte sind Adhärenskontakte, Nexus und Zonulae occludentes.

Die Zellmembran vermittelt über Transportstrukturen Kontakt und Austausch zwischen dem Zytoplasma einer Zelle und ihrer Umwelt. Sie ist selektiv permeabel und enthält Erkennungsstrukturen für Signale aus der Umgebung sowie Strukturen für die Signalleitung. Lösliche Stoffe, Partikel, Bakterien und Flüssigkeit können in die Zellen aufgenommen, durch- und wieder ausgeschleust werden.

Die Zellmembran hat ihren Ursprung vermutlich in einer primitiven Phospholipiddoppelschicht, die schon bei den Vorstufen der Prokaryoten, den Protobionten, vorkam. Sie war Voraussetzung für die Entstehung eines ursprünglichen Stoffwechsels in einem definierten Reaktionsraum.

Aufbau und Funktion

Die Plasmamembran ist eine typische Biomembran und ca. 5–8 nm dick; sie besteht typischerweise zu 45 % aus Lipiden, zu 45 % aus Proteinen und zu 10 % aus Kohlenhydraten.
Lipide
Phospholipide
Die Lipide sind ganz überwiegend amphiphile Phospholipide, die eine Phospholipiddoppelschicht (Phospholipid-Bilayer) bilden; die polaren (hydrophilen) Anteile der Phospholipide (die „Köpfe“) weisen nach außen und sind der wässrigen Umgebung im intra- und extrazellulären Raum zugewandt; die nichtpolaren (hydrophoben) Anteile (jeweils 2 „Schwänze“) weisen ins Innere der Membran. Die Schwänze sind aus Fettsäuren aufgebaut, ein Schwanz kann einen leichten „Knick“ bilden, wenn er eine oder mehr cis-Doppelbindungen enthält, also ungesättigt ist, ein gestreckter Schwanz besteht dagegen aus gesättigten Fettsäuren (Abb. 2.7).Plasmamembran:LipideLipide:ZellmembranPhospholipide:ZellmembranZellmembran:LipideZellmembran:Phospholipide
Plasmamembran:PhospholipideAufbau und AsymmetrieDie Zellmembran ist also immer eine Phospholipiddoppelschicht und besteht aus 2 Einzelschichten, die auch Membranblätter oder Phospholipid-Monolayer genannt werden. Die zur Umgebung der Zelle weisende Schicht wird „externe Seite“ (extraplasmatische Seite, E-Seite, äußeres Blatt), ihre dem Zytoplasma anliegende Schicht wird „protoplasmatische“ oder „zytoplasmatische Seite“ (P-Seite, inneres Blatt) genannt (Abb. 2.8, Abb. 2.9). Die beiden Schichten haben immer unterschiedliche strukturelle und funktionelle Eigenschaften, sind also asymmetrisch. Glykolipide finden sich nur im äußeren Blatt der Membran, negativ geladene Phospholipide nur im inneren Blatt.
FunktionDie Zellmembran trennt 2 wasserreiche Kompartimente, den Extra- und den Intrazellulärraum, d. h. die Umwelt einer Zelle von ihrem Inneren. Sie ist stabil und zugleich flexibel, und sie ist dynamisch und ihre Komponenten sind überwiegend mobil. Diese vielseitigen Eigenschaften werden mit dem englischen Begriff „fluid“ („fluide“, flüssig) bezeichnet. Die Phospholipide können sich in der Membran nach lateral ausbreiten (laterale Diffusion), sie können um ihre Längsachse rotieren (Rotation), die nichtpolaren Molekülschwänze können zur Seite schwenken (Flexion), und selten können sie sogar von einer Membranschicht zur anderen wechseln (transversale Diffusion). Die Membran wird insgesamt modellhaft auch als „flüssiges Mosaik“ Mosaik, flüssigesbezeichnet. Das Ausmaß der Fluidität hängt von der Temperatur und der Lipidzusammensetzung ab. Die Zellmembran vermittelt auf verschiedene Weise, z. B. über Transportproteine (s. u.), Kontakt und Austausch zwischen dem Zytoplasma einer Zelle und ihrer Umwelt. Sie ist selektiv permeabel und enthält Erkennungsstrukturen für Signale aus der Umgebung sowie Strukturen für die Signalleitung. Lösliche Stoffe, Partikel und Flüssigkeit können in die Zellen aufgenommen, durch- und wieder ausgeschleust werden. Membranlipide können eine Rolle bei der Regulierung des Zytoskeletts spielen, saure Phosphoinositide z. B. beeinflussen die Polymerisierung des Aktins.
Biomembranen kommen verbreitet auch im Zytoplasma vor und begrenzen dort die typischen Zellorganellen. Sie sind so am Aufbau vieler unterschiedlicher Kompartimente (funktionell und strukturell charakterisierte Räume in der Zelle) im Zytoplasma beteiligt. Sie stammen vermutlich von der Plasmamembran ab und besitzen meistens eine eigene, z. T. sehr spezielle Lipidzusammensetzung. Wie die Zellmembran sind die intrazellulären Membransysteme Barrieren, besitzen aber auch Strukturen des Stofftransports, der Signalerkennung und der Signalverarbeitung.
MembranflussMembranbegrenzte MembranflussOrganellen können über mobile Vesikel miteinander in Kontakt treten. Intrazelluläre membranbegrenzte Vesikel (z. B. Sekretionsgranula) können mit der Zellmembran verschmelzen. Die Dynamik zwischen verschiedenen Organellen und ihren Membranen und zwischen Organellen und Zellmembran wird auch durch den Begriff „Membranfluss“ gekennzeichnet.
Cholesterin, Glykolipide
Zusätzlich zu den Phospholipiden enthält die Lipiddoppelschicht Cholesterin und Glykolipide (Abb. 2.7). Zusammengehalten werden die Membranlipide durch nichtkovalente Bindungen.
Glykolipide:ZellmembranCholesterin:ZellmembranCholesterinCholesterin (engl. cholesterol) ist auch ein amphiphiles Molekül, das am Zusammenhalt der Phospholipide beteiligt und wesentlich für die Membranfluidität ist: Bei 37 °C verhindert es eine zu hohe und bei niedrigen Temperaturen eine zu niedrige Fluidität. Der Gehalt an Cholesterin in den Plasmamembranen der Eukaryoten ist sehr hoch und kann bis zu 20 % der Membranlipide ausmachen, oft kommt ein Cholesterinmolekül auf ein Phospholipidmolekül.
GlykolipideGlykolipide machen nur ca. 2 % der Membranlipide aus. Sie tragen nach außen weisende Zuckerketten, die am Aufbau der Glykokalyx (s. u.) beteiligt sind, Beispiele sind Zerebroside und Ganglioside, die in den Membranen von Nervenzellen besonders häufig sind.
Lipid RaftsIn Lipid Raftsden Membranen vieler Zellen wurden Regionen beschrieben, die besonders reich an Cholesterin und Glykolipiden sind (engl. lipid rafts, schwimmende Lipidinseln), hier finden sich bevorzugt Membranproteine mit einem Lipidanker; auch die Membranen von Kaveolen (Kap. 2.1.3) entsprechen solchen cholesterinreichen Lipidinseln.
DurchlässigkeitDie Lipiddoppelschicht ist undurchlässig für größere polare Moleküle, z. B. Glukose, Ionen, Zwitterionen und Proteine. Kleine polare Moleküle, z. B. Wasser, Harnstoff und Glyzerin, passieren die Membran relativ ungehindert. Kleine gasförmige Moleküle wie O2, CO2 und eine Reihe kleinerer lipidlöslicher Substanzen, z. B. Steroide und Thyronine (Schilddrüsenhormone), können leicht durch die Lipiddoppelschicht hindurchdiffundieren.
Membranproteine
Membranproteine sind für die meisten spezifischen Funktionen der Membran verantwortlich (Abb. 2.10):
  • Zellmembran:ProteinePlasmamembran:ProteineMembranproteinIntegrale Membranproteine sind fest in die Lipiddoppelschicht eingebaut, die meisten von ihnen sind Transmembranproteine. Diese erstrecken sich über beide Lipidschichten und besitzen hydrophile Anteile sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite der Membran. Die meisten Transmembranproteine durchqueren die Membran mit einer („single-pass transmembrane proteins“) oder mehreren („multipass-transmembrane proteins“) α-Helices. Sie haben vielfältige Funktionen.

  • Periphere Membranproteine sind der Membran außen oder innen angelagert. Die innen liegenden Proteine verankern die Transmembranproteine am Zytoskelett.

  • Lipidankerproteine sind eine eigene Gruppe von Proteinen, die der Membran außen und innen anliegen können und über Lipidketten in ihr verankert sind. Zu ihnen gehören z. B. die G-Proteine.

Klinik

Bei einem genetisch bedingten Defekt des Proteins 4.1 oder der ihm angelagerten Proteine α-Ankyrin bzw. Spektrin haben die Erythrozyten nicht ihre normale bikonkave Form, sondern eine mehr oder weniger kugelige (Kugelzellen, Sphärozyten) oder elliptische Gestalt (Elliptozytose). Folge ist eine Anämie (Kap. 4.1).

Sphärozyt\bErythrozyt:MembranproteindefektKugelzelleIonenkanäleIonenkanäle Zellmembran:IonenkanalPlasmamembran:IonenkanalIonenkanal, Zellmembransind Proteine mit mehreren α-Helices, die tunnelförmige Gebilde mit hydrophilem Lumen aufbauen. Diese Kanäle lassen Ionen (Na+, K+, Ca2+, Cl u. a.) sehr schnell durch die Membran passieren und sind dabei teilweise hochselektiv. Sie sind nicht ständig offen:
  • Ligandengesteuerte Ionenkanäle öffnen sich nach Bindung eines Signalmoleküls.

  • Spannungsgesteuerte Ionenkanäle öffnen sich bei Änderung des elektrischen Potenzials der Membran.

  • Ionenkanäle in der Membran von Sinneszellen können sich durch mechanische Stellungsänderungen der Sinneshaare öffnen und schließen. Solche Kanäle werden auch mechanosensitive Kanäle oder Mechanotransduktionskanäle genannt, kommen ebenso auf druckempfindlichen Zellen vor und spielen gleichfalls bei der Propriozeption eine Rolle.

Klinik

Bei der zystischen Fibrose (Mukoviszidose) ist ein großes, komplex gebautes Transmembranprotein defekt. Dieses CFTR-Protein, das in der Zellmembran vieler Epithelien enthalten ist, bildet normalerweise einen Chloridkanal und reguliert andere Ionenkanäle. Sein Defekt verursacht je nach Organ unterschiedliche Symptome: chronische Atemwegserkrankungen mit zähem, sekundär eitrigem Schleim, Insuffizienz des exokrinen Pankreas, intestinale und urogenitale Funktionsstörungen, gestörte Schweißdrüsenfunktion.

Mukoviszidose:MembranproteindefektFibrose, zystische:MembranproteindefektZelladhäsionsmoleküleZelladhäsionsproteine (Zelladhäsionsmoleküladhäsive Proteine, „cell adhesion molecules“, CAMs)CAM (cell adhesion molecules) sind Transmembranproteine, die Zellen mit ihren Nachbarzellen oder mit der umgebenden Matrix verbinden (Abb. 2.20, Abb. 2.21). Sie sind Bestandteile von Zellkontakten, können aber auch außerhalb von ihnen vorkommen. Beispiele sind Cadherine, deren Cadherine:ZelladhäsionsmolekülFunktion kalziumabhängig ist, Integrine und Adhäsionsmoleküle der Immunglobulinsuperfamilie.
AquaporineAquaporine (AQPs) Aquaporin:Zellmembranproteinesind Kanalproteine in der Membran verschiedener Zelltypen, z. B. in Epithelzellen (u. a. Sammelrohre des Nierenmarks, Endothelzellen, Abb. 2.11), Muskelzellen und Astrozyten. Sie kommen in unterschiedlichen Zelltypen in verschiedenen Subtypen vor (AQP 1, 2 usw.). Primär sind sie Monomere, lagern sich aber wohl immer zu Tetrameren zusammen. Aquaporine transportieren in Euzyten nur Wasser: Etwa 109 Wassermoleküle können pro Sekunde einen Aquaporinkanal passieren. In einer Sammelrohrepithelzelle der Niere kommen ca. 10 Millionen solcher Kanäle vor. Aquaporine werden durch HgCl2 spezifisch gehemmt.
Transporter (Transportproteine, Carrierproteine)DiesePlasmamembran:Transporter Zellmembran:TransporterZellmembran:CarrierTransporter, ZellmembranPlasmamembran:CarrierCarrier:ZellmembranTransmembranproteine befördern kleine hydrophile Moleküle (z. B. Zucker, Aminosäuren) „bergab“, also von einer höheren zu einer niedrigeren Konzentration (Abb. 2.11). Der Transport erfordert keine Energie, weshalb man von passivem Membrantransport spricht. Stoffe können allein (Uniport) oder Uniportzu zweit (Co-Transport) Co-Transporttransportiert werden. Werden 2 Stoffe in der gleichen Richtung transportiert, spricht man von Symport, beim SymportTransport in entgegengesetzter Richtung von Antiport. Beim AntiportCo-Transport folgt ein Partner „bergab“ einem Gradienten, den die Zelle an anderer Stelle mit einer Pumpe aufrechterhält. Die Energie, die in diesem Gradienten steckt, dient dazu, den anderen Partner „bergauf“ zu befördern (sekundärer aktiver Transport).
MembranpumpenMembranpumpen sind Membranpumpewie Transporter Transmembranproteine, transportieren Ionen aber „bergauf“, also gegen einen Konzentrationsgradienten. Dieser Transport verbraucht Energie (sog. primär aktiver Transport), die durch Hydrolyse von ATP entsteht. Da die Membranpumpen das ATP selbst spalten, sind sie nicht nur Pumpen, sondern auch Enzyme und werden deshalb auch Transport-ATPasen genannt (Abb. 2.11). Ein Beispiel ist die Na+-K+-ATPase (Na+-K+-Pumpe), die ubiquitär verbreitet und Motor für viele Transportvorgänge ist. Die Na+-K+-Pumpe sorgt dafür, dass die Natrium- und Kaliumionen differenziell zwischen Extra- und Intrazellulärraum verteilt bleiben. In einem Pumpzyklus befördert sie 3 Natriumionen nach außen und 2 Kaliumionen nach innen. In einer Sekunde kommt es zu ca. 2.000 Pumpzyklen, wobei ca. 104 Ionen befördert werden. Andere wichtige Pumpen sind die H+-K+-ATPase, die H+-ATPase und die Ca2+-ATPase. Die Bedeutung solcher Pumpen wird klar, wenn man weiß, dass die meisten Zellen etwa 50 % ihrer ATP-Produktion für Pumpvorgänge aufwenden.
RezeptorproteineRezeptorproteine binden Rezeptorproteineein spezifisches extrazelluläres Signalmolekül, z. B. ein Hormon, das eine bestimmte zelluläre Reaktion auslöst. Manche dieser Rezeptormoleküle sind an G-Proteine gekoppelt. Der Wirkstoff, der an den Rezeptor bindet, wird Ligand genannt.
Membrangebundene MotorproteineEin Motorprotein:membrangebundenesBeispiel ist das Myosin I (Kap. 2.6.4), das eine reversible Verbindung zwischen Innenseite der Membran und Aktinfilamenten bildet. Dadurch entsteht die Möglichkeit, Aktinfilamente an der Membran zu verspannen (in Mikrovilli) oder die Zellmembran relativ zum Zytoskelett im Zellinneren zu verschieben (z. B. an der Front wandernder Leukozyten).
Glykokalyx
Viele Membranproteine tragen Oligosaccharidketten, die mehr oder weniger weit in den Extrazellulärraum ragen (Abb. 2.9) und die Zelle insgesamt dicht mit Zuckerkomponenten bedecken. Manche dieser Zuckerketten tragen negative elektrische Ladungen. An der apikalen Membran von Epithelzellen ist die Glykokalyx besonders hoch, auf Endothelzellen kann sie sogar höher als die Zelle selbst sein. Die Zuckerketten gehen nicht nur von Glykoproteinen, sondern auch von Glykolipiden oder Proteoglykanen (Muzinen) der Zellmembran aus.
Die GlykokalyxFunktionen der Glykokalyx sind vielfältig:
  • Die Oligosaccharidketten schützen die Zelloberfläche und machen sie für viele spezifische Zell-Zell-Interaktionen besonders geeignet. Das ist z. B. bei der Lymphozytenrezirkulation (Kap. 4.2.2) und dem Anhaften von Leukozyten am Endothel von Venolen bei Entzündungen wichtig.

  • An der Oberfläche der Dünndarmepithelzellen bindet die Glykokalyx Wasser und erleichtert damit die Resorption vieler Nährstoffe.

  • Manche Zuckergruppen dienen als Anheftungspunkt für sog. zuckerbindende Proteine (Lektine). Zu ihnen zählen z. B. die Selektine (Kap. 2.1.4).

Membranskelett
Unter der Zellmembran findet sich bei allen Euzyten ein feines Netzwerk aus Aktinfilamenten und einigen assoziierten Proteinen. Dieses relativ feste, aber flexible Netzwerk bildet den sog. Zellkortex und ist mit der Zellmembran verknüpft. Es ist – z. T. gemeinsam mit Myosin vom Typ VI – verantwortlich für die Zellgestalt und ihre Flexibilität. Die Entstehung dieses Aktinnetzes hat es den Euzyten ermöglicht, die starre Zellwand der Prokaryoten aufzugeben und zu motilen Predatoren (Räubern) zu werden.

Differenzierungen der Zelloberfläche

Die Zellmembran ist an der Bildung folgender Oberflächendifferenzierungen beteiligt: Kinozilien, Mikrovilli, Stereozilien, Mikroplicae, Invaginationen und Caveolae.Zellmembran:SkelettPlasmamembran:SkelettMembranskelett
Kinozilien
Kinozilien (Zilien) sind bewegliche, feine, haarförmige Zellfortsätze (Abb. 2.12a). Beim Menschen sind sie meist ca. 5 μm lang; der Spermienschwanz, ein spezielles Kinozilium, ist ca. 50 μm lang. Pro cm2 Oberfläche menschlicher Bronchien stehen ca. 109 Kinozilien. Sie gehören vermutlich zur Grundausstattung der eukaryoten Zelle. Die kinozilientragenden Zellen sind so strukturiert, dass die Kinozilien nur in eine Richtung schlagen.

Vorkommen

Epithel der Atemwege, Epithel der Tuba uterina, Epithel der Ductuli efferentes (Nebenhoden), Ependym, Spermien.

Kinozilie
Zellmembran:KinozilienPlasmamembran:KinozilienFunktionEinzellern und Spermien dienen Kinozilien als Fortbewegungsorgan, an der Oberfläche von Epithelien bewegen sie Flüssigkeits- oder Schleimfilme. Der Bewegungsablauf einer typischen Zilie dauert ca. 0,1–0,2 s und besteht aus einem kraftvollen Vorwärtsschlag in gestrecktem Zustand, der die Flüssigkeit bewegt, und einem Rückwärtsschlag, bei dem sich die Zilie krümmt und in die Ausgangsposition zurückkehrt.
AxonemaIm Inneren Axonemader Zilien befindet sich ein regelhaft angeordnetes System von Mikrotubuli mit assoziierten Proteinen, das insgesamt als Axonema bezeichnet wird:
  • Die Mikrotubuli (Kap. 2.Mikrotubulus:Kinozilien6.1) bilden in der Peripherie einen Ring aus 9 Doppeltubuli und im Zentrum ein Paar von Einzeltubuli. Diese universell verbreitete Anordnung wird 9 + 2-Muster genannt (Abb. 2.12c). Die eng verbundenen peripheren Doppeltubuli bestehen aus einem vollständigen A-Tubulus, der aus A-Tubulus13 Untereinheiten aufgebaut ist, und einem unvollständigen B-Tubulus, der B-Tubulushalbmondförmig am A-Tubulus befestigt ist und aus 11 Untereinheiten besteht. Die 2 getrennten zentralen Mikrotubuli sind jeweils vollständig (Abb. 2.13). Zilien können auch Rezeptorstrukturen sein; so ist z. B. das Außenglied der Lichtsinneszellen ein modifiziertes Zilium. Solchen Sinneszilien fehlen oft die 2 zentralen Mikrotubuli (9 + 0-Muster).

  • Das Plusende der Mikrotubuli liegt distal in der Zilienspitze, das Minusende liegt proximal. Entlang der peripheren Mikrotubuli findet mithilfe von Motorproteinen ein Motorprotein:Mikrotubuluslebhafter Transport statt, Kinesin transportiert zur Zilienspitze, Dynein zur Basis der Zilie.

  • An den Doppeltubuli finden sich verschiedene assoziierte Proteine, die (1) den peripheren Ring insgesamt zusammenhalten (Nexin), (2) die Kraft für die Zilienbewegung erzeugen und (3) die Form der Bewegung kontrollieren. Das wichtigste dieser assoziierten Proteine ist das ziliäre Dynein, das Dynein:Kinozilienregelmäßig entlang der Doppeltubuli vorkommt. Dieser große Proteinkomplex (ca. 2.000.000 D) aus ca. 10 Polypeptidketten ist mit seinem Schwanz im A-Tubulus verankert, während sich sein Kopf reversibel mit dem B-Tubulus verbindet, der im Uhrzeigersinn am nächsten liegt. Am Dyneinkopf ist dabei ATP gebunden, das hydrolysiert wird. Dadurch bewegt sich der Kopf zum Minusende des benachbarten Doppeltubulus und würde damit bewirken, dass die benachbarten Doppeltubuli aneinander vorbeigleiten. Weil diese aber über das Nexin mechanisch fest verbunden sind, wird aus der Gleitbewegung eine Beugung des Axonemas. Im fixierten elektronenmikroskopischen Präparat ist die Existenz des Dyneins in Form der Dynein-Ärmchen zu erkennen.

Verankerung und EntstehungJede Zilie ist in einem Basalkörper (Basalkörper, KinozilieKinetosom) verankertKinetosom, aus dem ihre Mikrotubuli ausgewachsen sind (Abb. 2.12a, Abb. 2.13x). Die Basalkörper sind Zentriolen, wie diese zylinderförmig und bestehen aus 9 Dreiergruppen (Tripletts) kurzer, peripherer Mikrotubuli; Zentraltubuli fehlen. Bei der Entstehung und Regeneration von Zilien wachsen die Doppeltubuli von 2 der 3 Tubuli der Tripletts aus. An der Basis der Kinetosomen setzen quergestreifte Wurzelbündel (Centrinfilamente) an (Abb. 2.13). Sie sind beim Menschen kurz oder fehlen; bei anderen Säugern können sie weit ins Zytoplasma ziehen. Seitlich befindet sich am Kinetosom ein mikrotubulusorganisierendes Zentrum (Abb. 2.13).

Klinik

Bei angeborenen Ziliendefekten (Syndrome der immobilen [immotilen] Zilien) können die Zilien ihre Funktionen nur unvollkommen erfüllen. Am häufigsten wirkt sich dies in den Atemwegen aus: Schleim kann nicht vollständig abtransportiert werden, und es entstehen bereits im Kindesalter chronische Entzündungen.

Primäre Zilien
Zellen, die keine Kinozilien ausbilden, können eine primäre Zilie besitzen. Dies sind schlanke fingerförmige Ausstülpungen der Zelloberfläche, unbeweglich und nur wenige μm lang. Primäre Zilien entspringen einem Zentriol und enthalten 9 periphere Doppeltubuli, aber kein Dynein; Zentraltubuli fehlen. Es liegt also ein 9 + 0-Muster vor. Ihr Ziliendefekt, angeborenerKinozilie:immobileZilie:primäre9 + 0-Mustermolekulares Kennzeichen sind Membranproteine mit Rezeptorfunktion. Auf den Tubuluszellen der Niere sind sie Sensoren des Harnflusses. Primäre Zilien kommen auf Epithelzellen, Neuronen und vielen Bindegewebszellen (Knorpel- und Knochenzellen, Fibroblasten) vor.

Klinik

Spezielle primäre Zilien, die in der Embryonalzeit die Rechts-links-Asymmetrien des Körpers festlegen, besitzen Dynein und sind beweglich. Beim Kartagener-Syndrom fehlt diesen Zilien das Dynein. Das Syndrom ist durch unbewegliche Spermien, häufige Lungeninfektionen und in 50 % durch untypische (vertauschte) Lage der inneren Organe gekennzeichnet, so liegt das Herz bei diesen Menschen oft rechts. Mutationen im Aufbau solcher primärer Zilien der Niere können polyzystische Nierenkrankheiten verursachen.

Mikrovilli
Kartagener-SyndromDynein:Kartagener-SyndromMikrovilli (Abb. 2.14) vergrößern die Oberfläche der Zellen und erleichtern damit Resorption und Ionentransport. Sie sind je nach Zelltyp ca. 1–2 μm lang und 0,08 μm dick. Sie werden innen von einem Bündel aus 20–30 Aktinfilamenten stabilisiert, Zellmembran:MikrovilliPlasmamembran:MikrovilliMikrovilliAktinfilament:Mikrovillidie untereinander durch Villin und Fimbrin verbunden und an der Zellmembran über Myosin I und Kalmodulin befestigt sind (Abb. 2.15). Die Plusenden der Aktinfilamente sind in der Spitze der Mikrovilli in proteinhaltigem Material noch unbekannter Natur verankert. Mikrovilli sind im terminalen Netz (Spektrin, Myosin II und Intermediärfilamente) verankert und tragen speziell an ihrer Spitze eine gut ausgeprägte Glykokalyx. Sehr dicht stehende Mikrovilli (ca. 3.000 pro Zelle im Dünndarmepithel) bilden einen Bürstensaum, der besonders Bürstensaum:Mikrovilligut im resorbierenden Darmepithel (Abb. 2.5, Abb. 2.14, Abb. 10.55) und in den proximalen Nierentubuli ausgebildet ist.
Das terminale Netz („terminal webNetz:terminales“), das terminal webbesonders deutlich in den Enterozyten des Dünndarms ausgebildet ist, ist eine Spezialisierung des allgemeinen Membranskeletts: Die Aktinfilamente sind zu Bündeln Aktinfilament:terminales Netzgeformt und in das Zentrum der Mikrovilli verlagert; sie strahlen mit ihren Wurzeln in eine feine Matte aus Spektrin und Myosin II im apikalen Zytosol ein, in der sie verankert sind. Im Darmepithel befindet sich unter dieser Matte noch eine Lage von Intermediär-(Zytokeratin-)Filamenten, die z. T. in die Spektrinmatte einstrahlen (Abb. 2.15).

Vorkommen

Als Einzelstrukturen weitverbreitet, in Form der Bürstensäume auf dem Epithel der resorbierenden Zellen des Dünndarms und auf dem Epithel der proximalen Nierentubuli. Zahlreich auch auf dem Epithel der Plexus choroidei.

Stereozilien auf den Epithelzellen des Nebenhodengangs
Diese Stereozilien sind bis zu 10 μm lange, dünne und flexible Mikrovilli (Stereovilli), die im Stereozilie:Nebenhodengang\bStereovillihistologischen Präparat oft zu einem Schopf verklebt sind (Artefakt). Sie haben nichts Artefakt:Stereozilienmit Kinozilien zu tun. Ihre spezifische Funktion ist nicht bekannt.

Vorkommen

Auf dem Apex der Nebenhodengangszellen (Abb. 13.23).

Stereozilien auf Sinneszellen des Innenohrs
Stereozilien auf Sinneszellen des Innenohrs (Sinneshaare) sind kräftige und steife Mikrovilli, die einige 100 Stereozilie:InnenohrMikrovilli:InnenohrInnenohr:Stereoziliebesonders dicht gepackte Aktinfilamente enthalten (Abb. 2.16Aktinfilament:Stereozilien\b). Ihre Anordnung auf den Sinneszellen ist genau festgelegt, ihre Länge variiert in genau abgestufter Art und Weise (Kap. 17.1.2). Sie sind ca. 10–50 μm lang und 0,2 μm dick, wobei ihre Basis schlanker ist als ihr Schaft. Sie sind durch feine Filamente, sog. Tip-Links, miteinander verbunden.
Durch einen mechanischen Reiz können sie an ihrer schlanken Basis hin- und herbewegt werden. So werden sie aus der senkrechten Stellung abgelenkt, was für die Erregung der Sinneszellen wesentlich ist.
Mikroplicae
Mikroplicae sind schmale Auffaltungen der Zellmembran. Sie können apikal auf Epithelzellen oder seitlich zwischen Epithelzellen („Verzahnungen“) ausgebildet sein. Die apikalen Auffaltungen sind gleichmäßig schmal, die seitlichen Falten meist plumper und unterschiedlich dick.

Vorkommen

Auf der Oberfläche der apikalen Epithelzellen der Stimmfalten im Kehlkopf, auf den obersten Epidermiszellen von Fischen. Seitlich z. B. zwischen Epithelzellen der Ziliarzotten (Auge) oder zwischen Epithelzellen von Nierentubuli.

Invaginationen
MikroplicaeZellmembran:MikroplicaePlasmamembran:MikroplicaeInvaginationen (Membraneinfaltungen) sind unterschiedlich tiefe blattförmige oder tubuläre Einsenkungen vor allem der basolateralen Zellmembran von Epithelzellen in Anpassung an vermehrten Ionen- und Wassertransport. Sie sind zusammen mit den Mitochondrien die wichtigste Komponente des basolateralen Labyrinths (Abb. 2.17). Dieses ist für transportierende Epithelien kennzeichnend und für ihre Funktion entscheidend.

Vorkommen

Tubuläre Invaginationen finden sich z. B. an quergestreiften Muskelzellen (T-Tubuli), blattförmige Invaginationen basal in Epithelzellen der Nierentubuli und der Streifenstücke der Speicheldrüsen und der Plexus choroidei.

Endozytose und intrazellulärer vesikulärer Transport

Lösliche Stoffe, kleinere und größere Partikel, selbst Bakterien können mittels vesikulärer Strukturen (Vesikel) in die Zellen aufgenommen, durch sie hindurch- und wieder ausgeschleust werden; im Allgemeinen werden die aufgenommenen Stoffe und Partikel aber in der Zelle ab- oder umgebaut (Abb. 2.18). Dabei werden die folgenden Prozesse unterschieden:Zellmembran:InvaginationPlasmamembran:InvaginationInvagination, Zellmembran
  • Endozytose: Oberbegriff Endozytosefür alle Prozesse, bei denen mithilfe vesikulärer Strukturen Stoffe in die Zelle aufgenommen werden; zu unterscheiden sind dabei vor allem Pino- und Phagozytose.

  • Pinozytose: Die typische Pinozytose istPinozytose die Aufnahme löslicher Stoffe und Flüssigkeit mittels kleiner Membranvesikel (Pinozytosevesikel, Endozytosevesikel) mit einem Durchmesser von 50 bis 100 nm. Die Vesikelbildung beginnt, indem sich die Zellmembran lokal zu einer kleinen Grube einstülpt. Durch einen Abschnürungsprozess entsteht dann ein Vesikel (Bläschen), das im VesikelZytoplasma zielgerichtet wandert. Oft wird dieser häufige Typ der Stoffaufnahme auch einfach Endozytose genannt.

  • Transzytose: Stoffe werden mittels TranszytosePinozytosebläschen durch eine Zelle hindurchtransportiert.

  • Phagozytose: Größere Partikel (BakterienPhagozytose, Zellfragmente, Fremdkörper), aber auch größere Flüssigkeitsmengen mit gelösten Stoffen werden mithilfe von beweglichen Zellfortsätzen (Pseudopodien) eingefangen und eingeschlossen. Dabei entsteht eine relativ große intrazelluläre Vakuole (Abb. 2.18). Solche Vakuolen mit aufgenommenen größeren Partikeln heißen Phagosomen. Sie nehmen aus zytoplasmatischen Transportvesikeln lysosomale Enzyme auf und/oder verschmelzen mit Endosomen oder Lysosomen und werden dann Phagolysosomen genannt. Nur wenige Zellen können phagozytieren: Makrophagen, dendritische Zellen, Neutrophile, Eosinophile, Pigmentepithelzellen der Retina, Sertoli-Zellen. Vitale Epithelzellen können oft apoptotische Nachbarzellen phagozytieren.

  • Exozytose: Der Inhalt von ExozytoseSekretgranula oder Vesikeln wird aus der Zelle ausgeschleust.

Clathrinvermittelte EndozytoseDie Zellmembran stülpt sich Endozytose:clathrinvermitteltegrubenförmig ein, wobei auf der zytoplasmatischen Seite Clathrinkomplexe angelagert sind (Stachelsaumgrübchen). Clathrin ist ein großes StachelsaumgrübchenProtein, das Clathrin:EndozytoseTrimere (Triskelions) bildet. Diese lagern sich zu einem Geflecht aus Penta- und Hexagonen zusammen und umhüllen das Vesikel wie ein Korbgeflecht (Abb. 2.19). Adapterproteine vermitteln die Bindung des Clathrins an die Vesikelmembran. Die Vesikel schnüren sich dann mithilfe Vesikeldes Proteins Dynamin, einer ATPase, sehr schnell ab und werden zu clathrinbedeckten Bläschen (Stachelsaumbläschen). Diese Bläschen stoßen den Clathrinbelag schon nach Sekunden wieder ab und verschmelzen dann meist mit Endosomen. Schätzungen zufolge sind ca. 2 % der Zellmembran ständig an der Bildung clathrinvermittelter Endozytose beteiligt, in bestimmten Zellkulturen können pro Minute ca. 2.500 Stachelsaumbläschen entstehen. Diese Membranvesikel transportieren typischerweise
  • an Membranrezeptoren gebundene Liganden, z. B. LDL-Cholesterin, Transferrin und Wachstumsfaktoren (dies hat zur Bezeichnung „rezeptorvermittelte Endozytose“ geführt)

  • extrazelluläre Flüssigkeit, die bei der Endozytose mit eingefangen wird („fluid phase endocytosis“)

Clathrinbedeckte Vesikel entstehen auch aus den Zisternen der trans-Region des Golgi-Apparats (s. u.).
Clathrinunabhängige EndozytoseAuch hier entstehen zunächst Endozytose:clathrinunabhängigegrubenförmige Einsenkungen, die meist Caveolae genannt werden und in Caveolae:Endozytosemanchen Zellen, z. B. glatten Muskel- und Fettzellen, als konstante Strukturen vorhanden sind. In den meisten Zellen schnüren sie sich als Vesikel ab. Dies geschieht vorwiegend an den Membranstellen, die besonders viel Cholesterin enthalten („lipid rafts“). Im zytoplasmatischen Blatt der Membran findet sich meist das Protein Caveolin. Caveolin wird nicht, wie Caveolindas Clathrin, abgestoßen. Die Membranvesikel transportieren flüssigkeitsgelöste Moleküle, sie sind außen glatt und wandern meist zu Endosomen.
Intrazellulärer vesikulärer TransportAuch intrazellulär entstehen Vesikel:TransportTransport:vesikulärerzahlreiche Membranvesikel, die den Transport zwischen Organellen und Plasmamembran vermitteln. Auch hier ist dieser Transport gerichtet, spezifisch und reguliert. Solche Transportvesikel sind kugelig, länglich oder unregelmäßig geformt. Sie transportieren
  • neu gebildete Proteine vom rauen endoplasmatischen Retikulum (RER) zur cis-Seite des Golgi-Apparats

  • Proteine, die im Golgi-Apparat modifiziert wurden, aus den trans-Golgi-Zisternen a) zu Endo- und Lysosomen oder b) zur Plasmamembran oder c) in speziellen Sekretgranula in den Extrazellulärraum

Außerdem gibt es einen vesikulären TransportTransport:vesikulärer im Bereich des Golgi-Golgi-Apparat:vesikulärer TransportApparats von cis nach trans und umgekehrt. Und auch innerhalb des Systems Golgi-Apparat – Endosomen – multivesikuläre Körper – Lysosomen wandern Vesikel hin und her.
In den Vesikelmembranen befinden sich Membranlipide, die in die Zielmembranen inkorporiert werden. Vesikel wandern mithilfe von Motorproteinen entlang von Komponenten des ZytoskelettsZytoskelett:vesikulärer Transport zu ihrem Zielort, z. B. in Axonen von Nervenzellen zur präsynaptischen Endigung. Der Langstreckentransport erfolgt mithilfe der Motorproteine Kinesin und Dynein entlang der Mikrotubuli, der Kurzstreckentransport mithilfe des Motorproteins Myosin VI entlang von Aktinfilamenten.
Insbesondere die Vesikel, die sich von der Plasmamembran, von trans-Golgi-Zisternen und auch von Endosomen abschnüren, können vorübergehend einen Belag aus Clathrin besitzen (s. o.). Die Vesikel, die den Transport vom RER zum Golgi-Apparat und im Bereich des Golgi-Apparats selbst übernehmen, sind von einem andern Gerüstprotein bedeckt, dem COP („coat protein“). COP II bedeckt Vesikel, dieCOP (coat protein) vom RER zum Golgi-Apparat wandern, COP I bedeckt einerseits Vesikel, die von der trans- zur cis-Seite des Golgi-Apparats wandern, und andererseits Vesikel, die sich vom Golgi-Apparat zurück zum RER bewegen.
Fusion von Vesikeln mit ZielmembranenWenn Vesikel mit anderen Membranen verschmelzen, lagern sich Rezeptorproteine (SNARE = „soluble N-ethylmaleimide sensitive attachment protein receptor“) zusammen, die sowohl auf derSNARE (soluble N-ethylmaleimide sensitive attachment protein receptor) Vesikel- = Donormembran (v-SNARE) als auch auf der Ziel- = Akzeptormembran (t-SNARE) vorhanden sind. Dies ist besonders gut bei synaptischen Vesikeln und Sekretgranula untersucht: Nähert sich das Vesikel der Zielmembran, strömt zunächst Kalzium über spannungsabhängige Kalziumkanäle ins Zytoplasma ein. An der Andockstelle werden daraufhin Aktin, Plektin und andere Zytoskelettkomponenten, die an der Innenseite der Zielmembran liegen, beseitigt. v-SNARE und t-SNARE lagern sich zusammen, wobei GTP-bindende Proteine der Rab-Familie (kleine monomere GTPasen) diese Verbindung regulieren; Rab-Proteine spielen eine wesentliche Rolle bei der Spezifität des vesikulären Transports. Alle SNARE-Proteine verdrillen sich, pressen das Vesikel an die Zielmembran, die Membranen verschmelzen und es entsteht eine Öffnung.
Funktionelle Bedeutung der TransportvesikelDer intensive vesikuläre Transport von der Zelloberfläche ins Zellinnere und umgekehrt sowie im Zellinnern ermöglicht es der Zelle, mit ihrer Umwelt zu kommunizieren und auch schnell auf Veränderungen in ihrer Umwelt zu reagieren. Die Zusammensetzung der Zellmembran kann sich ändernden Bedürfnissen angepasst werden; Membranproteine, z. B. Rezeptorproteine, und Ionenkanäle, können mithilfe von Vesikeln schnell in die Zellmembran eingebaut oder aus ihr entfernt werden; dabei bleiben solche Proteine in die Membran – zunächst in die Zellmembran, dann in die Vesikelmembran – eingebettet und müssen nicht aufwendig durch das Zytosol transportiert werden. Auch Nährstoffe, z. B. an Makromoleküle gebundene Vitamine, Eisen, Cholesterin und andere Lipide, können mithilfe von Vesikeln in die Zelle aufgenommen werden. Der gesamte Prozess der Bildung von Zellsekreten und deren Extrusion ist ohne vesikuläre Strukturen nicht denkbar.

Klinik

Manche phagozytotisch aufgenommenen Bakterien, z. B. manche Salmonellen und die Mykobakterien (Erreger der Tuberkulose), überleben in Phagosomen, indem sie die Aufnahme lysosomaler Enzyme in das Phagosom verhindern.

Zelladhäsionsmoleküle und Zellkontakte

Zellen stehen untereinander und mit der extrazellulären Matrix über spezifische Membranmoleküle in strukturellem und funktionellem Kontakt, wodurch ein koordiniertes, „soziales“ Zusammenspiel aller Komponenten des Gesamtorganismus erst möglich wird. An Stellen, an denen ein starker Zusammenhalt zwischen Zellen oder zwischen Zellen und Matrix biologisch vorteilhaft ist, sind Adhäsionsmoleküle in speziellen Strukturen, den Zellkontakten, konzentriert (Abb. 2.20).
Zelladhäsionsmoleküle
Adhäsionsmolekül:ZellenZelladhäsionsmoleküle sind verschiedenartige Transmembranproteine, die in der gesamten Zelladhäsionsmolekül\bTransmembranprotein:ZelladhäsionsmoleküleZellmembran vorkommen, Wechselwirkungen zwischen Zellen vermitteln und Signale – meistens in die Zelle hinein – weiterleiten. Zum Teil werden sie nur in bestimmten Funktionszuständen einer Zelle exprimiert. Sie lassen sich biochemisch in 2 Klassen einteilen:
  • kalziumabhängige Moleküle, zu denen Cadherine und Selektine zählen

  • kalziumunabhängige Moleküle, zu denen Integrine und Adhäsionsmoleküle der Immunglobulinsuperfamilie gehören

Cadherine
Aufbau und BindungZu den Cadherinen gehören mehr als 180 verschiedene Proteine. Der extrazelluläre Teil des Moleküls trägt meist 4 oder 5 (bis zu 30) kalziumbindende Domänen und bindet mit seinem distalen Ende an das distale Ende von Cadherinen gegenüberliegender Zellen, indem jeweils ein molekulares Köpfchen in einer molekularen Grube befestigt wird – ähnlich wie bei einem Druckknopf. Der zytoplasmatische Teil des Moleküls ist oft mit Plaqueproteinen von Zellkontakten und über diese mit dem Zytoskelett verbunden.
FunktionenCadherine haben Zelladhäsionsmolekül:CadherineCadherineadhäsive Funktionen, können Signale ins Zellinnere übertragen – und damit Zellfunktionen auslösen –, bilden Zellkontakte (Desmosomen, Zonulae adhaerentes, Abb. 2.20) und sind an vielen anderen Funktionen, z. B. der Zell- und Organdifferenzierung, beteiligt.
FormenBei den Cadherinen werden unterschieden:
  • Cadherine:Formenklassische Cadherine mit

    • E-Cadherinen (Adhärens-Junktionen)

    • N-E-CadherineCadherinen (Neurone, Skelett- und N-CadherineHerzmuskelzellen, Linsenfasern, Fibroblasten)

    • P-Cadherinen (Plazenta, Brustdrüse, P-CadherineEpidermis)

    • VE-Cadherinen (Endothelzellen)

  • VE-Cadherinenichtklassische Cadherine mit

    • Desmocollin (Desmosomen)

    • Desmoglein (Desmocollin:CadherineDesmosomen)

    • zahlreichen Desmoglein:Cadherineweiteren Formen, z. B. in Neuronen, Innenohr, Herz, Nierenglomeruli

Die klassischen Cadherine sind relativ eng miteinander verwandt. Sie sind meist intrazellulär über Catenine mit Aktin verknüpft. Die nichtklassischen Cadherine sind nicht enger miteinander verwandt und haben nicht alle adhäsive Funktionen, einige – wie z. B. das T-Cadherin – dienen wohl nur der Signalübermittlung. Wenn sich Epithelzellen in nichtepitheliale (mesenchymale) Zellen umwandeln, dann sind an solchen z. T. auch malignen Prozessen E-Cadherine und Proteine wie Twist beteiligt.
Selektine
BindungSelektine verbinden sich mit zuckerhaltigen Erkennungsdomänen anderer Membranproteine oder -lipide (sind somit Lektine).
FunktionenWenn Leukozyten ausSelektineZelladhäsionsmolekül:Selektine Gefäßen auswandern und dazu an Endothelzellen binden, stellen Selektine den ersten Kontakt zwischen Leukozyten und Endothel her. Diese Bindung ist noch schwach und reversibel und wird schließlich durch Integrine verfestigt.
FormenBei den Selektinen werden unterschieden:
  • P-Selektine:FormenSelektine auf Blutplättchen und P-Selektineaktivierten Endothelien

  • E-Selektine auf aktivierten Endothelien

  • E-SelektineL-Selektine auf Leukozyten

Integrine
AufbauL-Selektine und BindungAls Heterodimere bestehen Integrine aus 2 verschiedenen Untereinheiten (α und β, Abb. 2.21) und binden sowohl an intra- als auch an extrazelluläre Proteine:
  • Intrazellulär sind sie Zelladhäsionsmolekül:IntegrineIntegrineüber Verbindungsproteine (Vinculin, α-Aktinin, Talin) mit Aktin oder Keratinen, also mit dem Zytoskelett, verbunden.

  • Extrazelluläre Bindungspartner sind Laminin und Fibronektin, die beide ihrerseits mit verschiedenen Kollagentypen (z. B. Typ-IV-Kollagen), Heparansulfat-Proteoglykanen und Entaktinen (Nidogenen) interagieren.

FunktionenDiese vielseitigen Moleküle sind entscheidend am Kontakt zwischen Zelle und extrazellulärer Matrix beteiligt (Abb. 2.20). Integrine können:
  • auf intrazelluläre Signale reagieren und ihre Verbindung mit der Matrix ändern („inside-out signaling“)

  • auf extrazelluläre Reize hin intrazelluläre Signalwege induzieren

  • zwischen einem aktiven und einem inaktiven Zustand hin- und herwechseln. Im aktiven Zustand bilden sie sehr schnell molekulare Verbindungen, im inaktiven Zustand bauen sie gar keine Verbindungen auf. Diese Fähigkeit spielt eine Rolle, wenn Zellen entlang einer Basallamina oder Makrophagen durch die Bindegewebsmatrix wandern.

ADAM-ProteineDie integrinvermittelte Verbindung ADAM-Proteinvon Zellen und extrazellulärer Matrix kann durch ADAM-Proteine gelöst bzw. rückgängig gemacht werden. ADAM steht für „a disintegrin and metalloprotease“ (ein Disintegrin und eine Metalloprotease). Diese ADAM-Proteine haben extra- und intrazelluläre Domänen. Die extrazelluläre Domäne setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, v. a. der Disintegrin- und der Metalloproteasen-Komponente:
  • Die Disintegrin-Komponente bindet an Integrin und kann die Verbindung zwischen Integrin und extrazellulärer Matrix unterbrechen.

  • Die Metalloproteasen-Komponente baut Bestandteile der Matrix ab und macht so Zellwanderung möglich.

Das Zusammenspiel von Integrinen und ADAM-Proteinen spielt z. B. bei Zellwanderungen in der Embryonalzeit, bei der Befruchtung, Angiogenese, Herzentwicklung, Neurogenese und auch bei der Karzinomentstehung und -ausbreitung eine wichtige Rolle.
Zelladhäsionsmoleküle der Immunglobulinsuperfamilie
AufbauZelladhäsionsproteine mit extrazellulären immunglobulinähnlichen Domänen.
FunktionenDiese Zelladhäsionsmolekül:ImmunglobulinsuperfamilieImmunglobulinsuperfamilieAdhäsionsmoleküle vermitteln kalziumunabhängig den Kontakt zwischen Zellen.
FormenMan unterscheidet insbesondere:
  • vaskuläre Zelladhäsionsmoleküle (VCAMs = interzelluläre Zelladhäsionsmoleküle = ICAMs), die sich auf Endothelzellen finden und die Integrine auf Leukozyten binden

  • neurale Zelladhäsionsmoleküle (NCAMs), die von den meisten Nervenzellen, aber auch anderen Zellen exprimiert werden. Sie binden (homophil) an gleichartige NCAMs auf benachbarten Zellen. Sie kommen oft neben den fest verbindenden Cadherinen auf der gleichen Zelle vor und spielen eine besondere Rolle bei der Entwicklung und Wundheilung.

Zellkontakte
Zellkontakte (Zelljunktionen, Junktionen) sind strukturell und funktionell charakterisiert (Abb. 2.20, Abb. 2.22). Strukturell sind sie entweder Zonulae oder Maculae: Zonulae sind gürtelförmig entlang der Zonula:ZellkontaktZellkontaktgesamten Zellmembran ausgebildet, Maculae sind punktförmige Gebilde. Macula:ZellkontaktFunktionell lassen sich bei Säugetieren und Mensch 4 große Gruppen von Zellkontakten unterscheiden:
  • Adhäsionskontakte: Der Zellkontakt verbindet die Zelle mit der Nachbarzelle oder verankert sie in der extrazellulären Matrix. Hierzu zählen die Zonula adhaerens, die Desmosomen und die Hemidesmosomen.

  • Kommunikationskontakte: Der Zellkontakt leitet chemische oder elektrische Signale zur Nachbarzelle. Hierzu zählen Nexus (Gap Junctions) und elektrische Synapsen.

  • Verschlusskontakte (Barrierekontakte): Der Zellkontakt verschließt (versiegelt) den Interzellulärraum zwischen benachbarten Epithelzellen. Hierzu zählt die Zonula occludens (Tight Junction).

  • Signalübermittelnde Kontakte: Dazu gehören z. B. die chemischen Synapsen im Nervensystem oder die immunologischen Synapsen des Immunsystems. Aber auch die anderen Zellkontakte können eine Funktion bei der Übermittlung von Signalen haben.

Adhäsionskontakte
Adhäsionskontakte (Verankerungsjunktionen) sind mechanische Verbindungen. Hierzu zählen vor allem Zonulae adhaerentes, Punktdesmosomen, fokale Kontakte, Desmosomen und Hemidesmosomen (Abb. 2.22a–d). Diese Kontakte sind in den Epithelien besonders gut ausgebildet. Wenn Adhäsionskontakte benachbarte Zellen verbinden, geschieht dies mithilfe der Cadherine (mit ihrer „Druckknopf“-Zellkontakt:AdhäsionskontakteCadherine:AdhäsionskontakteAdhäsionsmolekül:CadherineAdhäsionskontakte\bVerbindung, s. o.). Ist die Zelle in der extrazellulären Matrix verankert, dienen Integrine als Adhäsionsmoleküle. Der zytoplasmatische Anteil des jeweiligen Proteins ist in einer Matte (Anheftungsplaque, Plaque) intrazellulärer Anheftungsproteine (Plaqueproteine, Verankerungsproteine) verankert, in denen auch die Filamente des Zytoskeletts befestigt sind (Abb. 2.22, Abb. 2.23). Catenine sind wichtige, verbreitet Catenine, AdhäsionskontakteAdhäsionsmolekül:Cateninevorkommende Plaqueproteine, z. B. β- und γ-Catenine. Das p120-Catenin beeinflusst die mechanische Kraft des Zusammenhalts eines Adhäsionskontakts, speziell wenn Aktinfilamente an seinem Aufbau beteiligt sind, die Menge dieses Catenins und sein Phosphorylierungszustand werden reguliert. Die zytoplasmatischen Zytoskelettfilamente sind wesentliche Komponenten aller Adhäsionskontakte. Die Kontaktstruktur besteht also insgesamt aus Adhäsionsmolekül, Plaqueproteinen und einer Zytoskelettkomponente.
Es lassen sich 2 Gruppen solcher mechanischen Kontakte unterscheiden:
  • Kontakte, in deren Anheftungsplaque Aktinfilamente verankert sind

  • Kontakte, in deren Anheftungsplaques intermediäre Filamente (Zytokeratinfilamente) verankert sind

Adhäsionskontakte mit Aktinfilamenten in der PlaqueHierzu zählen Zonula adhaerens, Aktinfilament:Adhäsionskontakte\bPunktdesmosomen und Fokalkontakte (Tab. 2.1):
  • In der 0,1–0,5 μm breiten gürtelförmigen Zonula adhaerens bleibt der Interzellulärspalt Zonula:adhaerensca. 20–40 nm weit (Abb. 2.22a). Auf der zytoplasmatischen Seite liegen Plaqueproteine und ein Bündel von Aktinfilamenten (Abb. 2.23), zwischen denen auch Myosin-II-Moleküle vorkommen. Das Aktinbündel verläuft parallel zur Zellmembran ringförmig um die ganze Zelle. Mithilfe dieses Zellkontakts können die aktinabhängigen Bewegungsvorgänge in benachbarten Zellen koordiniert werden, was bei Kontraktion des Aktinbündels auch zu Verfestigung führen kann. Im Lichtmikroskop entspricht vor allem das Schlussleistennetz diesem Kontaktgürtel, was z. B. in Flachschnitten durch das Darm- oder Gallenblasenepithel gut zu erkennen ist.

  • Punktdesmosomen (= Puncta adhaerentia) sind Punktdesmosompunktförmige Kontakte zwischen benachbarten Zellen. Sie sind weitverbreitet und kommen sogar in Synapsen vor.

  • Fokalkontakte sind punkt- oder Fokalkontaktstreifenförmige Kontakte zwischen Zellen und interzellulärer Matrix. Diese Zell-Matrix-Kontakte kommen u. a. in der Membran von Herz- und Skelettmuskelzellen und von Endothelzellen der Arterien vor. In Zellen wie Fibroblasten können sie kurzfristig auf- und abgebaut werden.

Adhäsionskontakte mit intermediären Filamenten in der PlaqueHierher gehören die typischen Filament, intermediäres:AdhäsionskontakteDesmosomen (Maculae adhaerentes) und Hemidesmosomen (Tab. 2.1):
  • Desmosomen sind 0,1–0,5 μm groß, ihr DesmosomInterzellulärspalt ist 20–40 nm weit. Sie kommen vor allem in Epithelien (Abb. 2.22a), aber auch anderswo, z. B. zwischen Herzmuskelzellen und den Zellen der Arachnoidea, vor. Die Plaqueproteine sind reich entwickelt (Abb. 2.22b, Abb. 2.24) und verankern intermediäre Filamente, in Epithelien also Keratine. Die intermediären Filamente als wesentliche Stützkomponente des Zytoskeletts sind in benachbarten Zellen über die Desmosomen verbunden und fangen Scherkräfte und andere Belastungen, die auf das gesamte Epithel einwirken, ab.

  • Ähnlich verhalten sich die Hemidesmosomen, die die Epithelzellen an der HemidesmosomBasallamina befestigen (Abb. 2.20, Abb. 2.22dBasallamina:Hemidesmosom, Abb. 2.25). Zu den Plaqueproteinen zählen hier Plektin und Dystonin, die Integrine und Kollagen XVII (= Protein BP180) mit den Keratinfilamenten verbinden. Dazu sind sie extrazellulär mit Laminin und über das Laminin mit Kollagen IV in der Lamina densa der Basallamina verbunden. Im Elektronenmikroskop sind unter den Hemidesmosomen – in der Lamina lucida der Basallamina der Epidermis – Ankerfilamente zu erkennen: Sie bestehen aus Integrin, Kollagen XVII und Laminin.

MERKE

Adhäsionskontakte bestehen aus Adhäsionsmolekül, Plaqueproteinen und einer Zytoskelettkomponente.

  • Mit Aktinfilamenten verbunden sind Zonula adhaerens, Punktdesmosom, Fokalkontakt.

  • Mit intermediären Filamenten verbunden sind Desmosom, Hemidesmosom.

Klinik

Defekte der desmosomalen Adhäsionsmoleküle Desmocollin und Desmoglein verursachen Blasenbildungen in der Epidermis. Genetische Defekte von Integrinen können ebenfalls zu blasenbildenden Krankheiten der Haut und anderer Organe führen.

Kommunikationskontakt: Nexus (Gap Junction)
Nexus sind fleckförmige „kommunikative“ Kontakte unterschiedlicher Größe (Abb. 2.20, Abb. 2.26). Sie koppeln verschiedene Zellen, sodass diese sich in elektrischer und z. T. auch metabolischer Hinsicht wie eine Zelle verhalten. Über Nexus können Phänomene wie der Zilienschlag benachbarter Zellen koordiniert werden. In der Herzmuskulatur kommt ihnen eine besondere Bedeutung zu, weil sie Erregung rasch und synchron weitergeben.Desmocollin:DefekteDesmoglein:Defekte

Vorkommen

In den meisten Geweben, häufig in Epithelien und zwischen Herzmuskelzellen und Astrozyten. Sie fehlen in der Skelettmuskulatur und sind zwischen Neuronen selten, kommen aber im Bereich der Schmidt-Lantermann-Einkerbungen der Myelinscheiden vor.

AufbauDer Zellkontakt:KommunikationskontakteNexusKommunikationskontakteGap JunctionInterzellullärraum ist im Bereich der Nexus 2–4 nm breit, was bei einer starken elektronenmikroskopischen Vergrößerung gerade noch als Spalt (gap) zu erkennen ist. Tatsächlich wird der Interzellulärraum jedoch durch zahlreiche dicht gepackte röhrenförmige Proteinkomplexe überbrückt. Diese „Tunnel“ sind ca. 20 nm lang und haben ein hydrophiles Lumen von 1,5–2 nm. Sie bestehen aus 2 fest zusammengefügten Hälften, den Connexonen, d. h., ein Connexon der einen Zelle Connexoneist mit einem Connexon der anderen Zelle verbunden (Abb. 2.27). Ein Nexus kann sich aus nur einigen wenigen (theoretisch einem) oder einigen tausend Connexonen zusammensetzen. Connexone werden im Zentrum der Junktion ständig abgebaut und in der Peripherie ständig neu angelagert. Ihre Halbwertszeit beträgt nur wenige Stunden. Neue Connexone werden mittels vesikulären Transports in die Zellmembran integriert und „diffundieren“ dann in der Membran, bis sie auf eine Gap Junction stoßen. Bis zu ihrem Einbau bleiben sie meist geschlossen. Jedes Connexon besteht aus 6 speziellen Proteinen, den Connexinen, die innerhalb eines Connexons Connexineidentisch (homomer) oder verschieden (hetromer) sind. Der gesamte interzelluläre Kanal kann aus Connexonen bestehen, die insgesamt aus identischen Connexinen aufgebaut sind (homotypischer Kanal) oder aus Connexonen, die aus unterschiedlichen Connexinen bestehen (heterotypischer Kanal). Die Connexin-Gen-Familie hat beim Menschen gut 20 Mitglieder, die jeweils in verschiedenen Zellen exprimiert und nach ihrem Molekulargewicht bezeichnet werden. So hat Connexin 50 ein Molekulargewicht von 50 kD. Die Gap Junctions haben in den verschiedenen Geweben unterschiedliche funktionelle Eigenschaften, weil sie aus unterschiedlichen Connexin-Kombinationen bestehen, was zu unterschiedlichen Permeabilitätseigenschaften führt.
FunktionDie Kanäle lassen anorganische kleine Ionen und wasserlösliche kleinere Moleküle bis hin zu einem Molekulargewicht von ca. 1.000 D passieren, z. B. Zucker, Aminosäuren, Nukleotide, Vitamine und cAMP. In Sekunden können die Kanäle geöffnet und geschlossen werden. Bei hohen Kalziumkonzentrationen oder pH-Abfall werden sie z. B. geschlossen. Das ist sinnvoll, weil eine verletzte Zelle, in die Kalzium blitzartig einströmt, dadurch abgeriegelt werden kann.

Klinik

Die Mutation des Connexins 26, das insbesondere in der Kochlea exprimiert ist, ist die häufigste Ursache für angeborene Taubheit. Bei dieser Krankheit sterben Zellen im Corti-Organ ab. Die Mutation von Connexin 50 führt zu angeborener Linsentrübung (Katarakt) und Blindheit. Andere Connexin-Mutationen verursachen z. B. Myelinisierungsstörungen.

Verschlusskontakt: Zonula occludens (Tight Junction)
Durch Zonulae occludentes entsteht im Epithel eine mehr oder weniger dichte Barriere, sodass größere und auch kleinere Moleküle nicht einfach unkontrolliert durch den schmalen Spaltraum zwischen den Epithelzellen von der einen Seite des Epithels auf die andere diffundieren können. Der (parazelluläre) Weg an den Epithelzellen vorbei ist verschlossen. Die Zonula occludens ist fast nur in Epithelien zu finden. Dort kommt sie zusammen mit der Zonula adhaerens und Desmosomen vor; diese Strukturen bilden den Haftkomplex (s. u.).

Vorkommen

In allen Epithelien, auch in der Epidermis.

AufbauZonulae Zonula:occludensZellkontakt:VerschlusskontakteVerschlusskontakteTight JunctionHaftkomplexoccludentes sind gürtelförmige Kontaktzonen, in denen dicht aneinandergereihte Proteine in die Zellmembran integriert sind. Diese Proteine verbinden sich direkt mit entsprechenden Proteinen in der Nachbarzelle und bilden so Verschlussleisten (Abb. 2.28, Abb. 2.29), mit denen der Interzellulärraum funktionell weitgehend abgeriegelt wird (Abb. 2.22a, e, f). Zu diesen Proteinen gehören:
  • Claudine (gut 20 verschiedene Formen beim Menschen)

  • Claudine, Tight JunctionOccludin

  • Tricellulin (wo 3 Zellen Occludin, Tight Junctionaneinandergrenzen)

Auf der Tricellulin, Tight Junctionzytoplasmatischen Seite sind diesen Proteinen verschiedene Gerüstproteine und auch Aktin angelagert. Gerüstproteine sind z. B. die Zonula-occludens-Proteine (ZO-Proteine, Abb. 2.28), die den „disk-large“-Proteinen von Drosophila entsprechen und auch „Tjp-Proteine“ („tight junction proteins“) genannt werden.
FunktionZonulae occludentesZonula:occludens sind an jeder funktionell wichtigen Tight Junction:FunktionBarriere im Organismus beteiligt (nur in der Plazenta ist ein Synzytium ausgebildet), außerdem beeinflussen sie den elektrischen Widerstand zwischen Apikalregion und Basis des Epithels:
  • Mechanische Abdichtung: Zonulae occludentes dichten die Epithelien weitgehend ab, sie sind undurchlässig für Makromoleküle, für kleine Moleküle dagegen, z. B. anorganische Ionen, ist das Ausmaß ihrer Durchlässigkeit variabel. Der Grad der Abdichtung hängt erheblich von den Claudinen ab, die in verschiedenen molekularen Typen vorkommen: Claudin 2 kommt in relativ durchlässigen („lecken“) Epithelien (z. B. im proximalen Nierentubulus) vor, Claudin 1, 3 und 4 sind typisch für sehr dichte Epithelien (z. B. im distalen Nierentubulus und im Kolon), Claudin 5 ist typisch für Endothelien. Der Weg, den – in also sehr unterschiedlichem Ausmaß – kleine Moleküle wie Wasser, anorganische Ionen und wasserlösliche Moleküle (z. B. Aminosäuren) durch eine Tight Junction nehmen können, wird auch als parazellulärer Transportweg bezeichnet. Offensichtlich können Claudine feine Poren bilden, die kleine Ionen oder Wasser passieren lassen. Diese Poren variieren je nach Organ und Stoffwechselbedürfnissen: Im Epithel der Harnblase können kleine anorganische Ionen z. B. 10.000-mal schlechter passieren als im Darmepithel. Ein spezifisches Claudin (Claudin 16) in den Nierentubuli erlaubt den Durchtritt von Magnesium aus dem Tubuluslumen zurück ins Blut.

  • Elektrische Abdichtung: Von der Zahl der Verschlussleisten hängt der Widerstand zwischen Apikalregion und Basis des Epithels ab: Elektrisch dichte Zonulae occludentes besitzen viele (bis zu ca. 10) Verschlussleisten, elektrisch durchlässigere nur 2–3 (z. B. in Endothelien).

Die Zonula occludens trennt funktionell den apikalen und basolateralen Bereich der Zellmembran und verhindert die laterale Diffusion von Membrankomponenten aus der Apikalmembran in die basolaterale Region. Dadurch wird die Polarität einer Epithelzelle als Bedingung für gerichtete Transportprozesse gewährleistet.

Klinik

Bei Mutationen von Claudin 16 in der Zonula occludens kommt es zum seltenen Krankheitsbild des renalen Magnesiumverlustsyndroms. Magnesium kann nicht mehr aus dem Tubuluslumen zurück ins Blut gelangen und wird renal ausgeschieden.

Signalübertragende Junktionen
Insbesondere die chemischen Synapsen im Nervensystem übertragen Signale. In ihnen gibt es Zelladhäsionsmoleküle (Cadherine, Neuroligine) und – auf der postsynaptischen Seite – auch Plaqueproteine, die Rezeptor- und Adhäsionsproteine an Ort und Stelle halten und mit dem Zytoskelett verbunden sind (Kap. 2.6). Die Plaqueproteine werden hier oft Gerüstproteine (Scaffold-Proteine) genannt.
Besonderheiten
HaftkomplexeScaffold-ProteineHaftkomplexe (junktionale Komplexe) gibt es nur in HaftkomplexEpithelien, und sie bestehen Komplex:junktionalervon apikal nach basal immer aus Zonula occludens, Zonula adhaerens und Desmosom. Für diese konstante Anordnung sind u. a. verschiedene Gerüstproteine verantwortlich. Diesen Gerüstproteinen sind funktionell die Plaqueproteine der Zonula adhaerens, und damit die ganze Zonula adhaerens, eng verbunden. So wird u. a. die Zonula occludens an ihrem Platz gehalten. Antikörper gegen Cadherine schränken nicht nur die Bildung der Zonula adhaerens, sondern auch der Zonula occludens ein.
Vorübergehend bestehende KontakteLeukozyten bauen oft mithilfe von L-Selektin oder Integrinen (Kap. 2.1.4) vorübergehend bestehende Kontakte zu anderen Zellen auf.

Zellkern (Nukleus)

Zur Orientierung

Die Hauptbestandteile eines Kerns sind

  • die Kernhülle

  • das Chromatin (Komplex aus DNA und Proteinen, erscheint in der Mitose in Gestalt der Chromosomen)

  • der Nukleolus

  • die Kernmatrix

Auffälligste Struktur einer eukaryotischen Zelle ist der Zellkern. Er wurde 1831 vom Botaniker Robert Brown erstmalig beschrieben. Typischerweise hat jede Zelle einen Kern; sekundär geht er in den ausdifferenzierten Erythrozyten verloren. Selten sind Zellen mehrkernig (z. B. Osteoklasten und Skelettmuskelzellen). Der Kern nimmt oft ca. 15–20 % des Zellvolumens ein. Die Gestalt und Struktur des Kerns sind für jeden Zelltyp kennzeichnend, und es ist daher sehr oft die Kernmorphologie, die die Diagnose eines Zelltyps ermöglicht (Abb. 2.3, Abb. 2.4, Abb. 2.30, Abb. 2.31). Auch funktionelle Kernphasen lassen sich gut sichtbar machen (Abb. 2.32, Abb. 2.33). Der Kern ist keine starre Struktur, sondern z. T. stark verformbar, z. B. in Leukozyten bei der Auswanderung aus dem Blutgefäßsystem.

Kernhülle

Der Kern ist von einer spezifischen Hüllstruktur, der Kernhülle, umgeben. Diese kann als ein spezieller Abschnitt des rauen endoplasmatischen Retikulums (RER) angesehen werden, mit dem sie wohl immer in Verbindung steht.
BestandteileKernhüllen bestehen aus einer Zellkern:HülleNukleus:HülleKernhülleäußeren und einer inneren Kernmembran, zwischen denen sich die ca. 20 nm weite Perinuklearzisterne befindet (Abb. 2.34). Die beiden PerinuklearzisterneKernmembranen sind aus unterschiedlichen Proteinen Zellkern:MembranenaufgebautNukleus:Membranen. Die Kernmembranäußere Kernmembran trägt oft Ribosomen, der inneren Kernmembran liegt innen die Ribosom:KernmembranKernlamina (Lamina nuclearis) an, eine 30–100 nm dicke Schicht aus Lamina:nuclearisIntermediärfilamenten (den Kernlaminen, Kap. 2.6.3), die Kern und Filament, intermediäres:KernmembranKernhülle stabilisiert. Eigene Proteine verbinden innere Kernmembran mit Kernlamina und z. T. auch mit dem Heterochromatin. Ein Teil der Proteine der inneren Kernmembran ist mit Proteinen der äußeren Kernmembran verbunden, die ihrerseits mit allen Komponenten des Zytoskeletts verknüpft sind, die wiederum z. T. die Zellmembran erreichen – und von hier aus bestehen molekulare Verbindungen bis in die extrazelluläre Matrix! Die Kernhülle ist durch zahlreiche Kernporen (= Kernporenkomplexe) perforiert, äußere und innere Kernmembran gehen im Bereich der Kernporen ineinander über.
Kernporen = KernporenkomplexeDie Kernhülle enthält typischerweise 1.000–4.000 KernporenkomplexKernporen (Abb. 2.35, Abb. 2.36); bei wenig stoffwechselaktiven Zellen deutlich weniger. Die oktogonalen Porenkomplexe setzen sich aus mehreren Kopien von ca. 30 Proteinen zusammen, den Nukleoporinen. Sie bestehen aus folgenden, z. T. hypothetischen Komponenten (Abb. 2.36):
  • dem zentralen zylindrischen Porenkomplex, bestehend aus einem ca. 9 nm weiten und 15 nm langen zentralen Transportkanal (Säulenkomponente) und 8 radiären Speichen

  • einem inneren und einem äußeren oktagonalen Ring, die aus je 8 Proteinkomplexen bestehen

  • vom äußeren Ring ausgehenden (zytoplasmatischen) Proteinfibrillen

  • einer vom inneren Ring ausgehenden korbähnlichen Struktur, dem Kernkorb

StoffaustauschDurch die Kernporen hindurch gelangen Stoffe vom Stoffaustausch, KernporenkomplexZytosol in den Kern und umgekehrt. Dieser Austausch („trafficking“) ist sehr effektiv, bis zu 500 Makromoleküle werden pro Sekunde durch eine Pore geschleust. Kleinere Moleküle (< 5 kD) diffundieren dabei frei durch die Kernporen, größere Proteine werden an Rezeptoren gebunden und ein- bzw. ausgeschleust. Ein Beispiel für einen Kernimportrezeptor ist das Transportin (TRN). Der Im- und Export in und aus dem Kern ist Transportinprinzipiell gleichzeitig möglich. Er erfordert Energie, die in einem komplexen Prozess durch Hydrolyse von GTP durch die monomere GTPase Rau erzeugt wird:
  • Proteine mit Zielort Zellkern, z. B. Histone, sind mit einer Kernerkennungssequenz versehen. Spezifische, lösliche, zytosolische Kernimportrezeptoren binden diese Proteine und wandern mit ihnen „im Gepäck“ entlang der Porenwand durch die Kernporen in den Kern. Durch eine einzelne Pore können ca. 100 Histonmoleküle pro Minute geschleust werden. Im Kern dissoziiert der Rezeptor von seiner Fracht und kehrt ins Zytoplasma zurück.

  • Der Export aus dem Kern verläuft ähnlich: Die Moleküle haben ein Erkennungssignal, das sich mit exportierenden Rezeptoren verbindet. Auch hier kehrt der exportierende Rezeptor in den Kern zurück.

Im- und exportierende Rezeptoren werden von derselben Genfamilie codiert und gemeinsam Karyopherine genannt.

Chromatin

Chromatin ist ein Karyopherinemakromolekularer Komplex im Zellkern, der aus DNA, Histon- und anderen Proteinen besteht.
Aufbau
DNA und Histon-ProteineDer Chromatindoppelsträngige DNA-Faden bildet in der Interphase ein insgesamt ca. 2 m langes, auf 46 Chromosomen verteiltes feinfädiges Gebilde und kann nur im Zellkern untergebracht werden, wenn er komplex kondensiert und aufgeknäuelt ist. Dafür ist die DNA abschnittsweise um Histon-Proteine gewickelt. Histon-Proteine sind in der Histon-ProteinChromatin:AufbauEvolution sehr hoch konserviert, sie sind zudem in quantitativer Hinsicht die häufigsten Proteine der Zelle; jede Zelle enthält von jedem Histon-Proteintyp ca. 60 Millionen Moleküle. Jeweils 8 dieser basischen, d. h. positiv geladenen Proteine – je 2 Moleküle der Histone H2A, H2B, H3 und H4 – bilden ein scheibenförmiges, positiv geladenes Gebilde, das Histon-Oktamer (= Nukleosomenkern). Um dieses legt sich 1,7-mal die negativ geladene DNA-Doppelhelix. Die Histon-Proteine und die DNA bilden zusammen ein Nukleosom (Abb. 2.37). Durch die Nukleosomen verkürzt sichNukleosom die DNA um das 10.000- bis 50.000-Fache, sodass der Zellkern eine biologisch-funktionell handhabbare Größe behält. Histon H1 liegt dem Nukleosom seitlich an und nimmt Verbindung zum nächstfolgenden Nukleosom auf. Die zwischen Nukleosomen liegenden kurzen DNA-Abschnitte bezeichnet man als Linker-DNA. Sie sind „nackt“ und also nicht mit Proteinen Linker-DNAassoziiert. Nukleosomen und Linker-DNA bilden gemeinsam eine Chromatinfibrille. Diese ist während der Mitose stark Chromatinfibrillekondensiert und bildet in diesem Zustand ein Chromosom, im Interphasekern dagegen ist sie mehr oder weniger aufgelockert (dekondensiert). Man kann diese unterschiedlichen Kondensationszustände auch mit den Begriffen Interphase-Chromosom (aufgelockerte Chromatinfibrille) und mitotisches Chromosom (stark kondensierte Chromatinfibrille) bezeichnen. Wenn der Begriff Chromosom fällt, ist üblicherweise das gut sichtbare mitotische Chromosom gemeint.
Nicht-Histon-ProteineMit dem Nukleosom sind Nicht-Histon-Proteine, vor Nicht-Histon-Proteineallem wahrscheinlich Hunderte Enzyme, assoziiert, so z. B. Histon-Azetyltransferase, Histon-Deazetylase, Histon-Methyltransferase, Histonkinasen und ATPasen. Sie spielen eine wesentliche Rolle bei der Nukleosom-Ummodellierung (Abb. 2.38). Dieser Begriff bringt zum Ausdruck, dass die Nukleosomen dynamische Strukturen sind. Die DNA kann sich innerhalb von Millisekunden vom Nukleosomenkern abheben und auch sofort wieder an ihn anlegen. Das ermöglicht z. B. die Anlagerung oder Ablösung sequenzspezifischer DNA-Bindungsproteine an die DNA. Die chemische Modifikation von Histonen regelt also die Expression von Genen.
DNA-MethylierungBei Wirbeltieren können ca. 4 % der Zytosinreste DNA-Methylierungder DNA in 5-Methylzytosin umgewandelt werden, was die CG-Basenpaarung nicht berührt. Diese Methylierung inaktiviert Gene. Die Muster der Methylierung werden von Zellgeneration zu Zellgeneration weitergegeben. Bei allelen Genen kann eins methyliert, also inaktiv sein, während das andere nicht methyliert, also in transkriptionaler Hinsicht aktiv ist (Imprinting).
DNA-Methylierung und Histonmodifikationen Imprintingführen zu Unterschieden in den Genfunktionen, die nicht auf DNA-Unterschieden beruhen (Epigenetik).
Kondensationsgrad des Chromatins bzw. der Chromosomen
Eu- und HeterochromatinIm Interphasekern liegen die Chromosomen in aufgelockertem Zustand vor. Der Grad der Auflockerung ist aber unterschiedlich:
  • Stark aufgelockertes Chromatin (Abb. 2.39) wird Euchromatin genannt; seine Menge wechselt je nach Zelltyp, Euchromatinoft macht es die Mehrheit des Gesamtchromatins aus. Die DNA des Euchromatins wird in RNA umgeschrieben (transkribiert). Dabei entstehen alle RNA-Formen mit Ausnahme von ribosomaler RNA (rRNA), die im Nukleolus transkribiert wird (s. u.). Am Euchromatin entstehen also z. B. messenger-RNA (mRNA) und transfer-RNA (tRNA), die an der Proteinsynthese beteiligt sind, small nuclear RNAs (snRNAs), die u. a. am Splicing der prä-mRNA beteiligt sind, und small nucleolar RNA (snoRNA), die rRNA modifiziert.

  • Kondensiertes Chromatin (Abb. 2.39) wird Heterochromatin genannt; verzeinzelt kann es bis zu 90 % des HeterochromatinGesamtchromatins ausmachen. Die DNA des Heterochromatins wird nicht transkribiert. Die Nukleosomen sind besonders dicht gepackt, und hier treten Nukleosom:Heterochromatinauch besondere Proteine auf, die das Heterochromatin formen und erhalten.

Im histologischen Präparat ist die Trennung in Eu- und Heterochromatin immer sehr klar zu erkennen. Molekular ist die Trennung wohl weniger scharf. Das morphologische Muster, das Eu- und Heterochromatin in einem Kern bilden (Chromatinmuster), ist für die einzelnen Zelltypen recht konstant und typisch und ist ein sehr wichtiges diagnostisches Kriterium für das Erkennen eines Zelltyps.
Barr-KörperchenBei der Frau wird in den somatischen Zellen eines Barr-Körperchender beiden X-Chromosomen inaktiviert, während in der Keimzelllinie (Oozyten) beide aktiv bleiben. Welches der X-Chromosomen inaktiviert wird, bleibt dem Zufall überlassen. Das inaktive X-Chromosom ist in vielen Zellen als Barr-Körperchen an der inneren Kernmembran sichtbar, am Kern der Neutrophilen als Trommelschlägel.
Chromosomen
Die Chromatinfibrillen sind während der Mitose und Meiose maximal kondensiert und werden in diesem Zustand üblicherweise als Chromosomen bezeichnet. Nur in diesem Zustand sind sie im Mikroskop als Strukturen zu erkennen. Es sei wiederholt, dass man die aufgelockerte Phase der Chromatinfibrillen auch als Interphase-Chromosomen und die stark kondensierte Phase auch als Interphase-ChromosomChromosommitotische Chromosomen bezeichnen kann. Die Chromosomen nehmen auch Chromosom:mitotischesin der Interphase im Zellkern eigene Territorien ein, die sich nur wenig überlappen.
Zahl und Art der Chromosomen
Somatische ZellenIn den somatischen Zellen des Menschen finden sich 46 Chromosomen, die 23 Paare bilden (doppelter Chromosomensatz = diploider Zustand). Die jeweils zusammengehörigen 2 Chromosomen Diploidieeines Chromosomenpaars werden „homologe Chromosomen““ genannt und stammen von der Mutter bzw. dem Chromosom:homologesVater. Man unterscheidet 44 Autosomen (22 Autosomenpaare, die von 1–22 durchnummeriert Autosomwerden) und 2 Geschlechtschromosomen (Gonosomen: X und Y).

MERKE

Der KaryotypKaryotyp, d. h. Anzahl und Art der Chromosomen, lautet bei einer normalen Frau „46,XX“ und bei einem normalen Mann „46,XY“.

KeimzellenIn reifen Keimzellen Gonosomdes Menschen finden sich 23 KeimzelleChromosomen (einfacher Chromosomensatz = haploider Zustand). Diese 23 Chromosomen Chromosomensatz:einfacherenthalten das gesamte HaploidieGenom des Menschen. Das Genom umfasst nach derzeitigem Wissensstand insgesamt ungefähr 3,3 × 109 Basenpaare und besteht aus verschiedenartigen Regionen; es gibt nur ca. 21.000 proteincodierende Gene (ca. 2 % der DNA); der größte Teil der DNA ist also nicht proteincodierend, davon wird ein beachtlicher Teil in funktionelle RNA-Moleküle übersetzt (tRNA, rRNA, snRNA, miRNA, siRNA, „small interfering RNA“, „long noncoding RNA“, IncRNA); ca. 25 % der DNA umfassen Introns; ca. 45–50 % der DNA umfassen hochrepetitive DNA (DNA-Repeats), die zusammen auch als transposable Elemente bezeichnet werden und die ganz überwiegend von Retrotransposons abstammen.
Ein Chromosom besitzt ca. 700–4.000 Gene, wobei es kleine Gene aus z. B. 1.500 Basenpaaren und große Gene aus z. B. 2 Millionen Basenpaaren gibt. Bemerkenswert ist, dass es sehr viel mehr Proteine als proteincodierende Gene gibt. Diese Proteinvielfalt entsteht durch posttranskriptionale und posttranslationale Veränderungen.

Klinik

Anomalien der Chromosomenzahl entstehen durch Fehler bei den meiotischen Teilungen und sind für zahlreiche Aborte verantwortlich. Bei Monosomie liegt in der befruchteten Eizelle nur eines der homologen Chromosomen vor, z. B. beim Turner-Syndrom der Frau nur 1 X-Chromosom (45,X0). Bei Trisomien liegt ein bestimmtes Chromosom (z. B. Nr. 21 bei der relativ häufigen Trisomie 21 [Down-Syndrom]) in der befruchteten Eizelle in dreifacher Ausfertigung vor (47,XX+21).

Struktur der Chromosomen
ZentromerJedes Turner-Syndrom\bTrisomieMonosomieDown-Syndrom\bChromosom hat ein Zentromer. Hier liegt die ZentromersogChromosom:Struktur.Chromosom:Zentromer primäre Einschnürung, die das Chromosom in einen kurzen und einen langen Arm teilt. Hier werden die Schwesterchromatiden zusammengehalten und hier entsteht das Kinetochor, die Ansatzstelle der Kinetochormikrotubuli bei der Zellteilung. Das Zentromer ist also der DNA-Abschnitt, der bei der Zellteilung dafür sorgt, dass je eine der verdoppelten Chromatinfibrillen in eine Tochterzelle gelangt. Das Zentromer liegt in einem Heterochromatinabschnitt. Die Chromosomen 13, 14, 15, 21, 22 und Y heißen akrozentrisch, weil das Zentromer bei ihnen fast am akrozentrischChromosomenende liegt. Auf den kurzen Armen der akrozentrischen Autosomen (13, 14, 15, 21, 22) liegt die Nukleolus-Organisator-Region (NOR) mit rRNA-Genen. Hier entsteht nach der Nukleolus-Organisator-RegionKernteilung der Nukleolus (s. u.). Der distal von ihr gelegene Endabschnitt der kurzen Arme dieser Chromosomen wird Satellit genannt. Die DNA der Satellitenregion enthält keine Gene Satellitund ist polymorph.
TelomereDer Endabschnitt der Chromosomenarme heißt Telomer. Chromosom:TelomerDie Telomere Telomerbestehen aus einer nicht codierenden (keine Information für die Proteinsynthese enthaltenden), kurzen, sich häufig wiederholenden (repetitiven) Sequenz. Beim Menschen lautet diese Sequenz GGGTTA und wird gut 1.500-mal wiederholt. Bei jeder Replikation gehen einige Nukleotide am Telomer verloren. Solange dies nur die nicht codierenden Sequenzen der Telomere betrifft, hat dies keine Konsequenzen. Werden jedoch schließlich Teile von Genen nicht mehr repliziert, hört die Zelle (bei Fibroblasten nach ca. 30–50 Teilungsrunden) auf, sich zu teilen, tritt in den irreversiblen Zustand der replikativen Zellalterung („replicative cell senescence“) und stirbt irgendwann ab.
TelomeraseEmbryonale Zellen und Gewebestammzellen von Erwachsenen (z. B. im TelomeraseKnochenmark und in der Epidermis) exprimieren das Enzym Telomerase, das bei Mitosen verloren gegangene DNA-Sequenzen der Telomere ersetzt, sodass diese Zellen nicht vom Untergang durch Verbrauch der repetitiven Sequenzen ihrer Teleomere bedroht sind. Die üblichen Zellen des erwachsenen Menschen exprimieren die Telomerase nicht, sodass sich ihre Telomere schrittweise verbrauchen und die Zellen schließlich absterben (s. o.). Die ursprüngliche Länge der Telomere bestimmt möglicherweise auch die Lebensdauer jedes Individuums. Die Zellen einiger Tiere (z. B. Fische, Reptilien, manche Vögel) exprimieren die Telomerase ständig. Klinisch wichtig ist, dass auch bösartige Tumorzellen Telomeraseaktivität behalten und daher potenziell unsterblich sind. Bei manchen Tieren verkürzen sich die Telomere zwar in den ersten Lebensphasen, verändern sich dann aber jahrelang nicht mehr.
QuerbandenmusterWährend der Mitose zeigen Chromosomen nach Färbung mit QuerbandenmusterChromosom:Querbandenmusterverschiedenen Techniken ein spezifisches Querbandenmuster (Abb. 2.40): Nach Giemsa-Färbung mit kurzer Trypsinisierung entsteht die sog. G-Bänderung. Die G-Banden entsprechen spät replizierenden Bereichen bzw. heterochromatischen Abschnitten.

Nukleolus

Der Nukleolus (= Kernkörperchen) ist eine kleine, oft kugelige Struktur im NukleolusZellkern (KernkörperchenAbb. 2.2, Abb. 2.39), in der die beiden Untereinheiten der Ribosomen hergestellt werden, die dann im Zytosol zusammengesetzt werden. Er ist ein großer makromolekularer Komplex, der aus den ribosomalen RNA(rRNA)-Genen, Vorläufer-rRNA, reifer rRNA, rRNA-rRNA:Nukleolusprozessierenden Enzymen, ribosomalen Proteinen und weitgehend ausdifferenzierten ribosomalen Untereinheiten besteht. Beim Menschen liegen im diploiden Genom ca. 400 Kopien der rRNA-Gene vor. Sie sind auf 5 Paare homologer Autosomen (die akrozentrischen Autosomen, s. o.) verteilt und jeweils an einer sog. sekundären Einschnürung zur Nukleolus-Organisator-Region (NOR) zusammengefasst. Die Chromosomen liegen dicht beieinander, sodass auch im elektronenmikroskopischen Bild meist nur ein Nukleolus zu sehen ist.
AufbauStrukturell lassen sich im Nukleolus 3 Hauptkomponenten unterscheiden, die im transmissionselektronenmikroskopischen Präparat meist deutlich zu erkennen sind:
  • relativ helle fibrilläre Zentren: Sie bestehen aus dem Chromatin der NOR und aus RNA-Polymerase I.

  • eine dichte fibrilläre Komponente: Hier befinden sich Komplexe aus ribosomaler Prä-RNA und Proteinen, die die Prä-RNA in unterschiedlich große Teile zerschneiden. Die Proteine Nukleolin und Fibrillarin spielen hierbei eine Rolle. Die dichten fibrillären Komponenten umgeben die hellen fibrillären Zentren und können auch netzförmige Strukturen aufbauen, die Nucleolonema genannt werden.

  • eine granuläre Komponente: Sie entspricht weitgehend den fertigen – kleinen und großen – ribosomalen Untereinheiten.

Im Nukleolus kommt es zum Zusammenbau der rRNA und der ribosomalen Proteine. Letztere werden im rRNA:NukleolusZytosol synthetisiert und in den Kern importiert. Mit dem 18S-rRNA-Molekül lagern sich ca. 30 Proteine im Nukleolus zur kleinen ribosomalen Untereinheit (40S) zusammen. Mit den 5.8S-, 28S- und 5S-rRNA-Molekülen lagern sich ca. 50 Proteine im Nukleolus zur großen ribosomalen Untereinheit (60S) zusammen. Die 2 ribosomalen Untereinheiten verlassen getrennt den Kern und lagern sich erst im Zytoplasma zum Ribosom zusammen.
FunktionIm Nukleolus werden die rRNA-Gene durch die RNA-Polymerase I transkribiert und damit wird der Grundstein für die Bildung der Ribosomen gelegt. Je größer der Nukleolus ist, desto mehr Ribosom:NukleolusRibosomen gibt es und desto intensiver ist die Proteinsynthese. Der Nukleolus hat noch zusätzliche Funktionen, v. a. die Produktion der anderen RNA-Typen und Bildung anderer RNA-Protein-Komplexe.

Klinik

Bei der schwer verlaufenden Hautkrankheit Sklerodermie treten aus unbekannten Gründen Autoantikörper gegen nukleoläre Proteine, z. B. Nukleolin und Fibrillarin, auf.

Kernmatrix

Es gibt im Kern – außer Chromatin Sklerodermieund Nukleolus – Regionen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die dynamischen Charakter haben und in bestimmten Situationen auf- und abgebaut werden können. An der Entstehung solcher poröser und gelartiger Regionen sind vermutlich Proteine und besondere RNA-Moleküle beteiligt. So können sich z. B. in eigenen Kernregionen aktive Gene verschiedener Chromosomen konzentrieren, und in anderen Regionen sammeln sich inaktive Gene. Außerdem gibt es im Kern Strukturen, z. B. die Cajal-Körperchen, in denen spezifische Molekülkomplexe aus Proteinen Zellkern:MatrixNukleus:MatrixKernmatrixund Cajal-Körperchennicht codierenden RNA-Formen gespeichert und neu formiert werden, die eine Rolle beim RNA-Prozessieren und bei der Genexpression spielen. Im Zellkern wurde auch Aktin nachgewiesen, möglicherweise auch Myosin. Ob es ein eigenes Kerngerüst gibt, das z. B. die Chromosomen positioniert, ist umstritten.

Zytosol

Zur Orientierung

Das Zytosol ist die wässrige Grundsubstanz einer Zelle, in die alle Organellen und das Zytoskelett eingebettet sind. Viele Prozesse im Intermediärstoffwechsel finden im Zytosol statt.

Das Zytosol ist die flüssige zelluläre Grundsubstanz des Zytoplasmas, die bei Ultrazentrifugation aufgeschlossener Zellen als Überstand gewonnen wird. In das Zytosol sind Zytoskelett, Kern, Organellen und Einschlüsse eingebettet. Es enthält Ionen, kleine Moleküle und größere wasserlösliche Moleküle, vor allem Proteine. Der Proteingehalt des Zytosols beträgt ca. 20–30 %. Wegen der dichten Ansammlung von Makromolekülen spricht man besser von einem Gel als von einer Lösung. Die Viskosität kann z. B. den Motorproteinen so viel Widerstand entgegensetzen, dass sie erheblichen Kraftaufwand leisten müssen, um voranzukommen. Das Zytosol macht rund 50 % des Zellvolumens aus. Es ist u. a. Ort der Proteinsynthese und z. T. auch des Proteinabbaus, der Glykolyse und vieler Schritte des Intermediärstoffwechsels. Das Zytosol ist ein wichtiger Verkehrsraum z. B. für Ionenströme, den Austausch von Stoffen zwischen den Organellen oder den Transport von Vesikeln. Sein pH-Wert beträgt 7,2. Dieser pH-Wert wird durch Pumpen in der Zellmembran aufrechterhalten. Die Moleküle sind auch im Zytosol ständig in Bewegung und können dabei – trotz der Viskosität – hohe Geschwindigkeiten erreichen. Da sie aber ständig mit anderen Molekülen zusammenstoßen, ist die „effektive“ Fortbewegungsgeschwindigkeit mittels Lateraldiffusion sehr gering.

Zellorganellen

Zur Orientierung

Die Zellorganellen sind überwiegend membranbegrenzte Strukturen im Zytoplasma mit jeweils spezifischen Funktionen. Sie sind erst im Elektronenmikroskop klar analysierbar. Zu ihnen zählen:

  • das raue und das glatte endoplasmatische Retikulum

  • der Golgi-Apparat

  • die Lysosomen und Endosomen

  • die multivesikulären Körper

  • die Peroxisomen

  • die Mitochondrien

  • die Melanosomen

Nicht von einer Membran begrenzte Organellen sind z. B. Ribosomen, Zentriolen und Kinozilien.

Das Zytoplasma enthält einerseits membranbegrenzte, aber andererseits auch nicht von einer Membran begrenzte makromolekulare Strukturen mit spezifischen Funktionen, die „Zellorganellen“ genannt werden. Die typischen membranbegrenzten Organellen besitzen eine spezifische Ultrastruktur, die im elektronenmikroskopischen Präparat gut zu erkennen ist. Vermutlich leiten sich die Membranen der Organellen phylogenetisch von Einfaltungen oder Einstülpungen der Zellmembran her. Zu den nicht von einer Membran begrenzten Organellen zählen große makromolekulare Komplexe wie Ribosomen, Proteasomen, Zentrosomen, Zentriolen und Kinozilien. Es werden jetzt oft auch funktionell zusammenarbeitende Molekülkomplexe als Organellen bezeichnet, z. B. „Inflammasom“ und „Spleissosom“.

Ribosomen

Die Ribosomen sind die großen makromolekularen zytoplasmatischen Strukturen, an denen die Proteinsynthese stattfindet. In einer eukaryotischen Zelle gibt es bis zu 1 Milliarde Proteinmoleküle, die sich auf bis zu 10.000 verschiedene Proteine verteilen. In aktiven Zellen stellen ungefähr 10 Millionen Ribosomen diese Proteine her. Für den Aufbau eines Proteins benötigen sie meist nur einige Minuten.
AufbauRibosomen sind ca. 20–25 nm groß und kommen frei im RibosomZytoplasma vor oderRibosom:Aufbau sind mit der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) verknüpft (s. u.). Freie Ribosomen können zu membrangebundenen werden und membrangebundene Ribosomen können in das Zytoplasma zurückkehren. Freie und membrangebundene Ribosomen sind strukturell und funktionell gleichartig: Jedes Ribosom besteht insgesamt aus ca. 80 meist in der Peripherie liegenden Proteinen und 4 im Zentrum konzentrierten rRNA-Molekülen. Es besteht zu einem Drittel aus Protein und zu zwei rRNA:RibosomenDritteln aus rRNA. Proteine und rRNA verteilen sich auf 2 zunächst noch getrennte Untereinheiten: eine kleine (40S, S = Svedberg-Einheiten, die Maßangabe für den Sedimentationskoeffizienten) und eine große (60S). Die kleine Untereinheit besteht aus nur einem großen rRNA-Molekül und bindet mRNA, die die Information zur Aminosäuresequenz eines Proteins trägt. Mit Beginn der Proteinsynthese verbinden sich die beiden Untereinheiten zum kompletten Ribosom, das im Laufe des Aufbaus der Aminosäurenkette am langen mRNA-Molekül entlang wandert. Die benötigten Aminosäuren werden mithilfe der tRNA zur kleineren Untereinheit des Ribosoms gebracht. Die in der mRNA enthaltene genetische Information wird in die Aminosäurensequenz übersetzt (Translation). Die große Untereinheit katalysiert die Verknüpfung der Aminosäuren.
Synthetisierte ProteineFreie und membrangebundene Ribosomen haben zwar dieselbe Ribosom:ProteinsyntheseStruktur und Funktion, die an ihnen synthetisierten Proteine erfüllen jedoch unterschiedliche Aufgaben:
  • An freien Ribosomen gebildete Proteine werden im Zytoplasma, im Zellkern, in Mitochondrien und Peroxisomen benötigt.

  • An membrangebundenen Ribosomen gebildete Proteine sind für die Sekretion, die Zellmembran oder die Lysosomen bestimmt (s. u.).

Die Synthese der letztgenannten Proteine beginnt an einem freien Ribosom mit der Bildung eines Signalpeptids, das an ein Signalerkennungspartikel (SRP) bindet. Das SRP leitet das wachsende Protein mit dem Ribosom zur Membran des ER. Dort heftet sich das Ribosom, vermittelt durch den SRP-Rezeptor, an und synthetisiert hier das restliche Protein.
PolyribosomenRibosomen sind stets mit mRNA verbunden. Sind dabei mehrere Ribosomen mit Polyribosomeiner mRNA verknüpft, werden diese Ribosomengruppen (egal, ob im Zytoplasma liegend oder an der ER-Membran angeheftet) „Polyribosomen“ (Polysomen) genannt (Abb. 2.41).

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

PolysomDas ER ist ein in den einzelnen Zelltypen verschiedenartig angeordnetes System von membranbegrenzten Zisternen oder Schläuchen, die ins Zytosol eingebettet sind (Abb. 2.42). Wenn das ER außen mit Ribosomen besetzt ist, wird es ribosomenbesetztes oder raues ER (RER) genannt; fehlen ihm Ribosomen, heißt es glattes ER (GER). Das raue endoplasmatische Retikulum spielt eine wesentliche Rolle bei der Protein- und Lipidsynthese; hier entstehen auch die Lipide und fast alle Transmembranproteine der Organellen und der Zellmembran.
Raues endoplasmatisches Retikulum (RER)
Funktion
Retikulum, endoplasmatischesProteine, die von Ribosomen am RER gebildet werden, sind:Retikulum, endoplasmatisches:raues
  • für die Sekretion bestimmte Proteine, die zum Retikulum, endoplasmatisches:rauesGolgi-Apparat wandern, dort in Granula verpackt werden und weiter an die Zelloberfläche wandern, wo sie per Exozytose freigesetzt werden

  • lysosomale Enzyme, die ebenfalls über den Golgi-Apparat in die Lysosomen wandern

  • Membranproteine, die in die Zellmembran oder die Membran von Organellen transportiert werden

Im RER werden außerdem fast alle Lipide der Zelle gebildet, auch die Lipide des Milchfetts in den Drüsenzellen der Milchdrüse.
Proteinsynthese und Transport ins RERRetikulum, endoplasmatisches:rauesFür Proteine, die am RER synthetisiert werden sollen, wird zunächst ein an freien Ribosomen erstelltes Signalpeptid gebildet, das an ein Signalerkennungspartikel (SRP) bindet. Das SRP dirigiert die beteiligten Ribosomen ans RER und befestigt sie dort. Die dann fertiggestellten Proteine werden über spezifische, von einem Multiproteinkomplex aufgebaute hydrophile Porenstrukturen (Translokatoren) der RER-Membran in das Lumen des RER transportiert. Die genauen Transportmechanismen sind so vielfältig wie die Proteine, ihre Struktur und ihre Bestimmung. Wenn das Protein schon während des Translationsvorgangs am Ribosom in das RER-Lumen verbracht wird, spricht man von co-translationaler Translokation. Im Falle anderer Proteine geben freie Ribosomen ihr fertiges Protein zunächst ins Zytoplasma ab, von wo es dann mittels seiner Signalsequenz durch besondere Translokatoren ins Lumen des RER transportiert wird: posttranslationale Translokation. Zukünftige Transmembranproteine werden nicht in das Lumen abgegeben, sondern bleiben in der ER-Membran und werden in Form kleiner, abgeschnürter Vesikel – nach Passage durch den Golgi-Apparat – in die Zellmembran oder die Membran von Organellen inkorporiert.
ModifizierungIm RER-Lumen wird das Signalpeptid von einer Signalpeptidase abgespalten. Anschließend sind einige Modifikationsreaktionen möglich:
  • Disulfidbindungen werden gebildet.

  • Proteine werden unter Mithilfe von Faltungskatalysatoren (Chaperon-Proteinen) korrekt gefaltet.

  • Proteinuntereinheiten werden zu größeren Komplexen zusammengefügt.

  • Die Glykosylierung der Proteine beginnt.

  • Proteine können bereits im Lumen des RER wieder gespalten werden.

Glykosylierung und Spaltung finden noch verstärkt im Golgi-Apparat statt.
PrüfungDann wird geprüft, ob das Protein korrekt gefaltet ist und die Untereinheiten richtig zusammengelagert sind. Ist dies nicht der Fall, werden die Proteine zurückgehalten (als Aggregate oder an andere Komponenten gebunden) oder ins Zytosol zurücktransportiert und in Proteasomen abgebaut – oder sie werden zwar zunächst in den Golgi-Apparat transportiert, von hier aber in das RER-Lumen zurückgeschickt.
Erscheinungsbild
Das RER ist in den einzelnen Zellformen unterschiedlich entwickelt (Abb. 2.42, Abb. 2.43). In Drüsenzellen, die Eiweiße synthetisieren, füllen dicht gelagerte RER-Zisternen oft die ganze basale Zellhälfte (lichtmikroskopisch: basophiles ErgastoplasmaRetikulum, endoplasmatisches:raues) aus, so z. B. im exokrinen Pankreas (Abb. 2.44) oder in derErgastoplasma laktierenden Milchdrüse. In vielen großen Nervenzellen bildet das RER mehrere größere Membranstapel, die Nissl-Substanz genannt werden (Abb. 2.45) – benannt nach dem Heidelberger Nissl-Substanzund Münchner Neurologen und Psychiater Franz Nissl, 1860–1919.

Vorkommen

Das RER kommt in allen Zellen vor, in besonders umfangreicher Menge z. B. im exokrinen Pankreas (Abb. 2.44), in der Parotis und in der laktierenden Milchdrüse.

Glattes endoplasmatisches Retikulum (GER)
Funktion
Das GER hat verschiedenartige Aufgaben:Retikulum, endoplasmatisches:glattes
  • In Muskelzellen ist es Kalziumspeicher und baut inRetikulum, endoplasmatisches:glattes Skelett- und Herzmuskelzellen das longitudinale SR-System auf (SR: „smooth reticulum“, gemeint ist das GER in den quergestreiften Muskelzellen).

  • In den endokrinen Zellen des Ovars, der Hoden und der Nebennierenrinde enthält es Enzyme, die zusammen mit mitochondrialen Enzymen die Steroidhormone aufbauen.

  • In den Leberepithelzellen hat es entgiftende Funktionen: Medikamente oder Drogen werden in Anwesenheit von Cytochrom P-450, einer Familie von Oxidasen, hydroxyliert. Dadurch werden sie löslicher und können in der Niere leichter ausgeschieden werden. Bei Belastung mit Medikamenten – besonders bekannt ist die Belastung mit Barbituraten – nimmt das GER in den Leberzellen an Menge zu. Potenziell karzinogene Substanzen können durch die Hydroxylierung jedoch auch in aktive Karzinogene umgewandelt werden.

Erscheinungsbild
Das GER steht oft in kontinuierlicher Verbindung mit dem RER, kann aber auch unabhängig von ihm auftreten. Es bildet meist tubuläre Strukturen (Abb. 2.46), die in einzelnen Zellen, z. B. den Steroidhormon bildenden Zellen, das Zytoplasma weitgehend ausfüllen können. Hier sind Lipidtropfen, die das Ausgangsmaterial der Cholesterinsynthese enthalten, oft von vielen Lagen des GER umgeben.Retikulum, endoplasmatisches:glattes

Vorkommen

Das GER kommt in größerem Umfang in steroidproduzierenden Zellen, in Skelett- und Herzmuskelzellen und in variabler Ausbildung in Leberzellen vor.

Golgi-Apparat

Proteine, die im RER gebildet wurden, wandern mithilfe von COP-II-bedeckten Transportvesikeln zum Golgi-Apparat (nach Camillo Golgi [1843–1926, Pathologe, Pavia, 1906 Nobelpreis für Medizin] benannt), einem spezifischen Membrankomplex jeder Zelle. Im Golgi-Apparat werden die Proteine strukturell modifiziert, d. h. phosphoryliert, sulfatiert, glykosyliert (oder in ihrer Glykosylierung verändert) und nach Zielorten sortiert.
AufbauDer Golgi-Apparat besteht aus einem Stapel Golgi-Apparatmembranbegrenzter Golgi-Apparat:AufbauZisternen (Abb. 2.47) und diesen funktionell zugeordneten kleinen Vesikeln. Eine Seite des Membranstapels ist oft konvex gewölbt und nimmt die Vesikel aus dem RER auf. Dieser cis-Seite liegt die – oft konkave – trans-Seite gegenüber, wo das modifizierte Protein in Vesikel oder Sekretionsgranula verpackt wird. Die trans-Seite ist oft besonders stark in Zisternen und unterschiedlich große Vesikelstrukturen aufgegliedert und wird auch Trans-Golgi-Netzwerk (TGN) genannt. Ist die cis-Seite komplex strukturiert, spricht Trans-Golgi-Netzwerkman vom Cis-Golgi-Netzwerk (CGN). In der Mitte zwischen den beiden Seiten liegen mediale Cis-Golgi-NetzwerkZisternen. Der gesamte polare Aufbau des Golgi-Apparats wird von Mikrotubuli, Aktinfilamenten und einem dynamischen Gerüst von Matrixproteinen aufrechterhalten.
StofftransportVom Golgi-Apparat aufgenommene Proteine werden schrittweise Stofftransport:Golgi-ApparatvonGolgi-Apparat:Stofftransport der cis- zur trans-Seite umgebaut und modifiziert (prozessiert). Zum Stofftransport durch den Golgi-Apparat existieren 2 Hypothesen:
  • Die Zisternen sind weitgehend stationäre Strukturen. Stoffe werden mittels lateral abgeschnürter Vesikel transportiert (Abb. 2.48a).

  • Die Zisternen selbst wandern von der cis- zur trans-Seite und werden auf der cis-Seite aus Vesikeln des RER ständig neu gebildet (Abb. 2.48b).

Sicher ist, dass lateral am Golgi-Apparat zu findende Vesikel Stoffe von der trans- zur cis-Seite zurücktransportieren. Zu diesen Stoffen gehören z. B. Enzyme, die benötigt werden, um die aus dem RER kommenden Proteine zu modifizieren. Es können sogar Proteine aus dem RER, die bis zur trans-Seite gelangt sind, zum RER zurücktransportiert werden.
Ein Beispiel für die spezifische Funktion des Golgi-Apparats ist die Phosphorylierung eines Mannoserests in Glykoproteinen am C6-Atom zu Mannose-6-Phosphat, die die Glykoproteine für den Zielort „Lysosom“ markiert. In der trans-Region binden die so markierten Proteine an Mannose-6-Phosphat-Rezeptoren und werden in Vesikel aufgenommen, die sie zu Endosomen (Kap. 2.4.4) transportieren. In der Umgebung des Golgi-Apparates kommen Typ-VI-Myosin-Motorproteine vor.
VorkommenGolgi-Apparate liegen meistens in der Nähe des Zellkerns und sind in Drüsenzellen besonders groß, sie verpacken die Sekrete in Granula (Abb. 2.49). In manchen Zellen, z. B. den multipolaren Neuronen im Vorderhorn des Rückenmarks, treten mehrere Golgi-Apparate auf (Abb. 2.50), die dann manchmal als Diktyosomen bezeichnet werden.

Vorkommen

Alle Zellen. Drüsenzellen haben besonders große Golgi-Apparate. In großen Zellen, z. B. in Leberzellen und in den multipolaren Neuronen im Vorderhorn des Rückenmarks, treten mehrere Golgi-Apparate auf.

Lysosomen – Endosomen

Lysosomen sind Diktyosommembranbegrenzte, morphologisch heterogene, zumeist aber kugelige ZellorganellenLysosom (Abb. 2.51, Abb. 2.52), die durch ihren Gehalt an löslichen sauren Hydrolasen und ihren sauren pH-Wert von ca. 5 gekennzeichnet sind. Beides haben sie mit den Endosomen gemeinpH-Wert:Lysosomen (s. u.), aus denen sie entstehen. Lysosomen dienen primär dem Abbau aufgenommener Stoffe, wobei die Abbauprodukte eine wichtige Aufgabe im Stoffwechsel erfüllen können. Möglicherweise sind sie für die phylogenetisch ersten Euzyten das wichtigste Verdauungsorganell gewesen, das der Ernährung diente. Der saure pH-Wert wird mittels einer ATP-abhängigen membranständigen Protonenpumpe geschaffen. Ähnliche Protonenpumpen finden sich in späten Endosomen und vielen Transport- und Sekretionsvesikeln, deren Inhalt angesäuert ist.
Lysosomale Enzyme, Lysosomenmembran
Saure HydrolasenEs sind 40–50 lysosomale saure Hydrolasen bekannt, z. B. Proteasen (Lysosom:HydrolasenCathepsine), Lipasen, Esterasen, Nukleasen, HydrolaseNukleotidasen, Glykosidasen, Glukuronidasen, saure Phosphatasen (Abb. 2.52a), Sulfatasen, Elastase und Kollagenasen, die ihr Aktivitätsoptimum im sauren Bereich haben und die alle wichtigen Substrate abbauen und verdauen können. Diese Enzyme sind stark glykosyliert, tragen also einen Zuckermantel, der sie vor dem Angriff der auch im Lysosom vorkommenden Proteasen schützt. Die Lysosomenmembran enthält außer der Protonenpumpe auch einen Chloridkanal und Lysosom:MembranTransportproteine (lysosomales Glykoprotein A und B), die Abbauprodukte aus dem Lysosom in das Zytoplasma verlagern, wo sie für Syntheseprozesse wiederverwendet werden können. Dies betrifft z. B. Aminosäuren und Zucker. Die Proteine der Lysosomenmembran sind ebenfalls in hohem Maße glykosiliert, was sie gegen Angriffe der Hydrolasen im Lumen schützt. Falls einmal in der Lysosomenmembran ein Leck entsteht, gelangen zwar lysosomale Enzyme ins Zytosol, richten dort aber keinen großen Schaden an, da sie bei einem pH-Wert von ca. 7,2 im Zytosol nur wenig aktiv sind.
Transport der sauren Hydrolasen zu den EndosomenDie lysosomalen Enzyme sind Glykoproteine und werden im RER synthetisiert. Von hier gelangen sie mittels vesikulären TransportsTransport:vesikulärer in den Golgi-Apparat, wo ihre Mannosereste phosphoryliert werden. Die so entstandenen Mannose-6-Phosphat(M6P)-Gruppen werden im Trans-Golgi-Netzwerk von einem M6P-Rezeptor-Protein erkannt. Dieses Protein hilft, die Hydrolasen zu sortieren und in Transportvesikel zu verpacken, die sich vom Trans-Golgi-Netzwerk ablösen. Die Vesikel werden öfter auch primäre Lysosomen genannt, sind clathrinbedeckt und wandern i. A. zu frühen Endosomen, wo sie ihren Inhalt, die Hydrolasen, abliefern. Die Vesikel wandern mit dem M6P-Rezeptor zurück zum Trans-Golgi-Netzwerk und der Kreislauf beginnt von vorn. Der Rezeptor wird bei diesem Hin- und Rücktransport immer wieder verwendet.
Endosomen
Endosomen sind vesikuläre Organellen, die in enger funktioneller Beziehung zu den Lysosomen stehen. Sie verschmelzen mit Transportvesikeln lysosomaler Enzyme und besitzen den Mannose-6-Phosphat-Rezeptor (M6P-Rezeptor).
Frühe EndosomenDie frühen Endosomen Mannose-6-Phosphat-RezeptorEndosomentwickeln schon einen leicht sauren pH-Wert (6,5–6), ihre Endosom:frühesHydrolasen sind aber zu erheblichem Anteil noch inaktiv.pH-Wert:Endosomen Sie differenzieren sich, nachdem sie die Hydrolasen aus dem Golgi-Apparat empfangen haben und Protonenpumpen in ihrer Membran aktiv werden, innerhalb von 10–15 Minuten zu späten Endosomen. Manche Komponenten, die in die frühen Endosomen aufgenommen werden, z. B. viele der Membranrezeptoren, an die abzubauende Stoffe gebunden waren, werden mit Vesikeln, die von der Membran der frühen Endosomen abknospen, wieder zurück an die Zelloberfläche transportiert und nicht in späten Endosomen oder Lysosomen abgebaut. Der mild-saure Inhalt der frühen Endosomen fördert die Lösung der Liganden vom Rezeptor.
Multivesikuläre KörperAuf dem Weg vom frühen zum späten Endosom entsteht ein eigentümliches und Körper:multivesikulärernoch nicht voll verstandenes Zwischenstadium, der multivesikuläre Körper (Kap. 2.4.6).
Späte EndosomenIn den späten Endosomen liegt der pH-Wert bei 5–6 und es sind schon Endosom:spätesAbbauprodukte in ihren Lumen erkennbar. Aber auch in ihnen sind die Hydrolasen z. T. noch inaktiv. Die M6P-Gruppe der Hydrolasen verliert im sauren pH der (späten) Endosomen ihren Phosphatanteil. Späte Endosomen entwickeln sich zu typischen ausgereiften Lysosomen (Abb. 2.52b, c) oder verschmelzen mit schon existierenden typischen Lysosomen zu Gebilden, die auch Endolysosomen genannt werden. Oft sind späte Endosomen nicht wirklich von Lysosomen zu Endolysosomunterscheiden. In ihnen werden z. B. aufgenommene Makromoleküle vollständig abgebaut. Ein eigenes clathrinbedecktes Vesikelsystem transportiert übrigens lysosomale Membranproteine vom Trans-Golgi-Netzwerk zu den schon ausgereiften Lysosomen.
Typische Lysosomen sind also das ausgereifte Endstadium einer kontinuierlichen Entwicklungsreihe eines funktionellen Organellenkomplexes, der den Abbau von Stoffen übernimmt. Wenn solche Lysosomen keine Inhaltsstoffe mehr abbauen können, geben sie ihren nicht weiter verdaubaren Inhalt entweder in den Extrazellulärraum ab oder bleiben mit diesem Inhalt in der Zelle liegen und werden dann zu Telolysosomen (Residual- oder Abbaukörper). Diese können in langlebigen Zellen (z. B. NervenTelolysosom- oder Herzmuskelzellen) im Laufe des Lebens akkumulieren und treten dann als bräunliche oder gelbliche Felder im Zytoplasma hervor. Man nennt solche Anhäufungen auch Alterspigment oder Lipofuszin.

MERKE

Im Prinzip werden frühe Endosomen graduell zu typischen Lysosomen umgewandelt, was sich im Begriff „Endosomen-Lysosomen-System“ widerspiegelt.

Funktionen
Abbau von MakromolekülenAlterspigmentHauptfunktion der LipofuszinLysosomen ist der Abbau von Makromolekülen, die durch rezeptorvermittelte Endozytose Lysosom:Funktionenin die Zelle gelangt sind (Abb. 2.18, Abb. 2.53), z. B. des Low Density Proteins, das Cholesterin transportiert. Diese Makromoleküle werden mitsamt dem Zellmembranrezeptor, der die Endozytose vermittelt hat, in Endozytosevesikeln in die Zelle aufgenommen. Die Endozytosevesikel geben ihren Inhalt an frühe Endosomen (pH 6,5) ab, die sich zu späten Endosomen- und Lysosomen weiterentwickeln können. Der Inhalt typischer Lysosomen ist heterogen (Abb. 2.52b; daher auch „Heterolysosomen“), weil sie nicht weiter verdaubare Reste enthalten, und ihr pH liegt bei ca. 5. Endpunkt der Entwicklung sind Residualkörper (Telolysosomen, s. o.). Diese haben häufig eine im Lichtmikroskop gut erkennbare bräunliche Eigenpigmentierung und enthalten Lipide, die oft nur unvollständig abgebaut werden können (Abb. 2.52c, Abb. 2.67). Deshalb heißen Residualkörper auch Lipofuszinkörner (lat. fuscus = schwarzbraun).
StoffwechselIn Lysosomen der LipofuszinSchilddrüsenepithelzellen werden die Stoffwechsel:LysosomSchilddrüsenhormone Lysosom:StoffwechselT3 und T4 aus dem Speicherprotein Thyroglobulin freigesetzt. In den proximalen Nierentubuli nehmen die Lysosomen die kleinen Proteine (z. B. Kappa-Ketten der Immunglobuline) auf, die im Glomerulus filtriert und von den Tubulusepithelzellen mittels Endozytose in die Zelle rückresorbiert wurden. Solche Proteine werden abgebaut und die resultierenden Aminosäuren dem Organismus wieder zur Verfügung gestellt.
PhagozytoseIn Lysosomen können auch ganze Zellen oder Krankheitserreger, z.Phagozytose:Lysosom B. Lysosom:PhagozytoseBakterien, abgebaut werden. Makrophagen besitzen dementsprechend ein hochentwickeltes Lysosomensystem. Das Bakterium wird durch Phagozytose in ein sog. Phagosom aufgenommen, das, sobald es im Zytoplasma liegt, lysosomale Enzyme aufnimmt und dann Phagolysosom genannt wird. Mit fortschreitendem Abbau des Bakteriums entsteht ein typisches Lysosom (Abb. 2.18). Die Phagozytose wird dadurch erleichtert, dass die Bakterien mit Antikörpern und Komplement bedeckt sind. Für das Abtöten der aufgenommenen Bakterien wesentlich ist der sog. „respiratory burst“ („oxidative burst“). Der „respiratory burst“ ist durch die respiratory burstexplosionsartige Freisetzung von Sauerstoffradikalen (O2, H2O2, OH, HOCl) gekennzeichnet, bei deren Entstehung die nicht mitochondriale NADPH-Oxidase die wesentliche Rolle spielt.

Klinik

Manche Bakterien, z. B. Nokardien, haben Mechanismen entwickelt, in Phagosomen zu überleben, sie können u. a. die Fusion von Phagosomen und Lysosomen verhindern.

AutophagieUnter Autophagie versteht man den Abbau zelleigener Bestandteile Lysosom:Autophagiemithilfe von Lysosomen. So Autophagiekönnen im Rahmen von Umbauten in einer Zelle Organellen oder ganze Zytoplasmaanteile abgebaut werden, z. B. Hormongranula in den Prolaktinzellen des Hypophysenvorderlappens, wenn akut abgestillt wird. Auch beim Umbau von Drüsenzellen, z. B. in der Milchdrüse nach der Laktation, sind Lysosomen zentral beteiligt. In Leberzellen leben Mitochondrien meist nur ca. 10 Tage und werden dann mittels Autophagie abgebaut. Bei Hunger können so sogar intrazelluläre Energiespeicher in Lysosomen abgebaut werden. Die abzubauende Fracht wird in ein spezielles Vesikel eingeschlossen, dessen Wand aus einer Doppelmembran besteht und das Autophagosom genannt wird. Dieses verschmilzt dann mit einem Lysosom auf komplexe Art und Weise zu einem Autolysosom. Die innere Membran der Doppelmembran wird rasch abgebaut; Bestandteile des eingeschlossenen und verdauten Materials werden dem Zellstoffwechsel wieder zu Verfügung gestellt. Die Herkunft der eigentümlichen Doppelmembran der Autophagosomen ist noch unbekannt.

Vorkommen

In allen Zellen (außer den Erythrozyten), besonders zahlreich in Makrophagen, Neutrophilen, Leberzellen, Epithelzellen des proximalen Nierentubulus, Enterozyten des Dünndarms, Follikelepithelzellen der Schilddrüse und vielen Nervenzellen.

Klinik

Es gibt gut 30 Krankheiten, die auf genetischer Basis durch lysosomale Defekte bedingt sind: lysosomale Speicherkrankheiten, z. B. Mukopolysaccharidosen, Lipidspeicherkrankheiten, Mukolipidosen, Glykogenspeicherkrankheiten u. a. Meist fehlt ein bestimmtes funktionstüchtiges Enzym, sodass sich nicht abgebaute Substrate langsam in den Lysosomen ansammeln. Viele dieser Krankheiten gehen mit geistiger Behinderung einher, viele verlaufen früh tödlich.

Multivesikuläre Körper

AufbauMultivesikuläre Körper sind größere membranbegrenzte Vakuolen, die kleine Vesikel enthalten (Abb. 2.54). Es handelt sich hierbei wahrscheinlich um eine besondere Form der späten Endosomen. Endosom:spätesNicht mehr gebrauchte, abzubauende Proteine der Zellmembran, z. B. Körper:multivesikulärer\bRezeptoren von Liganden oder fest verbundene Ligand-Rezeptor-Komplexe, die in Lysosomen abgebaut werden sollen, können mittels vesikulären Transports zu frühen Endosomen gebracht und in deren Membran eingebaut werden. Daraufhin stülpen sich Membranbereiche der Endosomen mit den eingelagerten Zellmembranproteinen ins Innere der – nun schon späten – Endosomen ein, schnüren sich ab und flottieren dann als kleine Vesikel im Lumen. Die nun multivesikuläre Körper genannten Strukturen wandern dann auf Lysosomen zu, mit denen sie verschmelzen. Nur wenn die abzubauenden Moleküle in die Lysosom:multivesikuläre KörperMembran solcher Vesikel eingebaut sind, können sie von den sauren Hydrolasen der Lysosomen vollständig zerlegt werden (Abb. 2.53).
FunktionenMultivesikuläre Körper sind wohl besondere Transportstrukturen für abzubauende Proteine vor allem der Zellmembran. Sie sind wahrscheinlich nur eine besondere Form der Endosomen und gehören somit zum lysosomalen System (s. o.). Ihre Funktion ist aber noch nicht in jeder Hinsicht verstanden. Aus den multivesikulären Körpern können sich auch noch Vesikel nach außen abschnüren, die zur Zellmembran zurückwandern.

Vorkommen

Es gibt Zellen, in denen sie regelmäßig und recht zahlreich vorkommen, z. B. in Hepatozyten und den Epithelzellen des Ductus epididymidis.

Aus multivesikulären Körpern können wahrscheinlich auch Exosomen hervorgehen. Hierbei handelt es sich um 30–100 nm große Vesikel, die von manchen Zellen freigesetzt werden. VonExosom klinischem Interesse ist, dass auch bösartige Tumorzellen solche Exosomen freisetzen, die vermutlich Stoffen enthalten, die sie vor dem Zugriff des Immunsystems schützen.

Proteasomen

AufbauDas Proteasom ist ein großer tonnen- oder fassförmiger Proteasenkomplex im Zytosol, der aus 28 Untereinheiten besteht und unter ATP-Verbrauch zytosolische und nukleäre Proteine abbaut, die durch Ubiquitin markiert sind oder durch andere Veränderungen gekennzeichnet wurden. DieProteasom abbauenden Ubiquitin, ProteasomMolekülstrukturen finden sich im Inneren des fassförmigen Proteasoms, sodass das Zytosol gegen unkontrollierten Abbau geschützt ist. Der Eingang ins Proteasom erfolgt reguliert. Das Proteasom ist im Gegensatz zu den Lysosomen nicht von einer Membran begrenzt. Man schätzt, dass es in einer Zelle ca. 30.000 Proteasomen geben kann.
FunktionenProteasomen bauen aberrante, überflüssige und auch virale Proteine ab. Wichtig ist auch, dass sie rasch funktionslose Regulatorproteine, z. B. Zykline, abbauen. Sie spielen eine wichtige Rolle im Rahmen der Immunität beim Abbau zytosolischer Proteine, deren Fragmente durch die TAP-Proteine ins RER transportiert werden. Hier verbinden sie sich mit den MHC-Klasse-I-Proteinen in der Membran des RER. Dieser Komplex wandert durch den Golgi-Apparat zur Zelloberfläche, wo er Erkennungsstruktur für die CD8-positiven T-Lymphozyten ist.

MERKE

Proteasomen bauen vorwiegend zelleigene – zytosolische und nukleäre – Proteine ab; Lysosomen bauen überwiegend in die Zelle aufgenommene Stoffe ab.

Klinik

Bei seltenen Formen des familiären Morbus Parkinson ist die Ubiquitinylierung teilweise gestört. Dadurch akkumulieren bestimmte Proteine, u. a. das präsynaptische α-Synuklein, und die Zellfunktion ist gestört.

Anulierte Lamellen

Anulierte Lamellen sind seltene Organellen, die z. B. in sich schnell teilenden Zellen, wie frühen Stadien der Keimzellen und manchen Krebszellen, auftreten. Es handelt sich um Stapel parallel angeordneter, flacher membranbegrenzter Zisternen, in deren Verlauf Poren auftreten (Abb. 13.45). Dies erinnert an die Kernhülle mit ihren Poren, und es gibt die Vermutung, dass solche anulierten Membranen Vorstufen von Kernhüllen oder Speicherorte von RNA sind.

Peroxisomen

Aufbau
Peroxisomen sind membranbegrenzte, oft kugelförmige Lamelle:anulierteOrganellen. Sie entstehen primär durch einen Abschnürungsprozess aus dem ER. Dabei bilden sich zuerst noch unreife (Vorläufer-)Vesikel, die weiter ausreifen oder mit schon existierenden ausgereiften PeroxisomenPeroxisom verschmelzen können. Vesikel:PeroxisomenPeroxisomen können sich vermutlich in 2 Tochterperoxisomen teilen. Im Transmissionselektronenmikroskop haben Peroxisomen einen feingranulären homogenen Inhalt (Abb. 2.55), in Transmissionselektronenmikroskopie:Peroxisomenden bei manchen Säugetieren, nicht aber bei Mensch und Tierprimaten, eine scharf begrenzte kristalline Struktur eingelagert ist, die aus Uratoxidase besteht.
Funktionen
OxidationPeroxisomen enthalten oxidative Enzyme, Oxidasen, die z. B. Fettsäuren abbauen. In der Leber sind PeroxisomenPeroxisom:<03B2>-Oxidation besonders an der β-Oxidation der Fettsäuren beteiligt (diese β-Oxidation erfolgt bei Säugetieren sowohl in Mitochondrien als auch in Peroxisomen). In Peroxisomen findet auch die α-Oxidation der ungeradzahligen Fettsäuren statt. Viele der Oxidationsprozesse führen zur Bildung von H2O2. Dieses giftige Produkt wird durch peroxisomale Katalase beseitigt. Die Entgiftung von Alkohol ist oft an diese Katalaseaktivität gekoppelt.

MERKE

Peroxisomen sind Organellen, die mit molekularem Sauerstoff organische Moleküle oxidieren. Sie besitzen außerdem Enzyme, die H2O2 auf- oder abbauen.

LipidstoffwechselBei der Oxidation von langkettigen Fettsäuren in Peroxisomen entstehen Azetylgruppen, die in das Zytosol gelangen und hier z. B. für die Synthese von Cholesterin verwendet werden. Peroxisomen sind aber auch an der Synthese komplexer Lipide beteiligt, z. B. der Plasmalogene (Phospholipide) in der Myelinscheide und in den Talgdrüsen.
Synthese peroxisomaler ProteineDie Proteine in den Peroxisomen werden an zytosolischen Ribosomen synthetisiert. Sie besitzen eine Signalsequenz (SerinPeroxisom:Proteinsynthese-Lysin-Leucin), die sie für den Transport in die Peroxisomen kennzeichnet. Gut 20 Proteine, die Peroxine, sind am Transport in die Peroxisomen beteiligt. Die Membran der Peroxisomen besitzt einen Translokator aus mindestens 6 solchen Peroxinen.
Vorkommen
Peroxisomen passen sich schnell an unterschiedliche physiologische Bedingungen an, ihr Enzymgehalt variiert je nach Zelltyp. Sie sind besonders zahlreich in der Leber, wo sie an einer Reihe von Stoffwechselprozessen beteiligt sind. In der Leber und den Nierentubuli bauen sie eine ganze Reihe von giftigen Substanzen ab, die in das Blut eingedrungen sind.

Vorkommen

Alle Zellen, besonders zahlreich in der Leber, den proximalen Nierentubuli und in den Talgdrüsen der Haut.

Klinik

Einzelne Krankheitsbilder, z. B. das autosomal-rezessive Zellweger-Syndrom, sind dadurch gekennzeichnet, dass funktionsfähige Peroxisomen fehlen. Langkettige Fettsäuren akkumulieren im Gewebe, was zu verschiedenen neurologischen Symptomen und frühem Tod in der Kindheit führt.

Mitochondrien

Mitochondrien versorgen die Zelle mit Energie. Sie beherbergenZellweger-Syndrom die Enzymsysteme für die oxidative Phosphorylierung, die zur Bildung von ATP führt. ATP ist die Energiequelle für zahllose Prozesse in der Zelle. In stammesgeschichtlicher Hinsicht handelt es sich bei diesen semiautonomen Organellen (mit eigener ringförmiger DNA und eigenen ca. 15–20 nm großen Ribosomen) um ehemalige aerobe Prokaryoten, die als Symbionten in die eukaryotische Zelle aufgenommen wurden (EndosymbiontenMitochondrien-Theorie). DNA-Prokaryot:MitochondrienSequenzvergleiche lassen vermuten, dass Mitochondrien sich von fotosynthetischen Purpurbakterien herleiten, die jedoch zuvor die Fähigkeit zur Fotosynthese verloren hatten. Purpurbakterien sind heute noch weitverbreitet.
Mitochondrien sind sehr dynamische Strukturen, die sich ständig lebhaft bewegen, ihre Gestalt verändern, sich teilen und miteinander verschmelzen können. Die Bewegungen lassen sich mithilfe von Vitalfarbstoffen wie z. B. Janus-Grün sichtbar machen. Dynaminverwandte Proteine und vermutlich auch Aktin spielen eine Rolle bei der Teilung, die wohl im Bereich der Innenmembran beginnt. Dynamin ist eine GTPase, die auch bei der Abschnürung von Endozytose- und anderen Vesikeln – z. B. aus der Dynamin, MitochondrienZellmembran und aus der Membran von Trans-Golgi-Zisternen – mitwirkt. Abgestorbene Mitochondrien werden mittels Autophagie abgebaut.
Mitochondrien spielen auch eine Rolle bei der Apoptose (Kap. 2.2.2): Das Protein Bax veranlasst Cytochrom c, ein essenzielles Apoptose:Mitochondrienmitochondriales Enzym, aus Mitochondrien:Apoptoseden Mitochondrien in das Zytoplasma überzutreten, wo es Proteasen aktiviert, die zum Zelltod führen.
Aufbau
Gestalt, Größe und Zahl der Mitochondrien in einer Zelle und in verschiedenen Zelltypen sind recht variabel. Mitochondrien besitzen aber im Gegensatz zu anderen Organellen kennzeichnenderweise 2 begrenzende Membranen, eine glatte Außenmembran und eine Innenmembran. Zwischen ihnen liegt der intermembranöse Raum (Abb. 2.56):
  • Die Innenmembran bildet leistenförmige Falten (Cristae) oder röhrenförmige Mitochondrien:AufbauAusstülpungen (Tubuli), die in das Innere der Organellen vorspringen. Dementsprechend werden 2 Typen von Mitochondrien unterschieden: In den meisten Zellen sind Mitochondrien vom Crista-Typ anzutreffen (Abb. 2.57, Abb. 2.58a); z. B. in steroidbildenden Zellen finden sich jedoch meistens Mitochondrien:Crista-TypMitochondrien vom Tubulus-Typ (Abb. 2.58b). An der sehr proteinreichen Innenmembran sitzen u. a. kleine Proteinkomplexe, die Mitochondrien:Tubulus-TypElementarpartikel genannt werden (s. u.). Die Innenmembran enthält außerdem verschiedene Translokatoren.

  • Die Außenmembran enthält Translokatoren und zahlreiche Porine, fassförmige Proteine mit jeweils einer Pore, die für Ionen und Metaboliten bis zu einer Größe von 5 kD permeabel sind.

  • Innen- und Außenmembran berühren sich an einigen Stellen. Dort bilden Translokatoren der inneren und der äußeren Membran einen funktionell zusammenarbeitenden Komplex. Die Translokatoren der Innenmembran werden mit der Abkürzung TIM, die der Außenmembran mit der Abkürzung TOM bezeichnet.

  • Der intermembranöse Raum setzt sich auch ins Innere der Cristae bzw. Tubuli fort.

Der Raum im Inneren der Mitochondrien enthält die mitochondriale Matrix.

MERKE

Mitochondrien: Außen- und Innenmembran, intermembranöser Raum; Innenmembran bildet Leisten (Crista-Typ) oder Röhren (Tubulus-Typ).

Funktionen
InnenmembranDie innere Mitochondrienmembran ist die proteinreichste Membran im Organismus. Sie enthält die Enzyme der Atmungskette und die ATP-Synthase. Im Verlauf des Elektronentransports entlang der Atmungskette entsteht Energie, mit deren Hilfe Protonen aus der Matrix in den intermembranösen Raum gepumpt werden, wodurch ein Protonengradient entsteht. Der Protonenstrom aus der Matrix in den intermembranösen Raum hat einen pH-Gradienten (ist in der Matrix etwas höher als im intermembranösen Raum und Zytosol) und einen Spannungsgradienten zur Folge. Zusammen entsteht ein elektrochemischer Protonengradient. Die Protonen fließen diesem Gradienten entsprechend durch einen Protonenkanal in der Innenmembran in die Matrix zurück. Dieser Kanal ist Teil eines großen Proteinkomplexes und wird auch F0-Untereinheit genannt. Ein weiterer wesentlicher Teil des Komplexes ist die ATP-Synthase, die ein köpfchenartiges Gebilde innen an der Innenmembran bildet, das auch F1-Untereinheit oder Elementarpartikel genannt wird. Beim Strom der Protonen durch die ATP-Synthase entsteht ATP aus ADP Mitochondrien:Funktionenund anorganischem Phosphat. ElementarpartikelWeitere Komponenten des Komplexes sind ein Rotor, ein rotierender Stiel und ein Arm, der die ATP-Synthase hält. Die ATP-Synthase gibt es auch in der Membran von Bakterien und in den Chloroplasten der Pflanzen.
AußenmembranDurch die Porine gelangen kleine Moleküle in den intermembranösen Raum, den Import von Proteinen in die Matrix übernehmen die Translokasen.
MatrixDie Matrix enthält viele verschiedene Enzyme und Enzymkomplexe. Hier finden die ersten Schritte der Mitochondrien:MatrixHämoglobinsynthese statt, hier befinden sich die Enzyme des Zitratzyklus, der β-Oxidation der Fettsäuren u. v. a. Die Matrix ist auch Pufferraum für Kalzium.
Mitochondriales Genom
In der Matrix kommen des Weiteren DNA, Ribosomen und andere Komponenten der Proteinsynthese vor. Die mitochondriale DNA ist wie bei Bakterien ringförmig aufgebaut, sie macht ungefähr 1 % der Gesamt-DNA aus und liegt in multiplen Kopien in der Matrix vor. Sie umfasst 13 Gene, die 13 Polypeptide codieren, die Teile von Proteinen der oxidativen Phosphorylierung sind. Die meisten mitochondrialen Proteine werden von Genen des Zellkerns codiert. Diese Proteine werden in zytoplasmatischen Polysomen mit einer besonderen Signalsequenz versehen, die diese Proteine in die Mitochondrien dirigiert (s. o.). Es wird vermutet, dass viele der ursprünglichen mitochondrialen Gene im Laufe der Evolution in den Zellkern gewandert sind, was mit erheblichen funktionellen Umstellungen verbunden war, aber offenbar doch einen evolutionären Vorteil bot.
Die Neubildung von Mitochondrien geht durch Teilung von existierenden Mitochondrien aus. Die Genom, mitochondrialesMitochondrien entstammen der mütterlichen Eizelle, mitochondriale Krankheiten haben daher einen mütterlichen Erbgang. Die Analyse der mitochondrialen DNA eignet sich gut für die Klärung von Fragen evolutionärer Verwandtschaft.

Vorkommen

In allen Zellen (außer in Erythrozyten), besonders mitochondrienreich sind die Belegzellen des Magens, die Epithelzellen der Nierentubuli, quergestreifte Muskelzellen, braune Fettzellen und viele Nervenzellen.

Klinik

Eine Reihe von Muskelkrankheiten ist mit abnormen Mitochondrien korreliert. Diese mitochondrialen Myopathien haben z. T. eine genetische Basis und verlaufen im Allgemeinen schwer. Bei der primären biliären Leberzirrhose, einer Autoimmunerkrankung, treten antimitochondriale Antikörper auf. Spezifische mitochondriale Veränderungen finden sich bei der Wilson-Krankheit, die durch Mangel des Plasmakupferproteins Coeruloplasmin und toxische Kupferüberladung vieler Organe gekennzeichnet ist.

Melanosomen

AufbauMelanosomen sind eiförmige, ca. 1 μm große, membranbegrenzte Organellen (Abb. 2.59, Abb. 2.60), die das braune Pigment Melanin aufbauen und speichern. Sie entstehen vermutlich durch Abknospung aus frühen Endosomen und sind mit Lysosomen verwandt (Protonenpumpe in der Membran, saurer pH-Wert, eine Reihe von sauren Hydrolasen, die auch in Lysosomen vorkommen). Sie besitzen aber auch spezifische eigene Proteine, die in Zusammenhang mit der Melaninsynthese stehen. Melanosomen machen einen kennzeichnenden Differenzierungsprozess (Stadien I–IV) durch. Die ersten Stadien (I–III) werden Prämelanosomen genannt, im Stadium II entsteht ein filamentäres Binnengerüst, an dem dann – nach Melanosom\bAuftreten der Tyrosinase – zunehmend PrämelanosomMelanin abgelagert wird. Voll ausgereift (Stadium IV) sind sie dicht mit Melanin gefüllt (Abb. 2.60), ihre Binnenstruktur ist dann nicht mehr zu erkennen. Ihre Bildung wird durch Sonnenlicht und verschiedene Hormone, z. B. melanozytenstimulierendes Hormon (MSH), angeregt.
FunktionMelanin absorbiert Licht und schützt vor dem schädigenden Einfluss von UV-Strahlen. Melanozyten kommen daher vor allem in der Epidermis und an verschiedenen Stellen im Auge vor. Melanin liegt in 2 Formen vor: Eumelanin (dunkelbraun) und Phäomelanin (rötlich). Letzteres ist in roten Haaren und Sommersprossen dominant.

Vorkommen

Melanosomen kommen primär nur in bestimmten Neuronen, im Pigmentepithel der Retina und in Melanozyten (Abb. 16.10) vor. Melanozyten finden sich

  • (intraepithelial) basal in der Epidermis und in der Matrix der Haare, im Irisepithel, in der äußeren Schicht des Ziliarzottenepithels und

  • auch im Bindegewebe, vor allem der mittleren Augenhaut (Iris und Aderhaut).

Die Pia mater encephali enthält basal öfter auch Melanozyten. Aus den Melanozyten der Epidermis wird das Pigment in die Keratinozyten übertragen.

Klinik

Es gibt verschiedene Störungen und Defekte der Enzyme, die an der Melaninsynthese beteiligt sind. Das kann zu verschiedenen Formen der Minderpigmentierung bis hin zu völligem Albinismus führen. Neben angeborenen gibt es auch erworbene Formen der Unter- oder auch Überpigmentierung. Von den Melanozyten der Epidermis kann ein sehr bösartiges Karzinom, das maligne Melanom (schwarzer Hautkrebs), ausgehen.

Zelleinschlüsse

Zur Orientierung

ZelleinschlüsseZelleinschlüsse (paraplasmatische Einschlüsse, Paraplasma) sind metabolisch weitgehend inaktive makromolekulare ParaplasmaStrukturen, die ohne eine Begrenzung durch eine Biomembran ins Zytosol eingelagert sind. Bei ihnen handelt es sich um gespeicherte Nährstoffe, inaktive Nebenprodukte des Stoffwechsels oder Ansammlungen von endo- oder exogenen Stoffen, die eine Eigenfärbung (Pigmentierung) aufweisen. Wichtige Beispiele sind Glykogenpartikel und Fetttropfen.

Glykogenpartikel

PhäomelaninStrukturGlykogen (Abb. 2.61), das einem verzweigten Polymer der D-Glukose entspricht, liegt in Form von 10–30 nm großen Partikeln (β-Partikel) im Zytosol vor. Oft bilden 10–15 dieser Partikel, die auch Enzyme für den Auf- und Abbau der Partikel enthalten, größere Aggregate (Rosetten, α-Partikel, Abb. 2.62). Das Schlüsselenzym für den Glykogenaufbau ist die Glykogensynthase, beim Neuaufbau von Glykogen ist das Protein Glykogenin besonders wichtig.
Lokalisation und VerwendungGlykogenpartikel, die sehr komplex aus Tausenden von Glukosemolekülen aufgebaut sind, liegen oft in enger GlykogenpartikelNachbarschaft des GER, in dessen Membranen in Leberzellen Glukose-6-Phosphatase vorkommt, die das Phosphat von Glukose-6-Phosphat abspaltet. Daraufhin kann die Glukose die Zelle verlassen und steht als Energiequelle für viele andere Zellen zur Verfügung. Bei Diabetes mellitus und einigen anderen Krankheiten kann Glykogen auch im Kern auftreten.

Vorkommen

Vereinzelt in vielen Zellen, in größerer Menge z. B. in Leberepithelzellen (die Leber des Menschen speichert ungefähr 150 g Glukose), Knorpelzellen, Neutrophilen und Herzmuskelzellen.

Intrazelluläre Fetttropfen

StrukturIntrazelluläre Fetttropfen bestehen ganz überwiegend aus Triazylglyzerinen (Triglyzeriden) und Cholesterinestern. Sie bilden sich auf ungewöhnliche Weise im RER, d. h., sie entstehen nicht Fetttropfen:intrazelluläreim Lumen, sondern Triglyzeride:Fetttropfenbilden sich an speziellen Stellen zwischen den 2 Cholesterin:FetttropfenBlättern der Membran der RER-Zisternen. Diese Stellen sind reich an Proteinen, die am Fettstoffwechsel beteiligt sind. Die Fetttropfen wachsen hier zu größeren Kugeln heran, schnüren sich dann ab und werden dabei vom äußeren Blatt der RER-Membran umhüllt. Sie werden also nicht von einer typischen Biomembran (einer Phospholipiddoppelschicht) umgeben, sondern von einem Phospholipid-Monolayer (Abb. 2.63, Abb. 2.64). Diesem Monolayer sind verschiedene Proteine assoziiert, in Fettzellen u. a. das Protein Perilipin. Große Fetttropfen sind außerdem von Vimentinfilamenten umgeben.
Lokalisation und VerwendungIntrazelluläre Fetttropfen liegen im Bereich ihres Entstehungsortes, des RER, was z. B. in laktierenden Milchdrüsenepithelzellen gut zu erkennen ist. Abgebaut werden die Triazylglyzerine in enger Beziehung zu Mitochondrien: Die Fettsäuren, die aus den Fetttropfen freigesetzt werden, verbinden sich zunächst mit Koenzym A und werden so aktiviert, danach werden sie auf das Trägermolekül Carnitin übertragen und können so über die innere Mitochondrienmembran in die Matrix transportiert werden, wo sie zu Azetyl-Koenzym A oxidiert werden, das dann in den Fettsäureabbauzyklus (Trikarboxylzyklus) eintritt. In den Epithelzellen der laktierenden Brustdrüse sind Fetttropfen essenzieller Bestandteil des Sekrets.

Vorkommen

Fetttropfen kommen vornehmlich in Fettzellen oder Drüsenzellen der laktierenden Milchdrüse vor, einzeln aber auch in vielen anderen Zellen. Das Auftreten von Fetttropfen kann auch Stoffwechselstörungen anzeigen (Abb. 2.65).

Kristalline Einschlüsse

Kristalline Einschlüsse treten selten auf und entsprechen vermutlich Aggregaten von Proteinen. Sie kommen meistens im Zytoplasma vor, können aber auch im Kern zu finden sein.

Vorkommen

Große kristalline Einschlüsse in Zellen des Menschen sind die Reinke-Kristalle in den Leydig-Zellen des Hodens (Abb. 2.66).

Pigmentierte Zellstrukturen

Pigmentierte Zellstrukturen sind heterogener Natur und keine typischen Einschlüsse, sondern oft nur relativReinke-Kristall inaktive Organellen (terminale Lysosomen). Melanosomen werden in Kap. 2.4.10 besprochen.
Lipofuszingranula
In Zellen mit langer Lebenszeit (Herzmuskelzellen, Nervenzellen) treten öfter Lipofuszingranula auf, die Endstadien von Zellstruktur, pigmentierteLysosomen entsprechen, also Zellorganellen sind (Abb. 2.52, Abb. 2.67).
Hämosiderin
Abbauprodukte des Hämoglobins, insbesondere Hämosiderin, werden auch in Lysosomen akkumuliert und verleihen den Zellen, in denen sie Lipofuszingranulavorkommen, eine gelbbraune Eigenfarbe (Milzmakrophagen, Abb. 2.68; oft Kupffer-Zellen). Bei Eisenüberschuss, z. B. nach Blutungen oder Störungen des Eisenstoffwechsels, kann Hämosiderin auch in vielen anderen Organen, z. B. Pankreas, Herz, Synovialmembranen und der Hypophyse, auftreten.
Kohlenstaub
Die Ablagerung von Kohlenstaub findet sich normalerweise auch in Lysosomen von Makrophagen, speziell in der Lunge und in Lymphknoten (HämosiderinAbb. 2.69).
Viruspartikel
Zum Teil entsprechen Einschlusskörper auch Ansammlungen von Viruspartikeln (Abb. 2.70).

Zytoskelett

Zur Orientierung

ViruspartikelViruspartikelDas Zytoskelett gibt der Zelle ihre Form und baut in ihr Stützstrukturen auf, die in den meisten Zellen dynamisch veränderbar sind. Es besteht im Wesentlichen aus Mikrotubuli, Aktin- und Intermediärfilamenten, aber auch aus den Myosinfilamenten, die Teil des kontraktilen Apparats der quergestreiften Muskulatur sind. Die Strukturen des Zytoskeletts sind Polymere, die aus Tausenden identischer Proteinmoleküle aufgebaut sind, in die sie auch leicht wieder zerfallen (dissoziieren) können. Es besteht jeweils ein bestimmtes, dem Bedarf einer Zelle angepasstes Gleichgewicht zwischen polymerisiertem und dissoziiertem Zustand, der von Begleitproteinen reguliert wird. Auch im polymerisierten Zustand ist ihre Funktion von Begleitproteinen abhängig. Funktionell wichtig ist, dass die verschiedenen Komponenten des Zytoskeletts einerseits untereinander über spezifische Proteine (z. B. Plektin) verknüpft und andererseits mit der Zellmembran und auch anderen Membranen in der Zelle verbunden sind. Die Verbindung mit der Zellmembran erfolgt über Membranproteine und auch über Membranlipide, die Membranproteine können Rezeptorproteine sein. Die Verknüpfungsproteine sind oft kurzlebig, was rasche Anpassungen der Zelle an physiologische Veränderungen ermöglicht.

Mikrotubuli, Zentrosom und Zentriolen

Mikrotubuli
Mikrotubuli sind feine röhrenförmige Elemente des Zytoskeletts (Abb. 2.71). Sie sind ubiquitär verbreitet und wichtig als Leitschienen für den intrazellulären Transport, für Stützfunktion und Bewegungen. In Kinozilien und Spermienschwänzen sind sie die wesentlichen funktionellen Komponenten. Dabei sind Mikrotubuli nicht permanent vorhanden, sondern haben nur eine Halbwertszeit von ca. 10 min.Kohlenstaub
AufbauMikrotubuli können mehrere μm lang werden, ihr Außendurchmesser beträgt 20–25 nm, ihr Innendurchmesser 15 nm. Ähnlich wie die Aktinfilamente (Kap. 2.6.2Mikrotubulus) sind sie polar aufgebaut und stehen im Gleichgewicht mit freien globulären Untereinheiten im Zytoplasma. Diese globulären Untereinheiten sind α- und β-Tubulin, die Dimere bilden (Abb. 2.72). In jedem Mikrotubulus bilden die Untereinheiten lange Ketten, Protofilamente, von denen sich 13 zu einem Mikrotubulus zusammenlagern. Mikrotubuli besitzen ein dynamisches Plus-Ende, das rasch wachsen und abgebaut werden kann und in der Zellperipherie liegt, und ein Minus-Ende, das in Zentriolennähe im MTOC (s. u.) liegt, nur langsam verlängert oder verkürzt wird und Untereinheiten verlieren würde, wenn es nicht durch ein besonders strukturiertes Zellareal, das Zentrosom, stabilisiert werden würde (Abb. 2.72).
Das Zentrosom besteht aus einer proteinreichen Matrix, die die Funktion eines Mikrotubulus-organisierenden Zentrums (MTOC) hat, und einem Zentriolenpaar. Es liegt in vielen Zellen in ZentrosomKernnähe, ungefähr in der Mitte der Zelle (Abb. 2.71). In vielen ausdifferenzierten Epithelzellen fehlt ein typisches Zentrosom. Hier verlaufen die Mikrotubuli vorwiegend von apikal nach basal und sind wohl durch das Protein Ninein im Zellapex verankert. Auch in den Axonen und Dendriten von Neuronen sind die Mikrotubuli nicht in Zentrosomen verankert. Von den Zentriolen strahlen Hunderte vonNinein, Mikrotubuli unterschiedlich langen Mikrotubuli in alle Richtungen aus; sie können an ihren Plus-Enden nicht nur wachsen, sondern nach einer funktionellen Umstimmung auch Untereinheiten verlieren und sich so verkürzen. Beim Wachstum werden GTP enthaltende Tubulinmoleküle dem freien Ende zugefügt. Nach Polymerisation und Wachstum erfolgt die Hydrolyse des GTP am β-Tubulin, wodurch die Verbindung der Untereinheiten geschwächt wird, was schließlich zu Depolymerisierung führt. Mikrotubulusassoziierte Proteine (MAPs) wirken dem Zerfall entgegen, das freie Ende kann auch durch Capping-Proteine stabilisiert werden.
Mikrotubuli werden also in der Matrix neu gebildet, wobei diese Neubildung von ringförmig angeordneten γ-Tubulin-Komplexen ausgeht. γ-Tubulin-Ringe kommen auch bei Pilzen und Pflanzen vor, die keine Zentriolen besitzen.
FunktionDer dynamische Auf- und Abbau der Mikrotubuli spielt eine wichtige Rolle bei der Morphogenese der Zellen. Mikrotubuli sind außerdem die wesentlichen Komponenten des Spindelapparats, der bei der Zellteilung aufgebaut wird (Abb. 2.73a), und wichtige Leitschienen für Transportprozesse in Zellen (Abb. 2.74).
Zentriolen
AufbauZentriolen sind paarige Strukturen (Mutter- und Tochterzentriol) in den meisten Zellen. Sie sind 0,3–0,6 μm lange Zylinder mit einem Durchmesser von ca. 0,2 μm, die rechtwinklig zueinander stehen (Abb. 2.71b). Ihre Wand besteht aus 9 leicht gegeneinander versetzten Einheiten, von denen jede aus 3 kurzen Mikrotubuli (Tripletts) besteht. Eins dieser Mikrotubuli ist vollständig (A-), die 2 anderen sind unvollständig (B-, C-).
FunktionZentriolen sind eine wesentliche Komponente des Zentrosoms, wo ihre Funktion im Detail allerdings noch Rätsel aufgibt. Sie bauen die Teilungsspindel Zentriolwährend der Zellteilung auf, und aus ihnen gehen die Basalkörper der Kinozilien hervor. Während der Zellteilung verdoppeln sich die Zentriolen, sodass 4 Zentriolen (2 Zentriolenpaare) entstehen. In der S-Phase (s. u.) entsteht an jedem Zentriol ein rechtwinklig angelagertes Prozentriol, das die gleiche Länge erreicht wie das Zentriol, an dem es entsteht. Die beiden Zentriolenpaare trennen sich während der Mitosephase, wandern an entgegengesetzte Zellpole und bauen den Spindelapparat auf (Abb. 2.73a).
Assoziierte Proteine
Stabilisierte Mikrotubuli verbinden sich mit vielen spezifischen, sog. mikrotubulusassoziierten Proteinen (MAPs), unter denen Motorproteine (Dyneine, Kinesine) besonders wichtig sind. Diese nutzen die Energie von ATP, um sich in MAP (mikrotubulusassoziiertes Protein)einer Richtung an den Mikrotubuli entlang zu bewegen. Dabei Motorprotein:Mikrotubulustransportieren sie bestimmte „Frachten“ (Granula, Organellen), mit denen sie sich verbunden haben. Dyneine bewegen ihre Fracht zum Minus-Ende (i. A. aus der Zellperipherie zum Zellzentrum, retrograder Transport in Neuronen), Kinesine zum Plus-Ende (also vom Dynein:MikrotubuliZellzentrum zur Zellperipherie, anterograder Transport in Neuronen, Abb. 2.74). Mitochondrien und membranbegrenzte Vesikel können am Kinesin:Mikrotubuligleichen Mikrotubulus in beide Richtungen wandern.

Klinik

Substanzen, die die Polymerisation oder den Abbau von Mikrotubuli hemmen, werden als Mikrotubulusgifte bezeichnet. Colchicin (Alkaloid aus der Herbstzeitlose) und Vinca-Alkaloide (aus verschiedenen Vinca- und Catharantus-Arten) binden an Tubulindimere und verhindern ihre Polymerisation zum Mikrotubulus. Taxane (aus der Rinde der Pazifischen Eibe) binden an Mikrotubuli und verhindern ihren Abbau. Manche dieser Substanzen werden in der Krebstherapie eingesetzt, da sie den Mitoseablauf stören. Colchicin hilft bei einem Gichtanfall. Bei der Gicht fallen Natriumuratkristalle an, die in Lysosomen aufgenommen, aber nicht enzymatisch abgebaut werden. Irgendwann zerreißt dann die Lysosomenmembran und die frei werdenden lysosomalen Enzyme schädigen die Zelle und das umliegende Gewebe. So entsteht eine schmerzhafte Entzündungsreaktion. Colchicin hemmt die Beweglichkeit der Neutrophilen und deren Phagozytosefähigkeit, sodass sich weniger Kristalle in den Lysosomen ansammeln. Ein Merkmal der Alzheimer-Krankheit sind abnorm phosphorylierte Tau-Proteine. Tau ist ein mikrotubulusassoziiertes Protein; hyperphosphoryliert kann es nicht an die Mikrotubuli binden, sodass deren Stabilität, Polymerisationsfähigkeit und Transportfähigkeit eingeschränkt ist.

Aktinfilamente (Mikrofilamente)

Aktin ist eins der häufigsten Proteine in allen eukaryotischen Zellen, Mikrotubulusgiftes Colchicinbildet flexible Filamente, die wesentliche TaxanKomponente des Membran- und Zytoskeletts und Teil des kontraktilen Apparats in Muskelzellen sind, in Mikrovilli und Sinneshaaren haben Aktinfilamente eine versteifende Funktion (Abb. 2.14, Abb. 2.73b).
AufbauAktinfilamente messen ca. 6–7 nm im Durchmesser und sind unterschiedlich lang. Sie entstehen durch gerichtete Polymerisation des monomeren = globulären G-AktinfilamentAktins; die Filamente können auch wieder in ihre monomeren Bausteine zerfallen (Depolymerisation). Mono- und polymeres Aktin sind saure Proteine, die in viele zelluläre FunktionenG-Aktin eingebunden sind, sie kommen zahlreich in allen eukaryotischen Zellen vor. Etwa 250 G-Aktin-Moleküle lagern sich zu einer Kette zusammen, die als filamentäres F-Aktin bezeichnet wird. Zwei F-Aktin-Ketten winden sich helikal umeinander und bilden ein Aktinfilament. Aktinfilamente besitzen ein dynamisches Plus-Ende, an dem sie durch Anlagerung F-Aktinvon G-Aktin-Molekülen schnell wachsen, aber auch schnell Untereinheiten verlieren können, und ein Minus-Ende, an dem sie sich nur langsam verändern. Die Anlagerung von G-Aktin erfolgt unter ATP-Verbrauch.
FunktionIn Zellfortsätzen und in der Zellperipherie (Abb. 2.75) bilden Aktinfilamente sehr oft ein dreidimensionales Netzwerk unter der Zellmembran. Dieses Membranskelett (Kap. 2.1.1) stabilisiert die Zellmembran und kann Membranproteine an bestimmter Stelle befestigen. Aktinbündel sind ein wichtiger Teil von gürtelförmigen Adhärens-Junktionen (Zonulae adhaerentes, Kap. 2.1.4) und kleinen Kontakten der Zelle mit anderen Zellen (Punktdesmosomen) und der extrazellulären Matrix (Fokalkontakte). Auch im Zellinneren ist Aktin weitverbreitet, z. B. in der Umgebung des Zellkerns (und sogar im Zellkern) und vieler Organellen. Entlang von Aktinfilamenten wandert das Transportprotein Myosin VI. Bei der Zellteilung bildet Aktin zusammen mit Myosin II einen kontraktilen Ring, der die Zelle durchschnürt. In Zellfortsätzen dirigieren sie die Wanderung von Zellen. In manchen Zellen können sie durch α-Aktinin vernetzt werden und kräftige zytoplasmatische Bündel bilden, in die Myosin II eingebaut wird. Diese sog. Stressfasern sind nicht nur fest, sondern auch kontraktil. Sie treten vor allem dort auf, wo mechanische Kräfte auf Zellen einwirken, z. B. kommen sie in den Endothelzellen der Blutgefäße Stressfaservor, die starken Scherkräften ausgesetzt sind. In den Muskelzellen sind Aktinfilamente wichtigste Partner der Myosinfilamente (Kap. 3.3.1, Kap. 3.3.2). Oft ist es so, dass Aktin über ein vermittelndes Protein an Membranproteinen befestigt ist. Eine solche Bindung kann schwach und vorübergehend, aber auch stärker und stabil sein. Zum Teil hängt die Bindungsfestigkeit auch vom Aktivierungszustand eines Oberflächenrezeptorproteins ab. Aktin kann auch über die Zellmembran hinweg mit Proteinen der extrazellulären Matrix verbunden sein, so z. B. in Thrombozyten, wo Aktin über Integrin mit Fibrin verknüpft sein kann. Aktin kann sich auch fest und spezifisch Phospholipiden von Biomembranen anlagern, wobei manchmal nicht sicher ist, in welcher Form dies geschieht.
Assoziierte ProteineZahlreiche verschiedene aktinassoziierte Proteine kontrollieren und regulieren die Polymerisation bzw. Depolymerisation von Aktin, die Zusammenlagerung der Aktinfilamente zu Bündeln, verzweigten Filamenten oder Netzen und die Anheftung der Aktinfilamente an die Zellmembran:
  • Die Proteine Thymosin, Profilin und Gelsolin sind am Auf- und Abbau der Aktinfilamente beteiligt. Tropomyosin stabilisiert (neben Bindung Thymosindes TroponinkomplexesProfilin) die Aktinfilamente quergestreifter GelsolinMuskelzellen, und zwar über eine Strecke von 7 G-Aktin-Molekülen.

  • Fimbrin,Tropomyosin\b Villin und andere Proteine bilden Brücken zwischen parallel verlaufenden Aktinfilamenten, die somit zu Bündeln Fimbrinzusammengefasst werden, z. B. in Mikrovilli. Filamin ist am Aufbau Villinflexibler dreidimensionaler Netze beteiligt.

  • Vinculin, α-Aktinin, Talin und z. T. auch Myosin I und Kalmodulin befestigen Aktinfilamente an der FilaminZellmembran. In der Z-VinculinScheibe des <03B1>-AktininSarkomers der quergestreiften TalinMyofibrillen verknüpft α-Aktinin die Aktinfilamente benachbarter Sarkomere.Kalmodulin\b Spektrin (z. B. in Erythrozyten) und Dystrophin (in Skelettmuskelzellen) verknüpfen in der Zellperipherie liegende Aktinfilamente mit der Zellmembran. α-SpektrinAktinin ist in allen Typen der Muskulatur an der Befestigung der DystrophinAktinfilamente in der Zellmembran beteiligt. Bei rascher Neubildung von Zellfortsätzen, z. B. in Makrophagen, werden Aktinfilamente schnell umgebaut und z. T. für kurze Zeit an der Zellmembran befestigt. Hierbei spielen Proteine der ERM-Familie (Ezrin, Rhadixin und Moesin) eine wichtige Rolle.

Klinik

Einige Naturstoffe aus Pilzen (meist Alkaloide) beeinträchtigen z. T. mit tödlichen Folgen das Aktinfilamentsystem. So bindet Phalloidin aus dem Knollenblätterpilz Amanita phalloides fest an Aktinfilamente und verhindert deren Depolymerisierung. Cytochalasine (entstammen verschiedenen Pilzen) binden an das Plus-Ende der Aktinfilamente und verhindern deren Wachstum. Die Latrunculine (aus dem Meeresschwamm Latrunculia magnifica) zerstören Aktinfilamente durch Bindung an G-Aktin und induzieren die Depolymerisation des F-Aktins.

Intermediärfilamente

Aufbau und Funktion
AufbauEzrinERM-ProteineIntermediärfilamente bauen in Rhadixinden Zellen primär ein PhalloidinMoesinCytochalasineAktinfilament:Pilzvergiftungmechanisches Stützgerüst auf. Sie sind 10Latrunculine nm dicke Proteinfilamente (Abb. 2.76). Ihre Grundbaueinheit sind Monomere, die sich zu Di- und Tetrameren zusammenlagern. Tetramere lagern sich End zu End zu Protofilamenten zusammen und 8 Protofilamente lagern sich schließlich seitlich aneinander und bilden ein Intermediärfilament. Als Monomere dienen in den verschiedenen Zelltypen unterschiedliche, aber verwandte Proteine, insgesamt sind es mehr als 60, die 6 große Gruppen bilden:
  • in Epithelzellen Zytokeratine (oft nur Keratine genannt) (Abb. 2.77)

  • Zytokeratinin Fibroblasten und verwandten Filament, intermediäresZellen, aber auch in IntermediärfilamentEndothelzellen, Mesothelzellen, Leukozyten und in myelinbildenden Schwann-Zellen Vimentine (Abb. 2.78)

  • in Muskelzellen Desmine

  • in Nervenzellen Neurofilament-Proteine

  • in Astrozyten und den Schwann-Zellen des enterischen VimentinNervensystems saure Gliafilament-Proteine

  • in der DesminPeripherie des Zellkerns Lamine

Diese Proteine Neurofilament:Proteinesind entweder basisch oder sauer. Ihr Umsatz erfolgt relativ langsam, ihr Auf- und Abbau Gliafilament-Proteinwird über Phosphorylierung (Abbau) und Dephosphorylierung (Aufbau) reguliertLamin. Bei Deformierung werden Intermediärfilamente – im Gegensatz zu Aktinfilamenten oder Mikrotubuli – kräftiger und fester („strain hardening“). Sie können mit anderen Komponenten des Zytoskeletts verbunden sein. Mit der Zellmembran sind sie oft über Aktin oder Spektrin verknüpft.
FunktionIntermediärfilamente verleihen einer Zelle mechanische Festigkeit und bauen ein komplexes zugfestes Stützgerüst, das von der Kernlamina bis zur Zellmembran reicht, und z. T. funktionell darüber hinaus bis in die extrazelluläre Matrix, auf. Sie sind aber nicht nur feste, sondern auch biegsame und dynamische Strukturen. Sie sind mit den Plaqueproteinen von Desmosomen und Hemidesmosomen verbunden (Abb. 2.25, Abb. 2.76). In Membranen sind sie nicht nur mit Proteinen, sondern auch mit Lipiden verbunden.
Assoziierte ProteineMit den Intermediärfilamenten sind weitere Proteine assoziiert, z. B.:
  • Filaggrin vermittelt in den Epidermiszellen die Bildung von Keratinfilamentbündeln.

  • Plektin vernetzt Intermediärfilamente und kann sie an der Zellmembran anheften.

Monomere der verschiedenen Intermediärfilamente und deren Vorkommen
ZytokeratineZytokeratine (CK) sind die FilaggrinPlektinMonomere der Zytokeratinfilamente und lassen sich Zytokeratin\bin 2 große Gruppen einteilen: saure und Intermediärfilament:MonomereFilament, intermediäres:Monomerebasische Zytokeratine. Sie bilden immer Heterodimere im Verhältnis 1 : 1, die dann die Zytokeratinfilamente aufbauen. Bestimmte Zytokeratine sind für feste Strukturen kennzeichnend, z. B. die Hornschicht der Epidermis und für die Haare und Nägel. Bündel von Keratinfilamenten in Epithelzellen, speziell in der Epidermis, entsprechen den Tonofilamenten der Lichtmikroskopie (Abb. 2.76b). In Epithelzellen unterschiedlichen Differenzierungsgrades werden verschiedene Keratine exprimiert (Abb. 1.7), ebenso bilden verschiedene Epithelien unterschiedliche Keratine; sie sind daher auch diagnostisch von Interesse.
VimentineVimentinfilamente bilden in Bindegewebszellen, z. B. Fibro-, Chondro- und Osteozyten, stützende Gerüststrukturen.
DesmineDesminfilamente bilden in Muskelzellen ein Geflecht um die Myofibrillen und Vimentinsind in der Zellmembran verankert.
Neurofilament-ProteineDie Intermediärfilamente der Nervenzellen (Abb. 2.79) sind DesminHeteropolymere aus 3 Polypeptidketten: NF-L, NF-M und NF-H, die sich in ihrem Molekulargewicht Neurofilament:Proteineunterscheiden. Neurofilamente spielen auch eine wichtige Rolle beim Dickenwachstum von Axonen.
Gliafilament-ProteineIn Astrozyten bestehen Gliafilamente (Abb. 2.76a) aus dem sauren Gliafibrillenprotein („glial fibrillary acidic protein“, GFAP), das auch in nicht myelinbildenden Gliafilament-Protein\bSchwann-Zellen des peripheren vegetativen Nervensystems vorkommt.
LamineLaminfilamente bilden GFAP (glial fibrillary acidic protein)\bin der Interphase ein Netzwerk an der inneren Kernmembran. Dieses unterschiedlich dicke Netzwerk – oft ist es ca. 20 nm dick – wird Kernlamina (Lamina nuclearis) genannt. Es ist Lamin\bzum einen an der inneren Kernmembran, zum anderen an Chromosomen befestigt. Bausteine der Laminfilamente sind die Proteine Lamin A, B und C. Lamin B kann Lamina:nuclearisüber Plektin mit zytosolischen Intermediärfilamenten und diese über z. B. Spektrin mit der Zellmembran verbunden sein. Es wird vermutet, dass eine solche kontinuierliche molekulare Kette vorwiegend aus Intermediärfilamenten an einigen Signalwegen beteiligt sein kann, die an der Zelloberfläche ausgelöst werden.
Während der Mitose werden die Lamine von der Zyklin-B-aktivierten Cdc2-Proteinkinase phosphoryliert, was zur Entstehung freier Lamindimere und zur Auflösung der Kernlamina führt. Vesikel der fragmentierten Kernhülle bleiben an Lamin B gebunden, während die Lamine A und C frei im Zytoplasma verbleiben. Nach der Mitose werden die Lamine dephosphoryliert und die an Lamin B gebundenen Membranvesikel an Chromatin befestigt. Die Vesikel fusionieren und die Kernlamina baut sich wieder auf. Anschließend entspiralisieren sich die Chromosomen wieder.

Klinik

Der immunhistochemische Nachweis der Proteine, aus denen die Intermediärfilamente der verschiedenen Zellformen aufgebaut sind, kann bei der Tumordiagnostik helfen, die Herkunft der Tumorzellen festzustellen. Je nachdem, ob sie epithelialen, neuronalen, glialen, muskulären oder bindegewebigen Ursprungs sind, kann die Therapie angepasst werden.

Es sind zahlreiche Mutationen von Keratingenen bekannt: Eine Mutation der Gene für Keratin 1 und 10 führt zu überschießender Verhornung der Epidermis (epidermolytische Hyperkeratose). Eine Mutation des Keratin-9-Gens führt zu Fragmentierung der Epidermis von Hand- und Fußsohlen. Eine Mutation der Gene für Keratin 5 oder Keratin 14 führt schon bei schwachen Verletzungen der Haut (leichte Stöße) zu Blasenbildungen (Epidermolysis bullosa simplex).

Myosin

Dem Zytoskelett lässt sich auch das Motorprotein Myosin zuordnen, dessen Typ II in Filament, intermediäres:TumordiagnostikMuskelzellen ca. 15 Intermediärfilament:Tumordiagnostiknm dicke Filamente bildet. Es gibt verschiedene molekulare Formen des Myosins, Myosindie zusammen die Superfamilie der Myosine bildenMotorprotein:Myosin. Als Monomere besitzen Myosinmoleküle 3 Abschnitte: Kopf, Hals und Schwanz (s. a. Kap. 3.3.1).
  • Myosin I kommt in allen Zellen vor. Es liegt im Gegensatz zu Myosin II (s. u.) ausschließlich als Monomer vor. Myosin I ist ein Motorprotein mit Bindungsstellen für Aktin und ATP, es wandert mit Myosin:Typ Iseiner Fracht, die an seine Schwanzregion gebunden ist, entlang von Aktinfilamenten. Über seine Schwanzregion vermag es auch an die Zellmembran zu binden und ist hier u. a. an der Formgebung der Zelloberfläche beteiligt. In den Mikrovilli ist das zentrale Aktinfilamentbündel über Myosin I an der Membran befestigt.

  • Isoformen des Myosins II treten im Zytoplasma vieler Zelltypen auf, in denen sie meistens an Bewegungsvorgängen beteiligt sind. Eine wesentliche Rolle spielt Myosin II in Muskelzellen. Es bildet immer polar Myosin:Typ IIgebaute filamentäre Aggregate, in denen sich die Kopfregionen gegenüberliegen (jeder Kopf hat eine aktinbindende und eine ATPase-Domäne). Die Schwanzregionen sind umeinandergewickelt und bilden eine stabförmige Struktur.

  • Myosin V ist ein Protein, das z. B. die Melanosomen in den Dendriten der Melanozyten entlang Aktinfilamenten transportiert (Kap. 2.6.2).

  • Myosin VI ist ein verbreitetes Transportprotein,Myosin:Typ V das seine Fracht entlang von Aktinfilamenten befördert.

Seltene Myosine treten z. B. in den Haarzellen des Innenohrs auf (Kap. 17.1.3).

Spektrin

Spektrin bildet eine ganze Familie wohl primär aktinbindender Proteine. In Erythrozyten stellt es die Hauptkomponente des Membranskeletts; ist dabei vernetzt und innen an der Membran befestigt, für deren Form und Myosin:Typ VISpektrinFestigkeit es verantwortlich ist. An den KnotenpunktenErythrozyt:Spektrin dieses Netzwerkes kommen verschiedene Proteine, darunter auch Aktin, vor. Spektrin kommt auch in allen anderen Zellen der Metazoen vor, ist aber öfter auf bestimmte Membranbereiche beschränkt. Spektrine verleihen der Zellmembran Festigkeit, kontrollieren die Verteilung integraler Membranproteine und verbinden Transmembranproteine mit dem Zytoskelett. Auch intrazelluläre Membransysteme können mit Spektrinen in Verbindung stehen, z. B. der Golgi-Apparat.
Es gibt weitere filamentäre Makromoleküle in der Zelle, z. B. das Titin, die man auch dem Zytoskelett zuordnen könnte.

Zellzyklus und Stammzellen

Zur Orientierung

Das Leben einer Zelle besteht aus zyklisch ablaufenden Phasen, die zusammen als Zellzyklus bezeichnet werden. Alle Zyklusphasen, M-Phase, G1-Phase, S-Phase, G2-Phase und G0-Phase, werden von einem komplexen Zellzyklus-Kontrollsystem überwacht. Von Stammzellen geht die Erneuerung der Zellen in den Geweben aus.

Zellzyklus

Zyklusphasen
Eine Zelle kann in ihrem Leben verschiedene Phasen durchlaufen, die insgesamt den Zellzyklus bilden (Abb. 2.80). Der Zellzyklus besteht aus M-, G1-, S-, G2- und G0-Phase. G1-, S- und G2-Phase werden als Interphase zusammengefasst, sodass man sagen kann, der Zellzyklus besteht aus M-Phase und Interphase.
M-PhaseDie M-Phase (Mitose-Phase) besteht aus Mitose (Karyokinese) und Zytokinese (Zellteilung). Während der Mitose werden die ZellzyklusChromosomen, die Zellzyklus:M-Phaseihre DNA zuvor repliziert (verdoppelt) haben, getrennt M-Phaseund auf 2 neue Kerne verteilt (Karyokinese). Anschließend wird das Zytoplasma durchtrennt (Zytokinese) und auf 2 Tochterzellen verteilt.
G1-PhaseIn der G1-Phase („gap-1-Phase“, Präsynthesephase) wächst die Zelle und erfüllt ihre kennzeichnenden Funktionen.
S-PhaseIn der S-Phase (Zellzyklus:G1-PhaseDNA-Synthese) wird die DNA verdoppelt (repliziert). G1-PhaseDazu wird der DNA-Doppelstrang geöffnet, wobei u. a. DNA-Helikasen Zellzyklus:S-Phaseund DNA-Einzelstrang-Bindungsproteine eine Rolle spielen. AnS-Phase verschiedenen Stellen des Genoms, die ca. 100.000 Nukleotidpaare voneinander entfernt sind, beginnt dann die Replikation (Verdoppelung). DNA-Polymerase und DNA-Primase katalysieren die Polymerisierung und bearbeiten dabei ca. 50 Nukleotide pro Sekunde. Eventuell auftretende Fehler werden mithilfe verschiedener Mechanismen repariert. Jede DNA-Region wird nur einmal repliziert. Die speziellen terminalen Nukleotidsequenzen der Chromosomen-Enden, der Telomere, werden in Keimzellen und manchen Krebszellen durch ein besonderes Enzym, die Telomerase, repliziert.
G2-PhaseIn der G2-Phase („Gap-2-Phase“, prämitotische Phase) wird geprüft, ob die DNA-Replikation exakt war. Fehler werden korrigiert.
G0-PhaseZellzyklus:G2-PhaseAm Ende der M-Phase können Zellen nicht nur in die G1-G2-PhasePhase, sondern auch in eine G0-Phase eintreten. Dies ist in Bezug auf den Zellzyklus:G0-PhaseZellzyklus eine stabile, lang anhaltende Arbeitsphase, in der sichG0-Phase viele Zellen des Körpers befinden und in der sie ihre jeweiligen Funktionen erfüllen. Ihre Teilungsfähigkeit verlieren sie dabei jedoch nur selten. Sie können z. B. bei einem Zellverlust in ihrem jeweiligen Organ rasch wieder in die G1-Phase übertreten und sich dann teilen, um den Defekt zu beheben. Wichtige Zellen, die sich normalerweise in der G0-Phase befinden, sind Leberepithelzellen, Pankreasepithelzellen, Nierenepithelzellen, Fibroblasten und Gefäßendothelzellen. Manche Zellen (die allermeisten Nervenzellen, Herzmuskelzellen und praktisch auch die Skelettmuskelzellen) bleiben lebenslang in der G0-Phase und können nicht in die G1-Phase zurückkehren.
Zellpopulationen
Die Existenz der G0-Phase und der dazugehörigen Zellen hat zu folgender Einteilung von Zellpopulationen geführt:
Labile ZellenZellen, die sich kontinuierlich teilen, also rasch von Mitose zu Mitose schreiten und somit kurzlebig sind, sind labile ZellpopulationenZellen. Dazu gehören Stammzellen in vielen Epithelien, z. B. in Zelle:labilemehrschichtigen Plattenepithelien der Epidermis, der Mundhöhle und der Vagina, im Übergangsepithel und im Epithel der Darmschleimhaut (zu Stammzellen s. a. Kap. 2.7.2).
Stabile ZellenZellen, die sich in der teilungsruhigen G0-Phase befinden, werden stabile Zellen genannt. Sie können auf einen Stimulus hin wieder in den Zellzyklus eintreten.
Permanente ZellenZellen, die Zelle:stabilesich nicht mehr teilen, die also aus dem Zellzyklus austreten und sich nicht regenerieren können, werden permanente oder postmitotische Zellen genannt. Hierher gehören Nerven- und Zelle:permanenteHerzmuskelzellen sowie auch Skelettmuskelzellen. Wenn sie untergehen, können sie nicht mehr ersetzt werden, ihre Stelle nimmt ein bindegewebiges Narbengewebe ein. Skelettmuskelgewebe hat eine sehr eingeschränkte Regenerationsfähigkeit.
Zellzyklus-Kontrollsystem
Den zeitlichen Ablauf und das sequenziell korrekte Einsetzen der einzelnen Zyklusphasen überwacht ein sehr komplexes Zellzyklus-Kontrollsystem (Abb. 2.81). Es ist flexibel und kann sich an spezifische Zelltypen und Umweltveränderungen anpassen. Außerdem enthält es Sicherungssysteme für den Fall, dass Fehler unterlaufen.
Signalwege, vor allem der p53- (Protein-53-), der TGF-(„transforming growth factor“-) und der Rb-(Retinoblastoma-Protein-)Signalweg, regulieren die Zelldifferenzierung und Zellzyklus:Kontrollsystemdie Zellteilung; diese Regulierung ist teilweise sehr komplex (s. Lehrbücher der Biochemie).
KontrollpunkteAn spezifischen Kontrollpunkten („check-points“) kann das Kontrollsystem den Zellzyklus anhalten. Wichtige Kontrollpunkte liegen vor Beginn der Mitose (G2-Kontrollpunkt), wo Zellzyklus:Kontrollpunktegeprüft wird, ob die DNA-Replikation korrekt abgeschlossen ist, dann vor Einsetzen der Anaphase (Metaphase-Kontrollpunkt, nicht abgebildet), für die gewährleistet sein muss, dass alle Chromosomen an der Spindel befestigt sind, und schließlich vor Beginn der S-Phase (G1-Kontrollpunkt), bei dem auf dem Prüfstand steht, ob die DNA-Replikation einsetzen soll.
Zyklinabhängige KinasenEine wesentliche Rolle im Kontrollsystem des Zellzyklus spielt eine Familie von Proteinkinasen, die zyklinabhängige Kinasen (Cdks) genannt werden (Abb. 2.81). Ihre Aktivität ändert Kinase:zyklinabhängigesich im Verlauf der Zyklusphasen. Dadurch sind die intrazellulären Proteine, die den Ablauf der wichtigsten Stationen des Zellzyklus regulieren, mal mehr und mal weniger phosphoryliert. Die Cdk-Aktivität wird von zahlreichen Enzymen und anderen Proteinen reguliert. Die wichtigsten Regulatorproteine der Cdks sind:
  • Zykline: Es lassen sich verschiedene Zykline unterscheiden, vor allem Zyklin D, Zyklin E, Zyklin A und Zyklin B, die an verschiedenen Stellen des Zellzyklus eine wichtige Rolle Zykline, Zellzyklusspielen; Zyklin A führt die Zelle z. B. in die G2-Phase, Zyklin B ist für den Beginn der Mitose wichtig. Ihr zyklischer Auf- und Abbau führt dazu, dass Komplexe aus Zyklin und zyklinabhängigen Kinasen gebildet und aktiviert werden (Abb. 2.81).

  • Protein p53 („Wächter des Genoms“): Bei einem DNA-Schaden kann p53 den Zellzyklus in der G1- oder in der G2-Phase anhalten und die Reparatur der DNA veranlassen. Bei irreparablem Schaden veranlasst p53 die p53Apoptose der Zelle. p53 ist somit – ähnlich wie Rb (Retinoblastoma-Protein) – ein besonders wichtiger Tumorsuppressor.

Klinik

In Krebszellen ist das Zellzyklus-Kontrollsystem beeinträchtigt: Die Kontrolle über den Ablauf (= die Progression) der G1-Phase und den Beginn der S-Phase ist gestört. Eine wichtige Rolle spielt hier das Retinoblastoma-Protein (Rb), ein Wächter über die G1-Progression, also über den Restriktionspunkt am Ende der G1-Phase, wo entschieden wird, ob die Zelle in die anschließende S-Phase eintritt. Für jede Zelldifferenzierung ist es wichtig, dass der Zellzyklus hier angehalten wird. Eine wichtige Rolle im Rb-Signalweg spielt das Protein Myc, ein Transkriptionsfaktor und somit Regulatorprotein. Myc beeinflusst Zellwachstum und Zellteilung. Bei ungefähr der Hälfte aller Tumoren des Menschen ist Myc überexprimiert. Myc leitet auch die Hyperphosphorylierung von Rb ein und bahnt so den Übergang in die S-Phase. Verlust beider Kopien des Rb-Gens führt zu unkontrollierter Zellproliferation in der embryonalen Retina und bei vielen anderen Tumoren. p53 ist Ziel vieler Tumorviren, und p53-Mutationen sind die häufigsten genetischen Veränderungen im Krebsgewebe.

Mitose
Die Mitose ist der wesentliche Vorgang der M-Phase des Apoptose:p53Zellzyklus und umfasst die verschiedenen Phasen der Retinoblastoma-ProteinKernteilung, der Karyokinese (Abb. 2.82, Abb. 2.83): p53:KrebszellenProphase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase, Telophase. Die anschließende Zellteilung wird Zytokinese Mitosegenannt. Die Mitose dauert ca.Karyokinese eine Stunde und findet jedes Mal statt, wenn Zytokinesesich eine somatische Zelle (eine Nicht-Keimzelle) während des normalen Wachstums, nach Gewebeverletzungen oder im Laufe von Differenzierungsprozessen teilt. Jedes Gen wird dabei kopiert, sodass Tochterzellen entstehen, die genetisch genauso ausgestattet sind wie die Mutterzelle.
ProphaseIn der Prophase kondensiert das Chromatin mehr und mehr, bis schließlich die Chromosomen zu erkennen sind. Die Kondensation wird mithilfeMitose:Prophase von bestimmten ProteinenProphase:Mitose, den Condensinen, bewerkstelligt. Jedes Chromosom hatte sich in der Chromatin:Prophasevorhergehenden S-Phase verdoppelt und besteht nun aus 2 Schwesterchromatiden, die über Cohesine (größere Proteinkomplexe) verbunden sind. Jede dieser Schwesterchromatiden besitzt ein Zentromer mit einem speziellen DNA-Abschnitt, der für die spätere korrekte Chromatide:ProphaseTrennung der 2 Chromatiden wichtig ist. An jedem Zentromer entwickelt sich ein Kinetochor, ein spezieller Proteinkomplex – jedes Schwesterchromatidenpaar hat also 2 Kinetochore. Der Nukleolus verschwindet langsam. Gegen Ende der Prophase lösen sich die zytoplasmatischen KinetochorMikrotubuli auf, und es entsteht stattdessen der Mitoseapparat (Abb. 2.84). Er besteht aus der Nukleolus:ProphaseTeilungsspindel (Mikrotubuli und assoziierten Proteinen) und den Zentrosomen (mit jeweils 2 Zentriolen) – das normale MitoseapparatZentriolenpaar im Zentrosom hatTeilungsspindel sich verdoppelt, und die 2 Zentriolenpaare wandern an sich Mikrotubulus:Prophasegegenüberliegende Pole der Zelle. Den Zentrosomen von Pflanzenzellen fehlen die Zentriolen. Die Spindel entwickelt sich zuerst außerhalb des Kerns.
PrometaphaseDie Prometaphase beginnt mit dem raschen Abbau der Kernhülle. Die Hülle verschwindet nicht, sondern bleibt in Form von einzelnen Vesikeln,Mitose:Prometaphase die nicht von ER-Vesikeln zu unterscheiden sind, Prometaphaseaußerhalb der Spindel erhalten. Die Mikrotubuli dringen jetzt in das Gebiet des ehemaligen Kerns ein, und 30–40 von ihnen, die sog. Kinetochormikrotubuli, befestigen sich an den ausgereiften Kinetochoren (Abb. 2.84). Mikrotubulus:PrometaphaseKinetochormikrotubuli üben eine gewisse Kraft auf die Chromosomen aus, die dadurch in Bewegung geraten. Man Kinetochormikrotubulispricht auch davon, dass die Kinetochormikrotubuli die Chromosomen „einfangen“. Weiter in der Peripherie der Spindel liegen interpolare (= polare, = Pol-)Mikrotubuli, die nicht mit Chromosomen in Kontakt treten (Abb. 2.84, s. u.). Weitere Mikrotubuli, die auch vom Spindelpol ausgehen und wie alle Mikrotubuli mit ihrem Minus-Ende im Spindelpol verankert sind, weisen nach außen und sind nicht am Aufbau der Spindel beteiligt. Diese Astralmikrotubuli werden auch mit dem Begriff „Aster“ (Pl. Asteren; Stern) bezeichnet.
MetaphaseIn der Metaphase, die etwa halb so lang andauert wie die gesamte Mitosephase, werden die Chromosomen mithilfe Astralmikrotubulider Kinetochormikrotubuli in einer Mitose:MetaphaseEbene in der Mitte zwischen den Spindelpolen Metaphaseangeordnet. Durch diese Form der Anordnung entsteht die sog. Metaphasenplatte.
AnaphaseDie Anaphase wird durch Aktivierung eines Molekülkomplexes ausgelöst, der proteolytische Funktion hat und „Anaphase Metaphasenplattefördernder Komplex“ (Mitose:Anaphaseengl. „anaphase promoting complex“ = APC) genannt wird. Anaphase:MitoseDieser Komplex inaktiviert Zyklin B und damit die zugehörige CdK. Gleichzeitig aktiviert er ein proteolytisches Enzym, die Separase, die die Cohesine zwischen den Chromatiden spaltet. Die Schwesterchromatiden werden getrennt und können nun zu jeweils dem Spindelpol wandern, dem ihr Kinetochor zugewandt ist. Die auseinanderweichenden Chromatiden werden jetzt Chromatide:Anaphasewieder Chromosomen genannt. Jedes Chromosom wird mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 μm pro Minute zu seinem zugehörigen Spindelpol gezogen. Die Bewegung besteht aus 2 Komponenten, jedoch sind die Vorstellungen zum Chromosom:MetaphaseBewegungsmechanismus z. T. noch hypothetisch:
  • In der Anaphase A verkürzen sich die Kinetochormikrotubuli und ziehen die Chromosomen zum Spindelpol. Die Anaphase A beruht wahrscheinlich auf der Tätigkeit von Proteinen, die an den Kinetochoren tätig sind und deren Aktivität vom Abbau der Mikrotubuli begleitet wird, ohne dass der funktionelle Zusammenhalt zwischen Kinetochor und Mikrotubuli verloren geht.

  • In der Anaphase B verlängern sich die interpolaren Mikrotubuli und schieben somit die Spindelpole auseinander. Das ist möglich, weil sich die interpolaren Mikrotubuli an ihren freien Plus-Enden überlappen (Abb. 2.84). Dort setzen multimere Motorproteine der Kinesinfamilie an und schieben die Mikrotubuli auseinander. Zusätzlich treten Dynein-Motorproteine in Aktion, die sich einerseits innen an der Zellmembran anheften und andererseits mit den Astralmikrotubuli, die vom Spindelpol nach außen zeigen, in Kontakt treten und die Spindelpole auseinanderziehen.

An der Wanderung in der wenige Minuten dauernden Anaphase sind also im Prinzip 3 Komponenten beteiligt: Verkürzung der Kinetochormikrotubuli, Verlängerung der interpolaren Mikrotubuli und Verkürzung der Astralmikrotubuli.
TelophaseIn der Telophase kommen die Chromosomen (d. h. die getrennten ehemaligen Schwesterchromatiden) am jeweiligen Spindelpol an, und die Mitose:TelophaseKinetochormikrotubuli sind abgebaut. Die interpolaren Telophase:MitoseMikrotubuli verlängern sich noch weiter; eine Kernhülle bildet sich um die getrennten Chromosomen; das kondensierte Chromatin lockert sich wieder auf; in jedem Kern entsteht wieder ein sichtbarer Nukleolus. Die Mitose ist beendet.
Abb. 2.85 und Abb. 2.86 zeigen typische licht- und elektronenmikroskopische Präparate von Mitosestadien in Zellen vom Menschen.
Zellteilung (Zytokinese)
Im Anschluss an die Kernteilung teilt sich die Zelle. Bereits in der AnaphaseZytokinese\b entsteht eine um die Mitte der Zelle herumlaufende Furche, die im Allgemeinen rechtwinklig zur Achse der Spindel verläuft. Die Lage der ZellteilungTeilungsebene wird von den Astraltubuli bestimmt. Anaphase:ZellteilungAuf der Innenseite der Furche, im Zytoplasma, befindet sich ein Ring aus den kontraktilen Proteinen Aktin und Myosin II, der die Kraft für die Furchenbildung entwickelt. Diese Furche vertieft sich zunehmend, bis sie auf die zentral liegenden Reste der interpolaren Mikrotubuli (zwischen den 2 neuen Kernen) stößt. Diese restlichen Pakete an Mikrotubuli heißen Mittelkörper oder Flemming-Körper (Walther Flemming, 1843–1905, Prag, Kiel, Zytologe, Entdecker der Mitose). Die Mittelkörper werden kurze Zeit später Mittelkörperausgestoßen, sodass sich die ursprüngliche Mutterzelle endgültig in 2 Flemming-KörperTochterzellen teilen kann.
Synzytien und Polyploidie
SynzytienIn Einzelfällen kann es dazu kommen, dass ursprünglich getrennte Zellen zu größeren mehrkernigen Aggregaten fusionieren. Ein solches Fusionierungsprodukt nennt man ein Synzytium. Beispiele bieten Synzytiumdie Osteoklasten, der Synzytiotrophoblast und die Skelettmuskelzellen. Wenn eine mehrkernige Zelle durch Ausbleiben der Zellteilung (Zytokinese) entsteht, spricht man von einem Plasmodium (selten in Herzmuskel- oder Leberzellen). Interessant ist, dass die Gene, die für die Synzytienentstehung verantwortlich sind, Gene von Retroviren sind.
PolyploidieKommen mehr als 2 ChromosomensätzePlasmodium in einem Zellkern vor, spricht man von Polyploidie. Dieses Phänomen äußert sich in höherer Leistungskraft der entsprechenden Zellen. Experimentell, z. B. in der PolyploidiePflanzenzucht, kann Polyploidie durch Hemmung der Ausbildung der Mitosespindel, z. B. durch Colchicin, ausgelöst werden, was die Karyokinese verhindert. Beim Menschen kommt Polyploidie regelmäßig oder vereinzelt vor, insbesondere in Megakaryozyten, in den Deckzellen des Übergangsepithels der ableitenden Harnwege, in Leberepithelzellen, in Herzmuskelzellen, in den Epithelzellen der Bläschendrüse und in Krebszellen. Beim Morbus Alzheimer entstehen oft tetraploide Neurone. Polyploidie entsteht Morbus:Alzheimerentweder durch Endomitose (selten) oder durch Endoreduplikation (häufiger):
  • Bei der Endomitose werden im Kern die Mitosestadien durchlaufen, ohne dass es zur Kernteilung kommt, die Kernhülle bleibt erhalten, eine Mitosespindel entsteht nicht.

  • Bei der Endoreduplikation entsteht die EndomitosePolyploidie ohne die Mitosephasen und ohne Chromosomenkondensierung, die DNA wird „einfach“ durch Replikation verdoppelt.

Stammzellen und Tochterzellen

Definition
Stammzellen sind undifferenzierte Zellen, die sich regelmäßig teilen. Eine Stammzelle bildet 2 Tochterzellen, von denen die eine neue Stammzelle wird und die andere sich ausdifferenziert (Abb. 2.87). EndoreduplikationStammzelle\bStammzellen Tochterzelleunterscheiden Stammzelle:Definitionsich von differenzierten Zellen durch unterschiedliche Tochterzelle:DefinitionGenexpressionsmuster, wobei eine große Zahl von Faktoren (Hormone, Matrixfaktoren, Oxidation, Strahlung u. v. a.) mit dem jeweiligen zellspezifischen Genexpressionsprogramm interagieren kann.
Stammzelltypen
Embryonale StammzellenUnter diesem Begriff versteht man (bei Säugetier und Mensch) insbesondere die Zellen der inneren Zellmasse, des Embryoblasten, die nochStammzelle:Typen ein sehr breites Entwicklungsspektrum besitzen.Stammzelle:embryonale Aus diesem kleinen Zellhaufen entwickelt sich der Embryo (Abb. 2.88), während sich aus den Zellen der Blastozystenwand der Trophoblast entwickelt. Mit embryonalen Stammzellen, speziell denen des Embryoblasten, wird experimentell im Rahmen des sog. therapeutischen Klonens gearbeitet. Ziel solcher Forschungsansätze ist die Gewinnung von Zellen, die Gewebe neu aufbauen können, die infolge von Krankheiten zugrunde gegangen sind.
Pluripotente StammzellenWährend der weiteren Frühentwicklung engt sich die Entwicklungspotenz der frühen Embryonalzellen zunehmend ein, es entstehen z. B. Zellen, die die Stammzellen für alle Blutzellen (Stammzelle:pluripotentehämatopoietische Stammzelle) oder für alle neuronalen Zellen (neuronale Stammzelle) sind. Solche Zellen mit zwar eingeschränkten, aber immer noch relativ weiten Entwicklungsmöglichkeiten werdenStammzelle:Hämatopoiese pluripotente Stammzellen genannt. Auch beim Erwachsenen existieren noch Stammzelle:neuronalepluripotente Stammzellen; es sind insbesondere die Stammzellen der Hämatopoiese (Blutzellbildung). Im Experiment können solche hämatopoietischen Stammzellen dazu gebracht werden, auch andere Zellen als Blutzellen zu bilden, z. B. Muskelzellen. Daher besteht an solchen Zellen großes medizinisches Interesse.
Adulte StammzellenHierunter versteht man Zellen in den Organen des erwachsenen Organismus, von denen ständig Ersatz verbrauchter Zellen ausgeht. Solche Stammzellen ersetzen die ein oder 2 Zelltypen, die die Stammzelle:adulteausdifferenzierte Gewebestruktur kennzeichnen, in der diese Stammzellen vorkommen. In der Epidermis gibt es z. B. unipotente Stammzellen, von denen die Regeneration der ständig an der Oberfläche abschilfernden toten Keratinozyten ausgeht. In den Krypten der Dünndarmepithelzellen sitzen die Stammzellen, die das Zottenepithel, das einen raschen Zellumsatz hat, regenerieren. In manchen Epithelien ist die Regenerationskraft geringer, kann aber z. B. bei Verletzungen beschleunigt werden. Nach Verletzungen kann es auch in Muskel- und Nervengewebe zu regenerativen Prozessen kommen, wo sonst Regeneration nur selten vorkommt. Im Skelettmuskelgewebe gibt es eigene, meist ruhende Stammzellen, die Satellitenzellen (Kap. 3.3.1).

Klinik

Die experimentelle Arbeit mit Stammzellen und die Planung von Stammzelltherapien beim Menschen muss immer auch Anlass zu ethischen Überlegungen sein. Berücksichtigt werden muss auch, dass zwischen verschiedenen Kulturen und auch innerhalb einer Kultur ganz unterschiedliche Moralvorstellungen existieren können, die mit rein naturwissenschaftlichen Überlegungen leicht kollidieren können.

Meiose

Zur Orientierung

Während der Meiose, die nur in den Keimzellen abläuft, wird der doppelte Chromosomensatz, wie er in den normalen Körperzellen vorliegt, in 2 Schritten reduziert; aus diploiden Zellen werden haploide Zellen. Dieser Prozess ist notwendig, damit bei einer Befruchtung einer haploiden Eizelle durch ein haploides Spermium wieder (nur) ein diploider Organismus entsteht. Während des ersten Teilungsschritts der Meiose kommt es zur Trennung der homologen Chromosomen und zur Rekombination des Erbguts, was in evolutionärer Hinsicht die Möglichkeit zur Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen schafft.

Überblick
Der Prozess der Meiose setzt ein, wenn genetische Information von einem Organismus auf seine Nachkommen Satellitenzelleübertragen wird, er findet also nur in den Keimzellen statt. Die Meiose umfasst 2 aufeinanderfolgende Teilungen, in deren Verlauf nur einmal DNA repliziert und insgesamt das genetische Material verringert wird (Abb. 2.89).
AblaufAus einer unreifen, anfänglich diploiden Geschlechtszelle entstehen 4 haploide Tochterzellen (Gameten):
  • Das DNA-Material jedes Chromosoms verdoppelt sich, sodass es aus 2 Chromatiden besteht. Bei den 2 homologen Chromosomen Tochterzelle:Meioseentstehen also 4 Chromatiden.

  • Die 46 Chromosomen des Menschen ordnenGamet sich zu 23 Paaren zusammen. Jedes Paar besteht aus 2 homologen Chromosomen (ein Chromatide:MeioseChromosom stammt von der Mutter, das andere vom Vater).

  • Bei der ersten Teilung werden die 2 homologen Partnerchromosomen getrennt.

  • Bei der zweiten Teilung werden die Schwesterchromatiden getrennt, sodass 2 Zellen mit nur einfachem DNA-Gehalt entstehen. Diese Zellen teilen sich nicht mehr und entwickeln sich zu den reifen Keimzellen, die auch Gameten genannt werden.

Haploide und diploide ChromosomenzahlDie Meiose reduziert die Zahl der Chromosomen von 46 auf 23, jede reife Keimzelle erhält nur ein Chromosom der ursprünglichen 23 Paare (haploide Chromosomenzahl). Die Chromosomen werden dabei zufällig verteilt, sodass in jeder Keimzelle mütterliche und väterliche Chromosomen unterschiedlich kombiniert sind. Die Verschmelzung eines haploiden Haploidie\bweiblichen und eines haploiden männlichen Gameten bei der Befruchtung führt zur Entstehung eines neuen Organismus mit 46 Chromosomen (diploide Chromosomenzahl).
Genetische VielfaltDie zufällige Verteilung der Chromosomen auf die Keimzellen (Spermatozoen, Eizelle) bei der Meiose schafft eine unendliche DiploidieVielfalt unter den Genotypen der Meiose:genetische VielfaltNachkommen. Für alle 23 Chromosomenpaare gibt es 223 Chromosom:Verteilung auf Keimzellenverschiedene Chromosomenkombinationen, die in einer Keimzelle auftreten können. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elternpaar 2 Nachkommen mit identischer Chromosomenausstattung hervorbringt, ist 1 zu 223 oder 1 zu 8,4 Millionen (außer im Falle monozygoter Zwillinge). Die enorme genetische Verschiedenheit der einzelnen Menschen wird zusätzlich noch durch das Phänomen der genetischen Rekombination gesteigert, die durch Austausch von DNA zwischen den homologen Chromosomen gekennzeichnet ist.

MERKE

Die Meiose findet nur in Keimzellen statt und umfasst 2 aufeinanderfolgende Teilungen. Aus der anfänglich diploiden Geschlechtszelle entstehen 4 haploide Tochterzellen.

Erste meiotische Teilung (Meiose I)
Ein wesentliches Merkmal der ersten Teilung der Meiose ist, dass sich die homologen (mütterlichen und väterlichen) Chromosomen zu Paaren zusammenfinden, wobei unklar ist, wie sie sich erkennen. Da jedes Chromosom seinen DNA-Gehalt vorher verdoppelt hat (wie bei der Mitose), besteht jedes Chromosom bei dieser Paarfindung aus 2 Schwesterchromatiden, sodass sich 2 Chromosomen mit insgesamt 4 Chromatiden zusammenlagern. Solche Gebilde werden auch Tetraden genannt.
ProphaseDie sehr komplexe Prophase der ersten meiotischen Teilung dauert beim Mann mehrere Tage, bei der Frau dagegen viele Jahre.Meiose:erste Teilung In Tetradedie Prophase derProphase:Meiose ersten meiotischen Teilung der Eizellen ist eine lange Meiose:ProphaseRuhephase eingeschaltet, die Diktyotän genannt wird. Die normale Prophase lässt sich in 5 Unterphasen gliedern:
  • Leptotän

  • Zygotän

  • Pachytän

  • Diplotän

  • Diakinese

Beim Menschen kommt es durchschnittlich zu 2 oder 3 Austauschvorgängen (Crossing over) pro Homologenpaar während dieser Prophase. Es werden dabei korrespondierende Teile zwischen jeweils einem mütterlichen und einem väterlichen Chromatid ausgetauscht. Die Region, an der Crossing overso ein Crossing over stattgefunden hat, ist auch im Lichtmikroskop zu erkennen und wird Chiasma (Pl. Chiasmata) genannt.
Die paarweise Zusammenlagerung (Synapsis) beginnt im Zygotän, indem sich eine komplexe Verbindungsstruktur, der synaptonemale Komplex, bildet, der dann im Chiasma, Crossing overmehrere Tage dauernden PachytänSynapsis voll ausgebildet ist. Möglicherweise spielen spezielle ZygotänProteinkomplexe, Rekombinationsknoten, im synaptonemalen Komplex:synaptonemalerKomplex eine wichtige Rolle beim Chromatidenaustausch und damit bei der genetischen PachytänRekombination. Die Rekombinationsknoten sind große Multienzymaggregate, und ihre Zahl entspricht der der Chiasmata. Ihnen kommt eine ähnliche Rolle wie den Zentromeren während der Mitose zu, bei der ersten meiotischen Teilung halten sie die homologen Chromosomen zusammen. Die Chiasmata spielen aber auch eine wichtige Rolle bei der Trennung der Homologenpaare. Vor dieser Trennung entstehen (wie bei der Mitose) Kinetochoren, die jedoch bei den 2 Schwesterchromatiden eines homologen Chromosoms verschmelzen, sodass dann in der Anaphase väterliches und mütterliches homologes Chromosom getrennt werden und nicht die Schwesterchromatiden, wie bei der Mitose und der Meiose II.
Auch zwischen den Geschlechtschromosomen kommt es zur Paarung, was im Fall von 2 X-Chromosomen einfach verständlich ist. Wenn in einer Keimzelle ein X- und ein Y-Chromosom vorliegen, dann paaren diese sich auch, und zwar entlang eines kurzen homologen DNA-Abschnitts an einem Ende dieser Chromosomen.
MetaphaseIm Anschluss an die Prophase folgt die Metaphase, in der sich die homologen Chromosomen in einer Ebene in der Teilungsspindel anordnen.
Anaphase,Metaphase:Meiose Telophase und ZytokineseIn der Anaphase werden die 2 Meiose:MetaphaseHomologen (jedes aus 2 Chromatiden bestehend) getrennt und wandern in der Telophase auf gegenüberliegende Zellpole zu. Nach der Zytokinese entstehen 2 Tochterzellen, die nur noch 23 Anaphase:MeioseChromosomen enthalten. Jedes dieser Chromosomen ist einer der 2 homologen Partner der Telophase:MeioseMutterzelle und besteht aus 2 zusammenhängenden Chromatiden.
Zweite meiotische Teilung (Meiose II)
Die definitiven Gameten entstehen in der zweiten meiotischen Teilung ohne vorausgehende DNA-Replikation. Die 2 Schwesterchromatiden teilen sich wie in einer Mitose, was jeweils zur Entstehung von 2 Zellen mit haploidem Chromosomensatz führt.
Bei der Meiose II organisiert sich das verschmolzene Kinetochor neu, es entstehen an entgegengesetzten Stellen jeweils eigene Kinetochoren an jeder Schwesterchromatide, die dann ihre Meiose:zweite TeilungTrennung in entgegengesetzte Richtung dirigieren.

MERKE

In den Tochterzellen (den Gameten) werden die Chromatiden wieder Chromosomen genannt. Der Begriff Chromatide ist nur in bestimmten Phasen gebräuchlich und im Prinzip inhaltsgleich mit dem Begriff Chromosom.

Klinik

Mitunter verläuft die Meiose fehlerhaft, und die homologen Chromosomen trennen sich nicht, ein Phänomen, das Non-Disjunction genannt wird. Dabei können Gameten entstehen, die ein Chromosom zu viel oder zu wenig haben. Embryonen, die sich u. U. aus solchen Gameten entwickeln, sterben i. A. früh ab. Manche bleiben aber am Leben; ein Beispiel bietet das Down-Syndrom des Menschen, dem eine zusätzliche Kopie des Chromosoms 21 zugrunde liegt, die durch Non-Disjunction entweder bei der ersten oder der zweiten meiotischen Teilung zustande kommt.

Allgemeine Anpassungen von Zellen, Zelltod

Zur Orientierung

Down-SyndromZellen können sich an unterschiedliche physiologische Bedingungen anpassen: Hypertrophie, Atrophie und Hyperplasie. Der Tod einer Zelle kann durch eine akute Schädigung ausgelöst werden (Nekrose), er kann aber auch durch ein komplex geregeltes Programm ausgelöst werden, die Apoptose. Die Apoptose von Zellen ist wichtiger Bestandteil vieler physiologischer Prozesse, z. B. während Entwicklung und Wachstum. Sie kann auch kranke oder fehlentwickelte Zellen beseitigen.

Zellanpassungen

Alle Zellen können sich in gewissem Umfang an unterschiedliche Non-DisjunctionBedingungen anpassen.
HypertrophieUnter Hypertrophie versteht man eine Leistungssteigerung, die mit Zellvergrößerung einhergeht. In einem hypertrophen Gewebe oder ZellanpassungOrgan sind größere, aber Zelle:Hypertrophienicht mehr Einzelzellen zu finden als in einem normalen HypertrophieGewebe oder Organ. Die Ursachen der Hypertrophie sind vielfältig und betreffen i. A. immer nur einzelne Gewebe oder Zellen. Beispielsweise hypertrophiert die Herzmuskulatur, wenn die funktionelle Anforderung steigt, und die Skelettmuskulatur kann hypertrophieren, wenn sie z. B. endokrin durch anabole Steroide stimuliert wird.
AtrophieAtrophie ist das Gegenteil von Hypertrophie. Muskelzellen atrophieren, wenn sie nicht gebraucht oder nicht hormonal stimuliert werden (Menopause oder in Zelle:AtrophieHungerperioden). Die Zellen werden kleiner, ihre Zahl Atrophievermindert sich nicht.

MERKE

Hypertrophie und Atrophie sind zunächst reversibel. Nach Überschreiten einer Grenze kommt es jedoch zu irreversibler Zellschädigung und Zelltod.

HyperplasieWenn sich in einem Organ die Zellzahl vermehrt, spricht man von Hyperplasie. Sie entwickelt sich oft zusammen mit Hypertrophie.

Klinik

Physiologische Hyperplasie zeigt z. B. die Milchdrüse in der Schwangerschaft. Zu kompensatorischer Hyperplasie kommt es bei Verlust oder Erkrankung eines Organteils oder eines ganzen Organs.

Pathologische Hyperplasie, z. B. bei hormonalem Ungleichgewicht zwischen Östrogen und Progesteron in der Brustdrüse, kann u. U. Voraussetzung für bösartiges Wachstum sein.

MetaplasieUnter Zelle:HyperplasieMetaplasie versteht man die potenziell reversible HyperplasieUmwandlung eines differenzierten Gewebetyps in einen anderen differenzierten Gewebetyp.
DysplasieZelle:MetaplasieDysplastische Zellen sind histologisch veränderte Metaplasie:Definition(transformierte), zumeist epitheliale Zellen, die ungewöhnlich stark wachsen und maligne entarten können.

Klinik

Bei chronischem Rauchen wandelt sich das respiratorische Epithel (Kap. 8.1.2) in ein mehrschichtiges Plattenepithel um. Daraus kann im weiteren Verlauf bösartiges Tumorgewebe entstehen. Die häufigste Form des Atemwegkrebses ist das Plattenepithelkarzinom.

Zelltod

Regelmäßig finden sich auch Zelle:DysplasiePlattenepithel:mehrschichtigesim normalen Gewebe Dysplasiegeschädigte und zugrunde gehende Zellen. Solche Zellen weisen einen auffälligen Kern auf. Die 2 Formen des Zelltods sind die Nekrose und die Apoptose.
NekroseUnter Nekrose versteht man den Zelltod, der durch irreversible exogene Schädigung verursacht wird. Die Zellen schwellen an, zytoplasmatische Proteine denaturieren, ZelltodZellorganellen werden zerstört und der Kern ist auf typische Weise Nekroseverändert. Die Kernveränderungen beruhen alle auf unspezifischem DNA-Abbau und können nach verschiedenen Mustern verlaufen:
  • Schrumpfung und verstärkte Basophilie (Pyknose)

  • Abnahme und Verlust der Basophilie (Karyolyse)

  • Fragmentierung des pyknotischen Kerns (Karyorrhexis)

Der Kern verschwindet i. A. nach 1–2 Tagen. Die Proteindenaturierung führt zu vermehrter Eosinophilie des Zytoplasmas.
ApoptoseApoptose ist der „programmierte“ Zelltod (es läuft ein intrazelluläres „Todesprogramm“ ab), der im Lauf physiologischer (und auch pathologischer) Prozesse auftritt, z. B.
  • Apoptosewährend der Embryo- und Organogenese

  • bei hormonabhängigen Zelltod:programmierterphysiologischen Umstellungs- oder Rückbildungsprozessen, z. B. wenn das Endometrium während des Menstruationszyklus abgebaut wird oder sich die Milchdrüse nach dem Abstillen zurückbildet

  • wenn ausgereifte Zellen, z. B. an den Spitzen der Darmzotten, eliminiert werden

  • bei der Beseitigung autoreaktiver T-Lymphozyten im Thymus

Das Zytoplasma solcher Zellen ist eosinophil, Endonukleasen werden aktiviert, das Heterochromatin kondensiert typischerweise zu peripheren großen Schollen, schließlich zerfällt der Kern (Abb. 2.90, Abb. 2.91, Abb. 2.92). Die Zellen schrumpfen und schnüren peripher Zytoplasmafragmente (apoptotische Körper) ab, die phagozytiert werden. Das Zytoskelett wird abgebaut. In der Umgebung solcher Zellen findet keine Entzündungsreaktion statt. In frühen Stadien der Apoptose gibt die Zelle „find-me“-Signale (Finde-mich-Signale) ab, z. B. die Nukleotide ATP und UTP, die Makrophagen rekrutieren, die nicht nur abgeschnürte Zytoplasmafragmente, sondern schließlich die ganze abgestorbene Zelle phagozytieren. Die Apoptose ist ein komplexer Vorgang, u. a. gibt es pro- und antiapoptotische Gene und Proteine in jeder Zelle. Überwiegen die proapoptotischen Gene (z. B. bax), leitet das die Apoptose ein, überwiegen antiapoptotische Gene (z. B. bcl-2), verhindert das den Zelltod. Die proapoptotischen Proteine aktivieren insbesondere die Caspasen (Abb. 2.93). Dies sind die „bax-GenEffektorproteine“ der Apoptose. Sie sind Zystein-Proteasen, die verschiedene Strukturen in der bcl-2-Genapoptotischen Zelle abbauen. Trophische Faktoren verhindern die Apoptose. Bekannt sind z. B. die Neurotrophine, denen u. a. der Nervenwachstumsfaktor (NGF, engl. „nerve growth factor“) angehört.
Lernhinweise zu Kapitel 2 ▸ im Anhang

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