Physiologie Malatlas - 2., aktualisierte Auflage
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ZELLPHYSIOLOGIE ZELLSTRUKTUR „Lebewesen bestehen aus einer oder mehreren Zellen.“ „Jede Zelle kann unabhängig von den anderen leben.“ „Zellen können nur aus anderen Zellen entstehen.“ Diese drei Behauptungen drücken die „Zelldoktrin“ aus, die besagt, dass diejenigen Teile unseres Körpers, die leben – die essen, atmen, sich bewegen und sich fortpflanzen –, dies nur mittels Zellen tun können, die etwa zwei Drittel unseres Körpergewichts ausmachen. Wenn die Physiologie erforschen möchte, wie Lebewesen funktionieren, muss sie ihre Erklärungen im Sinn zellulärer Aktivitäten ausdrücken. Zellen gibt es in unterschiedlichen Größen, Formen und mit divergierenden inneren Strukturen. Leberzellen unterscheiden sich von Gehirnzellen, die sich wiederum von Blutzellen unterscheiden. Alle Zellen enthalten „Miniorgane“, Organellen genannt, die jeweils auf eine bestimmte Funktion spezialisiert sind. Obwohl die in der Tafel abgebildete Zelle nicht alle Zelltypen repräsentieren kann, enthält sie folgende Strukturen und Organellen, die für gewöhnlich in den meisten Zellen vorkommen. Zellmembran – Diese äußere Begrenzung der Zelle besteht aus einer dünnen Schicht (4 – 5 nm) von Fettmolekülen (Lipiden) mit eingebetteten Proteinen. Zusätzlich zu den Strukturproteinen sorgen manche Proteine für Transportwege und den regulierten Ein- und Ausstrom von Stoffen in die und aus der Zelle. Andere Proteine dienen als Rezeptoren für chemische Signale, die von anderen Zellen kommen. Weiterhin dienen manche Membranproteine als Enzyme, während wieder andere als Antigene fungieren, die das „selbst“ erkennen. Zellkern (Nucleus) – Das wichtigste Zellorganell, der Kern, enthält genetisches Material: Gene, DNA und Chromosomen. In Genen enthaltene Information wird im Alltagsleben der Zelle und für die Reproduktion gebraucht. Der Kern enthält außerdem noch einen kleineren Körper, das Kernkörperchen (Nucleolus), das aus dichtgepackten Chromosomenregionen zusammen mit einigen Proteinen und RNASträngen besteht. Der Nucleolus initiiert die Bildung von Ribosomen, Strukturen, die für die Proteinsynthese nötig sind. Der Kern ist umgeben von einer Doppelmembran, die von Poren durchsetzt ist, die am Stofftransport zwischen Kern und dem Rest der Zelle beteiligt sind. Cytoplasma/Cytosol – Das Cytoplasma, das den Raum zwischen Zellkern und Plasmamembran einnimmt, enthält membranumhüllte Organellen, Ribosomen für die Synthese von Cytoplasmaproteinen und ein komplexes Netzwerk aus Fasern und Röhren, Cytoskelett genannt. Der Flüssigkeitsanteil des Cytoplasmas zwischen diesen Strukturen, das Cytosol, enthält viele Enzyme aus Proteinen (Katalysatoren der Zellchemie). Mitochondrien – Diese „Kraftwerke“ der Zelle sind die Orte, an denen die in den Nährstoffen enthaltene chemische Energie gewonnen und gespeichert wird durch die Bildung von ATP-Molekülen. ATP dient umgekehrt als „Energiewährung“ für die Verrichtung von Arbeit in der Zelle, indem es die Energie bereitstellt, die für Bewegung, Sekretion und Synthese komplexer Strukturen nötig ist. Endoplasmatisches Reticulum – Das endoplasmatische Reticulum (ER) ist ein Netzwerk aus Schläuchen und flachen Hohlräumen, die im Cytoplasma verteilt sind. Einige Teile des ER (raues ER) haben ein körniges Erscheinungsbild aufgrund angehefteter Ribosomenpartikel. Hier findet die Synthese von Proteinen statt, die für die Organellen, Zellmembranbestandteile oder für die Sekretion in den Extrazellularraum (z.B. Hormone) gedacht sind. Dem glatten ER fehlen angeheftete Ribosomen. Gewöhnlich ist es am Fettstoffwechsel beteiligt, es kann aber auch der Entgiftung von Wirkstoffen und der Deaktivierung von Steroidhormonen dienen. In Muskelzellen sequestriert das glatte ER (hier sarcoplasmatisches Reticulum genannt) große Mengen von Calcium, das für die Auslösung von Muskelkontraktionen benötigt wird. Golgi-Apparat – Einheiten von glatten Membranen, die abgeflachte, flüssigkeitsgefüllte und pfannkuchenartig aufgeschichtete Hohlräume bilden, heißen Golgi-Apparat. Dieser ist beteiligt an der Modifizierung, Sichtung und Verpackung von Proteinen, die für andere Organellen oder für die Sekretion aus der Zelle bestimmt sind. Um den Golgi-Apparat herum findet man zahlreiche membranumhüllte Vesikel. Sie transportieren wahrscheinlich Stoffe zwischen Golgi-Apparat und anderen Zellorganellen (z.B. empfangen sie proteinbeladene Vesikel vom rauen ER oder leiten andere Vesikel weiter zur Plasmamembran). Endo- und exocytotische Vesikel – Diese membranumschlossenen Vesikel wandern von der Plasmamembran weg (und zu ihr hin); sie sind wichtige Transporter für die Proteinaufnahme in die Zelle und die Proteinabgabe aus der Zelle heraus. Exocytose (Sekretion) bedeutet eine richtiggehende Verschmelzung der Vesikelmembran mit der Plasmamembran, wodurch der Vesikelinhalt aus der Zelle ausgestoßen (sezerniert) werden kann. Endocytose (Pinocytose, Phagocytose) ist der umgekehrte Vorgang: die Plasmamembran stülpt sich ein und umschließt extrazelluläres Material; dann schnürt sich ein membranumhüllter Vesikel ab (der dieses Material und umgebende Flüssigkeit enthält) und wird ins Zellinnere aufgenommen. Lysosomen – Diese membranumhüllten Vesikel enthalten viele Enzyme, die in der Lage sind, Stoffwechselprodukte der Zelle, defekte Organellen und per Endocytose in die Zelle geschleuste Bakterien zu verdauen. Die tödliche Tay-Sachs-Erkrankung beruht auf einem erblichen Mangel an lysosomalen Enzymen, die Bestandteile der Nervenzellen (Glykolipide) verdauen. Diese häufen sich in den Zellen an, was sie anschwellen und degenerieren lässt. Peroxisomen – Dies sind ebenfalls membranumschlossene Vesikel, die Verdauungsenzyme enthalten. Sie zerlegen langkettige Fettsäuren ebenso wie manche toxische Substanzen. Genetische Defekte im peroxisomalen Membrantransport verursachen die im Kindesalter tödlichen Krankheiten Zellweger-Syndrom und X-chromosomale Adrenoleukodystrophie. Cytoskelett – Das Cytoskelett besteht aus Ansammlungen von Proteinfilamenten, die ein Netzwerk innerhalb des Cytosols bilden und der Zelle ihre Form verleihen. Diese Filamente liefern auch die Basis für Bewegungen der gesamten Zelle ebenso wie für interne Bewegungen ihrer Organellen und Proteine. Die drei Haupttypen von Cytoskelettfilamenten sind Mikrotubuli (25 nm im Durchmesser), Actinfilamente (25 nm – siehe nächste Tafel) und intermediäre Filamente (10 nm – nächste Tafel). Intermediäre Filamente sind starke, stabile Konstruktionen, die die Zelle vor mechanischer Beanspruchung schützen. Mikrotubuli durchlaufen häufige Veränderungen; sie vergrößern oder verkürzen sich durch Zugabe oder Wegnahme ihrer molekularen Bausteine (Tubulin). Normalerweise wachsen sie aus Organisationszentren heraus, z.B. Zentrosomen (die während der Zellteilung von Bedeutung sind). Während sie sich nach außen hin ausbreiten, bilden sie ein System von intrazellulären Pfaden aus, die zum Transport von Vesikeln, Organellen und anderen Zellbestandteilen zu verschiedenen Positionen innerhalb der Zelle dienen. Diese Bewegung wird von spezialisierten Motormolekülen angetrieben (Dynein, Kinesin). Durch geringfügige Formveränderungen können diese Motormoleküle sich an aufeinanderfolgende Positionen anheften, loslösen und erneut anheften, so dass das Motormolekül auf dem Filament „wandert“. Sein anderes Ende kann mit einem Transportgut, das bewegt wird, verbunden sein. Obwohl Actinfilamente starre, dauerhafte Strukturen bilden können, sind sie wie Mikrotubuli auch in der Lage, zu wachsen und zu schrumpfen, und sie sind an einer Vielzahl von Zellbewegungen, einschließlich Zellwanderung, Phagocytose und Muskelkontraktion, beteiligt. Eine Anzahl verschiedener Proteine kann an die Filamente binden. Das Verhalten des Filaments wird von den gebundenen spezifischen Proteinen determiniert. Diese Proteine, die Myosin heißen, sind Motormoleküle (Tafel 21). MALHINWEIS 1 Verwenden Sie Ihre hellsten Farben für A und G. 1. Beginnen Sie in der linken oberen Ecke mit dem Ausmalen von Überschrift, Strukturbeispiel und der entsprechenden Struktur in der zentralen Abbildung der gesamten Zelle. Verfahren Sie so mit jeder Struktur, während Sie im Uhrzeigersinn die Seite bearbeiten. Beachten Sie, dass der Zwischenraum zwischen den Membranen des rauen endoplasmatischen Reticulums (I) im rechten Beispiel nicht ausgemalt wird, in der zentralen Zeichnung zu Identifikationszwecken jedoch schon. Erblichkeit Gene (DNA) ZELL-(PLASMA-)MEMBRANA ZELLKERNC ChefZimmer (Transport / Schutz) PROTEINB KERNHÜLLEF KERNKÖRPERCHEND Lipiddoppelschicht zweifache Lipiddoppelschicht Pore produziert Ribosomen für die Proteinsynthese RIBOSOME Mikrotubuli CYTOPLASMAG (CYTOSOL)G Zellteilung ZENTROSOMO Nährstoffe Intrazelluläre Verdauung LYSOSOMM PEROXISOMM1 ENZYMN ATP-Produktion MITOCHONDRIUMH GOLGI-APPARATL Sortieren und Verpacken von Proteinen Hormone Lipidsynthese Wirkstoffe GLATTES ENDOPLASMATISCHES RETICULUMJ RAUES ENDOPLASMATISCHES RETICULUMI Synthese von Proteinen Sekretion EXOCYTOSEK1 VESIKELK ENDOCYTOSEK2 Pino- und Phagocytose Die Zellen in den verschiedenen Organen des Körpers sind hoch spezialisiert, und diese Spezialisierung spiegelt sich oft in strukturellen Variationen wider. Obwohl die oben beschriebene generalisierte Zelle keine bestimmte Zelle repräsentieren kann, enthält sie Strukturen und Organellen, die gewöhnlich in den meisten Zellen vorkommen. Alle Zellen sind begrenzt von einer Plasmamembran, einer durchgehenden doppelschichtigen Lage von Lipidmolekülen mit eingebetteten Proteinen. Ähnliche Membranen bilden eine Reihe von Strukturen innerhalb der Zelle. Generell haben alle Zellen einen membranumhüllten Zellkern, der die genetischen Instruktionen (Gene) enthält. Durch die Expression der in den Genen gespeicherten Information steuert der Zellkern das Alltagsleben der Zelle und ihre Reproduktion. Der Raum zwischen Plasmamembran und Zellkern wird Cytoplasma genannt. Membranumschlossene Organellen sowie die Filamente und Mikrotubuli, die das Cytoskelett bilden, sind in der cytoplasmatischen Flüssigkeit, dem Cytosol, verteilt. 2 ZELLPHYSIOLOGIE EPITHELZELLEN Es gibt viele verschiedene Arten von menschlichen Zellen, die in vier allgemeine Typen eingeteilt werden können: 1. Muskelzellen, spezialisiert auf die Erzeugung von mechanischer Arbeit und Bewegung; 2. Nervenzellen, spezialisiert auf schnelle Kommunikation; 3. verbindende und stützende Gewebezellen einschließlich Blut und Lymphe und 4. Epithelzellen für Schutz, selektive Sekretion und Absorption. Diese Tafel konzentriert sich auf Epithelzellen, um darzustellen, wie sich Gruppen dieser Zellen im Rahmen der Gewebebildung miteinander verbinden und wie spezialisierte Strukturen – Zellverbindungen, Mikrovilli und Cilien – bestimmte Funktionen unterstützen. Auf andere Zelltypen wird im Zusammenhang mit den spezifischen Organen genauer eingegangen. Epithelzellenschichten trennen die Körperkompartimente Epithelzellen sind miteinander verwachsen und bilden oft mehrlagige Schichten mit sehr geringen Zellzwischenräumen. Diese findet man an Oberflächen, die den Körper bedecken oder die Wände röhrenförmiger oder hohler Strukturen auskleiden. Epithelzellen kommen also in Haut, Nieren und Drüsen sowie in den Auskleidungen von Lunge, Gastrointestinaltrakt, Blase und Blutgefäßen vor. Epithelzellschichten stellen oft die Grenzen zwischen verschiedenen Körperkompartimenten dar, wo sie den Austausch von Molekülen zwischen ihnen regulieren. Praktisch alle Substanzen, die vom Körper aufgenommen oder abgegeben werden, müssen mindestens eine Epithelschicht durchqueren. Zum Beispiel bildet der Dünndarm einen Hohlzylinder, dessen Innenseite von verschiedenen Typen von Epithelzellen besiedelt ist. Einige sezernieren Verdauungsenzyme, andere absorbieren Nährstoffe, wieder andere sondern schützenden Schleim ab. In jedem der genannten Fälle haben die Epithelzellen die Aufgabe, Material nur in eine Richtung zu transportieren: entweder von den Blutgefäßen (die in die Darmwand eingebettet sind) zum Hohlraum des Zylinderinneren (Lumen) bei der Sekretion oder vom Lumen in das Blut bei der Absorption. Die Zelle muss also einen „Richtungssinn“ besitzen; sie muss den Unterschied zwischen Lumenund Blut-Seite „kennen“. Die Zelle kann nicht absolut symmetrisch sein, und diese Ungleichmäßigkeit in der Funktion spiegelt sich in einer asymmetrischen oder polaren Struktur wider. Die strukturelle Asymmetrie, die sowohl die Zellform als auch die Positionierung der Organellen zeigen, wird von einem komplizierten Cytoskelett erzeugt und aufrechterhalten. Zusätzlich finden sich deutliche Unterschiede zwischen den Plasmamembranen auf den verschiedenen Seiten der Zelle. Wir können drei unterschiedliche Oberflächen von Epithelzellen unterscheiden: 1. Die apikale Oberfläche zeigt zur Außenseite oder in das Lumen eines einzelnen Organs. 2. Die basale Oberfläche befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite, die den Blutgefäßen am nächsten ist. 3. Die lateralen Flächen zeigen zu den benachbarten Epithelzellen. Jede dieser Membranoberflächen enthält verschiedene Proteine und Strukturen, die für eine normale Funktion notwendig sind. Epithelzellen verknüpfen sich mit ihren Nachbarn und kommunizieren mit ihnen Die lateralen Oberflächen der Epithelzellen müssen aneinander binden, um die Flächenstruktur aufrechtzuerhalten und um einen dichten Verschluss zu bilden, der das Durchsickern von Wasser und gelösten Stoffen zwischen benachbarten Zellen verhindert. Wenn Substanzen die Epithelschicht überwinden, so erfolgt das für gewöhnlich nur, weil sie selektiv erkannt und von den Zellen selbst transportiert werden. Besondere Strukturen, Desmosomen genannt, stellen eine Hauptursache für die Zelladhäsion dar. Sie liegen nahe bei oder innerhalb der Membran und halten die Zellen dort zusammen, wo sie in Kontakt kommen. Andere spezialisierte Kontaktstellen (Tight Junctions) dienen zum Verschluss potenziell undichter Stellen; wieder andere (Gap Junctions) werden für die Kommunikation zwischen den Zellen gebraucht. Generell nennt man diese Kontaktstellen „Junctions“. Tight Junctions verhindern Lecks und halten die Polarität aufrecht Tight Junctions bilden sehr enge Kontakte zwischen benachbarten Zellen und lassen praktisch keinen Zwischenraum. Diese Junctions erstrecken sich über den gesamten Umfang der Zelle und stellen so einen dichten Verschluss her, der das Durchsickern von Flüssigkeiten und Stoffen verhindert. Außerdem erhalten sie die Asymmetrie der Zelle, indem sie Membranproteine daran hindern, innerhalb der Membran, entlang der Zelloberfläche oder von einer Seite zur anderen zu wandern. Gap Junctions ermöglichen Kommunikation Gap Junctions sind spezialisiert auf die Kommunikation zwischen benachbarten Zellen. Sie bestehen aus einer Reihe von sechs zylindrischen Proteinuntereinheiten, die die Plasmamembran überspannen und ein kurzes Stück in den Extrazellularraum hineinreichen. Die Untereinheiten sind auf eine Weise gebündelt, bei der die langen Achsen parallel verlaufen und einen offenen Raum oder Kanal von etwa 1,5 nm Breite bilden, der sich über die gesamte Länge der Reihe erstreckt. Diese Kanäle haben die Funktion von Porenöffnungen in der Membran, wobei diese Öffnungen nicht in den Extrazellularraum reichen. Stattdessen knüpft jede Reihe an eine ähnliche Reihe einer angrenzenden Zelle und bildet einen Tunnel von doppelter Länge mit dem Eingang in der einen und dem Ausgang in der angrenzenden Zelle. Diese Tunnels sind breit genug, um gelöste Stoffe von geringer Größe und gewöhnliche Ionen durchzulassen. Die Junctions gewährleisten also die Übertragung elektrischer und chemischer Signale zwischen den Zellen und ermöglichen ihnen, als Einheit zu funktionieren. Unter bestimmten Umständen (z.B. einem Anstieg des intrazellulären Ca++) schließen sich die zentralen Kanäle und isolieren so die betroffenen Zellen von den anderen. Gap Junctions sind besonders wichtig für die Koordination der Aktivitäten von Herz, glatter Muskulatur und Epithelzellen. Mikrovilli vergrößern den Bereich der Zelloberfläche Mikrovilli sind kleine, fingerartige Ausstülpungen an der apikalen Oberfläche von Epithelzellen. Am häufigsten findet man sie in Geweben, in denen Moleküle in erster Linie durch das Epithel transportiert werden. Mikrovilli haben den Vorteil, dass sie die Oberfläche für den Transport erheblich vergrößern (z.B. um den Faktor 25 im Darm). Actinfilamente, die mit ihrer Basis im terminalen Fasernetz verankert sind und sich über die gesamte Länge der Mikrovilli erstrecken, unterstützen deren aufrechte Position. Cilien treiben Flüssigkeiten und Partikel die Zelloberfläche entlang Cilien sind sehr lange Ausstülpungen der apikalen Oberfläche, die vor allem für den Materialtransport entlang der (d.h. tangential zur) epithelialen Oberfläche, statt durch diese hindurch, zuständig sind. Zahlreich sind sie im Atmungstrakt, in den Eierstöcken und im Uterus. Sie funktionieren durch „Schlagen“ (d.h. durch peitschenartige Bewegungen in Richtung eines schnellen Vorwärtsschlags, die Flüssigkeiten und Partikel auf der Zelloberfläche mechanisch vorantreiben). Eine Reihe von Mikrotubuli entlang jeder Cilie überträgt diese Bewegungen. Desmosomen sind Regionen, die von enger Verknüpfung der Zellen geprägt sind und dem Gewebe strukturelle Stabilität verleihen. An einem Desmosom ist ein schmaler extrazellulärer Raum zwischen den beiden Zellmembranen mit feinem faserigem Material gefüllt, das wahrscheinlich die beiden Zellen zusammenklebt. Es gibt zwei Arten von Desmosomen: gürtelförmige Desmosomen (durchgehende Haftungszonen, die die Zelle umschließen) und punktförmige Desmosomen (Anhänge an kleine Kontaktregionen, oft mit „Punktschweißstellen“ verglichen). MALHINWEIS Desmosomen gewährleisten eine starke Adhäsion Verwenden Sie dieselbe Farbe für die Plasmamembran (F) wie bei Tafel 1. 1. Beginnen Sie mit der 3-dimensionalen Zeichnung von Epithelzellen auf der rechten Seite. Wenn Sie eine Struktur ausmalen, vervollständigen Sie die entsprechende Struktur im Querschnittsdiagramm auf der linken Seite. Letzteres enthält zusätzliche Strukturen, die ebenfalls ausgemalt werden sollen. Beachten Sie, dass A, D und L Teile der Plasmamembran (F) sind, aber unterschiedliche Farben erhalten. 2. Achten Sie darauf, dass bei der Überschriftenliste die Funktionen der Strukturen H–N in Klammern gesetzt sind und grau ausgemalt werden. APIKALE OBERFLÄCHE CILIEA MIKROTUBULUSB BASALKÖRPERC MIKROVILLID MIKROFILAMENTE (ACTIN) LATERALE OBERFLÄCHE LATERALE PLASMAMEMBRANF TIGHT JUNCTIONG (IMPERMEABEL)* GÜRTELFÖRMIGES DESMOSOMH (INTERZELLULÄRE ADHÄSION)* PUNKTFÖRMIGES DESMOSOMI (INTERZELLULÄRE ADHÄSION)* GAP JUNCTIONJ (INTERZELLULÄRE* KOMMUNIKATION)*1 Epithelzellen haften aneinander und bilden oft mehrlagige Schichten, die Körper und Organe bedecken, oder sie säumen die Wände röhrenförmiger oder hohler Strukturen (Haut, Nieren, Drüsen; Auskleidung von Lunge, Verdauungstrakt, Blase und Blutgefäßen). Sie haben 3 verschiedene Oberflächen: 1. die apikale Oberfläche, die nach außen oder in das Lumen eines Organs zeigt, 2. die basale Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite, die in Richtung der Blutgefäße zeigt, und 3. die lateralen Flächen, die den benachbarten Epithelzellen zugewandt sind. DIE APICALE OBERFLÄCHE enthält mitunter Mikrovilli und Zilien. Mikrovilli vergrößern den Bereich der apicalen Oberfläche um ein Vielfaches. Actinfilamente, die im terminalen Netz verankert sind und sich über die gesamte Länge jedes Mikrovillus erstrecken, scheinen deren aufrechte Position zu erhalten. Cilien sind am tangentialen Materialtransport entlang der epithelialen Oberfläche beteiligt und treiben mit peitschenartigen Bewegungen Flüssigkeiten und Partikel in Richtung eines schnellen Vorwärtsschlags an der Zelloberfläche voran. Diese Bewegungen werden von Mikrotubuli übertragen, die die Länge jeder Cilie in einer charakteristischen 9+2-Anordnung bedecken (9 Mikrotubulipaare bilden einen Ring um ein zentrales Paar). Jede Cilie ist in einem Basalkörper verankert. Die Cilie wird gekrümmt, wenn die Mikrotubulipaare aneinander vorbeigleiten. DIE LATERALE OBERFLÄCHE enthält 3 Typen von Zellverbindungen: 1. Desmosomen zur Anheftung benachbarter Zellen, 2. Tight Junctions zum Verschluss von Lecks zwischen den Zellen und 3. Gap Junctions, die offene Kanäle zwischen den Zellen für die elektrische und chemische Signalübertragung bilden. ITE) E SE INAL M U L ( BASALE OBERFLÄCHE HEMIDESMOSOMK (ANHEFTUNG)* BASALE PLASMAMEMBRANL E ÄCH ERFL E OB AL APIC TERMINALES NETZM CYTOSKELETTN (INTERMEDIÄRE FILAMENTE) EXTRAZELLULARRAUMO NÄHRSTOFFE UND METABOLITENP LATERALE OBERFLÄCHEN TUBULUSLUMEN CHE RFLÄ OBE ALE ITE) S A B T-SE (BLU Punktförmige Desmosomen kitten die Zellen an einzelnen Stellen zusammen. Innerhalb der Zelle sind sie durch ein ausgedehntes Netzwerk von Filamenten verbunden, die ein Teil des Cytoskeletts sind, das mechanische Stabilität verleiht. Gürtelförmige Desmosomen umgeben die gesamte Zelle mit einem intrazellulären Faserkitt. Innerhalb der Zelle hat das gürtelförmige Desmosom ein Band aus zylindrischen Actinfilamenten (im Querschnitt abgebildet), die direkt an den inneren Teil der Zellmembran angrenzen. Die Plasmamembran der BASALEN OBERFLÄCHE ist an der Basalmembran (Basallamina) befestigt. Diese ist eine poröse Struktur, die Kollagen und Glykoproteine enthält, die die Epithelzellen von darunterliegendem Bindegewebe, Nerven und Blutgefäßen trennt. Die Befestigung wird durch Hemidesmosomen verstärkt (halb-punktförmige Desmosomen). Nucleus Protein-Untereinheit Basalmembran (Basallamina) Kapillare Nerv TIGHT JUNCTIONS GAP JUNCTIONS ZELLPHYSIOLOGIE DNA-REPLIKATION UND ZELLTEILUNG Keine Zelle lebt ewig. Abgesehen von einigen Ausnahmen (vor allem Nerven- und Muskelzellen) sind die Zellen in Ihrem Körper nicht dieselben wie die vor einigen Tagen vorhandenen. „Alte“ Zellen nutzen sich offensichtlich ab, sterben ab und werden kontinuierlich durch neue ersetzt. Darmzellen leben im Durchschnitt nur 36 Stunden, weiße Blutzellen 2 Tage und rote Blutzellen 4 Monate; Gehirnzellen können 60 Jahre oder länger leben. Auch Wachstum bedarf der Produktion neuer Zellen. Bei einer Zunahme der Zellgröße verringert sich die Effizienz der Zellen, weil die Distanzen zwischen Plasmamembran und den zentraleren Bereichen der Zelle ebenfalls größer werden, was den Transport essenzieller Stoffe wie O2 in die Zelle und CO2 aus der Zelle erschwert. Diese Schwierigkeit ergibt sich jedoch nicht, da Wachstum vor allem durch Erhöhung der Anzahl an Zellen anstatt durch Zunahme der individuellen Zellmasse erfolgt. Zellteilung Bei der Zellteilung teilt sich eine Mutterzelle in zwei Tochterzellen und erschafft so neue Zellen. Obwohl die Tochterzellen sich in einigen Merkmalen (z.B. Gewicht) von der Mutterzelle unterscheiden mögen, sind sie im wichtigsten Punkt identisch: beide tragen dieselbe Grundausstattung an genetischen Instruktionen zur Regelung ihrer Aktivitäten und ihrer Vermehrung. Dieser Satz von Instruktionen, der genetische Code, wird durch die Struktur der DNA(Desoxyribonukleinsäure)-Moleküle geliefert, die innerhalb des Zellkerns zusammengepackt sind. Die Replikation dieser Moleküle und ihre Aufteilung auf jede Tochterzelle gewährleistet die Aufrechterhaltung der Zelleigenschaften bei jeder Teilung. Die am Zellzyklus beteiligten Prozesse erfolgen in drei Phasen. 1. Interphase: Die Zellmasse nimmt zu – Dies geschieht durch die Synthese einer Reihe von Molekülen, einschließlich einer exakten Kopie der DNA. Dieser Abschnitt der Interphase, in dem die DNASynthese stattfindet, nennt sich S-Phase; vorangehend und nachfolgend gibt es zwei „Gap“-Phasen, die entsprechend G1 und G2 heißen (siehe Illustration). Während der S-Phase verdoppeln sich auch die Zentrosomen. 2. Mitose: DNA wird verdoppelt und bewegt – Anschließend an die G2-Phase tritt die Zelle in die Mitose ein, ein Stadium, in dem die verdoppelten DNA-Stränge zu entgegengesetzten Enden der Zelle geschafft werden in Vorbereitung der letzten Stadien, in denen die Zelle sich in zwei Teile trennt (entnehmen Sie Einzelheiten den Diagrammen auf der Tafel). Die Mitose beginnt, wenn die DNA-Moleküle, die während der Interphase entknäult worden sind, sich fest aufwickeln und zu stäbchenförmigen Körpern verdichten, die als Chromosomen bekannt sind. In diesem Stadium ist jedes Chromosom der Länge nach in zwei identische Hälften, die Chromatiden, geteilt. Jedes Chromatid enthält eine Kopie der verdoppelten DNA zusammen mit einigen Proteinen, die ein Gerüst für die langen DNA-Moleküle bilden und die DNA-Aktivität mit regulieren. In der Zwischenzeit degeneriert die Kernhülle, und außerhalb des Zellkerns wandern die Zentrosomen zu entgegengesetzten Enden der Zelle, um eine ausgedehnte Struktur aus Mikrotubuli zu bilden, den Spindelapparat. Jedes Chromosom ist an solchen Mikrotubuli befestigt und reiht sich so in der Äquatorialebene der Zelle auf, dass seine beiden Chromatiden an Mikrotubuli befestigt sind, die zu den oppositionellen Enden der Zelle führen. Die Mikrotubuli ziehen dann an den Chromatiden und bewegen einen kompletten Satz in die einander gegenüberliegenden Bereiche der Zelle. Schließlich beginnen die Chromatiden an beiden Zellenden sich zu entspulen und sie verlieren ihre Kontur, während sich eine neue Kernhülle um jeden der zwei Chromatidensätze bildet. 3. Cytokinese: Die Zelle teilt sich – Dies ist das letzte Stadium. Die Teilung des Cytoplasmas erfolgt durch die Bildung einer Furche, die immer tiefer wird, bis die ursprüngliche Zelle entzweigeschnürt ist und die Tochterkerne, die sich während der Mitose gebildet haben, in getrennten Zellen eingeschlossen sind. An diesem Punkt treten die Tochterzellen in das G1-Stadium der Interphase ein und vervollständigen den Zyklus. DNA-Replikation Wenn die DNA das Erbmaterial darstellt, ergeben sich zwei wichtige Fragen. Erstens: Wie wird die DNA verdoppelt, sodass sie unverändert von einer Generation zur nächsten weitergegeben werden kann? Zwei- tens: Auf welche Weise trägt die DNA die Informationen, die für die Steuerung der Zellaktivitäten nötig sind? Um diese beiden Fragen beantworten zu können, benötigt man Informationen über die chemische Struktur der DNA. Die DNA bildet eine Doppelhelix – Ein DNA-Molekül enthält zwei extrem lange „Rückgrat“-Ketten, die aus vielen 5-Kohlenstoff-Zuckern (Desoxyribosen) bestehen, deren Enden über Phosphatverbindungen (d.h. ...Zucker-Phosphat-Zucker-Phosphat...) miteinander verbunden sind. Wie die Seitenteile einer Leiter verlaufen diese Rückgratketten parallel zueinander. Sie sind in regelmäßigen Abständen durch Stickstoffbasen verbunden, die die „Sprossen“ der Leiter bilden. Zwei Basen sind nötig, um die Entfernung zwischen den Seitenteilen zu überbrücken; diese zwei sind in der Mitte durch schwache chemische Verbindungen, die Wasserstoff-Brückenbindungen, verknüpft. Schließlich sind die Seitenteile der Leiter zu einer schraubenförmigen Struktur eingedreht, wobei jede zehnte „Sprosse“ der Leiter eine komplette Umdrehung der Schraube markiert. Da jedes Seitenteil der Leiter eine Helix bildet, ist die DNA eine Doppelhelix. Die Basenpaare A-T und G-C sind komplementär – Die speziellen Basen, die die Sprossen ausbilden, und ihre relative Anordnung innerhalb der Leiterstruktur sind der Schlüssel zu unseren Problemen. Nur vier verschiedene Basen bilden die DNA: Adenin (abgekürzt mit A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Der Aufbau jeder Leitersprosse erfordert zwei dieser Basen, jedoch nicht zwei beliebige. Die beiden Basen müssen, wie die Teile eines Puzzles, die richtige Größe und Form haben und in der Lage sein, in einer bestimmten Konfiguration aneinander zu binden (Wasserstoff-Brückenbindungen einzugehen). Eine Untersuchung der DNA-Struktur zeigt, dass Sprossen von folgenden Basenpaaren ausgebildet werden können: A mit T (A-T) oder G mit C (G-C). Alle anderen möglichen Kombinationen, wie A-A, A-C oder G-T, funktionieren nicht. A-T und G-C werden komplementäre Basenpaare genannt. Replikation erfordert die Trennung und den erneuten Zusammenbau von Basenpaaren – Stellen Sie sich vor, dass Sie und eine andere Person jeweils ein Seitenteil der Leiter ergreifen und ziehen. Die Leiter wird an den Nahtstellen auseinandergehen (d.h. in der Mitte der Sprossen, wo die komplementären Basenpaare durch relativ schwache Wasserstoff-Brückenbindungen zusammengehalten werden). Jeder von Ihnen nimmt einen Strang (die Hälfte der Struktur), bestehend aus einem langen Seitenteil mit daran gebundenen einzelnen Basen, und unabhängig voneinander beginnen Sie, die jeweils fehlende Hälfte zu ergänzen. Das fehlende Seitenteil ist kein Problem, da es immer die gleiche Kette aus Desoxyribose und Phosphat darstellt. Die Basen sind jedoch auch vorgeschrieben: an jedes A eines Einzelstrangs binden Sie ein T, an jedes T ein A, an jedes G ein C und an jedes C ein G. Sie haben eine exakte Kopie der ursprünglichen DNA hergestellt – und Ihr Partner ebenfalls. Es existieren nun zwei Kopien anstatt eines Originals; eine präzise Verdoppelung ist erreicht. Ein ähnlicher Prozess findet innerhalb der Zelle statt, nur werden die Stränge hier Stück für Stück aufgetrennt und die Synthese neuer DNA erfolgt direkt anschließend an die Auftrennung, unterstützt von speziellen Enzymen, den DNA-Polymerasen. Eine Diskussion unseres zweiten Problems, wie DNA die Erbinformation trägt, wird bei Tafel 4 geführt. MALHINWEIS 3 Verwenden Sie eine dunkle Farbe für D. 1. Malen Sie zuerst die Zelle ganz oben auf der Seite aus und dann das kreisförmige Diagramm des Zellzyklus direkt darunter. 2. Malen Sie die Stadien des Zellzyklus aus. Beginnen Sie mit der Interphase oben auf der linken Seite und fahren Sie den Stadien der Mitose und der Cytokinese folgend fort. 3. Malen Sie die schematische Darstellung der DNA-Replikation an der rechten Seite aus. Achten Sie bei den Basen darauf, dass Guanin (I) und Cytosin (I’) schraffiert sind. INTERPHASEC1– PLASMAMEMBRANA KERNHÜLLEB CHROMATINC CHROMOSOM (46)D KINETOCHORE ZENTROSOMF SPINDELFASERNG Während der Interphase: 1. Entspulte DNA (im Chromatin enthalten) verdoppelt sich. 2. Anschließend beginnt die DNA aktiv die für die Zellteilung nötige RNAund Proteinsynthese zu steuern. 3. Die Zentrosomen verdoppeln sich. DNA-REPLIKATIONC2 Zellkern MITOSED1– PROPHASED1– Während der Prophase: 1. Die Kernhülle beginnt sich aufzulösen. 2. Die beiden Kopien der DNA spulen sich auf und verknäuln dann weiter; dabei bilden sie Chromosomen. 3. Die Zentrosomen trennen sich und wandern zu den Zellpolen (in der Illustration ganz rechts und ganz links lokalisiert). 4. Die Zentrosomen bilden Mikrotubuli, die sich zum Spindelapparat formen. Cytoplasma METAPHASED1– Während der Metaphase: 1. Kernhülle und Kern verschwinden. 2. Die Chromosomen reihen sich entlang der Äquatorialebene der Zelle (die angedeuÄquatorial- tete Linie senkrecht in der Mitte der ebene Illustration) auf. SC1 Pol Pol G1C1 PHASEN DES ZELLZYKLUS CA1 ANAPHASED1– Während der Anaphase: 1. Mikrotubuli knüpfen an Proteine (Kinetochore) an, die an eine verengte Stelle (Zentromer) des Chromatids gebunden sind. 2. Die Schwesterchromatiden werden von den Mikrotubuli des Spindelapparats zu entgegengesetzten Zellpolen gezogen. freie Nukleotide MD1 TELOPHASED1– Teilungsfurche Während der Telophase: 1. Eine neue Kernhülle bildet sich um die Chromosomen in der Nähe jedes der beiden Pole, während sich zwei Kerne und zwei Kernkörperchen zu zeigen beginnen. 2. Die Chromosomen entspulen sich und bilden das Chromatin. 3. Die Fasern des Spindelapparats verschwinden. CYTOKINESEA1– Teilungsfurche G2C1 Während der Cytokinese trennen sich die beiden Tochterzellen. Eine Furche (die sich verengt) bildet sich entlang der Äquatorialebene und schnürt die Zelle zunehmend ein, bis sie sich in zwei Teile trennt. Erste Anzeichen einer Teilungsfurche kann man schon in der Anaphase erkennen. ORIGINALSTRANGC2– BASEN:* – ADENINH THYMINH1 GUANINI CYTOSINI1 WASSERSTOFFBRÜCKENBINDUNGJ DNA-POLYMERASEK NEUER STRANGL RÜCKGRATL1 Replikation ist der Prozess, in dem eine exakte Kopie des DNA-Moleküls angefertigt wird. Die doppelsträngige DNA im Chromatin entfaltet sich und trennt sich an den Stellen, wo die beiden Stränge verbunden sind (Wasserstoff-Brückenbindungen zwischen den Komplementärbasen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin). Jeder Strang besteht aus einem Rückgrat (Seitenteil der Leiter) plus angefügten Basen. Unterstützt von Enzymen wie der DNA-Polymerase und mithilfe der getrennten Originalstränge als Vorlage werden zwei neue Stränge synthetisiert, während Nucleotid-Bausteine an die Vorlage binden (Moleküle, die die Base zusammen mit Material für das Rückgrat, Zucker und Phosphat enthalten). Es entsteht immer eine exakte Kopie, weil nur Komplementärbasen anbinden. Adenin bindet nur an Thymin (und umgekehrt); Guanin bindet nur an Cytosin (und umgekehrt). 4 ZELLPHYSIOLOGIE DNA-EXPRESSION UND PROTEINSYNTHESE Um zu verstehen, wie die DNA die Zelle steuert, beginnen wir mit der Feststellung, dass Aktivitäten wie Wachstum, Reproduktion, Sekretion und Beweglichkeit letztlich alle aus chemischen Reaktionen abgeleitet werden können. Von der Vielzahl an Produkten, die theoretisch aus den Stoffen, die die Zelle benutzt, hergestellt werden könnten, werden nur wenige innerhalb der Zelle produziert. Diese Produkte werden durch die Aktivität von Enzymen „ausgewählt“, die als Katalysatoren spezifische Reaktionen beschleunigen. Für sich allein laufen die meisten fassbaren Reaktionen zu langsam ab, um von Wirkung zu sein. Die Anwesenheit eines spezifischen Enzyms stößt eine bestimmte Reaktion einfach dadurch an, indem es sie beschleunigt. Auf diese Weise steuern Enzyme chemische Reaktionen und zelluläre Aktivitäten. Doch was steuert die Enzyme? Sie bestehen aus Protein und werden in jeder Zelle synthetisiert. Daraus folgt, dass die für die Proteinsynthese zuständige Instanz auch regelt, welche Enzyme anwesend sind, und die Zelle steuert. Die DNA spielt hierbei die dominante Rolle, weil sie detaillierte Pläne für jedes Enzym enthält, das synthetisiert wird. Dies determiniert Wachstum und Entwicklung der einzelnen Zellen, der Gewebe und des gesamten Organismus. Proteine bestehen aus Aminosäuren Proteine sind Riesenmoleküle, die sich aus einer großen Anzahl von Aminosäuren aufbauen, deren Enden durch bestimmte chemische Bindungen (Peptidbindungen) so verknüpft sind, dass sie eine Kette bilden. Es gibt lediglich 20 verschiedene Arten von Aminosäuren in Proteinen, und da Proteine oft hunderte von ihnen enthalten, muss eine Art von Aminosäure in mehr als einer Position in der Kette erscheinen. Wir können die Aminosäuren mit den Buchstaben des Alphabets und die Proteine mit sehr langen Wörtern vergleichen. So wie das Wort durch die genaue Abfolge von Buchstaben bestimmt wird, wird das Protein (und seine Eigenschaften) durch die Abfolge von Aminosäuren entlang der Kette bestimmt. Daraus folgt, dass die DNA, wenn sie den „Entwurf“ für den Proteinaufbau enthält, die Aminosäuresequenz für dieses Protein enthalten muss. Aber wie? Jede Aminosäure wird von einer Sequenz aus drei Basen codiert Die DNA (Tafel 3) besteht auch aus einer großen Anzahl von Bausteinen, den Stickstoffbasen, und die Eigenschaften des DNA-Moleküls sind determiniert durch die Reihenfolge dieser Basen als „Sprossen“ im leiterartigen Kettenaufbau. Jede DNA kann auch als langes Wort betrachtet werden, wobei die Basen die Buchstaben des Alphabets darstellen. Obwohl Proteine auf einem 20-Buchstaben-„Alphabet“ (20 Aminosäuren) aufbauen, hat die DNA nur vier Basen: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Irgendwie liefert die Abfolge von nur vier verschiedenen Basenarten entlang der DNA-Leiter einen Code für die Verteilung von 20 verschiedenen Aminosäuren in einer Proteinkette. Es kann keine Eins-zu-eins-Übereinstimmung zwischen den Buchstaben der zwei Alphabete geben, denn wenn jede Base mit einer einzelnen Aminosäure korrespondieren würde, dann wäre die DNA nur imstande, für Proteine aus höchstens vier verschiedenen Aminosäuren zu codieren. Stattdessen wird eine Sequenz von drei Basen für die Codierung jeder Aminosäure benutzt. Wenn zum Beispiel die Basen C, C, G nacheinander in der DNA-Leiter vorkommen, ist das ein Code für die Aminosäure Glycin; die Sequenz A-G-T codiert für die Aminosäure Serin. Die Sequenz C-C-G-A-G-T ist ein Signal für den Teil eines Proteins, wo Serin auf Glycin folgt. Bei gleichzeitiger Verwendung von immer drei Basen ist es möglich, 64 unterschiedliche Kombinationen zu bilden (z.B. AAA, AAG, ... CCA, CTC, ... TTC, ... etc.), weit mehr, als für die Codierung von 20 Aminosäuren nötig ist. Cytoplasma auf. Jedes tRNA-Molekül, verknüpft mit einer einzigen spezifischen Aminosäure, wandert zu den Ribosomen, wo seine Aminosäure an passender Stelle verwendet wird, indem sie sich von der tRNA löst und mit der sich bildenden Proteinkette verbindet. Transkription: die mRNA erhält die „Botschaft“ Angesichts dieses Szenarios ergeben sich zwei Probleme. Das erste ist die Transkription: Wie werden DNA-Entwürfe auf die RNA kopiert? Das zweite ist die Translation: Wie wird der Code benutzt, sodass die Aminosäuren immer in der richtigen Reihenfolge an das Protein gebunden werden? Die Antworten auf beide Fragen begründen sich mit der großen Ähnlichkeit zwischen RNA und DNA. Sie unterscheiden sich darin, dass 1. ihre Zucker geringfügig verschieden sind (Desoxyribose und Ribose); 2. RNA gewöhnlich einsträngig ist, also nur aus einem Seitenteil der Leiter mit anhängenden Stickstoffbasen besteht, die halbe „Sprossen“ bilden; und 3. die RNA ebenso wie die DNA A, G und C enthält, T jedoch durch ein sehr ähnliches Molekül, Uracil (U), ersetzt ist. Die RNA ist also ein ähnliches „Vier-Buchstaben“-Molekül mit den Buchstaben A, G, C und U. Jede RNA, jedoch speziell die mRNA, wird auf die gleiche Weise aus DNA gebildet, wie DNA weitere DNA bildet. Die doppelsträngige DNA reißt ein wenig auf und eines der beiden Seitenteile dient als Vorlage für die RNA-Bildung. Wie bei der DNA-Synthese ist die Basensequenz in der RNA komplementär zu der Sequenz in der DNA-Vorlage, die sie gebildet hat. Ein Stück DNA mit der Sequenz AGATCTTGT wird zum Beispiel ein Stück RNA mit der Sequenz UCUAGAACA bilden. Jedes Basentriplett (drei Buchstaben) in der mRNA wird ein Codon genannt. Das Problem der Transkription wird durch die Bildung eines RNA-Strangs gelöst, der nicht die Basensequenz der Original-DNA dupliziert, sondern stattdessen die komplementäre Basensequenz als Codon enthält. Translation: mRNA und tRNA interagieren tRNA-Moleküle sind wie ein Kleeblatt geformt. Der Stiel enthält die Bindungsstelle für die Aminosäure, das Blatt enthält einen speziellen Satz von drei Basen (Anticodon genannt), der den Code für die Aminosäure, die gebunden werden soll, bildet. Da die mRNA-Codons den zur DNA und damit zum Aminosäure-Code komplementären Basensatz enthalten, haben folglich mRNA und tRNA komplementäre Basensätze und bilden somit leicht lockere Wasserstoffbrücken-Bindungen. Die tRNA reiht sich einfach, wie dargestellt, entlang den mRNA-Bindungsstellen auf, sodass die Aminosäuren sich in der richtigen Sequenz befinden und über Peptidbindungen verknüpft werden können. Tatsächlich bewegt das Ribosom sich den mRNA-Strang entlang und handhabt, wie dargestellt, nur zwei Aminosäuren gleichzeitig. Nachdem die Peptidbindung zwischen den beiden Aminosäuren ausgebildet ist, löst sich die tRNA, die am längsten am Ribosom angeheftet war, und hinterlässt eine freie Stelle für die Bindung der nächsten tRNA (und Aminosäure) mit dem komplementären Anticodon. Auf diese Weise wächst die Proteinkette, bis die letzte oder die beiden letzten Codons auf der mRNA das Ende signalisieren. Anschließend an diesen Translationsvorgang werden die Proteine oft durch Faltung, Verkürzung oder Hinzufügen von Kohlenhydraten verändert. Dieser Prozess nennt sich posttranslationale Modifikation. Wie übersetzen die Zellen eigentlich den Code und wie bauen sie Proteine? Die DNA verbleibt stets innerhalb des Zellkerns, die Proteine werden jedoch im Cytoplasma synthetisiert. Der erste Schritt ist also die Anfertigung einer Kopie des „Entwurfs“ und deren Transport in das Cytoplasma, ein Vorgang, der Transkription genannt wird. Das Transkript (die Kopie) dieses genetischen Codes ist ein Molekül namens Messenger-Ribonucleinsäure (mRNA), das in das Cytoplasma wandert, wo es mit Teilchen assoziiert, die Ribosomen heißen und die Sammelstellen für neue Proteine sind. Inzwischen sammeln andere RNA-Moleküle, tRNA (Transfer-Ribonucleinsäure), freie Aminosäuren, die für den Gebrauch aktiviert (mit Energie versorgt) wurden, im MALHINWEIS Messenger- und Transfer-RNA Verwenden Sie eine dunkle Farbe für E und eine sehr helle Farbe für I. Verwenden Sie die gleichen Farben wie auf der vorhergehenden Tafel für Kernhülle (A), Chromatin (B) und Zellmembran (L). Beachten Sie, dass Codon-Tripletts (E) und Anticodon-Tripletts (H) Komplementärbasen sind, aber zu Identifikationszwecken unterschiedliche Farben erhalten sollen. 1. Beginnen Sie mit dem Ausmalen der Zelle oben auf der Seite. 2. Malen Sie die Vorgänge aus, die innerhalb des Zellkerns stattfinden und auf der rechten Seite gezeigt werden. 3. Malen Sie das Schema für die Proteinsynthese im unteren Drittel der Tafel aus. Cytoplasma DIE ZELLE TRANSLATION RNA → PROTEIN (IM CYTOPLASMA) RIBOSOMI – GROSSE UNTEREINHEITI1 KLEINE UNTEREINHEITI2 AMINOSÄUREJ POLYPEPTIDKETTEJ1 PEPTIDBINDUNGK ZELLMEMBRANL ATPM KERNHÜLLEA CHROMATINB DNA-HELIX: RÜCKGRATB1 BASEC WasserstoffbrückenBindung RNA-SYNTHESE:* MESSENGER-RNAD (RÜCKGRAT)D1 CODON-TRIPLETTSE (BASEN)E1 RNA-POLYMERASE-ENZYMF TRANSFER-RNA (tRNA)G ANTICODON-TRIPLETTH Wenn die DNA nicht mit Replikation beschäftigt ist, steuert sie die Synthese von Proteinen, die verschiedene Zellfunktionen ausführen. Zu diesem Zweck produziert die DNA spezielle Kopien ihres Codes in Form von funktionell verschiedenen Typen von RNA-Molekülen (TRANSKRIPTION). Diese RNA-Moleküle wandern dann in das Cytoplasma, wo sie interagieren, um den von der DNA übertragenen Code zu exprimieren, woraus die Synthese spezifischer Polypeptidketten/Proteine resultiert (TRANSLATION). Alle Proteine sind Ketten aus 20 verschiedenen Aminosäuren (AS) in unterschiedlichen Anordnungen. Um RNA herzustellen, muss sich die DNA im Kern (1) teilweise entfalten (2). Unterstützt durch RNA-Polymerase-Enzyme (3) werden die entsprechenden RNA-Moleküle (4), wie Messenger-RNA (mRNA) (5) und Transfer-RNA (tRNA) (6), gebildet und in das Cytoplasma geschickt, wo AS zur Verfügung stehen (7). Energetisiert durch ATP (8) bindet jede AS mit dem korrespondierenden tRNA-Molekül und bildet einen tRNA-AS-Komplex (9). Die mRNA (5) trägt den Code für die Anordnung der AS in der Polypeptidkette. Die mRNA interagiert mit den Ribosomen (R) (10). Jedes R hat eine kleine und eine große Untereinheit. Während das R sich entlang der mRNA bewegt (11), binden die tRNA-Moleküle mit dem R-mRNA-Komplex entsprechend den zueinander passenden Codes in der mRNA und der tRNA. Während sie sich am Ribosom befinden, gehen die an die verschiedenen tRNA-Moleküle gebundenen AS untereinander Peptidbindungen ein und bilden so eine Polypeptid-(Protein-)Kette. Die Kette löst sich vom „Fließband“ (12) am R, wenn die Synthese beendet ist. In sekretorischen Zellen synthetisiert das R Proteine, während es an das endoplasmatische Reticulum gebunden ist. 2C Kernpo re 1B TRANSKRIPTION DNA ➔ RNA (IM ZELLKERN) 4D 3F 5D 11I re Po 10I KERN 6G 12K 9G 8M CYTOPLASMA 13J1 7J POSTTRANSLATIONALE MODIFIKATION POLYSACCHARIDEN Oft benötigen die fertiggestellten („übersetzten“) Polypeptide eine Faltung (13) oder Verkürzung (14), bevor sie voll funktionsfähig sein können. In einigen Fällen werden Polysaccharide angefügt (15). 14J1 15N 5 ZELLPHYSIOLOGIE STOFFWECHSEL: FUNKTION UND PRODUKTION VON ATP Das Herumlaufen, das Pumpen von Blut, die Produktion komplexer Zellstrukturen, der Molekültransport – diese und andere Alltagsaktivitäten, die wir normalerweise für selbstverständlich halten, fordern alle einen Preis: sie benötigen Energie. Diese Energie wird durch Nahrung zugeführt. Auf der einen Seite haben wir die Maschinen, die die Arbeit verrichten (Muskeln zum Beispiel); auf der anderen Seite haben wir die Nahrung als Energiequelle. Irgendwie müssen sie verknüpft werden; die Energie muss aus der Nahrung gewonnen und in einer Form gespeichert werden, die für die Maschine direkt nutzbar ist. Die primäre von lebenden Organismen gebrauchte Speicherform ist das Molekül ATP (Adenosintriphosphat). ATP ist die zelluläre Energiewährung ATP enthält drei in Serie gebundene Phosphatgruppen. Wenn sich das endständige Phosphat abspaltet, wird es zum ADP (Adenosindiphosphat); hierbei wird beträchtliche Energie freigesetzt. Wenn die passende Maschinerie anwesend ist, kann der größte Teil dieser Energie eingefangen und für die Verrichtung von Arbeit genutzt werden. Das ADP ist nicht einfach ein Abfallprodukt; es wird wiederverwendet und für die Synthese von neuem ATP benutzt. Energiequelle für Arbeit* ATP der Nahrung entzogene Energie* ADP + P + Energie* Nach rechts verläuft die Reaktion, um die zelluläre Maschinerie für Kontraktion, Transport und Synthese mit Energie zu versorgen. Wenn aber die abgespaltene Phosphatgruppe einfach auf die Maschine übertragen wird, nimmt es die Energie mit und die Maschine wird mit Energie versorgt. (Der molekulare Teil der Maschine, der die Phosphatgruppe aufnimmt, hat nun einen höheren Energiegehalt, was ihm ermöglicht, Reaktionen einzugehen, die er sonst nicht eingehen könnte.) ATP ist die universelle Energiewährung wegen seiner Fähigkeit, zelluläre Maschinerien zu phosphorylieren (das Phosphat auf sie zu übertragen) und sie in einen höheren energetischen Zustand zu befördern. freiem Sauerstoff) bilden. Dieser glykolytische Prozess des Zerlegens von Glucose funktioniert jedoch nur, wenn H-Atome aus dem Kohlenstoffskelett herausgelöst und auf andere Moleküle, NAD+, übertragen werden. 2 H (vom Kohlenhydrat) + NAD+ ! NADH + H+ Für jede Glucose werden 4 H auf 2 NAD+ übertragen. Die Gesamtmenge an NAD+ ist jedoch sehr klein (es entsteht aus dem Vitamin Niacin) und die Reaktion stoppt, wenn kein NAD* mehr vorhanden ist. NADH muss sein H irgendwo abladen, um ein neues aufnehmen zu können. Normalerweise dient O2 als endgültiger Abladeplatz für H und es bildet sich H2O. In Abwesenheit von O2 dient das Pyruvat selbst als Müllkippe für H und es bildet sich Milchsäure. NAD+ zirkuliert und transportiert H von ganz oben im Glykolyseschema bis zum Pyruvat und zurück (siehe Tafel). Aerober Stoffwechsel (mit O 2 ) produziert sehr viel mehr ATP über die Atmungskette In Anwesenheit von O2 läuft die Glykolyse wie gehabt ab, aber jetzt wird die Rolle des NAD+ (und eines ähnlichen H-Trägers, des FAD) offensichtlicher. Sie haben erfolgreich einen großen Teil der Energie aus der ursprünglichen Glucose gewonnen und die Anwesenheit von O2 ermöglicht die Nutzung dieser Energie zur Bildung von ATP. Anstatt das Pyruvat zu nutzen, geben hier die H-Träger ihr H und die Energie an die Atmungskette ab, ein System von Trägern (Carriern), das in den Mitochondrienmembranen sitzt. In der Folge können die mit Energie versorgten Mitochondrienmembranen 3 ATP für jedes NADH, das vorüberkommt, bilden (wenn der H-Donator FAD ist, nur 2 ATP). Darüber hinaus erlaubt die Verfügbarkeit der Atmungskette, die im Pyruvat enthaltene Energie anzuzapfen. Anstatt H aufzunehmen und Lactat zu bilden, spaltet das Pyruvat ein CO2 ab, und der übrig bleibende C2-Körper (Acetat) wird über Acetyl-CoA in den Citratzyklus überführt, wo er weiter zu zwei CO2-Molekülen abgebaut wird (siehe Tafel 6). H wird wiederum von den H-Trägern vom Kohlenstoffskelett abgespalten und an die Atmungskette weitergegeben, woraufhin sie für die neue Aufnahme zurückkehren. Letztlich ist die Bilanz für die zelluläre Verbrennung eines Glucosemoleküls wie folgt: Glykolyse: 2 ATP + 2 NADH + 0 FADH2 Glucose wird in kleinen Schritten zerlegt 2 Pyruvat!Acetyl-CoA: 0 ATP + 2 NADH + 0 FADH2 Nach links läuft die Reaktion ab, wenn Kohlenhydrate, Fette und Proteine durch chemische Reaktionen, die innerhalb der Zelle stattfinden, zerlegt werden (Stoffwechsel). In dieser Tafel konzentrieren wir uns auf die ATP-Bildung mittels Kohlenhydratstoffwechsel. Glucose enthält große Mengen an Energie, die freigesetzt werden kann, wenn die chemischen Bindungen, die ihre Atome zusammenhalten, gelöst werden. Wenn zum Beispiel 1 Mol (180 g) Glucose unter Bildung von CO2 und Wasser oxidiert wird, wird eine Energiemenge von 686.000 Kalorien (163.723 Joule) frei. Viele verschiedene Wege sind vorstellbar, um zu denselben Produkten zu gelangen, aber in jedem Fall würde dieselbe Energiemenge freigesetzt. Die Zelle muss die Glucose in kleinen kontrollierten Schritten zerlegen und den Großteil dieser Energie in Form von ATP einfangen, bevor sie als Wärme verloren geht. Zum Teil gelingt dies der Zelle, weil sie eine Reihe spezifischer Enzyme enthält, die die Reaktion in eine bestimmte Richtung beschleunigen (z.B. bestimmen sie durch ihre Gegenwart den Weg des „geringsten Widerstands“). 2 Runden im Citratzyklus: 2 ATP + 6 NADH + 2 FADH2 Summe: 4 ATP + 10 NADH + 2 FADH2 ATP-Gesamtsumme (inklusive H-Träger der Atmungskette): 4 + (10x3) + (2x2) = 38 ATP! Die Energiegewinnung aus Glucose oder Glykogen (die Speicherform von Glucose) beginnt immer mit einer Reaktionssequenz, die Glykolyse heißt; sie wandelt die Glucose in Pyruvat um, unter Produktion von ATP. Beginnend mit Glukose-6-Phosphat wird die Reaktionsreihe vorbereitet, indem zwei ATP-Moleküle eingesetzt werden, um das Molekül zu phosphorylieren, bevor es in zwei C3-Körper zerlegt wird. Diese werden weiterverarbeitet, wobei sie vier neue ATP liefern, was eine Nettoausbeute von zwei ausmacht (4 – 2[ursprüngliche ATP] = 2). Die gesamte Sequenz besteht aus 10 Reaktionen, wovon jede von einem spezifischen Enzym katalysiert wird, und endet mit der Produktion von zwei Pyruvatmolekülen (C3-Körper). Für keinen dieser Schritte ist das Vorhandensein von O2 nötig. Wenngleich nur ein kleiner Anteil (etwa 2 %) der verfügbaren Energie im ursprünglichen Glucosemolekül als ATP gewonnen wurde, so kann die Zelle offensichtlich ATP anaerob (in Abwesenheit von Luft oder MALHINWEIS Anaerober Stoffwechsel (ohne O 2 ) produziert Milchsäure und minimale Mengen ATP Benutzen Sie Rot für A und eine andere leuchtende Farbe für B, des Weiteren eine blasse Farbe für D und eine helle Farbe für M. 1. Fangen Sie mit dem oberen Feld an und vollziehen Sie nach, wie Sauerstoff und Nährstoffe (die einen hohen Energiestatus darstellen) im Stoffwechsel einer Körperzelle verarbeitet werden. 2. Malen Sie den anaeroben Weg links aus bis hinunter zur „Straßensperre“ O2. 3. Malen Sie den aeroben Stoffwechselweg aus. Beachten Sie, dass der Teil über die Glykolyse (oberhalb der gestrichelten Linie) eine vereinfachte Version desselben Prozesses ist, der anaerob auftritt, mit der Ausnahme, dass keine Milchsäure gebildet wird. Folgen Sie dieser Abbildung entlang bis zur tatsächlichen Produktion von 34 ATP. Eine detailliertere Erklärung des Citratzyklus und der Atmung ist auf Tafel 6 dargestellt. ATPA ÜBERTRÄGT ENERGIE FÜR DIE ARBEIT DER ZELLE AT (HOHE ENERGIEB) (HOHE ENERGIEB) 1* (GERINGE ENERGIEB) 3* PiD + ADPD1 O2E + NAHRUNGB PB Kohlenhydrate und Fette ZELLSTOFFWECHSELC CO2D + H2OD (GERINGE ENERGIE)D ATPA (HOHE ENERGIE)B Zelluläre Maschinen verrichten Arbeit. Einige transportieren Materialien, andere heben Gewichte (Muskelzellen) und wieder andere synthetisieren komplexe Moleküle und Strukturen aus einfachen Grundstoffen. Die Nahrung stellt die Energie zur Verfügung, doch ATP (Adenosintriphosphat), eine intermediäre Substanz, überträgt die Energie von der Nahrung auf die zelluläre Maschinerie. Wenn Nahrung in einem Ofen verbrannt wird, wird Energie als Wärme und Licht freigesetzt. Wenn ARBEITB + 2* (GERINGE ENERGIE)D KÖRPERWÄRMEB + P iD dieselbe Nahrung in den Stoffwechselreaktionen der Zelle (1) „verbrannt“ wird, wird ein großer Teil dieser Energie durch die Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat aufgefangen. ATP kann wiederum die Zellmaschinerie mit Energie versorgen. Es tut dies (2), indem es sein terminales Phosphat (~P) auf die Maschinerie überträgt und diese dadurch auf ein höheres Energieniveau hebt, wo sie an mehr Reaktionen teilnehmen und zelluläre Arbeit verrichten kann (3). WIE ATP GEMACHT WIRDA ANAEROB* (KEIN O2)E 1 GLUCOSEMOLEKÜLF +1A chemische mechanische elektrische ZELLMASCHINERIE* +1A AEROBE (O2)E 1 Glucosemol.F NAD+G WASSERSTOFFH NADGHH + HH+ (Wasserstoffträger) +2 (Wasserstoffträger) LAC.I1 2l PYRUVATI GLYKOLYSE IM ZYTOPLASMA FADL FADLH2H LAC.I1 2I PYRUVATI „STRASSENSPERRE“* – KEIN O2E ATP kann in Abwesenheit von O2 durch Glykolyse gebildet werden. Beginnend mit dem 6-Kohlenstoff(6-C)-Zucker Glucose wird die Reaktionsfolge angestoßen, indem zwei Moleküle ATP für die Phophorylierung dieses Moleküls investiert werden, bevor es in zwei 3-Kohlenstoff-Fragmente gespalten wird. Diese werden so weiterverarbeitet, dass vier neue ATP entstehen, was einem Nettogewinn von zwei ATP entspricht (4-2[ursprüngliche ATP] = 2). Dies funktioniert nur, wenn H-Atome von den Kohlenstoffskeletten abgespalten und auf H-Träger wie NAD+ übertragen werden. Für jedes Glukosemolekül werden vier H auf zwei NAD+ übertragen. Die Gesamtmenge von NAD+ ist jedoch sehr klein und die Reaktion würde zum Erliegen kommen, wenn kein NAD+ mehr vorhanden wäre. NAD+ muss folglich sein H irgendwo loswerden, bevor es zurückkehren und neues aufnehmen kann. Normalerweise dient O2 als endgültiger Bindungspartner für H und reagiert mit diesem zu H2O. In Abwesenheit von O2 dient Pyruvat, welches selbst ein Produkt der Glykolyse ist, als Endlager für H und Lactat entsteht. NAD+ zirkuliert, indem es H von hoch oben im Glykolyseschema zum Pyruvat und zurück trägt. ACETYL-COENZYM AJ +2 CITRATZYKLUS 8G 2G 2L GLYKOLYSEF + ATMUNGM Wenn O2 vorhanden ist, findet die Glykolyse wie gehabt statt, nur wird die Rolle von NAD+ (und einem ähnlichen H-Träger, FAD) offensichtlicher. Wenn sie ihren H auf die Atmungskette (anstatt auf das Pyruvat) übertragen, versorgen sie die Membranen der Mitochondrien mit Energie, die 3 ATP für jedes aufgebaute NADH produzieren können (bei FAD als H-Donator nur 2 ATP). Darüber hinaus erlaubt die Verfügbarkeit des respiratorischen Systems, dass die Energie, die im Pyruvat enthalten ist, angezapft wird, während es zu Acetyl-CoA und dann, im Lauf des Citratzyklus, zu CO2 abgebaut wird. H wird wiederum von den Kohlenstoffskeletten abgespalten und auf die H-Träger, die es an die Atmungskette weitergeben und dann zur erneuten Beladung zurückkehren, übertragen. Das Nettoergebnis zweier Runden des Citratzyklus ist die Produktion von 10 NADH und 2 FADH2. Aus diesen produziert das respiratorische System 10×3 + (2×2) = 34 ATP. Zählen Sie die 2 ATP, die während der Glykolyse produziert, und zusätzliche 2, die im Citratzyklus gebildet werden, dazu, und wir kommen auf eine Summe von 38 ATP! Vergleichen Sie das mit den nur 2 ATP, die gebildet wurden, als O2 fehlte und der Stoffwechselweg die Umleitung über Lactat nahm. CO2L H2OH O2E ATMUNGSKETTEM 34 (ADPD + PiD) 34 AT ATPA ATMUNG IN DEN MIROCHONDRIEN CO2L GlykolyseF 6 ZELLPHYSIOLOGIE STOFFWECHSEL: ATMUNG UND DER CITRATZYKLUS Tafel 5 konzentrierte sich auf den Abbau von Kohlenhydraten, insbesondere von Glucose, bei der Bildung von ATP. Fette und Proteine werden ebenfalls für diesen Zweck verwendet, wobei die Stoffwechselwege jedoch eine gemeinsame Endstrecke haben – den Citratzyklus und die Atmungskette, wie im Folgenden dargestellt. Um einen Überblick über die Reaktionen zu bekommen, die mit der Bildung von ATP zu tun haben, können wir die Oxidation der Nahrungsstoffe zweckmäßigerweise in drei Schritte einteilen: Schritt I. Gewinnung von Glucose, Glycerin, Fett und Aminosäuren – Makromoleküle in der Nahrung werden in einfachere Verbindungen zerlegt. Proteine werden in Aminosäuren abgebaut, Fette in Glycerin und Fettsäuren und große Kohlenhydrate (z.B. Stärke, Glykogen, Saccharose) werden in einfache 6-Kohlenstoff-Zucker verstoffwechselt, die der Glucose ähneln. Schritt II. Der Stoffwechsel von Glucose, Glycerin, Fett- und Aminosäuren konvergiert bei Acetyl-CoA – Diese Bestandteile spielen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel. Die meisten von ihnen (einschließlich einfacher Zucker, Fettsäuren, Glycerin und einiger Aminosäuren) werden zu dem gleichen 2-Kohlenstoff-Fragment, nämlich Acetat, abgebaut. Dieses bindet an das unverzichtbare Molekül Coenzym A (abgekürzt CoA) und tritt als das so genannte Acetyl-CoA in den Citratzyklus ein. Schritt III. Die gemeinsame Endstrecke: Citratzyklus und Atmungskette – Dieser finale Schritt besteht aus dem Citratzyklus und der Atmungskette (auch Elektronentransportkette genannt) zusammen mit der damit verbundenen Synthese von ATP. Von Acetyl-CoA aus ist der Stoffwechselweg für alle Nahrungsstoffe derselbe. Diese Tafel beschäftigt sich mit dieser gemeinsamen Endstrecke (Schritt III), die nur in Anwesenheit von O2 stattfindet. Acetyl-CoA tritt in den Citratzyklus ein und führt zur Bildung von 3 NADH, 1 FADH 2 und 1 ATP Wenn wir kurz zu unserem Beispiel des Glucosestoffwechsels zurückkehren, erinnern Sie sich bitte, dass ein Molekül Glucose einen Nettogewinn von zwei ATP, zwei NADH und zwei Pyruvat erzielt. In Anwesenheit von O2 wird Pyruvat nicht zur Bildung von Lactat verwendet, da NADH sein H an O2 bindet (über die Atmungskette, siehe unten) und damit das Pyruvat frei ist, in andere Reaktionen einzutreten. Die zwei Pyruvatmoleküle bewegen sich in die Mitochondrien in Vorbereitung auf ihren Eintritt in den Citratzyklus. Ein vorgeschalteter Reaktionsschritt baut sie in 2-C-Fragmente (Acetatmoleküle) um, die an Coenzym-A (CoA) gebunden werden und Acetyl-CoA ergeben. Bei diesem Vorgang wird Energie gewonnen, indem H auf NAD+ übertragen und CO2 gebildet wird. Acetyl-CoA wird auch bei der Verbrennung von Fetten und Proteinen gebildet und spielt eine Schlüsselrolle bei der Einspeisung von 2-C in den Citratzyklus. Das Acetat wird von CoA getrennt und verbindet sich mit einer 4-C-Struktur zum 6-C-Molekül Citrat, womit der Zyklus beginnt. Wie dargestellt, produziert jeder Durchlauf des Zyklus 3 NADH, 1 FADH2 und 1 ATP, wobei die Kohlenstoffreste des ursprünglichen Acetats als CO2 abgegeben werden. kommt, transferiert es zwei Elektronen und ein H+. Ein weiteres H+ wird aus der umgebenden Lösung aufgenommen und die Elektronen und H+ (= 2 H) werden von der Innen- zur Außenseite transportiert. An diesem Punkt trennen sich die Wege der Komponenten des H (H+ und Elektronen). H+ wird im schmalen Raum zwischen den beiden Mitochondrienmembranen deponiert, während die Elektronen zur Innenseite zurückkehren, um ein weiteres Paar H+ aus der umgebenden Lösung abzuholen. Diese Reise durch das innere Membranblatt wird noch zweimal wiederholt, sodass sich drei Rundreisen ergeben. Nach der dritten Runde werden die Elektronen vom O2 aufgenommen und bilden zusammen mit H+ aus den umgebenden Flüssigkeiten Wasser. ATP wird gebildet, wenn H + zurück„leckt“ Nach jeder dieser drei Runden werden zwei H+ im Spalt zwischen den Membranen deponiert, sodass die H+-Konzentration ansteigt. Diese H+ „lecken“ in die Matrix der Mitochondrien zurück über einen bestimmten Proteinkomplex, die ATP-Synthase, die einen Kanal durch die Membran bildet. Die Energie, die H+ abgibt, wenn es sowohl aufgrund seiner hohen Konzentration als auch mittels elektrischer Kräfte durch diese Kanäle getrieben wird, wird für die Synthese von ATP aus ADP und Phosphat (Pi) benutzt. FADH2 unterscheidet sich von NADH; es überträgt seine 2 H auf die Atmungskette unterhalb der Übertragungsstelle des NADH, wo nur zwei Runden durch die Membran zur Verfügung stehen. Das Ergebnis ist, dass es nur 4 H+ durch die Mitochondrienmembran trägt, was wiederum die Tatsache erklärt, dass es nur Energie für die Synthese von zwei (statt drei) ATP liefert. Spezielle Systeme transportieren Substrate durch die Mitochondrienmembran Der Citratzyklus und die ATP-Synthese finden in den Mitochondrien statt; andere Funktionen (z.B. die Glykolyse) ereignen sich im Cytoplasma. Spezielle Transportsysteme innerhalb der Mitochondrienmembran, die Material hinein- und hinaustragen, umgehen diese Einschränkungen. Das Transportsystem für neu synthetisiertes ATP treibt ATP im Austausch gegen ADP aus (Gegentransport, siehe Tafel 9), das für die weitere ATP-Produktion verwendet wird. Es gibt noch andere spezialisierte Transportsysteme für Pyruvat und das in der Glykolyse gebildete NADH. NADH selbst überquert die Membran nicht; stattdessen überträgt es sein H an der Außenseite auf H-Träger, die es zu den inneren Oberflächen transportieren. Hier wird H von NAD+, das in den Mitochondrien gefangen ist, aufgenommen. Es wird zu NADH, das nun Zugang zur Atmungskette hat. In einigen Mitochondrien wird das H von FAD statt von NAD+ aufgenommen, was einen Energieverlust zur Folge hat. In diesen Mitochondrien wird die Nettoproduktion, die bei der Verbrennung eines Glucosemoleküls anfällt, 36 anstatt 38 ATPMoleküle sein. Wie auch die Glykolyse wird der Citratzyklus mit quietschenden Bremsen zum Stehen kommen, sobald alle H-Träger (NADH und FADH2) mit H beladen sind. Allerdings wird H auf die Atmungskette, die an der Mitochondrienmembran lokalisiert ist, entladen. Dabei werden NAD+ und FAD regeneriert, sodass sie am weiteren Stoffwechsel teilnehmen können. Die Atmungskette ist ein System von Elektronenund H-Trägern, das in das innere Blatt der mitochondrialen Doppelmembran eingebettet ist. Zusätzlich zur Regeneration von NAD+ und FAD pumpt die Atmungskette auch H+-Ionen in den Raum zwischen den beiden Mitochondrienmembranen. Diese Ionen werden in der letztendlichen Synthese von ATP gebraucht. Die Atmungskette pumpt H + in den Raum zwischen den Mitochondrienmembranen Um die Atmungskette zu verstehen, ist zu erinnern, dass ein neutrales H-Atom aus einem Elektron und einem H+ besteht (d.h. H = H+ + 1 Elektron). Wenn NADH am ersten Träger der Atmungskette auf der Innenseite der inneren mitochondrialen Membran an- MALHINWEIS NADH und FADH 2 laden ihr H auf die Atmungskette ab Benutzen Sie die gleiche Farbe für die Überschriften wie auf der vorgehenden Seite (beachten Sie, dass die Buchstaben-Kennzeichnungen unterschiedlich sind, und prüfen Sie diese sorgfältig): A, C, D, E F, G, I, J, P, Q, R und S. Gebrauchen Sie dunkle Farben für B und K. 1. Beginnen Sie oben auf der Seite mit dem Eintritt des Pyruvats vom Cytoplasma in den Citratzyklus. Es ist nicht notwendig, die Bezeichnungen der verschiedenen Säuren in diesem Zyklus auszumalen. 2. Beginnen Sie das untere Feld mit der kleinen Schnittzeichnung eines ganzen Mitochondriums. Malen Sie den vergrößerten rechteckigen Teil aus und beachten Sie dabei, dass die Pfeile auf der linken Seite den Eintritt von Pyruvat (F) und Wasserstoff-Ionen (D) markieren. 3. Malen Sie die nächste Vergrößerung aus. Beachten Sie, dass die innere Matrix (N) und der Intermembranraum (L) farblos bleiben. Beginnen Sie die obere linke Seite mit dem Ausmalen der Passage des H+ durch die Membran mittels des Elektronenträgers (P). Beachten Sie, dass die Elektronen, die über den Weg dieses Systems transportiert werden, nicht gezeigt sind. Folgen Sie dem H+-Anstieg im Intermembranraum und seiner Passage zurück in die Matrix. CITRATZYKLUSA KOHLENSTOFFB CB NAD+C WASSERSTOFFD + NADC HD+H D FADE FADE H2D PYRUVAT AUS DER GLYKOLYSEF +2ATPG COENZYM A zur Atmungskette ACETYL-COAI CCB Während der Glykolyse werden aus jedem Glucosemolekül zwei Pyruvatmoleküle gebildet. Diese bewegen sich in Vorbereitung auf ihren Eintritt in den Citratzyklus in die Mitochondrien hinein. Ein dem Zyklus vorgeschalteter Schritt baut sie zu 2-C-Fragmenten (Acetat) um, die an Coenzym A (CoA) binden und somit eine Verbindung namens Acetyl-CoA bilden. Bei diesem Vorgang wird durch den Übergang von H auf NAD+ Energie frei und CO2 wird gebildet. Acetyl-CoA wird auch bei der Verbrennung von Fetten und Proteinen gebildet. Das Acetat reagiert mit einer 4-C-Struktur unter Bildung des C-6Citratmoleküls und der Zyklus beginnt. Wie dargestellt, produziert jeder Umlauf des Zyklus 3 NADH (+ 3 H+), 1 FADH2 und 1 ATP. Die C-Reste des ursprünglichen Acetatmoleküls werden schließlich als 2 CO2 freigesetzt. OXALACETAT CCC B CCCC MALAT CCC B CCCC CITRAT CCCCCCB CCCCC ACONITAT CCCCCCB CCCCC CITRATZYKLUSA ATPG +1G FUMARAT CCCCB CCC CIS-ISOCITRAT C CCCCC CCCCCCB CO2 B1 CO2 B1 SUCCINAT CCC CCCCB KETOGLUTARAT C CCC CCCCB ADPJ DAS MITOCHONDRIUM ZUR ATMUNGSKETTEP ÄUSSERE MEMBRANK INTERMEMBRANRAUML INNERE MEMBRANM MATRIXN CYTOPLASMAO INTERMEMBRANRAUM + FADE C 2H D + ½O2R H2O ADPJ FADEH2D + NAD C + Mitochondrien haben eine Doppelmembran. Die Atmungskette ist ein System von Elektronen- und H+-Trägern, die in die innere Membran eingebettet sind. NADH kommt am ersten Träger an und überträgt zwei Elektronen und ein H+. Ein weiteres H+ wird aus der umgebenden Lösung aufgenommen und beide Elektronen sowie 2 H+ werden von der Innen- zur Außenseite getragen, wo die H+ im Intermembranraum abgeladen werden. Die Elektronen kehren zurück, nehmen ein weiteres H+-Paar auf und wiederholen die Reise noch zweimal, was in der Summe drei Runden ergibt. Jedes Mal werden zwei H+ im Intermembranraum abgeladen, sodass die H+-Konzentration ansteigt. Diese H+ „lecken“ durch die ATP-Synthase zurück in die Matrix des Mitochondriums. Die Energie, die durch die Bewegung von H+ durch diese Kanäle von einer hohen zu einer niedrigen Konzentration hin frei wird, wird zur Synthese von ATP aus ADP und Phosphat (PI) benutzt. Das neu synthetisierte ATP bewegt sich aus der mitochondrialen Matrix mittels eines speziellen Transportsystems, das es gegen ADP austauscht, das wiederum für die weitere ATP-Produktion genutzt wird. Beachten Sie, dass nach der dritten Rundreise die Elektronen nicht mehr „nützlich“ sind. Ihre Energie ist aufgebraucht und wenn sie sich ansammeln, wird der respiratorische Prozess angehalten. Die Aufgabe des O2 ist es einfach, diese Ansammlung zu verhindern. O2 nimmt Elektronen auf und bildet zusammen mit H+ aus der Umgebungsflüssigkeit Wasser. DIE ATMUNGSKETTEP ELEKTRONENTRÄGERP1 ATP-SYNTHASEQ NADHD + H D Citratzyklus H+ D MATRIX ATPG CITRATZYKLUSA Gegentransport 34 ATPG 34 ATPJ 7 ZELLPHYSIOLOGIE DIE STRUKTUR VON ZELLMEMBRANEN Membranen sind ubiquitär! Sie definieren nicht nur die Grenzen von Zellen und subzellulären Organellen, sondern übertragen auch Signale über diese Grenzen hinweg, enthalten Enzymkaskaden, die für den Stoffwechsel essenziell sind, und regulieren, welche Substanzen in die Zelle hineingelangen und sie verlassen. In vielerlei Hinsicht ähnelt die Zellmembran der Burgmauer alter Städte; durch die Regelung des ein- und ausführenden Verkehrs entscheidet die Membran maßgeblich über den Haushalt der Zelle. Zellmembranen sind aus Proteinen aufgebaut, die in einer Lipiddoppelschicht treiben Obwohl die verschiedenen Membranen auch unterschiedlich zusammengesetzt sind, haben alle Zellmembranen eine gemeinsame einfache Struktur. Sie sind aus Proteinen aufgebaut, die in einer flüssigen Doppelschicht (zwei Schichten Rücken an Rücken) von Lipiden treiben. Wie formieren sich solche Doppelschichten? Was hält sie zusammen? Obwohl Membranmoleküle miteinander interagieren, scheinen die einfachen Kräfte, die die Membran zusammenhalten, aus den Interaktionen zwischen Membran und Wasser sowie zwischen Wasser und Wasser zu resultieren. Wassermoleküle interagieren miteinander und mit anderen polaren Molekülen Wasser ist ein asymmetrisches Molekül mit den beiden Wasserstoffatomen auf der einen Seite des Moleküls und dem Sauerstoff auf der anderen Seite. Außerdem befinden sich die Elektronenwolken, die das Molekül ausmachen, tendenziell näher am Sauerstoff als am Wasserstoff. Da Wasser netto ungeladen ist, hat es folglich einen negativen Pol nahe dem Sauerstoff und einen positiven Pol nahe dem Wasserstoff. Wir bezeichnen Wasser daher als polar im Gegensatz zu elektrisch symmetrischen Molekülen wie Kohlenwasserstoffen, die unpolar sind. In gewöhnlichem Wasser wird das positive Wasserstoffende eines Wassermoleküls nicht nur vom negativen Sauerstoffende seines Nachbarn angezogen, sondern kann sogar eine schwache chemische Bindung mit ihm eingehen (Wasserstoff-Brückenbindung oder H-Brücken). Flüssiges Wasser hat daher eine Struktur: Obwohl es kein festes Kristall wie Eis ist, enthält es eine Vielzahl von Aggregaten von bis zu acht oder zehn Molekülen, die lose durch H-Brücken zusammengehalten werden. So wie Wassermoleküle durch polare Anziehung oder Bildung von H-Brücken miteinander interagieren, treten sie auch mit anderen polaren Molekülen in Wechselwirkung und bilden Mikrostrukturen. Sie interagieren jedoch nicht mit unpolaren Molekülen. Unpolare Moleküle werden daher aus der wässrigen Phase ausgeschlossen; sie sind unlöslich. Die Wassermoleküle, die „einander suchen“, werfen unpolare zu lösende Stoffe aus, so wie im übertragenen Sinn ein Seifenstück von einer sich schließenden Faust ausgeworfen wird. Die aus diesem Phänomen resultierenden Kräfte werden als hydrophobe Wechselwirkungen und unpolare Substanzen als hydrophob bezeichnet. teine keine so offensichtliche Unterteilung in Kopf oder Schwanz haben, sind sie so gefaltet, dass ihre hydrophoben Abschnitte der wässrigen Phase abgewandt und in den hydrophoben Teil des Membrankörpers eingebettet sind; ihre polaren Anteile sind dem Wasser zugewandt. Spezifische Membranproteine erfüllen spezifische Aufgaben Einige Membranproteine spielen eine Rolle beim Transport von Stoffen in die Zelle hinein bzw. aus ihr heraus. Andere fungieren als Rezeptoren für Hormone oder katalysieren spezifische chemische Reaktionen. Wieder andere dienen als Verbindung zwischen Zellen oder als „Anker“ für Strukturelemente innerhalb der Zelle. Jene Proteine, die sich durch die gesamte Dicke der Membran hin erstrecken, sind beiden Oberflächen ausgesetzt. Sie dienen oft dem Einoder Auswärtstransport von Stoffen. Einige scheinen Gruppen von vielleicht zwei bis vier Molekülen in der Membran zu bilden und bei einigen geht man davon aus, dass sie so gefaltet sind, dass ihre polaren Anteile einen inneren Kern begrenzen, der durch das Innere des Moleküls oder durch das Zentrum einer Molekülgruppe durchbohrt. Dies stellt einen Kanal für kleine polare Moleküle dar, insbesondere für Wasser und Ionen, und ermöglicht deren Durchtritt durch die Membran. Einige dieser Kanäle können „Tore“, „Filter“ oder andere Einrichtungen enthalten, die den Verkehr regeln. Dieser Gedanke wird in später folgenden Tafeln wieder aufgenommen. Die Zelloberfläche hat einen Kohlenhydratmantel Die Präsenz einiger Moleküle ist auf nur eine Seite der Membran beschränkt. An Proteine oder Phospholipide, die sich auf der äußeren Oberfläche der Membran (der Außenseite der Zelle) befinden, sind oft Kohlenhydratketten gebunden; sie werden als Glykoproteine bzw. als Glykolipide bezeichnet. Diese externen Kohlenhydrate dienen der Zelle als „Schmierfilm“ und verhindern deren „Anheften“ und mechanische oder chemische Beschädigung. Zusätzlich spielen sie eine wichtige Rolle bei der Zell-Zell-Erkennung und der Adhäsion. Diese Kohlenhydrate haben darüber hinaus antigene Eigenschaften (z.B. als Blutgruppenantigene des AB0-Systems – Tafel 144). Die meisten Membranlipide sind Phospholipide; diese haben eine duale Struktur. Ein Ende, der „Kopf“, ist polar (hydrophil) und wird von Wasser angezogen. Der restliche „Schwanz“ ist unpolar (hydrophob) und wird von Wasser ausgeschlossen. Diese Unvereinbarkeit der beiden Enden ist der Schlüssel zur Membranstruktur. Wenn Phospholipide mit Wasser gemischt werden, treten Kräfte auf, die dazu tendieren, den Kopf dem Wasser zuzuwenden und den Schwanz auszuschließen. Die Abbildungen zeigen, wie beiden Kräften entsprochen werden kann, indem Mizellen oder Doppelschichten gebildet werden. Cholesterin ist ein weiterer verbreiteter Lipidbestandteil von Membranen. Es füllt einige der Spalten zwischen den Schwänzen aneinanderliegender Phospholipidmoleküle und beeinflusst die Fluidität der Membran, indem es die Interaktionen und Bewegungen der Schwänze moduliert. Membranproteine haben polare wasserexponierte Regionen und unpolare Regionen, die in die Doppelschicht eingebettet sind Ähnliche Prinzipien gelten auch für die Proteine, die Teil der Membran sind. Proteine bestehen aus langen Ketten von Aminosäuren, von denen einige eher polar und andere eher hydrophob sind. Obwohl Pro- MALHINWEIS Phospholipide haben polare Köpfe und unpolare Schwänze Verwenden Sie Hellblau für B und eine dunkle Farbe für H. 1. Fangen Sie mit dem polaren Abschnitt des Phospholipidmoleküls an und beachten Sie dabei die dicken Umrisse, die das Molekül in drei Farbflächen (C, D und E) unterteilen. Aus diesen Flächen besteht der Kopf (A) in der symbolischen Abbildung rechts. 2. Malen Sie den unpolaren Abschnitt aus und fahren Sie fort mit dem Cartoon in der Mitte. Malen Sie dann die beiden Formen aus, die die möglichen Endergebnisse darstellen: Mizelle oder Lipiddoppelschicht. 3. Malen Sie den Abschnitt aus, der die Zellmembran darstellt, einschließlich der kleinen Zeichnung einer Zelle. Beachten Sie, dass die Wasserflächen, die an beide Seiten der Membran angrenzen, mit Ausnahme der Beschriftungen, die ihre Lokalisierung bezeichnen, ungefärbt bleiben. Kohlenstoff DAS PHOSPHOLIPIDMOLEKÜL Stickstoff Wasserstoff Sauerstoff Phosphor KOPFA WASSERB POLARER ANTEILA (HYDROPHIL)A GELADENE GRUPPE:* ALKOHOLEC PHOSPHATD GLYCERINE UNPOLARER ANTEIL (HYDROPHOB)F FETTSÄUREKETTEF1 SCHWANZF SYMBOL Das Mischen von Phospholipiden mit Wasser führt zu Strukturen, bei denen die polaren Kopfgruppen im Wasser verbleiben, während die unpolaren Schwänze ausgeschlossen werden. Dies kann zu verschiedenen Anordnungen führen: Die einfachste sind sphärische Mizellen; ihre Schwanzgruppen vermeiden den Kontakt zu Wasser, indem sie dem wasserfreien Kern der Mizellen zugewandt sind. Vesikel, die von Lipiddoppelmembranen umgrenzt sind, sind zellähnlicher. Ihre Schwänze vermeiden den Wasserkontakt, indem sie sich so aneinanderlagern, dass die Kopfgruppen entweder dem Wasser außerhalb oder innerhalb des Vesikels zugewandt sind. MIZELLE* STRUKTURMODELL DIE ZELLMEMBRAN LIPIDDOPPELSCHICHT:* POLARA UNPOLARF PROTEING KANALH KOHLENHYDRATI Membranproteine sind so gefaltet, dass ihre polaren Teile dem Wasser zugewandt sind, während ihre unpolaren Teile tiefer in die hydrophoben Abschnitte des „Bilayers“ eingebettet sind. Einige Proteine durchspannen die gesamte Membran; sie sind oft am Transport von Stoffen in die Zelle oder aus der Zelle beteiligt. Andere Proteine sind nur an einer Seite der Membran lokalisiert. Spezifische Proteine, die in die Membran eingebettet sind, erfüllen ganz bestimmte Funktionen. Einige dienen dem Transport, andere als Hormonrezeptoren, wieder andere katalysieren spezifische chemische Reaktionen oder stellen Verbindungen zwischen den Zellen dar. EXTRAZELLULÄRE FLÜSSIGKEITB1- ODER ZELLE Zuckermolekül LIPIDDOPPELSCHICHT* Glykoprotein CYTOPLASMA DER ZELLEB2- unpolar polar
