Anatomie und Pathophysiologie

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Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 2
Inhalt Morphologie und Funktion der Zelle ....................................................................................................... 3 Zellmembran und Zytoplasma ......................................................................................................... 4 Öberflächenvergrößerung der Zellmembran .................................................................................. 5 Interzelluläre Verbindungen............................................................................................................ 5 Zytoplasma ...................................................................................................................................... 6 Zellorganellen .......................................................................................................................................... 6 Endoplasmatische Retikulum .......................................................................................................... 6 Golgi‐Apparat .................................................................................................................................. 7 Mitochondria ................................................................................................................................... 7 Ribosomen ....................................................................................................................................... 8 Lysosomen und Peroxisomen .......................................................................................................... 8 Zytoskelet ................................................................................................................................................ 9 Microtubuli ...................................................................................................................................... 9 Mikrofilamente (7nm) ................................................................................................................... 10 Intermediärfilamente (10nm) ....................................................................................................... 10 Zellfortsätze ........................................................................................................................................... 11 Kinozilien ....................................................................................................................................... 11 Stereozilien .................................................................................................................................... 11 Zellkern (Nucleus) .................................................................................................................................. 12 Kernhülle ....................................................................................................................................... 12 Nukleoplasma ................................................................................................................................ 12 Aufgaben der Zellkompartimente ................................................................................................. 12 Genetische Information ........................................................................................................................ 13 Referenzen ............................................................................................................................................ 16 21. März 2009 www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 3
Zellstruktur und Genetische Kontrolmechanismen Morphologie und Funktion der Zelle Zellen sind die kleinsten selbständige Funktionseinheiten des Organismus: Sie sind aufgrund ihres Stoffwechsels befähight, ihre eigene Struktur aufrechtzuerhalten und Arbeiten zu leisten. Weiterhin besitzen sie die fähigkeit zu Wachstum und Vermehrung. Größe, Form und Struktur der Zellen sind veilfältig und stehen in unmittelbarer Beziehung zu ihrer Funktion. Obwohl alle Zelle einen prinzipielle gemeinesamen Bauplan aufweisen, ist es wegen des hohen Grades der Zelldifferenzierung nicht möglich, eine typische Zelle zu beschreiben. Die zellulären Funktionseinheiten: Zellmembran, Zytoplasma, Zellorganellen, Zytoskelett und Zellkern sinf jedoch allen Zellen Gemeinsam. 21. März 2009 www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 4
Zellmembran und Zytoplasma Umschließ den Zelleib – Dicke von 7‐10nm Sie ist in einigen Fälle glatt, in anderen tief gefaltet Die Zellmembran besteht aus einer weitgehenden flüssigen, bimolekularen Lipidschicht, die von globulären Proteinen mosaikartig durchsetzt wird (integrale Proteine). In der Lipiddoppelschicht, die vor allem aus Phospholipiden aufgebaut ist, sind die hydrophylin Gruppen nach beiden Seiten der Membran ausgerichtet. Die nichtpolaren, hydrophoben Enden der Lipidmoleküle weisen jeweils ins Innere der Membran. Neben der Phospholipiden gehören weiterhin Glykolipide und Cholesterin zu den Zellmembranlipiden. Zweiartige Ionen, vor allem Ca 2+. Speilen beim Aufbau der Zellmembran ebenfalls eine wichtige Rolle, da ihre Entfernung zu einer Destbilisierung der Membran führt. Zellmembranen sind in ihrer Struktur nicht unveränderlich festgelegt, sondern ständigen Ein‐ und Umbauvorgängen unterworfen. Es ist sogar möglich, daß das Plasmalemm übergehen und dabei ihre Funktion wechsel. Selektiven Durchlässigkeit (Permeabilität) für bestimmte Stoffe Für insbesondere große Moleküle stellen die Zellmembranen Diffusionsbarieren dar, für andere ermöglichen sie einen ständige Austausch zwischen den Zellinneren und Außenraum Für die Auswahlfunktion beim Stoffaustausch sind zum Teil integrale Transportproteine (Kanäle, Carrier und Pumpen) verantwortlich. Veränderung der Membranpermeabilität spielen bei der erregungsbildung,‐ leitung und übertragung eine wichtige Rolle Membranproteine besistzen Enzymfunktion und andere fungieren als Adhäsionsmoleküle. Zellmembrane bilden die strukturelle Basis der gewebespezifischen Rezeptoren für Hormone und andere Botenstoffe sowie die Erkennung fremder Zellen. Ein Teil der Lipide und Proteine der Zellmembran besitzt einen Kohlenhydratanteil (Glykolipide), der stehts zu Außensiete der Membran orientiert ist und ein gewisse Assymmetrie der Zellmembran kann so dicht mit Zuckerketten besetzt sein, daß eine geschlossenen Schicht entsteht (Glyokalyx). Mit Hilfe der exponierten Kohlenhydratreste sind Zelle weiterhin in der Lage, andere Zelle zu erkennen bzw. sich an andere Zellen anzulagen (Adhäsionsfähigkeit). 21. März 2009 www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 5
Öberflächenvergrößerung der Zellmembran Die Zellmembran kann durch Ausstüllpungen oder Entfaltungen der Zelloberfläche vergrößert werden. Microvilli sind fingerförmige, bis zu 1µm lange Ausstülpungen. Bei resorbierenden Zellen (z.B. dem Epithel des Dünndarms) bilden die Mikrovilli einen dichten Rasen (Bürstensaum). Mikrovilli enthalten reichlich Enzyme und bewirken eine etwa 20‐ bis 50 fache Vergrößerung der resorbierenden Oberfläche. Einstülpungen des Plasmalemms finden sich an der basolateralen Seite von Zelle, die an Flüssigkeits‐ und Elektrolytverschiebungen beteiligt sind. 21. März 2009 Interzelluläre Verbindungen In Zellverbänden bestehen zwischen den einzelnen Zellen interzelluläre Verbindungen. Die „gap junctions“ oder Nexus stellen Kontaktstellen zwischen benachbarten Zellen dar, an denen die Zellmembranen dinieren die Aktivität benachbarter Zellen und schließen Zellen dadurch zu größeren Funkstionseinheiten zusammen. An der Kontaktstelle sind die beiden Zelle durch zahlreiche, bunden, die einen Stofftransport von Zelle zu Zelle sowie die Übertragung elektrischer Potentialänderungen erleichtern (z.B. bei der Herzmuskulator oder glatten Muskulatur). Bei der „tight junction“ oder Zonula occludens handelt es sich um bandförmige Verschmelzungen der äußeren Schichten der Zellmembran von zwei gegenüberliegenden Zellen. Die Interzellularraum ist an der Stelle der Verbindung unterbrochen, wodurch ein Substanztransport durch die Interzellularspalten behindert wird. Wird in einer eng umschriebenen Kontaktzone mit einer Ausdehnung durch Glykoproteine und Mikrofilmanente ausgefüllt, spricht man von einem Desmosom oder einer Macula adhaerens. Die sich gegenüberliegenden Zellmembranen sind im Bereich der Kontaktzone verdickt, und unter der Zellmembran ist www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 6
das Zytoplasma verdichtet. In diese Verdichtungen strahlen Zelfilamente (Tonofilamente, Aktinfilamente) ein. Desmosomen erfüllen mechanische Funktionen dadurch, daß sie benachbarten Zellen miteinander verankern. Zytoplasma Der Teil des Zellinhaltes, der nicht vom Kern eingenommen wird, heißt Zytoplasma. Die transparente, mehr oder weniger homogene Matrix des Zytoplasmas ist das Hyaloplasma (Protoplasma), in das die Zellorganellen und die Zytoplasmaeinschlüsse eingebettet sind. Zellorganellen Zellorganellen sind spezifisch gebaute Strukturelemente der Zellen, die spezielle Funktionen erfüllen. Endoplasmatische Retikulum Das Zytoplasma nahezu aller Zellen enthält intrazelluläre Membranen (Zytomembranen), die ein dreidimensionales System kommunizierender Hohlräume bilden und teilweise zu Zisternen erweitert sind. Die Membranen dieses Hohlraumsystems, das man als endoplasmatische Retikulum bezeichnet, gehen in die äußere Kernmembran über. Besonders auffällige Strukturen des endoplasmatische Retikulum sind paarweise angeordnete Lamellen. Die endoplasmatische Zytomembranen anastomosieren miteinander. Der kleinste Abstand der gegenüberliegenden Membranen beträgt 30 – 50 nm. Sie trennen das Hyaloplasma und das in den Hohlräumen des endoplasmatischen Retikulums liegende Retikulumplasma. 21. März 2009 Man unterscheidet eine ungranulierte oder glatte von einer granulierten oder rauhen Form des endoplasmatischen Retikulums. In der Regel kommen beide Formen in derselben Zelle vor und kommunizieren miteinander. Das glatte endoplasmatische Retikulum ist im Vergleich zum rauhen endoplasmatische Retikulum relativ selten zistenartig erweitert. Man findet es besonders stark ausgeprägt in Zellen, die Lipide oder Steroidhormone synthetisieren. Die an die Membranen des glatten endoplasmatische Retikulums gebundenen zahlreichen Enzyme sind für die Umwandelung von Fremdstoffen (Biotransformation) von größter Bedeutung. Von besonderen Interesse ist es, dass diese Enzyme unter dem Einfluss bestimmter Stoffe (z. B. Arzneimittel) vermehrt gebildet oder gehemmt werden können. Man bezeichnet einen solchen als Enzyminduktion bzw. Enzyminhibition. Im quer gestreiften Muskelgewebe dient das glatte endoplasmatische Retikulum als Ca2+‐ Speicher und wird in diesem Fall sakoplasmatische Retikulum genannt. Die Membranen des rauhen endoplasmatische Retikulums sind an der Außenseite dicht mit zahlreiche Partikeln, den Ribosomen besetzt. Diese Form des endoplasmatische Retikulums findet sich vor allem in Zelle mit intensiver Proteinsynthese, die an das Vorhandensein der Ribosome gekoppelt ist. www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 7
Golgi­Apparat In Kernnähe findet man charakteristisch strukturierte Systeme aus Doppelmembranen. Sie liegen in Stapeln von 5 bis 10 dicht gepackt aufeinander. Ein Stapel solcher Doppelmembranen bezeichnet man als Diktyosom. Vom Rand der einzelnen Doppelmembranen, die platten Säckchen gleichen, schnüren sich kleinere oder größere, substanzgefüllte Bläschen (Golgi‐ Vesikel oder Golgi‐ Vakuolen) ab. Die Gesamtheit aller Diktyosomen einer Zelle wird Golgi‐Apparat genannt. Der Golgi‐Apparat ist vor allem in sekretbildenden Zellen gut entwickelt. Nach einer ersten Prozessierung werden die im endoplasmatische Retikulum gebildeten Proteine in Transportvesikel verpackt, die anschließend mit kernnahen Zisternen des Golgi‐Apparates verschmelzen. Hier werden komplexe Proteinverbindungen (z.B. Glykoproteine) hergestellt, die nachfolgend portionsweise mit dem Golgi‐Vesikeln abgeschnürt und zu unterschiedliche Zielorten (Zellmembran, Lysosomen) transportiert werden. Sekretorische Vesikel entleeren ihren Inhalt durch Verschmelzen mit der Zellmembran in den Extrazellularraum. In den Golgi‐Apparat werden darüber hinaus die durch Endozytose aufgenommenen Membranproteine transportiert und zur Wiederverwendung bereitgestellt. Mitochondria Die Mitochondrien weisen die Form von Stäbchen oder von Rotationsellipsoiden auf. Ihre Länge schwankt zwischen 0,2 und 1,0 µm. Sie bestehen aus einer äußeren, gut permeablen und inneren Membran. Die innere, undurchlässige Membran bildet häufig quer zur mitochondrialen Längsachse verlaufende Falten (Cristea) oder‐ seltener‐fingerförmige Einstülpungen (Tubuli), welche die innere Oberfläche erheblich vergrößern. Man unterscheidet deshalb Mitochondrien vom Crista‐Typ und solche vom Tubulus‐Typ. Die Innenmembran trennt zwei intramitochondriale Räume voneinander ab: Der Raum zwischen der äußeren und inneren Membran wird als Intermembranraum bezeichnet; der Raum, der von der Innenmembran umschlossen wird, enthält gelöste Proteine, Lipide, Desoxyribonukleinsäure (DNA), Ribonukleinsäure (RNA) und Granula unterschiedlichster Form in einer Grundsubstanz (Matrix). Mitochondrien stellen separate Räume für den Energiestoffwechsel dar. Die hierfür erforderliche Enzyme und Koenzyme sind in den Mitochondrienstrukturen nach funktionellen Gesichtspunkten angeordnet („geordnete Multienzymsysteme“). 21. März 2009 Die Zahl der Mitochondrien ist je nach Art der Zelle sehr verschieden. Stoffwechselintensive Zelle (z. B. Herzmuskelzellen) weisen eine hohe Mitochondriendichte auf, während in stoffwechselarmen Zellen nur einzelne Mitochondrien enthalten sind. Mitochondrien besitzt eigenständige Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). DNA habe eine zyklische Struktur Eigener genetisches System Sind zu Proteinsynthese befähigt Vermehren ausschließlich durch Teilung www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 8
Ribosomen Die Ribosomen sind kugelige oder ellipsoide, 10‐20 nm große Partikel, die sowohl frei im Zytoplasma als an Zytomembranen gebunden vorliegen. Sie bilden häufig Aggregate in Form von Rosetten und Ketten. Diese Ribosomenverbände bezeichnet man als Polyribosomen oder Polysomen. In diesen Komplexen sind die Ribosomen durch unterschiedliche lange Filamente (Durchmesser 1,0 – 1,5 nm) verknüpft, die aus messenger‐RNA (mRNA) bestehen. Die Ribosomen von eukaryoten Zelle setzen sich aus zwei Untereinheiten zusammen. Die kleinere Untereinheit hat eine Sedimentationskonstante von 40, die größere eine von 60 S (Svedberg‐Einheiten). Der Komplex aus den beiden Untereinheiten wird durch Mg2+ stabilisiert. Ribosomen bestehen hauptsächlich aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen. Sie stellen die Zellorganellen für die Proteinbiosynthese dar. Lysosomen und Peroxisomen Lysosomen sind 0,25‐0,50 µm große, vor einer Zytomembran umschlossene Körperchen, die durch Abshnürung vom Golgi‐Apparat entstehen und durch ihren Gehalt an zahlreichen Enzymen charakterisiert sind. Die lysosomalen Enzymen sind zumeist Hydrolasen (Phosphatasen, Esterasen, Lipasen u.a.) mit einem Wirkungsoptimum im sauren pH‐Bereich. Lysosomen spielen eine wichtige Rolle beim Abbau von zellfremden und zelleigenen Stoffen, die in die Lysosomen gelangt sind. Normalerweise schützt die Lysosomenmembran die Zelle vor einer Entwirkung dieser Enzyme. Eine Freisetzung der lysosomalen Enzyme nach einer Zerstörung oder gesteigerten Durchlässigkeit der Lysosomenmembran und eine anschließende Aktivierung kann, zu einer schweren Schädigung bzw. zum Absterben der Zelle, zur sog. Autolyse, führen. Die intrazelluläre Abbau von Substanzen durch die lysosomalen Enzyme kann Material exogenen Materials wird als Heterophagie, der des endogenen Materials als Autophagie bezeichnet. Die physiologische Bedeutung der Autophagie besteht wahrscheinlich im intrazellulären Abbau nicht mehr funktionsfähiger Teile des Zytoplasmas. Peroxisomen sind bis 0.5µm große Partikel, die durch Abschnürung von endoplasmatische Retikulum entstehen und ebenfalls von einer Zytomembran umschlossen sind. Sie sind nur schwer von kleinen Lysosomen zu unterscheiden und enthalten Enzyme, die Wasserstoffperoxid bilden und spalten können. Ihre Funktion liegt möglicherweise in der Entgiftung von Produkten des Intermediärstoffwechsels. Die Peroxisomen werden mit den Lysosomen häufig unter der Bezeichnung Zytosomen zusammengefasst. 21. März 2009 www.kardiotechnik.org uktur und Geenetische Ko
ontrollmechaanismen Zellstru
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Zytosk
kelet Als Zytoskelet bezeichn
net man spezifische Filameente und mikro
otubuläre zyto
oplasmatischee Struktoren, die im der Zellen, der Fortbewegu
ung, dem Laufe derr Zelldifferenzzierung entstaanden sind. Siee dienen der FFormgebung d
intrazellu
ulären Transpo
ort sowie der Bindung von Enzymen und
d Metaboliten. Microtu
ubuli TTubulin/ Moto
orproteine (Kinesin, Dynein
n) T
Tubulin assoz
iierte Proteine Funktion: Vesikkel und Organ
nellen Transpo
ort, Axonaler TTransport Spind
delapparat 21. März 2009 www.kardiotechnik.org uktur und Geenetische Ko
ontrollmechaanismen Zellstru
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Mikrofiilamente (7
7nm) Aktin/Myosin: G‐F Aktin, M
A
Myosin‐Formen A
Aktin assoziie
erte Proteine Funktion: Konttraktion quer ggesteifter Mu
uskel Konttraktion glatteer Muskel Nicht‐Muskel‐Aktiin: Mikrovilli, Lamellipodia, Filopodia, Migration Zell‐ZZell und Matrix Kontakte Interme
ediärfilame
ente (10nm
m) 21. März 2009 Z
Zytokeratine nte Neurofilamen
V
Vimentin, Des
smin Lamine (Kern)) Funktion: Mechanische Stab
bilität, Fixierun
ng der Organe
ellen und des Kerns in der ZZelle. Zell‐ZZell Kontakte (Desmosomen) und Zell‐M
Matrixkontaktee (Hemidesmo
osomen) www.kardiotechnik.org uktur und Geenetische Ko
ontrollmechaanismen Zellstru
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Zellfortsätze Kinoziliien W
Wimpernart
tige Zellforstssätze (Zilien)) – rhythmiscche Bewegun
ngen A
An Basis in Z
Zellorganellen verankert
S
Strukturelem
mente an derr Basis der Fllimmerhaare
e entsprecheen einem Zen
ntriol und we
erden Basalkörpercchen/Kinetosom genannt. Kinozilienbewegung – einem schnellen Schlag (m
metachron) und einer langsame Rückrollbew
wegung Ist koordinieert und läuft in Wellen üb
ber die Zellob
berfläche 21. März 2009 Stereozzilien 5
5‐7 µm lange
e Microville Führt keine aaktive Beweggungen durcch Kommen auff den Sinneszellen des In
nnenohrs, de
en Riecherzelllen sowie an
n den Stäbch
hen und Z
Zapfen der N
Netzhaut vorr G
Gleiche Stru
ktur wie die Kinozillien www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 12
Zellkern (Nucleus) Der Zellkern bildet mit dem Zytoplasma eine Funktionseinheit und ist das Steuerungszentrum der Zellfunktionen sowie der Träger der genetischen Information, die in den Chromosomen lokalisiert ist. Kernhülle Zweifache Zytomembran umgeben Das äußere, mit Ribosomen besetzte Blatt gehört zum rauhen endoplasmatische Retikulum Zwischen innere und äußere Membranen – schmale perinukleäre Raum. Perinukleäre Raum kommuniziert an mehreren stelle mit den Innenräumen des endoplasmatische Retikulum. Kernhüle ist von Poren durchsetzt – Durchmesser von 7‐9 nm, 10‐20% der oberfläche An diesen Poren sind die innere und äußere Membran der Kernhüle mit kanalbildenden Proteinen durchsetzt. Die im Kern synthetisierte Ribonukleinsäure (RNA) gelangt durch diese Kernporen ins Zytoplasma. Stofftransport vom Zytoplasma ins Kerninnere möglich Nukleoplasma Im Kerninnenraum – ein oder mehrere Kernkörperchen (Nucleoli). Kerneinschlüsse (z.B. Glykogen, Lipide, Proteine), Enzyme und die Chromosomen – Anordnung von Genen auf einer speziellen Struktur Keine Membran umschlossene Nucleolus besteht aus einer amorphen Matrix Amorphen Matrix besteht aus Proteinen und dünnen Filamenten, granulären Partikeln Nucleolus hat die Aufgabe, ribosomale RNA zu bilden, die für die Proteinsynthese im Zytoplasma benötigt wird. Aufgaben der Zellkompartimente Zellbestandteil
Zellmembran (Plasmamembran) Zellplasma (Cytosol) Zellkern (Nucleus) Zellkernmembran Nucleolus Endoplasmatisches Retikulum (ER) Funktion(en)
Lipid‐Doppelschicht mit eingelagerten Proteinen. Transport von Komponenten in die Zelle und aus der Zelle heraus. Vermittelt Kontakt mit anderen umgebenden Zellen in tierischen Organismen. Umgibt als visköses Medium alle Zellorganellen im Innern der Zelle. Durchmesser ca. 5mm. Umgeben von einer Kernmembran. Enthält die genetische Information in Form von Chromosomen. Ort der DNA‐Replikation, der Transkription und der Prozessierung von RNA. Umgibt den Kern, enthält Kernporen. Kontrolliert den Kerntransport von Komponenten in den Kern und aus dem Kern. Separate Organelle im Innern des Kern. Ort der Biogenese der Ribosomen. Ausgedehntes Netzwerk von innerzellulaären Membranen. Synthese, Modifizierung und Qualitätskontrolle von exportierten Proteinen. Als freie Polysomen im Cytosol, als gebundene Ribosomen am Endoplasmatischen Retikulum: Ort der Proteinbiosynthese. Ausgedehnte Zellorganelle für das Sortieren und Verteilen von Proteinen (synthetisiert am ER), die Golgi‐Apparat für die Sekretion, den Einbau in die Plasmamembran und den Transport in Lysosomen bestimmt sind. Synthese von Lipiden. Kleine Membran‐Vesikel, die den Transport vom ER über den Golgi‐Apparat zu ihren Golgi‐Vesikel Bestimmungsorten übernehmen. Von zwei Membranen umgebene Zellorganellen für den oxidateven Substratabbau (oxidative Mitochondrien Phosphorylierung) zur Energie (ATP) Produktion. Chloroplasten (Nur in Pflanzen und Grünalgen) Befähigt zur Photosynthese. Lysosomen (Vacuolen) Spezialisierte metabolische Organellen: Abbau von Makromolekülen und deren Speicherung. Peroxisomen Spezialisierte metabolische Organellen: Abbau (insbes. Oxidation) von Makromolekülen. Membran‐Vesikel zur Aufnahme und zum Transport von endozytotisch aufgenommenen Endosom Komponenten. 21. März 2009 Ribosomen www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen Centrosom (Centriole) Cytoskelett 13
Orgaisationszentrum für die Mikrotubuli, verantwortlich für die Bewegung der Chromosomen während der Zellteilung. Netzwerk von Proteinfilamenten durch das Cytosol. Stütz‐und Transportfunktionen. Verantwortlich für Formgebung und Bewegungsmöglichkeit von Zellen. Genetische Information Träger der genetischen Information und damit wichtigster Bestandteil der Chromosomen ist die Desoxyribonukleinsäure (DNA), auf der aller Gene (DNA‐Abschnitte, die ein Protein (z.B. ein Enzym) kodieren), lokalisiert sind. Die Bauelemente der DNA werden als Nukleotide bezeichnet. Bestehen aus: Einer Purin‐ (Adenin oder Guanin) oder Pyrimidinbase (Thymin oder Zytosin) Der Pentose Desoxyribose Einem Phosphorsäurerest Je eine Base und Desoxyribose bilden zusammen ein Nukleosid. Die einzelnen Nukleoside werden durch Phosphorsäure (in Diesterbindung) zu langen Ketten (Makromolekülen) verknüft. Nach dem Strukturmodell der DANN (Watson und Crick) bilden zwei solcher Nukleotidketten eine Doppelhelix. In dieser liegen spezifische Basenpaare, verbunden durch Wassestoffbrücken, einander gegenüber. In der DNA sind jeweils die Basen Adenin (A) mit Thymin (T) und Guanin (G) mit Zytosin (C) gepaart. Damit bestimmt jede der Basen den entsprechenden Paarling, so dass ein Strang die vollständige Sequenz der Basen im anderen Strang festlegt. Durch die freie Wähl‐ und Kombinierbarkeit der einzelnen Basenpaare kann eine fast unendliche große Zahl spezifischer Makromoleküle aufgebaut werden. 21. März 2009 A – Adenin, T – Thymin, C – Zytosin, G ‐ Guanin www.kardiotechnik.org Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen Die DNS ist in einer menschlichen Körperzelle auf verschiedene Träger, den Chromosomen, verteilt. Im Kern jeder Körperzelle finden sich 46 Chromosomen, im Kern von Geschlechtszellen (Eizellen, Samenzellen) 23 Chromosomen. Bei der Befruchtung, also der Vereinigung einer Eizelle mit einer Samenzelle, entsteht eine so genannte Zygote. Sie enthält 46 Chromosomen, die je zur Hälfte von Mutter und Vater stammen. Man spricht auch von einem „doppelten Chromosomensatz“, weil jedes Chromosom – und damit jedes Gen – doppelt vorhanden ist. Aus der Zygote gehen durch identische Teilungen alle Zellen des Organismus hervor. Jedes Chromosom besteht aus einem einzigen langen DNS‐
Molekül, das auf komplizierte Weise zur typischen Gestalt des Chromosoms gefaltet und aufgespult ist. Jedes Chromosom enthält Hunderte bis Tausende von Genen – also bestimmte Abschnitte des DNS‐Moleküls. Die Wissenschaftler streiten noch über die genaue Zahl der menschlichen Gene. Einige schätzen diese auf über 20.000 bis 25.000 Gene, während andere Annahmen von 30.000 bis 40.000 Genen ausgehen 21. März 2009 Seit der Veröffentlichung von James Watson und Francis Crick im Jahr 1953 weiß man, wie die DNS aufgebaut ist: Das Erbmolekül besteht aus vielen Tausenden von sich wiederholenden Bausteinen, die so genannten Nukleotide. Sie fügen sich zu einer langen Kette aneinander. Jeder Nukleotid‐Grundbaustein setzt sich wiederum aus drei kleineren Bausteinen zusammen: einem Zucker‐ und einem Phosphat‐Molekül sowie einer Base. Der Zucker im DNS‐
Molekül heißt Desoxyribose. Deshalb auch der Name Desoxyribonukleinsäure. In der Kette des DNS‐
Moleküls wechseln Zucker und Phosphat in einer langen Reihe miteinander ab; die seitlich aus der Kette Basen hingegen ragen heraus – sie sind der bedeutendste Teil in der DNS‐Kette. Insgesamt kommen in der DNS vier verschiedene Basen vor: Cytosin, Guanin, Adenin Nukleotid‐Grundbaustein und Thymin. Jeder enthält je eine der vier Basen. Eine bestimmte Reihenfolge wird dabei nicht eingehalten, die Basen wechseln vielmehr so unregelmäßig wie Buchstaben in Wörtern. Die DNS besteht aus zwei Strängen, die sich wie eine verdrillte Strickleiter regelmäßig umeinander winden. Die Stricke dieser Leiter bestehen aus Zuckern und Phosphaten, ihre Sprossen sind aus je zwei Basen zusammengefügt, wobei immer Adenin an Thymin und Cytosin an Guanin bindet. Die DNS besteht aus zwei DNS‐Ketten, die eine Doppelhelix, ergeben. Damit sich diese Doppelspirale bilden kann, fügen sich zwei DNS‐Ketten parallel aneinander. Die Basen bilden die Verbindungsglieder der beiden Ketten: Sie halten die Stränge zusammen – wie die Sprossen die Holme einer Leiter. Dies geschieht nicht zufällig, sondern nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit: Adenin fügt sich stets mit Thymin und Cytosin stets mit Guanin zusammen. Aus chemisch‐physikalischen Gründen passen jeweils diese beiden Basen zusammen wie Schlüssel und Schloss: Sie sind komplementär. In einem Abstand von etwa zehn Basenpaaren windet sich das DNS‐Doppelmolekül und erhält dadurch sein charakteristisches spiralförmiges Aussehen. Biochemisch betrachtet, ist ein Gen also ein bestimmter Abschnitt der DNS, genauer formuliert: Ein Gen besteht aus einer Folge von einigen hundert bis weit über tausend Nukleotiden, wobei die Reihenfolge der Basen – die Basensequenz – jeder Erbanlage ihre spezifische Bedeutung gibt. Jedes Gen enthält die Information für die Synthese eines bestimmten Proteins, das aus Aminosäuren besteht. Welche Aminosäure dabei eingebaut werden soll, wird durch die Folge von jeweils drei Basen bestimmt, die als Codon bezeichnet werden. www.kardiotechnik.org 14
Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen 21. März 2009 Die Komplementarität der Basen ist entscheidend für das identische Verdoppeln der Gene, ein Vorgang – die Wissenschaftler nennen ihn Replikation –, der jeder Zellteilung vorausgeht. Dazu öffnet sich die Doppelkette des DNS‐Moleküls wie ein Reißverschluss. An die jetzt frei werdende Reihe von „Reißverschlusshaken“ lagern sich komplementäre, freie Basen an und werden von einem Enzym, der DNS‐Polymerase, miteinander verknüpft. Auf diese Weise wird das DNS‐Molekül verdoppelt: Es entstehen zwei neue Moleküle, die sich völlig gleichen. Das heißt, die Abfolge der Basen ist identisch – und damit auch die Gene, die sinntragenden Abschnitte der DNS. Die Komplementarität der Basen ist noch für einen zweiten elementaren biologischen Vorgang bedeutend: die Transkription. Transkription bedeutet das Überschreiben der genetischen Information von der DNS auf ihr Schwestermolekül, die Ribonukleinsäure (RNS). Die Ribonukleinsäure hat eine ähnliche Struktur wie die DNS, liegt aber nicht als Doppel‐, sondern als Einzelstrang vor. Wann immer ein Protein benötigt wird, verbinden sich RNS‐Moleküle mit bestimmten Abschnitten des DNS‐
Moleküls. Das im Zellkern befindliche Doppelstrang‐Molekül öffnet sich dazu, so dass sich die RNS‐Moleküle an die DNS anlagern können. Da beide Moleküle die gleiche Sprache benutzen, kann die Information einfach kopiert werden. Die Reihenfolge der Basen auf der DNS wird mit demselben Verfahren auf die RNS überschrieben, das bei der Teilung einer Zelle für die identische Weitergabe der Erbanlagen sorgt. Die Anlagerung der RNS‐Moleküle und ihre Verknüpfung bewerkstelligt ein spezielles Enzym, die RNS‐Polymerase. Das Ergebnis der Transkription ist ein RNS‐Molekül, das entsprechend der DNS‐Vorlage gefertigt wurde. Das RNS‐Molekül ist also ein Transkript des Gens, das die Information für den Bau eines Proteins enthält. Diesen Typ von Molekülen nennen die Wissenschaftler m‐RNS‐Moleküle. vom englischen „messenger“ für „Bote“. Die Boten‐RNS kann den Zellkern, in dem die DNS aufbewahrt ist, durch Poren verlassen und gelangt ins Zellplasma. Dort befinden sich die Ribosomen, die „Fertigungsstätten“ für Proteine, die an den Ribosomen nach den Anleitungen der Gene zusammengesetzt werden. Bei der Transkription wird die im Zellkern lokalisierte genetische Information, die DNS, in ihr komplementäres Schwestermolekül, die m‐RNS, überschrieben. Diese verlässt den Zellkern durch die Kernporen und dient den im Cytoplasma zahlreich vorhandenen Ribosomen, den Fertigungsstätten der Proteine, als Vorlage für die Proteinbiosynthese. Dabei wird die m‐ RNS schrittweise abgelesen und in eine Folge von Aminosäuren, den Grundbausteinen der Proteine, umgesetzt. Diesen Prozess bezeichnet man als Translation. Die Gene höherer Organismen – wie zum Beispiel die des Menschen – bestehen meist aus sogenannten Exons und Introns. Die Exons enthalten die Information, die notwendig ist, damit die Zelle Proteine herstellen kann. Welche Bedeutung den Introns zukommt, ist noch nicht zweifelsfrei geklärt; für manche Introns konnte nachgewiesen werden, dass sie regulatorische Aufgaben wahrnehmen. Bei der Transkription, der Kopie der genetischen Information von der DNS auf die Boten‐RNS, werden die Introns aus der Boten‐RNS entfernt. Diesen Vorgang nennen die Wissenschaftler „Splicing“ (englisch für www.kardiotechnik.org 15
Zellstruktur und Genetische Kontrollmechanismen verbinden). Die fertiggestellte Boten‐RNS (m‐RNS) besteht aus ausschließlich aus hintereinander aufgereihten Exons. Referenzen 1.
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Anatomie Physiologie Pathophysiologie des Menschen. Kapitel 1. Morphologie und Funktion der Zelle. Blatt 2 – 12. Aufl. Stuttgart: Wiss. Verl.‐Ges. 1999. ISBN 3‐8047‐1616‐4. Die Zelle – Grundbaustein des Lebens Genetische Programm und seine Realisation www.kardiotechnik.org 16