Inhaltsverzeichnis

Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin,
Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff,
Keith Roberts, Peter Walter
Lehrbuch der
Molekularen Zellbiologie
3. Auflage
Übersetzung herausgegeben von
Lutz Nover und Pascal von Koskull-Döring
Übersetzt von
Martina Bronold, Bärbel Hacker, Petra Jacoby,
Roswitha Kraft und Eva-Maria Miller
WILEYVCH
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
Inhalt
1
1.5
Einführung in die Zelle 1
1.1
Gleichheit und Vielfalt von Zellen
1.1.1
Zellen variieren enorm in ihrem Aussehen und ihren
Funktionen 2
Die grundlegende Chemie ist bei allen lebenden
Zellen sehr ähnlich 3
Alle heutigen Zellen stammen von derselben
Urzelle ab 5
Gene liefern die Anweisungen für die Gestalt,
die Funktion und da's" komplexe Verhalten von
Zellen 5
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1
1.2
Zellen unter dem Mikroskop
1.2.1
Die Erfindung des Lichtmikroskops führte zur
Entdeckung von Zellen 7
Zellen, Organellen und sogar Moleküle können im
Mikroskop betrachtet werden 10
1.2.2
Die Prokaryotenzelle
1.3.1
1.3.2
Prokaryoten sind die vielseitigsten Organismen 15
Die Prokaryoten gliedern sich in zwei Domänen:
Eubakterien und Archaea 16
12
1.4
Die Eukaryotenzelle
1.4.1
Der Zellkern ist der Informationsspeicher der
Zelle 17
Mitochondrien erzeugen aus Nahrung nutzbare
Energie für die Zelle 18
Chloroplasten fangen Energie aus Sonnenlicht
ein 19
Innere Membranen schaffen intrazelluläre Kompartimente mit unterschiedlichen Funktionen 20
Das Cytosol ist ein konzentriertes wässriges Gel aus
großen und kleinen Molekülen 23
Das Cytoskelett ermöglicht gerichtete Bewegungen
der Zelle 23
Das Cytoplasma ist keineswegs statisch 25
Eukaryotenzellen könnten als Räuber entstanden
sein 25
Zusammenfassung
Fragen
1.4.3
1.4.4
1.4.5
1.4.6
1.4.7
1.4.8
37
39
2
Chemische Bestandteile der Zelle
2.1
Chemische Bindungen
2.1.1
Zellen sind aus relativ wenigen Atomsorten
aufgebaut 42
Die äußeren Elektronen bestimmen die Art der
atomaren Wechselwirkung 44
Ionenbindungen entstehen durch die Aufnahme oder
Abgabe von Elektronen 46
Kovalente Bindungen entstehen, indem sich Atome
Elektronen teilen 47
Kovalente Bindungen sind unterschiedlich stark 49
Es gibt verschiedene Arten kovalenter Bindungen 49
Wasser wird durch Wasserstoffbindungen
zusammengehalten 50
Einige polare Moleküle bilden in Wasser Säuren und
Basen 56
2.1.2
2.1.3
1.4.2
29
E. coli ist das bevorzugte Studienobjekt der
• Molekularbiologen 29
1.5.2
Sprosshefe ist eine einfache Eukaryotenzelle 29
1.5.3
Arabidopsis wurde aus 300.000 Arten als
Modellpflanze ausgewählt 30
1.5.4
Das Tierreich wird bei den Modellorganismen durch
eine Fliege, einen Wurm, eine Maus und den
- Menschen repräsentiert 30
1.5.5
Der Vergleich von Genomsequenzen deckt das
gemeinsame Erbe des Lebens auf 35
6
1.3
Modellorganismen
1.5.1
17
2.1.4
2.1.5
2.1.6
2.1.7
2.1.8
2.2
2.2.1
Die Moleküle in Zellen
41
41
57
Eine Zelle wird aus Kohlenstoffverbindungen
- gebildet 57
2.2.2
Zellen enthalten vier Grundtypen kleiner organischer
Moleküle 58
Inhalt
XXI
2.2.3
Zucker sind Energiequellen der Zellen und Bausteine
von Polysacchariden 59
3.2.2
ATP ist das am häufigsten verwendete aktivierte
Trägermolekül 113
2.2.4
Fettsäuren sind Bestandteile der Zellmembranen
3.2.3
2.2.5
Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine
Die im ATP gespeicherte Energie wird oft für die
Verknüpfung von Molekülen verwendet 115
2.2.6
Nucleotide sind die Bausteine von DNA und
RNA 67
3.2.4
NADH und NADPH sind wichtige Elektronens
überträger '116
2.3
Makromoleküle in Zellen
3.2.5
Es gibt viele andere aktivierte Trägermoleküle in
Zellen • 117
2.3.1
Makromoleküle beinhalten eine spezifische
Anordnung von Untereinheiten 76
3.2.6
Diev Synthese von biologischen Polymeren benötigt
eine Enefgiezufuhr 119
2.3.2
Nichtkovalente Bindungen bestimmen die exakte
Gestalt eines Makromoleküls 77
2.3.3
73
62
66
,
Zusammenfassung 122
Fragen 124
Nichtkovalente Bindungen ermöglichen es einem
Makromolekül, andere ausgewählte Moleküle zu
binden 80
t
4
Proteine - Struktur und Funktion
Zusammenfassung 81
4.1
Gestalt und Struktur von Proteinen 127
Fragen 83
4.1.1
Die Form eines Proteins wird durch seine
Aminosäuresequenz bestimmt 129
4.1.2
Proteine falten sich in die Konformation mit der
geringsten Energie 132
4.1.3
Proteine kommen in einer Vielzahl komplizierter
Formen vor 133
4.1.4
a-Helix und ß-Faltblatt sind häufige
Faltungsmuster fr141
4.1.5
Helices bilden sich leicht in biologischen'
Strukturen 141
4.1.6
ß-Faltblätter bilden starre Strukturen im Kern vieler
Proteine 143
3
Energie, Katalyse und Biosynthese
87
3.1
Katalyse und Nutzung der Energie durch die
Zellen 89
"
3.1.1
Biologische-Ofdnung wird durch die Freisetzung von
Wärme aus Zellen ermöglicht 89
3.1.2
Photosynthetisch aktive Organismen nutzen
Sonnenlicht zur Herstellung von organischen
Molekülen 92
3.1.3
Zellen gewinnen Energie aus der Oxidation
organischer Moleküle 93
3.1.4
Oxidation und Reduktion erfolgen durch die
Übertragung von Elektronen 95
3.1.5
Enzyme erniedrigen die Aktivierungsenergie von
chemischen Reaktionen 96
127
4.1.7
Proteine haben mehrere Organisationsstufen
4.1.8
Nur wenige der vielen möglichen Polypeptidketten
sind brauchbar 145
144
4.1.9
Proteine können in Familien eingeteilt werden
146
3.1.6
Die Änderung der Freien Energie einer Reaktion
bestimmt, ob die Reaktion stattfindet 99
4.1.10
Große Proteinmoleküle bestehen häufig aus mehr als
einer Polypeptidkette 147
3.1.7
Die Konzentration der Reaktanden beeinfiusst die
Änderung der Freien Energie und die Richtung der
Reaktion. 99
4.1.11
Proteine können sich zu Filamenten, Schichten oder
Kugeln zusammenlagern 148
4.1.12
3.1.8
Die Gleichgewichtskonstante ist ein Maß für die
Stärke der molekularen Wechselwirkungen 104
Manche Arten von Proteinen haben eine lange
Faserform 150
4.1.13
Extrazelluläre Proteine werden häufig durch kovalente Quervernetzung stabilisiert 150
4.2
Wie Proteine arbeiten 152
4.2.1
Alle Proteine binden an andere Moleküle
4.2.2
Die Bindungsstellen von Antikörpern sind besonders
vielseitig 154
4.2.3
Enzyme sind wirkungsvolle und hochspezifische
Katalysatoren 155
3.1.9
In aufeinander folgenden Reaktionen sind die
AG0-Werte additiv 105
3.1.10
Enzyme finden ihre Substrate durch schnelle
Diffusion 106
3.1.11
Vmax und KM sind ein Maß für die Leistung eines
Enzyms 107
3.2
Aktivierte Trägermoleküle und Biosynthese 108
3.2.1
Die Bildung eines aktivierten Trägermoleküls ist an
eine energetisch günstige Reaktion gekoppelt 112
152
4.2.4
Lysozym illustriert, wie ein Protein arbeitet
4.2.5
Fest gebundene kleine Moleküle verleihen Proteinen
zusätzliche Funktionen 159
155
XXII
Inhalt
4.3
Wie Proteine kontrolliert werden
4.3.1
Die katalytische Aktivität von Enzymen wird häufig
durch andere Moleküle reguliert - 160. ..
Allosterische Enzyme haben zwei Bindungsstellen,die sich gegenseitig beeinflussen 161
Phosphorylierung kann durch Auslösung einer
Konformationsänderung die Proteinaktivität
kontrollieren 162
Auch GTP-bindende Proteine werden durch die
zyklische Aufnahme und Abgabe einer
Phosphatgruppe reguliert 164
Nudeotidhydrolyse .ermöglicht es Motorproteinen,
große Bewegungen in Zellen zu bewirken 165
Proteine bilden oft große Komplexe, die als
Proteinmaschinen wirken 167
>.
Untersuchungen der Struktur und Funktion von
Proteinen in großem Maßstab treiben Entdeckungen
voran 167
—
4.3.2
4.3.3
4.3.4
4.3.5
4.3.6
4.3.7
Zusammenfassung
Fragen
160
168
176
5
DNA und Chromosofnen
5.1
Struktur und Funktion von DNA
5.1.1
5.1.2
Ein DNA-Molekül besteht aus zwei komplementären
Nudeotidsträngen 181
Vererbung basiert auf der Struktur von DNA 186
5.2
Die Struktur eukaryotischer Chromosomen
5.2.1
Eukaryotische DNA ist zu Chromosomen
verpackt 188
Chromosomen enthalten lange Ketten von
Genen 189
Chromosomen liegen während der Lebensdauer einer
Zelle in verschiedenen Zuständen vor. 192
Interphasechromosomen sind innerhalb des
Zellkerns "organisiert 193
DNA in Chromosomen ist hoch kondensiert 194
Nudeosomen sind die Grundeinheiten der
Chromatinstruktur 195
Chromosomen haben mehrere Ebenen der
DNA-Packung 196
Interphasechromosomen enthalten kondensiertes
und lockeres Chromatin 198
Änderungen in der Nucleosomenstruktur
ermöglichen einen Zugang zur DNA 200
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
5.2.7
5.2.8
5.2.9
Zusammenfassung
Fragen/ 204
179
6
Replikation, Reparatur und Rekombination von
DNA 207
6.1
DNA-Replikation
6.1.1
6.1.2
Basenpaarung ermöglicht DNA-Replikation 208
Die DNA-Synthese beginnt am Replikationsursprung 209
Die Synthese.neuer DNA erfolgt an den
Replikationsgabeln 213
Replikationsgabeln sind asymmetrisch 214
Die DNA-Polymerase korrigiert sich selbst 215
Kurze RNA-Stücke dienen als Primer für die
DNA-Synthese 216
Die Proteine an der Replikationsgabel arbeiten in
Form einer Replikationsmaschine zusammen 218
Eine Telomerase repliziert die Enden eines
eukaryotischen Chromosoms 220
Die DNA-Replikation ist ziemlich gut erforscht 221
6.1.3
6.1.4
6.1.5
6.1.6
6.1.7
6.1.8
6.1.9
208
6.2
DNA-Reparatur
6.2.1
Mutationen können drastische Auswirkungen auf
einen Organismus haben 221
Ein DNA-Fehlpaarungs-Korrektursystem entfernt
Replikationsfehler, die der Replikationsmaschine
entgehen 222
DNA erleidet ständig Beschädigungen in der
Zelle 224
/•
Die Stabilität der Gene ist von der DNA-Reparatur
abhängig 226
Die große Genauigkeit, mit der DNA bewahrt wird,
bedeutet, dass eng verwandte,Arten Proteine mit sehr
ähnlichen Sequenzen haben 227
6.2.2
180
6.2.3
6.2.4
187
6.2.5
221
6.3
DNA-Rekombination
6.3.1
Homologe Rekombination resultiert in einem exakten
Austausch von genetischer Information 228
Homologe Rekombination ist auch zwischen
nichthomologen DNA-Sequenzen möglich 230
Mobile genetische Elemente codieren für die
Komponenten, die sie für die Transposition
benötigen 230
Ein Großteil des menschlichen Genoms setzt sich aus
zwei Familien von transponierbaren Elementen
zusammen 232
Viren sind mobile genetische Elemente, die eine Zelle
verlassen können 233
Retroviren drehen den normalen Fluss genetischer
Information um 234
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
6.3.6
227
202
Zusammenfassung
Fragen
239
236
Inhalt
7
Von der DNA zum Protein: Wie Zellen das
Genom lesen 243
7.1
Von der DNA zur RNA
7.1.1
Teile der DNA-Sequenz werden in RNA umgeschrieben 244
Die Transkription erzeugt RNA, die zu einem
DNA-Strang komplementär ist 246
In der Zelle/gibt es verschiedene'RNA-Arten 248
Signale in der DNA-Sequenz teilen der RNA-Polymerase mit, wo sie starten und aufhören soll 249
Eukaryotische RNAs werden im Zellkern gleichzeitig
transkribiert und prozessiert 251
Eukaryotische Gene werden von nicht codierenden
Sequenzen unterbrochen 252
*
Introns werdendurch RNA-Spleißen entfernt 253
Reife eukaryotische mRNAs werden selektiv aus dem
Zellkern exportiert 256
mRNA-Moleküle werden am Ende von derJZelle
wieder abgebaut 257
Die ersten-Zellen hatten vermutlich Introns in ihren
Genen 257
—
—•- *
7.1.2
7.1.3
7.1.4
7.1.5
7.1.6
7.1.7
7.1.8
7.1.9
7.1.10
7.2
244
Von.der'RNA zum Protein
Eine mRNA-Sequenz wird in Einheiten von drei
Nucleotiden entschlüsselt 259
7.2.2 tRNA-Moleküle verbinden Aminosäuren mit den
Codons der mRNA 260
7.2.3
Spezifische Enzyme koppeln tRNAs an die richtigen
Aminosäuren 263
7.2.4 Die Botschaft der RNA wird am Ribosom entschlüsselt 264
7.2.5 Das Ribosom ist ein Ribozym 267 '
7.2.6 Codons in der mRNA signalisieren, wo die
Proteinsynthese starten und enden soll 268
7.2.7 Proteine werden an Polyribosomen hergestellt 270
7.2.8 Inhibitoren der prokaryotischeri Proteinsynthese
werden als Antibiotika eingesetzt 271
7.2.9 Durch sorgfältig kontrollierten Proteinabbau kann die
Menge eines jeden Proteins in der Zelle reguliert
werden 271
7.2.10 Zwischen DNA und Protein liegen viele Schritte 273
7.3
RNA und der Ursprung des Lebens
7.3.1
7.3.2
Leben erfordert Autokatalyse 274
RNA kann sowohl Information speichern als auch
chemische Reaktionen katalysieren 275
RNA geht DNA in der Evolution zeitlich voraus^ 276
7.3.3
Zusammenfassung
Fragen
280
277
8
Kontrolle der Cenexpression
8.1
8.1.1
Ein Überblick über die Cenexpression 284
Die verschiedenen Zellarten eines vielzelligen
Organismus enthalten die gleiche DNA 284
Verschiedene Zellarten produzieren verschiedene
Proteine 284
Eine Zelle kann ihre Genexpression als Antwort auf
externe Signale ändern 286
Genexpression kann auf vielen Stufen auf dem Weg
von der DNA^ über die RNA zum Protein kontrolliert
werden 286
8.1.2
8.1.3
8.1.4
283
8.2
Wie Transkriptionsschalter funktionieren
8.2.1
Die Transkription wird von Proteinen kontrolliert,
die an Regulator-DNA-Sequenzen binden 287
Repressoren schalten Gene ab, Aktivatoren schalten
sie an 289
Ein Aktivator und ein Repressor kontrollieren das
lac-Operon 291
Der Beginn der eukaryotischen Transkription ist
ein komplexer Vorgang 292
Die eukaryotische RNA-Polymerase benötigt die
allgemeinen Transkriptionsfaktoren 293
Eukaryotische Genregulatorproteine kontrollieren
die Genexpression aus der Entfernung 294
Die Packung von Promotor-DNA in Nucleosomen
kann die Initiation der Transkription
beeinflussen 295
8.2.2
8.2.3
8.2.4
8.2.5
258
7.2.1
XXIII
8.2.6
8.2.7
287
8.3
Molekulare Mechanismen, die spezialisierte Zellarten
erzeugen 297 •*,
8.3.1
Eukaryotische Gene werden von mehreren Proteinen
reguliert 297
Die Expression verschiedener Gene kann von einem
einzigen Protein gesteuert werden 298
Durch kombinatorische Kontrolle können
verschiedene Zellarten entstehen 302
Stabile Genexpressionsmuster können an
Tochterzellen weitergegeben werden 304
Die Bildung eines ganzen Organs kann durch ein
einziges Genregulatorprotein ausgelöst werden 305
8.3.2
8.3.3
8.3.4
8.3.5
Zusammenfassung
274
Fragen
306
308
9
Wie sich Gene und Genome entwickeln
311
9.1
9.1.1
Die Erzeugung genetischer Variation 311
Fünf Haupttypen genetischer Änderungen tragen
zur Evolution bei 313
XXIV
9.1.2
9.1.3
9.1.4
9.1.5
9.1.6
9.1.7
9.1.8
9.1.9
9.2
9.2.1
9.2.2
9.2.3
9.2.4
9.2.5
9.2.6
Inhalt
Veränderungen im Genom werden durch Pannen bei
den normalen Mechanismen für ,das Kopieren und
Erhalten der DNA erzeugt 314
DNA-Verdopplungen erzeugen Familien von verwandten Genen innerhalb einer einzelnen Zelle 315
Wie die Evolution der Globingenfamilie zeigt,
tragen DNA-Verdopplungen zur Evolution von
Organismen bei 316 '
'
Genverdopplung und -divergenz sind eine entscheidende Quelle für genetische Neuheiten evolvierender
Organismen 318
Neue Gene können durch Wiederholung desselben
Exons geschaffen werden 318
Neue Gene können auch durch Mischen von Exons
entstehen 319
Die Evolution der Genome wurde durch die
Verschiebung von transponierbaren Elementen
beschleunigt 320
Gene können zwischen Organismen durch horizontalen Gentransfer ausgetauscht werden 321
10
Die Manipulation von Genen und Zellen 343
10.1
Die Isolierung von Zellen und ihre Aufzucht
in Kultur 345
10.1.1
Eine einheitliche Zellpopulation kann aus einem
Gewebe erhalten werden 345
Zellen können in'einer Kulturschale wachsen 346
Die Erhaltung eukäryotischer Zellen in Kultur stellt
spezielle Anfofderungen 347
Die Rekonstruktion des Stammbaums
des Lebens 322
__
10.3.1 Die DNA-Hybridisierung erleichtert die Diagnose
"~ von Erbkrankheiten 357
10.3.2 Durch Hybridisierung von DNA-Mikroarrays kann die
Expression Tausender Gene gleichzeitig untersucht
werden 358
10.3.3 Nucleinsäuresequenzen lassen sich durch in situHybridisierang in Zellen oder Chromosomen
-. lokalisieren 360
~
Genetische Änderungen, die einem Organismus
einen Selektionsvorteil bieten, werden am
wahrscheinlichsten erhalten 323
Die Genomsequenzen zweier Arten unterscheiden
sich im Verhältnis der Dauer ihrer getrennten
Entwicklung 323
Die Genome von Menschen und Schimpansen sind
sich in der Organisation und der detaillierten
Sequenz ähnlich 325
DNA-Sequenzen mit wichtigen Funktionen stellen
hoch konservierte Inseln in Genomen dar 326
Genomyergleiche legen nahe, dass „Junk"-DNA
entbehrlich ist 327
Die Sequenzkonservierung ermöglicht uns,(
sogar die evolutionär entfernteste Verwandtschaft
aufzuspüren 328
,
9.3
Die Untersuchung des menschlichen Genoms
9.3.1
Die Nucleotidsequenz des menschlichen Genoms
zeigt wie unsere Gene angeordnet sind 330
Die genetische Variation innerhalb des menschlichen
Genoms trägt zu unserer Individualität bei 334
Der Vergleich unserer DNA mit der von verwandten
Organismen hilft uns, das menschliche Genom zu
verstehen 335
Das menschliche Genom enthält reichlich Informa.-.
tionen, die noch entschlüsselt werden müssen 336
9.3.2
9.3.3
9.3.4
Zusammenfassung
Fragen
339
337
10.1.2
10.1.3
10.2
Wie DNA-Moleküle analysiert werden
10.2.1
Restriktionsendonucleasen schneiden DNA-Moleküle
an bestimmen Stellen 348
DNA-Fragmente von unterschiedlicher Größe können
mit Gelelektrophorese aufgetrennt werden 350
Die Nucleotidsequenz von DNA-Fragmenten kann
bestimmt werden 351
Genomsequenzen werden gesucht, um Gene zu
identifizieren 353
10.2.2
10.2.3
10.2.4
10.3
Nucleinsäurehybridisierung
348
356
10.4
DNA-Klonierüng
10.4.1
DNÄ-Ligase verbindet DNA-Fragmente zu einem
rekombinanten Molekül 362/
Rekombinante DNA kann in Bakterienzellen kopiert
werden 363
Mithilfe spezieller Plasmidvektoren wird die DNA
kloniert 363
Menschliche Gene werden durch DNA-Klonierung
isoliert 365
cDNA-Bibliotheken repräsentieren die mRNA,
die in einem bestimmten Gewebe produziert
wird 367
Die Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigt
ausgewählte DNA-Sequenzen 369
10.4.2
10.4.3
10.4.4
10.4.5
329
10.4.6
10.5
10.5.1
Gentechnik
361
373
Vollkommen neuartige DNA-Moleküle können
konstruiert werden 373
10.5.2 Mithilfe von klonierter DNA können große Mengen
- - von selten vorkommenden Proteinen produziert
werden 373
,
10.5.3 Manipulierte Gene können anzeigen, wann und wo
ein Gen exprimiert wird 375
Inhalt
10.5.4
Die Funktion eines Gens kann am besten an mutierten Organismen untersucht werden 376
10.5.5
Tiere können genetisch verändert werden
10.5.6
Transgene Pflanzen sind für die Zellbiologie und für
die Landwirtschaft wichtig 380
Zusammenfassung
Fragen
11
377
381
383
12.1.4
Gelöste Stoffe durchqueren die Membran durch
passiven oder aktiven Transport 416
12.2
Carrier-Proteine und ihre Funktionen
12.2.1
Konzentrationsgradienten und elektrische Kräfte
treiben den passiven Transport an 418
12.2.2
Der aktive Transport bewegt gelöste Stoffe gegen
ihren elektrochemischen Gradienten 419
12.2.3
Tierische Zellen benutzen die Energie der
ATP-Hydrolyse, um Na+ hinauszupumpen 420
12.2.4
Die Na+-K+-Pumpe wird durch die vorübergehende
Bindung einer Phosphatgruppe angetrieben 421
/
Membranstruktur
XXV
387
388
417
11.1
Die Lipiddoppelschicht
11.1.1
Membraniipide bilden in Wasser Doppelschichten
aus 388
-
12.2.5
Tierische Zellen benutzen den Na+-Gradienten,
u m aktiv Nährstoffe aufzunehmen 422
11.1.2
Die Lipiddoppelschicht ist eine zweidimehsionale
Flüssigkeit 392
12.2.6
Die Na+-K+-Pumpe hilft, das osmotische Gleichgewicht von tierischen Zellen aufrechtzuerhalten 424
11.1.3
Die Fluidität eines Bilayers hängt von seiner
Zusammensetzung ab 393
12.2.7
Ca 2+ -Pumpen sorgen für eine niedrige intrazelluläre
Ca 2+ -Konzentration 426
11.1.4
Die Lipiddoppelschicht ist asymmetrisch
12.2.8
11.1.5
Lipidasymmetrie wird innerhalb der Zelle
erzeugt 395
Pflanzen, Pilze und Bakterien setzen H + -Gradienten
ein, u m den Membrantransport anzutreiben 426
12.3
lonenkanäle und das Membranpotenzial
12.3.1
Ionenkanäle werden reguliert und sind ionenselektiv 428
395
11.2
Membranproteine
11.2.1
Membranproteine sind mit der Lipiddoppelschicht
auf verschiedene Weise verbunden 397
12.3.2
Eine Polypeptidkette durchquert die Lipiddoppelschicht gewöhnlich in Form einer a-Helix 398
Ionenkanäle pendeln zufällig zwischen offenem und
geschlossenem Zustand 430
12.3.3
Membranproteine lassen sich mit Detergenzien in
Lösung bringen und reinigen 399
Verschiedene Stimulusarten beeinflussen das Öffnen
und Schließen der Ionenkanäle 432
12.3.4
11.2.4
Die vollständige Struktur ist bei wenigen
Membranproteinen aufgeklärt 400
Spannungsregulierte Ionenkanäle reagieren auf das
Membranpotenzial 432
12.3.5
11.2.5
Die Plasmamembran wird durch den Zellcortex
verstärkt 402
Das Membranpotenzial wird durch die Membranpermeabilität für bestimmte Ionen gesteuert 434
12.4
lonenkanäle und Signalübertragung
in Nervenzellen 436
12.4.1
Aktionspotenziale sorgen für schnelle Kommunikation über weite Entfernungen 437
12.4.2
Aktionspotenziale werden in der Regel durch
spannungsregulierte Na+-Kanäle erzeugt 437
12.4.3
Spannungsregulierte Ca2+-Kanäle wandeln an den
Nervenendigungen elektrische Signale in chemische
Signale u m 439
12.4.4
In den Zielzellen wandeln transmitterregulierte
Kanäle chemische Signale wieder in elektrische
Signale u m 443
12.4.5
Neuronen erhalten sowohl erregende wie auch
hemmende Impulse 444
Transmitterregulierte Ionenkanäle sind das Hauptziel
von Psychopharmaka 446
11.2.2
11.2.3
396.
428
11.2.6
Die Zelloberfläche ist mit Kohlenhydraten
überzogen 403
11.2.7
Zellen können die Bewegung von Membranproteinen
einschränken 405
>
Zusammenfassung
408
y
,
Fragen 410
12
Membrantransport
413
12.1
Grundsätze des Membrantransports
12.1.1
Die Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb
einer Zelle unterscheiden sich erheblich
voneinander 414
12.1.2
Lipiddoppelschichten sind für gelöste Stoffe und
Ionen undurchlässig 415
. . Ä
1,2.4.6
12.1.3
Es gibt zwei Klassen von Membrantransportproteinen: Carrier und Kanäle 415
12.4.7
413
Synaptische Verknüpfungen ermöglichen das
' Denken, Handeln und Erinnern 446
XXVI
Inhalt
Zusammenfassung
14.2.5
448
Fragen 449
13
Wie Zellen Energie aus Nahrung
gewinnen 453
13.1
Der Abbau von Zuckern und Fetten
13.1.1
13.1.2
13.1.3
13.1.4
13.1.5
13.1.6
13.1.7
14.2.6
14.2.7
454
14.2.8
/
Nahrungsmoleküle werden in drei Stufen
abgebaut 454
/
Die Glykolyse ist ein/zentraler ATP erzeugender
Stoffwechselweg 456
Bei der Gärung entsteht ATP in Abwesenheit von
Sauerstoff 460 ',
Die Glykolyse zeigt, wie Enzyme Oxidation
und Energiespeicherung koppeln 461
Sowohl Zucker als auch Fette werden in den
Mitochondrien zu Acetyl-CoA abgebaut 464
Der Zitronensäurezyklus erzeugt.NADH durch die
Oxidation von Acetylgruppen zu CO2 466
In den meisten Zellen treibt der Elektronentransport
die Synthese des Hauptteils von ATP an 470
13.2
Speicherung und Verwertung von Nahrung
13.2.1
Organismen lagern Nahrungsmoleküle in
besonderen Speichern 471
Chloroplasten und Mitochondrien arbeiten in
Pflanzenzellen zusammen 473
Viele Biosynthesewege beginnen mit der Glykolyse
oder dem Zitronensäurezyklus 473
Der Stoffwechsel ist organisiert und reguliert 474
13.2.2
13.2.3
13.2.4
Zusammenfassung
Fragen
470
14.2.9
14.3
Protonen lassen sich leicht durch die Übertragung
von Elektronen bewegen 497
14.3.2" Das Redoxpotenzial ist ein Maß für Elektronenaffinitäten 498
14.3.3 Die Übertragung von Elektronen setzt große
Energiemengen frei 498
14.3.4 Metallatome, die fest an Proteine gebunden sind,
sind vielseitige Elektronen-Carrier 500
14.3.5 Die Cytochrom-Oxidase katalysiert die Reduktion von
Sauerstoff 502
14.3.6 Der Mechanismus des Pumpens von H+ wird bald auf
atomarer Ebene verstanden sein 504
14.3.7 Die Zellatmung hat einen erstaunlich hohen
Wirkungsgrad 505
14.4
Chloroplasten und Photosynthese
14.4.1
Chloroplasten ähneln Mitochondrien, haben aber ein
zusätzliches Kompartiment 507
Chloroplasten fangen Energie aus Sonnenlicht ein
und nutzen sie zur Fixierung von Kohlenstoff 509
Angeregte Chlorophyllmoleküle leiten die Energie in
ein Reaktionszentrum 509
Lichtenergie treibt die Synthese von ATP und
NADPH an 511
Ribulosebisphosphat-Carboxylase katalysiert die
Fixierung von Kohlenstoff 513
Die Fixierung von Kohlenstoff in den Chloroplasten
erzeugt Saccharose und Stärke -515
14.4.2
14.4.3
14
Energieumwandlung in Mitochondrien und
Chloroplasten 481
14.1
Zellen gewinnen den größten Teil ihrer Energie
mithilfe eines membranabhängigen Mechanismus
des Elektronentransports 482
14.4.5
14.2
Mitochondrien und oxidative Phosphorylierung
14.4.6
14.2.1
Ein Mitochondrium enthält eine äußere Membran,
eine innere Membran und zwei interne Kompartimente 484
Im Zitronensäurezyklus werden energiereiche Elektronen gebildet und an Intermediate gebunden 486
Ein chemiosmotischer Prozess wandelt Oxidationsenergie in ATP um 487
Elektronen werden entlang einer Kette aus Proteinen
in der inneren Mitochondrienmembran übertragen 4'90
14.2.2
14.2.3
14.2.4
483
Elektronentransportketten und das Pumpen von
Protonen 496
14.3.1
478
479
Der Elektronentransport erzeugt einen Protonengradienten über der Membran 491
Der Protonengradient treibt die ATP-Synthese 492
Der elektrochemische Protonengradient treibt den
aktiven Transport über die innere Mitochondrienmembran an 494
Protonengradienten produzieren den Großteil an ATP
in der Zelle_ 495 v
Die schnelle Umwandlung von ADP in ATP in den
Mitochondrien hält in den Zellen ein hohes
ATP:ADP-Verhältnis aufrecht 496
14.4.4
506
14.5
Die Anfange von Chloroplasten
und Mitochondrien 515
14.5.1
Die oxidative Phosphorylierung verlieh frühzeitlichen
Bakterien einen evolutionären Vorteil 516
Photosynthese betreibende Bakterien hatten sogar
noch geringere Ansprüche an ihre Umwelt 517
Die Lebensweise von Methanococcus legt nahe, dass
die chemiosmotische Kopplung ein sehr alter Prozess
ist 519
14.5.2
14.5.3
Inhalt
Zusammenfassung
521
XXVII
15.5.1
Spezialisierte Phagocyten nehmen große Partikel
auf 555
15.5.2
Intrazelluläre Kompartimente und _
Transport 527
Flüssigkeit und Makromoleküle werden durch
Pinocytose aufgenommen 556
15.5.3
Die rezeptorvermittelte Endocytose verschafft einen
spezifischen Zugang zu tierischen Zellen 557
15.1
Membranumschlossene Organellen 528
15.5.4
15.1.1
Alle eukaryotischen Zellen besitzen eine Basisausrüstung von membranumschlossenen
Organellen 528
Über Endocytose aufgenommene Makromoleküle
werden in den Endosomen sortiert 558
15.5.5
Zelluläre Verdauungsvorgänge finden hauptsächlich
in den Lysosomen statt 559
Fragen 523
15
15.1.2
Membranumschlossene Organellen sind auf verschiedenen Evolutionswegen entstanden 530
15.2
Proteine müssen sortiert werden 532
15.2.1
Proteine werden über drei verschiedene Mechanismen in die Organellen transportiert 533
15.2.2
Zusammenfassung
560
Fragen 562
16
Zellkommunikation: Zellen verständigen sich
untereinander 565
Signalsequenzen lenken Proteine zum richtigen
Kompartiment 534
16.1
Proteine dringen durch Kernporen in den Zellkern
ein 535
Allgemeine Grundlagen der zellulären
Signalübertragung 566
16.1.1
Proteine gelangen im ungefalteten Zustand in
Mitochondrien und Chloroplasten 537
Signale können über lange oder kurze Entfernungen
wirken 566
16.1.2
15.2.5
Bereits während,ihrer Synthese gelangen Proteine ins
Endoplasmatische Reticulum 538
Jede Zelle antwortet auf ein beschränktes Signalsortiment 569
16.1.3
15.2.6
Lösliche Proteine werden ins ER-Lumen
abgegeben 540
Rezeptoren übermitteln Signale auf intrazellulären
Signalwegen 571
16.1.4
Stickstoffmonoxid durchquert die Plasmamembran
und aktiviert direkt intrazelluläre Enzyme 573
16.1.5
Manche Hormone passieren die Plasmamembran
und binden an intrazelluläre Rezeptoren 574
16.1.6
Zelloberflächen-Rezeptoren lassen sich in drei
Hauptklassen einteilen 575
16.1.7
Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren verwandeln
chemische Signale in elektrische 577
16.1.8
Viele intrazelluläre Signalübertragungsproteine
fungieren als molekulare Schalter 578
15.2.3
15.2.4
15.2.7
Start- und Stopp-Signale bestimmen die Anordnung
eines Transmembranproteins in der
Lipiddoppelschicht 541
15.3
Vesikulärer Transport 542
15.3.1
Transportvesikel befördern lösliche Proteine und
Membransegmente zwischen den
Kompartimenten 543
15.3.2
Die Vesikelknospung wird durch.Kräfte angetrieben,
die bei der Zusammenlagerung der Proteinhülle
entstehen 544
16.2
G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 579
15.3.3
Die Spezifität des Andockens von Vesikeln ist von
Proteinen abhängig, die SNAREs genannt
werden 546
16.2.1
Die Stimulierung G-Protein-gekoppelter Rezeptoren
aktiviert G-Proteinuntereinheiten 579
16.2.2
Einige G-Proteine regulieren Ionenkanäle
15.4
Sekretorische Transportwege: Exocytose 547
16.2.3
15.4.1
Die meisten Proteine werden im ER kovalent
modifiziert 548
Einige G-Proteine aktivieren membrangebundene
Enzyme 583
_. _
16.2.4
15.4.2
Beim Verlassen des ER findet eine Qualitätskontrolle
für Proteine statt 549
Cyclisches AMP, kann Enzyme aktivieren und Gene
anschalten 584
16.2.5
;
Der Inositolphospholipid-Weg löst den Anstieg von
intrazellulärem Ca2+ aus 586
16.2.6
'
Ein Ca2+-Signal löst viele biologische Vorgänge aus
588
16.2.7
Intrazelluläre Signalkaskaden können eine erstaunliche Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und
Anpassungsfähigkeit erreichen: Ein Blick auf die
Photorezeptoren im Auge 589
15.4.3
15.4.4
15.5
Im Golgi-Apparat werden Proteine weiter verändert
und sortiert 550
Sekretorische Enzyme werden von der Zelle durch
Exocytose nach außen abgegeben 551
~" Die Endocytose 555
582
XXVIII
16.3
Inhalt
Signalübertragung durch enzymgekoppelte
Rezeptoren 591
16.3.1 Aktivierte Rezeptor-Tyrosin-Kinasen versammeln
um sich einen Komplex aus intrazellulären
Signalproteinen 591
16.3.2 Rezeptor-Tyrosin-Kinasen aktivieren das
GTP-bindende Protein Ras 593
16.3.3 Einige enzymgekoppelte Rezeptoren aktivieren einen
schnellen Pfad zum Zellkern 598
16.3.4 Zur Steuerung komplexen Zellverhaltens fassen
Netzwerke aus Proteinkinasen die Informationen
zusammen 599 /
16.3.5
Vielzelligkeit und Zellkommunikation haben sich in
Pflanzen und Tieren unabhängig voneinander entwickelt 601
'
17.3.4
17.3.5
17.3.6
17.3.7
17.4
Die Muskelkontraktion ^636
17.4.1
Die Muskelkontraktion beruht auf Actin- und
Myosinbündeln 637
Bei der Muskelkontraktion gleiten Actin- und
Myosinfilamente aneinander vorbei 638
Die Muskelkontraktion wird durch einen plötzlichen
Anstieg der Ca2+-Konzentration ausgelöst 640
Muskelzellen verrichten hoch spezialisierte Aufgaben
im Körper 642
17.4.2
17.4.3
Zusammenfassung
Fragen
17
602
17.4.4
604
Das Cytpskelett
607
17.1
Intermediärfilamente
17.1.1
Intermediärfilamente smcTwiderstandsfählg und
seilartig 610 __- - ""
Intermediärfilamente machen die Zellen gegenüber
mechanischer Beanspruchung widerstandsfähig 611
Die Kernhülle wird durch ein Geflecht von
Intermediärfilamenten unterstützt 613
17.1.2
17.1.3
Mikrotubuli
17.2.1
Mikrotubuli sind Hohlröhren mit unterschiedlich
aufgebauten Enden 614
In tierischen Zellen ist das Centrosom das wichtigste
Organisationszentrum der Mikrotubuli 615
Wachsend?"Mikrotubuli zeigen eine dynamische
Instabilität 616
Mikrotubuli erhalten sich durch ein Gleichgewicht
zwischen Aufbau und Abbau 617
(
Mikrorubuli organisieren das Zellinnere . 618,
Motorproteine treiben den intrazellulären Transport
an 619
Organellen wandern an Mikrotubuli entlang 624
Cilien und Flagellen enthalten stabile Mikrotubuli,
die mithilfe von Dynein verschoben werden 625
17.2.2
17.2.3
17.2.4
17.2.5
17.2.6
17.2.7
17.2.8
.17.3
17.3.1
17.3.2
17.3.3
613
Actinfilamente
Zusammenfassung
609
17.2
628
Actinfilamente sind dünn und beweglich 628
Actin und Tubulin polymerisieren nach ähnlichen ""
Mechanismen 628
Viele Proteine binden an Actin und verändern seine
Eigenschaften 630
In den meisten eukaryotischen Zellen befindet sich
unterhalb der Plasmamembran eine actinreiche
Schicht (Zellcortex) 631
Die Kriechbewegung einer Zelle ist .actinabhängig 631
Actin bindet an Myosin, um kontraktile Strukturen zu
bilden 634
Extrazelluläre Signale steuern die Anordnung
der Actinfilamente 635
- Fragen
643
645
18
Zellzykluskontrolle und programmierter
Zelltod 649
18.1
18.1.1
Überblick über den Zellzyklus 650
Der eukaryotische Zellzyklus lässt sich in vier Phasen
unterteilen 651
Ein zentrales Kontrollsystem löst die meisten
Vorgänge des Zellzyklus aus 652
18.1.2
18.2
Das Zellzyklus-Kontrollsystem' 654
18.2.1
Zyklisch aktivierte Proteinkinasen bilden die Grundlage des Zellzyklus-Kontrollsystems 654
Cyclinabhängige Proteinkinasen werden durch die
Anhäufung und den Abbau von Cyclinen
reguliert 655
Die Aktivität der cyclinabhängigen Kinasen (Cdks)
wird ebenso durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung reguliert 658
18.2.2
18.2.3
18.2.4
18.2.5
18.2.6
.1&2.7
18.2.8
Verschiedene Cyclin-Cdk-Komplexe lösen
unterschiedliche Schritte im Zellzyklus aus 659
S-Cyclin-Cdk-Komplexe (S-Cdks) leiten die
DNA-Replikation ein und blockieren eine erneute
Replikation . 660
Cyclinabhängige Kinasen (Cdks) sind fast während
der gesamten G r Phase inaktiv 661
Das Zellzyklus-Kontrollsystem kann den Zyklus an
bestimmten Kontrollpunkten anhalten 661
Zellen können ihr Kontrollsystem zerstören und sich
dem Zellzyklus entziehen 663
Inhalt
18.3
Der programmierte Zelltod (Apoptose)
664
XXIX
19.3
Die Cytokinese 693
Die Mitosespindel bestimmt die Teilungsebene bei
der Spaltung des Cytoplasmas 693
18.3.1
Apoptose wird durch eine intrazelluläre Proteolysekaskade vermittelt 665
19.3.1
18.3.2
Die intrazellulären Proteine der Bcl-Familie regulieren das Todesprogramm 667
19.3.2
Der kontraktile Ring tierischer Zellen besteht aus
Actin und Myosin . 694
18.4
Extrazelluläre Kontrolle von Zellzahl und
Zellgröße 668
19.3.3
In Pflanzenzellen wird bei der Cytokinese eine neue
Zellwand gebildet 695
18.4.1
Tierische Zellen benötigen extrazelluläre Signale zur
Teilung, zum Wachstum und zum Überleben 668
19.3.4
Gameten werden durch eine spezielle Art der Zellteilung gebildet 696
18.4.2
Mitogene regen die Zellteilung an
18.4.3
Extrazelluläre Wachstumsfaktoren regen das
Zellwachstum an 671
18.4.4
Tierische Zellen benötigen Überlebensfaktoren, um
den programmierten Zelltod zu verhindern 671
20
Genetik, Meiose und die molekularen
Grundlagen der Vererbung 701
18.4.5
Einige extrazelluläre Signalproteine hemmen das
Wachstum, die Teilung und das Überleben von
Zellen 672
20.1
Die Vorteile der Sexualität 702
20.1.1
Die sexuelle Fortpflanzung beinhaltet sowohl diploide
als auch haploide Zellen 702
20.1.2
Die sexuelle Fortpflanzung verschafft Organismen
einen Wettbewerbsvorteil 705
20.2
Die Meiose 706
20.2.1
Haploide Keimzellen entstehen während der Meiose
aus diploiden Zellen 706
20.2.2
Die Meiose beinhaltet eine besondere Art
der Chromosomenpaarung 707
20.2.3
Zwischen den mütterlichen und den väterlichen
Chromosomen finden ausgiebige Rekombinationsvorgänge statt 709
20.2.4
Die Chromosomenpaarung und die Rekombination
stellen eine ordnungsgemäße Verteilung der
Homologe sicher ' 709
20.2.5
Die zweite meiotische Teilung erzeugt haploide
Tochterzellen 710
20.2.6
Die haploiden Zellen enthalten umfangreich neu
sortierte genetische Informationen 712
20.2.7
Die Meiose ist nicht fehlerfrei
20.2.8
Die Befruchtung stellt wieder ein vollständiges
Genom her 714
Zusammenfassung 697
669
Zusammenfassung 673
Fragen 699
Fragen 675
19
Die Zellteilung^.
677
19.1
Ein Überblick über die M-Phase 678
19.1.1
Zur Vorbereitung auf die M-Phase formen DNA
bindende Proteine die replizierten Chromosomen für
die Trennung 679
19.1.2
Das Cytoskelett spielt eine zentrale Rolle sowohl bei
der Mitose als auch bei der Cytokinese aus 680
19.1.3
Die Centrosomen verdoppeln sich, um die beiden
Pole der Mitosespindel zu bilden 680
19.1.4
Vereinbarungsgemäß unterteilt man die M-Phase in
sechs Schritte 681
19.2
Die Mitose 681
19.2.1
Die Instabilität der Mikrotubuli erleichtert die
Bildung der Mitosespindel 684
19.2.2
Die Mitosespindel beginnt mit dem Aufbau in der
Prophase 684
19.2.3
In der Prometaphase heften sich die Chromosomen
an die Mitosespindel 685
20.3
Mendel und die Vererbungsregeln 715
19.2.4
In der Metaphase ordnen sich die Chromosomen am
Äquator der Spindel an 689
20.3.1
Mendel wählte für seine Untersuchungen Merkmale,
die auf bestimmte Weise vererbt werden 715
19.2.5
In der Anaphase trennen sich die Tochterchromosomen 690
20.3.2
,
Mendel konnte die alternativen Vererbungstheorien
widerlegen 716
19.2.6
In der Telophase wird die Kernhülle wiederhergestellt 692
20.3.3
19.2.7
Einige Organellen zerfallen während der Mitose in
Einzelstücke 693
Mendels Experimente waren die ersten, welche den
bestimmten Charakter der Vererbung enträtselten 717
20.3.4
Jeder Gamet trägt für jedes Merkmal ein einziges
A M 718
713