AMB Blum Leitbegriffe - ZUSAMMENFASSUNG -

AMB Blum Leitbegriffe
- ZUSAMMENFASSUNG Zelltheorie:
Robert Hooke beschrieb und benannte als Erster im Jahre 1665 Zellen, als er eine Scheibe
Kork (Eichenrinde) unter einem Mikroskop betrachtete. Anton van Leeuwenhoek entdeckte
Einzeller, Blutzellen und Spermazellen. 1839 wurden die Zellen endlich von Matthias
Schleiden und Theodor Schwann als die generellen Grundbausteine des Lebens erkannt.
Ihre Idee: alle Lebewesen bestehen aus Zellen à Zelltheorie: Zellen stammen immer von
anderen Zellen ab. Die Fähigkeit, sich zu teilen und so neue Zellen hervorzubringen, bildet
die Grundlage für jede Art von Fortpflanzung sowie für das Wachstum und die Regeneration
vielzelliger Organismen einschl. des Menschen.
Pro- u. Eukaryoten:
Aufgrund ihrer strukturellen Vielfalt unterscheidet man prokaryotische und eukaryotische
Zellen.
Archae- u. Eubakterien sind prokaryotisch, die Zellen aller anderen Lebensformen sind
eukaryotisch. Eukaryoten sind viel komplexer und besitzen Organellen. Außerdem ist ihre
DNA in Chromosomen organisiert, die sich im Zellkern befinden. Außerdem besitzen
Eukaryoten ein Cytoskelett. Größe von einer Eukaryotenzelle: ca. 10-100 Mikrometer
In den viel einfacheren Prokaryoten befindet sich die DNA nicht in einem Zellkern. Auch
fehlen Prokaryoten cytoplasmatische Organellen. Fast alle Prokaryoten besitzen feste äußere
Zellwände. Allerdings fehlt ihnen ein stabilisierendes Cytoskelett. Größe einer
prokaryotischen Zelle: ca. 1-10 Mikrometer.
Organellen:
5 Nukelus: Zellkern mit Doppelmembran (innen: ER, außen: kann Ribosomen tragen),
Chromosomen (auch m-RNA und t-RNA), Proteine und Kernporen
6 Neukleolus: Kernkörperchen beinhalten r-RNA, hochrepetitiven DNA-Abschnitt und
ribosonalen Proteinen
7 Ribosomen: bauen Proteinmoleküle in einer Zelle, bestehen aus einer großen und
einer kleinen Untereinheit (nur während der Translation verbunden), werden im
Nukeolus produziert
8 Mitochondrien: Energiekraftwerke der Zelle, eigene DNA, Doppelmembran, ATPKreislauf (Synthese)
1. Röhrenförmige Mitochondrien (Tubulli-Typ)
2. Faltenförmige Mitochondrien (Cristae-Typ)
3. Säckchenförmige Mitochondrien (Sacculi-Typ)
9 Vakuole: enthält den Zellsaft, ist von einer Biomembran umgeben (Tonoplast), ist für
den Innendruck (Turgor) der Zelle verantwortlich
10 Golgi-Apparat: stellt viele Zellprodukte fertig, sortiert sie und liefert sie an ihren
Bestimmungsort, besteht aus Stapeln getrennter Hohlräume, nimmt auf der cis-Seite
Proteine in Transportvesikeln auf und gibt sie auf der trans-Seite in Transportvesikeln
wieder ab (Transportsystem!!!)
11 Dictyosom: Transportvesikel, die von der trans-Seite des Golgi-Apparats
abgeschnitten werden
12 Plastide: Doppelmembran, haben eigenes Genom, können sich in verschiedene
Richtungen entwickeln, aus einer Form können die anderen sich entwickeln und
umgekehrt (Bsp. Aus Leukoplast wird Chromoplast, wird Chloroplast und wieder
Leukoplast)
1. Leukoplasten: kein Pigment, keine Thylakoide, aus ungeordneten Bläschen und
Röhrchen
a) Amyloplast: Stärkeproduktion und -speicherung
b) Protienoplast: Speicherung von Eiweiß
c) Elaioplast: Fettspeicherung
2. Chromoplasten: keine Thylakoide, sind durch die Einlagerung von Farbstoffen für
die Färbung der Pflanzenteile verantwortlich,
3. Chloroplasten: für Photosynthese zuständig, Thylakoide
13 Endoplasmatisches Reticulum (ER): netzartiges, flaches System von Membranen,
1
das viele Kanäle und Hohlräume miteinander verbinden, Verbindung zur
Kernmembran
stellt Membran her und erfüllt andere biosynthetische Funktionen
1. raues (mit Ribosomen): dort findet Proteinsynthese statt
2. glattes (ohne Ribosomen): Membranvorrat der Zelle
14 Zellwand: Multi-Netzwerk-Gel aus Cellulose, 4 Schichten, schützt Pflanzenzelle, gibt
feste Form und verhindert übermäßige Wasseraufnahme
1. Mittellamelle: äußerste Schicht der Zelle, dünne Schicht Polysaccharide und
2+
2+
Pektinen → Ca , Mg ), hält Zellen zusammen (ist aber Trennschicht zwischen
Zelle a und Zelle b)
2. Primärwand: bietet jungen Zellen Schutz, setzt dem druck des Zellinhaltes einen
elastischen Widerstand entgegen, Erkennungs- und Rezeptorenfunktion
3. Sekundärwand: aus 3 Schichten aufgebaut (Fibrillen!), Tragende Grundgerüst
der Zelle, bildet sich nach Abschluss der Zellvergrößerung aus Cellulose, Schutz
und Stütze
4. Tertiärwand: deckt Zellwand nach innen ab, warzige Oberfläche (Pektine,
Hemicellulose)
15 Cytoskelett: dient als Stützstruktur und wirken an den Bewegungen der Zelle mit
16 Mikrotubulli: Fasertyp des Cytoskeletts, findet man im Cytoplasma, sind gerade hohle
Stäbchen, geben der Zelle Form und Stütze, dienen auch als Schiene für Organellen
(welche mit Motorproteinen ausgestattet sind)
17 Centriole: im Centrosom gibt es ein Paar von Centriolen, welche jeweils aus 9
ringförmig angeordneten Mikrotubulli-3er Gruppen bestehen
Cytoplasma: granulär erscheinende Grundsubstanz der Zelle, Ort der Glycolyse,
Synthese von kernkodierten Proteinen, Speicherlipiden, Nuleotiden, Saccharosen und
Sekundärstoffen.
Endosymbiontentheorie:
Sie besagt, dass die eukaryotische Zelle aus einem Verbund von prokaryotischen Zellen
entstanden sein könnte. Demnach hat ein größerer Prokaryont kleinere Prokaryonten
(Vorgänger der Mitochondrien bzw. Plastide) als Nahrung aufgenommen, diese waren
möglicherweise unverdaulich bzw. waren Endoparasiten. Es ist leicht vorstellbar, dass diese
(Endo-)Symbiose zunehmend nützlich für beide “Parteien” wurde. Mit der Zeit entwickelte
sich hieraus ein einziger Organismus, dessen ursprünglich selbstständigen Komponenten
nun untrennbar aufeinander angewiesen waren.
Indizien, die diese Theorie stützen:
1. - Die Größe von Mitochondrien bzw. Plastiden entspricht ziemlich genau der von (auch
heute vorkommenden) Bakterien.
2. - Die inneren Membranen von Mitochondrien/Plastiden besitzen Eigenschaften, die denen
der Membranen rezenter Prokaryoten ähneln.
3. - Mitochondrien/Plastide vermehren sich durch einfache Teilungsprozesse, die einer
einfachen Zweiteilung von Bakterien ähneln. Wie Prokaryoten auch, enthalten Mitochondrien
und Plastide eigene DNA, welche ringförmig vorliegt.
Lichtmikroskop, Elektronenmikroskope, Fluoreszenz:
Bei den ersten Mikroskopen (17. Jahrhundert) handelte es sich um Lichtmikroskope, die auch
heute noch nach demselben Prinzip funktionieren: Sichtbares Licht fällt durch das Objekt und
dann durch Linsen aus Glas, die es so beugen, dass es vergrößert ins Auge gelangt.
Elektronenmikroskope (EM) arbeiten nach einem anderen Prinzip. Bei ihnen fällt kein Licht
durch die Probe, sondern ein Elektronenstrahl. Dabei werden zwei Typen unterschieden:
1. - Transmissionselektronenmikroskop (TEM): Schickt einen Elektronenstrahl durch einen
Dünnschnitt des Objekts, welcher durch Elektromagneten gebeugt wird und dann auf einen
Schirm fällt. Auf diesem kann das Bild betrachtet, fotografiert oder digital gespeichert werden.
Zur Verstärkung des Bildkontrastes färbt man sehr dünne Schnitte der fixierten Zellen mit
Schwermetallionen, die sich an best. Stellen der Zellen anheften.
2. - Rasterelektronenmikroskop (REM): Eignet sich besonders zur genauen Untersuchung der
Oberfläche von Objekten. Ein Elektronenstrahl tastet die Oberfläche ab, welche meist mit
einem dünnen Goldfilm bedampft wird. Dabei regt er Elektronen der Beschichtung an und
diese sekundären Elektronen werden aufgefangen und auf einen Sichtschirm geleitet, wo sie
die Oberflächenstruktur des Objekts abbilden. REM’
s haben eine große Schärfentiefe, welche
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ein räumliches Bild möglich macht.
Schwächen des EM’
s: Zellen werden abgetötet; u. U. werden “Artefakte” erzeugt
(künstliche Strukturen, die in der lebenden Zelle nicht vorhanden sind)
Fluoreszenz: Zeigt die Lage bestimmter Moleküle in der Zelle. Fluoreszierende Stoffe
absorbieren kurzwellige UV-Strahlung und geben langwelliges, sichtbares Licht ab. Eine
Markierung der gesuchten Moleküle mit Fluoreszenzfarbstoffen ist hierfür notwendig.
Auflösungsvermögen und Vergrößerung:
Das Auflösungsvermögen ist ein Maß für die Deutlichkeit der Abbildung und gibt den
Mindestabstand zweier Punkte an, die gerade noch als getrennte Punkte wiedergegeben
werden. Die Auflösungsgrenze liegt im Normalfall bei Objekten von 0,2 Mikrometer Größe
(bspw. Kleines Bakterium), was sich aus der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes ergibt, mit
dem man das Objekt beleuchtet. Wirksam kann mit dem Lichtmikroskop bis zum 1000-fachen
der tatsächlichen Objektgröße vergrößert werden; höhere Vergrößerungen führen zu
zunehmender Unschärfe.
Amphipatisch:
Phospholipide, welche die Zellmembranen bilden, sind amphipatische Moleküle, was
bedeutet, dass sie sowohl eine hydrophile als auch eine hydrophobe Region besitzen. Der
hydrophobe Teil zeigt stets nach “innen”, der hydrophile nach “außen”.
Cholesterin:
Lipidmolekül mit einer charakteristischen Vierring-Steroidstruktur. Diese kurzen und starren
Moleküle sind in besonders großer Menge in der Plasmamembran vorhanden, wo sie die
Zwischenräume zw. B benachbarten Phospholipidmolekülen ausfüllen, die durch die Knicke
in ihren ungesättigten Kohlenwasserstoffschwänzen entstehen à Auf diese Weise versteift
und festigt Cholesterin die Doppelschicht und macht sie undurchlässiger.
Lipide (Doppelmembran):
Phospholipide sind den Fetten strukturell verwandt, besitzen aber nur zwei statt drei
Fettsäuren. Ihre dritte Hydroxygruppe des Glycerins ist mit einer Phosphatgruppe verbunden.
Sie zeigen ein dem Wasser gegenüber ambivalentes Verhalten. Ihre Schwänze, die aus
Kohlenwasserstoffen bestehen, sind hydrophob und werden vom Wasser ausgeschlossen.
Die Phosphatgruppe mit den daran geknüpften Gruppen dagegen bildet einen hydrophilen
Kopf, der Affinität zum Wasser besitzt.
Auf der Oberfläche einer Zelle bilden Phospholipide eine Doppelschicht (“Bilayer”), wobei die
hydrophilen Köpfe der Moleküle zur Außenseite der Doppelschicht weisen und mit der
wässrigen Lösung innerhalb und außerhalb der Zelle in Kontakt stehen.
Die hydrophoben Schwänze weisen hingegen vom Wasser weg,, zum Inneren der Membran
hin.
Membranproteine:
Biomembranen sind ein “Mosaik” aus verschiedenen Bestandteilen, die in die
Phospholipiddoppelschicht eingelagert sind. Viele davon sind Membranproteine, welche für
die meisten spezifischen Funktionen der Membran verantwortlich sind. Dabei gibt es zwei
Hauptgruppen von Membranproteinen:
1. - Integrale Membranproteine stecken so tief in der Membran, dass ihre hydrophoben
Regionen von den Fettsäureketten der Lipide umgeben sind.
2. - Periphere Membranproteine sind überhaupt nicht in die Membran eingelagert, sondern
lediglich mit ihrer Oberfläche assoziiert, und zwar häufig mit den frei liegenden Regionen der
integralen Proteine.
Membranproteine können viele verschiedene Aufgaben erfüllen:
1. Transport: Ein die Membran durchspannendes Protein kann einen hydrophilen Kanal durch
die Membran bilden, der für eine bestimmte gelöste Substanz spezifisch ist.
Manche Transportproteine hydrolysieren ATP und pumpen mit der so gewonnenen Energie
aktiv Substanzen durch die Membran.
2. Enzymaktivität: Manche in die Membran eingelagerte Proteine sind Enzyme. Von außen
kommende Botenstoffe (z.B. Hormone) lösen in dem Protein eine Konformationsänderung
aus, welche die Information ins Zellinnere übermittelt.
3. Zellverbindungen: Membranproteine benachbarter Zellen können miteinander verknüpft
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sein.
4. Verankerung am Cytoskelett und extrazellulärer Matrix: Mikrofilamente und andere
Komponenten des Cytoskeletts sind häufig an Membranproteine gebunden. Dies trägt dazu
bei, dass die Zelle ihre Form behält und dass best. Membranproteine an ihrem Platz bleiben.
Detergenz:
Bevor ein einzelnes Protein im Detail untersucht werden kann, muss es von allen anderen
zellulären Proteinen getrennt werden. Für die meisten Membranproteine beinhaltet der erste
Schritt in diesem Trennungsprozess die Auflösung der Membran. Dies geschieht mit
Agenzien, welche die Lipiddoppelschicht zerstören, indem sie die hydrophoben Bindungen
trennen. Die weitaus gebräuchlichsten spaltenden Agenzien sind Detergenzien. Das sind
kleine, amphipathische, fettartige Moleküle, die sowohl einen hydrophilen als auch einen
hydrophoben Bereich haben.
Detergenzien unterscheiden sich von Membranphospholipiden darin, dass sie nur einen
hydrophoben Schwanz haben und sich infolgedessen entscheidend anders verhalten. Wegen
ihres einzigen hydrophoben Schwanzes sind Detergensmoleküle eher wie Kegel geformt. In
Wasser neigen sie dazu, sich zu kleinen Aggregaten, sog. Micellen, zu verbinden, anstatt wie
die zylinderförmigen Phospholipide eine Doppelschicht zu bilden.
Mischt man Detergenz8ien in großem Überschuss mit Membranen, so binden ihre
hydrophoben Molekülenden an den hydrophoben Bereich der Transmembranproteine.
Genauso binden sie an die hydrophoben Schwänze der Phospholipidmoleküle und trennen
dabei die Proteine von den Phospholipiden. Da das andere Ende des Detergensmoleküls
hydrophil ist, gehen die Membranproteine als Protein-Detergens-Komplex in Lösung.
Barrierefunktion der Membran:
Die Plasmamembran dient als Barriere, um den Zellinhalt vor dem Entweichen und der
Vermischung mit dem umgebenden Milieu zu schützen.
Eukaryotische Zellen jedoch enthalten zusätzlich eine Fülle von inneren Membranen, die
intrazelluläre Kompartimente umschließen. Diese Membranen sind nach demselben Prinzip
wie die Plasmamembran aufgebaut und dienen genauso als hochselektive Barriere zwischen
Räumen unterschiedlicher Molekülzusammensetzung.
Darüber hinaus erfüllen auch die in ihnen eingelagerten Transportproteine Barrierefunktionen,
dahingehend, dass sie hochspezifisch sind, d. h. nur ganz bestimmt Stoffe durch die
Phospholipiddoppelschicht ins Innere der Zelle einschleusen oder aus diesem
hinaustransportieren.
Chromatinverpackung:
Für die erste Ebene der DNA-Verpackung im Chromatin sind als Histone bezeichnete
Proteine zuständig. Diese besitzen einen hohen Gehalt positiv geladener Aminosäuren,
welche fest an die negativ geladene DNA binden und das Chromatin so stabilisieren.
Im EM hat entfaltetes Chromatin das Aussehen einer Perlenkette, wobei jede “Perle” ein
Nucleosom ist - bestehend aus DNA, die wie der Faden einer Garnrolle um einen Proteinkern
gewickelt ist.
Diese Perlenkette faltet und windet sich und bildet eine Faser von rund 30 nm Dicke, die man
als “30-nm-Chromatinfaser”bezeichnet. Nach dem Solenoid-Modell sind die Nucleosomen
dabei spiralförmig unter Bildung einer Röhre angeordnet.
Die 30-nm-Faser wiederum bildet Schleifen, die sog. Schleifendomänen.
In einem mitotischen Chromosom falten und knäueln sich die Domänen selbst noch weiter,
wobei das Chromatin schließlich die für die das Metaphase-Chromosom charakteristische xförmige, extrem dichte Packung erreicht.
In vielen Zellen verharren bestimmte Chromosomenbereiche auch während der Interphase in
hochkondensiertem Zustand. Dieses Interphase-Chromatin, das im Lichtmikroskop sichtbar
ist, wird als Heterochromatin bezeichnet. Es unterscheidet sich von dem weniger kompakten
Euchromatin.
Proteinsorting (Signalsequenz):
Das typische Sortiersignal eines Proteins ist eine kontinuierliche Abfolge von Aminosäuren,
die typischerweise 15 bis 60 Aminosäuren umfasst. Diese Signalsequenz wird häufig, aber
nicht immer, vom fertigen Protein entfernt, nachdem der Sortiervorgang ausgeführt wurde.
Signalsequenzen sind sowohl notwendig als auch ausreichend, um ein Protein zu einem
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bestimmten Organell zu leiten. Dies wurde experimentell bewiesen, indem man die ASSignalsequenz gentechnisch auf ein anderes Protein übertragen hat, welches daraufhin zum
Zielort desjenigen Proteins transportiert wurde, von dem es ursprünglich stammte (in diesem
Fall handelte es sich um die Signalsequenz eines Proteins des Endoplasmatischen
Retikulums).
Ribosomen:
Die Ribosomen, Körperchen aus ribosomaler RNA und Proteinen, sind die Organellen für die
Proteinsynthese. Sie sind aus Proteinen und ribosomaler RNA (rRNA) aufgebaut. Jedes
Ribosom besteht aus zwei Untereinheiten, einer großen und einer kleinen, welche bei
Eukaryoten im Nucleolus synthetisiert werden und sich erst zu einem “kompletten”Ribosom
vereinigen, wenn sie an die mRNA binden.
Ribosomen haben 3 Bindungsstellen für tRNA:
a) die P-Stelle bindet die tRNA mit der wachsenden Polypeptidkette
b) die A-Stelle nimmt diejenige tRNA auf, welche die neu anzuknüpfende Aminosäure
anliefert
c) Über die E-Stelle verlassen die ungebundenen tRNA’
s das Ribosom
Wie eine Klammer hält das Ribosom die tRNA- und mRNA-Moleküle eng beieinander und
katalysiert die Anheftung einer Aminosäure an die freie Carboxylgruppe der wachsenden
Polypeptidkette. Dann wird die Peptidbindung geknüpft.
Generell gibt es zwei Typen von Ribosomen:
1. - “Freie Ribosomen”liegen im Cytosol verstreut und erzeugen meist Proteine, die ihre
Aufgaben später im Cytosol erfüllen.
2. - An “membrangebundenen Ribosomen” werden dagegen in der Regel Proteine
synthetisiert, die für den Einbau in Membranen oder für die Verpackung in Vesikel und andere
Organellen bestimmt sind bzw. aus der Zelle ausgeschleust werden sollen.
Raues/Glattes Endoplasmatisches Retikulum (ER):
Das Endoplasmatische Retikulum ist ein umfangreiches Membranlabyrinth und macht in
Eukaryotenzellen über die Hälfte der gesamten Membranmenge aus. Es besteht aus einem
Geflecht von Membranröhren und -säcken, die sich zu Zisternen erweitern.
Zum ER gehören zwei Bereiche mit unterschiedlicher Funktion, die aber miteinander
verbunden sind: das glatte und das raue ER:
a) Das glatte ER trägt seinen Namen, weil seine Membran auf der dem Cytosol zugewandten
Seite keine Ribosomen aufweist.
Es wirkt bei vielfältigen Stoffwechselvorgängen mit, u. a. beim Kohlenhydratstoffwechsel oder
bei der Beseitigung von Giften. Darüber hinaus bildet es Enzyme, welche für die Synthese
von Fettsäuren, Phospholipiden, Steroiden (z.B. Geschlechtshormone der Wirbeltiere) und
anderen Lipiden von Bedeutung sind.
b) Das Raue ER dient zum großen Teil der Produktion von Proteinen, jedoch werden dort
auch neue Membranen produziert, indem das raue ER seine eigenen Membranphospholipide
herstellt. Diese werden von in der ER-Membran befindlichen Enzymen aus
Vorläufermolekülen zusammengesetzt, welche sich im Cytosol befinden. Membranteile
werden dann zu Transportvesikeln abgeschnürt und zu anderen Teilen des inneren
Membransystems befördert.
Fette (Bestandteile):
Fette sind recht große Moleküle, die aus zwei Arten kleinerer Moleküle zusammengesetzt
sind: Glycerin und Fettsäuren.
Glycerin ist ein Alkohol mit drei Kohlenstoffen, von denen jeder eine Hydroxygruppe trägt.
Eine Fettsäure besitzt ein langes Kohlenstoffgerüst aus normalerweise 16 oder 18
Kohlenstoffatomen. Am einen Ende der Fettsäure befindet sich eine Carboxylgruppe, an die
eine lange Kohlenstoffkette angehängt ist.
Bei der Bildung eines Fettes werden drei Fettsäuren jeweils über eine Esterbindung an
Glycerin geknüpft. Das resultierende Fett besteht also aus drei Fettsäuren, die mit einem
Glycerinmolekül verbunden sind.
Nucleinsäuren (Bestandteile):
Es gibt zwei Arten von Nucleinsäuren: Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure
(RNA). Nucleinsäuren sind Polymere aus Monomeren, die Nucleotide genannt werden. Jedes
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Nucleotid besteht selbst aus drei Teilen: einem organischen Molekül, das als stickstoffhaltige
Base bezeichnet wird, einer Pentose (Fünfkohlenstoffzucker) und einer Phosphatgruppe.
Es gibt zwei Familien stickstoffhaltiger Basen, die Pyrimidine und die Purine. Ein Pyrimidin
besitzt einen Sechsring aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen.
Zu den Pyrimidinen gehören Cytosin ( C ), Thymin (T) und Uragil (U). Purine sind größer und
besitzen einen Sechsring, der mit einem Fünfring fusioniert ist. Die Purine sind Adenin (A)
und Guanin (G).
Die spezifischen Pyrimidine und Purine unterscheiden sich in den an ihre Ringe geknüpften
funktionellen Gruppen.
Die mit der stickstoffhaltigen Base verbundene Pentose ist Ribose in den Nucleotiden der
RNA und Desoxyribose in DNA.
- Ein Nucleosid ist eine stickstoffhaltige Base, die mit einem Zucker verbunden ist. Um ein
Nucleotid zu erhalten, bringt man eine Phosphatgruppe an Kohlenstoff 5 des Zuckers an.
Die
einzelnen
Nucleotide
sind
durch
kovalente
Bindungen,
so
genannte
Phosphodiesterbindungen, zwischen dem Phosphat eins Nucleotids und dem Zucker des
nächsten miteinander verknüpft. Dies führt zu einem Rückgrat mit einer sich wiederholenden
Abfolge von Zucker-Phosphat-Zucker-Phosphat-usw. An dieses Rückgrat sind über die
Zucker die stickstoffhaltigen Basen angehängt.
- Die Basensequenz entlang der DNA (oder mRNA) ist für jedes Gen einzigartig und die
lineare Anordnung von Basen in einem Gen bestimmt die Aminosäuresequenz - die
Primärstruktur - eines Proteins.
Zelluläre DNA-Moleküle bestehen aus zwei Polynucleotiden, die um eine imaginäre Achse
gewunden sind und so eine Doppelhelix bilden.
Die beiden Zucker-Phophat-Rückgrate befinden sich auf der Außenseite der Helix, die
stickstoffhaltigen Basen sind im Inneren der Helix miteinander gepaart. Die beiden DNAStränge werden vor allem durch Wasserstoffbrücken zwischen den gepaarten Basen
zusammengehalten.
Nur bestimmte Basen der Doppelhelix sind miteinander kompatibel. Adenin (A) paart immer
mit Thymin (T), Guanin (G) immer mit Cytosin ( C ).
Die beiden Stränge der Doppelhelix sind also “komplementär” zueinander, jeder ist das
vorhersagbare Gegenstück des anderen. Diese Eigenschaft der DNA ermöglicht das präzise
Kopieren von Genen, das für die Vererbung Voraussetzung ist.
Proteine (Bestandteile):
Proteine machen mehr als 50 % des Trockengewichts der meisten Zellen aus und dienen als
Werkzeuge für fast alle Aktivitäten des Organismus. Allgemein gesprochen sind Proteine
darauf spezialisiert, andere Moleküle spezifisch und reversibel zu binden.
Proteine sind die strukturell am höchsten entwickelten Moleküle, die wir kennen und sie sind
alle Polymere, die aus demselben Satz von 20 Aminosäuren aufgebaut sind. Polymere aus
Aminosäuren werden Polypeptide genannt. Ein Protein besteht aus einem oder mehreren
Polypeptiden, die in spezifischer Konformation gefaltet und gewunden sind.
Aminosäuren sind organische Moleküle, die sowohl eine Carboxyl- als auch eine
Aminogruppe tragen. In ihrem Zentrum befindet sich ein asymmetrischer Kohlenstoff, der sog.
“Alpha-Kohlenstoff”. Seine vier Partner sind eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, ein
Wasserstoffatom und eine variable Gruppe, die mit dem Buchstaben R (für Rest) abgekürzt
wird.
Die Aminosäuren liegen bei neutralem pH-Wert in der Zelle in ionisierter Form vor.
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Seitenkette bestimmen die
einzigartigen Merkmale einer bestimmten Aminosäure.
Wenn zwei Aminosäuren so angeordnet sind, dass sich die Carboxylgruppe der einen direkt
neben der Aminogruppe der anderen befindet, kann ein Enzym sie verknüpfen, indem es eine
Dehydratisierungsreaktion katalysiert. Dies führt zu einer kovalenten Bindung, die
Peptidbindung genannt wird. Wird dieser Prozess mehrfach wiederholt, so entstehen
zunächst Oligopeptide und schließlich ein Polypeptid, ein Polymer aus vielen durch
Peptidbindungen miteinander verknüpften Aminosäuren. Dieses Polymer besitzt dann ein
sog. “Polypeptidrückgrat”, an welches die Seitenketten der einzelnen Aminosäuren
angehängt sind.
Polypeptide variieren in ihrer Länge von einigen wenigen bis hin zu 1000 oder mehr
Monomeren. Jedes Polypeptid besitzt eine einzigartige lineare Abfolge von Aminosäuren.
Ein funktionsfähiges Protein ist nicht bloß eine Polypeptidkette, sondern besteht aus einem
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oder mehreren Polypeptiden, die präzise zu einem Molekül von einzigartiger Gestalt
gewunden, gefaltet und gedreht sind. Die Aminosäuresequenz eines Polypeptids bestimmt,
welche dreidimensionale Gestalt (Konformation) das Protein annimmt. Es gibt bspw.
Globuläre (ungefähr kugelförmige) Proteine oder filamentöse (lang gestreckt) Formen. Die
spezifische Konformation eines Proteins bestimmt seine biologische Wirkung.
Es gibt 4 Ebenen der Proteinstruktur:
1. - Primärstruktur: Die Primärstruktur eines Proteins ist die einzigartige Abfolge seiner
Aminosäuren.
2. - Sekundärstruktur: Die meisten Proteine haben in ihrer Polypeptidkette Abschnitte, die in
bestimmten sich wiederholenden Mustern gedreht oder gefaltet sind, was zur
Gesamtkonformation des Proteins beiträgt. Diese Windungen und Faltungen resultieren aus
Wasserstoffbrückenbindungen,
die
in
regelmäßigen
Abschnitten
entlang
des
Polypeptidrückgrats auftreten.
Ein wichtiger Sekundärstrukturtyp ist die alpha-Helix, eine feine Spirale, die durch
Wasserstoffbrücken zwischen jeder vierten Aminosäure zusammengehalten wird.
Ein weiterer wichtiger Sekundärstrukturtyp ist das betta-Faltblatt, bei dem Wasserstoffbrücken
zwischen den parallelen Abschnitten des Rückgrats die Struktur zusammenhalten.
3. - Tertiärstruktur: Die Sekundärstrukturmuster, eine Abfolge fester Stäbe (alpha-Helices)
und Platten (betta-Faltblätter), sind in einem Protein räumlich zu einer Tertiärstruktur
angeordnet.
Diese
Anordnung
wird
durch
verschiedene
Bindungsund
Wechselwirkungskräfte (wie z.B. van-der-Waals-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken,
Ionenbindungen, Disulfidbrücken) zwischen den Seitenketten der Aminosäuren
zusammengehalten.
4. - Quartärstruktur: Die Quartärstruktur ist die Gesamtstruktur eines Proteins, die sich aus
der Zusammenlagerung seiner Polypeptide (der sog. Untereinheiten) ergibt.
Endocytose: Phago-, Pinocytose und rezeptorvermittelte Endocytose:
Bei der Phagocytose umschließt die Zelle Substratteilchen, indem sie diese mit
Pseudopodien umfließt und ein Vesikel ausbildet; dieses Substratvesikel kann groß genug
sein, um als “Nahrungsvakuole”zu gelten. Die Nahrungsvakuole vereinigt sich mit einem oder
mehreren primären Lysosomen, deren hydrolytische Enzyme den Inhalt verdauen.
Bei der Pinocytose “schluckt”die Zelle Tropfen der extrazellulären Flüssigkeit unter Bildung
kleiner Vesikel. Da die Zelle sämtliche in dem Tropfen gelösten Substanzen aufnimmt, ist die
Pinocytose im Hinblick auf die transportierten Stoffe ein unspezifischer Vorgang.
Die rezeptorvermittelte Endocytose verläuft dagegen sehr spezifisch. In die Membran sind
Rezeptorproteine mit spezifischen Erkennungsstrukturen eingelagert, die in die extrazelluläre
Flüssigkeit ragen. Die von außen kommenden Substanzen, die an solche Stellen binden,
nennt man Liganden. I. d. R. liegen die Rezeptorproteine gehäuft in den sog. Coated Pits.
Nachdem die aufgenommenen Substanzen aus dem Vesikel entlassen und dem Stoffwechsel
zugeführt wurden, wandern die Rezeptoren zur erneuten Verwendung wieder an die
Plasmamembran.
Menschliche Zellen beschaffen sich durch rezeptorverm. Endocytose beispielsweise
Cholesterin, das sie z. B. zur Bildung ihrer Membranen benötigen.
Golgi-Apparat:
Nachdem Transportvesikel das ER verlassen haben, wandern sie in vielen Fällen zum GolgiApparat, den man sich also große Fertigungs-, Lager-, Sortier- und Versandzentrale
vorstellen kann. Hier werden die Produkte des ER abgewandelt, gespeichert und dann zu
anderen Bestimmungsorten weiterbefördert.
Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten, durch Membranen begrenzten Hohlräumen, die
wie Pitabrote übereinander gestapelt sind. Häufig sind in einer Zelle mehrere solche Stapel
(sog. Dictyosomen) vorhanden, die dann alle untereinander in Verbindung stehen. In der
Umgebung des Golgi-Apparats befinden sich zahlreiche Transportvesikel, die dem
Stoffaustausch zwischen den Zisternen und anderen Strukturen dienen.
Der Golgi-Apparat besitzt eine cis-Seite, welche i. d. R. dem ER und dem Zellkern zugewandt
ist und Substanzen aufnimmt, und eine trans-Seite, die zur Plasmamembran zeigt und die
Substanzen wieder entlässt. Der Transport zwischen ER und Golgi-Apparat erfolgt durch
Transportvesikel.
Die Produkte des ER werden auf dem Weg von der cis- zur trans-Seite des GolgiApparats i. d. R. chemisch abgewandelt, außerdem erzeugt er manche Makromoleküle auch
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selbst (z.B. Polysaccharide).
Lysosomen:
Ein Lysosom ist ein Membranvesikel, das zur intrazellulären Verdauung von Makromolekülen
dient - also der Magen und Mülleimer der Zelle. In den Lysosomen befinden sich Enzyme für
Hydrolyse von Proteinen, Polysacchariden, Fetten und Nucleinsäuren. Am besten wirken
diese Enzymen in saurem Milieu, ungefähr bei pH 5.
Die hydrolytischen Enzyme und die Lysosomenmembran werden vom rauen ER gebildet und
dann zur Weiterverarbeitung in den Golgi-Apparat geschleust. Lysosomen entstehen
vermutlich durch Abschnüren an der trans-Seite des Golgi-Apparats. Pflanzenzellen besitzen
keine Lysosomen,; deren Aufgaben nimmt dort die Zellsaftvakuole wahr.
Das bei der z.B. Phagocytose entstehende Substratvesikel verschmilzt dann mit einem
“primären Lysosom”, das die Verdauungsenzyme beisteuert, zum “sekundären Lysosom”. Die
Verdauungsprodukte, darunter einfache Zucker, Aminosäuren und andere Monomere,
wandern dann ins Cytosol und werden zu Nährstoffen für die Zelle.
Die hydrolytischen Enzyme der Lysosomen dienen auch dazu, zelleigenes organisches
Material wiederzuverwerten, was als “Autophagie”bezeichnet wird. Die Zelle erneuert sich
also mithilfe der Lysosomen ständig selbst (eine menschliche Leberzelle schleust z.B.
innerhalb einer Woche die Hälfte ihrer Makromoleküle durch dieses Recycling).
Cytoskelett:
Die Organellen einer Eukaryotenzelle “schwimmen”nicht frei im Cytoplasma, sondern dieses
ist von mehreren Filamentnetzwerken - den Intermediärfilamenten, welche aus einer Familie
fibriller Proteine gebildet werden, den Mikrotubuli, die aus Tubulin-Untereinheiten aufgebaut
sind und aus den Aktinfilamenten, welche aus Aktinmonomeren bestehen - durchzogen, die
man insgesamt als Cytoskelett bezeichnet.
Die auffälligste Funktion des Cytoskeletts besteht darin, der Zelle eine mechanische Stütze
zu bieten und zur Aufrechterhaltung ihrer Form beizutragen, es wirkt aber auch an mehreren
Formen der Bewegung von Zellen mit. Damit eine Zelle sich bewegen kann, muss das
Cytoskelett i. d. R. mit sog. Motorproteinen zusammenwirken (siehe unten).
Intermediärfilamente:
Die Intermediärfilamente stellen den widerstandsfähigsten und haltbarsten Typ der drei
Filamentarten des Cytoskeletts dar und weisen eine große Zugfestigkeit auf.
Typischerweise bilden sie ein Netzwerk durch das gesamte Cytoplasma, das den Zellkern
umringt. Bei allen eukaryotischen Zellen liegt ein Geflecht aus Intermediärfilamenten, die
Kernlamina, auch unterhalb der Kernhülle und verstärkt sie auf diese Weise.
Die Untereinheiten der intermediärfilamente bestehen aus lang gestreckten fibrillären
Proteinen, die jeweils eine globuläre Aminotterminahle Kopfdomäne, eine globuläre
carboxyterminale Schwanzdomäne und eine zentrale lang gestreckte stäbchenförmige
Domäne besitzen. In der stäbchenförmigen Kopfdomäne befindet sich eine ausgedehnte
alpha-Helix. Mit ihrer Hilfe können zwei Intermediärfilamentproteine stabile Dimere bilden: Sie
wickeln sich dabei unter Ausbildung eines stabilen Dimers in einer Superhelix- (“coiled cool”)
Konfiguration umeinander. Zwei dieser Dimere lagern sich dann durch nicht kovalente
Bindung zusammen und bilden ein Tetramer; die Tetramere wiederum binden ebenfalls über
nicht kovalente Bindungen - Ende an Ende oder Seite an Seite aneinander - und erzeugen
das endgültige seilartige Intermediärfilament.
Intermediärfilamente sind besonders prominent im Cytoplasma von Zellen, die
mechanischem Druck ausgesetzt sind. In Muskel- und Epithelzellen etwa, wie den
Epithelzellen der Haut, sind sie im Übermaß vorhanden. Auf diese Weise kann ein Zerreißen
der Zellen bzw. ihrer Membranen vermieden werden.
Mikrotubuli:
Dabei handelt es sich um lange, relativ steife Proteinröhren, die an einer Stelle rasch zerfallen
und an einer anderen schnell wieder aufbaut werden können. Bei tierischen Zellen
entspringen die Mikrotubuli normalerweise einem kleinen Gebilde in der Nähe des
Zellzentrums, dem sog. Centrosom.
Die Mikrotubuli bilden innerhalb der Zelle ein Schienensystem für den Transport von Vesikeln,
Organellen und anderen Zellbestandteilen. Wenn eine Zelle in die Mitose eintritt, zerfallen die
cytoplasmatischen Mikrotubuli und lagern sich anschließend wieder zu einer komplizierten
Struktur zusammen, die als Mitosespindel bezeichnet wird.
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Mikrotubuli können auch dauerhafte Strukturen ausbilden, wie sich an den rhythmisch
schlagenden haarähnlichen Strukturen, den Cilien und Flagellen zeigt.
Mikrotubuli sind aus Untereinheiten, den Tubulin-Molekülen, aufgebaut. Dabei handelt es sich
um Dimere aus zwei strukturell sehr ähnlichen globulären Proteinen - alpha-Tubulin und
betta-Tubulin -, die über nicht kovalente Bindungen fest miteinander verknüpft sind. Diese
“Ketten” bilden eine röhrenförmige Struktur, die aus 13 solcher paralleler Ketten, den
Protofilamenten, besteht. Jedes Protofilament ist polar gebaut, mit alpha-Tubulin an einem
und betta-Tubulin am anderen Ende, was dem Mikrotubulus eine “Richtung”gibt, ohne die
entlang derer ein Transport nicht möglich wäre.
Aktinfilamente:
Aktinfilamente kommen in allen eukaryotischen Zellen vor und sind für viele ihrer
Bewegungen unentbehrlich. Ohne Aktinfilamente könnte eine tierische beispielsweise nicht
auf einer Oberfläche entlang kriechen, große Partikel über Phagocytose aufnehmen oder sich
teilen.
Aktinfilamente sind Fäden mit einem Durchmesser von ungefähr 7 nm. Jedes Filament
besteht aus globulären Actinmolekülen, die zu Ketten verknüpft sind. Zwei solche
“Perlenketten”, spiralförmig umeinander gewunden, bilden das Aktinfilament.
Cilien / Geißeln:
Cilien sind haarähnliche Strukturen mit einem Durchmesser von etwa 0,25 Mykrometer; sie
sind von der Plasmamembran bedeckt und erstrecken sich aus der Oberfläche vieler
eukaryotischer Zellen.
Im Zentrum einer einzelnen Cilie befinden sich stabile Mikrotubuli, die zu einem Bündel
angeordnet sind. Die vorrangige Aufgabe einer Cilie besteht darin, Flüssigkeit über die
Oberfläche einer Zelle zu bewegen oder einzelne Zellen durch eine Flüssigkeit
voranzutreiben.
Die Flagellen (oder Geißeln), die Spermien und viele Protozoen vorwärts bewegen, ähneln
den Cilien sehr in ihrem inneren Aufbau, sind aber gewöhnlich sehr viel länger. Sie sind dazu
konzipiert, die ganze Zelle zu bewegen.
Die Mikrotubuli in Cilien und Flagellen unterscheiden sich geringfügig von den
cytoplasmatischen Mikrotubuli. Der Querschnitt durch eine Cilie zeigt neun Mikrotubulipaare,
die ringförmig um zwei einzelne Mikrotubuli angeordnet sind. Dieses “9 + 2”-Muster ist für
nahezu alle Formen eukaryotischer Cilien und Flagellen charakteristisch, von Protozoen bis
hin zum Menschen.
Motorproteine:
Motorproteine binden an Aktinfilamente oder Mikrotubuli. Diese Proteine nutzen die Energie
aus der ATP-Hydrolyse, um sich gleichmäßig an einem Aktinfilament oder einen Mikrotubulus
in einer bestimmten Richtung fortzubewegen.
Die Motorproteine, die an den cytoplasmatischen Mikrotubuli entlang wandern, gehören zu
zwei Familien: Die Kinesine wandern im Allgemeinen zum plus-Ende eines Mikrotubulus, d.h.
vom Centrosom weg, während die Dyneine zum Minuspol wandern, d. h. zum Centrosom hin.
Kinesine und Dyneine besitzen jeweils zwei globuläre ATP-bindende Köpfe und einen
Schwanz. Die Köpfe treten mit Mikrotubuli stereospezifisch in Wechselwirkung, sodass bspw.
Kinesin nur dann an einen Mikrotubulus bindet, wenn es in die richtige Richtung “zeigt”. Der
Schwanz eines Motorproteins bindet im Allgemeinen stabil an irgendeinen Zellbestandteil, wie
bspw. Ein Vesikel oder ein Organell.
Bei den globulären Köpfen von Kinesin und Dynein handelt es sich um Enzyme mit einer
ATP-ase-Aktivität. Diese Reaktion stellt die Energie für einen Zyklus von
Konformationsänderungen in der Kopfdomäne bereit, sodass das Motorprotein am
Mikrotubulus entlang wandern kann.
Epithelien:
In Epithelgeweben sind Zellen Seite an Seite miteinander verbunden und bilden aus vielen
Zellen bestehende Schichten. Epithelgewebe bedecken die äußere Körperoberfläche und
kleiden alle inneren Hohlräume aus. Ihre Bedeutung liegt auf der Hand: Zellen, die in einer
epithelialen Schicht verbunden sind, schaffen eine Barriere, die für einen vielzelligen
Organismus die gleiche Bedeutung besitzt wie die Plasmamembran für die einzelne Zelle.
9
Eine Epithelschicht hat zwei Seiten: Die apikale Seite ist frei und der Luft oder einer
wässrigen Flüssigkeit ausgesetzt; die basale Seite ruht auf einem anderen Gewebe, meist
einem Bindegewebe, an dem sie befestigt ist. Auf der Unterseite der Epithelzellen, d.h. unter
der basalen Fläche des Epithels, liegt eine dünne widerstandsfähige Schicht extrazellulärer
Matrix, die so genannte Basallamina, die aus drei Schichten besteht: Lamina lucida (besteht
aus Glycoproteinen und Fibronectin), Lamina densa (besteht aus Kollagen und Heparinsulfat)
und Lamina fibroreticularis (besteht aus Kollagen und Mikrofibrillen).
Eine Epithelzelle hat somit eine “Ober-” und eine “Unterseite” und damit eine polarisierte
interne Organisation. Diese Polarisation ist für die epitheliale Funktion von entscheidender
Bedeutung.
Wegen ihrer exponierten Lage nutzen sich Epithelien meist sehr rasch ab, deshalb
gibt es im Epithelverband Reserve- oder Stammzellen, die abgestorbene Zellen ersetzen
können.
Mesenchymzellen:
Das Mesenchym ist die “Quelle”aller Bindegewebsarten. Es weist keinerlei Fasern auf und
besteht aus sternförmig verzweigten Zellen.
Zellverbindungen:
Extrazelluläre Matrix:
Die Zellen der vielzelligen Tiere besitzen keine Zellwände, die denen der Pflanzenzellen
entsprechen. Sie verfügen aber über eine hochentwickelte extrazelluläre Matrix, die
vorwiegend aus von der Zelle abgesonderten Glykoproteinen besteht. Das häufigste
Glykoprotein in der extrazellulären Matrix der meisten Tiere ist das Kollagen, das kräftige
Fasern bildet. Die Kollagenfasern sind in ein GeflecHat aus Proteoglykanen eingelagert.
Viele Zellen sind durch weitere Glykoproteine mit der extrazellulären Matrix verknüpft, in den
meisten Fällen durch Fibronectine. Diese binden an die Integrine - Rezeptorproteine, die in
die Plasmamembran eingelagert sind. Die Integrine durchspannen die Plasmamembran und
sind auf der Innenseite mit Mikrofilamenten des Cytoskeletts verknüpft. Integrine stellen die
Verbindung zwischen äußeren und inneren Veränderungen her.
Tight Junctions
Die Aufgabe der Versiegelung fällt in Wirbeltieren den Tight Junctions (dichte Verbindungen,
geschlossener Zellkontakt) zu. Diese dichten benachbarte Zellen so gegeneinander ab, dass
wasserlösliche Moleküle nicht einfach zwischen die Zellen sickern können.
Die Tight Junction wird von Proteinen, den sog. Claudinen und Occludinen, gebildet. Diese
sind als Stränge entlang der Verbindungslinien angeordnet und erzeugen so die
Versiegelung.
Drei Typen von Zellverbindungen halten ein Epithel durch Bildung von mechanischen
Verknüpfungen zusammen: Adhäsions-, Desmosomenverbindungen und Gap-Junctions.
Adhäsionsverbindungen und Desmosomen sind beide um Transmembranproteine
angeordnet, die zur selben Molekülfamilie, den Cadherinen, gehören: Ein Cadherinmolekül in
der Plasmamembran der einen Zelle bindet direkt an ein identisches Cadherinmolekül in der
Plasmamembran seiner Nachbarzelle.
Adhäsionsverbidnungen
An einer Adhäsionsverbindung ist jedes Cadherinmolekül im Inneren seiner Zelle über
mehrere Protein-Linker an Aktinfilamente gebunden. Häufig bilden Adhäsionsverbindungen
um jede der beteiligten Epithelzellen einen durchgängigen Adhäsionsgürtel.
Desmosomen
An einem Desmosom dagegen sind verschiedene Mitglieder der Cadherinmolekülfamilie in
jeder Zelle an intermediären Filamenten befestigt, insbesondere an Keratine, die als
Intermediärfilamente vor allem in Epithelien vorkommen. Dicke Bündel seilartiger
Keratinfilamente, die sich kreuz und quer durch das Cytoplasma erstrecken, sind an den
Desmosomen an Keratinfilamentbündel der benachbarten Zelle gebunden und verleihen dem
Ganzen so eine hohe Zugfestigkeit
Die Befestigungspunkte der Epithelzellen an die darunter liegende Basallamina heißen
Hemidesmosomen.
Gap Junctions
Gap Junctions (lückenhafte Verbindung, offener Zellkontakt) sind Bereiche, in denen die
Membranen von zwei Zellen nah beieinander liegen und exakt parallel zueinander verlaufen,
10
mit einem sehr engen Spalt von 2-4 nm zwischen ihnen. Der Spalt ist nicht leer, sondern wird
von den heraushängenden Enden vieler identischer Proteinkomplexe durchzogen, die in den
Plasmamembranen der beiden aneinander liegenden Zellen verankert sind. Diese Komplexe,
die sog. Connexone, bilden Kanäle durch die beiden Plasmamembranen und stoßen Endean-Ende aufeinander. Dabei bilden sie enge Durchlässe, die es anorganischen Ionen und
kleinen wasserlöslichen Molekülen (bis zu einer Molekularmasse von etwa 1000 Dalton)
ermöglichen, direkt vom Cytosol der einen Zelle ins Cytosol der anderen Zelle zu wandern.
Das Äquivalent der tierischen Gap Junctions in Pflanzenzellen sind die Plasmodesmen. Diese
überspannen die dazwischen liegende Zellwand. Im Gegensatz zu den Kanälen der Gap
Junctions sind Plasmodesmen von der Plasmamembran ausgekleidet, die damit
kontinuierlich von einer Pflanzenzelle zur nächsten übergeht.
Giardia:
Giardia Lamblia ist ein einzelliger, eukaryotischer Parasit, der das menschliche Darmepithel
befällt und schwere Durchfälle verursachen kann. Die Trophozoiten-Form hat einen bilateralsymmetrischen Bau und fällt durch zwei Zellkerne, acht Flagellen sowie eine ventrale
Haftscheibe, die zum Anheften an die Epithelzellen dient, auf. Sie hat eine Größe von ca. 20
Mikrometern.
Lange Zeit galt Giardia Lamblia als lebendes Fossil, welches die Endosymbiontentheorie
eindruckvoll unter Beweis stellte, da man in ihnen keine Mitochondrien fand.
Heute jedoch weiß man, dass Giardia zwar keine Mitochondrien, dafür aber Mitosomen
besitzt, die energiereiche Verbindungen unter anaeroben Synthesewegen erzeugen. Diese
urtümliche Form der Energiegewinnung stellt ihrerseits jedoch durchaus ein Relikt dar.
Signalübertragungswege / Signalklassen:
Voraussetzung: Signaltransduktion
Der kritische Punkt in der Weiterleitung von Signalen ist dort, wo die Nachricht von einer
Form in die andere umgewandelt wird. Dieser Umwandlungsprozess wird Signaltransduktion
(Nachrichtenumwandlung) genannt.
Einzelne Zellen und Zellen in vielzelligen Organismen verwenden Hunderte extrazellulärer
Molekülarten, um einander Signale zu senden - Proteine, Peptide, Aminosäuren, Nucleotide,
Steroide, Fettsäurederivate und sogar gelöste Gase, aber sie verwenden nur eine Handvoll
grundlegender Kommunikationsarten, um die Botschaft zu übermitteln:
endokrin
In vielzelligen Organismen ist die “gebräuchliste” Kommunikationsart die Versendung des
Signals durch den ganzen Körper, indem es in den Blutkreislauf (in einem Tier) oder den Saft
(in einer Pflanze) abgegeben wird. Signalmoleküle, die auf diese Weise eingesetzt werden,
nennt man Hormone. In tierischen Zellen heißen die Zellen, die Hormone bilden, endokrine
Zellen. Der Pankreas bspw. bildet das Hormon Insulin, das die Glucoseaufnahme in die
Zellen im gesamten Körper reguliert.
parakrin
Etwas weniger verbreitet ist der Vorgang, der als parakrine Signalübertragung bekannt ist. In
diesem Fall diffundieren die Signalmoleküle lokal durch das extrazelluläre Medium, anstatt in
den Blutstrom einzutreten, und bleiben damit in der Nachbarschaft der Zelle, die sie
abgegeben hat. Somit wirken sie als lokale Mediatoren auf Zellen in der Umgebung.
Beispiel: Signalmoleküle, welche die Entzündung an einer Infektionsstelle regulieren.
neuronal
Die neuronale Signalübertragung stellt die dritte Form der Zellkommunikation dar. Wie
endokrine Zellen können auch Neuronen Botschaften über weite Entfernungen befördern.
Diese Nachrichten werden jedoch nicht breit gestreut, sondern auf einem eigenen Weg
schnell und spezifisch an einzelne Zielzellen geliefert, die weit vom Zellkörper des Neurons
entfernt liegen können. Jeder elektrische Impuls stimuliert die Nervenendigung zur
Freisetzung eines extrazellulären chemischen Signals, das Neurotransmitter genannt wird.
kontaktabhängig
Die vierte Form einer signalvermittelten Zell-Zell-Kommunikation - die intimste und die mit der
kürzesten Reichweite von allen - erfordert nicht die Freisetzung eines sezernierten Moleküls.
Stattdessen stellen die Zellen über Signalmoleküle in ihrer Plasmamembran einen direkten
Kontakt her. Wenn ein Signalmolekül, das in der Plasmamembran der signalisierenden Zelle
verankert ist, an ein Rezeptormolekül bindet, welches in die Plasmamembran der Zielzelle
eingebettet ist, wird die Nachricht übertragen.
11
Beispiel: Bei der Embryonalentwicklung in Geweben, in denen benachbarte, anfangs ähnliche
Zellen dafür bestimmt sind, sich auf verschiedene Weise zu spezialisieren.
Signalklassen
Hydrophil: Signalmoleküle, die hydrophil sind, binden an membrangebundene Rezeptoren.
Hydrophob: Hydrophobe Signalmoleküle dringen durch die Lipiddoppelschicht in das
Cytoplasma ein
und treffen erst dort auf ihre spezifischen Rezeptoren.
G-Proteine / G-Proteingekoppelt Rezeptoren:
G-Proteine
Es gibt mehrere G-Proteinvarianten, alle G-Proteine haben jedoch eine ähnliche
Grundstruktur und arbeiten in ähnlicher Weise.
Sie sind aus drei Proteinuntereinheiten zusammengesetzt: alpha, betta und gamma; zwei
davon sind durch kurze Lipidschwänze an die Plasmamembran gebunden. Im unstimulierten
Zustand hat die alpha-Untereinheit GDP gebunden, und das G-Protein befindet sich im
Ruhezustand.
Bindet ein extrazellulärer Ligand an den Rezeptor, dann wird in dem assoziierten GProtein die alpha-Untereinheit dazu veranlasst, das GDP-Molekül “loszulassen”und es gegen
ein GTP-Molekül auszutauschen. Diese Aktivierung spaltet den G-Proteinkomplex auf. Die
alpha-Untereinheit umklammert ihr GTP und trennt sich vom bette-gamma-Komplex; beide
getrennten Einheiten, die alpha-Untereinheit und der betta-gamma-Komplex, wandern nun
unabhängig entlang der Plasmamembran und können direkt mit Zielproteinen in der
Plasmamembran in Wechselwirkung treten.
Die alpha-Untereinheit hydrolysiert schließlich das gebundene GTP wieder zu GDP. Die
GDP-Form der alpha-Untereinheit verbindet sich erneut mit dem betta-gamma-Komplex und
das Signal wird abgeschaltet.
Das wiederhergestellte G-Protein ist nun zur erneuten Aktivierung durch einen anderen
aktivierten Rezeptor bereit.
G-Proteingekoppelte Rezeptoren
G-Protein gekoppelt Rezeptoren bilden die größte Familie unter den ZelloberflächenRezeptoren und sind evolutionär alt. Trotz der Vielfalt der Signalmoleküle, die gebunden
werden, besitzen alle untersuchten G-Proteingekoppelten Rezeptoren eine ähnliche Struktur:
Jeder besteht aus einer einzigen Polypeptidkette, die sich siebenmal vor- und rückwärts
durch die Lipiddoppelschicht der Membran schlängelt (“Siebenpfad-TransmembranRezeptorproteine”).
Wenn ein extrazelluläres Signalmolekül an einen Siebenpfad-TransmembranRezeptor bindet, erfährt das Rezeptorprotein eine Konformationsänderung, die es befähigt,
G-Protein auf der Innenseite der Plasmamembran zu aktivieren (siehe weiter oben unter “GProteine”).
G-Protein-regulierte Ionenkanäle:
Die Zielproteine für die Untereinheiten des G-Proteins können Ionenkanäle sein. Dies läuft
wie folgt ab:
Ein extrazelluläres Signalmolekül (bspw. Acetycholin) bindet an G-Proteingekoppelten
Rezeptor auf der Oberfläche der Zelle. Die Bindung aktiviert ein G-Protein, das in eine alphaUntereinheit und einen betta-gamma-Komplex zerfällt. Im Beispiel des Acetylcholins ist der
betta-gamma-Komplex der aktive Signalbestandteil: Er bindet an die intrazelluläre Seite eines
+
K -Kanals in der Plasmamembran und zwingt den Ionenkanal in eine offene Konformation;
dabei strömt K+ aus der Zelle.
+
Das Signal wird abgestellt und der K -Kanal schließt sich wieder, wenn sich die alphaUntereinheit selbst inaktiviert, indem sie ihr gebundenes GTP hydrolysiert. Die inaktive alphaUntereinheit verbindet sich wieder mit dem betta-gamma-Komplex und damit wird das
inaktive G-Protein zurückgebildet.
Steroidhormone:
Hydrophobe Signalmoleküle, wie die Steroidhormone (z.B. Cortisol) durchqueren die
Plasmamembran der Zielzelle. Anstatt intrazelluläre Enzyme zu aktivieren, binden sie jedoch
an Rezeptorproteine, die entweder im Cytosol oder im Zellkern vorhanden sind. Bei diesen
Hormonrezeptoren handelt es sich um Proteine, welche die Gentranskription regulieren
können, die aber in unstimulierten Zellen typischerweise in einer inaktiven Form vorliegen.
Bindet ein Hormon an das Rezeptorprotein, so erfährt dieses eine starke
12
Konformationsänderung, die das Protein aktiviert und ihm die Förderung oder Hemmung der
Transkription der Zielgene erlaubt.
Dies soll am Beispiel des Cortisols dargestellt werden:
Cortisol diffundiert direkt durch die Plasmamembran und bindet an sein Rezeptorprotein im
Cytosol. Der Hormon-Rezeptor-Komplex wird dann durch die Kernporen in den Kern
befördert. Die Bindung von Cortisol aktiviert das Rezeptorprotein, das nun an besondere
Regulatorsequenzen auf der DANN binden kann und die Genexpression aktiviert oder
unterdrückt.
Steroidhormone spielen eine fundamentale Rolle in der menschlichen Physiologie.
Enzymgekoppelte Rezeptoren / “second messenger“/ Signalkaskade / cAMP / PKA:
Häufiges Zielprotein der G-Proteine ist ein Enzym, wie die Adenylat-Cyclase, die für die
Bildung des kleinen intrazellulären Signalmoleküls cyclisches AMP verantwortlich ist. Diese
kleinen interzellulären Signalmoleküle, welche in diesen Kaskaden erzeugt werden,
bezeichnet man oft als Second Messender (“zweiter Botenstoff”), wenn man die
extrazellulären Signale als den “ersten Botenstoff”ansieht. Sie werden in großen Mengen
gebildet, wenn ein membrangebundenes Enzym, wie die Adenylat-Cyclase, aktiviert wird. Sie
diffundieren rasch von ihrem Bildungsort weg und verbreiten dabei das Signal in der ganzen
Zelle (“Signalkaskade”). Da jedes aktivierte Enzym viele Second-Messenger-Moleküle
erzeugt, wird das Signal enorm verstärkt, da die Sec.-Mess.-Moleküle an Zielproteine und
andere Signalproteine in der Zelle binden und deren Aktivität beeinflussen.
Viele extrazelluläre Signale, die über G-Proteingekoppelte Rezeptoren wirken,
beeinflussen die Aktivität der Adenylat-Cyclase und verändern dadurch die Konzentration des
Botenmoleküls cyclisches AMP (cAMP) in der Zelle. Am häufigsten schaltet dabei die
aktivierte alpha-Untereinheit eines G-Proteins die Adenylat-Cyclase an und verursacht
dadurch einen plötzlichen, sehr starken Anstieg der Synthese von cAMP aus ATP.
Um das Signal zu beseitigen, wandelt ein zweites Enzym, die sog. cyclische AMPPhosphodiesterase, rasch cAMP in gewöhnliches AMP um.
Cyclisches AMP ist ein wasserlösliches Molekül und kann deshalb die Nachricht durch die
Zelle tragen, indem es von seinem Bildungsort in der Membran in andere Teile der Zelle
wandert und dort mit Proteinen im Zellkern oder anderen Organellen in Wechselwirkung tritt.
Die Wirkung von cAMP beruht hauptsächlich auf der Aktivierung der cAMPabhängigen Proteinkinase (PKA). Dieses Enzym liegt normalerweise in inaktiver Form in
einem Komplex mit einem Regulatorprotein vor. Die Bindung von cAMP erzwingt eine
Konformationsänderung (durch Phosphoryllierung durch das cAMP), welche die
Kinaseuntereinheit freisetzt. Die aktivierte PKA katalysiert dann die Phosphorylierung von
bestimmten Serin- oder Threoninresten in den Zielproteinen und ändert damit deren Aktivität.
+
Anstieg der Ca -Konzentration durch Phospholipase C:
Einige extrazelluläre Signalmoleküle aktivieren über die G-Proteine das Enzym
Phospholipase C. Einmal aktiviert, verbreitet die Phospholipase C ihr Signal, indem sie ein
Lipidmolekül spaltet, das Bestandteil der Zellmembran ist. Bei dem Molekül handelt es sich
um ein Inositolphospholipid an der cytosolischen Seite der Phospholipidmembran der Zelle.
Die Phospholipase C spaltet das Inositolphospholipid in zwei kleine Botenmoleküle - das
Inositol-1,4,5-triphosphat (IP3) und das Diacylglycerin (DAG). IP3 diffundiert ins Cytosol,
während das Lipid DAG in der Plasmamembran eingebettet bleibt.
Das ins Cytosol freigesetzte IP3 erreicht schließlich das Endoplasmatische Reticulum und
2+
2+
öffnet dort Ca -Kanäle in der Membran. Das im ER gespeicherte Ca strömt durch diese
geöffneten Kanäle ins Cytosol aus und verursacht einen deutlichen Anstieg der Konzentration
2+
an freiem Ca im Cytosol.
2+
Zusammen mit Ca hilft DAG, eine Proteinkinase an die Plasmamembran zu
rekrutieren und zu aktivieren. Dieses Enzym wird Proteinkinase C genannt (PKC). Ist die PKC
einmal aktiviert, phosphoryliert sie viele weitere intrazelluläre Proteine.
2+
Rolle des Ca und des Calmodulins:
2+
Die Konzentration an freiem Ca im Cytosol einer unstimulierten Zelle ist extrem niedrig
verglichen mit seiner Konzentration in der extrazellulären Flüssigkeit und im ER. Diese
2+
Unterschiede werden durch Pumpen in der Membran aufrechterhalten, die aktiv Ca aus
dem Cytosol entweder ins ER hinein oder durch die Plasmamembran aus der Zelle
herauspumpen. Das Ergebnis ist ein steiler elektrochemischer Gradient über der Membran
des ER’
s und der Plasmamembran.
13
2+
Die Wirkungen von Ca
im Cytosol sind indirekt: Sie werden durch die
2+
Wechselwirkung von Ca mit Signalwandlungsproteinen wie Calmodulin vermittelt.
2+
Bindet Calmodulin an Ca , so erfährt das Protein eine Konformationsänderung, die es ihm
ermöglicht, sich um eine große Zahl von Zielproteinen in der Zelle zu wickeln und dabei deren
Aktivität zu verändern. Eine besonders wichtige Klasse von Zielmolekülen für Calmodulin sind
2+
die Ca Calmodulin-abhängigen Proteinkinasen (CaM-Kinasen). Werden diese Kinasen durch
2+
Bindung an Calmodulin im Komplex mit Ca aktiviert, beeinflussen sie andere Vorgänge in
der Zelle, indem sie ausgesuchte Proteine phosphorylieren.
Phosphorylierungskaskaden:
Die Phosphorylierung ist ein sehr verbreiteter Mechanismus, mit dem Zellen die Aktivität ihrer
Proteine regulieren.
Dabei übertragen Enzyme die Phosphatgruppen vom ATP auf ein anderes Protein (die sog.
Proteinkinasen), wobei eine “Phosphorylierungskaskade” entsteht. Allgemein ausgedrückt
bedeutet dies:
Ein extrazelluläres Rezeptormolekül aktiviert einen Rezeptor in der Phospholipidmembran
einer Zelle (Tyrosin-Kinase). Dieses aktivierte Rezeptormolekül wiederum aktiviert über ein
weiteres Protein ein Überträgerprotein, das sog. RAS. Dieses RAS-Protein löst nun eine
Phosphorylierungskaskade über drei Proteinkinasen aus - die zuerst durch das RAS aktivierte
Kinase phosphoryliert die zweite Kinase, diese phosphoryliert die dritte, usw.. Die zuletzt
phosphorylierte Kinase phosphoryliert dann verschiedene Zielproteine, v. a.
Regulatorproteine, welche die Genexpression steuern.
3 Phasen des Fortpflanzungsaktes bei der inneren Befruchtung:
a)
Begattung (Kopulation) = körperliche Vereinigung
b)
Besamung
= Vereinigung von Ei und Samenzelle (Aktivierung des Eis)
c)
Befruchtung
= Vereinigung der beiden Chromosomensätze
Charakteristika von Befruchtung:
a)
Spezies-spezifische Erkennung (Chemotaxis: kleine Peptide/Lockstoffe ; Spezielle
Rezeptoren:
Bindin-Rezeptoren auf der Vittelinhülle beim Seeigel; ZP3 auf
der Zona pellucida bei Säugern)
b)
Fusion von Spermium und Eizelle
c)
Verhinderung von Polyspermie (Rascher Block: Befruchtungspotential
Langsamer Block: Härtung der Vitelinhülle / Zona pellucida)
d)
Aktivierung der Embryogenese
Vorteile von sexueller Vermehrung:
Sexuelle Fortpflanzung erhöht die genetische Variabilität der Nachkommen:
a)
Sie schafft einzigartige Kombinationen der von den beiden Eltern ererbten Gene.
b)
Durch die Erzeugung von Nachkommen mit vielen verschiedenen Geno- und
Phänotypen kann
die sexuelle Fortpflanzung den reproduktiven Erfolg der
Eltern erhöhen, wenn sich
Krankheitserreger oder andere Umweltfaktoren relativ
rasch vermehren.
Spermium:
Die Struktur des Spermiums passt optimal zu seiner Funktion. Bei den meisten Tierarten
enthält der Spermienkopf den haploiden Zellkern. Ihm ist ein besonderes Vesikel vorgelagert,
das Akrosom, welches Enzyme zum Durchdringen der Eihülle enthält. An den Spermienkopf
schließt sich ein Mittelstück an, das zahlreiche Mitochondrien enthält (bei einigen Arten auch
nur ein einziges großes); diese liefern ATP für die Bewegung des Schwanzfadens. Er hat die
übliche Feinstruktur der Eukaryotengeißel.
Eizelle:
Die Bildung reifer, unbefruchteter Eizellen erfolgt in der Oogenese, welche in den Ovarien
(Eierstöcken) stattfindet. Im sich entwickelnden Embryo vervielfältigen sich die Oogonien,
diejenigen Stammzellen, aus denen die Eizellen entstehen, doch dieser Prozess kommt dann
zum Stillstand. Die Zellen in diesem Stadium, die als “primäre Oocyten”bezeichnet werden,
ruhen inaktiv in kleinen Follikeln, bis sie in der Pubertät durch Hormone reaktiviert werden.
Vom Beginn der Pubertät an regt FSH (Follikel stimulierendes Hormon) periodisch das
14
Wachstum von 500-1000 der Follikel an. Derjenige, der am besten auf FSH reagiert, zieht mit
der Zeit das ganze Hormon an sich und wird schließlich zum “Graafschen Follikel”.
Gleichzeitig veranlasst FSH die Bildung von Progesteron, und dieses veranlasst die
Fortführung der Meiose. Die “sekundäre Oocyte” verbleibt nun in diesem Stadium bis zur
Ovulation (Eisprung).
Unterschiede zur Spermienbildung: 1.: Nur EINE große Zelle wird zum Ei, die wesentlich
kleineren
Polkörper degenerieren.
2.: Alle potenziellen Eizellen sind von Geburt an
vorhanden und
werden nicht (wie bei der Spermiogenese) neu
gebildet.
3.: Die Oogenese erfogt periodisch, nicht kontinuierlich.
Rindengranula (Cortikalgranula):
à siehe “Befruchtung am Beispiel des Seeigels”
Centrosom:
In Zellen werden die Mikrotubuli in spezialisierten organisierenden Zentren gebildet. In
tierischen Zellen organisiert bspw. das Centrosom (es befindet sich üblicherweise auf einer
Seite des Zellkerns, wenn keine Mitose erfolgt und hat keine Membran) die Anordnung von
Mikrotubuli, die von hier nach außen ins Cytoplasma ausstrahlen.
Das Centrosom spielt bei der Zellteilung eine wichtige Rolle: Der Aufbau der SpindelMikrotubuli beginnt am Centrosom, welches während des gesamten Zellzyklus die Mikrotubuli
der Zelle organisiert. In der Interphase verdoppelt sich das Centrosom. Die beiden dabei
entstehenden Tochtercentrosomen liegen zu Beginn der Mitose in der Nähe des Zellkerns;
während der Prophase und Prometaphase entfernen sie sich voneinander und werden zu
den Ausgangspunkten der “Spindelfasern”, die nach allen Richtungen ausstrahlen und die
Chromatiden an sich “heranziehen” (eigentlich falsch, da die Chromatiden eher an den
Spindelfasern entlang ”wandern”).
Zona pellucida:
Die Zona pellucida ist die extrazelluläre Matrix des Eies. Sie enthält drei unterschiedliche
Glykoproteine, die als Filamente dreidimensional vernetzt sind. Eines dieser Glykoproteine,
ZP3, fungiert gleichzeitig als Spermien-Rezeptor, indem es das komplementäre Molekül auf
dem Spermienkopf bindet. Der Inhalt des Akrosoms im Spermium wird nach dieser
molekularen Interaktion durch Exocytose freigesetzt, wie in der Akrosomreaktion beim
Seeigel (siehe unten).
Befruchtung am Beispiel des Seeigels:
“Seeigel”(Echinoidea): Abteilung:
Gewebetiere (Eumetazoa)
Unterabteilung: Bilateria
Überstamm:
Neumünder (Deuterostomier)
Stamm:
Stachelhäuter (Echinodermata)
Klasse:
Seeigel (Echinodea)
Seeigel besitzen keine Arme, aber fünf Reihen Ambulakralfüßchen zum Festhalten. Sie
bewegen sich mit Hilfe von Stacheln. Im Inneren sind sie relativ hohl, aufgrund der großen,
flüssigkeitsgefüllten Leibeshöhle (Coelom). Seeigel sind Weidegänger und benutzen ihren
mächtigen Kieferapparat um Algen und tierische Aufwüchse abzurupfen.
Es gibt 2 Unterklassen: Regularia (radialsymmetrisch) und Irregularia (bilateralsymmetrisch).
Seeigel sind ein ausgezeichnetes Referenzmodell für Befruchtung und Embryogenese. Zwar
sind sie keine Chordaten, aber dennoch Deuterostomier - ihre Frühentwicklung ähnelt daher
der der Vertebraten.
Bei der Fortpflanzung des Seeigels erfolgt die Befruchtung extern. Seeigel setzen ihre
Gameten in das umgebende Meerwasser aus.
Die Spermienzelle “findet”die Oocyte, indem sie von “Lockstoffen”geführt wird. Es handelt
sich um kleine Peptide, die über größere Entfernungen wirken können. Man bezeichnet
diesen Vorgang als Chemotaxis. Treten Spermienzelle und Eizelle in Kontakt, verschmilzt das
Akrosombläschen mit der Plasmamembran des Spermiums.
Durch Exocytose wird sein Inhalt entlassen. Es bildet sich ein Akrosomfortsatz aus. Die
freigesetzten hydrolytischen Enzyme ermöglichen das Durchdringen der Gallerthülle des
Eies. Die Spitze des Akrosomfortsatzes trägt das Protein Bindin. Es bindet nach dem
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Schlüssel-Schloss-Prinzip an Bindin-Rezeptoren auf der Vitellinhülle. So wird eine
artspezifische Befruchtung sichergestellt. Diese Akrosomreaktion führt zum Verschmelzen
des Spermiums mit der Eizelle.
+
Daraufhin öffnen sich Natrium-Ionenkanäle. Na strömt in die Zelle. Die Membran wird
depolarisiert. Dieses Befruchtungspotential verhindert das Eindringen weiterer Spermien. Es
ist der rasche Block gegen Polyspermie. Ohne diesen Block würden die Keime mehrfach
befruchtet, was aberranke Chromosomenzyklen und abnorme Teilungsmuster zur Folge
hätte. Nur der Spermienkern tritt ins Ei ein.
Auf die Akrosomenreaktion folgt die Cortikalreaktion. Die Fusion von Spermium und Eizelle
2+
löst unter Beteiligung eines G-Proteins die Freisetzung von Calciumionen (Ca ) aus
(“Calciumwelle”). Daraufhin verschmelzen bestimmte Vesikel, die Cortikalgranula mit der
Plasmamembran. Sie geben ihren Inhalt in den perivitellinen Raum ab. Dieser weitet sich und
die Vitellinhülle löst sich. Die Bindin-Rezeptoren werden abgeschnitten. Die Vitellinhülle härtet
aus und wird damit zur Befruchtungshülle. So entsteht der langsame Block gegen
2+
Polyspermie. Weiterhin bewirkt die hohe Ca -Konzentration im Ooplasma das Öffnen eines
Na+/H+-Antiports. Der pH-Wert steigt, was zur Aktivierung des Eies führt.
Merke: Das Spermium trägt zur Aktivierung nichts Stoffliches bei!
Der Spermiumkern schwillt an, man nennt ihn nun Vorkern (Pronucleus). Nach 20
Min. verschmilzt er mit dem weiblichen Pronucleus (Karyogamie). Dies ist die eigentliche
Befruchtung.
Befruchtung bei Säugern:
Die Befruchtung bei Säugern verläuft intern. Einige der Sekrete im weiblichen
Reproduktionstrakt verändern bestimmte Oberflächeneigenschaften der Spermien. Erst durch
diese Veränderungen erlangen die Spermien ihre Befruchtungsfähigkeit (Kapazitation; dauert
beim Menschen ca. 6 Stunden).
Das kapazitierte Spermium muss zunächst zwischen den Follikelzellen, welche die Eizelle
umhüllen, hindurch dringen und erreicht dann die Zona pellucida (siehe oben). Hier trifft das
Spermium auf das Glykoprotein ZP3, womit es bindet. Daraufhin wird der Inhalt des
Akrosoms exocytiert (allerdings bildet sich kein Akrosomfortsatz).
Durch Enzyme aus dem Akrosom durchdringt das Spermium die Zona pellucida und erreicht
die Plasmamembran des Eies, woraufhin es mit der Eizelle fusioniert.
Wie im Seeigel-Ei löst der Kontakt des Spermiums auch beim Säuger-Ei eine rasche
Depolarisation der Ei-Plasmamembran aus - eine Calciumwelle wird ausgelöst (rascher Block
gegen Polyspermie) und die Zona pellucida härtet aus (langsamer Block gegen Polyspermie;
es hebt sich aber keine Befruchtungshülle ab).
Nun ziehen Mikrovilla (fingerförmige Ausstülpungen auf der Plasmamembran des Eies) das
komplette Spermium ins Ei. Der Basalkörper der Spermiengeißel teilt sich und liefert 2
Kentrossomen (mit Centriolen), welche bei der Zellteilung die Mitosespindel aufbauen;
unbesamte Eizellen von Säugern besitzen selbst keine Centriolen.
→ Unterschiede zum Seeigel: Die beiden Vorkerne (Pronuclei) fusionieren nicht; stattdessen
lösen sich ihre Kernhüllen vorzeitig auf.
Furchung:
In der Frühentwicklung verwirklichen drei embryonale Prozesse die Gestaltbildung eines
Tieres. Eine besondere Form von Zellteilungen, die man als “Furchung”bezeichnet, unterteilt
die Zygote (befruchtete Eizelle) bis zum Stadium der Blastula.
Die Furchung beginnt kurz nach der Befruchtung und ist durch eine rasche Abfolge
von Zellteilungen charakterisiert. Bei einer Furchung durchlaufen die Zellen die S-Phase
(DNA-Synthese) und M-Phase (Mitose-Phase) eines Zellzyklus, allerdings ohne G1- und G2Phase. Eine Transkription ist während der Furchung kaum nachweisbar und der Embryo
wächst in diesem Zeitraum nicht.
Die Furchung verteilt das Cytoplasma der großen Zygote auf immer kleiner werdende Zellen,
die Blastomeren. Demzufolge werden unterschiedliche Plasmabereiche aus dem ungeteilten
Ei unterschiedlichen Blastomeren zugeschlagen. Unterschiedliche Regionen der Zygote
enthalten also auch eine unterschiedliche Zusammensetzung cytoplasmatischer Bestandteile,
was eine wichtige Basis für spätere Entwicklungsprozesse darstellt.
Bei Seeigeln und Fröschen verlaufen die ersten beiden Furchungen meridional, d.h.
Zellgrenzen von Pol zu Pol. Die dritte Furchung verläuft hingegen äquatorial.
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Polarität der Keime:
Mit Ausnahme von Säugern besitzen die Keime vieler Tiere eine erkennbare Polarität. Diese
wird durch Konzentrationsgefälle cytoplasmatischer Komponenten festgelegt. Oft ist die
Dotterkonzentration ausschlaggebend (z.B. Frosch).
Am vegetativen Pol befindet sich viel Dotter, am entgegen gesetzten animalen Pol wenig
Dotter. Deshalb gibt es auch 2 Arten von Blastomeren: kleine, animale Blastomeren
(Micromeren, diese sind dotterarm) und große, vegetative Blastomeren (Macromeren, diese
sind dotterreich). Der Keim hat folglich eine “animale”(mit dunklen Melaningranula) und eine
“vegetative”(mit gelblichen Dottergranula) “Hemisphäre”.
Dotterkomponenten verlangsamen oft die Teilungsprozesse und deswegen verläuft die
Furchung in der animalen Hemisphäre des Keims viel rascher als in der vegetativen
Hemisphäre; infolgedessen entstehen Blastomeren unterschiedlicher Größe.
Der “graue Halbmond”liegt gegenüber der Eintrittsstelle des Spermiums.
Frühe Embryonalentwicklung:
Durch wiederholte Furchung entsteht zunächst eine Zellkugel, die man als Morula (lat.:
morum für “Maulbeere”) bezeichnet und die eine Zellkugel aus 16-64 Zellen darstellt. Im
Zentrum der Morula bildet sich dann das Blastocoel, ein flüssigkeitsgefüllter Hohlraum. Die
Zellaffinität nimmt im Laufe der weiteren Entwicklung zu, und die Zellen flachen sich
gegenseitig ab. Dieses Stadium - eine zelluläre Hohlkugel mit glatter äußerer Oberfläche bezeichnet man als Blastula (mind. 128 Zellen). Daraufhin folgt die Gastrelation (siehe weiter
unten).
Furchungstypen:
- Dotterreiche Eier furchen anders als dotterarme!
- Dotterreiche Eier (z.B. Vögel, Reptilien, einige Fische): meroblastische Furchung (unvollst.
Teilung):
Die Furchung beschränkt sich auf einen kleinen Teilbereich der Eizelle am animalen Pol - die
Keimscheibe.
- Dotterarme und mäßig dotterreiche Eier (z.B. Seeigel, Frösche): holoblastische Furchung
(vollst. Teilg.)
Gastrulation:
In diesem Prozess wird die Anordnung der Zellen dramatisch verändert. Obwohl die
Einzelheiten der Gastrulation von Tiergruppe zu Tiergruppe variieren, sind sie sich doch sehr
ähnlich.
Die Gastrulation umfasst Veränderungen der Zellmobiliät, der Zellform sowie der Affinität zu
benachbarten Zellen und zu Komponenten der extrazellulären Matrix. Im Zuge der
Gastrulation bewegen sich manche Zellen aus einer oberflächlichen Lage ins Innere des
Keimes. Ausgehend von der relativ einfach gebauten Blastula ist der Embryo nun wesentlich
komplexer und wird als Gastrula bezeichnet.
Bilateralsymmetrische Tiere bilden 3 Keimblätter aus:
Das Ektoderm bildet die Epidermis der Gastrula (äußeres Keimblatt).
Das Entoderm wird zur Wand des embryonalen Darms (inneres Keimblatt);Dieser Urdarm
entsteht durch Einstülpung der vegetativen Polplatte und wird Archenteron genannt.
Das Mesoderm füllt zeitweise den Raum zwischen Ekto- und Entoderm (mittleres Keimblatt).
Gastrulation am Beispiel des Seeigels:
Die Wand der Seeigel-Blastula ist nur einschichtig. Die Gastrulation zeigt sich zuallererst am
vegetativen Pol, wo die Zellen zunächst prismatisch werden. Die vegetative Polplatte beginnt
sich nun durch Invagination ins Blastocoel einzustülpen. Einige Zellen dieses Bereichs lösen
sich und wandern als Mesenchymzellen in das Blastocoel. In der hochgewölbten vegetativen
Polplatte reorganisieren sich die Zellen stark und die geringfügige Invagination vertieft sich zu
einer schlanken fingerförmigen Einstülpung, dem Urdarm oder Archenteron. Die Öffnung
dieses Urdarms bezeichnet man als Urmund (Blastoporus), der später zum After wird. Nach
maximaler Streckung biegt sich die Spitze des Urdarms zur späteren Ventral-(Bauch)Seite
und berührt hier das Ektoderm. An dieser Berührungsstelle bricht der “echte”Mund durch.
Beidseitig schnürt sich aus dem Urdarm jeweils ein Mesodermbläschen ab, die das
komplizierte Coelomsystem des Seeigels bilden.
Am Ende der Gastrulation besitzt der Embryo also einen Darm.
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Die Gastrula entwickelt sich zu der stark bewimperten Pluteus-Larve, die planktisch in
der oberen Wasserschicht des Meeres von Bakterien und einzelligen Algen lebt.
Implantation (Einnistung, Nidation):
Während der Implantation versenkt sich die Blastocyste enzymatisch in das Endometrium
(Uterus-Schleimhaut), das mit einem Umwachsen der Blastocyste reagiert. In den nächsten
Wochen erhält der Embryo Nährstoffe direkt vom Endometrium, indem er Blut aufnimmt (er
lebt somit zunächst “hämophag”). In dieser Zeit verflechten sich Endometrium und
embryonales Gewebe und bilden die Plazenta (Mutterkuchen).
Chorda dorsalis:
Die Chorda dorsalis ist das ursprüngliche Achsenskelett aller Chordatiere. Es ist ein lang
gestreckter, flexibler Stab zwischen dem Darmkanal und dem Neuralrohr und besteht aus
großen, mit Flüssigkeit gefüllten Zellen, die von recht steifem, fibrösem Gewebe umgeben
sind. Sie erstreckt sich über fast die gesamte Länge des Tieres, ist steif-elastisch und dient
als Widerlager und zur Verankerung der segmental angeordneten Muskelpakete (Myomeren)
- ein anschauliches Beispiel stellt das Lanzettfischchen dar.
Bei Vertebraten bildet sie sich meist vollständig zurück und weicht der Wirbelsäule. Säuger
besitzen nur noch Überreste der embryonalen Chorda - z.B. als gallertartiges Material in den
Zwischenwirbelscheiben des Menschen (Bandscheiben).
Mosaikentwicklung:
Bei Mosaikeiern ist das Entwicklungsschicksal der Furchungszellen von Anfang an
vorgegeben. Es steht also von Beginn an fest, welche Zellen zu welchen Geweben werden.
Der Grund dafür liegt bei den verschiedenen Stoffkonzentrationen im Plasma des Eies
(Beispiele: Borstenwürmer, Insekten, Weichtiere, Manteltiere). Die prospektive Potenz
(Menge der möglichen künftigen Funktionen von Zellen eines Keimlings) ist gleich der
prospektiven Bedeutung (das, was bei normaler Entwicklung tatsächlich aus ihr entsteht).
Regulationskeim:
Die Determination der Blastomeren vollzieht sich erst nach einigen Furchungen. Bis dahin
sind sie noch totipotent (können “Alles”werden), d.h. sie haben die Eigenschaften der Zygote
beibehalten.
Eine Rolle spielt die symmetrische Verteilung von cytoplasmatischen Determinanten.
Bei Säugern kann bis zum 8-Zell-Stadium jedes Blastomer isoliert werden und bildet dann
trotzdem einen vollständigen Embryo.
Deuterostomier (Neumünder):
Dazu gehören alle Echinodermen, Chordaten und Hemichordaten.
Bei Deuterostomiern kommt es niemals zur Spiralfurchung (zumindest bis zum 8-ZellStadium), sondern zur Radiärfurchung (Zellgrenzen schön rechtwinklig zueinander).
Sie charakterisiert auch eine spät determinierte Furchung - die Fähigkeit, einen vollständigen
Embryo auszubilden, bleibt bei einer frühen Trennung der Zellen (z.B. im 4-Zell-Stadium) also
erhalten.
Außerdem bildet sich bei der Weiterentwicklung des Urdarms am entgegen gesetzten Ende
der Gastrula der sog. Neumund, während der Urmund meistens zum After wird.
Konvergente Ausdehnung:
Bei der konvergenten Ausdehnung ordnen sich die Zellen einer Gewebsschicht derart neu
an, dass die Zellschicht schmaler wird (d.h. die Zellen laufen zusammen, sie konvergieren),
während sie sich gleichzeitig verlängert. Wenn sich viele Zellen wie Keile zwischen einander
schieben, kann sich das Gewebe beträchtlich ausdehnen.
Konvergente Ausdehnung spielt im Frühstadium der Embryonalentwicklung eine wichtige
Rolle (z.B. bei der Invagination der Gastrula; wenn sich beim Seeigelembryo der Urdarm
verlängert).
Neurulation:
(Notiz: Mikrotubuli bewirken die Verlängerung der Neuralplattenzellen entlang der
dorsoventralen
Achse; die Zellen werden keilförmig und das Gewebe stülpt sich ein).
Ausgelöst durch den Kontakt mit der Chorda-Mesoderm-Anlage wächst das Mesoderm
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höher: es entsteht die Neuralplatte. Diese senkt sich zur Neuralrinne ein und schließt sich
zum Neutralrohr (das Neuralrohr ist die erste Entwicklungsstufe des ZNS bei Chordatieren).
Das Ektoderm der Dorsalseite überwächst das Neuralrohr. Bei Wirbeltieren schnüren sich im
Bereich des Rückenschlusses beidseitig die Neuralleisten ab. Schließt das Neuralrohr nicht
richtig, kann es zu Anenzephalie (Fötus ohne Gehirn) oder zur Spina bifida (“Schwanz”)
kommen.
Metamorphose:
(Notiz: Apoptose (kontrollierter Zelltod) spielt eine wichtige Rolle, z.B. Abstoßung des
Kaulquappenschwanzes)
Metamorphose bezeichnet die Umwandlung der Larvenform zum (geschlechtsreifen)
Adultstadium.
Die Gestalt und Lebensweise des larvalen Stadiums weicht vom Adultzustand ab.
Ablauf Larvale Organe werden resorbiert oder abgestoßen. Anlagen der Adultorgane werden
zur Funktionsfähigkeit entwickelt.
Man unterscheidet:
1. kontinuierliche Metamorphose (umfasst die gesamte postembryonale Entwicklung;
z.B. Krebse
2. katastrophale Metamorphose (große Teile des Larvenkörpers werden
abgeworfen (Puppenstadium); z.B. Pluteus-Larve
Spemann-Organisator:
Der Spemann-Organisator führt zur Induktion einer kompletten zweiten Körperachse.
Die dorsale Urmundlippe des Blastoporus spielt eine Schlüsselrolle in der
Embryonalentwicklung.
Im Experiment wurde einem Spenderembryo ein Stück aus der Urmundlippe entnommen und
auf der Bauchseite eines zweiten Embryos eingepflanzt. Dies führte zur Entwicklung einer
zweiten Chorda und eines zweiten Neuralrohrs. Im weiteren Verlauf der Entwicklung entstand
ein zweiter, fast vollständiger (“siamesischer”) Zwillingsembryo.
Wegen ihrer Bedeutung bezeichnet man die dorsale Urmundlippe heute als SpemannOrganisator: er löst eine Kette von Induktionsreaktionen aus.
Herkunftsgemäß / Ortsgemäß:
Transplantiert man eine embryonale Zelle (oder einen Zellverband) in eine neue Umgebung,
so kann er sich auf zweierlei Arten entwickeln:
Ortsgemäß:
Die Zelle entwickelt sich wie die Zellen in ihrer Nachbarschaft, also
nicht-autonom.
Herfkunftsgemäß:
Die Zelle hält an ihrer herkunftsgemäßen Entwicklung fest. Sie verhält
sich
also zellautonom und lässt sich nicht vom Nachbargewebe
beeinflussen.
Radiäre Glia:
Ein sich entwickelnder Embryo bildet die sog. Radialglia-Bahnen, an denen Neuronen vom
Neuralrohr auswandern und auswachsen können.
Nervenzelle (Neuron):
Das Neuron ist die strukturelle und funktionelle Einheit des Nervensystems.
Ein Neuron hat einen Zellkörper (Soma), der den Nucleus und weitere Organellen
enthält, und es hat zwei Typen von Faserfortsätzen. Dendriten (griech. “dendron”für “Baum”)
sind kurze, stark verzweigte Fortsätze, die Eingänge von anderen Zellen empfangen und
diese Informationen als elektrisches Signal zum Zellkörper hinleiten. Axone sind
normalerweise viel länger als Dendriten und leiten vom Neuron ausgehende Informationen zu
anderen Zellen weiter. Die konische Region des Axons direkt am Zellkörper nennt man
Axonhügel; diese Region spielt eine entscheidende Rolle bei der Fortleitung und Integration
von Nervensignalen. Viele Axone werden von einer isolierenden Schicht umgeben, der
Myelinhülle (oder Myelinscheide), welche von Gliazellen gebildet wird. Axone besitzen
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spezialisierte synaptische Endigungen, welche durch die Abgabe chemischer Botenstoffe
(sog. Neurotransmitter) Signale von einem Neuron zu einer anderen Zelle übertragen. Die
Kontaktstelle zwischen einer synaptischen Endigung und der Zielmembran der anderen Zelle
nennt man Synapse.
Die Zielzelle kann ein weiteres Neuron sein oder ein Effektor wie eine Muskel- oder
Drüsenzelle. Die das Signal weiterleitende Zelle heißt präsynaptische Zelle, die Zielzelle
nennt man postsynaptische Zelle. Ein Axon ist oft verästelt und jeder Ast kann Hunderte bis
Tausende von synaptischen Endigungen aufweisen.
Axonale Wegfindung:
Um ihre Zielzellen zu erreichen, müssen Axone mitunter “weite”Strecken zurücklegen. Eine
Fülle von molekularen Wegweisern gibt ihnen die Richtung an. Man nennt sie Leitmoleküle.
An der Spitze des Axons befindet sich eine empfindliche Region, der Wachstumskegel. Die
Zielzellen geben Signalmoleküle ab, die an Rezeptoren in seiner Plasmamembran binden.
Das Axon wächst nun entweder zur Signalquelle hin (Attraktion), oder entgegengesetzt
(Repulsion) aus. Das Wachstum des Axons erfolgt mit Hilfe von Mikrotubuli und
Aktinfilamenten.
Der Prozess der “Wegfindung”aufgrund von Leitmolekülen wird auch Chemotaxis genannt.
Neuronale Stammzellen:
Auch im adulten Gehirn entstehen noch neue Nervenzellen. Reife Gehirnzellen haben viele
Verästelungen und Verbindungen zu anderen Zellen und sind natürlich nicht in der Lage,
Zellteilungen durchzuführen. Deshalb müssen die neuen Gehirnzellen von Stammzellen
erzeugt worden sein. Jedoch sind diese neuronalen Stammzellen (besser gesagt
“Vorläuferzellen”) nicht mehr so plastisch wie embryonale Stammzellen. Eine solche
neuronale Stammzelle kann sich (nur noch) zu Gliazellen oder Neuronen entwickeln.
Feuerungsregel:
Die Feuerungsregel ist entscheidend für das “fine-Tuning” neuronaler Verbindungen. Sie
besagt:
Nicht beanspruchte Synapsen werden geschwächt und im Extremfall zerstört.
Hoxgene (Homöotische Gene):
Hoxgene sind wie Perlenketten aneinandergeordnet. Ein Hox-Gen kann eine Kaskade
anderer funktionell zusammenhängender Gene ein- oder ausschalten.
Zu Hoxgene: Nachdem andere embryonale Segmentierungsgene den Embryo in Segmente
unterteilt haben, legen die Hox-Gene die Identität der einzelnen Segmente fest: Sie
entscheiden, welche Anhänge und sonstigen Strukturen an den jeweiligen Segmenten
ausgebildet werden sollen.
Hox-Gene wirken indirekt, indem sie die Transkription ganzer Batterien von
Entwicklungsgenen kontrollieren. Sie codieren also selbst für Transkriptionsfaktoren, die die
Transkription anderer Gene ein- oder ausschalten.
Sie spielen eine übergeordnete Rolle und werden deshalb auch als Meisterkontrollgene
bezeichnet.
Hoxgene besitzen sogenannte…
Homöoboxen:
Homöoboxen sind charakteristische Abschnitte der Hox-Gene. Sie sind (bei Drosophila) ca.
180 Nucleotide (Basenpaare) lang und codieren für Homöodomänen, bestimmte Teile des
Proteins, die 60 Aminosäuren lang sind und das Protein dazu befähigen, (unspezifisch) an
die DNA zu binden.
Bei vielen Arten sind Homöobox-Sequenzen annähernd gleich, was den Schluss
zulässt, dass diese schon sehr früh in der Geschichte des Lebens entstanden sind.
Homöosis:
Bestimmte Segmente haben eine “falsche” Identität, d.h. durch Mutationen der Hox-Gene
wachsen falsche Strukturen an den Segmenten aus.
Bei der Fruchtfliege Drosophila etwa wachsen dann bspw. am Kopf Beine statt Antennen (die
sog. “Antennapedia-Mutation”). Bei Wirbeltieren entstehen durch Hox-Gen-Mutationen
manchmal zusätzliche Wirbel oder Rippen. → Man spricht in diesen Fällen von homöotischen
20
Transformationen.
Musterbildung:
Die Musterbildung ist die Entwicklung einer räumlichen Organisation, bei der die Gewebe und
Organe eines Organismus alle ihre charakteristische Position einnehmen. Sie beginnt in
einem frühen Embryonalstadium und ist bei Tieren auf das Embryonalstadium und die
Jugendstadien beschränkt. Schon bevor spezialisierte Gewebe und Organe erkennbar sind,
liegen bspw. die relativen Positionen von Kopf und Schwanz des Tieres fest.
Die molekularen Signale, welche die Musterbildung steuern, bezeichnet man in ihrer
Gesamtheit als Positionsinformation (“Lageinformation”).
Drosophila - Entwicklung:
1.)
Nach Befruchtung und Eiablage beginnt die Mitose, allerdings ohne Cytokinese (d.h.
eine
mehrkernige Zelle entsteht
2.)
Die Kerne wandern zur Peripherie des Embryos
3.)
Bildung der Plasmamembranen; Determination des grundlegenden Körperbauplans
4.)
Bildung der Segmente
5.)
Die Zellen wandern an neue Positionen; Organe bilden sich und die Larve (Made)
schlüpft
6.)
Verpuppung
7.)
Metamorphose: Bei der adulten Fliege (Imago) ist jedes Segment anatomisch
unterschiedlich.
Alle Angaben ohne Gewähr
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