Zellbiologie WS 2004-05 (Inoffizielles Skriptum)
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© A.F. 2004/05 WS 2004/2005 INOFFIZIELLES Zellbiologie Skriptum WS 2004/2005 (Do. 10.15-11.45 HS B/Technik) 07.10. Die Zelle – Einführung Die Zelle als Grundbaustein des Lebens Entwicklung des Lebens; Prokaryoten, Eukaryoten (Seite 2) 14.10. – entfällt 21.10. Prokaryoten Archaebakterien, Eubakterien; Aufbau, Stoffwechsel, Resistenz; Vergleich Prokaryot/Eukaryot (Seite 11) 28.10. Zellmembranen Lipid-Doppelmembran; Fluid Mosaik Modell (Seite 20) 04.11. Zell-Interaktionen, Cuticula, Zellwände, Cytoplasma (Seite 28) 11.11. Zellkern (Seite 38) Interphasekern tierischer und pflanzlicher Zellen Kernformen, Kernhülle und Kernporen, Nucleolus, Chromosomen, DNA, Mitose 18.11. Mitose, Meiose, Gametenbildung (Seite 48) 25.11. Ribosomen und Proteinsynthese Transkription; Ribosomen, Translation (Seite 67) 02.12. Proteinsynthese, Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Lysosomen Synthese von Export- und Membranproteinen; Exocytose, Microbodies (Seite 76) 09.12. Mitochondrien (Seite 89) 16.12. Plastiden, Cytoskelett Mikrotubuli; Actinfilamente, Intermediärfilamente (Seite 105) 13.01. Zelltod und Zellabbau Nekrose, Apoptose; pathophysiologische Aspekte (Seite 126) 20.01. Zelltypen, (Seite 137) 27.01. Abschlussklausur Literatur - Plattner/Hentschel: Taschenlehrbuch der Zellbiologie (Thieme) - Kleinig/Sitte: Zellbiologie (Fischer) - Ude/Koch: Die Zelle - Atlas der Ultrastruktur (Fischer) - Cooper: The Cell (ASM Press) - Alberts et al.: Molekularbiologie der Zelle (VCH) - Lodish et al.: Molecular Cell Biology (Freeman) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 1 ZELLBIOLOGIE DIE ZELLE – EINFÜHRUNG 07.10.2004 Zelltheorie, basierend auf der Arbeit von Schleiden und Schwann, sowie von Virchow "omnis cellula e(x) cellula" (R. Virchow, 1855) ⇒ die Zelle selbst lebt und ist die basale Funktionseinheit der Organismen ⇒ alle Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen ⇒ alle Zellen entstehen aus Zellen DIE ZELLE – ERSTE EXPERIMENTE ⇒ Vor ca. 150 Jahren beginnt die Wissenschaft der Zellbiologie o Alle Zellen entstehen aus Zellen o Vielleicht gab es irgend wann mal eine „Urzelle“ ⇒ Die Zelle selbst lebt und ist die basale Funktionseinheit aller Organismen o Alle Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen ⇒ Francesco Redi (1668) → Experiment mit Fliegenmaden ⇒ Lazzaro Spallanzani (1729-99) → Spallanzani hat in dem alten Streit um die Frage der Urzeugung, das heißt der Entstehung von Lebewesen aus toter Materie, bereits 1769 unter der wissenschaftlichen Annahme "ohne Leben kein Leben" nachgewiesen, dass es durch luftdichten Abschluss und genügend langes Erhitzen einer organischen, Stoffe enthaltenden Flüssigkeit gelingt, die Entwicklung von Mikroben zu verhindern bzw. in derselben vorhandene Kleinlebewesen mit Sicherheit abzutöten. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 2 ZELLBIOLOGIE ⇒ Louis Pasteur (1859) wollte in einem Experiment beweisen, dass Leben aus Leben entsteht: Er gab Fruchtsaft in eine Flasche mit langem gebogenen Hals, erhitzte den Hals, ließ ihn offen und es lagerten sich dort Mikroorganismen ab, die in der Luft waren, der Saft blieb steril (siehe Abbildung). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 3 ZELLBIOLOGIE ⇒ Wie stellt man sich eigentlich die sogenannte „Urzelle“ vor? o Dazu wollte Stanley Miller zuerst die Bedingungen der Uratmosphäre (vor ca. 3,5 Milliarden Jahren) nachstellen: CH4 NH3 H2O H2 + Energie + Kondensation Das ergab die sogenannte Ursuppe, die Miller untersuchte und er stellte fest, dass organische Moleküle entstanden waren, die Grundlage für den Aufbau aller Lebewesen (siehe Abbildung). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 4 ZELLBIOLOGIE CHEMISCHE EVOLUTION ⇒ abiotische Entstehung organischer Moleküle ⇒ Polymerbildung/Kettenbildung von Molekülen ⇒ Assoziation von Makromolekülen zu o Protobionten o Liposomen o Koazervate (verschiedene Polymere in einem Gemisch; können Moleküle auch chemisch verändern) ⇒ Aggregatbildung und Stoffwechsel, aber keine identische Reduplikation DIE „RNA WELT“ ⇒ RNA Moleküle können katalytische Aktivität haben = Ribozyme (Ribonukleinsäuren können Enzymfunktion haben) ⇒ Über RNA Moleküle ist eine identische Reduplikation leichter vorstellbar ⇒ Ribonukleinsäure besteht aus 4 Bausteinen (Basen): A = Adenin G = Guanin U = Urazil C = Cytosin A + U G + C ⇒ Allerdings ist bei der DANN statt dem Urazil das Thymin (T) Bindeglied vom Adenin A + T G + C ⇒ Basen können in einer Reihenfolge einen komplementären Gegenstrang zeugen ⇒ Beobachtungen bei der Replikation (= Kopieren der in der DNS gespeicherten genetischen Information als Voraussetzung für die Eiweiß-Biosynthese vom lat. replicatio „das Wiederaufrollen“) ⇒ In der Zelle fand man „small non coding RNA“, d.h. deren Informationen werden abgelesen, haben aber eine Kontrollfunktion ⇒ Ein Bakteriophage ist ein Virus, das Bakterien befällt z.B. der Phage oß mit RNA (ca. 4500 Nucleotide): o Die Replikase des Bakteriophagen bildet RNA-Stränge auch ohne Matrize (Vorlage, Muster). Wenn keine Matrize vorliegt, dann wird selbst eine erfunden. o Auch ohne Replikase entstehen neue Polymere aus einzelnen Basen, d.h. auch ohne Enzyme entstehen Polymere. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 5 ZELLBIOLOGIE ⇒ 2 Systeme: Matrize + Enzyme Solche Systeme hängen von den RNA-Fäden und von Enzymen ab, z.B. zwei Fäden + zwei Enzyme Passende Enzyme + Stränge finden sich zufällig oder auch nicht (Skizze) ⇒ damit dies alles zusammenhält braucht man die Zellwand und wenn alles verschlossen/eingehüllt ist, hat man eine „Urzelle“ WEITERE NOTWENDIGE SCHRITTE ⇒ Kompartimentierung ⇒ Entstehung der DNA ⇒ Entstehung eines Progenoten = Vorläufer der prokaryotischen Zellen = Vorläufer der Urzelle Aufgrund des Zufalls schieden die meisten Fälle aus, aber es reicht, wenn es ein einziges Mal passiert in einigen 100 Millionen Jahren © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 6 ZELLBIOLOGIE ⇒ Alternatives Modell: Panspermie Hypothese, die besagt: Leben ist durch einen Meteoriten auf diese Erde gekommen (die Erde wurde also mit Leben besamt) ERSTE ORGANISMEN ⇒ Wenn allerdings die Zelle total nach außen hin abgeschottet wäre, würde sie nicht lange existieren, d.h. sie muss durch die Zellmembran hindurch mit der Umwelt in Kontakt treten ⇒ Sie müssen sich autotroph von anorganischem Material ernährt haben ⇒ Dies geschieht durch RedOx-Reaktionen © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 7 ZELLBIOLOGIE EVOLUTION DES STOFFWECHSELS © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 8 ZELLBIOLOGIE ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Ersten Sauerstoff (O2) in der Atmosphäre gab es vor ca. 2 Milliarden Jahren Uraninit (UO2) kommt nur in Gesteinen vor, das älter als 2 Mrd. Jahre ist Gebänderte Eisenformationen [(Fe3O4)-] wurden vor ca. 2 Mrd. Jahren abgelagert Erste Heterocysten sind ca. 2 Mrd. Jahre alt © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 9 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 10 ZELLBIOLOGIE PROKARYOTEN & EUKARYOTEN 21.10.2004 ⇒ Erste eukaryotische Zelle gab es vor ca. 1,5 Mrd. Jahren PROKARYOTEN vs. (Einfache Einzeller wie Bakterien) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum EUKARYOTEN (Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere) 11 ZELLBIOLOGIE PROKARYOTEN → Bakterien ⇒ Während um 1900 v.a. Infektionskrankheiten ausgelöst von Bakterien an der Tagesordnung waren, sind diese bis 1990 fast gänzlich verschwunden ⇒ Heute sind Bakterien/Mikroorganismen von größerer Bedeutung denn je und haben viele positive Seiten (Abwasserreinigung, Bodenentseuchung, Bier, Käse, Milch, Kompostierung, …) PROKARYOT © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum EUKARYOT 12 ZELLBIOLOGIE Kein Zellkern DNA frei im Plasma Kleine Ribosomen Zellkern DNA im Zellkern Viele Organellen (Chromoplasten, Mitochondrien, Golgi-Apparat, …) BAKTERIUM © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 13 ZELLBIOLOGIE ⇒ Bei der Plasmolyse (Schrumpfen der Zelle → Osmose) hebt sich die Zellwand von der Zellmembran deutlich ab SYSTEMATIK DER BAKTERIEN DURCH GRAM-FÄRBUNG GRAM-POSITIV (blaue Färbung) GRAM-NEGATIV (rote Färbung) (Skizzen) Die Zellwand besteht Zellwand kann sich verändern aus Peptidoglycan. (schlecht für Antikörper) 2 Zuckermoleküle sind die Grundbausteine für die Polysaccharid-Kette. Durch eine kurze PeptidKette wird eine Quervernetzung erzeugt. Im Grunde sind alle Wandstrukturen aus Polysacchariden aufgebaut. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 14 ZELLBIOLOGIE FORM DER BAKTERIEN ⇒ Schutzstoffe gegen Bakterien sind z.B. das Lysozym, (in der Tränenflüssigkeit), ein chronischer Abwehrmechanismus ⇒ Außerhalb der Zellwand gibt es unter Umständen kapseln und Schleime, die aus Polysacchariden bestehen (Streptococcus) und Polypeptiden (Bacillus) ⇒ Verdauungsenzyme werden auch nach außen abgeschieden ⇒ Durch Ausscheidung von Hexozyltransferasen werden Disaccharide (z.B. Saccharose) abgebaut zu z.B. Fructose + Glucose © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 15 ZELLBIOLOGIE BEWEGUNG DER BAKTERIEN v.a mit Geißeln (Skizzen) monopolar monotrich monopolar polytrich bipolar polytrich (amphitrich) peritrich AUFBAU EINER GEISSEL ⇒ Eine Geißel besteht aus dem Protein Flagellin © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 16 ZELLBIOLOGIE ⇒ Bakterien schwimmen in eine Richtung, beginnen dann zu taumeln und ändern dann ihre Richtung. Reizt man ein Bakterium mit Lockstoffen (z.B. Zucker), dann bewegt es sich in eine Richtung fort und sobald der Lockstoff schwächer wird ändert es die Richtung, so dass es früher oder später den Lockstoff erreicht. (Skizze ↑) ZELLINNERES ⇒ Doppelsträngige DNA, ringförmig (Doppelhelix) Aus T, A, C, G Basenpaaren aufgebaut (Skizze) ⇒ Zusätzlich kleinerer ringförmiger DNA-Faden → Plasmid Über solche Plasmide können Bakterien Resistenz an andere Bakterien über den Pilus (dünne Hohlröhren) weitergeben. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 17 ZELLBIOLOGIE ZELLTEILUNG Nährstoff geht aus Verzögerungsphase Zeit © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 18 ZELLBIOLOGIE ENDOSPORENBILDUNG ⇒ Abhängig von der Umgebung (wenn nicht genügend Nährstoffe vorhanden sind) ⇒ Bei schlechten Lebensbedingungen für das Bakterium kann es sich zeitweise verkapseln ⇒ Es wird langsam zu einer Spore mit einer dicken Außenhülle (verkapselt) bis die Konditionen besser werden RIBOSOMEN ⇒ Sind der Ort der Proteinsynthese (Synthese = Zusammensetzung, Vereinigung) ⇒ Bestehen aus einer kleineren und einer größeren Einheit, in Svedberg (S) angegeben ⇒ Je höher Svedberg, desto größer die Partikel, desto schneller sinkt es ⇒ Je kleiner das Tier/der Organismus, desto größer ist sein Stoffwechsel, desto mehr Nahrung braucht es im Verhältnis ⇒ Einige Mikroorganismen können Zellulose abbauen © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 19 ZELLBIOLOGIE ZELLMEMBRANEN 28.10.2004 ⇒ Die Zellmembran ist ein fluides Gebilde, nicht starr und sie ist ein Mosaik, weil sie aus vielen verschiedenen Bausteinen besteht → fluid mosaic z.B. aus Proteinen: o Gerüst- und Stützfunktion o Transportverbindung (extra- und intrazellulär) o Kontaktfunktion mit anderen Zellen STRUKTUR ⇒ Die Zellwand besteht aus 4 verschiedenen Pospholipiden o Posphatidylethtanolamin o Phosphatidylcholin gleicher Grundbauplan o Phosohatidylserin o Sphingomyelin ⇒ Die Zellwanddicke/stärke beträgt etwa 4 nm (Nanometer = 1/1000 µm = 1/1.000.000 mm) ⇒ Phospholipide sind nicht homogen (überall gleich stark) auf der Zellmembran verteilt. Die Lipidverteilung ist zudem noch zelltypabhängig } © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 20 ZELLBIOLOGIE Außenseite Innenseite Fettsäureketten (KohlenWasserstoffketten) → hydrophob (= nicht H2O durchlässig) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 21 ZELLBIOLOGIE 16 – maximal 20 C-Atome Doppelbindungen ⇒ Amphipatische Moleküle ⇒ Lipidmoleküle können sehr schnell in der Wand herumdiffundieren (ca. 100 µm/sec.) (Skizze) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 22 ZELLBIOLOGIE SYNTHESE VON MEMBRANLIPIDEN IM ENDOPLASMATISCHEN RETICULUM ⇒ Da es ursprünglich aber ein leichtes Ungleichgewicht beider Seiten gab, braucht es ein Enzym, die Flippase, das die flip-flops durchführen kann. FLUIDITÄT VON MEMBRANEN ⇒ Die Zusammensetzung der Membran bestimmt ihre Fluidität. Wichtig dafür sind die ungesättigten Fettsäuren (Skizze) Eine warme Membran (z.B. beim Menschen → ca. 37° C) braucht weniger ungesättigte Fettsäuren als eine Kalte. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 23 ZELLBIOLOGIE PHASENÜBERGANG ⇒ z.B. bei Temperaturerniedrigung vom flüssig-kristallinen in den kristallinen Zustand (gelartig) → dadurch bleibt die Fluidität auch bei niedrigen Temperaturen erhalten ⇒ Bei einer Temperaturverminderung werden gesättigte Fettsäuren mit ungesättigten FS ausgetauscht, und die Teilung der Zellen geht fort (wenn auch etwas langsamer) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 24 ZELLBIOLOGIE CHOLESTERIN GLYCOKALYX → cell coat ⇒ Sehr wichtig für Zell-Zell Erkennung (z.B. Immunerkennung) ⇒ Besteht aus Glycolipiden + Proteoglycanen ⇒ Wichtig, damit z.B. weiße Blutkörperchen in das Gewebe gelangen können © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 25 ZELLBIOLOGIE PROTEINE IN DER ZELLMEMBRAN ⇒ Die Menge an Protein in einer Membran kann sehr unterschiedlich sein (je nachdem welche Funktionen die Zelle hat) ⇒ Angegeben wird sie in PROTEIN/LIPID → z.B. ¼ = 4x soviel Lipide wie Proteine ⇒ Bindung von Proteinen an die Membran über: o Fettsäureketten o Prenylgrupen o Oligosaccharide ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Häufig α-Helix aus hydrophoben (apolaren) Aminosäuren single-pass = kann nur einmal durch die Membran (hinein oder hinaus) multi-pass = kann mehrmals durch die Membran können Transportproteine sein und bilden dann Poren in der Membran © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 26 ZELLBIOLOGIE solche Poren sind z.B.: BEWEGLICHKEIT DER MEMBRANPROTEINE ⇒ keine flip-flop Bewegungen, aber o laterale Diffusion o Rotation um die eigene Achse (Rotationsdiffusion) ⇒ bewegen sich aber deutlich schlechter als Lipide (der Diffusionskoeffizient D beträgt oft nur 1/10 – 1/100 von dem für Lipide) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 27 ZELLBIOLOGIE ZELL – ZELL –VERBINDUNGEN 04.11.2004 ZELLKONTAKT & ZELL-INTERAKTIONEN TIGHT JUNCTIONS ⇒ sind Zellverbindungen, bei denen sich die Zellen so sehr dicht zusammendrängen, dass sie Stoffaustausch vollziehen können ⇒ Occludin = (lat. Für verschließen) ein Protein, das dafür in den Zellmembranen verantwortlich ist Membranen Verbindungsproteine Kein Durchkommen ⇒ Tight Junctions sind charakteristisch für Epithelien (äußere Abschlusszellen z.B. an der Haut). Das Darmepithel ist z.B. sehr dicht (ca. 100.000 Ω/cm²) → fast 100% undurchlässig, wenn verschlossen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 28 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 29 ZELLBIOLOGIE ⇒ Adhäsionen sind andere (zusätzliche) Varianten, Zellen miteinander zu verbinden und zwar über: o Ringförmige Desmosomen (zonula adhärens) o Punktförmige Desmosomen (macula adhärens) ⇒ Bei den Desmosomen gibt es aber statt dem Occludin als CA-abhängiges Adhäsionsprotein das Cadherin. Proteine verbinden die Adhäsionsproteine mit dem inneren Zellskelett (Cytoskelett). ⇒ Die Adhäsionsproteine sind fix in der Zellwand und nicht harausziehbar, weil sie mit dem Cytoskelett fest verbunden sind (Zugfestigkeit) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 30 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 31 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die Zellen befinden sich in der extrazellulären Matrix, einem Gemisch aus extrazellulärer Flüssigkeit. Hemidesmosome sind mit der extrazellulären Matrix verbunden. Über Integrine wird dies ermöglicht, da sie Rezeptoren sind, die die extrazelluläre Matrix erkennen. ⇒ Funktion der Integrine: o Erkennung o Modifikation des Cytoskeletts o Modifikation von Enzymaktivitäten ⇒ Integrine geben der Zelle die Möglichkeit, die Umgebung wahrzunehmen © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 32 ZELLBIOLOGIE GAP JUNCTIONS ⇒ bestehen aus (pro Zelle) einem Connexom, das aus 6 Conneximen besteht ⇒ Eine offene Verbindung zwischen zwei benachbarten Zellen dient den Zellen zum Austausch von z.B. Proteinen und anderen Stoffen ⇒ Die Durchlässigkeit (d.h. welche Moleküle durchgelassen werden) hängt von dem Molekulargewicht der Moleküle ab. Je größer die gap junction, desto größere (schwerer) Moleküle passen durch. ⇒ Möglichkeiten der Wechselwirkung zwischen Zellen: Zell-Zell-Adhäsion (Skizzen) homophile Bindung © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum heterophile Bindung 33 extrazelluläres Verbindungsprotein ZELLBIOLOGIE REGULATIONSMÖGLICHKEITEN ⇒ Durch ein Signal (z.B. Hormon) von außen, können z.B. inaktive Integrine aktiviert werden und dann kann das Integrin mit der extrazellulären Matrix reagieren, die Zelle kann also Kontakt aufnehmen. Intrazellulär kann eine Phosphatgruppe an das Integrin gebunden werden und dadurch das Integrin funktionslos machen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 34 ZELLBIOLOGIE EXTRAZELLULÄRE MATRIX ⇒ Ist ein Bindegewebe mit enormen Vielfalt an Formen: o kalzifiziert z.B. in Knochen, Zähnen o durchsichtig z.B. in der Hornhaut des Auges o seilartig z.B. in den Sehnen o Basalmembran ⇒ in der extrazellulären Matrix gibt es die Fibroblasten, die die Strukturen produzieren, sowie andere Zellen ⇒ Durch diese können Strukturen hergestellt werden z.B. für die Reisfestigkeit einer Sehne, die Druckfestigkeit von Knochen, … © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 35 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 36 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 37 ZELLBIOLOGIE DER ZELLKERN 11.11.2004 KERNFUNKTION ⇒ Steuerung der Proteinsynthese (= Herstellung eines Proteins oder Polypeptids in Lebewesen. Sowohl Proteine als auch Polypeptide sind Ketten aus Aminosäuren, die sich in ihrer Länge und ihrer Abfolge unterscheiden. Sie werden auf Grund der in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) gegebenen Erbinformation an den Ribosomen lebender Zellen gebildet) und damit der gesamten Zelle. Im Kern findet die Transkription, die Herstellung der mRNA (messenger-RNA) statt, welche den Ribosomen die Infos zur Proteinbildung liefert (Translation). ⇒ Verteilung des genetischen Materials auf Tochterzellen bei identischer Reduplikation STRUKTUR © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 38 ZELLBIOLOGIE ⇒ Der Kern einer Zelle ist von der typischen Zellmembran umgeben → Doppelmembran ⇒ Von den beiden Membranen wird ein Hohlraum eingeschlossen, die Perinukleäre Zisterne (ca. 50-70 nm dick), eine offene Verbindung zum ER ⇒ Das Kernplasma nennt man Karyoplasma ⇒ Die Kernmembran steht mit dem Endoplasmatischen Reticulum (ER) in Verbindung ⇒ Unter der Kernmembran liegen die Kernlamina (ein Proteingerüst, das dem Kern die typische Form verleiht) ⇒ Im Inneren des Kerns liegt der Nucleolus ⇒ An der Kernmembran haften auch Ribosomen ENTSTEHUNG ⇒ Vermutlich hat die Zellmembran die DNA im Inneren der Zelle eingeschlossen (Invagination des Kerns), so war die DNA ganz einfach besser geschützt KERNLAMINA ⇒ ist das Gerüst, das dem Kern die Form gibt ⇒ sie besteht aus Laminin, kann ein Dimer, Trimer,…, und dann Polymere bilden bis hin zum filamentösen Laminingerüst ⇒ Die Kernlamina kann sich sekundenschnell auflösen (= der 1.Schritt bei der Auflösung des Kerns bei der Zellteilung), sie kann aber ebenso schnell wieder entstehen © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 39 ZELLBIOLOGIE MOLEKÜLTRANSPORT DURCH DIE POREN (Skizze ↑) ⇒ Der Transport ist reguliert (v.a. für größere bedeutendere Moleküle z.B. Proteine). An Proteinen haftet eine bestimmte Sequenz von Aminosäuren, die als Erkennungssignal (E) für das Importin dient, ein Protein, das das eigentliche Protein in den Kern befördert. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 40 ZELLBIOLOGIE STRUKTUREN IM KERN ⇒ Das Euchromatin wird zur Herstellung von z.B. RNA benutzt ⇒ Beim Heterochromatin hingegen ist die DNA so dicht verpackt, dass keine Enzyme etwas ablesen können DER NUCLEOLUS © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 41 ZELLBIOLOGIE ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Elektronendichtester Teil Auch mehrere in einem Zellkern Der Nucleolus ist wichtig für die Synthese der ribosomalen RNA (rRNA) Die Nucleolus-Organisator-DNA-Schleife bildet in einer Transkription die 45S-rRNA. Dieser Faden wird in kleinere Teile zerteilt, welche mit Proteinen im Nucleolus zu großen oder kleinen Untereinheiten von Ribosomen gemacht werden. 1 große + 1 kleine Untereinheit bilden dann außerhalb des Kerns ein Ribosom. DER MENSCHLICHE CHROMOSOMENSATZ © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 42 ZELLBIOLOGIE 22 Paare (Autosomen) + ein x-Chromosom + ein x- (feminin) oder ein y-Chromosom (maskulin) (Geschlechtschromosomen) = 46 menschliche Chromosomen ⇒ Banden auf den Chromosomen (Skizze↑) dienen der Erkennung des Chromosomen ⇒ Oft werden an Riesenchromosomen sogenannte Puffs gebildet, die heraushängen, damit die Proteinmaschinerie die DNA ablesen kann und die RNA bilden kann © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 43 ZELLBIOLOGIE ⇒ Jedes Chromosom endet in einem Telomer, das eine große Bedeutung (essentiell) für die Stabilität des Chromosoms hat. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 44 ZELLBIOLOGIE ⇒ Nucleosomen sind Proteinkügelchen, welche die DNA verpacken bzw. um welche die DNA gewunden ist ⇒ Durchmesser ≈ 11 nm (Vergleich: DNA Durchmesser ≈ 2 nm) ⇒ Sie sind aus 4x2 Histonen aufgebaut, perlschnurartiges Aussehen ⇒ Ein Nucleosom bindet genau ein 146 Basenpaar langes Stück, dann folgen 200 freie Basenpaare (die sog. Linker-DNA) ⇒ In einem DNA-Strang gibt es auch nicht informative eingeschobene Wiederholungssequenzen, die SINE (short interspersed elements) und die LINE (long …). Solche repetitive Sequenzen könnten durch Viren eingedrungen sein. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 45 ZELLBIOLOGIE DAS GEN ⇒ Bereich der DNA, der notwendig ist, um ein Einzelprotein oder eine RNA-Einheit zu synthetisieren → codierender + synthetisierender Bereich (codierende und regulierende Sequenzen) ⇒ Jedes Gen hat seine eigene Kontrollregion (moncistronisch) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 46 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 47 ZELLBIOLOGIE MITOSE, MEIOSE, GAMETENBILDUNG 18.11.2004 DNA – REPLIKATION (Replikation = Kopieren der in der DNS gespeicherten genetischen Information DNA als Voraussetzung für die Eiweiß-Biosynthese vom Lat. replicatio „das Wiederaufrollen“) ⇒ C3 und C5 an der Ribose sind an der Nucleotidbindung beteiligt © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 48 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die Replikation dient dazu, einen Doppelstrang (die Doppelhelix der DNA) zu duplizieren ⇒ Dazu muss die doppelsträngige DNA erstmal gespalten werden ⇒ Die Teile die entstehen, wenn die DNA wie ein Reißverschluss „geöffnet“ wird nennt man Replikationsschleifen ⇒ Es gibt zwei Möglichkeiten zur Reduplikation: o Konservatives Modell o Semikonservatives Modell ERSTER SCHRITT ⇒ Die DNA-Doppelhelix wird aufgespalten (das geschieht auch wenn man DNA auf über 90°C erhitzt, das wäre aber tödlich für die Zellen) ⇒ Dazu braucht es also ein Enzym, wie das Protein T-Antigen, das die DNA lösen kann (auch Helikase genannt) ZWEITER SCHRITT ⇒ Das Enzym kann nun polymerisieren, d.h. die Bausteine (Basen) so anlegen, dass ein passender Gegenstrang entsteht ⇒ Dies lagert sich an der C3-Gruppe an und der Faden wächst, bzw. wird von 5’ in Richtung 3’ repliziert © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 49 ZELLBIOLOGIE ⇒ Am Lagging-Strand werden nun 5’-Enden frei, und deshalb, weil das Enzym ja von 5’ zu 3’ arbeitet, müsste man warten, bis der gesamte Faden offen ist ⇒ Um das zu verhindern werden am Lagging-Strand nur kurze Fragmente polymerisiert (die Okazali-Fragmente) ⇒ Am Leading-Strand hingegen kann in einem Zug durchpolymerisiert werden ⇒ Eine DNA-Polymerase ist das Enzym, das die Okazali-Fragmente macht DRITTER SCHRITT ⇒ Die DNA-Polymerase kann überprüfen, ob die Replikation regelmäßig und richtig durchgeführt wird (proof-reading), dazu braucht sie aber einen Anfangspunkt und kann nicht auf einen leeren Strang gehen ⇒ Das kann aber die DNA-Primase, die einen sog. RNA-Primer erstellt ⇒ Dieser wird dann später von der Polymerase I wieder herausgeschnitten, welche auch die RNA durch DNA-Moleküle ersetzen kann ⇒ Zum Schluss „schweißt“ die Ligase alles wieder zusammen ⇒ Während des ganzen Replikationprozesses verhindert die Topoisomerase die starken Fliehkräfte, die auf den DNA-Strang einwirken wenn der „Faden“ geöffnet wird, indem sie ihn in kleine Stücke zerschneidet, bis zu denen der Prozess läuft und deshalb auch nur bis dorthin die Kräfte wirken, und die DNA nicht zerreißt. ⇒ Die DNA-Replikation sollte fehlerfrei verlaufen, damit keine schweren Schäden an den Zellen und am Lebewesen selbst entstehen können. Da die DNA-Polymere ein sog. proof-reading machen, ist ihre Fehlerquote 1:109, also sehr gering. Bei der Primase liegt die Fehlerquote bei 1:105. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 50 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die Polymerase baut ca. 25-50 Nucleotide (Basenpaare) pro Sekunde ein. Trotzdem dauert dies bei einer so großen DNA Menge wie z.B. in den menschlichen Zellen sehr lange. Deshalb gibt es mehrere Replikationspunkte, an denen gleichzeitig repliziert wird. ⇒ Ein Abschnitt darf aber nicht 2x abgeschrieben werden, d.h. eine Doppelreplikation muss verhindert werden. Daher gibt es eine Indikationssequenz, einen Startpunkt sozusagen. ⇒ Nachdem die DNA redupliziert wurde, kann die Zelle nun geteilt werden © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 51 ZELLBIOLOGIE MITOSE – ZELLTEILUNG DER ZELLZYKLUS Zellteilung Vorbereitung auf Mitose G1Wachstumsphase, Vorbereitungsphase Zelle ist haploid, d.h. sie hat von jedem Chromosom nur 1 Chromatid Die Zelle kann in der G1 Phase aus dem Zellteilungszyklus ausscheren und sich ausdifferenzieren, d.h. spezialisieren zu z.B. Muskelzellen. Sie kann sich dann aber nicht mehr teilen. → Go Phase DNAReduplizierung, Zelle hat nun 2 Chromatide und ist diploid ⇒ In einem Bereich einer Pflanze (Wurzelspitze zum Beispiel) findet man gleichzeitig immer verschiedene Stadien der Mitose ⇒ Bei der Zellteilung entstehen aus einer Mutterzelle zwei identische Tochterzellen, von denen jede ein Chromatid der Mutterzelle mitbekommen hat (ein Chromosom besteht aus zwei Chromatiden) ⇒ Die Mutterzelle lebt also ewig in den Tochterzellen und deren Tochterzellen weiter, daher gibt es sozusagen keinen Tod dieser Lebensformen ⇒ Die Mitose spielt sich in mehreren Phasen ab: © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 52 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die Mitosephase kann unterschiedlich lang dauern, je nach Art der Zelle und Komplexität. Z.B. die Mitose einer Säugerzelle dauert ca. 80 Minuten (siehe Abbildung Seite 52) Bei Bakterien kann dies wesentlich schneller gehen. VERSCHIEDENE PHASEN DER ZELLTEILUNG ⇒ Die Centriole (Bestandteil des Cytoskeletts, des Stützskeletts der Zelle) besteht aus Bündeln von Mikrotubuli. Jeweils 3 Röhren bilden ein Triplett und 9 Triplette bilden ein Gesamtröhrensystem (Mikrotubulus). Bei einem Centriolenpaar ist eine waagrecht und die andere senkrecht dazu angeordnet. ⇒ Bei der Zellteilung geht das Centriolenpaar auseinander und jede der beiden Centriolen bewegt sich an einen der gegenüberliegenden Pole in der Zelle © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 53 ZELLBIOLOGIE (1) PROPHASE Die Centriolen wandern auseinander, zum „Nordpol“ und zum „Südpol“ in der Zelle. Der Zellkern ist noch kompakt, aber die Chromosomen werden zunehmend sichtbar, sie kondensieren (verdichten sich). Am Ende der Prophase löst sich die Kernhülle auf. (2) PROMETAPHASE Die Chromosomen kondensieren immer weiter und werden stark sichtbar. Die Kernhülle löst sich auf, d.h. die Kernlaminine werden phosphoriliert und das Polymer fällt auseinander. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 54 ZELLBIOLOGIE (3) METAPHASE Die Chromosomen ordnen sich genau im Äquator der Zelle an (Mittelsenkrechte zu den beiden Spindelpolen). Von den Spindelpolen gehen die Mikrotubulis aus. Die Astral-Mikrotubuli gehen zur Zellwand hin und verankern sich dort. Diese gibt allerdings nicht bei allen Zellen. Bei manchen z.B. Pflanzen gibt es oft sog. Polkappen, die direkt an die Zellwand anliegen. Die Mikrotubuli, die zum Äquator hingehen können die Chromosomen an den Kinetochoren (Centromeren) berühren (Kinetochormikrotubuli) oder nicht (polare Mikrotubuli). Der Zug an den Kinetochormikrotubulis muss auf beiden Seiten gleich groß sein, da sonst die Chromosomen aus der Äquatorialebene herausgezogen werden und es nicht zur Zellteilung kommen kann. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 55 ZELLBIOLOGIE (4) ANAPHASE Die Chromosomen werden in je zwei Chromatiden getrennt, die zu einem Pol wandern. Wie gelangen aber die Chromatiden zum Pol? Der Mikrotubulus verkürzt sich an der Ansatzstelle zum Chromatid, ohne die Bindung zu verlieren. In der Anaphase b verlängert sich die Polstrahlung und drückt die Pole auseinander. (5) TELOPHASE Die Pole sind nun weit auseinander. Die Kernspindel verschwindet. Die Kernhülle und das Kernkörperchen werden wieder ausgebildet. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 56 ZELLBIOLOGIE (6) CYTOKINESE Die Tochterzellen werden nun in der Mitte durchgeschnürt. Die Vesikel (rundliche bis ovale Bläschen an der Zelle), die von der aufgelösten Kernmembran übrig sind umschließen wieder die Chromosomen → Kern. Cytokinese mit „Abschnüren“ geht bei der Pflanzenzelle nicht so einfach, da diese eine feste Zellwand hat. Hier ziehen Vesikel eine neue Zellwand ein. (7) INTERPHASE So wird die Phase zwischen der eigentlichen Zellteilung bezeichnet. Phase höchster Stoffwechselaktivität. In der Interphase findet auch die Verdoppelung der Erbinformation statt. ⇒ Ein Kontrollsystem regelt, wann sich eine Zelle teilen darf und wann nicht ⇒ Anhand von Cyklinkonzentrationen können die Teilungszustände überprüft werden © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 57 ZELLBIOLOGIE ♀ ♂ MEIOSE – REIFETEILUNG ⇒ Mithilfe der Meiose entstehen Ei- und Samenzellen ♀ ♂ ⇒ Dadurch entsteht auch die Sexualität und mit ihr der Tod ⇒ Die Gameten (Fortpflanzungszellen, Keimzellen; vom Griechischen „gamein“ heiraten) verschmelzen miteinander (Syngamie) und das Erbgut (DNA) wird vermischt (dies geschieht in der Prophase der Meiose) ⇒ Aus einer diploiden (normalen doppelten Chromosomensatz enthaltend) Zelle entstehen 4 Gameten ⇒ Plasmogamie = Plasmaverschmelzung ⇒ Karyogamie = Kernverschmelzung ⇒ Bei höheren Pilzen gibt es oft zwischen Plasmo- und Karyogamie eine Vermehrungsphase (= Dikaryophase) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 58 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 59 ZELLBIOLOGIE SYNAPTONEMALER KOMPLEX ⇒ Die Chromatiden werden überkreuzt verschmolzen bzw. „verknotet“ ⇒ Die Dauer der Meiose kann von Organismus zu Organismus sehr unterschiedlich sein ⇒ Eine in der Meiose entstandene Eizelle muss zudem noch sehr viel wachsen (Die humane Eizelle ist ca. 70.000-mal größer als die humane Spermazelle) ⇒ Das Wachstum der Eizelle geschieht während der sog. Dictyotän-Phase (Dauer ca. 10 Jahre) ⇒ Streptisän = ende der meiotischen Wachstumsphase BESONDERHEITEN DER MEIOSE ⇒ Aneuploidie = Fehler bei Chromatidenverteilung/trennung z.B. kann daraus Mongolismus entstehen (Trisomie 21), oder Triple X, d.h. 3X-Geschlechtschromosomen (relativ ungefährlich) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 60 ZELLBIOLOGIE SPERMATOGENESE ⇒ Ausgangspunkt sind die primordialen Keimzellen, das sind weinige Zellen, die sich mitotisch teilen und die Spermatogonien bilden ⇒ Das Spermatogonium teilt sich wieder und es entsteht eine primäre Spermatocyte ⇒ Die 1. meiotische Teilung endet mit der trennung der beiden Chromosomen und es entsteht die sekundäre Spermatocyte ⇒ Nach der 2. meiotischen Teilung ist ein Spermatid entstanden ⇒ Das fertige Spermium ist in seinem Aufbau hauptsächlich auf Geschwindigkeit ausgerichtet: oben (vorne) Zelle, dahinter Mitochondrium („Kraftwerk“ der Zelle) und zum Schluss die Geißel © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 61 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 62 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 63 ZELLBIOLOGIE OOGENESE ⇒ Die Urkeimzelle (primordiale Keimzelle) vermehrt sich mitotisch zu Oogonien ⇒ Diese werden (mitotisch) zu primären Oocyte, welche mit der 1. meiotischen Teilung zur sekundären Oocyte werden ⇒ Diese 1. meiotische Teilung erfolgt hier aber nicht gleichmäßig wie bei der Spermatogenese, sondern ein Chromosomensatz, der später nicht mehr gebraucht wird, kommt in eine klein abgeschnürte Zelle, das Polkörperchen ⇒ Auch bei der 2. meiotischen Teilung entstehen ein oder zwei Polkörperchen, die dann absterben ⇒ Das ganze Plasma hingegen befindet sich in der großen Eizelle, damit sie viel Platz bieten kann © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 64 ZELLBIOLOGIE BEFRUCHTUNG ⇒ Die Eizelle hat neben der Plasmamembran auch noch einige Schichten an Eihüllen, die von irgendwelchen anderen Hilfszellen hergestellt werden ⇒ Die zona pellucida hat eine biochemische Schutzfunktion für die Eizelle. Sie verhindert z.B. das Eindringen von Spermien einer anderen Art in die Eizelle, d.h. z.B. Katzensperma kann nicht in eine Hundeeizelle eindringen. ⇒ Das arteigene Spermium hingegen wir durch Kontaktaufnahme kapazitiert, d.h. in die richtige Position versetzt ⇒ Enzyme des Spermiums lösen die zona pellucida an einer Stelle auf und die beiden Zellmembranen (der Spermazelle + Eizelle) verschmelzen ineinander ⇒ Das erste Spermium das verschmilzt, verhindert (meistens außer bei seltenen Zwillingen, …) das Verschmelzen einer weiteren Spermazelle mit der Eizelle. Das geschieht dadurch, weil es die Rindengranula dazu veranlasst, ihre Inhaltsstoffe in die zona pellucida zu entlassen und die Enzyme verändern diese chemisch. Die Rezeptoren die die richtigen (arteigenen) Spermien erkennen, blocken diese nun ab und lassen sie nicht durch. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 65 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 66 ZELLBIOLOGIE RIBOSOMEN UND PROTEINSYNTHESE 25.11.2004 ⇒ Der Zellkern ist das vegetative Steuerungszentrum einer jeden Zelle, da er die Proteinsynthese steuert Proteinsynthese: Die Bildung von Eiweißen (Proteinen) in einem Organismus. Die Vorlage für die Proteine liegt verschlüsselt in den Erbanlagen, den Genen, in Form der DNA vor. Die Reihenfolge der Basen in der DNA legt die charakteristische Reihenfolge in der Kette von Aminosäuren fest, die ein Protein aufbauen. Zunächst wird eine Art Arbeitskopie der DNA hergestellt, d. h., die genetische Information wird auf eine einsträngige Boten-RNA (englisch messenger-RNA, Abkürzung mRNA) kopiert (Transkription). Diese Kopie wandert aus dem Zellkern ins Cytoplasma, wo die eigentliche Proteinbiosynthese (Translation) an den Ribosomen stattfindet. Hier wird die Basensequenz der mRNA entsprechend dem genetischen Code abgelesen und in die jeweiligen Aminosäuren übersetzt. Jeweils drei aufeinander folgende Basen (Basentriplett) codieren eine der 20 Aminosäuren. Jede einzelne Aminosäure wird von einer speziellen transfer-RNA (tRNA) herbeitransportiert. Jede tRNA besitzt eine spezifische Andockstelle aus drei Basen (Anticodon), das einem entsprechenden Basentriplett (Codon) auf der mRNA komplementär ist. Nacheinander lagern sich die beladenen tRNA-Stränge passend zur Vorlage an die mRNA an, und die mitgeführten Aminosäuren werden zu einer Kette verknüpft. Start- und Stopp-Codons signalisieren jeweils den Anfang oder das Ende der Aminosäurekette. An einer mRNA können gleichzeitig mehrere Ribosomen beteiligt sein (Polysomen). Im Cytoplasma werden in erster Linie in der Zelle verbleibende (interzelluläre) Proteine hergestellt, während Ribosomen am endoplasmatischen Reticulum (ER) vor allem von der Zelle freigesetzte (sezernierte) Proteine und Membranproteine synthetisieren. ⇒ Die Proteine, die aus der Proteinsynthese entstehen sind dann sozusagen die „Arbeiter“ für den Zellkern (“das Gehirn“), die bestimmte Funktionen/Aufgaben verrichten ⇒ Zuerst wir die DNA in eine RNA-Sequenz kopiert = Transkription ⇒ Der RNA-Faden wird abgelesen, … und ein Protein entsteht = Translation RNA-POLYMERASE – TRANSKRIPTION ⇒ 3 Typen von RNA: o heteronucleäre RNA (hnRNA) = Vorläufer der messenger RNA (mRNA), enthält bis zu 50.000 Nucleotide o transport RNA (tRNA) = für den Aminosäurentransport zuständig, 75-90 Nucleotide o ribosomale RNA (rRNA) = am Nucleolus-Organisator gebildete RNA mit etwa 1300 Nucleotiden, zuständig für Aufbau der Ribosomen, welche die Proteinsynthese durchführen ⇒ Alle 3 Typen werden von unterschiedlichen Polymerasen hergestellt © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 67 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 68 ZELLBIOLOGIE ⇒ Für jedes gen gibt es einen Erkennungspunkt (Promotor), der den Polymerasen signalisiert, wo sie ihr Arbeit beginnen sollen ⇒ Es gibt auch ein Stoppsignal ⇒ Vom Promotor ausgehend beginnt die Polymerase nun einen RNA-Faden herzustellen, indem sie einen DNA-Strang kopiert ⇒ Bei einem DNA-Doppelstrang sind beide Seiten gleich informativ ⇒ Die RNA-Polymerasen arbeiten (gleich wie die DNA-Polymerasen → S.50) von 5’ zu 3’ © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 69 ZELLBIOLOGIE ⇒ Wann die Polymerase ablesen darf sagt ihr der Promotor aber nicht. Deshalb gibt es verschiedene Regulationsmöglichkeiten: o Negative Kontrolle (hemmend → z.B. beim Bakterium lac operon) Ein Repressor bindet an den Operator (O) und blockiert somit die Transkription. Wird die Bakterienzelle nun mit Lactose „gefüttert“, dann lagert sich diese am Repressor an, verändert dessen räumliche Struktur und die „Schere“ wird geschlossen. Der Operator ist nun wieder frei und die Polymerase kann arbeiten und z.B. die drei Enzyme (siehe Abbildung) polymerisieren. o Positive Kontrolle (fördernd → z.B. bei arabinose operon) Hier muss sich das Protein anlagern und erst dann geschieht die Polymeraseaktivität. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 70 ZELLBIOLOGIE ⇒ Beim Menschen (und allen anderen Eukaryoten) ist das viel komplexer, weil es hier viel mehr Proteine als Aktivatoren gleichzeitig braucht TRANSKRIPTIONSFAKTOREN ⇒ Sind die Proteine (Aktivatoren der Polymerasenarbeit), die mit der DNA interagieren können müssen. Die Verbindungsstellen können sich auf die Doppelhelix wie eine „Schere“ draufsetzen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 71 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die mRNA enthält die Informationen aus den Genen, sobald sie fertig transkribiert ist ⇒ In den Zellen gibt es auch RNAsen, die das Gegenteil der Polymerasen machen, also die mRNA abbauen (geschieht nach ca. 30 Minuten „Lebenszeit“ der mRNA) ⇒ Durch capping und Polyadenylierung wird die mRNA deshalb prozessiert. Am 5’-Ende der mRNA wird der Strang gefestigt (5’cap) und am 3’-Ende werden Adenosine angehängt (Poly A 3’). ⇒ Bei der tRNA geschieht die durch Basenmodifikation © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 72 ZELLBIOLOGIE ⇒ Generell wird der Prozess splicing genannt, d.h. Intronsequenzen werden herausgetrennt aus der RNA © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 73 nicht mehr benötigte ZELLBIOLOGIE RIBOSOMEN ⇒ Ort, wo die Proteinsynthese stattfindet ⇒ Sie bestehen aus einer großen und einer kleinen Untereinheit, die sich aus Proteinen und rRNA aufbauen. Bei Bakterien wie escherichia coli (Prokaryoten) hat das Ribosom einen Sedimentationskoeffizienten von 70S (S steht für Svedberg, Sedimentationskoeffizienten werden allgemein als Svedberg - Einheiten angegeben). Das Ribosom besteht weiters aus einer 30S-Untereinheit und einer 50S-Untereinheit. Bei Eukaryoten sind die Ribosomen etwas größer: das ganze Ribosom hat einen Sedimentationskoeffizienten von 80S und es gibt eine 40S- und eine 60SUntereinheit. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 74 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 75 ZELLBIOLOGIE PROTEINSYNTHESE & ER 02.12.2004 tRNA (transport ribonucleinacid) AKTIVIERUNG DER AS (AMINOSÄUREN) UND BELADUNG DER tRNA ⇒ Eine Aminosäure (AS) hat zwei funktionelle Gruppen (H2N & COOH): © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 76 ZELLBIOLOGIE Alanin Arginin Asparagin Asparaginsäure Cystein Glutamin Glutaminsäure Glycin Histidin ala a arg r asn n asp d cys c gln q glu e gly g his h Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Prolin ile i leu l lys k met m phe f pro p Serin Threonin Tryptophan ser s thr t trp w Tyrosin Valin tyr y val v © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum CH3-CH(NH2)-COOH HN=C(NH2)-NH-(CH2)3-CH(NH2)-COOH H2N-CO-CH2-CH(NH2)-COOH HOOC-CH2-CH(NH2)-COOH HS-CH2-CH(NH2)-COOH H2N-CO-(CH2)2-CH(NH2)-COOH HOOC-(CH2)2-CH(NH2)-COOH NH2-CH2-COOH NH-CH=N-CH=C-CH2-CH(NH2)-COOH |__________| CH3-CH2-CH(CH3)-CH(NH2)-COOH (CH3) 2-CH-CH2-CH(NH2)-COOH H2N-(CH2)4-CH(NH2)-COOH CH3-S-(CH2) 2-CH(NH2)-COOH Ph-CH2-CH(NH2)-COOH NH-(CH2)3-CH-COOH |_________| HO-CH2-CH(NH2)-COOH CH3-CH(OH)-CH(NH2)-COOH Ph-NH-CH=C-CH2-CH(NH2)-COOH |_______| HO-p-Ph-CH2-CH(NH2)-COOH (CH3)2-CH-CH(NH2)-COOH 77 ZELLBIOLOGIE ⇒ Damit eine AS in ein Protein (Aminosäurenpolymer) eingebaut werden kann muss sie aktiviert werden durch 2 ATP ATP (Adenosin-tri-Phosphat): Die in der Atmungskette von Mikroorganismen freigesetzte Energie wird zunächst dazu benutzt, um an die Substanz ADP (Adenosin-di-Phosphat) ein weiteres Phosphatmolekül (P) anzubinden. Dadurch entsteht ATP, das aber leicht wieder zerfällt und dabei die gespeicherte Energie an diejenige Reaktion im Zellstoffwechsel abgibt, die Energie gerade benötigt. ATP hat so die Funktion eines "Energiegepäckträgers". Das Enzym, das zur Bildung von ATP gebraucht wird, heißt ATP-Synthase. Es ist ebenso wie die Cytochrome in der Zellmembran angesiedelt. ⇒ Dadurch entsteht eine adenylierte AS, die an die tRNA über die OH-Gruppe angehängt wird. ⇒ Damit die richtige AS auch an die richtige tRNA kommt braucht es Enzyme mit Bindungsstellen für AS (z.B. Tryptophan) und eine Bindungsstelle für die passende tRNA dazu. ⇒ Da wir 20 verschiedene AS haben, braucht es auch 20 verschiedene AminoacyltRNA-Synthetasen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 78 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die tRNA hat ein Anticodon (Basentriplett), das nur auf ein Codon passt, das das Gegentriplett enthält. Dadurch wird garantiert, dass nur einer der 20 tRNA-Typen ansitzen kann. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 79 ZELLBIOLOGIE ⇒ An den Ribosomen gibt es 3 Bindungsstellen für die RNA: 1 für mRNA mit den genetischen Infos und 2 für die tRNA (P&A) P (P-Bindungsstelle) = Peptil-tRNA-Bindungstelle A (A-Bindungsstelle) = Aminoacyl-tRNA-Bindungsstelle TRANSLATION ⇒ Auf der mRNA sitzt ein Codon, wo die tRNA mit dem passenden Anticodon andockt. ⇒ An der P-Bindungsstelle trägt die tRNA ein wachsendes Peptid. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 80 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die P- & A-Bindungsstellen sind qualitativ verschieden. ⇒ Die wachsende Polypeptidkette wechselt von P zu A zu P zu A zu … Dieser Prozess dauert ca. 1/20 Sekunden → 1200 AS können pro Minute polymerisiert werden. ⇒ Die Fehlerquote ist beim Menschen 1:10.000 ⇒ Elongation = Polypeptidkettenverlängerung (Elongationsfaktor = GTP) ⇒ Proteinsynthese koste jedemenge Energie (ATP, GTP) ⇒ Ein Stopcondon (UAG, UGA oder UAA-Triplett) unterbricht die Synthese, weil es nur für diese drei Triplette keine tRNA gibt. Durch diese Stopfunktion kann man aus einem messenger-Faden (mRNA) mehrere Proteine bekommen. Auf einer mRNA können mehrere Ribosomen gleichzeitig aufsitzen, die zwar viele, aber alle dieselben Proteine herstellen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 81 ZELLBIOLOGIE START DER TRANSLATION ⇒ beginnt immer mit dem ersten Triplett AUG (→ tRNA für AUG) hinter dem 5’cap. ⇒ Die tRNA für die AS Methionin (MET) kann sich als einzige in die erste PBindungsstelle setzen. Aber das Initial-Methionin kann später auch von der Proteinkette wieder entfernt werden (→prozessieren). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 82 ZELLBIOLOGIE ⇒ Es gibt 64 verschiedene Möglichkeiten Triplett zu bauen (weil es 4 Basen gibt, die unterschiedlich miteinander zu Tripletts kombiniert werden können → 43 = 64 Kombinationsmöglichkeiten). ⇒ Theoretisch bräuchte man aber nur 20 Tripletts, für jede der 20 AS eines, und 3 Tripletts für die Stopcodons. Man spricht hier von einem degenerierten Code, d.h. es gibt mehrere Codons für eine Aminosäure. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 83 ZELLBIOLOGIE ⇒ Nur für das Startcodon MET (Methionin →Triplett mit Basenfolge AUG) und für TRP (Tryptophan → UGG) gibt es lediglich ein Triplett. ⇒ Für Leuizin (LEU) z.B. gibt es sechs verschiedene Codons. ⇒ Ausschlaggebend für die Zuordnung der Codons zu den einzelnen AS sind aber meistens nur die ersten beiden Basen, seltener die Dritte. (z.B. bei Prolin → CCU = CCA = CCG = CCC → CC…) Die dritte Base ist hier variabel und welche der vier möglichen es ist, ist nicht von Bedeutung (gewobbeltes System). VIELE ANTIBIOTIKA GREIFEN IN DIE PROTEINSYNTHESE EIN ⇒ Das ist eine der Arbeits-/Wirkungsmöglichkeiten von Antibiotika. ⇒ Alle in den Ribosomen produzierten Proteine müssen dann aber auch Zellorganellen erreichen: © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 84 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die Ribosomen bleiben zunächst im Cytosol. Von dort aus wird dann auch das Endoplasmatische Reticulum (ER) versorgt. ENDOPLASMATISCHES RETICULUM (ER) ⇒ Zwei Typen: o Rauhes (granuläres) ER → wenn sich Ribosomen an die ER-Membran anlagern o Glattes ER ⇒ Man nimmt an, dass das ER über eine Invagination der Zellmembran entstanden ist ⇒ Das ER ist wichtig für die Synthese von Fetten (Lipiden) ⇒ Proteine werden durch das ER prozessiert (Glykosylierung, Faltungen, Herstellung von Lipoproteinen, …) ⇒ Metabolisierung von Xenobiotika (nicht biologische Fremdstoffe, z.B. Herbizide, Pestizide, Fungizide, Pharmaka, …). D.h. diese Giftstoffe u.a. Pharmaka werden im ER so modifiziert, dass sie wieder aus dem Organismus entfernt werden können. Dazu müssen sie wasserlöslich gemacht werden. Nur so können sie z.B. über die Nieren wieder ausgeschieden werden. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 85 ZELLBIOLOGIE ⇒ Wenn eine mRNA einem Ribosom befiehlt, ein Protein (Signalsequenz) zu bilden, das SRP (signal recognition particle) binden kann, dann kann das Protein samt Ribosom an die ER-Membran ansetzen. ⇒ Durch ein Translokator-Protein gelangt das Peptid aus dem Ribosom ins Innere des ER (ins Lumen). ⇒ Die Signalpeptidase kann die Signalsequenz (roter Faden) abschneiden und deren AS können wieder abgebaut und anderweitig für neue Synthesen verwendet werden. ⇒ Das translokierte Protein befindet sich nun im inneren des ERs, im Lumen. ⇒ Wenn das Ribosom jetzt abfällt, kann das Protein (blauer Faden) in der Membran stecken bleiben. Man spricht von einem Transmembranprotein. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 86 ZELLBIOLOGIE ⇒ Hier ist nämlich die Signalsequenz intern im Protein lokalisiert. Signalsequenzen können beliebig lokalisiert sein: ⇒ Durch die ER-Membran gehen hydrophobe (wasserabstoßende) T eile, hydrophile (wasserliebende) sitzen außen an. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 87 ZELLBIOLOGIE ⇒ Es können beliebig oft Folgen von solchen Transmembranproteinen (multi-pass) erzeugt werden. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 88 ZELLBIOLOGIE MITOCHONDRIEN 09.12.2004 ⇒ Das ER ist der Startpunkt für das Verteilungssystem von Proteinen an bestimmte Orte der Zelle/Zellorganellen. Die Proteine bezieht das ER aus den Ribosomen die an ihm haften. (Es gibt auch Ribosomen in der Zelle, die frei im Cytoplasma herumschwimmen. Die Proteine, die von diesen synthetisiert werden gelangen nicht über das ER und den Golgi-Apparat zu Zellorganellen → siehe weiter unten). Der Zellkern ist stark vom ER umgeben. ⇒ Um den weg eines Proteins im ER und Golgi-Apparat sichtbar zu machen, wird eine Aminosäure radioaktiv markiert. Nach 3 Minuten ist diese radioaktive AS im ER, nach bereits 7 Minuten im Golgi-Apparat. Innerhalb von 120 Minuten ist ein Protein aus der radioaktiven AS entstanden und ist fertig. VESIKEL TRANSPORTIEREN DIE PROTEINE ⇒ Aus dem rauhen ER stülpt sich die Membran aus (= Knospung) und ein Vesikel wird abgeschnürt. (Der Name Vesikel klommt vom Lateinischen vesicula = Bläschen. Vesikel sind mikroskopisch kleine rundliche bis ovale Bläschen in der Zelle, die von einer einfachen Membran umgeben ist. Die Vesikel bilden damit eigene Zellkompartimente, in denen unterschiedliche zelluläre Prozesse ablaufen. Je nach Art der in ihnen nachweisbaren Enzyme unterscheidet man verschiedene Typen von Vesikeln: Lysosomen, Microbodies, Peroxisomen und Glyoxysomen. In exozytotischen Vesikeln werden Stoffe gespeichert, die für die Freisetzung aus der Zelle durch Fusion der Vesikel mit der Zellmembran vorgesehen sind.) ⇒ Das Vesikel hat einen Inhalt (best. Proteine), den es beim Fusionieren mit dem GolgiApparat an denselben abgibt. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 89 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 90 ZELLBIOLOGIE ⇒ Diese Vesikel können aber auch Stoffe beinhalten, die im ER verbleiben sollten. Diese Proteine haben als Erkennungssignal alle das KDEL-Signal (= AS-Abfolge). Damit diese Stoffe also, wenn sie zufällig von einem Vesikel wegtransportiert werden auch wieder zurück zum ER transportiert werden, gibt es in der Membran des ER, die zum Vesikel ausknospt, spezielle Rezeptoren, die sich mit den ER-sässigen Proteinen (das sind die Proteine, die das ER nicht verlieren sollte) binden und so werden diese Proteine wieder zurücktransportiert. ⇒ Die sekretorischen Proteine hingegen sollen durch die Vesikel zum Golgi-Apparat transportiert werden. GOLGI-APPARAT ⇒ Der Golgi-Apparat besteht aus 3-4 Membranstapeln. ⇒ Er ist polar, hat also 2 verschiedene Seiten: Cis-Seite = konvexe Seite = Regenerationsseite (forming face) → Aufnahme Trans-Seite = konkave Seite = Sekretionsseite (maturing face) → Abgabe ⇒ Für die Vesikel gibt es auch einen Rezeptor und ein Signalmolekül. ⇒ Die Membranstapel im Golgi-Apparat heißen Dictyosomen = Summe der Zisternen. ⇒ Der Golgi-Apparat gibt die Proteine aus dem ER weiter, bearbeitet sie vorher aber noch. Er produziert auch Zucker und Kohlenhydrate. ⇒ Er steuert auch die Verteilung/Weiterleitung verschiedener Stoffe. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 91 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 92 ZELLBIOLOGIE AUFGABEN DES GOLGI-APPARATES ⇒ Gykosylierung der Proteine (v.a O-Glykosylierung) ⇒ Limitierte Proteolyse (Prozessierung von Prä-, Pro- und Präproproteinen) ⇒ Wasserreabsorption (Eindicken des Sekretes) ⇒ Vom trans-Golgi-Netz werden Vesikel abgeschnürt und sie bleiben mehr oder weniger lang im Cytoplasma, bis sie ein Signal bekommen. ⇒ Ein Vesikel kann aber auch direkt zur Plasmamembran gehen und verschmelzen. ⇒ Oder sie werden zu Lysosomen (zelluläre Verdauungsstationen) und verbleiben im Cytoplasma. ⇒ In polaren Zellen (das sind Zellen mit einer apikalen Seite und einer basalen Seite, die sich voneinander unterscheiden) müssen die richtigen Vesikel an die richtige Seite, da sonst Schäden entstehen könnten. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 93 ZELLBIOLOGIE ⇒ Dass aus der trans-Seite des Golgi-Apparates überhaupt Knospen kommen, das regeln coat-Proteine (Coatomere). Sie lagern sich an der Membran des Golgi-Apparates an und „ziehen“ die knospen praktisch heraus. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 94 ZELLBIOLOGIE ⇒ Proteine, die z.B. in ein Lysosom-Vesikel hineinkommen müssen, haben als Signal ein Mannose-6-Phosphat. ⇒ Clathrin akkumuliert (anhäufen) den Rezeptor Adaptin und dieser akkumuliert die Mannose-6-Phosphate. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 95 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 96 ZELLBIOLOGIE LYSOSOMEN ⇒ Sind die Verdauungsorganellen, die viele verschiedene Enzyme enthalten, die alle Substanzen, die in einer Zelle vorkommen/in eine Zelle gelangen spalten/abbauen können (z.B. die Nucleasen die DNA). ⇒ Phagozytose → Bakterien, die in die Zelle gelangen werden verdaut. ⇒ Endozytose → über Rezeptor Einschnürung eines Phagosoms in Zelle (siehe unten). ⇒ Autophagie → Zellorganellen, die nicht mehr gebraucht werden, werden abgebaut. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 97 ZELLBIOLOGIE ( = Ausscheidung) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 98 ZELLBIOLOGIE Synaptischer Spalt Nervenzelle (auch Neuron) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 99 ZELLBIOLOGIE ZELLORGANELLEN, DIE NICHT ÜBER DEN VESIKELTRANSPORT AN DEN GOLGI-APPARAT GEBUNDEN SIND: PEROXISOMEN ⇒ Sind Vesikel, die H2O2 (Wasserstoffperoxid) abbauen können durch spezielle Leitenzyme (Katalysatoren, die spezielle Aufgaben in speziellen Organellen verrichten). ⇒ Die Proteine werden an cytoplasmatischen (frei im Zellplasma schwimmende, nicht an das ER gebundene) Ribosomen produziert und gelangen direkt über das Cytoplasma an die Peroxisomen. ⇒ In den Peroxisomen kann auch Licht (Blitz) unter ATP-Verbrauch produziert werden (was zum Beispiel bei dem Leuchtkäferweibchen oder bei Quallen sichtbar wird). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 100 ZELLBIOLOGIE GLYOXISOMEN ⇒ Haben als Stoffwechselweg den sog. Glyoxylat-Cyclus, mit dem sie Fettsäuren in Zucker (Glucose) umwandeln können (dies können die Pflanzen, wir Menschen aber nicht). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 101 ZELLBIOLOGIE MITOCHONDRIEN (KRAFTWERKE DER ZELLE) ⇒ Die meisten eukaryotischen Zellen haben Mitochondrien. ⇒ Mitochondrien besitzen eine doppelte Membran, eine Äußere und eine Innere. ⇒ Die innere Membran ist aufgefaltet → starke Oberflächenvergrößerung. Je größer die Oberfläche, desto aktiver ist das Mitochondrium (deshalb haben z.B. die Mitochondrien der Kolibrimuskulatur eine riesige Innenoberfläche → sehr großer Stoffwechsel. Ein Kolibri muss sogar bei Nacht seine Körpertemperatur von 38/39°C auf 10°C senken um nicht zu verhungern.) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 102 ZELLBIOLOGIE ⇒ 2 Typen von Mitochondrien: Tubulus-Typ = Oberflächen schlauchförmig Cristae-Typ = Oberflächen eckig-abgerundet ⇒ Jedes Mitochondrium hat seine eigene DNA → vermutlich waren die Mitochondrien eukaryotischer Zellen einst selbst Prokaryoten (Purpurbakteien) und wurden in die Eukaryotenzelle aufgenommen (Endosymbiontentheorie). Daraus entstand eine Abhängigkeit der Zelle von den „versklavten“ Bakterien. Die Endosymbiontentheorie bestätigen folgende Aspekte: o Die DNA im Mitochondrium ist ringförmig geschlossen ohne Histone o Die DNA enthält typisch prokaryotische Sequenzen o F-ATPasen gibt es in Bakterien, bei Eukaryoten aber nur in den Plastiden und Mitochondrien ⇒ Die Plastiden waren wahrscheinlich einmal Cyanobakterien (Blaualgen), wodurch sich ihre photosynthetische Aktivität erklärt. ⇒ Ein Mitochondrium hat auch seine eigenen Ribosomen, kann also selbst Proteine synthetisieren. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 103 ZELLBIOLOGIE ⇒ Auch wenn diese Organellen eigene Ribosomen haben, so müssen sie dennoch kerncodierte Proteine aufnehmen, zusätzlich zu den selbst produzierten. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 104 ZELLBIOLOGIE PLASTIDEN, CYTOSKELETT 16.12.2004 STOFFWECHSEL DER MITOCHONDRIEN ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Citratzyklus Atmungskette Β-Oxidation der Fettsäuren AS-Stoffwechsel Harnstoffsynthese Ca2+-Speicher Gluconeogenese (Aufbau von Zucker) ⇒ NADH und FADH sind Substanzen, die sehr leicht Elektronen übertragen können. GTP = Äquivalent zum ATP → Energielieferant © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 105 ZELLBIOLOGIE CITRATZYKLUS (fix verknüpft mit der Atmungskette) ⇒ Pyruvate werden in den Citratzyklus eingeschleust und CO2 wird ausgeschieden (ausgeatmet). Ausatmung ATMUNGSKETTE ⇒ Die Reduktionsäquivalente NADH/FADH sind nur gering in der Zelle enthalten. Im Citratzyklus wird allerdings viel NADH gebildet. Dies muss man aber wieder loswerden → verbrauchen. Dies geschieht in der Atmungskette. ⇒ Die Atmungskette ist in der inneren Mitochondrienmembran in Form von Proteinkomplexen beheimatet. Diese sind RedOx-Ketten: © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 106 ZELLBIOLOGIE ⇒ Der Komplex IV (die Cytochrom c-Oxidase) ist für den eigentlichen Sauerstoffverbrauch zuständig. H+ + OH- → H2O ⇒ Komplex V ist die ATP-Synthase (F1F0). ⇒ NADH hat die größte Elektronenübertragungsrate (→RedOx-Potential), Wasser die geringste. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 107 ZELLBIOLOGIE ⇒ Am Komplex I, III und IV werden Protonen (H+) in den Innenmembranraum hineingegeben. ⇒ Dadurch ist dort die H+-Konzentration hoch (→ geringer pH-Wert, sauer), in der Matrix hingegen gibt es wenig Protonen (→ alkalisch, basisch). ⇒ So ist also ein pH-Gradient und gleichzeitig ein elektrisches Potenzial aufgebaut worden. Hieraus wird die Energie für die ATP-Synthese gewonnen (Wirkungsgrad 40%!). ⇒ Die F1F0-ATPase nützt diese Energie aus um aus ADP + Pi → ATP zu synthetisieren. PLASTIDEN ⇒ Plastiden sind vermutlich, gleich wie die Mitochondrien, aus symbiontischen Cyanobakterien hervorgegangen (→ Endosymbiose). ⇒ Plastiden sind Zellorganellen, in denen u.a. die Photosynthese durchgeführt wird. ⇒ Je nach Pigmentausstattung unterscheidet man: o Chloroplasten (das Chlorophyll in den Zellen gibt den Blättern die grüne Farbe) o Chromoplasten (Farbstoff z.B. in den Blütenblättern) o Leukoplasten, Amyloplasten (zur Stärke/Zuckerspeicherung) ⇒ Chlorophyll ist ein Farbstoff mit einem Tetrapynolring, an dem der sog. Phytol-Rest hängt, eine lange KW-Kette. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 108 ZELLBIOLOGIE STRUKTUR DER CHLOROPLASTEN © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 109 ZELLBIOLOGIE ⇒ Chloroplasten haben eine Doppelmembran (→ Endosymbiontentheorie), wobei die Innere nach innen eingestülpt wird. Daraus entstehen dann die Thyllakoiden (Grana-Thyllakoid oder StromaThyllakoid), Stapelmembranen. Dort befindet sich das Chlorophyll. ⇒ Chloroplasten brauchen einen Proplastiden, der wächst, invaginiert und mit genügend Licht zum Chloroplasten wird. Wir ein Plastid im Dunkeln gehalten (bekommt eine Pflanze z.B. kein Sonnenlicht), dann entwickelt er sich zu einem Etioplasten. ⇒ Im Herbst färben sich die Blätter gelb, braun und rötlich, weil das Chlorophyll abgebaut wird und Chromoplasten entstehen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 110 ZELLBIOLOGIE GRUNDFUNKTIONEN DER PHOTOSYNTHESE ⇒ Es gibt 2 Reaktionen: o Lichtreaktion o Dunkelreaktion (CO2 → Zucker) LICHTREAKTION ⇒ Das Sonnenlicht wird absorbiert, Elektronen können dadurch weitergegeben werden, Wasser wird verbraucht und O2 entsteht: 2H2O → O2 + 4H ⇒ Wenn die Sonne den Chloroplasten belichtet, wird die Energie von Antennenpigmenten absorbiert. ⇒ 2 Elektronen im aktiven Chlorophyll-Zentrum P680 können von einem primären Akzeptor angenommen werden. Im P680 fehlt jetzt ein Elektron und so entzieht es dem Wasser Elektronen, und als „Abfallprodukt“ entsteht O2. Der primäre Akzeptor gibt das Elektron weiter an ein anderes Zentrum (P700), das die Elektronen immer mehr auf einen höheren Energiezustand hebt → NADPH. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 111 ZELLBIOLOGIE ⇒ Alle diese RedOx-Systeme gibt es in der Thyllakoidmembran. ⇒ Auch ATP wird produziert (durch dieselben Energieunterschiede wie oben bei den Mitochondrien beschrieben → elektrochemischer Gradient, d.h. außen basisch, wenig H+, im inneren der Thyllakoide H+-Überschuss, also sauer.) ⇒ Wenn außerhalb de Thyllakoiden ein anderer pH-Wert vorhanden ist, als in ihrem Inneren kann nun aufgrund der Energie, die nun vorhanden ist ATP-Synthese erfolgen. ⇒ In der Lichtreaktion entstehen also: o NADPH → wird dann für die Dunkelreaktion benötigt o ATP → wird irgendwo in der Zelle verwendet o O2 → für andere Lebewesen wichtiges „Abfallprodukt“ © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 112 ZELLBIOLOGIE PROTONENMOTORISCHE KRAFT (pmf) ⇒ Das Grundprinzip der Energiegewinnung ist bei Bakterien, Mitochondrien und Plastiden immer das gleiche, es kommt immer auf den Protonengradienten an. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 113 ZELLBIOLOGIE CYTOSKELETT ⇒ Mikrotubuli ⇒ Intermediärfilamente ⇒ Actin-Filamente → Ø 25 nm → Ø 10 nm → Ø 6 nm ⇒ Zellstrukturen, die Cytoskelettelemente enthalten: o Centriolen o Cilien o Muskelfasern ⇒ Das Cytoskelett ist zwar in seiner Funktion und Festigkeit ähnlich unserem Skelett (daher der Name), ist aber auch sehr flexibel (kann sich z.B. sehr schnell auflösen), es ist sehr sehr variabel. INTERMEDIÄRFILAMENTE (Ø 10 nm) ⇒ Sie haben eine fädige Struktur und sind in der gesamten Zelle verteilt, v.a. in Zellen, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind (z.B. Epidermiszellen). ⇒ Sie sind lange α-helikale Proteinketten, die sich zu seilartigen Polymeren zusammenschließen und dadurch noch stabiler werden. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 114 ZELLBIOLOGIE ⇒ Ist z.B. ein Keratingeflecht fehlerhaft (etwa bei einer mutierten Maus), dann halten die Zellen nicht mehr und man kann der Maus die Haut einfach abziehen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 115 ZELLBIOLOGIE MIKROTUBULI (Ø 25 nm) ⇒ Funktionen von Mikrotubuli: o Herstellen der äußeren Zellform o Transport von Vesikeln o Bildung komplexer Aggregate (Centriolen, Kernspindel, Cilien) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 116 ZELLBIOLOGIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 117 ZELLBIOLOGIE ⇒ Motorproteine transportieren Stoffe entlang der Mikrotubuli. ⇒ Aus den Mikrotubuli können komplexe Strukturen aufgebaut werden. ⇒ Centriolen haben 9 Mikrotubuli pro Ring. ⇒ Alkaloide sind Zellteilungsgifte, die die Polymerisation unterbinden können. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 118 ZELLBIOLOGIE CILIEN UND GEISSELN DER EUKARYOTISCHEN ZELLEN ⇒ Bestehen aus Mikrotubuli, und zwar haben sie im Außenring 9 Paare od. Triplette und im Zentrum 2 Einzelne → 9 + 2 Struktur. ⇒ Dies ist der wesentliche Anteil der Mikrotubuli außerhalb der Zelle. ⇒ Näher an der Zelle befinden sich in der Geißel dann 9 Paare + 1 Mitochondrien und nach dieser Übergangsphase im inneren der Zelle 9 Triplette + 0 Mikrotubuli im Zentrum. ⇒ Ganz außen an der Geißel gibt es 2 Innere Mikrotubuli (C1 & C2) und die 9 Paare mit den Dynein-Armen mit Köpfen, das sind wichtige Proteine für die Bewegung der Geißel. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 119 ZELLBIOLOGIE ⇒ In diesem Versuch liegt eine Geißel auf einer Glasoberfläche. Gibt man ATP dazu, dann bewegt sie sich auseinander. ⇒ Wenn sich eine Geißel hin und her bewegt, dann bewegen sich auch die Mikrotubuli in ihr und zwar sind diese dann immer an einer Seite länger und an der anderen kürzer. ⇒ Diese Verbiegung kommt durch die Kontraktion der Mikrotubuli zustande, mithilfe der Dyneine. ⇒ In nachfolgendem Diagramm sieht man, dass z.B. beim Pantoffeltierchen (Paramecium) die Ca-Konzentration in ihm ausschlaggebend ist für seine Schwimmrichtung. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 120 ZELLBIOLOGIE ACTIN - FILAMENTE (Ø 6 nm) ⇒ Sind die kleinsten Filamente im Cytoskelett und kommen in nahezu allen Zellen vor. ⇒ Actin ist ein globuläres (nahezu kugelförmig) Protein (G-Actin) ⇒ Die Actinfilamente sind in ihrem Wachstum sehr vom ATP abhängig. ⇒ Sie sind spindelförmig vernetzt. ⇒ Die Filamente sind mit Proteinen vernetzt (cross-linking-Proteine). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 121 ZELLBIOLOGIE ⇒ Actin ist an der amöboiden Bewegung ausschlaggebend beteiligt. ⇒ Der Leitraum ist mit Actinen verbunden, die polymerisiert werden und dadurch die Zellmembran vorwärts schieben. ⇒ Durch Fokalkontakte wird die Zelle festgehalten (wie ein Fuß durch die Reibung und das Schuhprofil) und am hinteren Ende der Zelle werden diese Kontakte wieder wie ein Fuß hochgehoben. Auch die Fokalkontakte sind Actinfilamente (Stress-Fassern). ⇒ Die Stressfasern bestehen aus vielen Einzelteilen, die sich blitzartig wieder auflösen können. Dies geschieht dadurch, dass die Verbindungsproteine dephosphoriliert (d.h. ein P kommt weg → die Struktur wird aufgebaut) oder phosphoriliert (d.h. ein P kommt hinzu → die Strukturen lösen sich auf) werden können. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 122 ZELLBIOLOGIE ⇒ Myosine können sich mit Actin verbinden und z.B. wie in der Muskulatur des Menschen das Myosin II für die Bewegung notwendig sein. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 123 ZELLBIOLOGIE CYTOPLASMA IONENZUSAMMENSETZUNG außerhalb der Zelle innen Mol /Liter ⇒ Die Zellflüssigkeit (oder auch das Zellplasma = Cytoplasma) hat eine ganz speziell definierte chemische Zusammensetzung um z.B. das Volumen der Gesamtzelle zu beeinflussen. ⇒ Die meisten Wirbeltiere z.B. haben solch eine Zusammensetzung wie oben im Beispiel gezeigt. ⇒ Die Gesamtkonzentration solch einer Zelle beträgt ca. 300 Mol/l . ⇒ Außerhalb der Zelle ist die Konzentration anders verteilt, (im Beispiel z.B. innen viel K+, außen hingegen viel Na+) → unterschiedliche Ionenkonzentration. OSMOSE ⇒ Osmose ist eine Diffusion von gelösten Teilchen und v.a. von Lösungsmitteln durch eine semipermeable Membran. ⇒ Im biologischen Sinn bedeutet Osmose in erster Linie eine Bewegung des Lösungsmittels, also eine Wasserbewegung, da dies leichter geht, als die Ionen durch die Membran zu bewegen. DONNAN – GLEICHGEWICHT ⇒ Das ist die Verteilung von Ionen in zwei Reaktionsräumen, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind. Für mindestens ein Ion ist die Membran impermeabel. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 124 ZELLBIOLOGIE SIGNALÜBERTRAGUNG ⇒ Sie geht einerseits über die Nervenzellen durch elektrische Signale auf andere Zellen, die durch den Reiz zu einer Aktion veranlasst werden. Neben der elektrischen gibt es aber auch noch eine chemische Art der Kommunikation, durch Hormone, die z.B. nicht durch eine Membran passen, aber ein Signal weitergeben (z.B. Adrenalin). Zellen befinden sich ständig im Aufbau oder im Abbau. Sie bauen um, bauen Zellmaterial ab und auf oder sie zerstören sich selbst, um meist irgendeinen sinnvollen Zweck zu erfüllen. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 125 ZELLBIOLOGIE ZELLTOD UND ZELLABBAU 13.01.2005 UMBAU/ABBAU VON ZELLMATERIAL NEKROSE (nicht geplanter Zelltod) ⇒ Mit dem aufkommen der Sexualität kam auch der Tod, das Absterben der Lebewesen, der Zellen auf. Pro Sekunde sterben im menschlichen Körper einige Millionen Zellen. ⇒ Der von der Zelle nicht beabsichtigte eigene Tod kann durch z.B. äußere Einflüsse wie mechanische Schädigungen, Gifte, Strahlung u.s.w. hervorgerufen werden. ⇒ Die Zelle schwillt zuerst an, da das Gleichgewicht der Ionen (Außen und Innen) verloren geht. ⇒ Die Mitochondrien schwellen an. ⇒ Die Ionen/Osmoseregulation wird vermindert. ⇒ Aktivierung von Phospholipasen → Abbau von Membranlipiden. ⇒ Freisetzung von Hydrolasen aus ruptierten Lysosomen. ⇒ Degradation von Proteinen, RNA und DNA. → ZELL-LYSE → ENTZÜNDUNGSREAKTION (Makrophagen, die nekrotische Zellen verdauen setzten Entzündungsmediatoren frei). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 126 ZELLBIOLOGIE APOPTOSE (geplanter/physiologischer Zelltod) ⇒ Apoptose ist der von der Zelle selbst eingeleitete Zelltod, d.h. die Zelle hat selbst „entschieden“ zu sterben um einen nützlichen oder rettenden Zweck für ein Lebewesen z.B. zu erfüllen. Es ist also ein programmierter Vorgang. ⇒ Oben rechts in der Abbildung sieht man die Entwicklung von der Kaulquappe (Kiemenatmer) zum Frosch (Lungenatmer), die auch ein Apoptosestadium enthält. Auch der Mensch hat z.B. die Zellen zwischen den Fingern verloren, weil er sie nicht braucht, im Gegensatz zur Ente. Apoptose verhindert auch, dass z.B. Immunzellen sich nicht gegen körpereigene nützliche Zellen wenden (was fatale Folgen haben könnte). Die Immunzellen werden also genau kontrolliert und im Notfall zur Apoptose gezwungen. ⇒ Die apoptotische Zelle wird kleiner, sie schrumpft (cell shrinkage). ⇒ Der Kern löst sich auf und die DNA wir in Fragmente zerlegt. ⇒ Die Zellmembran bildet kleine Bläschen. ⇒ Die Fragmente der Zelle werden phagocytiert, es kommt aber im Unterschied zur Nekrose nicht zu einer Entzündungsreaktion. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 127 ZELLBIOLOGIE ⇒ Wie aber erfährt eine Zelle, ob sie Selbstmord begehen soll? Dafür gibt es einige Faktoren, die alle die eine Folge haben: ⇒ Durch Proteasen kann sie in die Apoptose gehen, wenn sie z.B. feststellt, dass sie an vielen Stellen geschädigt ist. ⇒ Auch durch Botenstoffe eines Nachbargewebes kann die Zelle dazu stimuliert werden (durch Oberflächenrezeptoren empfängt sie das Signal). ⇒ Ebenso durch zuviel oder die falsche Pharmazeutika und Strahlung wählt sie den eigenen Tod. ⇒ Durch alle diese Faktoren werden ICE-Proteasen aktiviert, welche dann Proteine spalten und Kern und Plasma schrumpfen lassen. Oberflächenrezeptoren (auch Todesrezeptoren genannt): © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 128 ZELLBIOLOGIE ⇒ Diese sogenannte Todesrezeptoren, zu denen auch der Fas-Rezeptor (ein transmembranärer Oberflächenrezeptor) gehört, setzen nach Aktivierung mit dem entsprechenden Liganden, dem Fas-Liganden, eine Signalübertragungskette in Gang, die zum Tod der Zelle führt. ⇒ Solche Fas-Rezeptoren braucht es v.a. für die Zerstörung überflüssiger T-Zellen (Immunzellen), die nach ihrer Arbeit (also nachdem sie z.B. Krankheitserreger abgewehrt haben) noch zu hunderttausenden im Körper herumschwirren und die mit ihren Abwehrmechanismen auch das umliegende Gewebe schädigen können. ⇒ Allen Apoptose verursachenden Signalen ist gemein, dass sie die Aktivierung von sogenannten Caspasen bewirken. Caspasen sind proteinspaltende Enzyme (Proteasen) und können verschiedenste Proteine in der Zelle spalten und somit inaktivieren. Dadurch wird die Expression von Genen verhindert, das Zellskelett und der Zellkern werden abgebaut, was zu den charakteristischen morphologischen Veränderungen einer apoptotischen Zelle führt. Endziel ist die funktionelle und physische Elimination der Zelle. ⇒ Warum wird soviel Aufwand betrieben, um Zellen sterben zu lassen? Zellen sterben, wenn sie nicht mehr gebraucht werden oder aber, wenn sie für den Gesamtorganismus gefährlich werden. So kann eine Zelle mit durch ionisierende Strahlung verursachten Genmutationen der Auslöser von Krebs sein. In diesem Falle scheinen die Apoptose und der Verlust einer einzelnen Zelle das kleinere Übel zu sein, um das Überleben des Gesamtorganismus zu garantieren. ⇒ Die Zellmembran bleibt während des apoptotischen Zelltodes intakt. Dies ist ein zentrales Element dieser Form von Zelltod, weil dadurch verhindert wird, dass der Zellinhalt ausgeschüttet wird, wodurch eine Entzündung verursacht werden kann, wie dies z.B. beim nekrotischen Zelltod geschieht. Diese würde weiteren Schaden in benachbarten Zellen verursachen, und unkontrollierter Zelltod würde sich über weite Bereiche eines Organs ausbreiten. ⇒ Fresszellen, wie Makrophagen, nehmen die apoptotischen Zellen auf und verdauen sie in ihre Grundbausteine. Dadurch wird erreicht, dass Apoptose ein individueller Zelltod bleibt und (meist) keinen Einfluss auf die Nachbarzellen hat. CASPASEN ⇒ Ist die Familie von Proteinen (proteinspaltende Enzyme = Proteasen), die Cytein enthalten. V.a. die Caspase 8 kommt in vielen apoptotischen Zellen vor. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 129 ZELLBIOLOGIE ⇒ Auch die Bcl-2 Proteine greifen in die Apoptose ein: o sie können die Apoptose verhindern (antiapoptotisch) → blocken Cytochrom c Ausstoß aus Mitochondrien o oder sie sind lösen die Apoptose aus (proapoptotisch) → fördern Cytochrom c Ausstoß aus Mitochondrien ⇒ Bcl-2 Proteine können Polymere bilden und dann z.B. Poren in der Mitochondrienmembran um dadurch Stoffe wie das Cytochrom c transportieren zu können. Sie können auch ATP oder Ionen durch die Mitochondrienmembran schleusen. FUNKTIONEN DER Bcl-2 FAMILIE © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 130 ZELLBIOLOGIE ⇒ Zellen sind essentiell von trophischen Faktoren (Wachstumsfaktoren, Wachstumshormonen) abhängig. Fehlen diese Signale, dann wir die Zelle apoptotisch. Ein Rezeptor in der Zellmembran kann den trophischen Faktor binden und er gibt ein Signal in die Zelle, das bad-Protein unschädlich zu machen. Wenn der trophische Faktor aber fehlt, dann kann das 14–3–3 Protein das bad-Protein nicht mehr binden, das bad bindet anstatt dessen an Bcl-3 Proteine, diese sorgen für Cytochromausstoß und die Caspase 9 wird aktiviert → Apoptose. ⇒ Inhibitor-Proteine (Hemmstoffe wie Testosteron, Östradiol, Wachstumsfaktoren/hormone) binden die Caspasen, das kann aber von diablo/smac Proteinen verhindert werden → Apoptose. DNA – FRAGMENTIERUNG ⇒ Bei der Apoptose wird die DNA genau nach Plan in Fragmente zu etwa 180 Basenpaaren (bp) pro Fragment zerlegt. Die Nuclease ist das Enzym, das die DNA spaltet. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 131 ZELLBIOLOGIE ⇒ Apoptose kann über interne Zellschädigung der DNA (durch UV-Strahlung etwa) herbeigeführt werden. Die Zelle wird über verschiedene Stresssignale dazu veranlasst Apoptose zu begehen. ⇒ Es gibt eine ganze Reihe verschiedener Wachstumshormone, die Überlebenssignale auslösen und somit die Apoptose unterbinden. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 132 ZELLBIOLOGIE ⇒ Die Apoptose geht immer mit einer Volumsveränderung der Zelle einher, das gesamte interne Milieu der Zelle verändert sich. GENETISCHE GRUNDLAGEN ⇒ Beispiel caenorhapditis elegans (Fadenwurm) ⇒ Das Gen ced-3 wird in bestimmten Zellen aktiviert und es liefert die RNA für das gleichnamige Protein ced-3, das die Nervenzellen in geregeltem Maß absterben lässt. Geschieht die nicht, stirbt der Fadenwurm. ⇒ Obwohl der Fadenwurm sehr weit entfernt nur mit der maus verwandt ist, wirkt aber das Bcl-2 Protein der maus trotzdem auch im Wurm. ⇒ Die Apoptose im Wurm verläuft folgendermaßen: Das ced-3 Protein wird vom ced-4 aktiviert. Dieses ist aber mit ced-9 verbunden und wird von diesem gehindert, ced-3 zu aktivieren. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 133 ZELLBIOLOGIE ⇒ Bei Wirbeltieren ist der Effector eine Caspase 9, also eine Protease, die die anderen Proteine in der Zelle durch Hydrolyse (d.h. ein H2O-Molekül zerbricht die Polypeptidbindung zwischen zwei Aminosäuren –HO kommt an eine AS und –H an die andere) zerstört. Der Regulator ist Bcl-2 (antiapoptotisch) und der Adapter ist vApaf-1. ⇒ Apoptotische Zellen werden phagocytiert, d.h. von den Zellen des Immunsystems, den Makrophagen aufgenommen und verdaut. Geschieht dies bei der Nekrose, dann kommt es zu Entzündungen, was bei der Apoptose nicht passiert aufgrund von anti-inflammatory Faktoren. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 134 ZELLBIOLOGIE KREBS ⇒ Das p53-Protein wird bei DNA-Schäden (durch z.B. UV) ausgebildet. In 50% aller Krebsfälle ist dies mutiert. Bei geringen DNA-Schäden kommt es zu einer Reparatur. Ist der Schaden zu groß, dann wird die Zelle in der G1-Phase ihrer Teilung angehalten und zur Apoptose gezwungen. ⇒ Die Kontrolle des Zellzyklus bedeutet ein ständiges Wechselspiel von aktivierenden und hemmenden Prozessen: o In Krebszellen ist aber diese Kontrolle über das Wechselspiel verloren gegangen. o Eine Krebszelle kann sich unendlich oft teilen (eine normale Zelle durchläuft 30-50 Zellzyklen bis zur Ausdifferenzierung). o Krebszellen schalten die „innere Uhr“ der Zelle aus, die das Wachstum begrenzt. o Auch die p53-Reparaturmechanismen werden ausgeschaltet → keine Apoptose wird mehr veranlasst. o Krebszellen können auch nicht von außen durch Signale zur Apoptose gezwungen werden. o Es braucht mindestens 8-10 Fehler gleichzeitig, damit eine Zelle zur Krebszelle mutieren kann und damit sie nicht zur Apoptose gezwungen werden kann. Unter Krebs versteht man das unkontrollierte Wachstum von Körperzellen, die dabei gesundes Gewebe verdrängen oder zerstören. Bei einem biologisch hoch komplexen Organismus wie dem menschlichen Körper, der aus Milliarden von lebenden Zellen besteht, ist eine gegenseitige Abstimmung der Zellen untereinander notwendig, um das Gesamtziel, nämlich das Überleben des Körpers und die Reproduktion der Gene zu erreichen. Insbesondere bei Wachstums-, Differenzierungs- und Reparaturvorgängen müssen die einzelnen Zellverbände untereinander kommunizieren, um einen geordneten Ablauf dieser Prozesse zu garantieren. Bei der Wundheilung beispielsweise soll das Wachstum möglichst schnell ablaufen, um die Wunde zu schließen. Ist der Wundverschluss erreicht, muss die Vermehrungsrate der Reparaturzellen wieder stark gebremst werden, da ein weiteres Wachstum nicht mehr notwendig ist. Bei Krebszellen ist diese gegenseitige Abstimmung und Beeinflussung im Zellverband außer Kraft gesetzt. Krebszellen teilen sich unkontrolliert immer weiter, obwohl keine Notwendigkeit mehr dazu besteht. Die Bremssignale des Gesamtsystems an die Tumorzellen werden nicht mehr erkannt und befolgt, da sie den genetischen Code für den Informationsempfang verloren oder abgeschaltet haben. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 135 ZELLBIOLOGIE PROTEINABBAU ⇒ Uliquitin (globuläres Protein) wird unter ATP-Verbrauch an ein Protein gehängt. Viele Uliquitine hängen sich rasch an und das Protein wird in seine Bestandteile zerlegt (AS). ⇒ Cyclin ist z.B. ein Protein, das in der Metaphase der Zellteilung abgebaut werden muss, damit die Zellteilung fortgehen kann. © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 136 ZELLBIOLOGIE ZELLTYPEN 20.01.2005 (Blutzelle) © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 137 ZELLBIOLOGIE ⇒ Eizelle = omnipotent, d.h. sie enthält den bauplan (DNA) für alle Zellen eines Organismus. ⇒ Stammzelle = pluripotent, d.h. sie kann noch viele Zelltypen hervorbringen (zunächst sind dies Vorläuferzellen). © 2004 A.F. Inoffizielles Skriptum 138 ZELLBIOLOGIE
