Topographische Anatomie: Anatomische Propädeutik: Grundlagen der Biologie

Wesentliches Merkmal eukaryotischer Zellen ist der Zellkern, die Zelle selbst lässt sich in verschiedene Bestandteile untergliedern

Im Gegensatz zu Prokaryoten besitzen Eukaryoten einen membranumschlossenen Zellkern. Man rechnet zu ihnen alle höheren Mehrzeller (Pflanzen, Pilze etc.). Eukaryotische Zellen können sich abhängig vom äußeren Milieu differenzieren und sehr unterschiedliche Gestalt annehmen – ein Extrembeispiel sind Nervenzellen (Neurone), die meterlange Fortsätze ausbilden können. Eukaryotische Zellen behalten ihre Unabhängigkeit, sind jedoch über Zellverbindungen und Signalstoffe in den Zellverband integriert.

Die Zelle in ihrer Gesamtheit bildet das Protoplasma, das aus der Zellmembran, dem Cytoplasma und dem Karyoplasma besteht. Das Cytoplasma setzt sich seinerseits aus Cytosol, Cytoskelett und Zellorganellen zusammen.

	Merke Protoplasma = Zellmembran + Karyoplasma + Cytoplasma (= Cytosol + Cytoskelett + Zellorganellen)

Die Plasmamembran besteht aus Lipiden und Proteinen, lässt ausgewählte Moleküle passieren und bildet das Substrat für Kontakte zwischen den Zellen

Die Plasmamembran ist die Hülle der Zelle. Sie grenzt Zellinneres vom Zelläußeren ab und lässt nur ausgewählte Stoffe passieren, so dass sich ein intrazelluläres Milieu einstellt, das sich wesentlich vom äußeren Milieu unterscheidet. Zudem besorgt sie die Kommunikation mit anderen Zellen und trägt Antigene (v. a. bestimmte Zuckerstrukturen), die für Individualität und Erkennbarkeit der Zelle entscheidend sind.

Bestandteile der Zellmembran

Die Zellmembran besteht aus zwei Komponenten: der Lipiddoppelschicht und den darin eingelagerten Proteinen. Beide Komponenten befinden sich gemäß dem Fluid-Mosaik-Modell in ständiger Bewegung (in der zweidimensionalen Ebene der Zellmembran, "laterale Diffusion").

• Die Lipiddoppelschicht ist etwa 6-10 nm dick und besteht aus zwei Lagen von Phospholipiden, amphiphilen Molekülen, die sich so zusammenlagern, dass die hydrophoben Schwänze nach innen weisen und die hydrophilen Köpfe nach außen zum wässrigen Milieu hin zeigen. Sie bildet somit gewissermaßen eine Lipidbarriere, die von lipophilen Molekülen sehr gut durchquert werden kann, von hydrophilen Molekülen dagegen nur sehr schlecht (wie wir später sehen werden, bildet Wasser hier eine wichtige Ausnahme). Außerdem finden sich Glycolipide und Cholesterin.
  • Bei den Phospholipiden handelt es sich hauptsächlich um Phosphatidylcholin, Sphingomyelin (= Ceramid + Phosphorylcholin), Phosphatidylserin und Phosphatidylethanolamin; dabei herrscht eine Asymmetrie: Lipide mit Cholinende (Phosphatidylcholin, Sphingomyelin) liegen außen, Lipide mit einer Aminogruppe innen.
  • Glycolipide (= Ceramid + ein oder mehrere Zucker) befinden sich immer auf der extrazellulären Seite der Membran; sie sind entscheidend für die interzelluläre Kommunikation.
  • Cholesterin, ein Steroid mit 27 C-Atomen und einer Hydroxylgruppe, lagert sich zwischen die hydrophoben Schwänze, stabilisiert dadurch die Membran, so dass Phasenübergänge weniger wahrscheinlich werden, und behindert die Diffusion hydrophober Moleküle durch die Membran.
• Proteine, ihrer Funktion nach Enzyme oder Rezeptoren, bilden den zweiten Hauptbestandteil der Membran, wobei ihr Anteil von Zelltyp zu Zelltyp variiert. Je nach dem, ob sie sich leicht oder schwer von der Membran lösen lassen unterscheidet man
  • periphere Membranproteine, die nur über wenige hydrophobe Bereiche in der Zellmembran verankert und daher leicht solubilisierbar sind,
  • integrale Membranproteine, die nur isoliert werden können, wenn man zugleich auch die Membran zerstört.

	Merke Proteine und Lipide diffundieren lateral. Eine vertikale Diffusion (Flip-Flop) wurde bei Lipidmolekülen nur selten, bei Proteinen und Glycolipiden noch nie beobachtet.

Beide Bestandteile werden im Endoplasmatischen Retikulum (ER) synthetisiert: die Lipide im Glatten ER, die Proteine im Rauhen ER. Im Golgi-Apparat finden anschließend Modifikationen statt, und schließlich werden die Proteine und Lipide in Form von Vesikeln zur Membran versandt und integriert.

Transportvorgänge

Man erinnere sich, dass die Zelle einerseits Zellinneres und Zelläußeres gegeneinander abgrenzt, aber bestimmte Moleküle passieren lässt. Dies erfolgt mittels verschiedener Mechanismen, wobei man zwischen Bergab- und Bergauf-Transport unterscheiden kann.

• Bergab-Transport bedeutet, dass sich Moleküle/Ionen/Atome vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration bewegen. Dies hat seinen Grund darin, dass Konzentrationsunterschiede einen Zustand verringerter Entropie (Unordnung) darstellen, spontane Vorgänge aber stets so ablaufen, dass die Entropie in ihrer Gesamtheit erhöht wird. Daher werden die Moleküle/Ionen/Atome mittels ihrer Eigenbewegung (Brownsche Molekularbewegung) die Membran durchdringen und sich auf beiden Seiten der Membran verteilen, bis sich ein Nettogleichgewicht einstellt (die Geschwindigkeit, mit der sich dieses Gleichgewicht einstellt, hängt dabei von Temperatur, Ausmaß des Konzentrationsgefälles und Druck ab). Diesen Vorgang nennt man "Diffusion". Er ist nur für solche Stoffe möglich, die die Membran ohne weiteres passieren können, also für lipophile Stoffe. Für hydrophile Stoffe müssen dagegen bestimmte Transportproteine in die Membran eingebaut sein, den entsprechenden Vorgang nennt man "erleichterte Diffusion". Ein Sonderfall ist die Osmose: hier liegt eine semipermeable Membran vor, die nur das Lösungsmittel (z. B. Wasser), nicht aber größere Moleküle passieren lässt. Wenn die nicht permeablen Moleküle asymmetrisch dies- und jenseits der Membran verteilt sind, dann üben diese Moleküle einen osmotischen Druck auf die Membran aus, der den Einstrom von Lösungsmittel auf die Seite mit der höheren Molekül-Konzentration bewirkt. Um es anschaulich zu formulieren: die nicht permeablen Moleküle wirken als Lösungsmittel-"Platzhalter", sie nehmen einen bestimmten Raum ein, der nicht von Lösungsmittelmolekülen besetzt ist und verringern dadurch die Konzentration des Lösungsmittels auf der entsprechenden Seite der Membran. Durch den Einstrom von Lösungsmittel wird ein Ausgleich geschaffen und das Lösungsmittel gleichmäßig über die Membran verteilt.
• Bergauf-Transport ist Transport entgegen eines Konzentrationsgradienten, also vom Ort niedriger Konzentration zum Ort hoher Konzentration. Dieser Verlust an Entropie muss durch einen anderweitigen Gewinn an Entropie erkauft werden. Bergauf-Transporte benötigen also Energie: eine energiereiche Bindung muss gespalten werden (primär-aktiver Transport, z. B. Natrium-Kalium-ATPase) oder ein höherenergetischer Bergab-Transport muss mit dem Bergauf-Transport gekoppelt werden (z. B. Natrium-Calcium-Antiporter: der Natriumgradient wird ausgenutzt, um Calcium entgegen seinem Gradienten zu befördern).

	Merke bei Bergab-Transporten wird Energie frei, bei Bergauf-Transporten muss Energie aufgewendet werden (energiereiche Bindung, Konzentrationsgradient).

Glykokalix

Man erinnere sich, dass die Zuckerstrukturen von Glycolipiden auf die extrazelluläre Seite der Membran weisen; auch Proteine können Kohlenhydrat-Einheiten enthalten. Das komplexe Muster aller dieser Zuckerstrukturen an der Zellaußenseite nennt man "Glykokalix". Sie hat verschiedene Funktionen:

• Sie dient der Kontaktaufnahme und der Zellkommunikation,
• Einige ihrer Teile sind Antigene und somit für die Unterscheidung von "Selbst" und "Fremd" entscheidend.
• Sie dient als Rezeptor-Struktur (z. B. Selectine auf Lymphocyten: Zuckerstrukturen, mittels derer sich die Lymphocyten beispielsweise an Endothelzellen anheften)

Zellkontakte

Bestimmte Bereiche der Zellmembran, Zellkontakte, dienen der Kommunikation und Verbindung der Zelle mit Nachbarzellen. Darüber hinaus bewirken sie eine Kontaktinhibibtion: wenn Zellen miteinander in Kontakt treten, dann wird ihre Teilungsaktivität gehemmt; Tumorzellen fehlt diese Eigenschaft – sie teilen sich auch dann, wenn sie fest in den Zellverband integriert sind. Man unterscheidet vier wesentliche Typen von Zellkontakten:

• Zonula occludens (= Tight Junction)
• Zonula adhaerens (durch Interzellularsubstanz verkittet)

  Zonula occludens und Zonula adhaerens umgeben die Zelle gürtelartig und werden daher zur Schlussleiste zusammengefasst. Sie begrenzen den Stoffdurchtritt und bilden eine Grenze für die laterale Diffusion von Membranproteinen.

• Macula adhaerens (= Desmosom): verbunden durch Kittsubstanz (Glycoproteine, Mucopolysaccharide), intrazellulär findet sich ein Plaque, in den Intermediärfilamente einstrahlen; der Basalmembran zugewandte Epithelzellen besitzen Hemidesmosmen in der basolateralen Membran, die der Verankerung mit darunterliegendem Bindegewebe dienen.
• Nexus (= Gap junction): ein Kanal, der von je einem Konnexon jede der beiden Zellen gebildet wird. Ein Connexon besteht seinerseits aus 6 Connexinen. Dem Nexus kommen mehrere Aufgaben zu:
  • Kanal für wasserlösliche Moleküle (AS, Nucleotide, Vitamine, Disaccharide, Hormone, cAMP),
  • Elektrische Kopplung (= Ionenkopplung, "elektrische Synapse"),
  • Stabilisierung

	Merke bei Gap Junctions steht die Funktion der Stoff-Weiterleitung im Mittelpunkt ("elektrische Synapse")

Der Zellkern enthält die DNA und ist der Ort von Replikation, Transkription und Prozessing

Der Zellkern (Nucleus) ist derjenige Bereich der Zelle, der das genetische Material enthält. Seine Form passt sich der Zellform an, ist meist kugelförmig, kann aber auch nierenförmig oder lang gestreckt sein.

Die meisten Zellen des Körpers besitzen nur einen Zellkern, es gibt aber auch Ausnahmen. Erythrocyten beispielsweise haben während ihrer Reifung den Zellkern verloren, Leberzellen, Osteoklasten, Skelettmuskelzellen und andere Zellen besitzen dagegen viele Zellkerne. Der Inhalt des Zellkerns setzt sich hauptsächlich aus der DNA und akzessorischen Proteinen zusammen. Je nach dem, in welcher Phase sich die Zelle befindet (S-Phase, G-Phasen, Mitose), liegt die DNA in einer anderen Zustandsform vor:

• In allen Phasen außer der Mitose liegt sie als Chromatin vor, das aus locker verteilten DNA-Fäden mit einem Durchmesser von 2 nm und einer Länge von 5 cm im entwundenen Zustand besteht. Es lassen sich Euchromatin und Heterochromatin unterscheiden.
  • Diejenigen Bereiche, die gerade abgelesen werden und daher aufgelockert sind, werden als Euchromatin bezeichnet.
  • Das inaktive Genmaterial wird demgegenüber als Heterochromatin bezeichnet; man unterscheidet dabei zwei Arten von Heterochromatin:
    • konstitutives Heterochromatin ist nicht aktivierbar, wird daher nie in Proteine übersetzt und während der S-Phase erst spät repliziert.
    • fakultatives Heterochromatin kann dagegen in Euchromatin übergehen, d. h. es ist aktivierbar.
• Während der Mitose liegt die DNA in Form von deutlich unterscheidbaren Chromosomen vor, d. h. die zuvor ungerichtet verteilten Chromatin-Fäden, die zuvor das Chromatin gebildet haben, sind nun stark kondensiert und bilden verdichtete DNA-Einheiten. Die DNA ist dabei stark spiralisiert und um basische Proteine (Histone) herumgewickelt; man unterscheidet 5 Typen von Histonen: H1, H2A, H2B, H3 und H4. Außer der Histone gibt es noch viele andere Proteine, die man zur Gruppe der Nicht-Histon-Proteine zusammenfasst. Damit die DNA nun in die Zelle passt, muss sie vielfach aufgewickelt werden. Es lassen sich daher drei Vergrößerungsebenen unterscheiden.
  • Große Vergrößerung: Dimere der Histone H2A, H2B, H3 und H4 bilden ein Oktamer, das sogenannte Nucleosomencore, um das sich die DNA mit 1,75 Linkswindungen (entspricht 146 Basenpaaren) herumwindet. Beide, DNA und Nucleosomencore, bilden das Nucleosom. Zwischen zwei Nucleosomen befindet sich ein verbindendes DNA-Stück, die Linker-DNA; sie ist mit dem Histon H1 assoziiert.
  • Mittlere Vergrößerung: die Perlenschnur aus Nucleosomen und Linker-DNA ist ihrerseits aufgewunden und bildet die Chromatinfaser, die einen Durchmesser von 30 nm besitzt.
  • Kleine Vergrößerung: Die Chromatinfaser wiederum ist zu Schlaufen zusammengefaltet, die von Nicht-Histon-Proteinen stabilisiert werden. Eine Schlaufe enthält ca. 75.000 Basenpaare.

In den meisten Zellen lässt sich innerhalb des Zellkerns ein kleiner Punkt erkennen – dies ist der Nucleolus, die Produktionsstätte der ribosomalen RNA. Sein wesentlicher Bestandteil sind bestimmte Abschnitt ("Nucleolus-Organizer-Region", NOR) der entspiralisierten DNA der akrozentrischen Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22, denn hier befindet sich die genetische Information für die Synthese der rRNA. Insgesamt lassen sich von zentral nach peripher drei Bereiche unterscheiden:

• Das Zentrum bilden die DNA-Schleifen (entsprechen der Nucleolus-Organizer-Regionen der akrozentrischen Chromosomen 13-15, 21 und 22)
• In der Mitte liegt eine fibrilläre Komponente, ein Gerüst, welches den Zusammenhalt des Nucleolus besorgt.
• Außen befindet sich die granuläre Komponente, die Ribosomen-Vorläufer enthält.

Der Zellkern besitzt eine Hülle, die von Ausläufern des umgebenden Endoplasmatischen Retikulums gebildet wird. Dementsprechend besteht sie aus zwei Doppelmembranen mit einer dazwischenliegenden Höhle (perinucleärer Spalt); außen sitzen oftmals Ribosomen, an der Innenseite liegt eine Lamina aus Laminen, stabilisierenden Intermediärfilamenten, an welche die Enden der Chromosomen angeheftet sind. Etwa 2000 Porenkomplexe, komplex aufgebaute Kanäle mit acht Untereinheiten, sind in die Kernhülle eingelagert und vermitteln zwischen Cytosol und Karyoplasma; durch sie können Proteine mit einer spezifischen Erkennungssequenz und andere Bestandteile wie Ionen oder Wasser hindurchtreten, wobei für den Proteintransport spezielle G-Proteine und Importine oder Exportine erforderlich sind. Trotz der Permeabilität für die unterschiedlichen Stoffe hat das Karyoplasma eine Zusammensetzung, die deutlich von der des Cytosols abweicht. So ist die Konzentration an Natrium und Chlorid im Zellkern etwa 10.000 mal höher als im Cytosol. Im Zellkern laufen zahlreiche Prozesse ab:

• Replikation (Verdopplung) der DNA
• Transkription von DNA in RNA:
  • Bildung von rRNA, Zusammenlagerung der rRNA und Proteine zu Ribosomen-Untereinheiten, Export ins Cytosol
  • Bildung von tRNA, Prozessing der tRNA und Export ins Cytosol
  • Bildung von prä-mRNA, Prozessing der mRNA (Spleißen, Anheftung von Cap und Poly-A-Schwanz, mRNA-Editing (= Veränderung einzelner Basen)) und Export ins Cytosol

Merke Der von ER-Ausläufern umhüllte Zellkern enthält DNA, Histone und Nicht-Histon-Proteine. Die DNA ist um die Histone gewickelt und anschließend noch mehrmals aufgewunden. Der Nucleolus ist derjenige Teilbereich des Zellkerns, der die Nucleolus-Organizer-Region enthält, d. h. die DNA-Sequenzen der Chromosomen 13-15, 21 und 22, auf denen die Information für die rRNA-Synthese gespeichert ist. Der Zellkern ist Ort der Replikation, der Transkription, des Prozessings und der Bildung von Ribosomen-Untereinheiten.

Das Cytoplasma setzt sich zusammen aus Cytosol, Zellorganellen und Cytoskelett

Man erinnere sich, dass das Cytoplasma aus drei Teilen besteht: Cytosol, Cytoskelett und Zellorganellen. Wir werden alle drei Teile der Reihe nach betrachten.

Cytosol ist eine gelatine-artige Masse, die den größten Teil des Zellvolumens einnimmt

Das Cytosol ist eine hochorganisierte gelatine-artige Masse, die etwa 55% des Zellvolumens ausmacht. Es enthält Enzyme; Fett, Glykogen und ist der Ort von Proteinsynthese und -abbau, FS-Synthese, Teilen des Harnstoffzyklus und anderen wichtigen biochemischen Reaktionen.

Zellorganellen erfüllen verschiedene Aufgaben

Ribosomen sind Maschinen, die mRNA ablesen und entsprechende Proteine synthetisieren

Ribosomen sind Maschinen, die anhand einer mRNA-Vorlage Proteine synthetisieren. Sie bestehen aus Ribonucleinsäuren (rRNAs) und Proteinen, wobei den Proteinen nur stützende Funktion zukommt, die katalytischen Funktionen dagegen von den Ribonucleinsäuren geleistet wird – Ribosomen sind daher Beispiele für Ribozyme. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, die entsprechend ihres Verhaltens bei der Zentrifugation als "40S-" und "60S-Untereinheit" bezeichnet werden.

• Die 40-S-Untereinheit besteht aus einer rRNA (18S-rRNA) und 33 Proteine
• Die 60-S-Untereinheit besteht aus drei rRNAs (5S-, 5,8S-, 28S-rRNA) und mehr als 40 Proteinen

Normalerweise liegen die Untereinheiten frei in der Zelle vor und finden sich erst zur Proteinsynthese zu einer Einheit zusammen, dem "80S-Ribosom". Zwischen den beiden Untereinheiten läuft die mRNA hindurch, während die dabei entstehende Proteinkette durch einen Kanal in der großen Untereinheit wächst. Man stellt sich das Prinzip der Proteinsynthese dabei grob folgendermaßen vor, wobei für die meisten Schritte spezielle G-Proteine (Initiations-, Elongations-, Terminationsfaktoren) erforderlich sind:

1. Initiation:
   • Nachdem sich die mRNA mittels bestimmter Erkennungsstrukturen an die kleine Ribosomen-Untereinheit angeheftet hat und die mRNA nach dem Startcodon abgesucht worden ist, lagert sich die große Untereinheit an.
   • Die große Untereinheit besitzt drei hintereinander angeordnete Stationen: eine Aminoacyl-Stelle (A-Stelle), eine Peptidyl-Stelle (P-Stelle) und eine Exit-Stelle (E-Stelle).
   • Die tRNA mit der ersten Aminosäure (Formyl-Methionin) ist bereits bei der Assoziation der Ribosomenuntereinheiten zum 80S-Ribosom mittels eines Initiationsfaktors in die P-Stelle befördert worden.
2. Elongation:
   • Eine weitere mit einer Aminosäure beladene tRNA lagert sich mit ihrem Anticodon an das entsprechende komplementäre Codon der mRNA an, und zwar in der A-Stelle.
   • Die Aminosäure von der tRNA in der P-Stelle wird auf die Aminosäure der tRNA in der A-Stelle übertragen, wobei sich eine Peptidbindung ausbildet. Diesen Vorgang katalysiert das Peptidyltransferase-Zentrum der großen Untereinheit. In der A-Stelle befindet sich somit eine tRNA, die zwei Aminosäuren trägt.
   • Ein Elongationsfaktor tritt hinzu und schiebt sowohl die mRNA als auch die tRNAs um je eine Position weiter. In der E-Stelle sitzt nun die tRNA, die sich zuvor in der P-Stelle befunden hat, in der P-Stelle sitzt die tRNA mit den zwei Aminosäuren, die sich zuvor in der A-Stelle befunden hat. In die A-Stelle kann nun eine weitere Aminosäure-tragende tRNA eintreten, die tRNA in der E-Stelle diffundiert weg.
   • Diese Vorgänge wiederholen sich, bis auf der mRNA ein Stoppcodon auftaucht.
3. Termination: Das Peptidyltransferasezentrum ist so gestaltet, dass Wassermoleküle nicht ohne weiteres eindringen können – schließlich würde ein Übertrag der Peptidkette auf ein Wassermolekül das Ende der Proteinsynthese bedeuten. Für eine gezielte Beendigung der Proteinsynthese sind daher spezielle Terminationsfaktoren notwendig. Sie ähneln in ihrer Form Aminosäure-tragenden tRNA-Molekülen (ein Beispiel für molekulare Mimikry) und besitzen auch ein Anticodon, das komplementär zum Stoppcodon der mRNA ist; statt einer Aminosäure tragen sie jedoch ein Wassermolekül – sie schmuggeln gewissermaßen ein Wassermolekül in das Peptidyltransferase-Zentrum ein, so dass die Peptidkette auf das Wassermolekül übertragen wird und die Proteinsynthese folglich abbricht.

Meist wird ein- und dieselbe mRNA von mehreren Ribosomen abgelesen; diese reihen sich entlang der mRNA auf, man bezeichnet diese Ribosomen-Reihe als "Polysom". Ribosomen liegen in Eukaryoten entweder im Cytosol oder am Endoplasmatischen Retikulum angebunden vor.

• Ribosomen des ER stellen exportable Proteine her.
• Ribosomen im Cytoplasma stellen zelleigene Proteine her.

Die Ribosomen der Prokaryoten ähneln in Aufbau und Funktion den Ribosomen der Eukaryoten, besitzen aber andere Sedimentationseigenschaften (30S- und 50S-Untereinheit, die sich zum 70S-Ribosom zusammensetzen) und können durch andere Substanzen gehemmt werden. Mitochondrien besitzen entsprechend ihrer Herkunft eigene Ribosomen.

	Merke Ein Ribosom ist ein Ribozym, das anhand einer mRNA-Vorlage eine Aminosäurekette (Protein) herstellt; es wird dabei von einer Vielzahl von Initiations-, Elongations- und Terminationsfaktoren unterstützt. Meist lesen mehrere Ribosomen dieselbe mRNA hintereinander ab (Polysom).