Grundlagen Zellbiologie

• Zelloberfläche

• Cytoskelett

• Ribosomen

• Endoplasmatisches Reticulum

• Golgi/Dictyosom

• Mitochondrium

• Zellkern

• „Glycocalyx“ „süße Schale“

• Hochkomplexe Struktur, die jede Zelle im Körper umgibt.

• Besteht aus Zuckern und den Proteinen und Lipiden, an die diese Zucker gebunden sind.

• Schutzfunktion (mechanische chemische Schäden)

• Schleimige Oberfläche damit bewegliche Zellen nicht „hängenbleiben“

• Abstandshalter für Fremdkörper und Zellen um unerwünschte Protein-Protein-WW zu vermeiden

• Position und Vielfalt der Zucker ermöglicht wichtige Funktion bei der Zellerkennung

Lipid-Doppelschicht (mit assoziierten Proteinen), die alle Zellen und in Eukaryonten auch die Organellen umschließt (Einheitsmembran)

• Obwohl in der Membran auch unterschiedliche Proteine eingelagert sind, gilt sie als Einheitsmembran.

• Die Lipiddoppelschicht ist asymmetrisch (z.B. Glycolipide, außen, Phosphatidylserin innen)

• Jedes Lipidmolekül besitzt einen wasserabstoßenden (hydrophoben) Schwanzteil, sowie einen Wasser anziehenden (hydrophilen) Kopf

• Lipidmoleküle bilden in Wasser spontan Doppelschichten aus

• Die Lipiddoppelschicht ist eine zweidimensionale Flüssigkeit: die einzelnen Phospholipidmoleküle können in der Membran hin und her schwimmen, sie aber nicht verlasse

Netzwerk aus Faserproteinen im Cytoplasma eukaryontischer Zellen

Stabilisiert die Zelle sowie die Lage der intrazellulären Organellen und ist gleichzeitig für die Bewegung

• der Organellen

• der Chromosomen

• der Zelle selbst

zuständig

• Mikrotubuli

  • Hohle Stäbe aus Tubulin

  • Bewegung der Organellen, Zellteilung

  • Zellbewegung (Cilien und Geißeln)

• Actinfilamente

  • Zwei umeinander gewundene Actinstränge

  • Veränderung der Zellform, Muskelkontraktion (Actin-Myosin)

  • Zellbewegung, z.B. Pseudopodien

• Intermediärfilamente

  • Spiralisierte dicke Kabel

  • Aufrechterhaltung der Zellform (Keratin, Neurofilamente)

Durch Motorproteine kann es vielfältige Bewegungen der Zelle ausführen.

Motorproteine bewirken das Filamente aneinander vorbei gleiten

Motorproteine binden über spezielle Rezeptoren an Organellen und bewegen/ orientieren diese in der Zelle

Actinfilamente in Cytoskelett

• Stäbe mit einem Durchmesser von 5-7 nm

• Bestehen aus Actin einem globulären Protein

• Zu Ketten verknüpft

• Zwei Ketten spiralförmig umeinander gewunden

• Häufig Geflecht unter der Plasmamembran

• Zellrinde erhält hierdurch eine halbfeste, gelartige Konsistenz, im Gegensatz zu eher flüssigem Solzustand im Inneren

• Pseudopodien/Amöboide Bewegung

• Mikrovilli / Oberflächenvergrößerung

• Transport in der Zelle

• Kontraktile Funktion

• Skelettmuskel am Knochen verankert, besteht aus zahlreichen langen Muskelfaserbündeln • Die Muskelfaserbündel bestehen aus parallelen Muskelfasern.

• Jede Muskelfaser ist eine Muskelzelle. Diese besitzt mehrere Zellkerne und ist durch Fusion mehrerer Zellen entstanden

• Muskelzelle besteht aus Bündeln von Myofibrillen (Durchmesser etwa 1 µm)

• Diese bestehen aus zwei Arten von Myofilamenten: Dünne Filamente (Actin und Tropomyosin) Dicke Filamente (Myosin)

• Jede Myofibrille besteht aus repetitiven Einheiten den Sarkomeren (die funktionelle Grundeinheit des Muskels)

• Die Grenzen der einzelnen Sarkomere bilden die Z-Scheiben

• Actinfilamente sind mit Z-Scheiben verbunden

• Myosinmoleküle (Motorproteine) bestehen aus langen Schwänzen mit nach außen gerichteten Köpfen (zahlreiche Moleküle gebündelt)

• Köpfe können unter ATP-Verbrauch an Actin Filamenten entlanglaufen (Problem: zwei entgegengesetzte Richtungen)

• Actinfilamente werden so in Richtung Zentrum des Sarkomers gezogen

• Die Länger der Myosin-Motorprotein-Filamente und der Actinfilamente bleibt bei der Kontraktion unverändert

• Die Länge des Sarkomers wird verkürzt, die Z-Scheiben wandern aufeinander zu

BINDEGEWEBE BESTEHT AUS WENIGEN ZELLULÄREN UND VIELEN EXTRAZELLULÄREN BESTANDTEILEN

• Im Bindegewebe herrscht eine enge Interaktion zwischen den zellulären Bestandteilen (hier Fibroblasten) und den extrazellulären Bestandteilen (hier Kollagen und Grundsubstanz/Proteoglycane)

• Die Fibroblasten synthetisieren die Bestandteile der ECM und ordnen diese (Struktur der ECM)

• Die ECM hat wesentlichen Einfluss auf die Funktion der Fibroblasten

• Integrine sind Transmembranproteine über die das Zellinnere (Cytoskelett) mit der ECM verbunden wird. Hierdurch ist eine Kommunikation/ Wechselwirkung der ECM mit der Zelle möglich

• Fibronectine verbinden Bestandteile der ECM untereinander und die ECM ( über die Integrine) mit der Zelle

Proteoglykane enthalten neben dem Proteinanteil einen hohen Anteil von Kohlenhydratketten. Bilden die stark wasserhaltige gelähnliche Grundsubstanz. Bilden ein Geflecht in welches die Kollagene eingelagert sind.

Kollagen ist das häufigste Protein der ECM. Es ist zudem das häufigste Protein im menschlichen Körper. Es kann kräftige Fasern ausbilden und verleiht Zugfestigkeit. Fibroblasten bilden Kollagen (Tripelhelix)

Zusammenbau z.T außerhalb der Zelle

Aminosäureketten- Fibrillen-Fasern

• Alterung:Kollagenanteil sinkt ab dem 20./30. Lebensjahr (decadisch um6%), Disorganisation des Kollagennetzwerks auch im löslichen Kollagen vorhanden

• Mangel: Cellulitis, Skorbut, Fibrom, Fibrosarkom

ein gutartiges, mesenchymales Geschwulst, das durch Wucherung von Fibrozyten entsteht

ein Bösartiges, mesenchymales Geschwulst, das durch Wucherung von Fibrozyten entsteht

• Krankhafte Vermehrung des Bindegewebes in menschlichen Geweben und Organen dessen Hauptbestandteil Kollagenfasern sind.

• Das Gewebe des betroffenen Organes wird hierdurch verhärtet.

• Es entstehen narbige Veränderungen, die im fortgeschrittenen Stadium zur Einschränkung der jeweiligen Organfunktion führen.

• Adhärenzverbindungen

• Desmosomen/Hemidesmosomen

• Tight Junction

• Gap Junctions

• Adhärenzgürtel : Unterhalb der tight junctions

• Cadherinmoleküle sind über Linker an AktinFilamente der Zelle gebunden. Kontraktile Filamente die eine gewisse epitheliale Beweglichkeit ermöglichenden

• Zahlreiche Cadherinmoleküle sind über einen Befestigungsmolekül zusammengefaßt und über Keratinfilamente verankert Hohe Zugfestigkeit in widerstandsfähigen und offenliegenden Epithelgeweben

• Hemidesmosomen befestigen die Keratin- filamente einer Epithelzelle an der Basalmembran

• „Schlussleiste“

• Bänder aus Membranproteinen, die Epithelzellen von Wirbeltieren vollständig umgürten und mit den Bändern der Nachbarzellen in enger Verbindung stehen.

• Die Tight Junctions schließen den Zellzwischenraum und bilden eine Diffusionsbarriere, die den Fluss von Molekülen über das Epithel kontrolliert.

• Sie erhalten die Polarität der Epithelzellen aufrecht: verhindern, dass Membrankomponenten aus dem apikalen Bereich nach lateral diffundieren und umgekehrt.

• Plasmamembranen von zwei benachbarten Zellen interagieren.

• Nebeneinanderliegende Lipiddoppelschichten werden von Connexonen durchdrungen.

• Connexone : Proteinaggregate aus sechs identischen Untereinheiten. End-an-End Verbindung zwischen den Zellen und Ausbildung eines Verbindungskanals

• Zellkern und Cytosol, die über Kernporenkomplexe in Verbindung stehen (Bilden topologisches Kontinuum sind aber funktionell klar getrennt)

• Organellen des sekretorischen / endocytotischen Transportweges (ER, Golgi, Endosomen, Lysosomen) und die verschiedenen Klassen von Transportintermediaten / wie Transportvesikel

• Die Mitochondrien und Plastiden

Kernhülle besteht aus zwei Membranen

• Innere Membran enthält Proteine die als Bindungsstellen für die Chromosomen und die Kernlamina dienen

• Äußere Membran ist ähnlich aufgebaut wie die ER Membran und setzt sich ohne Unterbrechung in das ER fort

Das Innere des Kerns besitzt eine Struktur in der DNA, RNA und Proteine organisiert sind und auch die jeweiligen Interphasechromosomen an abgrenzbaren Stellen lokalisiert sind

• DNA -> DNA (Replikation)

• DNA -> RNA (Transkription)

• RNA-> Protein (Translation)

• RNA --> RNA (RNA-Replikation)

• RNA -> DNA (Reverse Transkription)

• DNA -> Protein (Direkte Translation von DNA zu Protein

• Protein → DNA

• Protein → RNA

• Protein → Protein

• “Membranumschlossenes“ Organell etwa in der Größe eines Bakteriums. Hier findet die oxidative Phosphorylierung statt, die den Löwenanteil des ATPs der Eukaryontenzelle liefert

• Zwei Kompartimente:

  a) Intermembranraum (Zwischenraum zwischen Innen- und Außenmembran

  b) Matrix, der von der Innen membran umschlossene Raum

• Matrix: Ribosomen, DNA, Enzyme des Stoffwechsels und der Zellatmung

• •Plastische Organelle die in Form und Größe stark variieren (oval ca. 2x1 mm ). Auch der innere Aufbau : Anzahl, Gestalt, Zahl der Christae ist sehr unterschiedlich.

• Mitochondrien besitzen zwei getrennte Membranen: Außenmembran besitzt eine höhere Durchlässigkeit Innenmembran besitzt viele Einstülpungen die zu einer starken Vergrößerung der Oberfläche führen (75% Proteingehalt/Atmungskette)

• Mitochondrien besitzen eigene DNA, Maternale Vererbung

• Anzahl der Mitochondrien pro Zelle kann reguliert werden

Man vermutet, dass es sich bei den Mitochondrien ursprünglich um Bakterien handelte, die von einer vor-eukaryontischen Urzelle verschlungen wurden, aber in ihr überlebten und eine Symbiose mit Ihrer Wirtszelle eingingen.

Endosymbiontenhypothese

Änlich wie bei Bakterien könnte in einer voreukaryontischen Urzelle die DNA an eine Einstülpung der Zellmembran angeheftet gewesen sein.

Diese Einstülpung könnte sich soweit ausgedehnt haben, dass der Zellkern entstand

Aus dieser doppelten Membran heraus haben sich erneut Einstülpungen gebildet, die das ER bildeten

• Netz von Röhren und Säcken die sich zu Zisternen erweitern

• Dieses stark verzweigtes, Hohlraumsystem erstreckt sich durch das ganze Zytoplasma

• Die Membranen des ER machen i.d.R. mehr als die Hälfte der gesamten Membranmenge einer Zelle aus

• Wahrscheinlich bildet das ER in einer Zelle eine zusammenhängende Fläche die einen einzigen Innenraum umschließt

• Da die ER-Membran direkt in die Kernhülle übergeht, steht deren Membranzwischenraum (Perinucleäre Raum) mit dem ER-Lumen in Verbindung

Synthese sekretorischer Proteine

Ist auf seiner Cytosolseite mit Ribosomen besetzt

• Sekretion: Viele Zellen sondern Proteine ab, die von dem an das raue ER angehefteten Ribosomen produziert werden

• Das neusynthetisierte Protein wird im Lumen des ER „funktionsfähig“ gemacht (Faltung, Disulfidbrücken, Anheftung von Zuckern / Die meisten sekretorischen Proteine sind Glykoproteine)

• Sekretorische Proteine verlassen ER in einem besonderen Bereich in Form kleiner Bläschen die durch Zelle wandern (Transportvesikel)

• Kohlenhydratstoffwechsel, Beseitigung von Giften

• Synthese Fettsäuren, Lipiden und Steroiden • Steroide: Zellen die Geschlechtshormone produzieren (Hoden/Eiersöcke)besitzen hohen Anteil an glattem ER

• Kohlenhydratstoffwechsel : Leberzellen speichern Kohlenhydrate als Glykogen

• Entgiftung Modifikation der Gifte z.B. durch Anfügen von Hydroxylgruppen

Barbiturate (Beruhigungsmittel) werden so umgesetzt,

Regelmäßige Einnahme bewirkt verstärkte Bildung des glatten ER, Effekte stellen sich dann erst bei größeren Dosen ein.

Vermehrung des glatten ER und seiner Enzyme kann auch zu verstärkter Toleranz gegenüber anderer Stoffe führen. Missbrauch von Barbituraten hat auch zur Folge, dass Antibiotika schlechter wirken.

• Nachdem die Transportvesikel das ER verlassen haben wandern sie vielfach zum Golgi-Apparat

• Fertigungs,- Lager-, Sortier- ,Versand-Zentrale der Zelle. Golgi ist in sekretorischen Zellen besonders ausgeprägt

• Besteht aus abgeflachten Hohlräumen die wie Pitabrote übereinander gestapelt sind ( und untereinander verbunden)

• Stapel wird als Dictyosom bezeichnet, häufig treten aber mehrere Stapel auf, die dann untereinander verbunden sind und in ihrer Gesamtheit als Golgi Apparat bezeichnet werden • Man unterscheidet dem Zellkern zu gewandte cis (Empfangs) und die zur Plasmamembran zeigende trans (Versand/Transport) Seite

Bevor der Golgi-Apparat seine Produkte in Vesikeln abgibt kennzeichnet er diese für die verschiedenen Bestimmungsorte

•Transport zur Plasmamembran, den Lysosomen oder den sekretorischen Vesikeln

Vorgang, durch den die meisten Moleküle von einer Eukaryontenzelle ausgeschieden werden. Diese Moleküle werden in Membran-Umhüllte Vesikel verpackt, die mit der Plasmamembran verschmelzen und dadurch ihren Inhalt nach außen abgeben

Aufnahme von Material in eine Zelle durch eine Einstülpung der Plasmamembran und ihre Aufnahme ins Zell-Innere durch membranumhüllte Vesikel Membranmenge bleibt durch Exocytose und Endozytose in der Regel konstant

Vorgang, bei dem Teilchen-Material von einer Zelle endozytiert (gefressen) wird. Bei spezialisierten Zellen zur Entfernung von Pathogenen und geschädigten Zellen (z.B. Makrophagen)

Form der Endoytose, bei der lösliches Material aus der Umgebung aufgenommen und in Vesikeln für die Verdauung eingeschlossen wird („Zell-Trinken)

• Membranvesikel, die der intrazellulären Verdauung von Makromolekülen dienen

• Enzyme und Lysosomenmembranen stammen aus dem ER, werden im Golgi weiter verarbeitet. Die Lysosomen entstehen durch Abschnürung der trans-Seite des Golgi

• Proteine und Verdauungsenzyme der Lysosomen haben besondere Struktur um der „Eigenverdauung „im Lysosom zu entgehen

• Lysosom verschmilzt mit Phagosom , Verdauungsprodukte wie Zucker, Aminosäuren und andere Monomere wandern ins Cytosol und werden zu Nährstoffen für die Zelle

• Lysosom verdaut auch zelleigenes Material bzw. führt dieser einer Wiederverwertung zu

Wasserlösliche Hormone können die Zellmembran nicht durchdringen; Fettlösliche Hormone schon.

! Hieraus resultieren gravierende molekulare Unterschiede in der Wirkung auf die Zielzelle, d.h unterschiedlichen Lokalisierungen der Rezeptoren in den Zielzellen

Die Lage der Rezeptoren ist je nach Hormontyp unterschiedlich:

a) Rezeptoren in der Plasmamembran

b) Rezeptoren im Cytosol/ Zellkern

Folge von verknüpften Proteinreaktionen, häufig Phosphorylierungen oder Dephosphorylierungen, die als Schaltstationen dienen, ein Signal in der Zelle weiterzuleiten

• Durch Signalamplifikation kann das ursprüngliche Signal verstärkt werden

• Durch Crosstalk können Signale mehrerer Signalkaskaden im Zytoplasma oder im Zellkern integriert.

• Signalnetzwerk ist die Gesamtheit der Signalkaskaden in einem Zelltyp. Diese sind plastisch, d. h. sie variieren z. B. in verschiedenen Entwicklungsstufen eines Organismus.

• Erkennung: Die Zelle erkennt einen Signalstoff in ihrer Umgebung z.B. durch Bindung an ein spezifisches Rezeptorprotein auf der Zelloberfläche

• Übertragung: Nach Bindung des Signalmoleküls verändert sich der Rezeptor strukturell und setzt einen Signalübertragungsweg in Gang (häufig Signalkaskade)

• Antwort: Im dritten Stadium wird eine spezifische Antwort der Zelle ausgelöst

• Teilung des Kerns einer Eukaryontenzelle, einschließlich der Kondensation der DNA in sichtbare Chromosomen

• Tochterzellkerne erhalten die gleiche Anzahl an Chromosomen und die gleiche Erbinformation

Cytokinese: In den meisten Fällen erfolgt nach der abgeschlossenen Kernteilung eine Zellteilung

• Die Cytokinese wird nicht zur Mitose gezählt. Bei tierischen Zellen wird schon während der Telophase oder sogar Anaphase ein kontraktiler Ring aus Aktinfasern gebildet, der zusammen mit Myosin soweit verengt wird, bis die Plasmamembranen fusionieren und sich die Tochterzellen voneinander trennen.

• In der nachfolgenden Phase, der Interphase, kann sich der Chromosomensatz wieder replizieren, um eine neue Mitose zu ermöglichen.

Zeitraum zwischen der Entstehung einer Zelle aus einer Mutterzelle, und ihrer erneuten Teilung in zwei weitere Tochterzellen. Dieser Zeitraum unterteilt sich in die (M)- Phase und die Interphase, die ihrerseits wiederum in G1-, S- und G2- Phase unterteilt ist.

• Zeitraum zwischen zwei Teilungen

• G1 Zellwachstum Bildung von Organellen Zelle erreicht das für sie typische Kern-PlasmaVerhältnis

• G0: Ruhephase

• S: Synthese Phase DNA-Verdopplung, Verdopplung des Centrosoms

• G2: Kontrolle der Replikation Vorbereitung auf Mitose

• Bildung der Spermien und Eizellen

• Reduktion des diploiden (doppelten) Chromosomensatzes auf einen haploiden (einfachen) Chromosomensatz

• Aus einer diploiden Zelle entstehen durch zwei aufeinander folgende Kernteilungen nach nur einer DNA-Replikation vier haploide Tochterzellen

• Programmierter Zelltod, Zellselbstmord

• Die Zelle setzt aktiv Prozesse in Gang, die zu ihrem eigenen Tod führt

• Apoptose ist ein genetisch programmierter Vorgang, der dem Organismus die Möglichkeit gibt, geschädigte oder unerwünschte Zellen ohne Folgeschäden auszusortieren

• Zellen schrumpfen, Chromatinkondensation

• Bildung von Ausstülpungen und Bläschen an der Zellmembran „membrane blebbing“

• Kontrollierter Abbau der gesamten Zelle (apoptotic bodies) Aufnahme durch Freßzellen und benachbarte Zellen

• Veränderungen der Zellmembran

• Abbau zellulärer Proteine z.B. Cytoskelett

• DNA-Fragmentierung

Funktionen:

Regulation der Zellzahl und Entfernung unerwünschter Zellen

• Embryonalentwicklung (Zwischenfingergewebe)

• Zellumsatz, Platz für neugebildete Zellen

• Entfernung überzähliger Zellen

• Entfernung temporär benötigter Zellen

• Entfernung „kranker“ Zellen

Fehlfunktionen:

• Zu wenig Apoptose: Tumore durch verstärkte Zellvermehrung und zu wenig Apoptose

• Zuviel Apoptose : Übermäßiger Abbau der T-Helferzellen bei AIDS