Zytologie

Zytologie

1.1 Einführung

Die Zelle ist die grundlegende strukturelle und funktionelle Einheit aller Lebewesen. Die meisten Zellen haben eine Größe von 1 bis 100 μm und sind nur unter dem Mikroskop sichtbar.

• 1 Mikrometer (μm) = 10^{-3} mm = 10^{-6} m

Ein Lichtmikroskop kann das Untersuchungsmaterial bis zu ca. 1.000 Mal vergrößern. Neuere Verfahren verbessern den Kontrast und ermöglichen das Anfärben und Bezeichnen von Zellkomponenten.

Subzelluläre Strukturen, einschließlich der von Membranen umgebenen Organellen, sind zu klein für Lichtmikroskopie. Für die Untersuchung subzellulärer Strukturen wird das Elektronenmikroskop (EM) verwendet. Es gibt zwei Typen:

• Rasterelektronenmikroskop (REM): Geeignet für detaillierte Untersuchung von Oberflächen; Bilder haben räumlichen Charakter.

• Transmissionselektronenmikroskop (TEM): Erforscht die innere Struktur des Materials mithilfe eines Elektronenstrahls.

Größenvergleiche:

• 1 Zentimeter (cm) = 10^{-2} Meter (m)

• 1 Millimeter (mm) = 10^{-3} Meter

• 1 Mikrometer (μm) = 10^{-3} Millimeter = 10^{-6} Meter

• 1 Nanometer (nm) = 10^{-3} Mikrometer = 10^{-9} Meter

Größenangaben einiger Zellen:

• Eukaryotische Zellen (pflanzliche und tierische Zellen): 10 − 100 μm

  • Extreme: Menschliche Eizelle 0,1 mm; Froscheizelle 1 mm; Afrikanische Straußeneizelle 15 cm; Menschliche Nervenzellen können über einen Meter lang werden.

• Prokaryotische Zellen (Bakterien): 1 − 5 μm

  • Extreme: Thiomargarita namibiensis (Schwefelbakterium) bis 0,75 mm Durchmesser, Küste Namibias; Mycoplasmen 0,1 − 1,0 μm

Alle Zellen besitzen:

• Zell- oder Plasmamembran: Trennt die Zelle von der Außenseite. Fungiert als selektive Barriere für Sauerstoff, Nährstoffe und Abfallprodukte und hält das Zellvolumen konstant. Sie verhindert die Vermischung von Molekülen.

• Cytoplasma: Inhalt der Zelle innerhalb der Plasmamembran inklusive Organellen (außerhalb des Zellkerns).

• Cytosol: Gelartige Flüssigkeit innerhalb der Zellmembran, in der viele biochemische Prozesse ablaufen; Teil des Cytoplasmas außerhalb der Organellen.

• Chromosomen: Träger der Erbinformation in Form von DNA (in seltenen Fällen keine DNA, z.B. rote Blutzellen).

• Ribosomen: Große Protein/RNA-Komplexe, an denen die Proteinsynthese stattfindet.

1.2 Prokaryotische und Eukaryotische Zellen

Lebewesen können aufgrund ihrer Zellstruktur in zwei Gruppen eingeteilt werden: Eukaryoten und Prokaryoten. Eukaryotische Zellen sind kompartimentiert. Der Großteil des genetischen Materials (DNA) befindet sich in einem Zellkern, der von zwei Membranen umgeben ist. Prokaryoten haben kein ausgesprochenes Kernkompartiment. Die DNA ist in einem Zellbereich im Inneren der Zelle konzentriert, aber nicht von einer Membran umgeben.

1.2.1 Die drei Hauptreiche (Domänen) der Lebewesen

Es gibt eine allgemeine Übereinkunft über die frühe Aufspaltung der drei grundlegenden Domänen in der Stammesgeschichte – Bakterien, Archaeen und Eukaryoten.

• Archaea und Bacteria sind Prokaryoten.

• Zu den Eukaryoten gehören Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere.

In eukaryotischen Zellen umschließen zusätzliche Membranen einzelne Organellen (subzelluläre Strukturen mit bestimmten Funktionen).

1.2.2 Prokaryotische Zellen

Prokaryotische Zellen (Procyten) besitzen keinen Zellkern. Der Bereich, in dem sich die DNA befindet, wird als Nukleoid oder Kernäquivalent bezeichnet. Das Genom besteht meist aus einem ringförmig angeordneten, doppelsträngigen DNA-Stück (Bakterienchromosom). Manche Prokaryoten haben zusätzliche DNA-Moleküle in Form von Plasmiden (ringförmige DNA-Moleküle mit genetischen Informationen, wie Antibiotika- oder Giftresistenzen). Plasmide können von Bakterium zu Bakterium transferiert werden (Konjugation), was die schnelle Verbreitung von Antibiotikaresistenzen in Spitalskeimen erklärt.

Die Cytoplasmamembran (Zell- oder Plasmamembran) ist eine dünne, leicht bewegliche Barriere, die die Zelle umgibt und das Cytoplasma von der Umgebung trennt. Sie besteht aus einer Lipiddoppelschicht mit eingebetteten Proteinen und schützt die Zelle durch selektiven Stofftransport vor Konzentrationsausgleich mit der Umgebung.

Außerhalb der Plasmamembran befindet sich eine starre Zellwand, die die Zellmembran umgibt und der Zelle Form und Festigkeit gibt. Diese Peptidoglykanschicht besteht aus Polysaccharidketten, die durch Vernetzung mit Aminosäuren eine feste Struktur bilden. Die Zellwand schützt die Zelle vor dem Eindringen von Viren (Bakteriophagen) und verhindert das Platzen durch osmotischen Druck. Eine Schleimschicht aus Polysacchariden (Kapsel) umhüllt die gesamte Zelle und schützt vor Austrocknung.

Der grundlegende chemische Aufbau und die Struktur des genetischen Materials sind in Prokaryoten und Eukaryoten gleich.

Fimbrien und Pili sind filamentöse Proteinstrukturen, die aus der Zelloberfläche herausragen und unterschiedliche Funktionen haben (Anheften an Feststoffe, Nährstoffe oder andere Bakterien für Gentransfer). Das Flagellum ist größer und dient der Fortbewegung.

1.2.3 Eukaryotische Zellen

Eukaryoten besitzen zusätzlich zur Plasmamembran ein komplexes System an inneren Membranen, die die Zelle in Kompartimente (Organellen) unterteilt. Diese innere Organisation schafft abgegrenzte Räume für unterschiedliche Stoffwechselvorgänge und spezielle Aufgaben. Es gilt das Prinzip der Beziehung zwischen Struktur und Funktion.

In allen eukaryotischen Zellen (außer hoch differenzierten Zellen) finden sich:

• Zellkern

• Endomembransystem (Äußere Kernmembran, Endoplasmatisches Reticulum, Golgi-Apparat, Lysosomen, Transportvesikel, Vakuole)

• Mitochondrien

• Chloroplasten (in Pflanzen und Grünalgen)

• Peroxisomen

Zusätzlich gibt es nicht-membranumschlossene Komponenten wie Ribosomen und Cytoskelett-Komponenten, deren Auftreten vom Spezialisierungsgrad der Zelle abhängt.

1.3 Kompartimente Eukaryotischer Zellen

1.3.1 Der Zellkern

Der Zellkern ist von zwei eng aneinander liegenden Membranschichten umgeben, die durch Kernporen eine Kommunikation mit dem Cytosol erlauben. Der Zellkern ist ein intrazelluläres Kompartiment, das den Großteil des genetischen Materials beherbergt. Die Kernporen lassen Moleküle bis zu einer bestimmten Größe ungehindert passieren und regulieren den Transport von RNA- und Proteinmolekülen. Die innere Kernmembran ist mit einem netzartigen Geflecht aus Proteinfilamenten (Kernlamina) überzogen, die dem Kern Form und Festigkeit verleihen.

Im Kerninneren ist das genetische Material in Chromosomen organisiert. Chromosomen bestehen aus DNA und Proteinen (Chromatin), die sich leicht mit basischen Farbstoffen anfärben lassen. Im Lichtmikroskop werden Chromosomen nur in Vorbereitung der Zellteilung als unterscheidbare Strukturen sichtbar.

Das Genom (gesamte genetische Material einer Zelle) ist nicht nur auf den Zellkern beschränkt, sondern befindet sich auch in Mitochondrien und Chloroplasten. Im Kerninneren befindet sich der Nucleolus, der die Gene für die Bildung von ribosomaler RNA (rRNA) konzentriert. Dort werden die RNA-Komponenten der Ribosomen erzeugt und mit ribosomalen Proteinen zu ribosomalen Untereinheiten zusammengebaut. Die assemblierten rRNA/Protein-Komplexe werden über die Kernporen ins Cytoplasma transportiert, wo sie im Zuge der Proteinsynthese zu kompletten Ribosomen vereint werden.

1.3.2 Das Endomembransystem

Viele der membranumschlossenen Organellen sind über direkte Membrankontakte (Kern und Endoplasmatisches Reticulum) verbunden oder kommunizieren durch Transportvesikel. Zum Endomembransystem gehören die äußere Kernmembran, das Endoplasmatische Reticulum, der Golgi-Apparat, Lysosomen, Vakuolen und Transportvesikel.

Funktionell ist das Endomembransystem der Ort der Synthese von Proteinen und Membranbestandteilen. Obwohl die Membranen des Endomembransystems miteinander in Verbindung stehen, ist sowohl Zusammensetzung als auch Funktion der einzelnen Membranen spezifisch für die unterschiedlichen Organellen. Weder die Plasmamembran noch die Membransysteme der Mitochondrien und Chloroplasten werden zum Endomembransystem gezählt. Fraglich ist, ob Peroxisomen dazugehören.

Das Endoplasmatische Reticulum (ER)

Das ER ist ein stark verzweigtes Membrannetzwerk aus Röhren (Tubuli), Bläschen und abgeplatteten Strukturen (Zisternen), die von der ER-Membran umgeben werden und direkt mit der äußeren Kernmembran in Verbindung stehen. Es gibt zwei Formen: glattes ER und raues ER. Das raue ER trägt an der cytoplasmatischen Seite der Membran eine Vielzahl an Ribosomen, was namensgebend für das „raue“ ER war. Die Hauptfunktion des glatten ER ist die Synthese von Lipiden und Steroidhormonen sowie die Entgiftung. In Muskelzellen speichert das glatte ER besonders Ca2+-Ionen, die bei einem Muskelreiz schlagartig in das Cytosol ausgeschüttet werden und die Muskelkontraktion auslösen. An den Ribosomen des rauen ER werden Proteine synthetisiert, die mit einem speziellen Mechanismus direkt durch die Membran hindurch transportiert werden. Entweder verbleiben die Proteine direkt in der Membran oder sie gelangen ins Lumen des ERs, wo sie dann in Transportvesikel verpackt und zu anderen Organellen transportiert werden oder an die Zellmembran gelangen, dort mit der Zellmembran verschmelzen (Sekretorische Vesikel) und ihren Inhalt aus der Zelle sezernieren. Das Endoplasmatische Reticulum ist also ein Membrannetzwerk und stellt die Synthesefabrik in einer Zelle für Proteine und Lipide dar.

Der Golgi-Apparat

Transportvesikel, die vom ER abgeschnürt werden, können direkt mit dem Golgi-Apparat verschmelzen. Der Golgi-Apparat kann vergleichsweise als Fabrik für Produktveränderung mit nachgeschalteter Sortieranlage und Frachtzentrum dargestellt werden. Der Golgi-Apparat besteht aus abgeflachten Zisternen, die nicht wie das ER über Membranbrücken verbunden sind. Die einzelnen abgeplatteten Stapel unterscheiden sich in ihrer Dicke sowie Zusammensetzung und weisen daher eine Polarität auf. An der cis-Seite („Empfängerseite“) werden vor allem Transportvesikel aus dem ER empfangen, wogegen an der trans-Seite Vesikel abgeschnürt werden („Senderseite“), die ihren Inhalt an andere Orte der Zelle oder an die Plasmamembran (Sekretion) befördern.

Im Zuge des „Durchwanderns“ des Golgi-Apparats werden Proteine, die im ER gebildet wurden, modifiziert, wobei die verschiedenen Zisternen unterschiedliche Reaktionen durchführen. Nach erfolgter Modifikation in einer Zisterne müssen die Proteine durch Vesikel-Abknospung zur nächsten Zisterne transportiert werden für den nächsten Modifikationsschritt. Der Transport erfolgt zwar großteils von der cis- zur trans-Seite, es gibt aber auch einen Rücktransport von Vesikeln über die verschiedenen Zisternen zum ER als Bestimmungsort. Durch enzymatische Reaktionen in den Zisternen werden die unterschiedlichen Proteine modifiziert und im Zuge dessen auch sortiert. Beim Verlassen der Vesikel vom trans-Golgi tragen unterschiedliche Transportvesikel auf der Oberfläche spezifische Markierungen, die sie an den entsprechenden Bestimmungsort bringen.

Lysosomen

Lysosomen sind kleine membranumschlossene Organellen, die in der Zelle die intrazelluläre Verdauung von Makromolekülen durchführen. Im Inneren der Lysosomen herrscht ein saurer pH-Wert verglichen mit dem neutralen pH-Wert des Cytosol. Die für die Zerlegung der Nahrungsbestandteile wichtigen hydrolytischen Enzyme (Hydrolasen) haben einen optimalen Arbeitsbereich im sauren Milieu. Falls ein Lysosom platzt oder löchrig wird, können die in das Cytosol austretenden Enzyme in dem neutralen pH-Bereich nicht mehr arbeiten und der Zelle keinen Schaden durch Selbstverdauung zuführen. In Lysosomen werden unbrauchbare Moleküle und Nahrungsbestandteile in ihre kleinsten Einheiten zerlegt. Hier erfolgt die Müllbeseitigung innerhalb der Zelle.

Die Lysosomen werden von der trans-Seite des Golgis als Vesikel abgeschnürt und verschmelzen mit sogenannten Endosomen. Das Verschmelzungsprodukt reift dann zum eigentlichen Lysosom, indem die inaktiven Vorstufen der Verdauungsenzyme durch den niedrigen pH-Wert aktiviert werden. Amöben und Protisten ernähren sich, in dem sie sich kleinere Organismen und Nahrungsteile einverleiben. Durch Einstülpen der Zellmembran und Abschnüren bildet sich eine Nahrungsvakuole, die dann mit einem Lysosom verschmilzt und die aufgenommenen Bestandteile verdaut. Dieser Vorgang wird als Phagozytose bezeichnet.

Die Verdauungsprodukte, die Einzelbestandteile von Makromolekülen werden dann ins Cytosol transportiert und können dann wiederverwertet werden. Spezielle menschliche Blutzellen (Makrophagen) können die Phagozytose auch nützen, um sich vor in den Körper gelangten Eindringlingen zu schützen.

Vakuolen

Die Funktionen von Vakuolen sind vielfältig und abhängig vom Zelltyp. Im Süßwasser lebende Protisten besitzen eine kontraktile Vakuole, die aufgenommenes überschüssiges Wasser aufnimmt und es wieder aus der Zelle hinausbefördert. Damit verhindern sie das Platzen der Zelle, da sie dem durch die hohe Elektrolytkonzentration innerhalb der Zelle ausgelösten ständigen Einstrom von Wasser entgegenwirken und das Wasser wieder aus der Zelle pumpen. Pflanzenzellen besitzen einen anderen Typ von Vakuolen (Zellsaftvakuolen) mit einer Vielzahl von Funktionen. Sie können als Speichervakuole dienen und einen Vorrat von Proteinen in Samen anlegen. Auch Ionen (K^+, Cl^-$), Abfallprodukte, Gift-, Duft- und Farbstoffe können in Vakuolen gespeichert werden. Beim Größenwachstum einer Pflanzenzelle bietet die Vakuole einen einfachen Mechanismus durch Wasseraufnahme ihr Volumen beträchtlich zu vergrößern, wobei das Cytosol an die Zellmembran verdrängt wird und kaum an Volumen zunehmen muss.

Pflanzenzellen sind von Zellwänden umgeben, sie helfen das Wassergleichgewicht zu erhalten. Sie sind turgeszent (prall gefüllt) und im Allgemeinen in einer hypotonen Umgebung. Die Wasserkonzentration ist in der Umgebung höher als in der Zelle, damit besteht die Tendenz Wasser aus der Umgebung aufzunehmen. Der Wassereinstrom ist begrenzt durch den „Gegendruck“ der starren Zellwand, die ein übermäßiges Anschwellen der Zelle verhindert. Sind Pflanzenzellen isoton (gleiche Konzentration) bezüglich des umgebenden Mediums, fließt kein Wasser ein, der Turgor (Innendruck) sinkt und die Zellen erschlaffen (erstes Symptom des Welkens). Wenn das umgebende Medium hypertonisch ist (die Wasserkonzentration außen niedriger ist als in der Zelle) strömt Wasser aus der Zelle aus. Das kann dazu führen, dass sich das Cytoplasma von der Zellwand ablöst (Plasmolyse) und die Zelle abstirbt.

1.3.3 Ribosomen

Ribosomen sind komplexe Gebilde aus RNA (ribosomale RNA = rRNA) und ribosomalen Proteinen, die die Informationen für den Bau und Struktur der Proteine, die auf der DNA gespeichert sind, in fertige Proteine umsetzen. Sie sind die Proteinsynthesemaschinerie der Zelle. Sie bestehen aus zwei Untereinheiten (die kleine und die große ribosomale Untereinheit), wobei sich in Prokaryoten und Eukaryoten die Anzahl der rRNA und Proteinmoleküle, aus denen die Untereinheiten gebildet werden, unterscheidet.

Ribosomen kommen in der Zelle in freier Form im Cytosol und in gebundener Form am Endoplasmatischen Reticulum vor. Die auf den Genen der DNA gespeicherte genetische Information für die Proteine wird primär in RNA (mRNA= Messenger RNA) umgeschrieben (transkribiert). Diese bindet an die Ribosomen. Erst durch die mRNA entscheidet sich, ob ein Ribosom gebunden am ER vorliegt oder frei im Cytosol verbleibt.

Proteine, die am ER gebundenen Ribosomen synthetisiert werden, gelangen direkt in das Lumen des ERs. An freien Ribosomen werden überwiegend Proteine synthetisiert, die im Cytosol verbleiben und dort ihre Funktionen ausüben.

1.3.4 Mitochondrien und Chloroplasten

Energiegewinnung

Lebewesen beziehen ihre notwendige Energie aus ihrer Umwelt auf unterschiedlichem Weg. Manche, wie Tiere, Pilze und die Bakterien, die im Verdauungstrakt der Tiere leben, erhalten sie, indem sie sich von anderen Lebewesen oder von den von ihnen gebildeten organischen Substanzen ernähren (organotroph). Andere gewinnen ihre Energie unmittelbar aus der anorganischen Welt. Sie bilden zwei Gruppen: phototroph (Nutzen die Energie des Sonnenlichts) und lithotroph (Nutzen Energie aus energiereichen Systemen der mineralischen Umgebung). Zu den phototrophen Organismen gehören manche Bakterien, Algen und höhere Pflanzen. Lithotrophe Organismen sind mikroskopisch klein und leben meist in Umgebungen, die Menschen nicht oft aufsuchen.

In eukaryotischen Zellen sind Mitochondrien und Chloroplasten dafür verantwortlich, dass Energie in einer für die Zelle verwertbaren Form bereitgestellt wird.

Mitochondrien und Chloroplasten

• gehören nicht zum Endomembransystem

• besitzen zwei (Mitochondrien) bzw. drei (Chloroplasten) unterschiedliche Membrantypen

• haben Proteine, die von freien Ribosomen des Cytosols hergestellt werden und in das Innere der Organellen transportiert werden müssen.

• enthalten jeweils eine kleine Menge eigenes genetisches Material in Form einer ringförmigen DNA und eine eigene Proteinsynthese an prokaryoten-artigen Ribosomen.

Mitochondrien sind die Organellen des Zellstoffwechsels, die den größten Anteil an ATP (Adenosin- triphosphat) aus dem oxidativen Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen liefern. In den Chloroplasten, die nur in Pflanzen und Algen vorkommen, findet die Photosynthese (Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie) statt. Beide Energiegewinnungsprozesse sind strukturell an Membranen gekoppelt. Zur Vergrößerung ihrer Oberfläche ist die Mitochondrien-Innenmembran in Cristae gefaltet, die Chloroplasten besitzen zusätzlich zu einer Außen- und Innenmembran eine Thylakoidmembran, die einen Thylakoidraum umschließt.

Mitochondrien sind in fast allen eukaryotischen Zellen vorhanden, wobei sie sowohl in Gestalt wie auch in ihrer Zahl sehr variabel sind, und sich, abhängig vom Energieaufwand der Zelle, in der Gesamtmenge mitochondrialen Raums bezogen auf das Zellvolumen, unterscheiden. Manche spezialisierten Zellen besitzen ein einziges, in einer komplexen Form aufgebautes Mitochondrium, meist sind es aber hunderte kleine kugelige bis zylinderförmige Gebilde mit einer glatten Oberfläche (Außenmembran). In Mitochondrien ist die innere Membran durch Ausstülpungen vergrößert und bildet damit genügend Platz für membranabhängige biologische Reaktionen, die für die Energiebereitstellung in der Zelle notwendig sind. Die innere Membran ist in zahlreiche sogenannte Cristae gefaltet und bildet damit eine große Oberfläche und einen zusätzlichen Raum, den Membranzwischenraum (Intermembranraum). Der von der Innenmembran umschlossene Innenraum der Organelle wird als Matrixraum bezeichnet und beherbergt Enzyme für spezifische oxidative Stoffwechselwege, die DNA der Mitochondrien und die für die Synthese von einigen Organellen-spezifischen Proteinen notwendigen Ribosomen. Die Mitochondrien-Innenmembran hat eine spezifische Ausstattung von membrangebundenen Enzymen und Enzymkomplexen zur Zellatmung und ATP-Synthese.

Chloroplasten sind ein spezieller Typ der zu der Gruppe der Plastiden gehörenden Organellen. Farblose Stärke speichernde Plastiden (Amyloplasten) findet man besonders in unterirdischen Speicherorganen der Pflanzen.

Plastiden mit einer speziellen Pigmentausstattung im Unterschied zum Hauptpigment der Chloroplasten, die besonders für die Blütenfarbe verantwortlich sind, bezeichnet man als Chromoplasten. Der charakteristische Farbstoff der Chloroplasten ist das Chlorophyll, das gemeinsam mit anderen Pigmenten (akzessorische Pigmente wie Karotinoide und Xanthophylle) für die Absorption der Lichtquanten des Sonnenlichtes verantwortlich ist. Chloroplasten sind mit zwei Membranen umgeben, wobei die Innenmembran nicht wie bei Mitochondrien durch Einstülpung aufgefaltet und vergrößert ist. Im Inneren der Chloroplasten befindet sich eine zusätzliche Membrankomponente (Thylakoide), die den Thylakoidinnenraum umschließt und sackartig abgeflacht und in miteinander verbundenen Membranstapeln (Granastapel) angeordnet ist. Der Raum zwischen Innenmembran und Thylakoidmembran wird als Stroma bezeichnet und beherbergt ähnlich der Matrix der Mitochondrien, Enzyme spezifischer Stoffwechselvorgänge, chloroplasten-spezifische DNA und Ribosomen zur Synthese einiger Chloroplasten-spezifischer Proteine.

1.3.5 Peroxisomen

Peroxisomen sind kleine mit einer einzelnen Membran umhüllte Vesikel ohne eigene DNA, in deren Inneren ein ideales Milieu für chemische Reaktionen herrscht, bei denen Wasserstoffperoxid (H2O2, ein starkes Oxidationsmittel und Zellgift) erzeugt und abgebaut wird. Wasserstoffperoxid-erzeugende Reaktionen sind somit durch die Kompartimentierung vom Rest der Zelle abgegrenzt. Des Weiteren wird überschüssiges H2O2$$ sofort von einem peroxisomalen Enzym (Katalase) abgebaut. Damit wird gewährleistet, dass die Zelle nicht der schädlichen Wirkung von Peroxiden ausgesetzt wird. Peroxisomen spielen eine Rolle beim Abbau der langkettigen Fettsäuren. Eine spezielle Form von Peroxisomen in fettspeichernden Pflanzensamen (Glyoxisomen) ermöglicht es der Pflanze, bei der Keimung Fette in Kohlenhydrate umzubauen. Dieser Prozess versorgt den Keimling so lange mit Energie, bis die Pflanze durch Photosynthese direkt Kohlenhydrate erzeugen kann.

Lipide für den Bau der Peroxisomenmembran kommen vom ER, Proteine werden sowohl aus dem Cytosol als auch vom ER beigesteuert und in die Organelle importiert.

1.3.6 Das Cytoskelett

Die Fähigkeiten eukaryotischer Zellen, eine Vielzahl von Formen anzunehmen, die vielen Komponenten in ihrem Inneren zu organisieren, mit der Umgebung mechanisch in Wechselwirkung zu treten und koordinierte Bewegungen auszuführen, beruhen auf dem Cytoskelett, einem komplexen Netzwerk aus Proteinfilamenten, das sich durch das gesamte Cytoplasma erstreckt. Diese filamentöse Architektur hilft, die mechanische Stabilität der vergleichsweise großen eukaryotischen Zelle abzusichern. Für tierische Zellen, die keine Zellwände besitzen, ist diese Funktion besonders wichtig. Obwohl manche Komponenten des Cytoskeletts auch in Bakterien vorkommen, ist es in den großen und strukturell komplex aufgebauten eukaryotischen Zellen besonders bedeutend.

Die Funktionen des Cytoskeletts sind: mechanische Stabilität der Zelle, Bewegung der Zelle, Bewegung innerhalb der Zelle. Im Gegensatz zu unserem knöchernen Skelett ist das Cytoskelett eine äußerst dynamische Struktur, die fortwährend neu organisiert wird, sobald die Zelle ihre Gestalt wechselt, sich teilt und/oder auf ihre Umgebung reagiert. Das Cytoskelett repräsentiert nicht nur die „Knochen“ einer Zelle, sondern auch ihre „Muskeln“ . Es ist direkt verantwortlich für ausgedehnte Bewegungen, wie das Kriechen von Zellen auf einer Oberfläche, die Kontraktion von Muskelzellen, und die Formveränderung von Zellen in der Embryonalentwicklung. Ohne Cytoskelett würden Wunden niemals heilen, Muskeln wären unbrauchbar und Spermien würden nie die Eizelle erreichen.

Die Bewegung von Zellen basiert sowohl auf einem gerichteten Auf- und Abbau der Filamente als auch auf der Wirkung von sogenannten Motorproteinen, die unter anderem parallelliegende Filamentstränge aneinander vorbeibewegen können. Auf solch einem Mechanismus beruht z. B. die peitschenartige Bewegung des Flagellums von Spermien.

Abgesehen von der Muskelkontraktion und der Bewegung von Zellen durch den extrazellulären Raum haben Motorproteine im Zusammenspiel mit dem Cytoskelett weitere wichtige Funktionen in eukaryotischen Zellen. Sie dienen dem intrazellulären Transport von Organellen, Vesikeln und anderen Lasten entlang von „Cytoskelett-Straßen“ und ermöglichen damit der Zelle, das Cytoplasma zu organisieren. Motorproteine haben auch essenzielle Aufgaben bei der Aufteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen und bei deren Abschnüren voneinander bei der Zellteilung.

Das Cytoskelett baut sich aus drei Haupt-Fasertypen auf:

• Mikrotubuli, röhrenartige Fasern (𝑑𝑑 = 25 nm);

• Mikrofilamente, auch Aktinfilamente genannt (𝑑𝑑 = 5 − 9 nm);

• Intermediärfilamente, die in der Stärke dazwischen angesiedelt sind (𝑑𝑑 = 10 nm)

Mikrotubuli

Das sind lange Hohlzylinder (Röhren) gebildet aus den Proteinen α- und β-Tubulin. Diese beiden Untereinheiten (α- und β-Tubulin) bilden ein Heterodimer. Mikrotubuli werden durch Polymerisation der Heterodimere gebildet. Je nach ihrer Aufgabe in der Zelle werden Mikrotubuli nach ihrer Bildung stabilisiert oder verbleiben in einem dynamischen Zustand, wobei sie schnellen Längenänderungen unterworfen sind, die durch abwechselnde Anlagerung und Abdissoziation von Heterodimeren zustande kommen. Mit ihrer Röhrenstruktur und einem äußeren Durchmesser von 25nm sind Mikrotubuli wesentlich starrer als Aktinfilamente.

Mikrotubuli sind mit einem Ende meist an einem einzigen Mikrotubuli-organisierenden Zentrum (MTOC), dem Basalkörper (an der Basis von Flagellen und Geißeln) oder dem sogenannten Zentrosom befestigt. Im Verlauf der Zellteilung wird ein zweites Zentrosom gebildet, mit dessen Hilfe ein symmetrischer, bipolarer Spindelapparat aufgebaut werden kann, der der symmetrischen Aufteilung der Chromosomen in die beiden Tochterzellen dient.

Durch die unterschiedliche Struktur der α- und β-Tubuline sind die Enden des Hohlzylinders nicht ident. Es gibt ein sogenanntes Plus- und Minus-Ende jedes Hohlzylinders, an denen die Anlagerung und Depolymerisierung der Tubulindimere verschieden schnell ablaufen. Die Verankerung an das Zentrosom oder den Basalkörper erfolgt in allen Fällen über das Minus-Ende.

Hauptfunktionen: Aufrechterhaltung der Zellgestalt (Stützbalken), Zellbewegung (Schwimmen mittels Cilien und Flagellen), Chromosomenaufteilung bei der Zellteilung, intrazellulärer Transport von Organellen, Vesikeln und anderen Lasten (Mikrotubuli als Straßen für Motorproteine).

Aktinfilamente

Aktinfilamente (auch als Mikrofilamente bezeichnet) sind zweisträngige, helikale Polymere aus dem Protein Aktin. Sie sind flexible Stränge mit "5 − 9 nm" Durchmesser, die zu vielfältigen linearen Bündeln, flächigen Netzwerken und räumlichen Gelen organisiert sein können. Aktinfilamente sind zwar überall in der Zelle verteilt, ihre größte Dichte erreichen sie jedoch in der Zellrinde (Cortex) unmittelbar unterhalb der Plasmamembran. Ähnlich wie Mikrotubuli, darf man sich Aktinfilamente nicht als fixe seilartige Strukturen vorstellen. Die Enden der Filamente werden laufend abgebaut oder verlängert, wobei auch bei den Aktinfilamenten die Polarität des Stranges eine unterschiedliche Anlagerungs- und Abbaugeschwindigkeit bedingt. Diese Filamenttypen können an einer Stelle in der Zelle rasch abgebaut werden und an einer anderen Stelle wieder polymerisiert werden. Damit kann sich sowohl die Gestalt und Form als auch die Lage der Zelle verändern.

Hauptfunktionen: Aufrechterhaltung der Zellgestalt (Zugspannung) und Veränderung der Zellgestalt, Zellbewegung (Ausbildung von Pseudopodien), Muskelkontraktion, Cytoplasmaströmung, Zellteilung (Ausbildung der Teilungsfurche).

Intermediärfilamente

Diese sind seilähnliche Fasern mit einem Durchmesser von etwa 10mm. In ihrer Struktur sind sie viel stabiler als die anderen beiden Filamenttypen. Sie bestehen aus den Intermediärfilament-Proteinen, die eine große, einheitliche Familie bilden. Eine Art der Intermediärfilamente bilden die Kernlamina, ein Geflecht das unmittelbar unterhalb der Kernmembran liegt; andere Arten erstrecken sich durch das Cytoplasma und verleihen der Zelle mechanische Festigkeit. Keratin ist ein Sammelbegriff für verschiedene wasserunlösliche und extrem langlebige Faserproteine, die von menschlichen oder tierischen Organismen gebildet werden und die Hornsubstanz charakterisieren. Sie sind der Hauptbestandteil von Säugetierhaaren, Finger- und Zehennägeln, Krallen, Klauen, Hufen, Hörnern, Nasenhörnern der Nashörner, Stacheln der Igel, Barten der Wale, Schnäbeln und Federn der Vögel, Hornschuppen und äußere Panzerbedeckung der Reptilien. Intermediärfilamente sind extrem haltbare und langlebige Strukturen, die der Zelle mechanische Festigkeit verleihen. In Epithelien gewährleisten Intermediärfilamente nicht nur die mechanische Stabilität einzelner Epithelzellen, sondern die Stabilität der ganzen Zellschicht, da die Intermediärfilamente jeder Zelle über Zell-Zell-Verbindungen mechanisch an jene der Nachbarzelle gekoppelt sind.

Hauptfunktionen: Aufrechterhaltung der Zellgestalt (Zugspannung), Verankerung des Zellkerns und anderer Organellen, Bildung der Zellkernlamina.

1.4 Zell-Zell-Kommunikation

Tiere und Pflanzen sind vielzellige Lebewesen. Sowohl Pflanzen als auch tierische Organismen bilden unterschiedliche Gewebe und Organe aus, die aus Verbänden einzelner Zellen bestehen. Die Zellen eines Zellverbandes haben miteinander Kontakt und kommunizieren miteinander. Die Vielzelligkeit der Lebewesen bedingt, dass Zellen miteinander verbunden und miteinander kommunizieren müssen. Für verschiedene Organismen sind dafür unterschiedliche Strukturen ausgebildet. Die beiden großen Organismenreiche, Pflanzen und Tiere, haben unterschiedliche Überlebensstrategien in der Evolution ausgebildet.

Da für den Nahrungserwerb bei Pflanzen keine Notwendigkeit besteht mobil zu sein, können sie sich in der Regel nicht aktiv bewegen. Sie müssen sich vor Fressfeinden schützen, eine feste Struktur ausbilden, sich gegen Austrocknen schützen und andererseits ein Platzen der Zellmembran beim Einstrom von Wasser verhindern. Eine starre extrazelluläre Zellwand bietet für diese Bedingungen einen guten Schutz. Zell-Zell-Verbindungen in pflanzlichen Zellen ermöglichen einen Austausch von Wasser und gelösten niedermolekularen Stoffen. Dazu dienen zahlreiche mit der Plasmamembran ausgekleidete Kanäle, genannt Plasmodesmen (oder auch Plasmodesmata). Über diese Kanäle ist das Cytoplasma jeder Zelle im Zellverband mit dem Cytoplasma ihrer Nachbarzellen verbunden. Damit haben die Zellen eines Zellverbandes ein gemeinsames Cytoplasma, zumindest was Wasser und niedermolekulare Stoffe betrifft.

Vielzellige Tiere hingegen sind mobil, haben dafür ein Skelett als Stütze und Muskulatur, um sich zu bewegen. Im Unterschied zu Pflanzenzellen bilden sie keine steifen extrazellulären Zellwände aus, sondern verfügen über eine extrazelluläre Matrix, in der die Zellen eingebettet sind. Tierische Zellen sezernieren Glykoproteine, Proteine mit kovalent gebundenen Zuckeranteil und Proteoglykane. Bei Proteoglykanen ist der Zuckeranteil deutlich höher als der relativ minimalistische Proteinkern. Eines der häufigsten tierischen Matrix-Glykoproteine ist das Collagen, das außerhalb der Zelle ein festes Fasernetzwerk ausbildet. Kollagen verbindet sich mit einem weiteren Glykoprotein, dem Fibronektin, das seinerseits mit Membranproteinen (Integrine) der Zellen interagiert. Integrine sind auf der cytoplasmatischen Seite der Zelle mit dem Cytoskelett in Verbindung.

Im Gewebeverband sind die Zellen von der extrazellulären Matrix umgeben, ganze Organe müssen aber nach außen hin einen begrenzenden Abschluss (Epithel) besitzen. Epithelien werden generell ein- oder mehrzellige Zellschichten bezeichnet, die die inneren und äußeren Oberflächen bedecken. Ein bezeichnendes Beispiel dafür ist die innere Oberfläche des Darmes. Hier müssen Nahrungsmittelmoleküle selektiv vom Darminhalt in den Organismus aufgenommen werden. Zellen der Darmepithelien sind mit einem Ring spezieller, haftender Proteine umgeben (s.g. Tight junctions), die ein unkontrolliertes Eindringen des Darminhalts in das Gewebe verhindern. Unterhalb des dichten Ringes der Tight junctions befinden sich sogenannte Desmosomen, die mit dem Cytoskelett (Intermediärfilamenten) in Verbindung treten und die Zellen untereinander wie mit Nieten fest verbinden. Zum gegenseitigen Austausch von kleinen Molekülen durchziehen Gap junctions, vergleichbar mit den Plasmodesmata der Pflanze, die Zellmembran. Sie bestehen aus besonderen Kanal-Proteinen, die in den Zellmembranen benachbarter Zellen aneinander gegenüberliegenden Stellen Poren und somit Verbindungskanäle bilden. Im Unterschied zu den Plasmodesmen werden sie nicht von einem Cytoplasmastrang durchzogen.