Zellbiologie: Endomembransystem, Nukleinsäuren und Mitochondrien

Das Endomembransystem und seine Funktionen

Allgemeine Funktionen

Das Endomembransystem ist an der Synthese verschiedener Arten von Makromolekülen beteiligt.

Clathrin und Coatomer-Proteine (COP)

Clathrin besteht aus Untereinheiten, die aus sechs Proteinketten aufgebaut sind. COP (Coatomer-Proteine) bilden sich aus dem endoplasmatischen Retikulum.

Raues Endoplasmatisches Retikulum (RER)

• Macht etwa 10 % des gesamten Zellvolumens aus.
• Ist mit Ribosomen besetzt, die sich im Zentrum konzentrieren.
• Die Membran ist dünner (ca. 7 nm) als die Plasmamembran.
• Zusammensetzung: 70 % Protein, 30 % Lipid. Enthält weniger Cholesterin und Sphingomyelin, aber Phosphatidylcholin.

Funktionen des RER

• Proteinproduktion.
• Membranbildung.
• Zellsekretion.
• Glykosylierung: Die Mehrzahl der Proteine im RER erhält ihre Kohlenhydratkette in Schritten, die in derselben verzweigten Kette von 12 Monosacchariden synthetisiert werden.

Glattes Endoplasmatisches Retikulum (REL)

Besteht aus miteinander verbundenen Kanälchen. Ähnlich der rauen Membran, enthält es aber mehr Cholesterin und Sphingomyelin. Es befinden sich keine Ribosomen auf seiner äußeren Membran.

Funktionen des REL

1. Synthese von Proteinen (abgeleitet von der Proteinsynthese).
2. Lipidsynthese.
3. Entgiftung.
4. Regulierung des Calciumspiegels.

Der Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat besitzt zwei Seiten:

• Cis-Seite (Formierungs- oder Proximalseite): Steht in Kontinuität und Kommunikation mit dem ER.
• Trans-Seite (Reifungs- oder Distalseite): Von hier aus werden Moleküle aus dem Golgi ausgeschieden und zu ihren jeweiligen Zielorten transportiert.

Lysosomen

Lysosomen werden vom Golgi-Apparat transportiert. Es handelt sich um hydrophile Vesikel, die typischerweise nicht in Pflanzenzellen vorkommen. Ihre Membran ist reich an Cholesterin und Sphingomyelin.

Funktionen und Typen von Lysosomen

• Primäres Lysosom: Nimmt noch nicht an intrazellulären Verdauungsprozessen teil.
• Sekundäres Lysosom: Hier findet die Verdauung von Molekülen statt. Es gibt drei Arten:

1. Endolysosom.
2. Phagolysosom: Verursacht intrazelluläre Verdauung des Phagosoms. Die Zelle verteidigt sich dadurch gegen Krankheitserreger oder toxische Substanzen.
3. Autophagolysosom: Beteiligt an der intrazellulären Verdauung, um Nährstoffe zu gewinnen, die für das Überleben der Zelle notwendig sind.

Peroxisomen und Glyoxysomen

• Peroxisomen: Besitzen eine einfache Membran und enthalten Enzyme, wobei das wichtigste Enzym die Katalase ist.
• Glyoxysomen: Werden in Pflanzenzellen gefunden.

Funktion (Entgiftung)

Die Zelle bildet H₂O₂ (Wasserstoffperoxid), um toxische Substanzen zu oxidieren (Entgiftung). Das Enzym Katalase zersetzt H₂O₂ in H₂O und O₂, welche für die Zelle harmlos sind.

Vakuolen

Vakuolen stammen von kleinen Bläschen, die durch den Golgi-Apparat gebildet werden. Sie sind durch die Tonoplasten begrenzt. Der pH-Wert liegt typischerweise zwischen 3 und 6. Sie sind groß in Pflanzenzellen und klein in Tierzellen.

Funktionen der Vakuolen

• Erleichterung des Austauschs mit der Außenwelt.
• Regulierung des Zell-Turgors.
• Zelluläre Verdauung.
• Ansammlung von Substanzen (Speicherreserven).

Nukleinsäuren (Nucleic Acids)

Nukleinsäuren sind saure Moleküle, die aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und Phosphor (P) bestehen. Sie enthalten das Erbmaterial.

Aufbau von Nukleotiden

Nukleinsäuren bestehen aus Nukleotiden (der Vereinigung von Monomeren). Es gibt zwei Haupttypen: DNA und RNA. Jedes Nukleotid besteht aus:

1. Einem Zucker (Pentose).
2. Einer stickstoffhaltigen Base.
3. Einer Phosphatgruppe.

Die Vereinigung von Zucker und stickstoffhaltiger Base bildet ein Nukleosid. Die Vereinigung eines Nukleosids und eines Phosphats ist ein Nukleotid.

Zelluläre Botenstoffe und Energie

Nukleotide sind Moleküle, die Energie in Phosphatbindungen speichern. Wichtige zelluläre Botenstoffe sind beispielsweise das zyklische AMP (cAMP), das durch spezifische Enzyme gebildet wird und unterschiedliche Reaktionen in jeder Zellart auslöst.

Das DNA-Molekül

DNA ist das wichtigste Molekül des Menschen. In Eukaryoten befindet sich DNA hauptsächlich im Zellkern sowie in geringer Menge in Mitochondrien und Chloroplasten. Prokaryoten können zusätzliche kleine DNA-Moleküle besitzen, die als Plasmid-DNA bezeichnet werden.

Struktur der DNA

• Die DNA-Doppelhelix ist rechtshändig (die Ketten wickeln sich nach rechts).
• Die Stränge sind koaxial (gegenüberliegend) und durch Wasserstoffbrückenbindungen verbunden.

Ribonukleinsäure (RNA)

RNA transkribiert die in der DNA enthaltene genetische Information und übersetzt sie an den Ribosomen in ein Protein. RNA enthält Uracil anstelle von Thymin.

Die drei Arten von RNA

1. Boten-RNA (mRNA):
   • Besteht aus 300–500 Ribonukleotiden (ca. 5 % der Gesamt-RNA).
   • Funktion: Leitet die kodierte genetische Information vom Zellkern zu den Ribosomen.
2. Transfer-RNA (tRNA):
   • Besteht aus 70–80 Nukleotiden (ca. 15 % der Gesamt-RNA).
   • Funktion: a) Nimmt aktivierte Aminosäuren (aá) im Zytoplasma auf. b) Überträgt diese zu den Ribosomen während der Synthese. c) Fügt den entsprechenden Teil des Proteins gemäß den Anweisungen der mRNA ein.
3. Ribosomale RNA (rRNA):
   • Besteht aus 3000–5000 Ribonukleotiden (ca. 80 % der Gesamt-RNA).

Vergleich von DNA und RNA

Ribosomen sind in Prokaryoten kleiner als in Eukaryoten.

Vergleichende Merkmale

• Pentose: Desoxyribose (DNA), Ribose (RNA).
• Nukleobasen: Adenin, Guanin, Cytosin, Thymin (DNA); Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil (RNA).
• Anzahl der Polynukleotidketten: 2 (DNA), 1 (RNA).
• Hauptfunktion: Speicherung der biologischen Information (DNA); Ermöglichung des Ausdrucks der biologischen Information (RNA).
• Lokalisation: Kern, Mitochondrien, Chromatin, Chloroplasten/Chromosom (DNA); Kern, Ribosom (RNA).
• Struktur: Doppelhelix (DNA); Linear, kugelig und Kleeblatt (RNA).

Denaturierung und Renaturierung

Steigt die Temperatur über 90 °C, trennen sich die Ketten (Denaturierung). Dieser Prozess ist reversibel: Hält man die Temperatur für mehrere Stunden bei 64 °C, bilden sich neue Wasserstoffbrückenbindungen (Renaturierung).

Mitochondrien und Zellatmung

Der Prozess, bei dem Nahrungsmoleküle abgebaut werden, um Energie (ATP) zu gewinnen, wird als Zellatmung bezeichnet. Mitochondrien synthetisieren ATP in Eukaryoten. Mitochondrien wurden 1884 von Altman beschrieben und produzieren 95 % des zellulären ATP. Ihre Anzahl reicht von 1.000 bis 300.000 pro Zelle.

Struktur und Chemische Zusammensetzung

Mitochondrien sind bewegliche und plastische Organellen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 µm, die von zwei Membranen umgeben sind:

Die Äußere Membran

• Zusammensetzung: 60 % Protein und 40 % Lipide.
• Ist durchlässig, da sie wässrige Kanäle (Porine) enthält.

Die Innere Membran

• Ist oft stark gefaltet, um die Mitochondrien-Cristae zu bilden.
• Zusammensetzung: 80 % Protein und 20 % Lipid.
• Enthält kein Cholesterin, aber Cardiolipin, was sie für Ionen undurchlässig macht.
• Enthält drei Haupttypen von Proteinen:
  1. Proteine für Oxidations- und Reduktionsreaktionen in der Atmungskette.
  2. Der ATP-Synthase-Komplex.
  3. Transportproteine.

Die Mitochondrien-Matrix

Die Matrix enthält die zirkuläre Doppelhelix-DNA (verstreut), RNA und synthetisiert bestimmte integrale Proteine der inneren Membran.

Hauptfunktion: Oxidation und ATP-Produktion

Das Ziel der Oxidation der Atemwege ist die Produktion von Energie in Form von ATP-Molekülen.

Stoffwechselwege der Energiegewinnung

Anaerobe Wege (Gärung)

Dazu gehören:

1. Alkoholische Gärung.
2. Milchsäuregärung.

Diese Prozesse dienen der Regeneration von NAD⁺, was die Fortsetzung der Glykolyse ermöglicht und eine kleine, aber entscheidende Menge an ATP liefert.

Elektronenträger (NADH und NADPH)

NADH und NADPH sind Elektronenträger, die energiereiche Elektronen und H-Atome in Oxidations-Reduktions-Reaktionen transportieren. Der wichtigste beteiligte Träger ist NAD⁺.

Aerobe Atmung

Die aerobe Atmung führt zur Freisetzung von CO₂ und H₂O. Sie umfasst zwei Hauptschritte:

1. Krebs-Zyklus (Citratzyklus): Findet in der mitochondrialen Matrix statt. Vor dem Eintritt in den Zyklus wird Brenztraubensäure oxidiert.
2. Elektronentransportkette und Oxidative Phosphorylierung: Hierbei sind Cytochrome als Elektronenträger beteiligt.