Zellbiologie: Kohlenhydrate, Organellen und genetischer Code

Sept.05 — B1OA: Einfachste Kohlenhydrate

B1OA

Die einfachsten Kohlenhydrate sind Monomere, die man als Einfachzucker oder Monosaccharide bezeichnet. Es sind feste, weiße, kristalline Substanzen, die sehr gut in Wasser, aber unlöslich in unpolaren Lösungsmitteln sind. Die meisten von ihnen haben einen süßen Geschmack.

Monosaccharide bestehen aus einer einzigen Einheit eines polyhydroxylaldehyden oder eines polyhydroxyketons und haben die allgemeine Formel (CH2O)n, wobei n in der Regel zwischen 3 und 8 liegt.

Das Kohlenstoffgerüst der Monosaccharide kann verzweigt sein. An fast jedem Kohlenstoffatom (mit einer Ausnahme, dem anomeren Kohlenstoff) ist eine Hydroxylgruppe (-OH) vorhanden. Häufig kombinieren sich Hydroxyl- und Carbonylgruppen, um eine Acetal- oder Hemiacetal-Bindung zu bilden. Befindet sich die Carbonylgruppe (C=O) am Ende der Kette, ist das Monosaccharid ein Aldehydderivat und wird Aldose genannt; befindet sie sich an einer inneren Position (z. B. an C-2), ist das Monosaccharid ein Ketonderivat und wird Ketose genannt.

Je nach Anzahl der C-Atome teilt man Monosaccharide ein. Die wichtigsten sind:

• Triosen (3 C-Atome)
• Tetrosen (4 C-Atome)
• Pentosen (5 C-Atome)
• Hexosen (6 C-Atome)
• Heptosen (7 C-Atome)

Polysaccharide: Reservestoffe und Strukturen

Polysaccharide sind hochmolekulare Verbindungen und erfüllen hauptsächlich zwei biologische Funktionen: als Reservestoffe und als strukturelle Moleküle.

Strukturell wichtige Bindungen bei Polysacchariden sind α‑glykosidische und β‑glykosidische Bindungen. Die Verknüpfungsart bestimmt Funktion und Eigenschaften.

Stärke (Homopolysaccharid)

Stärke ist das pflanzliche Energiespeichermolekül und besonders reichlich in Samen, Knollen und Getreide vorhanden. Sie besteht aus Monomeren der α-D-Glucose, die über O-glykosidische Bindungen verknüpft sind, vorwiegend (1→4)-Bindungen mit Verzweigungen durch (1→6)-Bindungen.

Stärke wird bei der Photosynthese synthetisiert und in Granula innerhalb der Zelle gespeichert, meist in speziellen Plastiden, den Amyloplasten (innerhalb oder neben den Chloroplasten).

Cellulose (strukturelles Homopolysaccharid)

Cellulose ist das strukturelle Homopolysaccharid, das die Hauptkomponente der pflanzlichen Zellwand bildet. Es ist ein lineares Polymer aus β-D-Glucose, verknüpft durch β-(1→4)-glykosidische Bindungen.

Plasmamembran und Glykokalyx

Die Plasmamembran besteht aus Lipiden, Proteinen und Oligosacchariden. Diese Oligosaccharide sind kovalent an Proteine oder Lipide gebunden, wodurch Glykoproteine und Glykolipide entstehen. Sie befinden sich vorzugsweise auf der Außenseite der Membran und bilden die extrazelluläre Glykokalyx in tierischen Zellen.

Funktionen der Glykokalyx:

• Molekulare Erkennung
• Schutz gegen proteolytische Enzyme
• Regulation der zellulären Aufnahme und Permeabilität
• Ermöglichen der Zellverbindung und Gewebebildung

B2OA: Golgi-Apparat und Lysosomen

Der Golgi-Apparat ist ein membranöses Organell, bestehend aus diskusförmigen, abgeflachten Taschen, den Golgi-Säckchen, die durch eine Membran begrenzt sind. Die Taschen sind an den Enden etwas erweitert, wo Vesikel entstehen. Diese Stapel aus 5 bis 10 Säckchen werden Dictyosomen genannt und haben in der Regel eine konkave und eine konvexe Oberfläche. Die Hohlräume sind von einer Membran umschlossen und mit Flüssigkeit gefüllt. Verschiedene Dictyosomen sind oft miteinander verbunden und der Golgi-Apparat findet sich häufig rund um den Zellkern oder das Zentrosom.

Der Golgi-Apparat steht in enger Beziehung zum endoplasmatischen Retikulum: Struktur und Funktion sind komplementär. Beide zusammen werden als GERL-Komplex bezeichnet.

Seiten des Golgi-Apparats

• Cis-Seite (eingangsseitig): Die cis-Seite ist die konkave Seite des Dictyosoms und ist dem endoplasmatischen Retikulum zugewandt. Von dort stammen Übergangsvesikel, die Produkte aus dem endoplasmatischen Retikulum transportieren und mit dem Golgi verschmelzen.
• Trans-Seite (ausgangsseitig): An der konvexen Seite des Dictyosoms reifen die Produkte; Vesikel können abschnüren und als Sekretvesikel oder Sekretgranula in das Zytosol bleiben oder durch Exozytose in den extrazellulären Raum entlassen werden.

Lysosomen

Lysosomen sind membranbegrenzte Organellen, die hydrolytische Enzyme enthalten, die in der Lage sind, alle Arten biologischer Polymere zu degradieren. Die zelluläre Verdauung komplexer Moleküle zu einfacheren Komponenten erfolgt in Lysosomen.

Arten der Lysosomen-vermittelten Verdauung:

• Externe Heterophagie: Aufnahme und Verdau von Fremdsubstanzen (z. B. Phagozytose von Bakterien durch Leukozyten), Reinigung (z. B. Makrophagen phagozytieren Zelltrümmer), Resorption und Zerstörung schädlicher Stoffe.
• Intrazelluläre Autophagie: Der Abbau zelleigener Bestandteile (mehrere Organellen, Vakuolen etc.) zur Entfernung beschädigter oder überflüssiger Bereiche der Zelle.
• Extrazelluläre Freisetzung: Lysosomen können Inhalte nach außen durch Exozytose entleeren.

Das Material, das durch Endocytose in die Zelle gelangt (Phagozytose oder Pinozytose), wird in Lysosomen abgebaut. Bei der Phagozytose entsteht ein Vesikel, ein Phagosom, das anschließend mit einem primären Lysosom verschmilzt und ein sekundäres Lysosom bildet (auch Heterophagosom oder Vakuole genannt). Primäre Lysosomen stammen meist aus dem Golgi-Apparat. Nach der Verdauung werden Abbauprodukte durch die Membran des sekundären Lysosoms freigesetzt, teilweise in das Hyaloplasma aufgenommen oder durch Exozytose wieder in den extrazellulären Raum abgegeben. Die freigesetzten chemischen Bausteine können für die Synthese von Zellbestandteilen verwendet oder zur Energiegewinnung (anaerob oder aerob) herangezogen werden.

B2OA: Endoplasmatisches Retikulum

Die allgemeine Funktion des endoplasmatischen Retikulums (ER) ist die Synthese und der Transport molekularer Komponenten, insbesondere der Bestandteile biologischer Membranen, Proteine und Lipide.

Man unterscheidet zwei funktionelle Formen des ER:

• Raues ER (RER): Ribosomen sind an der Membran befestigt; hier findet die Proteinsynthese statt. Diese synthetisierten Proteine werden in das Lumen des ER eingeleitet, dort gelagert oder zu anderen Organellen bzw. zellulären Standorten transportiert. Einige Proteine werden Bestandteil der ER-Membran oder anderer Zellmembranen. Die initiale Protein-Glykosylierung beginnt im ER und wird im Golgi-Apparat abgeschlossen.
• Glatte ER (SER): Zuständig für die Synthese, Speicherung und den Transport von Lipiden, insbesondere Phospholipiden und Cholesterin. Das SER ist auch an Entgiftungsprozessen beteiligt, die schädliche Substanzen in der Zelle neutralisieren.

B3OA: Modell der Plasmamembran

Das derzeit akzeptierte Strukturmodell der Plasmamembran ist das "Fluid‑Mosaik‑Modell" von Singer und Nicolson (1972). Nach diesem Modell bilden Lipide, Proteine und Oligosaccharide eine Konfiguration niedriger freier Energie. Lipide bilden eine Lipiddoppelschicht, die die grundlegende Struktur der Membran darstellt und als relativ undurchlässige Barriere für die Diffusion der meisten wasserlöslichen Moleküle wirkt.

Die polaren Gruppen der Lipide sind zur wässrigen Phase ausgerichtet: die äußere Schicht zur extrazellulären Umgebung und die innere Schicht zum Zytoplasma. Neben Selbstorganisation und Selbstversiegelung zeichnet sich die Lipiddoppelschicht durch ihre Flüssigkeit aus, die laterale Bewegung und Rotation der Lipidmoleküle erlaubt.

Membranproteine sind amphipathisch. Man unterscheidet:

• Integrale (transmembrane, intrinsische) Proteine: Diese durchsetzen die Lipiddoppelschicht oder sind darin eingebettet.
• Periphere (rand- oder extrinsische) Proteine: Diese sind meist mit der zytoplasmatischen Oberfläche assoziiert.

Proteine vermitteln die verschiedenen Funktionen der Membran. Oligosaccharide bilden die Glykokalyx an der Außenseite der Membran; die Mehrheit ist kovalent an Lipide (Glykolipide) oder Proteine (Glykoproteine) gebunden.

Integrale Membranproteine werden im rauen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert, vor allem an den Ribosomen, die an dessen Außenseite befestigt sind. Diese Proteine übernehmen vielfältige Aufgaben: Transporter, Erkennungsfunktionen und Rezeptoren für Hormone oder Metaboliten.

Cholesterin und Membranfluidität

Cholesterin reguliert die Fluidität der Lipiddoppelschicht: Es stört die Kohlenwasserstoffketten der Fettsäuren, erhöht die Steifigkeit und verhindert gleichzeitig, dass die Ketten zu dicht zusammenkommen. Dadurch trägt Cholesterin zur Stabilität und Funktionalität der Membran bei.

B4OA: Genetischer Code und DNA-Replikation

Der genetische Code ist der Schlüssel oder das "Wörterbuch", mit dem die DNA, bestehend aus vier Nukleotiden, die Sequenz jedes Proteins aus bis zu zwanzig verschiedenen Aminosäuren codiert. Der genetische Code enthält alle in der DNA gespeicherten Informationen. Jedes der 64 möglichen Codons (Dreiergruppen von Basen) bezeichnet entweder eine der 20 Proteinaminosäuren oder spezielle Signale für Initiation und Termination der Translation.

Allgemeine Merkmale des genetischen Codes

Die allgemeinen Merkmale des genetischen Codes, die für alle Zelltypen gelten, sind:

• Kollinearitätsprinzip: Drei Nukleotide codieren eine Aminosäure. Da vier Nukleotide und zwanzig Aminosäuren existieren, ergibt sich bei drei Basen pro Aminosäure eine ausreichende Zahl von Kombinationen (4^3 = 64).
• Degeneriert: Mehrere Codons codieren dieselbe Aminosäure. Meistens gleichen sich die beiden ersten Nukleotide, und die Variabilität liegt in der dritten Position.
• Keine Überlappung: Codons werden nacheinander in 5'→3'-Richtung gelesen; ein Nukleotid gehört nicht gleichzeitig zu zwei Codons.
• Keine Kommas: Die Basenfolge wird kontinuierlich ohne Trennzeichen gelesen; ein Verschieben des Leserasters (Frameshift) verändert die gesamte Folge.
• Start- und Stop-Codons: Es gibt Codons für Beginn (AUG, das Methionin codiert) und für das Ende der Translation (UAG, UAA, UGA).
• Universalität: In den meisten Organismen haben die Codons dieselbe Bedeutung.

Damit besteht eine direkte Beziehung zwischen der Nukleotidsequenz eines Gens und der Aminosäuresequenz des codierten Proteins. Die Idee, dass ein Gen für ein Enzym kodiert (ein Gen — ein Enzym), wurde 1941 von Beadle und Tatum vorgeschlagen.

Meilensteine: Replikation und Entdeckung des Codes

Ein Beispiel für die Fortschritte in der Wissenschaft ist die Entschlüsselung des genetischen Codes, die durch die Zusammenarbeit zahlreicher Forschungsgruppen erzielt wurde. Wichtige Meilensteine sind u. a.:

• Das semikonservative Modell der DNA-Replikation wurde von Watson und Crick vorgeschlagen und 1957 experimentell von Meselson und Stahl bestätigt. Die DNA-Replikation findet während der S-Phase des Zellzyklus statt und ist semikonservativ, weil jede der beiden Tochter-DNA-Moleküle einen alten Strang und einen neu synthetisierten Strang enthält.
• Die Replikation beginnt an spezifischen Stellen, die von Initiationsenzymen erkannt werden. Die beiden Stränge der Doppelhelix werden durch die Wirkung von Enzymen, den Helikasen, entwunden. Dadurch bildet sich eine Replikationsgabel (manchmal als "Haarnadel" beschrieben) und die Replikation verläuft bidirektional.
• DNA‑Polymerasen katalysieren die Synthese der neuen DNA-Stränge und besitzen häufig eine 3'→5'-Exonuklease-Aktivität, die es ihnen ermöglicht, Fehler zu korrigieren und Phosphodiesterbindungen zu hydrolysieren, was auch für DNA-Reparaturprozesse wichtig ist.

Organismen sind nicht frei von Mutationen, sei es spontan oder induziert. Wahrscheinlich entstanden DNA-Reparaturmechanismen früh in der Evolution, als die Erdoberfläche noch stärker von UV-Strahlung getroffen wurde (vor Bildung einer schützenden Ozonschicht).

B3OA

B4OA