Zellbiologie: Proteinstruktur, Organellen und Transportprozesse

Proteinstruktur und Proteinaggregate

Die Oberfläche von Proteinen kann Faseraggregate bilden. Diese erreichen oft lange Formen, etwa Filamente aus Kollagen. Die Quartärstruktur entsteht durch die Interaktion von zwei oder mehr verschiedenen Proteinen, beispielsweise bei Antikörpern.

Vom ER zum Golgi-Apparat

Wenn ein Protein am rauen endoplasmatischen Retikulum (RER) synthetisiert wurde, wird es zum Golgi-Apparat transportiert. Dieser Organellen-Komplex modifiziert die Proteine und verpackt sie anschließend in Vesikel.

Arten des vesikulären Transports

• Kernporen: selektive Diffusion und Transport zwischen Kern und Zytoplasma
• Transmembran-Transport: Durchgang durch verschiedene Membranen
• Vesikulärer Transport: Transport in membranumhüllten Bläschen

Endoplasmatisches Retikulum

Das endoplasmatische Retikulum ist ein Membransystem mit einem definierten Lumen. Es kann mit Ribosomen besetzt sein (raues ER) oder nicht (glattes ER). Das glatte ER ist für die Produktion von Lipiden zuständig, das raue ER für Proteine. Neu synthetisierte Proteine gelangen durch Poren in das Lumen des ER.

Vesikel transportieren Proteine vom ER zum Golgi-Apparat. Vom Golgi aus werden sie über Vesikel zur Zellmembran oder zu anderen Zielorten befördert. Molekulare Signale lenken die Proteine dabei gezielt.

Lysosomen

Lysosomen entstehen aus dem Golgi-Apparat und enthalten Enzyme, die Proteine und Bakterien abbauen. Sie ermöglichen die intrazelluläre Verdauung. Endosomen, die durch Phagozytose oder Pinozytose entstehen, verschmelzen mit Lysosomen. Lysosomen sind außerdem an der Autophagie beteiligt, dem Abbau nicht mehr benötigter Organellen.

Phagozytose und Pinozytose

• Phagozytose: Aufnahme großer Partikel von außen, etwa Nahrung bei Protozoen oder Abwehr durch Makrophagen und weiße Blutkörperchen
• Pinozytose: Aufnahme kleiner Flüssigkeitströpfchen in die Zelle

Peroxisomen

Peroxisomen sind von einer Membran umschlossene Vesikel mit Verdauungsenzymen und Katalase. Die Katalase wandelt Wasserstoffperoxid (H₂O₂) in Wasser (H₂O) und Sauerstoff (O₂) um.

Zellmembran

Die Plasmamembran umgibt die Zelle, ist nur für bestimmte Stoffe durchlässig und grenzt die Zelle von ihrer Umgebung ab. Sie besteht aus einem Lipid-Doppelschicht-Mosaik mit eingelagerten Proteinen.

Passiver und aktiver Transport

• Diffusion: Ausbreitung von Stoffen aus Bereichen hoher in Bereiche niedriger Konzentration, etwa Sauerstoff hinein und Kohlendioxid hinaus
• Aktiver Transport: Transport entgegen dem Konzentrationsgefälle unter Energieverbrauch, gesteuert durch spezielle Carrier-Proteine

Zellkern

Die Kernhülle besitzt Poren und eine Kernlamina aus den Proteinen Lamin A, B und C, die Dimere bilden und Polymere bilden. Das Nukleoplasma ist eine wässrige Lösung aus Proteinen, RNA, Nukleotiden und Ionen.

Chromosomen und Chromatin

Chromosomen tragen genetische Merkmale von Vater und Mutter. Jedes besteht aus zwei Chromatiden, die am Zentromer verbunden sind. Chromatin kann unterschiedlich stark kondensiert sein:

• Euchromatin: locker gepackt, Gene sind aktiv
• Heterochromatin: stark verdichtet, Gene sind inaktiv

Nukleolus

Der Nukleolus ist eine membranlose Struktur im Zellkern, die Proteine, rDNA und rRNA enthält. Je aktiver die Proteinsynthese, desto größer ist der Nukleolus.

Nukleinsäuren und Proteinbiosynthese

DNA speichert und übermittelt genetische Informationen. Die rRNA bildet zusammen mit Proteinen die Ribosomen und ist an der Proteinsynthese beteiligt. Die mRNA ist einzelsträngig und trägt die genetische Information. Die tRNA transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen und besitzt ein Anticodon, das mit dem Codon der mRNA paart.

Die Proteinbiosynthese beginnt mit dem Startcodon AUG. Die Stoppcodons UAA, UAG und UGA beenden die Synthese. Nukleotide sind die Untereinheiten der Nukleinsäuren und bestehen aus einer stickstoffhaltigen Base, einer Pentose und einer Phosphatgruppe.

Genetischer Code und Translation

Der genetische Code besteht aus Tripletts aus drei Buchstaben, den sogenannten Codons. Insgesamt gibt es 20 verschiedene Aminosäuren, die durch Peptidbindungen zu Proteinen verknüpft werden. Jede Aminosäure besitzt eine eigene Funktion, die bei Veränderung der Struktur verloren gehen kann.

Proteinstruktur und Konformation

Die Primärstruktur beschreibt die Aminosäuresequenz. Daraus entstehen die Sekundärstruktur (Alpha-Helix, etwa bei Keratin, oder Beta-Faltblatt, etwa bei Fibroin), die Tertiärstruktur (kompakte Kugelform bei globulären Proteinen) und die Quartärstruktur.

Eine Denaturierung ist die Zerstörung der räumlichen Struktur eines Proteins, etwa durch Wärme oder pH-Veränderungen. Sie kann reversibel oder irreversibel sein.