Ribosomen, Endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat: Zellorganellen im Überblick

Organellen des Zytoplasmas

1. Ribosomen

Konzept

Organellen, die vom Zytoplasma durch eine Membran getrennt sind und als kugelförmige, elektronenmikroskopisch dichte Partikel erscheinen. Ribosomen können frei im Zytoplasma oder an der Membran des Endoplasmatischen Retikulums (ER) gebunden sein. Die Bindung an das ER ergibt das raue Endoplasmatische Retikulum. Gruppen von Ribosomen werden als Polysomen bezeichnet.

Struktur

Bestehend aus zwei Untereinheiten:

• Große Untereinheit: Enthält 28S rRNA, 5,8S rRNA und 5S rRNA sowie 49 Proteine.
• Kleine Untereinheit: Enthält 18S rRNA sowie 33 Proteine.

Funktion: Proteinsynthese

Ribosomen sind für die Proteinsynthese verantwortlich. Die Sequenz der Nukleotide bestimmt eine bestimmte Polypeptidkette, da jedes Nukleotid-Triplett eine spezifische Aminosäure kodiert.

Drei Stufen der Proteinsynthese:

1. Initiation: Die Initiator-tRNA bindet an die kleine ribosomale Untereinheit, unterstützt durch Initiationsfaktoren. Die kleine Untereinheit bindet an die mRNA durch Erkennung der Kappe (eingeführt während der Transkription). Die Untereinheit bewegt sich entlang der mRNA, bis sie das Initiationscodon erkennt und das komplementäre UAC-Anticodon bindet. Daraufhin lagert sich die große ribosomale Untereinheit an.
2. Elongation (Wachstum): Eine weitere tRNA mit der entsprechenden Aminosäure erreicht das Ribosom und besetzt die A-Stelle. Die Aminogruppe dieser neuen Aminosäure bindet an die Carboxylgruppe des Methionins. Sobald die Peptidbindung gebildet ist, bewegt sich das Ribosom um drei Nukleotide entlang der mRNA. Die tRNA, die Methionin trug, wird freigegeben, und die zweite Aminosäure rückt von der A-Stelle zur P-Stelle. Die nun leere A-Stelle ist bereit für den Einbau der nächsten Aminosäure. Dieser Vorgang benötigt Energie.
3. Termination: Wenn ein Stopp-Codon erreicht wird, tritt ein Protein namens Releasefaktor anstelle einer Aminoacyl-tRNA ein. Der Releasefaktor bewirkt, dass die Peptidyltransferase die Bindung der Peptidyl-tRNA löst, wodurch das Polypeptid freigesetzt wird. Die Releasefaktoren bewirken auch die Dissoziation der ribosomalen Untereinheiten.

Das Molekül, das als Übersetzungsmaschine fungiert, ist das Polyribosom. Dies ermöglicht die Synthese vieler Proteinmoleküle pro Zeiteinheit, da neue Synthesen beginnen können, bevor die vorherige abgeschlossen ist.

Neu synthetisierte Proteine besitzen oft eine oder mehrere Aminosäuresequenzen (Signalpeptide), die ihre korrekte Bezeichnung und ihren Bestimmungsort (Export) klassifizieren. Fehlen Signalpeptide, verbleibt das Protein im Hyaloplasma (Zytosol).

Proteine werden von Chaperonen begleitet, Maschinen zur Reparatur und Wartung, die für die korrekte Faltung zuständig sind. Spezialisierte Organellen bauen Proteine durch Proteasen in ihre einzelnen Aminosäuren ab. Die meisten Proteine im Zytosol werden durch Proteasomen abgebaut. Ein Proteasom besteht aus einem zentralen Zylinder, der von Proteasen gebildet wird, und zwei Endkomplexen, die das zu verdauende Protein erkennen, welches zuvor mit Ubiquitin markiert wurde, und es in die innere Kammer des Zylinders transportieren.

2. Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Konzept und Typen

Ein Membransystem, das aus anastomosierenden Taschen, Tubuli und Vesikeln organisiert ist. Es gibt zwei Typen:

• Raues ER (rER): Enthält zahlreiche Ribosomen und ist in Stapeln abgeflachter Säcke, genannt Zisternen, organisiert. Dient der Synthese neuer Proteine und Membrankomponenten für den Export.
• Glattes ER (sER): Frei von Ribosomen und organisiert in einem Netzwerk feiner Tubuli. Dient der Synthese von Lipiden.

Struktur

Wenn man Ribosomen als morphologisch und funktionell getrennte Einheiten betrachtet, bestehen die ER-Komponenten aus:

• Membranen: Struktur einer Lipiddoppelschicht, die auf jeder Seite von Hüllproteinen begrenzt ist.
• Inhalt (Matrix): Repräsentiert den Ort der Synthese, des Transports und der Speicherung der beteiligten Stoffe.

Funktionen

Raues Endoplasmatisches Retikulum (rER):

• Proteinsynthese: Das Ribosom wird durch ein Signalerkennungspartikel (SRP), das im Zytosol vorhanden ist, zur ER-Membran geführt und bindet an einen SRP-Rezeptor. Nach der Bindung wird das SRP freigesetzt. Die Polypeptidkette wird in die Matrix des rER durch einen Membrankanal eingeführt. Am Ende der Synthese spaltet die Signalpeptidase das Signalpeptid ab, und das Protein bleibt frei in der Matrix des rER. Proteine, die hier gespeichert werden, dienen der Bildung von Zellmembranen oder der Sekretion.
• Glykosylierung: Das rER überträgt auf bestimmte Proteine ein einzigartiges Oligosaccharid, bestehend aus N-Acetylglucosamin, Glucose und Mannose. An der Einführung der Oligosaccharide ist ein Lipid im rER beteiligt. Die Bindung des Oligosaccharids an das Protein erfolgt an der Aminosäure Asparagin und wird durch eine Glykosyltransferase katalysiert.

Glattes Endoplasmatisches Retikulum (sER):

• Lipidsynthese: Synthetisiert Phospholipide und Cholesterin für die Zellmembran; Fettsäuren werden hier nicht synthetisiert.
• Abgeleitete Lipidsynthese: Synthese von Steroidhormonen, Chylomikronen (in Enterozyten) und Lipoproteinen sowie Gallensäuren (in Hepatozyten).
• Entgiftung: Abbau vieler fettlöslicher toxischer Substanzen, hauptsächlich in der Leber. Toxische Substanzen werden durch Oxidations- und Konjugationsreaktionen im sER inaktiviert. Die Gabe von Medikamenten wie Phenobarbital führt zu einer Erhöhung der sER-Menge, um das Medikament zu beseitigen. Nach Abbau werden die Reste in Lysosomen überführt.
• Muskelkontraktion: Das Sarkoplasmatische Retikulum (SR) besitzt Ca²⁺-Pumpen und Ca²⁺-Kanäle in seiner Membran, die den Austritt dieser Ionen bei der Muskelkontraktion ermöglichen. Der Abschluss des Prozesses ist die Speicherung des Ca²⁺ im SR, was zur Muskelentspannung führt.

3. Golgi-Komplex (Golgi-Apparat)

Ein membranöses Organell, das aus abgeflachten Säcken und Vesikeln besteht, die fundamental in Einheiten, den Dictyosomen, angeordnet sind. Die Hauptfunktion ist die Verpackung und der Transport der durch das ER hergestellten Waren.

Struktur

Besteht aus glatten, abgeflachten, scheibenförmigen Membransäcken sowie Vesikeln unterschiedlicher Größe. Jede Gruppe aus abgeflachten Säcken und Vesikeln bildet ein Dictyosom.

• Cis-Seite (oder Bildungsseite): Liegt näher am Kern, hat eine kuppelförmige Struktur.
• Trans-Seite (oder Reifungsseite): Liegt näher an der Plasmamembran, hat eine konkave Oberfläche und bildet große Vesikel, die als Sekretgranula bezeichnet werden.

Funktionen

Der Golgi-Apparat ist der wichtigste Dirigent der Bewegung von Makromolekülen in der Zelle.

• Konzentration und Verpackung von Proteinen: [...] (Der Text bricht hier ab, aber die Hauptfunktion ist die Modifikation, Sortierung und Verpackung von Proteinen und Lipiden für den Transport.)