Zellorganellen: Ribosomen, ER, Golgi, Lysosomen, Mitochondrien und Peroxisomen

Zellorganellen: Aufbau und Funktion

1. Ribosomen

Cytoplasmatische Ribosomen

Konzept: Ribosomen sind Organellen des Zytoplasmas ohne eigene Membran. Ihr Teilchen besteht aus kugelförmigen, elektronendichten und granulären Strukturen. Freie Ribosomen liegen im Zytoplasma oder an der Membran des endoplasmatischen Retikulums. Die Vereinigung von Ribosomen mit dem rauen endoplasmatischen Retikulum bildet das sogenannte Ribosom-ER-Konstrukt. Gruppen von Ribosomen werden als „Bullen“ bezeichnet.

Struktur: Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten: einer großen Untereinheit (28S rRNA, 5,8S rRNA und 5S rRNA sowie 49 Proteine) und einer kleinen Untereinheit (33 Proteine und 18S rRNA).

Funktion: Ribosomen sind für die Synthese von Proteinen verantwortlich. Die Sequenzen der Nukleotide bestimmen die Abfolge der Polypeptidketten, wobei jedes Aminosäure-Triplett die einzubauende Aminosäure festlegt.

Stufen der Proteinsynthese:

• Einleitung: Die Initiator-tRNA lagert sich an der kleinen ribosomalen Untereinheit an. Dabei helfen Proteine, die sogenannten Initiationsfaktoren. Die kleine Ribosomen-Untereinheit erkennt die Cap-Struktur der mRNA und bindet an sie. Sie verschiebt sich entlang der mRNA, bis sie das Initiationscodon AUG findet, das zum Anticodon UAC der tRNA komplementär ist. Danach lagert sich die große Untereinheit an.
• Wachstum: Eine neue Aminosäure-tRNA gelangt an die Ribosomen-Stelle, die der Startstelle gegenüberliegt. Die Aminogruppe der Methionin-tRNA bildet eine Peptidbindung mit der Carboxylgruppe der ersten Aminosäure. Anschließend verschiebt sich das Ribosom um drei Nukleotide entlang der mRNA, wodurch die freie tRNA abgegeben wird und die nächste Aminosäure-tRNA an die freie Stelle gelangt. Dafür wird Energie benötigt.
• Terminierung: Ein Terminationsfaktor tritt in die Stelle ein, wenn ein Stopp-Codon erreicht wird. Die Peptidyl-Transferase spaltet die Peptidyl-tRNA, wodurch das fertige Polypeptid freigesetzt wird. Terminationsfaktoren sorgen zudem für die Dissoziation der beiden ribosomalen Untereinheiten.

Mehrere Ribosomen, die an dieselbe mRNA gebunden sind, werden als Polyribosom bezeichnet. Dadurch können gleichzeitig viele Proteinmoleküle synthetisiert werden. Neu synthetisierte Proteine tragen eine oder mehrere Signalsequenzen (Peptide, sog. Signal), anhand derer sie klassifiziert und an ihren Bestimmungsort gelenkt werden. Fehlt das Signal, verbleibt das Protein im Zytosol.

Begleitproteine sind an Reparatur- und Erhaltungsprozessen beteiligt. Zellen besitzen spezialisierte Routen, um Proteine abzubauen. Im Zytosol werden beschädigte Proteine durch das Proteasom abgebaut. Das Proteasom besteht aus einem zentralen Zylinder und zwei Kappen, die den Zylinder umschließen und die markierten Proteine erkennen. Die Markierung erfolgt durch Ubiquitin.

2. Endoplasmatisches Retikulum

Konzept und Typen: Das endoplasmatische Retikulum ist ein System aus Membranen, die in Säcken organisiert sind und durch Anastomosen aus Tubuli und Vesikeln verbunden sind. Es gibt zwei Typen:

• Raues endoplasmatisches Retikulum: Es enthält viele Ribosomen. Die Membranen sind in Haufen angeordnet und bilden abgeflachte Taschen, die Zisternen genannt werden. Es synthetisiert neue Proteine für Membranen und Proteine zur Exkretion.
• Glattes endoplasmatisches Retikulum: Es enthält keine Ribosomen. Es bildet feine Tubuli und synthetisiert neue Lipide.

Strukturaufbau: Das endoplasmatische Retikulum ist aus Membranen aufgebaut. Eine Membran besteht aus einer Lipiddoppelschicht mit Proteinen auf jeder Seite. Der Inhalt wird als Matrix bezeichnet und ist an der Synthese, dem Transport und der Speicherung von Stoffen beteiligt.

Funktion:

• Raues endoplasmatisches Retikulum: Es synthetisiert Proteine. Das Ribosom bindet an die Membran, wenn ein Signalpeptid erkannt wird. Das Signalpeptid wird vom Signal-Erkennungspartikel (SRP) gebunden, das an einen SRP-Rezeptor in der Membran des ER andockt. Danach gelangt die Polypeptidkette durch einen Kanal der Membran in die Matrix. Nach Abschluss der Synthese wird das Signalpeptid durch eine Peptidase abgespalten. Auf der Außenseite der Membran befinden sich Proteine und Kohlenhydrate. Das raue ER dient der Ausbildung und Sekretion von Membranen der Zelle.
• Glykosylierung: Im rauen ER wird ein Oligosaccharid aus N-Acetylglucosamin, Mannose und Glucose auf Proteine übertragen. Das Oligosaccharid wird an einem Lipid gebildet und anschließend an einen Asparagin-Rest des Proteins gebunden. Der Vorgang wird durch eine Glykosyltransferase katalysiert.
• Glattes endoplasmatisches Retikulum:
  • Synthese von Lipiden: Es synthetisiert Phospholipide und Cholesterin für die Membranen der Zelle sowie Fettsäuren.
  • Lipidtransport: Es bildet Hormone (Steroide), Chylomikronen der Enterozyten, Lipoproteine der Hepatozyten sowie Gallensäuren.
  • Entgiftung: Es baut giftige, fettlösliche Substanzen ab, hauptsächlich in Leber und Nieren. Die Inaktivierung der toxischen Stoffe erfolgt durch Oxidation und Konjugationsreaktionen. Die Verabreichung des Arzneimittels Phenobarbital führt zu einer Zunahme des glatten ER, das nach Absetzen wieder auf seine normale Größe zurückgeht. Drogen werden über Lysosomen abgebaut.
  • Muskelkontraktion: Das sarkoplasmatische Retikulum der Muskelzelle besitzt eine Ca²⁺-Pumpe in der Membran. Ca²⁺-Ionen werden bei der Muskelkontraktion freigesetzt und ermöglichen die Relaxation nach Ende des Vorgangs.

3. Golgi-Apparat

Der Golgi-Apparat besteht aus membranösen, abgeflachten Taschen und Vesikeln, die in zwei Grundeinheiten organisiert sind: den Dictyosomen.

Funktion: Verpackung und Transport der im ER hergestellten Produkte.

Struktur: Die abgeflachten Taschen sind von einer Membran begrenzt und scheibenförmig angeordnet. Jedes Dictyosom besteht aus mehreren abgeflachten Taschen und Vesikeln. Die cis-Seite liegt neben dem Zellkern und ist konvex geformt. Die trans-Seite liegt neben der Plasmamembran und ist konkav geformt. Von der trans-Seite wandern große Vesikel ab, die als Sekretgranula bezeichnet werden.

Funktionen:

• Zentrale Rolle im Transport: Der Golgi-Apparat ist der wichtigste Regulator des Transports von Makromolekülen innerhalb der Zelle.
• Konzentration und Verpackung von Proteinen: Der Golgi-Apparat konzentriert die Sekrete und verpackt sie in Membranen.
• Glykosylierung und Sulfatierung von Glykoproteinen: Die Makromoleküle werden verändert, sodass Glykoproteine im Golgi-Apparat entstehen können. Es werden Polymere aus verschiedenen Zuckern gebildet.
• Bildung von Lysosomen: Er beteiligt sich an der Bildung lysosomaler Enzyme, indem er Enzyme für Lysosomen verpackt und transportiert.
• Bildung neuer Membranen und der Glykokalyx: Sekretvesikel verschmelzen von der trans-Seite des Golgi-Apparats mit der Plasmamembran und entleeren ihren Inhalt nach außen. Dies geschieht über die Exozytose, die von Clathrin-umhüllten Vesikeln für Sekretion und Endozytose vermittelt wird. Indirekt trägt der Golgi-Apparat auch zur Bildung der Glykokalyx bei.

4. Lysosomen

Konzept: Lysosomen sind zytoplasmatische Organellen, die eine Mischung hydrolytischer Enzyme enthalten.

Funktion: Lysosomen spalten komplexe Strukturen und Makromoleküle in kleinere Bestandteile.

Struktur: Lysosomen sind immer von einer Membran begrenzt, die sie vor dem Zytoplasma schützt. Ihr Inhalt besteht aus hydrolytischen Enzymen: Saure Hydrolasen bauen Nukleinsäuren, Proteine, Kohlenhydrate und Lipide ab. Die Enzyme wirken nur im sauren Milieu des Lysosoms, sodass bei einem Austritt aus dem Lysosom keine Schäden im Zytoplasma entstehen.

Typen:

• Primäre Lysosomen: Ihr Inhalt ist homogen. Sie enthalten hydrolytische Enzyme.
• Sekundäre Lysosomen: Sie entstehen durch Fusion primärer Lysosomen mit Vakuolen unterschiedlicher Größe und Inhalt, die Makromoleküle enthalten. Sie enthalten hydrolytische Formationen und ein Enzym-Substrat, das abgebaut werden kann. Verschiedene Typen sekundärer Lysosomen sind multivesikuläre Körper, Autolysosomen, Phagolysosomen und Restkörper.

Funktionen: Lysosomen spalten Makromoleküle in Polymere oder einfache Moleküle, die in den Stoffwechsel eingehen können. Sie befreien die Zelle von alten oder beschädigten Organellen, zerstören und entfernen Material fremder, schädlicher Herkunft.

5. Mitochondrien

Konzept: Mitochondrien sind zytoplasmatische Organellen mit einer doppelten Membran. Sie sind in aeroben eukaryotischen Zellen vorhanden.

Struktur: Mitochondrien haben eine bohnenförmige Gestalt mit einem Durchmesser von etwa 0,5 Mikrometern und einer Länge von 1 bis 7 µm. Jedes Mitochondrium ist vom Zytoplasma durch die äußere Mitochondrienmembran getrennt. Im Inneren wird es durch die innere Membran begrenzt. Die innere Membran faltet sich zu Cristae. Die beiden Membranen begrenzen zwei Kompartimente: Der Zwischenmembranraum liegt zwischen äußerer und innerer Membran. Das zweite Kompartiment wird von der inneren Membran begrenzt und bildet die mitochondriale Matrix, die feinkörnig ist.

Funktionen:

• Oxidationen (Atmungskette): Die Atmungskette besteht aus mehreren aufeinanderfolgenden Etappen: Die Bildung von Acetyl-CoA erfolgt in der Matrix durch Oxidation von Pyruvat, das aus der Glykolyse stammt, sowie von Fettsäuren, die durch Hydrolyse von Triglyceriden entstehen.
• Oxidation von Acetyl-CoA in der Matrix: Im Zitronensäurezyklus (Krebs-Zyklus) werden die Acetylreste vollständig zu CO₂ abgebaut. Dabei werden Wasserstoffatome durch Decarboxylierungen und Dehydrierungen abgespalten.
• Transport von Elektronen: Die Elektronen werden über eine Transportkette an der inneren Membran weitergeleitet. Dabei wird Energie freigesetzt, die zum Teil zur Synthese von ATP genutzt wird.
• Oxidative Phosphorylierung in der inneren Mitochondrienmembran: Die bei der Elektronenübertragung freigesetzte Energie wird genutzt, um ADP und Phosphat zu ATP zu verbinden. Die Reaktion wird durch die ATP-Synthase in der inneren Membran katalysiert (oxidative Phosphorylierung). Bei der vollständigen Oxidation eines Acetyl-CoA entstehen insgesamt 12 ATP-Moleküle.
• Proteinsynthese: Mitochondrien besitzen eigene Ribosomen (Mitoribosomen) in der Matrix.

6. Peroxisomen

Konzept: Peroxisomen sind zytoplasmatische Organellen mit dichtem Inhalt, ovaler Form und einer Membran. Sie enthalten die Enzyme Oxidase und Katalase.

Struktur: Peroxisomen sind klein und können mit spezifischen cytochemischen Methoden, z. B. mit Diaminobenzidin, sichtbar gemacht werden. Sie bestehen aus einer Membran und einer Matrix.

Funktion:

• Enzymaktivität: Peroxisomen enthalten Enzyme, die molekularen Sauerstoff nutzen, um Wasserstoffatome von spezifischen Substraten zu entfernen. Dabei entsteht Wasserstoffperoxid (H₂O₂). Diese Enzyme werden als Oxidasen bezeichnet. Das gebildete H₂O₂ ist hochgiftig und wird im Peroxisom durch das Enzym Katalase abgebaut, wobei Wasser und Sauerstoff entstehen (2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂). Die Katalase oxidiert zudem verschiedene Stoffe mithilfe von H₂O₂.
• Purin-Katabolismus: Peroxisomen bauen Nukleinsäuren ab. Alte Nukleotide und Purine werden am Ende zu Purin- und Pyrimidinbasen abgebaut. Am Purin-Basenabbau sind Enzyme der Peroxisomen beteiligt.
• Metabolismus der Lipide: Peroxisomen führen den Abbau von Fettsäuren durch die β-Oxidation durch. Dabei entsteht Acetyl-CoA. Die Oxidation von Acetyl-CoA erfolgt über molekularen Sauerstoff, der durch Katalase zu Wasser umgesetzt wird.
• Weitere Funktionen: Peroxisomen sind besonders in Leber und Nieren vorhanden, wo sie zahlreiche giftige Moleküle entgiften, die in den Kreislauf gelangen.