Der Golgi-Apparat

Vorlesung Zellbiologie – KM 2 - 2012 

Roland Lill 

Institut für Zytobiologie 

Tel. 286 6449 

Lill@staff.uni-marburg.de 

Pdf files auf folgender Website: 

http://www.uni-marburg.de/fb20/cyto/lehre

Komplexität der eukaryotischen Zelle 

• Humangenom kodiert ca. 23.000 Proteine 

(Hefe: 6.200, E. coli 4.600) 

• Pro Zelle 5.000 - 10.000 verschiedene Proteine 

• Gewebe- und entwicklungsspezifische Proteine 

(Zelltypspezifität) 

• Proteine sind kompartimentiert, d.h. in definierten 

Reaktionsräumen lokalisiert Organellen

Kompartimente in der eukaryotischen Zelle 

Wie werden die Proteine 

auf die Kompartimente 

verteilt ??

Zwei Arten des Proteintransports 

in der eukaryotischen Zelle 

• Direkter 

Membrantransport 

– Nukleus 

– Mitochondrien 

– Peroxisom 

– (Chloroplasten) 

• Vesikulärer Transport 

– Endoplasm. Retikulum 

– Golgi Apparat 

– Lysosomen 

– Plasmamembran 

– Extrazellulärraum 

(“Endomembransystem”)

Rauhes endoplasmatisches Retikulum (RER) - Morphologie 

• Netzwerk, flache platte Schläuche 

• RER Membran geht in Außenmembran des Kerns über 

• Besonders häufig in sekretorischen Zellen 

(Drüsenzellen, Plasmazellen des Immunsystems) 

Fluor.-mikroskopie 

• Besetzt mit zahlreichen Ribosomen 

Proteineinschleusung ins RER 

Elektronenmikroskopie

Glattes endoplasmatisches Retikulum (SER) 

• Morphologie

Glattes endoplasmatisches Retikulum (SER) 

• Nur in einigen Zellen eindeutig zu erkennen 

– tubuläres verzweigtes Netzwerk 

• Kontinuum mit RER 

• Induktion des SER durch viele Stimuli 

– z.B. Phenobarbitale, Alkohol, Hormone, 

Zigarettenrauch, Medikamente ...

Funktionen des glatten ER 

• Leber 

– Phospholipidsynthese 

– Synthese von anderen Lipiden 

– (Prostaglandine etc. (auch in Prostata, Uterus)) 

– Lipoproteinpartikelsynthese (LDL) 

– Glykogensynthese 

– Detoxifizierungen (Cytochrome P 450 ) 

(Oxidationen, Hydroxylierungen) 

• Muskel 

– Speicherung von Ca 2+ 

– (Sarkoplasmatisches Retikulum) 

• Nebennierenrinde 

– Steroidhormonsynthese (Cytochrome P 450 ) 

⇒ verschiedene Sexualhormone (Testosteron, Aldosteron, Pregnenolon, …)

Funktionen des RER 

• Einschleusung von Proteinen für 

– RER und SER 

– Golgi-Apparat 

– Lysosomen 

– Endosomen 

– Plasmamembran 

– Extrazellulärraum 

(Sekretprotein) 

Signalhypothese 

(1975)

Mechanismus der Einschleusung von Proteinen ins RER 

• Wie kommt ein hydrophiles Protein 

über eine hydrophobe Lipiddoppelschicht ? 

Signalsequenz 

„signal recognition 

particle“ (SRP) 

Synthese und Translokation eines 

Sekretproteins (z.B. Insulin, Immunglobulin)

Einschleusung von Proteinen ins RER 

Mcb1703.ER-translocation.avi

Einschleusung von Membranproteinen ins RER 

• Wie werden Membranproteine in RER Membran inseriert? 

Synthese und Translokation 

eines Plasmamembranproteins 

z.B. Cadherin, Glykophorin 

Typ I Membranprotein

Einschleusung von Membranproteinen ins RER 

Typ II Membranprotein

Einschleusung von komplexen Membranproteinen ins RER 

• Verschiedene topogene Signale werden kombiniert

Molekulare Grundlagen der Signalsequenzerkennung 

• Signalsequenz 

+ + hydrophob 

5-20 As. 7-12 As. 10-20 As. 

-3 -1 

Fertiges (reifes) Protein 

Signalpeptidase 

• „Signal recognition particle“ 

(SRP) 

– 1 RNA (7S RNA) 

– 6 Proteine 

SRP9 

SRP14 

Elongationsarrest 

– SRP54 als zentrale Komponente 

Signalsequenzerkennung (Met Bürste) 

GTP-Hydrolyse 

Ribosomenbindung (tunnel exit) 

SRP54 

© B. Dobberstein 

SRP72 

SRP68 

SRP19

Strukturelle Grundlage der SRP Bindung ans Ribosom 

• Wie kann man Translationsarrest verstehen ? 

Gekrümmte Konformation 

wird stabilisiert

Strukturelle Grundlage der SRP-SR-Ribosomen Bindung 

• Auch Bakterien besitzen primitives SRP-SR System, 

nur SRP54 und (kleine) RNA 

(macht mechanistische Untersuchungen einfacher) 

Arrangement von Signalsequenz und Tunnelexit 

am Ribosom und am SRP-SR Komplex

SRP und Sec61 am Ribosom - gesehen durchs Cryo-EM 

3D Rekonstruktion des 

Ribosoms mit gebundenem SRP 

3D Rekonstruktion des 

RER-gebundenen Ribosoms 

(Größenverhältnisse!) 

Bindungsstellen für SRP und Ribosom überlappen 

nahe an der Tunnelexit site für naszierende Polypeptidkette

Struktur der Translokationspore 

• Wie sieht das Translokon (Sec61) aus? 

Bakterielles SecY als Modell: 

• 10 α-Helices 

Wie bleibt Membran Ionen-dicht?? Stopfen (Plug) 

Pdb.Sec61 translocon (+SecY.pse) 

© T. Rapoport

Molekulare Funktionsweise eines Translokons 

• Wie funktioniert das SecY Translokon ? 

Lateraler 

“Austrittskanal” 

für 

Membranproteine 

Ein hydrophober Ring 

für den Präprotein- 

Durchtritt 

Translokationsmodell 

Signalsequenzinteraktionen

Molekulare Funktionsweise eines Translokons 

• Wie sieht der Translokationskomplex aus? Cryo-EM Daten 

Schnitt durch den Translokationskanal 

am Ribosom: 

Ribosome exit channel 

Sichtbarmachung der translozierenden 

Polypeptidkette 

Konserviert von Hefe bis Mensch 

R. Beckmann

Funktionen des RER - Proteintransport 

Gibt es einen Unterschied zwischen freien und 

RER-gebundenen Ribosomen ?? 

Kein prinzipieller Unterschied. 

Erst ein Targetingsignal 

entscheidet Lokalisation 

im Cytosol oder am RER

Funktionen des RER - kovalente Zuckeranheftung 

• N-Glykosylierung (Dolichol) 

– Co-translational 

– Co-translokational 

- N X S/T -

Funktionen des RER – komplexe Synthese des 

Oligosaccharyl-dolicholphosphates 

Viele Krankheiten: Congenital disorders of glycosylation (CDG) 

Breites phänotypisches Spektrum, viele Organe betroffen 

Phosphomannomutase: Mental retardation (MR), hypotonia, esotropia, lipodystrophy, cerebellar hypoplasia, seizure 

Man1GlcNAc2-PP-Dol mannosyltransferase: Normal at birth, hepatomegaly, hypomyelination, intractable seizures

Funktionen des RER - Modifikation der Zuckerreste 

• Trimmen der Oligosaccharidreste 

– Glucosidasen I und II

Funktionen des RER - Proteinfaltung 

• 1. Die Rolle von Chaperonen 

– z.B. Hsp70 = BiP (ATPase) 

– unterstützen korrekte Faltung durch Bindung an 

ungefaltete (hydrophobe) Proteinregionen 

– Dadurch niedrige Konzentration an freien, 

ungefalteten Proteinen 

– Geringere Aggregation entfalteter Proteine und 

mehr Zeit zur Faltung 

– Assemblierung von Komplexen (Quartärstruktur) 

Molekularer Mechanismus: (Genaueres in der Biochemie) 

DnaK Hsp70 Chaperon (bindet entfaltete Proteine) 

DnaJ Co-Chaperon (bringt entfaltete Proteine zum Hsp70 

und stimuliert dessen ATPase) 

GrpE Nukleotidaustauschfaktor 

Ungefaltet 

Nativ 

gefaltet

Funktionen des RER - Proteinfaltung 

• 2. Die Rolle von Calnexin und Calreticulin 

(Lektine = Zucker-bindende Chaperone) 

Komplexbildung 

Disulfidbrücken 

Faltung 

Was passiert hier noch ?

Der Calnexin-Calreticulin-Zyklus 

– Trimmen zweier Glucosereste 

– Bindung an Calnexin/Calreticulin: 

• Einführung von Disulfidbrücken 

• Trimmen des 3. Glucoserests 

• Erfolgreiche Faltung 

Calnexin 

– Bei nicht-erfolgreicher Faltung: 

• Addition einer Glucose durch 

Glucosyltransferase (erkennt 

entfaltete Proteine) 

• Neuer Zyklus

Weitere Aufgaben des RER bei Proteinfaltung 

• 3. Disulfidbrückenbildung (-S-S-) 

– Proteindisulfidisomerase 

– FAD-abhängiges Ero1 

– ER als oxidatives Organell 

– Isomerisierung falscher Disulfidbrücken 

– S-S Brücken wichtig für Sekretproteine 

FAD + 

?? 

Keine Redoxreaktion

Ein Kontrollsystem bei inkorrekter Proteinfaltung 

• Was passiert, wenn Faltung oder Assemblierung trotzdem schief 

geht? 

• "Quality control“ 

– Kein Verlassen des ER ohne korrekte Faltung und Assemblierung 

– Wiederholte Bindung der nicht korrekt gefalteten Proteine an 

Chaperone verhindert den Export in den Golgi Apparat 

– Bei nicht erfolgreicher Faltung Retranslokation ins Cytosol 

(Der1 oder Sec61?) und Abbau am Proteasom 

Proteasom

Abbau falsch gefalteter ER Proteine erfolgt im Cytosol 

• ERAD: ER-associated protein degradation 

– Retrotranslokation durch Der1 oder Sec61 (?) und andere Proteine ins 

Cytosol 

– Ubiquitinierung (Anheften eines kleinen Proteins) 

– Abbau des Proteins durch Proteasom

Die Bedeutung des Proteintransports durchs RER 

 

 

 

 

 

ER Proteinimport, -modifikation und -faltung wichtig für 

Intrazellulären Proteintransport 

Aufbau der extrazellulären Matrix 

Faltung des CFTR (Cystische Fibrose Transmembranregulator) 

Biotechnologische Produktion von 

– Erythropoietin (Proliferation von Blutzellen; Doping) 

– Plasminogen-Aktivator (Antigerinnungsfaktor bei Herzinfarkt) 

– Insulin (Diabetes)


Vesikulärer Transport 

Prof. Roland Lill 

Zytobiologie

Endomembranen in eukaryotischen Zellen 

Wie entstehen sie ???

Pulse-chase 

Radiomarkierung 

+ Elektronenmikroskopische 

Autoradiographie 

(G. Palade) 

• Radiomarkierung mit 

3 

H Leucin für 3 min 

C 

A 

D 

B 

• EM und Autoradiographie 

⇒ A 

• „Chase“ mit kaltem Leucin 

♦ 

7 min Inkubation⇒ B 

♦ 37 min Inkubation⇒ C 

♦ 117 min Inkubation⇒ D

Die Idee des vesikulären Transports 

Ein über Vesikel 

verbundenes 

Endomembransystem 

• Endoplasmatisches 

Retikulum 

• Golgi Apparat 

• Sekretorische Vesikel 

• Plasmamembran 

• Lysosomen 

• Endosomen 

• NICHT VERBUNDEN: 


– Peroxisomen 

– Zellkern

Die Idee des vesikulären Transports 

Ein über Vesikel 

verbundenes 

Endomembransystem 

• Endoplasmatisches 

Retikulum 

• Golgi Apparat 

• Sekretorische Vesikel 

• Plasmamembran 

• Lysosomen 

• Endosomen 

• NICHT VERBUNDEN: 


– Peroxisomen 

– Zellkern 

Anterograder und retrograder Transport

Vesikulärer Transport - Wie funktioniert das? 

• Prinzip des Vesikeltransports 

– 1. Vesicle budding (Fission, Knospen) 

– 2. Vesicle Transport (Zytoskelett Tubulin und Aktin) 

– 3. Fusion mit Zielmembran 

– 4. Membranorientierung (Asymmetrie, z.B Zuckerketten) 

1. 

-Z 

-Z 

2. 3. 

-Z 

-Z 

Plasmamembran (Zucker extrazellulär)

Vesikulärer Transport - Wie kann man das verfolgen? 

Live cell imaging mit Fluoreszenzmikroskopie 

v17-04-Golgi_sorting_a.avi 

v17-04-Golgi_sorting_b.avi

Vesikulärer Transport – Eine einfache Zusammenfassung 

Mcb0502n.Secretion.mpg

Wie funktioniert der Vesikeltransport ??? 

• Wie testen wir den Prozess überhaupt? 

• Welche Moleküle nehmen an dem Prozess teil? 

• Was ist der molekulare Mechanismus, die Triebkraft? 

• Wie erklärt sich die Spezifität des Transports (Richtung, 

Cargo-Auswahl, Genauigkeit)?

Klassischer Test zum Studium der Vesikelfusion 

Jim Rothman, ab 1988 

Mutated in GlcNAc transferase 

VSV infected 

Wild-type in GlcNAc transferase 

not infected 

• NSF, NEM-sensitive factor (ATPase) 

• SNAP, soluble NSF attachment proteins (α, β, γ) 

• SNARE, SNAP receptors (membrane proteins)

Das V- und T-SNARE Konzept 

oder 

Wie wird der Vesikeltransport spezifisch? 

V-SNARE 

T-SNARE 

Vesikel 

Target

Struktur eines SNARE Komplexes 

• Coiled-coil Struktur 

• Verdrillt 

• Membran-verankert 

• Jedes Kompartiment hat eigenes T- 

SNARE (drei coiled-coils) 

• Jedes Vesikel bekommt 

spezifisches V-SNARE mit 

• Nur die korrekten V/T-Paare leiten 

Fusion ein (Vesikelfusionsassay)

SNAREs als Ziele der Botulinum- and Tetanustoxine 

• Aus Clostridien (Bakterien) 

• Extrem giftig (1 µg †) 

• Hoch spezifisch 

• Metalloproteasen 

• Neurologische Symptome 

(keine Acetylcholin Ausschüttung, 

Doppelsehen, Atemstillstand) 

Botox als “Faltenlöser” 

Ohne Botox 

Mit Botox

Die Rab Proteine, ein zweiter Garant 

für die Spezifität der Vesikelfusion 

• GTPase Zyklus 

(auch bei EF der Translation, 

Ras, SRP, SRP-Rez. etc.) 

• Lipidanker

Viele verschiedene Rab Proteine für 

verschiedene Kompartimente

Modell: Die drei Schritte der Vesikelfusion 

V/T-SNARES 

V-SNARES 

3) Fusion 

2) Docking (Rab) 

1) Priming 

AAA-ATPase 

T-

Wie erfolgt das vesicle budding ??? 

oder 

Vor dem Weggehen einen Mantel anziehen 

• Verschiedene coats für verschiedene Membranen

Drei Arten der Vesikelbildung 

(Fission or budding of vesicles) 

• Clathrin coat (heavy chain and light chain, AP) Endocytosis, TGNLysos. 

• COP I coat (Coatamer, ARF1) Intra-Golgi (retrograd), 

Endosomes 

• COP II coat (Sec13/31, Sec23/24, Sar1) ER Golgi

Bauprinzip des Clathrin Coats 

Hexagonales Fass: 36 Triskelions 

Triskelion 

Kombination von Pentagons 

und Hexagons

Quick-freeze deep etching 

Methode der EM 

(J. Heuser) 

Bauprinzip der Clathrin Coats 

Coated pit 

(Stachelsaumgrübchen) 

Coated vesicle 

(Stachelsaumvesikel) 

Self assembly of clathrin 

Film: v17-04-clathrin.avi

Strukturelle Einsichten in das COP I Coat 

Kryo-EM von 

COP I-coated 

Vesicles 

(in vitro aus Coatamer, 

ARF1 hergestellt) 

Fertige Vesicles 

Beim budding 

 

Berechnete COP I Struktur 

F. Wieland, J. Briggs

Strukturelle Einsichten in das COP I Coat 

3D Movies verschiedener COP I Strukturen 

F. Wieland, J. Briggs

Strukturvergleiche zwischen Clathrin und COP I / II Coats 

Verschiedene COP II 

Strukturen im EM 

Clathrin coat COP II COP I

Clathrin-abhängiges Budding (Knospen)

Adapterkomplexe arbeiten an unterschiedlichen Zellorten 

AP-1: TGN ↔ Endosome 

AP-2: Endocytosis (PM → Endosome) 

AP-3: TGN or Endosome → Lysosome 

AP-4: → Lysosome 

GGAs: TGN → Endosome

Aufbau der Adapterkomplexe 

Cargo proteins 

NPXY 

YXXF (F : hydrophobic residue) 

Di-leucine

Rolle des Dynamins beim budding 

• Große Proteinfamilie 

• Mitglieder beteiligt an Fissionsprozessen 

(Vesikel, Peroxisomen, 

Mitochondrien, Chloroplasten, 

Bakterien, ...) 

Immun-EM 

• GTPase 

• Polymerisiert zu Aggregaten







Immun-EM 

• GTPase 

• Polymerisiert zu Aggregaten 

Wie funktioniert das Dynamin? 

• Pinchase







Immun-EM 

• GTPase 

• Polymerisiert zu Aggregaten 

Wie funktioniert das Dynamin? 

• Pinchase 

Poppase

Prinzipien des Vesicle buddings 

Durch coat-Bindung wird Membrankrümmung eingeführt 

z.B. Sar1 

oder Arf 

GDP 

GEF 

Coat Coat Coat 

SNAREs 

GTP 

Lipid anchors 

Myristoyl, farnesyl, 

palmitoyl ... 

Coat Coat Coat 

Adapter 

Cargo 

GTP 

SNAREs 

Adapter 

Cargo 

GTP 

SNAREs 

Adapter 

Cargo 

Membran 

Signal für Bindung: z.B. Y-X-X-Y 

Budding 

Rapid uncoating 

(Hsp70)

Welche Mechanismen garantieren den spezifischen 

Transport von Proteinen??? 

• Sortierungssignale in Membranproteinen 

– spezifisch für jeweiliges Kompartiment 

– oft nur 1-2 Aminosäurereste 

– oft noch unbekannt 

Beispiel: Sortierungssignale 

für COPI Vesikel: 

- Di-Lys motif KKXX 

- Di-Phe, di Lys motif 

(-FFXXKKXX)

Rückführung von löslichen ER Proteinen 

durch KDEL-Rezeptor 

• KDEL = 

K = Lys 

D = Asp 

E = Glu 

L = Leu 

Prä 

Lösliches ER Protein 

KDEL

Zusammenfassung des vesikulären Transports 

• Was haben wir hierzu 

gelernt ? 

Exzellenter Review mit guten Bildern:


Golgi-Apparat 

In vitro reconstituted Xenopus Golgi membranes. 

G. WARREN 


Zytobiologie

Der Golgi-Apparat 

• Historisches 

• Morphologie 

• (Metabolische) Funktionen 

• Biogenese 

• Trans-Golgi Netzwerk

Der Golgi-Apparat - Historisches 

• 1898 Camillo Golgi (Padua) 

– Apparato reticolare interno 

(Metallfärbung - OsO 4 ) 

– Nobelpreis 1906 mit Ramon y Cajal 

• Bis in 50 er Jahre Kontroverse: 

Golgi App.: Organell oder Artefakt?? 

• ≈ 1950 EM Daten zu Golgi 

Dalton & Felix


• Golgi Strukturen in allen Zellen 

vor allem in sekretorischen Zellen 

(Schleimbildende Zellen) 

• Ausgeprägt in Pflanzen Zellen 

• Dictyosomen 

• Sacculi 

• 1961 Kompartimentierung des Golgi 

Novikoff und Goldfischer 

– EM 

– Zellfraktionierung mit biochem. Techniken 

z.B. Sucrose-Dichtegradientenzentrifugation


• Wieder Kontroverse: Wieviele Golgi Kompartimente? 

• 70er Jahre cis - medial - trans - TGN 

– Immuno Gold EM 

– EM Autoradiographie 

– Histochemische Färbungen und EM 

Trans 

(Nukleosid- 

Diphosphatase) 

Cis (OsO 4 ) 

Golgi! 

TGN 

(Saure 

Phosphatase)

Der Golgi-Apparat - Morphologie 

EM-Techniken


• 70 und 90er Jahre Vesikulärer Transport 

– zusätzlich zu TGN: CGN, ERGIC, transitional elements oder VTC 

• 90er Jahre Fluoreszenzmethoden 

Lippincott-Schwartz, Warren 

– Dynamik des Golgi Apparates 

– Kompartimentierung cis medial trans

Der Golgi-Apparat – Aktuelle Entwicklungen 

• EM Tomographie (3D Rekonstruktion) 

Insulin-secreting beta pancreatic mouse cell 

BRAD MARSH


• Fluoreszenztechnik 

• GFP (green fluorescent protein) 

Genfusion von GFP mit Golgi-Protein 

(meist ohne Störung der Lokalisierung) 

90°


• Fluoreszenztechnik zeigt den gesamten vesikulären 

Transport 

vom RER über den Golgi Apparat zur Plasmamembran 

– Fusionsprotein VSV-G plus GFP wird aus Zelle sezerniert 

Quantifizierung der Daten 

Film: v17-01-VSVG-GFP.avi

Funktionen des Golgi-Apparates 

• O-Glykosylierung 

(Ser, Thr, Hydroxylysin) 

• Komplexe Modifikation 

der N-Glykosyl- 

Oligosaccharidreste


• Transport von 

aktivierten Zuckern 

– Verknüpfung mit 

UDP (oder CDP) 

als Aktivierung der Zucker 

– Triebkraft: Hydrolyse zu 

UMP (oder CMP)


• Spezifische Glykosyltransferasen 

(Marker für Golgi Kompartimente) 

trans Stapel


• Synthese von Glykolipiden (Sphingolipide, Ganglioside) 

• Bedeutung der Zucker für Blutgruppe (wirken als Antigene) 

X 

X


• Komplexe Modifikation der Oligosaccharidreste 

Zeigt Golgi Lokalisierung an

Funktionen des 

Golgi-Apparates 

• Sulfatierung zum 

Aufbau der 

extrazellulären Matrix 

– Chondroitinsulfat 

– Dermatansulfat 

– Heparansulfat 

– Heparin 

– Keratansulfat 

Hyaluronsäure 

(50.000 Zucker)

Rolle des Golgi Apparates 

beim Aufbau der extrazellulären Matrix 

• Proteoglykane 

– Aggrecan core Protein 

– Glycosaminoglykane

Rolle des TGN bei der Sortierung von Proteinen 

• Zentrale Sortierungsstelle für den Weitertransport in 

verschiedene Kompartimente 

• Dynamische Bildung 

von Vesikeln mit 

spezifischem Cargo 

• Erkennung verschied. 

Targeting-Signale 

vor allem in 

Membranproteinen 

• Dabei erfolgen Proteinspaltungen 

(Proteolyse)


• Proteinspaltungen (im TGN und später) 

– Proinsulin Insulin (Hyperproinsulinämie) 

– Kex2 Protease, Proprotein Convertasen PC2, PC3, Furin 

α-Proinsulin 

α-Insulin


• Proteinspaltungen (im TGN) 

– Proinsulin Insulin (Hyperproinsulinämie) 

– Neuropeptide 

– virale Proteine 

– Hormone

Proteintransport durch den Golgi Apparat 

oder 

Wie entstehen die verschiedenen Golgi Kompartimente? 

Was wir (zum Teil) schon wissen: 

• Dynamischer Transport von Vesikeln bzw. Maturierung der frühen Stapel 

• Anterograd und retrograd 

• Ständiger Umbau der Kompartimente 

• Trotz hoher Dynamik besitzen Kompartimente Authentizität 

(Leitenzyme, z.B. spezifische Zuckertransferasen) 

• Aufrechterhaltung der spezifischen Funktion gewährleistet

Proteintransport durch den Golgi Apparat 

oder 

Wie entstehen die verschiedenen Golgi Kompartimente? 

• Zwei konkurrierende Modelle 

Zwingend für große Moleküle 

der extrazellulären Matrix 

• Zusätzliche Kompartimente in manchen sekretorischen Zellen

Kompartimente zwischen ER und Golgi-Apparat 

• Cis Golgi Netzwerk oder 

• Transitional elements oder 

• Vesicular tubular cluster oder 

• ERGIC = ER-Golgi intermediate compartment

• Konstitutive Sekretion 

(Sekretorische Vesikel) 

• Lysosomen - Endosomen 

• Retrograder Transport 

→ trans Golgi 

Vier Wege aus dem TGN 

• Regulierte Sekretion 

(Kondensierende Vakuolen, Zymogengranula, Sekretorische Granula) 

Aktivierung von Proteasen, Hormonen, Neuropeptiden


Endo-und Exozytose 

Endosomales Kompartiment 


Zytobiologie

Exozytose, Endozytose und endosomales Kompartiment 

Endozytose 

Exozytose 

• Welche Wege existieren vom TGN zur Plasmamembran? 

• Wie erfolgt die Exozytose, Endozytose ?? 

• Was arbeitet das endosomale Kompartiment ??

Dynamik des Vesikelflusses bei Exo- und Endozytose 

Sekretion.SI.Aktin2.avi 

Sekretion.SI.Tubulin.avi 

© R. Jacob

Verschiedene Formen der Exozytose 

• Konstitutive Sekretion 

– Alle Proteine, die keine spezifischen Signale enthalten („default“) 

– Sekretorische Vesikel 100-200 nm 

– Bilden sich ständig 

– Keine Regulation 

– Plasmamembranproteine 

– Sekretproteine 

– In praktisch allen Zellen



(Kondensierende Vakuolen, Zymogengranula, Sekretorische Granula) 

Aktivierung von Proteasen, Hormonen, Neuropeptiden 

CV 

CV



– Mechanismus der Proteinakkumulierung und –aggregation 

– Proteinaggregation in sekretorischen Granula durch pH Absenkung 

CV 

SG 

CV 

SG 

CV = 

kondensierende 

Vakuolen 

SG = 

sekretorische 

Granula

Exozytose mittels regulierter Sekretion - Signalvermittelt 

• Ausschüttung der sekretorischen 

Granula nur aufgrund eines 

hormonellen oder neuronalen Signals 

– z.B. Cholecystokinin oder Ca 2+ 

• Wichtig in Drüsenzellen 

(Pancreas, Nebenniere, Hormondrüsen) 

• Wichtig in Nervenzellen 

(Ca 2+ als Trigger für Fusion mit 

Plasmamembran)

Regulierte Sekretion 

Jetzt verstehen wir diese 

Aufnahmen ... 

Oder nicht??

Endozytose - Überblick 

• Aufnahme in die Zelle von 

– Makromolekülen 

– Flüssigkeiten 

– anderen Zellen (Bakterien, körpereigene Zellen) 

– Viren 

Endozytose 

Phagozytose 

(“Essen”) 

Pinozytose 

(“Trinken”) 

Fluid phase Endozytose 

Caveolae-abh. Endozytose 

Rez.gekoppelte Endozytose

Verschiedene Formen der Endozytose 

• Pinozytose („Zelltrinken“) 

– 1-5% der Plasmamembran wird pro Minute internalisiert 

– Aufnahme eines Zellvolumens in ca. 4 h (Makrophagen) 

– Lösliche Stoffe werden nicht-selektiv aufgenommen 

– Mehrere Formen bekannt (Makro-, Mikropinozytose) 

• Rezeptor-gekoppelte Endozytose 

– selektive und regulierte Aufnahme von Stoffen 

– Rezeptorfunktion und -menge ist meistens kontrolliert 

• Phagozytose 

– Große Substanzen (z.B. Partikel, Bakterien) 

– spezialisierte Zellen (Makrophagen, dendritische Zellen, 

Neutrophile) 

• Transzytose 

– Transport von Stoffen durch die Zelle hindurch 

– hochselektiv

Rezeptor-gekoppelte Endozytose 

• Zur selektiven und geregelten Aufnahme von Stoffen 

(z.B. LDL, Hormone, Transferrin-Eisen, ...) 

• Bildung von Clathrin-coated pits und vesicles 

• Adaptine (hier Adapterkomplex AP-2) 

100 nm 

• 2% der Plasmamembran hat coated pits 

• 2.500 Vesikel pro min in Fibroblasten (Bindegewebe) aufgenommen 

• Vesikelgröße 100-250 nm

Aufbau des LDL und des LDL-Rezeptors 

• 500 Chol., 800 PL, 1500 Chol.-ester 

• 3 MDa Molekularmasse 

• 22 nm ∅ (≈ Ribosom) 

• Apolipoprotein B-100 

Apolipoprotein 

B-100 

• 100 kDa Membranprotein N out -C in 

• Glykosyliert 

• Mehrere Domänen, z.B. 

Cholesterin 

Phospholipide 

Cholesterinester 

Brown und Goldstein 

Nobelpreis 1985 

Tyr Signal

Schritte der Rezeptor-gekoppelten Endozytose des LDL 

Recycling 

endosome 

• LDL Bindung an Rezeptor (1) 

• Vesikelbildung (2) 

• Vesikel uncoating 

• Fusion mit frühem Endosom 

• Rezeptor-Ligand Trennung im späten Endosom (saurer pH) (3) 

• Rezeptor → Recycling Endosom → Plasmamembran → neuer Zyklus (5) 

• Ligand → Lysosom → Abbau, biosynthetische Nutzung der Lipide (4)

Was passiert bei zu viel Cholesterinzufuhr ? 

• Bei guter Versorgung mit Cholesterin keine LDL-Rezeptor Produktion 

• Keine LDL Aufnahme in Zelle → LDL im Blut steigt

Was passiert bei zu wenig Cholesterin in der Zelle ? 

aktiviert 

aktiviert 

Mangel an 

Cholesterin 

hemmt 

• Bei schlechter Versorgung mit Cholesterin hohe LDL-Rezeptor Produktion 

• LDL im Blut sinkt

Wie behandelt man „hohes Cholesterin“ ? 

Normalzustand 

+ Cholat-bindende Harze 

+ Cholat-bindende Harze 

+ Statine 

• Hohe Cholesterin-Spiegel: Therapie mit Statinen (HMG-CoA Red.) 

• Früher in Kombination mit Cholat-bindenden Harzen 

• Familiäre Hypercholesterinämie (Genetische Erkrankung)

Familiäre Hypercholesterinämie 

• Mutationen im LDL Rezeptor als Ursache (Brown und Goldstein) 

• Zahlreiche unterschiedliche Mutationen bekannt (Funktionsrückschlüsse) 

• Heterozygote Träger (1:500), 2-fach höhere LDL Werte, 

Herzattacken ab 30 Jahre 

• Homozygote Personen (1:1 Mio), 6-fach höheres LDL, Herzinfarkte ab 2 J.

Verschiedene Wege der Rezeptoren bei Endozytose

Verschiedene Wege der Rezeptoren bei Endozytose 

• Recycling 

– LDL Rezeptor 

– Transferrin-Rezeptor mit Transferrin 

(Eisenaufnahme) 

• Transzytose 

– IgA (später) 

• Abbau im Lysosom (bei längerem Verbleib im frühen Endosom) 

– EGF Rezeptor (Rezeptor “down-regulation“) 

= zeitweises Abschalten des Rezeptors

Verschiedene Typen von Endosomen 

• Frühes Endosom, pH 6-6.5 

Beide Rezeptortypen (gelb = rot plus 

grün) 

• Recycling Endosom (rot und grün 

getrennt) 

• Spätes Endosom pH 5.5-6 

Nur manche Rezeptoren (grün), Abbau 

Transferrin- 

Rezeptor 

EGF- 

Rezeptor 

• Verschiedene Endosomen werden 

unterscheidbar 

– durch Immunfluoreszenz (Antikörper 

gegen versch. Rezeptoren) 

– pH-sensitive Fluorophore 

Recycling 

endosome 

– Unterschiedliche 

Proteinzusammensetzung 

(z.B. Rab Proteine als Marker)

Verschiedene Typen von Endosomen 

• Frühes Endosom, pH 6-6.5 

Beide Rezeptortypen (gelb = rot 

plus grün) 

• Recycling Endosom (rot und grün 

getrennt) 

• Spätes Endosom pH 5.5-6 

Nur manche Rezeptoren (grün), 

Abbau 

• Verschiedene Endosomen werden 

unterscheidbar 

– durch Immunfluoreszenz 

(Antikörper gegen versch. 

Rezeptoren) 

– pH-sensitive Fluorophore 

– Unterschiedliche 

Proteinzusammensetzung 

(z.B. Rab Proteine als Marker) 

Film: v17-04-Golgi_sorting_b

Vesikeltransport im endosomalen Kompartiment 

• Plasmamembran ⇒ Frühes Endosom (EE) 

• EE ⇒ Recycling Endosom ⇒ Plasmamembran 

• EE ⇒ Multivesicular bodies (MVB) ⇒ Spätes Endosom 

• Spätes Endosom ⇔ TGN 

• Spätes Endosom ⇒ Lysosom 

Recycling 

endosome 

TGN 

Multivesicular 

bodies (MVB)


Weitere Moleküle für Membranabschnürung und -krümmung 

- ESCRT (endosomal sorting complex required for transport) 

- BAR (Bin/Amphiphysin/Rvs-homology)

Toxine nutzen Retrotranslocation 

• Shiga (aus Shigellen und E. coli EHEC) Toxin geht nach Endozytose 

bis zum ER zurück) [auch Cholera Toxin (Vibrio cholerae)] 

Bypass of LE, 

Lysosome 

Mn: Abbau 

von GPP130, 

Shigatoxin 

ERAD 

Shiga Toxin spaltet 28S rRNA (Translation stoppt)

Bedeutung der Endo- und Exozytose 

für Neurotransmitter Release 

• Synaptische Vesikel – Fusion mit Plasmamembran ist Ca 2+ getriggert 

(Rabs, SNAREs, SNAP (Ca 2+ ), …) 

• Endozytose (Dynamin, Clathrin, AP2, Hsp70 uncoating)

Phagozytose 

• Spezialisierte Zellen: Macrophagen, Neutrophile, dendritische Zellen 

• Gegen Fremdstoffe gerichtet (z.B. Bakterien) 

• Beseitigung toter oder alter Zellen (z.B. nach Apoptose) 

• Gesteuerter Prozeß 

• Benötigt Rezeptoren auf der Oberfläche der Zellen

Der F c Rezeptor bei der Phagozytose 

• Erkennt den F c Teil eines Antikörpers (Immunglobulins) 

Antikörper IgG 

2x F ab 

1x F c


Gemeinsamkeiten und Unterschiede in 

nicht-polarisierten Zellen 

Rab Proteine 

als Marker 

polarisierten Zellen 

Late endosomes, LE 

Early endosomes / sorting endosomes, EE/SE 

Recycling endosomes, RE 

Late endosomes / multivesicular bodies, LE/MVB 

Common recycling endosomes, CRE 

Early apical / sorting endosomes, EAE/ASE 

Early basolateral / sorting endosomes, EBE/BSE

Endozytose durch Caveolae 

• Entdeckt in 50er Jahren, Palade und Yamada 

• Trogartige Strukturen an der Plasmamembran 

– häufig in Endothel, Fibroblasten 

• Historisch: Transport von Folsäure in die Zelle

Caveolae 

• Erstes Protein: Caveolin (Cholesterol-bindend, ein weiteres „coat“) 

• In polarisierten Zellen auch vom TGN abgehend 

• Dabei enge Beziehung zu „Rafts“ (= Cholesterin- 

Sphingolipidreiche Membranabschnitte)

Lipid rafts 

• Sphingolipid- und Cholesterol-reiche Membranmikrodomänen 

• Sie können Proteine und Lipide spezifisch aufnehmen bzw. 

ausschliessen 

– Grund: Physikochemische Eigenschaften der Lipide 

• Häufig Proteine von best. Signaltransduktionswegen in diesen 

lipid rafts lokalisiert

Caveolae - Funktionen 

• Generelle Rolle in Signaltransduktion vermutet 

• Caveolin KO-mice haben keine Caveolae, sind aber ohne schweren 

Phänotyp 

• Caveolae regulieren die eNOS (Vasodilatation) ⇒ 

generelle Funktion in Blutdruckregulation (mechanosensititive Kanäle) 

• Cholesterol Transport, da häufig in Adipozyten (aber keine guten 

Effekte in KO Mäusen) 

• Aufnahme von Albumin durch Alb-Rezeptor 

– Anmerkung: Albumin transportiert Lipide Aminosäuren, Vitamine, Ionen, 

Pharmaka und bindet viel Wasser; 

– 40% im Serum; Rest im Extrazellulärraum des Gewebes 

– Auch im Tränen, Speichel, Schweiß (Transcytose)

Transzytose 

• Übertritt von IgG aus Darm 

ins Blut beim Säugen 

• Übertritt von IgG ins Blut 

des Embryos in der 

Placenta

Transzytose 

• Transzytose von IgA ins Sekret 

z.B. Tränenflüssigkeit 

IgA 

Teil des IgA- 

Rezeptors 

IgA Rezeptor


Lysosomen 


Zytobiologie

Lysosomen - Eine zelluläre Recyclinganlage 

Sekundäres 

Lysosom 

Primäres 

Lysosom 

• Primäre Lysosomen, entstehen durch Fusion von Vesikeln 

(=Vakuolen bei Hefen) 

• Sekundäre Lysosomen (Fusion mit spätem Endosom) 

beinhalten abzubauendes Material, höhere Eukaryoten

Lysosomen - Morphologie 

• Sphärisch 

• Unterschiedliche Größen (50-500 nm) 

• Oft heterogen (Abbaumaterial)

Funktionen der Lysosomen 

• Generelles degradatives Organell (saure Hydrolasen) 

– Protein turnover, Abbau abnormaler Proteine 

– Abbau von Rezeptoren der Plasmamembran 

– Hydrolyse von phagozytiertem Material 

– Antigen-Prozessierung (MHC Klasse II Peptide) 

• Freisetzung von Produkten nach Abbau (Recycling) 

• Inaktivierung pathogener Organismen 

• Metall-Homöostase 

• Detoxifizierungen nach Glutathionylierung der Substanzen 

• Pigment-Produktion in Melanozyten (Exozytose des Lysosomeninhalts) 

• In Pflanzen: 

– Pigmentspeicherung 

– Turgor in Pflanzen 

– Zellgrößenregulator 

– Speicherorganelle (Gummi, Anthocyanine, Opium)

Lysosomen 

Besonders auffällig in Pflanzen 

(Vakuolen) 

pH bei 4.5 bis 5, 

lysosomotrope Farbstoffe als 

pH Sensor 

• Warum saurer pH? 

• Woher kommt saurer pH?

Abbau bei saurem pH in Lysosomen 

• Abbaureaktionen durch saure Hydrolasen 

• Doppelte Schutzfunktion gegen fälschliche 

Hydrolyse: pH ↓, Membran 

• Abbauprodukte werden wiederverwendet 

• Ansäuern durch V-Typ ATPase 

• Eigene Proteine sind hoch-glykosyliert 

(Schutz vor Abbau)

Die V-Typ ATPase 

• V-Typ: „Vakuolen“ 

• Andere: F-Typ (Mitochondrien, bakter. Membran) später 

P-Typ (Plasmamembran, u.a.) 

• Anwesend in Lysosomen und 

(in geringerer Konzentration) Golgi, Endosomen, 

sekret. Vesikeln, Plasmamembran 

• Molmasse 820 kDa, mind. 25 Untereinheiten 

ATP ADP Motor 

Stator H + 

Rotor 

H + 

H + H 

+ H+ 

Lumen 

H + 

Cytosol 

Lumen

Spezifische Inhibitoren der V-Typ ATPase 

wirken als Antitumormittel 

Structure 

F-ATPase 

V-ATPase 

V-ATPase mutants

Wie werden die Hydrolasen in die Lysosomen sortiert? 

• Mannose-6-phosphat-Modifikation 

• Mannose-6-phosphat-Rezeptor 

Lysosom

Mannose-6-phosphat-Modifikation 

• Zwei Schritte 

– Addition eines Zuckerphosphates 

– Hydrolyse des Zuckers 

Phosphodiesterase 

Hydrolysis of GlcNAc 

phosphate 

I-Zell-Erkrankung

Lysosomale Erkrankungen 

• I-Zell-Erkrankung 

GlcNAc Phosphotransferase Defekt 

⇒ keine Mannose-6-phosphat-Modifikation 

Folge: Hydrolasen werden sezerniert in Extrazellulärraum 

Inclusions = große Einschlüsse nicht abgebautem Materials 

in den Lysosomen 

• Hurler`s disease, Defekt in Glycosaminoglycan-Abbau 

– zu beheben bei Co-kultivierung von kranken und gesunden Zellen 

Control hepatocyte 

Hepatocyte with lysosomal storage

I-cell Disease: Deficiency of a Golgi-phosphotransferase 

no Man6-P-recognition marker on lysosomal enzymes 

missorting of multiple lysosomal enzymes into secretions 

© K. von Figura

Enzyme replacement therapy 

Delivery of exogenous lysosomal enzymes ( ) to lysosomes 

via receptor (Man 6P-R, Gal-R, Man-R)- mediated endocytosis 

Endosome 

Storage 

lysosome 

Clathrin-coated pit 

Residual body (lysosome) 

Bsp: Aufnahme von Sulfatase bei multiple sulfatase deficiency (MSD) 

© K. von Figura

Lysosomale Speicherkrankheiten 

• Verschiedene Abbaudefekte von Glykolipiden (Biochemie) 

• z.B. Tay-Sachs disease (Gangliosid G M2 -Abbau defekt) 

– 1 J.: Schwäche, verzögerte psychomotorische Entwicklung 

– 2 J.: Sehschwäche, Blindheit, Spastik 

– ab 3 J. letal 

– autosomal rezessiv, Amniozentese (bei amerik. Juden 1:30, andere 1:300)

Mehrere Wege für Substanzen ins Lysosom - Abbau 

• Endozytose 

• Phagozytose 

• Autophagozytose (Autophagie)

Autophagie 

• Aufnahme intrazellulärer Organellen zum Abbau 

– Entfernung geschädigter Organellen 

– Entfernung von Organellenüberschuß (nach Induktion) 

– ER umschließt Organell 

mit Doppelmembran 

ER 

Abbau nach Transport 

durch späte Endosomen 

MVBs, (s.o.)

Autophagie 

• Aufnahme intrazellulärer Organellen zum Abbau 

– ULK Komplex 

(Phosphorylierungen) 

– Ubiquitinierung von Cargo 

– Viele weitere Proteine (Atg) 

– Komplexe regulatorische 

Prozesse können auch 

Apoptose auslösen

Die Rolle der Phagozytose 

und Autophagie bei der 

Abwehr von Bakterien 

1. 

1. 

• 1. Aufnahme von Bakterien über 

Phagozytose 

• 2. Fusion des Phagosoms mit Lysosom 

⇒ Phagolysosom, Abbau 

• 3. Listeria monocytogenes: Lyse des 

Phagosoms, Überleben im Cytosol 

• 4. Umschließen der Bakterien durch 

Autophagie ⇒ Lysosomenfusion und 

Abbau 

3. 

4. 

4. 

5. 

5. 

5. 

• 5. Legionella pneumophila: Phagosom ⇒ 

- Autophagosom, Überleben 

(bakt. Inhibitoren der Fusion) 

- Lysosom, Abbau 

2. 

4. 

5. 

5.


Mitochondrien 


Zytobiologie

Mitochondrien - Mehr als nur Kraftwerke der Zelle 

1) Morphologie 

2) Funktionen 

a) der verschiedenen Kompartimente 

b) der oxidativen Phosphorylierung 

3) Biogenese der Mitochondrien 

4) Genexpressionsapparat (mtDNA) 

5) Endosymbiontentheorie 

6) Mitochondriopathien

Mitochondrien - Wie im Lehrbuch 

Kompartimente: 

• Außenmembran 

• Intermembranraum 

• Innenmembran 

– „Inner boundary 

membrane“ 

– Cristae Membran 

• Matrix 

ATP 

Synthese von 

40 kg pro Tag

Mitochondrien - Morphologie im EM 

Neurospora crassa


„Fadenkörperchen“ 

Epithelzelle 

der Schnecke


Muskel 

Spermium 

Leber


Pancreas Nebennierenrinde Astrocyten 

Muskel Braunes Fettgewebe Amoeben 

Neupert, Cell Snapshot 2012

Mitochondrien - Wie es im EM genau aussieht

Mitochondrien - Wie es „wirklich“ aussieht 

IBM 

• Tubuli 

• Contact sites 

• Assoziation zu ER 

– Ca 2+ Homöostasis 

– Phospholipidbiosynthese (PS PE) 

– Steroidhormonbiosynthese 

Pregnenolone 

Cortisol 

Aldosterone 

Cholesterol 

SER 

micCytP450 

Heme 

mtCytP450 

Fe/S 

Adrenodoxin 

NAD(P)H 

e - 

FAD 

Adrenodoxin reductase 

Mitochondrion

Mitochondrien - Wie cristae in 3D aussehen

3D Morphologie des mitochondrialen Retikulums in Hefe 

Stationäre Phase 

Exponentielle Phase

Mutationen verändern die mitochondriale Morphologie 

WT 

Δmkh1 

(K + /H + - 

exchanger) 

GFP Rhodamine merged 

© R. Schweyen, Vienna

Dynamik des mitochondrialen Retikulums 

• Fusion / Fission 

• Transport am 

Zytoskelett (MT) 

besonders wichtig in 

Neuronen 

© G. Steinberg, Exeter

Dynamik der 

Mitochondrien 

in der lebenden Zelle 

Bei defektem Transport der 

Mitochondrien entstehen oft 

neurodegenerative Erkrankungen 

Fluoreszenzmikroskopie 

Ca. 36 facher Zeitraffer 

D. Chan 

Mauszelle

Mitochondrien - Stadien der Fusion - Fission 

Mitochondrien führen 

permanent 

Fusionen und Fissionen 

durch 

Grund für diese Prozesse 

könnte in der Weitergabe 

der mtDNA liegen

Mechanismen der mitochondrialen Fusion (und Fission) 

(3 Dynamin-ähnliche GTPasen) 

Fusion 

Stadien der Fusion trennbar 

Mitofusin 1/2 

(Antiparalleles 

Coiled-coil ??) 

Opa1 

(optic atrophy) 

GTP-abhängige, 

sequentielle Fusion 

Niedrig GTP: Nur Außenmembran 

Hoch GTP: Auch Innenmembran

Mechanismen der mitochondrialen (Fusion und) Fission 

(3 Dynamin-ähnliche GTPasen) 

Fission 

Drp1 Ringbildung 

auf Fis1 

Drp1, dynaminrelated 

protein 

Fis1, Membranrezeptor 

für Drp1

• Enthält eigene DNA 

Ein näherer Blick auf die Mitochondrien 

– mtDNA (16.569 Basenpaare) 

Kern DNA (3.2 Mrd. Basenpaare) 

– Synthese von 13 Proteinen 

(Zelle besitzt ca. 30.000 Proteine) 

• Vererbung durch die Mutter 

– 50.00001% der Erbinformation 

stammt von der Mutter 

• Bekannteste Funktionen 

– ATP Synthese (Kraftwerk) 

• oxidative Phosphorylierung 

(= Zelluläre Atmung) 

• Citratzyklus 

• Fettabbau 

• Hämsynthese 

• Eisen-Schwefelproteinbiogenese

Funktionen der Mitochondrien 

• Kompartiment Funktion 

– Außenmembran Äußere Hülle, Proteintransport, Poren 

– Intermembranraum Cytochrome, Faktoren für Apoptose 

– Innenmembran, Cristae Atmungskette, ATP-Synthase, 

Proteinimport, Metabolittransport 

(ADP-ATP Carrier) 

Programmierter Zelltod (Apoptose): Mechanismus zur kontrollierten Entfernung 

nicht mehr benötigter Zellen in einem Vielzeller 

• Entfernung toter oder geschädigter Zellen nach 

– Virusinfektion 

– Strahlenschäden 

– chemischen Schäden 

• Entwicklungsbedingte Entfernung von Zellen 

– Schwimmhäute 

– Immunzellen nach Infektion 

Cytochrom c 

Freisetzung 

• 50-70 Mrd. Zellen werden pro Tag durch 

Apoptose entfernt

Prinzip der zellulären Atmung oder 

wie wird ATP synthetisiert? 

Außenmembran 

Innen- 

Membran 

H + 

H + 

3. Protonen-Rückfluss 

treibt Rotation eines 

chem. Motors 

(Turbine) 

Matrix 

e - 

H + H + 

1. Oxidation 

(Verbrennung 

von Zuckern im 

Citratcyclus) 

erzeugt Elektronen 

2. Elektronenfluss 

treibt 

Protonenpumpe 

(Elektromotor) 

4. Rotation treibt 

ATP-Synthese 

=Phosphorylierung 

Chemiosmotische Hypothese 

Mitchell 1961 (Nobelpreis 1978)

Oxidative Phosphorylierung in Mitochondrien 

Q QH 2 

Q 

Atmungskette (respiratory chain) 

ATP-Synthese 

Film: Electron_transport.swf

Komplex I = NADH CoQ Dehydrogenase 

O 

NADH NAD + 

H 

H 

3 

3 

CO 

CO 

C H 

3 

H 

2e 

- 

H + 

H 

3 

CO 

O 

e - 

O 

C H 

C H 

3 

3 

10 

H 

3 

CO 

H 

O 

C H 

3 

10 

O H 

Q 

Ubiquinon als 

H 

H 

3 

3 

CO 

CO 

O H 

C H 

e - 10 

e - , 2 H + e - , 2 H + 

3 

C H 

3 

H 

Elektronenüberträger 

H +

Komplex II = Succinat Dehydrogenase 

Succinate 

dehydrogenase 

= Complex II 

Eisen-Schwefel-Cluster 

als Elektronencarrier

Biogenese mitochondrialer Eisen-Schwefel-Proteine 

Fe 2+ 

Apo 

1 

Cystein- Desulf 

-S-S-H 

Desulfurase 

Cys Ala 

3 

4 

e - 

2 

Scaffold 

5 

Transfer 

Proteine 

Holo 

Fe/S proteins 

Biosynthetische Prinzipien 

1. Schwefeldonor: Cysteindesulfurase Nfs1 (Persulfid (Enzym-SSH) als 

Übergangszustand) 

2. Gerüstprotein (scaffold) zur de novo Synthese des Fe/S Clusters: Isu1 

3. Eisendonor: Frataxin (Friedreichs Ataxie, Neurodegeneration) 

4. Elektronenzufuhr (Ferredoxin), S 0 S 2- 

5. Überträgerproteine (Hsp70 Chaperone)

Röntgenstrukturen der Komplexe III und IV 

(Protonenpumpen) 

Zellatmung: 

O 2 +4H + + 4e - 

2 H 2 O 

Komplex IV 

= Cytochrome c Oxidase 

Komplex III 

= Cytochrome c Reductase 

= bc 1 Komplex 

Elektronenüberträger: 

Rieske [2Fe-2S] Cluster in III 

Cytochrome (Häm) in III, IV 

Kupfer in IV

F 1 F o ATP Synthase - Komplex V 

Boyer & Walker (Nobelpreis 1998) 

F 1 

F o 

F o 

= oligomycin-sensitiv

Die Rotation der F 1 F o ATP Synthase 

„Und sie dreht sich doch“

Was bringt die Rotation der F 1 F o ATP Synthase ? 

(Ausser einem Nobelpreis für P. Boyer und J. Walker) 

Na + -ATP Synthase aus Bakterien 

H + -ATP Synthase aus Bakterien oder Mitos

Was bringt die Rotation der F 1 F o ATP Synthase ? 

Film F1 top

Gesamter Reaktionszyklus der F 1 F o ATP Synthase 

Film ATPase.Junge

Funktionen der Mitochondrien 

• Kompartiment Funktion 

– Matrix Citratzyklus, b-Oxidation von Fettsäuren, 

mtDNA Replikation, Proteinbiosynthese, 

Hämbiosynthese, Harnstoffzyklus, 

Biosynthese von Fe/S Proteinen 

BIOCHEMIE 

Fe/S Cluster 

Biogenese

Wie entstehen Mitochondrien ? 

• Durch Teilung, keine de novo Entstehung 

• Mitochondrialer Proteinimport 

Nuclear DNA 

600-1000 Proteins 

TOM 

TIM 

Folding 

assembly 

OM 

IMS 

IM 

Matrix 

8-13 Proteins

Proteinimport in Mitochondrien 

• Im mitochondrialen Genom sind wenige (Mensch 13, Hefe 8) Proteine 

codiert Rest muss importiert werden 

• Synthese aller nukleär codierten mitochondrialen Proteine im Cytosol 

• Import post- und co-translational 

• Sortierung in die 4 Kompartimente notwendig 

– Äussere Membran 

– Intermembranraum (IMS) 

– Innere Membran 

Mitochondriale Präsequenz 

– Matrix

Mitochondrialer Proteintransport - Überblick 

Viele Präproteintranslocasen (TOM, SAM, TIM, OXA) 

Ziemlich kompliziert !!!

Wie testet man den Proteinimport in Mitochondrien? 

• In vitro Transkription von Gen auf Plasmid (Sp6-Polymerase) 

• RNA + Retikulocyten-Lysat + 35 S-Met + Aminosäuren + ATP/GTP 

• → 35 S-Protein + Isolierte Mitochondrien + NADH + ATP 

• Mischung inkubieren für bestimmte Zeit bei 25°C 

• Mischung + Proteinase K Abbau +/- Detergens 

• Gel-Elektrophorese (Film SDS-PAGE.swf )

Die Hauptimportwege ins Mitochondrium 

Pam 

• Cytosolic chaperones 

(cytHsp70, Hsp90, MSF??) 

• TOM complex 

(receptors, pore) 

• SAM complex (b-barrel, 

porin) 

• TIM23 complex 

(receptors, pore) 

• Import motor 

(Tim44, mtHsp70, Mge1, 

Pam complex) 

• Presequence processing 

(MPP, MIP, IMP1/2) 

• Folding and assembly 

(mtHsp70, Mge1, Mdj1; 

Hsp60, Hsp10) 

• Tiny Tims (TIM10) 

• TIM22 complex 

(receptors, pore)

Driving forces of mitochondrial protein import 

• ATP - mt Hsp70 

⇒ Ratchet or pulling ??? 

• ∆Ψ - membrane potential 

used by (almost) all matrix proteins 

• Trans site receptor (affinity binding to protein partner) 

OM translocation of presequence, heme lyase for cytochrome c 

• Folding traps (S-S bonds, metal binding) 

• Membrane insertion 

(hydrophobic interaction) 

OM and IM proteins

Pulling versus ratchet models for IM translocation 

Animation © Prof. Neupert

Entfaltung beim mitochondrialen Proteinimport 

• Nur entfaltete Proteine werden importiert 

• Importierte Proteine durchspannen MOM und MIM gleichzeitig 

• ATP-abhängige cytosolische Hsp70 und Hsp90 Chaperone halten Proteine 

teilweise entfaltet 

• Entfaltung durch TOM und TIM Maschinerie unter Mithilfe 

des Tim 44 - mtHsp70 - PAM Importmotors (ATP Hydrolyse durch Hsp70)

Der TOM Komplex 

• Präprotein-Rezeptoren: Tom20, Tom22, Tom70 

• Kanalbildner: Tom40 

• 3 kleine TOMs: Tom5, Tom6 & Tom7

Die Translokationsporen des TOM Komplex

Der TIM23 Komplex 

• Präsequenz-Rezeptoren: Tim23 

• Kanalbildner: Tim23, Tim17, Tim50 

• Import Motor: Tim44, Hsp70, Mge1, Pam complex 

Pam 

J-Proteins

Ein gestörter Import von Pink1 bei Parkinson 

• Pink1, Kinase der MIM 

• Parkin, cytosolische E3-Ubiquitin-ligase 

• PARL, Rhomboid protease 

Autosomal rezessiv mutiert 

bei Parkinson 

Ubiqitinylierung 

und Abbau 

TOM 

TiM23 

Hohes 

∆Ψ 

Niedriges 

∆Ψ 

Anand et al., BBA 2012 

Membranpotential (∆Ψ)-abhängiger 

Pink1 Import und PARL Proteolyse 

Kein Pink1 Import, Pink1 am TOM Komplex 

wird durch Parkin erkannt, Ubiquitinierung 

und Mitophagie

Der mitochondriale Genexpressionsapparat 

• Circuläre mtDNA, gebunden an IM, 

Nukleoid-verpackt 

• 10-100 mtDNAs pro Zelle 

• Replikationsapparat 

• Transkriptionsapparat 

• Ribosomen 

– 70S Typ (bakteriell) 

– hemmbar durch Antibiotika 

• Verlust der DNA = respiratorisch 

inkompetente Zellen (Rho 0 Zellen) 

Wild-typ Rho 0 

Hefezellen

Wozu mtDNA noch nützlich ist - PCR Analysen 

Primatenevolution 

Stammbäume 

Bevölkerungsmigration 

(Grab in Halberstadt bei Leipzig 

mit ca. 7.000 Jahre altem Toten)

Wozu mtDNA noch nützlich ist - Sequenz Analysen 

Existenz weiterer Hominiden 

(Sibirische Verwandte des Homo sapiens, 

wohnten im Altai Gebirge in Südsibirien)

Wie entstanden Mitochondrien ? 

• In Evolution aus Bakterien (Endozytose) 

Endosymbionten-Hypothese 

(Mereschkowsky, 1905; Wallin 1927) 

Aufnahme es a-Proteobakteriums 

in Archaeon (vor ca. 2 Mrd. Jahren) 

• Für Chloroplasten: 

Photosynthetisches Bakterium 

• Bakterien und Mitochondrien: 

Ähnlichkeiten in 

Proteinen 

Ribosomen (Antibiotika) 

Funktionen

Mereschkowsky, der Begründer 

der Endosymbionten-Theorie

Wie oft entstanden Mitochondrien ? 

Gray et al. 1999 

749 mitochondrial genomes (Sept. 2005) 

→ monophyletischer Ursprung

Mitochondriopathien 

• Sehr unterschiedliche Phänotypen 

• Betroffen sind häufig Augen, Ohren, Muskel, Nerven, Herz

Mitochondriopathien 

• Krankheiten treten oft erst im adulten Stadium auf 

• Schädigungen nehmen im Alter zu (mtDNA-Deletionen?) 

• Schwere der Krankheit hängt von Heteroplasmie ab 

(maternale Vererbung der mtDNA; zufällig, ob 

mutiertes oder gesundes Mito vererbt wird) 

• Mutationen in mtDNA (1988) oder nukleärer DNA (1995) 

• Schwere der Krankheit hängt von Gewebe ab (O 2 Bedarf) 

Multisystemerkrankungen in Geweben mit hohem Stoffwechsel

mtDNA - ein Teil des Problems 

• Fast nur kodierende Abschnitte 

• Keine Histone 

• Ineffizientes Fehlererkennungsund 

Reparatursystem 

• In der Nähe der Atmungskette 

Sauerstoffradikale 

• FOLGE: 10- 20fach höhere Mutationsrate als bei der 

chromosomalen DNA

Mitochondriopathien - Klassische Beispiele 

• MELAS mitochondrial myopathy, encephalopathy 

lactic acidosis and stroke like episodes 

Subunit 1&4 of complex I, tRNA(Leu) 

• MERFF myoclonous epilepsy associated with ragged 

red fibers 

tRNA(Lys) 

• CPEO chronic progressive external ophtalmoplegia 

Große Deletionen in mtDNA 

• LHON Leber´s hereditary optic neuropathy 

Subunit 1&4 of complex I 

• ADPD Alzheimer's Disease/ Parkinson's 

Disease Complex I 

• Friedreich´s Ataxie Frataxin (Matrix) 

Defekt im Eisenstoffwechsel 

• DDP Deafness dystonia peptide 

Kleines Tim Protein 

(Defekt im Proteinimport) 

• Diabetes 

I 

M 

L 

ND1 

ND2 

A 

C 

16s 

rRNA 

Q 

V 

W 

N 

O L 

Y 

Diabetes 

CO I 

12s 

rRNA 

F 

DEAF 

(1555) 

Kern-kodiert 

mtDNA-kodiert 

S 

D 

O H 

D-Loop 

MELAS (3243,3271) 

MMC (3260) 

MM (3302) 

LHON (3460) 

ADPD (4436) 

16,6 kB 

mtDNA 

CO II 

K 

P 

T 

ATPase 

6 

Cyt b 

LHON 

ND6 

(16257) 

LHON 

(14484) 

LHON & Dystonie 

(14459) 

LHON 

(11778) 

NARP/LEIGH'S 

MERRF (8993) 

(8344,8356) 

ATPase 8 

CO III 

ND3 

G 

E 

S 

ND4L 

R 

ND5 

ND4 

L 

H

Mitochondrien und Altern 

• “Knock-in” Maus: Trägt eine Mutation der 

mtDNA Polymerase 

• Zeigt nach einigen Wochen verfrühte 

Alterserscheinungen 

– Graues Haar 

– Haarverlust 

– Kyphose 

– Osteoporose 

– Gewichtsverlust 

– Weniger Körperfett 

N.G. Larsson, 2004

Mitochondrien und Altern 

• Alterserscheinungen der “Knock-in” Maus 

– Früherer Tod 

– Unfruchtbarkeit 

• Kleinere Hoden 

• Keine Spermien

Vermulst et al. (2007) Nature Genetics 39, 540-543 

Mutator mice (again) die very early…(this is nothing really new… ) 

Kaplan-Meier survival curves 

but…the problem are the controls ! 

Is the elevated mutation rate 

the cause of premature aging ? 

In mice possibly not! 

…but 

Do we age like mice? 

brain 

heart

Mitochondrien und Friedreich‘s Ataxie

Peroxisomen 

Morphologie, Funktion, Biochemie, 

Biogenese & Erkrankungen 

PD Dr. Antonio J. Pierik SS 2012 

Folien 

Michael Schrader, Christopher Lillig & Antonio Pierik

Peroxisomen 

‣ Ubiquitär in allen Eukaryoten 

‣ 0.1 – 1 µm Durchmesser 

‣ werden von einer einzelnen Lipiddoppelschicht umgeben 

‣ enthalten keine DNA und keine eigenen Ribosomen 

‣ müssen alle Proteine selektiv aus dem Cytosol importieren 

‣ enthalten Enzyme die O 2 

benutzen und H 2 

O 2 

generieren 

‣ Peroxisomen aus unterschiedlichen Geweben/Zelltypen können 

sich beträchtlich in ihrer Ausstattung mit Enzymen unterscheiden 

‣ In manchen Organismen liegen spezialisierte Peroxisomen vor, 

z.B. Glyoxysomen in Pflanzen

Entdeckung der Peroxisomen 

‣ In den 50er Jahren studierte Chistian de Duve den 

Mechanismus der Insulin Wirkung. Er reinigte das Enzym 

Glucose-6-Phosphatase mit Hilfe der Fraktionierung durch 

Zentrifugation aus der mikrosomalen Fraktion. 

‣ Um eine Verunreinigung durch Saure Phosphatase 

auszuschließen, untersuchte er seine Fraktionen, konnte eine 

entsprechende Aktivität aber nicht finden. 

‣ In eingefrorenen Fraktionen fand er überraschenderweise 

die Aktivität in der mitochondrialen Fraktion. 

‣ Als seine Zentrifuge defekt ware, wich er auf ein anderes 

Gerät aus, konnte die Aktivität hier aber nicht wiederfinden.

Zellfraktionierung


Alte Methode 

Neue Methode 

Christian de Duve fing an 

seine mitochondriale 

Fraktionen in zwei 

Schritten zu separieren und 

entdeckte die Saure 

Phosphatase und andere 

“Saure” Enzyme in der 

“leichten” Fraktion. Diese 

wurde später “Lysosomen” 

benannt. 

Cytochrom c 

Oxidase 

(Mitochondria) 

Saure 

Phosphatase 

(Lysosomen) 

Glucose-6- 

Phosphatase 

(ER)


Später fand de Duve in der “lysosomalen“ Fraktion das Enzym 

Urat Oxidase (Uricase), das sich wesentlich von den anderen 

lysosomalen Proteinen unterschied (pH Optimum). 

Mit Hilfe der neu entwickelten Dichtegradientenzentrifugation 

fand er eine neue Fraktion, in der sich u.a. Uricase, Katalase 

und D-Aminosäure Oxidasen befanden. Die neue Fraktion 

wurde daher Peroxisomen benannt.

Dichtegradientenzentrifugation 

Vor 

Probe 

Zentrifugation 

Vesikel 

Lysosomen 

Peroxisomen 

Kerne 

Nach

Entdeckung der Lysosomen/Peroxisomen 

Nobel Preis für Physiologie & Medizin in 1974 

Christian de Duve (Drittel) 

"for their discoveries concerning the structural and 

functional organization of the cell" 

Siehe Vortrag am 12. Dezember, 1974 

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1974/duve-lecture.html 

“Exploring cells with a centrifuge” 

Interview von Harry Kroto mit Christian de Duve in Lindau 

http://vega.org.uk/video/programme/126

Peroxisomen: Struktur und Morphologie 

Peroxisom aus Meerschweinchen Leber 

Baudhuin et al. (1965) J. Cell Biol. 26, 219-243


Glyoxysom 

Photorespiration 

Tomate 

Tabak


Kristalline 

Einschlusskörper 

Kristalline und 

nichtkristalline 

Einschlüsse 

Keine 

Einschlüsse

Immunzytochemische Darstellung 

einiger peroxisomaler Markerproteine 

Katalase Urat Oxidase ABCD3

Peroxisomen (arterielle Endothelzelle aus Rinderlungen) 

Peroxisomen: 

Alexafluor anti-ABCD3 

(PMP-70) in grün 

Mitochondria: 

MitoTracker in rot 

Kern: 

DAPI in blau 

Homepage Life Technologies GmbH, Darmstadt

Peroxisomale Bewegung: Interaktion mit Mikrotubuli 

Hefe 

Aktin Myo2 Motor 

Höpfner et al. (2001) 

J. Cell Biol. 155, 979

Biochemische Prozesse in den Peroxisomen 

• Menschliche Peroxisomen enthalten ca. 90 Proteine 

• ca. 30 – 40 Proteine für die Biogenese & Proteinimport 

• ca. 50 metabolische Enzyme 

‣ Sauerstoff Metabolismus – Produktion und Abbau von Wasserstoffperoxid 

‣ Abbau langkettiger Fettsäuren (β-Oxidation) 

‣ Fettsäure α-Oxidation 

‣ Plasmalogen Biosynthese 

‣ Abbau verschiedener Substanzen 

Peroxisomales Enzym 

Substrat + O 2 Produkt + H 2 O 2 

Katalase 

2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2

Sauerstoff Metabolismus: Produktion und Abbau von H 2 O 2 

http://www.peroxisomedb.org/

Peroxisomen: die Katalase 

Katalasen werden von allen aeroben Lebensformen gebildet. 

Katalasen sind Häm-Proteine, welche die Umwandlung 

von Wasserstoffperoxid zu Wasser und molekularen Sauerstoff katalysieren 

2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2

Abbau von Fettsäuren: 

mitochondriale β-Oxidation 

Lehninger, 2008

Abbau von Fettsäuren bis C 16 : 

mitochondriale β-Oxidation 

Lehninger, 2008

Abbau von Fettsäuren C 16-24 : 

peroxisomale β-Oxidation

Unterschiede zwischen β-Oxidation in Peroxisomen & Mitochondria 

A Länge 

B 

H 2 O 2 

C 

Bifunktionelles 

Enzym 

E Shuttle 

D 

NADH Export 

Mitochondrion 

Peroxisom 

Lehninger, 2008 Visser et al. (2007) Biochem J. 401, 365-75

Abbau von sonderbare Fettsäuren: Bildung von Phytanoat 

Chlorophyll 

Bakterien 

Phytol 

Mensch 

Phytanoat 

van den Brink & Wanders (2006) 

Cell. Mol. Life Sci. 63, 1752-65

Bildung von Phytanoat und Pristanoat aus Phytol 

Substrat Enzym Abkürzung Gen 

Gruppe 

Phytanoat 

(µM in Serum) 

Fleischesser 4-8 

Vegetarier 3-5 

Veganer 0.7-1 

Allen et al. (2008) 

Brit. J. Nutr. 99, 653-59 

Peroxisom 

Wanders et al. (2011) BBA 1811, 498-507

Abbau von Fettsäuren: 

peroxisomale α-Oxidation 

Mutation in der Phytanoyl-CoA 

Hydroxylase 

Adult Refsum-Syndrom

Peroxisomen – Plasmalogen Biosynthese 

Regulieres Phospholipid 

Plasmalogen 

‣ In Herz- und Nervengewebe, Hoden, und Niere 

entsprechen 10-50% der Phospholipide Plasmalogene 

‣ Myelinscheide bis 70 % 

‣ Plasmalogene schützen Membranen gegen die 

schädlichen Effekte von Singletsauerstoff 

‣ Fehlen oder eine Reduktion der Plasmalogene führt 

zu schweren Symptomen (s.u.)

Peroxisomen – Plasmalogen Biosynthese 

Peroxisomal 

Peroxisomal 

Zytoplasmatische 

Seite der peroxisomalen 

Membran 

1-Alkyl DHAP 

nicht peroxisomal 

Moser et al. (2011) Lipids Health Dis. 10, 101

D-Aminosäure Oxidasen 

Weitere Stoffwechselwege 

Purin Abbau: 

Xanthin Dehydrogenase 

Uricase (nicht in Mensch) 

Lysin Abbau 

Polyamin Abbau 


Peroxisomen Biogenese & Import: die PEX Proteine 


Peroxisomen: Teilung 

Peroxisomen können durch Teilung 

amplifiziert werden

Peroxisomen: Segregation während der Zellteilung 

1. Vps1: Membran Fission 

2. Aktin/Myosin: Transport

Peroxisomen: Evolution und Morphogenese 

Lange Diskussion über zwei Konzepte: 

Wachstum und Teilung 

ER trägt bei

Peroxisomen: Morphogenese 

Peroxisomes können “sich selber” replizieren, was am Anfang zu der 

Vermutung führte dass sie wie Mitochondrien frühen 

Endosymbionten entstammen. 

Allerdings ist der peroxisomale Recycling Mechanismus (s.u.) 

homolog zum ER-associated degradation process (ERAD). 

Menschliche und Hefe Zellen ohne Pex3 und Pex19 enthalten 

keine Peroxisomen. 

Bei Induktion mit PEX3 und PEX19 wurde de novo Peroxisomen 

Bildung beobachtet. 

Höpfner et al. (2005) Cell, 122, 85–95 

Höpfner et al. (2005) Cell, 122, 85–95


Pex3 depletiert 

Pex3 Produktion 

Höpfner et al. (2005) Cell, 122, 85–95


Endoplasmatisch 

Reticulum 

Reifes Peroxisom 

Konstriktion & 

Fission 

Bewegung & Verteilung 

über Mutter/Tochterzelle

Die meisten peroxisomalen Proteine 

(39-58 %) haben einen eukaryontischen 

Ursprung, inklusiv alle Proteine 

beteiligt an Biogenese. 

Eine signifikante Fraktion (13-18 %), 

meistens Enzyme, hat eine α-proteobakterielle 

Herkunft und war am 

Anfang nur bestimmt für die 

Mitochondria. 

Gabaldón et al. (2006) Biol Direct 1, 8. 

Peroxisomen: Evolution 

Gabaldón et al. (2006) Biol Direct 1, 8.

Zwei Peroxisomale Targetting Sequenzen (PTS) 

Shuttle: Recycling der Rezeptore 

Rezeptor Pex5 

PTS1 

C-terminale 

-SKL Sequenz 

Rezeptor Pex7 

PTS2 

N-terminale 

RLX 5 

QL-Sequenz 

van den Brink & Wanders (2006) Cell. Mol. Life Sci. 63, 1752-65

Protein Import: Pex5 ist der Rezeptor für PTS1-enthaltende Proteine 

N-terminus 

Pentapeptid Motif (WXXXF/Y) 

für Docking/Recycling 

C-terminus 

Sieben Tetratricopeptid 

Repeats (TPR) 

für PTS1-Bindung 

S 

K 

L 

Sampathkumar et al. (2008) J. Mol. Biol. 381, 867-80

Protein Import: Pex7 ist der Rezeptor für PTS2-enthaltende Proteine 

Nur 3 menschliche peroxisomale Proteine haben PTS2 

1. Thiolase 

2. Alkyl Dihydroxyacetonphosphat (DHAP) Synthase 

3. Phytanoyl-CoA Hydroxylase 

Helicale 

PTS2 Sequenz 

Kunze et al. (2011) J. Biol. Chem. 286, 45048-62

Proteolytische Abspaltung der PTS2-enthaltende Sequenz 

~30 AA inklusiv PTS2 wird abgespalten nach Import 

Die peroxisomale Protease Tysnd1 spaltet auch einige PTS1-Sequenzen ab 

Jansen et al. (1999) 

J. Lipid. Res. 40, 2244–2254 

Kurochkin et al. (2007) 

EMBO J. 26, 835–845 

Helm et al. (2007) 

PNAS 104, 11501-6

Transient Pore Hypothese 

Katalase wird importiert als gefaltenes Protein (Tetramer, und hat Häm!)

+ 1% der Proteine 

(Mito-DNA, Ribosomen etc.) 

Übersicht Protein Import

Erkrankungen 

‣ Zellweger Syndrom Spektrum 

o 

o 

o 

Zellweger Syndrom (ZS) 

Neonatale Adrenoleukodystrophie (NALD) 

Infantile Refsum Erkrankung (IRD) 

‣ Rhizomelia Chondrodysplasia Punctata (RCDP) 

‣ X-linked Adrenoleuodystrophie

Erkrankungen 

‣ Störung der Biogenese von Peroxisomen 

(a) Blockade der Membranbiogenese 

keine Peroxisomen identifizierbar 

(b) Blockade des Proteinimports 

o 

o 

PTS1 und PTS2 (ZS) 

Nur PTS2 (RCDP) 

(Peroxisomale Proteine landen im Zytosol) 

‣ Ausfall einzelner peroxisomalen Funktionen 

VLCFA und Phytansäure sind erhöht 

Plasmalogengehalt niedrig

Katalase Immunofluoreszenz Färbung in Hautfibroblasten 

eines Zellweger-Syndrom Patienten 

Zellweger 

Normal

Zellweger (cerebro-hepatorenal)-Syndrom 

Klinische Phänotyp 

Vorkommen ca. 1:50,000 

Meist im ersten Lebensjahr tödlich 

Phänotyp Kopf/Gesicht 

- senkrechte Überentwicklung des Kopfes 

- wenig ausgeprägte Nasenwürzel 

- kurzes Philtrum (Oberliprinne) 

- flach und rechteckig wirkendes Gesicht 

- hohe, vorgewölbte Stirn 

- tief am Kopf sitzenden Ohren 

- bei neugeborenen Kindern großer noch nicht 

verknöcherter Bereich auf der Schädeldecke 

- wenig sichtbare Bewegungen der Gesichtsoberfläche 

- großer Augenabstand, 

Schädigung der Augen und des Sehnervs



- Cerebrale Zysten und verminderte 

Windungen (Mikrogyrie) 

- Neuronale Migrationsdefekte 

- Myelinierungsdefekte 

- Verzögerte Enwicklung, schwere 

kognitive Behinderung 

- Ausgeprägte Muskelhypotonie 

(“floppy infant“), Probleme 

mit der Nahrungsaufnahme 

- Leberschädigungen 

- Multizystische Nierendysplasie 

-Herzfehler 

- Unterentwicklung der Lunge 

- Vorzeitige Patellaverkalkung 

-Fehlerhafte Ossifikation, 

verkürzte Oberarm und 

Oberschenkelknochen 

Pachygyrie 

Patellaverkalkung 

verkürzte Oberarm 

Muskuläre Hypotonie



Klinische Diagnose 

‣ Hoher Gehalt an langkettigen Fettsäuren & Phytanoat 

‣ Vermindertes Plasmalogen (Acyl-CoA:DHAP Transferase) 

‣ Fehlen von Peroxisomen in Fibroblasten und Hepatozyten 

Therapie: leider keine

Rhizomelia Chondrodysplasia Punctata (RCDP) 

Vorkommen ca. 1: 100,000 

Patienten sterben vor dem 10. Lebensjahr 

Type 1 PEX7 Mutation 

(Import von drei PTS2 Enzyme, inklusiv 

Alkyldihydroxyaceton Phosphat Synthase) 

Type 2 Dihydroxyacetone Phosphat Acyl 

Transferase Mutation 

Type 3 Alkyldihydroxyaceton Phosphat 

Synthase Mutation

X-chromosomale Adrenoleukodystrophie 

Klinisches Bild 

3 Phänotypen 

• cerebrale ALD 

• Adrenomyeloneuropathie (AMN) 

• Addison‘s Erkrankung 

Vererbung X-chromosomal 

Häufigkeit 1:15,000 

Biochemische Charakteristik 

• Anhäufung von sehr lange Fettsäuren (VLCFA) in 

Niebennierrinde, weißer Substanz des CNS und Plasma 

• reduzierte Aktivität der VLCFA-CoA Synthetase in Peroxisomen


Progressive Hirnschädigung durch Schädigung des Myelins 

Frauen können eine milde Form entwickeln 

Symptome 

-Epileptische Anfälle 

-Ataxie 

- Nebenniereninsuffizienz (Mangel an Corticosteroiden 

& Catecholaminen) 

- (einige Formen) Rückenmarksbetonte Schädigungen 

(Schwäche & Lähmungen im Hüftbereich)


ABCD1 Gen in Xq28 mutiert 

ATP-binding cassette (ABC) 

Transporter für FA 

Morita & Imanaka (2012) 

Biochim. Biophys. Acta in press

http://www.peroxisomedb.org/ 

Das Peroxisom: ein komplexes Organell

Der Golgi-Apparat

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?