Biologie 1

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MEDI-LEARN Skriptenreihe 2013/14Sebastian HussBiologie 1Zytologie und GenetikProbekapitelIn 30 Tagen durchs schriftliche und mündliche Physikum


Inhalt1 Allgemeine Zytologie, Zellteilung undZelltod 11.1 Aufbau einer menschlichen Zelle –Überblick................................................ 11.2 Membranen der Zellen........................... 11.2.1 Aufgaben der Zellmembran.................... 21.2.2 Aufbau der Membranen......................... 21.2.3 Zell-Zell-Kontakte.................................... 51.2.4 Zell-Matrix-Kontakte............................... 81.3 Zytoskelett.............................................. 91.3.1 Komponenten des Zytoskeletts............ 101.3.2 Amöboide Zellbewegung..................... 131.3.3 Zytoskelett der Erythrozyten................ 141.3.4 Zytoskelett der Thrombozyten.............. 151.4 Zellkern................................................. 161.4.1 Nukleolus ............................................ 171.5 Zytoplasma........................................... 171.5.1 Caspasen.............................................. 171.5.2 Proteasom............................................ 181.6 Zellorganellen....................................... 181.6.1 Mitochondrien...................................... 181.6.2 Ribosomen........................................... 201.6.3 Endoplasmatisches Retikulum (ER)...... 201.6.4 Golgikomplex (Golgi-Apparat)............... 231.6.5 Exkurs: RezeptorvermittelteEndozytose........................................... 231.6.6 Exkurs: Phagozytose............................ 241.6.7 Lysosomen........................................... 241.6.8 Peroxisomen........................................ 251.7 Zellvermehrung und Keimzellbildung... 301.7.1 Zellzyklus.............................................. 301.7.2 Mitose.................................................. 331.7.3 Meiose................................................. 351.7.4 Stammzellen........................................ 391.8 Adaptation von Zellen anUmwelteinflüsse.................................. 391.9 Zelltod.................................................. 391.9.1 Nekrose................................................ 391.9.2 Apoptose.............................................. 402 Genetik 452.1 Organisation eukaryontischer Gene..... 452.1.1 Übersicht.............................................. 452.1.2 Struktur der DNA.................................. 452.1.3 Genetischer Code................................. 472.1.4 Struktur der RNA.................................. 472.1.5 Replikation............................................ 482.1.6 Transkription......................................... 492.1.7 Translation............................................ 512.1.8 Posttranslationale Modifikation............ 512.2 Chromosomen..................................... 522.2.1 Karyogrammanalyse............................. 542.2.2 Chromosomenaberrationen................. 54Anhang 61IMPP-Bilder...................................................... 61


1 Allgemeine Zytologie, Zellteilung und Zelltod1Merke!Je kürzer und ungesättigter die Fettsäuren sind,desto höher ist die Fluidität einer Membran.Ein Flip-Flop – also ein Wechsel der Membranseiteeines Phospholipids (s. Abb. 4,S. 3) – findet nur sehr selten statt, es seidenn, er wird durch geeignete Enzyme (Flipasen)katalysiert.Hinsichtlich der Verteilung von Proteinen undZuckern lassen sich folgende Aussagen machen:––Zucker befinden sich NIE auf der zytoplasmatischenSeite der Membran, sie ragenimmer nach extrazellulär. Dadurch entstehtein Zuckermantel, den man Glycokalixnennt.––Proteine können auf der Außen- und Innenseitelokalisiert sein oder auch ein- odermehrmals durch die Membran reichen.Transportproteine bilden z. B. einen Tunnel,der die Durchschleusung von verschiedenenStoffen (Aminosäuren, Zuckern usw.) durchdie ansonsten fast unpermeable Membranermöglicht. An der Membran sind die Proteinedurch unterschiedliche lipophile Ankerbefestigt, z. B. durch Isoprene, bestimmteFettsäuren (C14 = Myristinsäure oder C16 =Palmitinsäure) oder den GPI-Anker (Glykosyl-Phosphatidylinositol).In diesem Zusammenhang taucht oft der BegriffFluid-Mosaik-Modell auf. Er beschreibtdie Membran als eine Art flüssiges Mosaik.Der Begriff Mosaik bezieht sich darauf,dass einige Proteine durchaus ortsgebundensind (an bestimmten Membranregionen verbleiben)und damit keiner lateralen Diffusionüber die gesamte Membran unterworfensind. Das Ergebnis ist eine Art Flickenteppich(einer der Gründe dafür = Zonula occludens,s. S. 5).CaveolaeCaveolae sind sehr kleine (50–100 nm), sackförmigeEinbuchtungen einer Zellmembran.Da sie wie Flöße (engl. = rafts) auf der Zellmembranschwimmen, gehören sie zu denLipid Rafts. So nennt man cholesterinreicheZonula occludensZonula adhaerensDesmosomGap JunctionAbb. 5: Zell-Zell-Kontaktemedi-learn.de/bio1-54


1.2.3 Zell-Zell-KontakteMikrodomänen in einer Doppelmembran.Caveolin ist das wichtigste Protein der Caveolae.Zu ihren Aufgaben gehören der Membrantransportund regulatorische Funktionen.1.2.3 Zell-Zell-KontakteUnd weiter geht‘s mit den verschiedenenZell-Zell-Kontaktenam Beispiel einer Epithelzelle.Dieses Thema ist zwar umfangreichund auch etwas trocken,mit den entsprechendenKenntnissen lassen sich aber viele Punkte erzielen,denn die vermittelten Inhalte werdenteilweise auch in der Anatomie geprüft. Diehier investierte Zeit lohnt sich also doppelt!Zusätzlich zu ihren verschließenden Aufgabenstellt die Zonula occludens eine Zellpolaritäther. Der Interzellularraum verschwindet und dieZellmembranen zweier Zellen sind quasi verschmolzen.Dies verhindert die laterale Diffusionvon Membranproteinen über diese Grenzehinweg. So unterteilen die Tight Junctions dieZelle (im Sinne des Fluid-Mosaik-Modells, s.S. 4) in einen apikalen (oberen) und einen basolateralen(unteren) Zellpol.apikal1Zonula occludens (Tight Junction)Die Zonulae occludentes (verschließendeGürtel oder englisch Tight Junctions) bildenein komplexes System aus anastomosierenden(sich verbindenden) Proteinleisten, dieam oberen Zellpol lokalisiert sind. Die beteiligtenintegralen Membranproteine nenntman Occludine und Claudine. Es entstehteine Naht aus Proteinverschlusskontakten,wodurch der Interzellularraum quasi verschwindet.Die Anlagerung der Epithelzellenaneinander ist also sehr dicht.Die Tight Junctions bilden eine Permeabilitätsbarriereaus und behindern den parazellulärenTransport. Je nach Gewebetyp istdiese Fähigkeit unterschiedlich ausgeprägt.Im Harnblasen epithel gibt es z. B. sehr vieleanastomosierende Leisten, sodass das Epithelhier hochgradig dicht ist. Dies ist auchfunktionell erwünscht, da der Harn nicht insinterstitielle Gewebe ablaufen soll. BeimDünndarmepithel findet man dagegen wesentlichweniger Leisten. Dies wird verständlich,wenn man sich die Hauptaufgabe diesesOrgans vor Augen hält: die Resorption. Ionenund Wasser sollen und können hier parazelluläraufgenommen werden.basalAbb. 6: ZellpolaritätZonula adhaerenslateralbasolateralmedi-learn.de/bio1-6Die Zonulae adhaerentes (Gürteldesmosomen)verlaufen bandförmig und meistens ingeringem Abstand unterhalb der Zonulae occludentesim lateralen Bereich der Zelle. IhreHauptaufgabe ist die mechanische Befestigungder Zellen. Der Interzellularspalt wirddurch die Zonulae adhaerentes nicht verschmälert.Zu einer Zonula adhaerens gehören integraleProteine, die die Verbindung der beiden Epithelzellenherstellen. Diese Proteine heißenCadherine. Je nach Gewebe gibt es unterschiedlicheIsotypen, bei unserer Epithelzellekommen z. B. die E-Cadherine zum Einsatz.www.medi-learn.de 5


1 Allgemeine Zytologie, Zellteilung und Zelltod1Merke!E-CadherineN-CadherineP-Cadherineg epitheliale Zelleng Nervenzelleng PlazentazellenDes Weiteren sind Haftplatten am Aufbau beteiligt.Sie verstärken die Zellmembran undbestehen hauptsächlich aus den Proteinenα-Aktinin und Vinculin. An diesen Haftplattensind zum einen die Cadherine befestigt, zumanderen Aktinfilamente verankert, die eineVerbindung ins Innere der Zelle herstellen.Dies garantiert besondere Strapazierfähigkeit.––Die Haftplaques bestehen aus Plakoglobinund Desmoplakin.––Die Verbindung ins Innere der Zelle wirddurch Intermediärfilamente gewährleistet.Desmosomen kommen in Epithelien undim Herzen an den Glanzstreifen vor. Hemidesmosomenwerden im Kapitel 1.2.4 auf S.8 besprochen.Verbindung zum Intrazellularraum(Intermediärfilamente)Haftplaque(Plakoglobin, Desmoplakin)Ca 2+ -IonVerbindung zum Intrazellularraum(Aktin)Haftplaque(α-Actinin, Vinculin)Ca 2+ -IonVerbindungsproteinmit Kittsubstanz(Desmogleine)Abb. 8: Desmosomenmedi-learn.de/bio1-8Abb. 7: Zonula adhaerensDesmosomenVerbindungsproteinmit Kittsubstanz (Cadherine);der Kreis symbolisiert ein Ca 2+ -Ion.medi-learn.de/bio1-7Desmosomen (Maculae adhaerentes) sindrunde Zellhaftkomplexe, die den Interzellularspaltnicht verschließen. Sie sind vergleichbarmit besonders starken Druckknöpfen, diedie Zellen zusammenhalten.Der Aufbau ähnelt den Zonulae adhaerentes,jedoch werden andere Proteine verwendet:––Desmogleine stellen die Verbindung derbeiden Zellen her.Übrigens …Der Pemphigus vulgaris ist eine Erkrankung,bei der Auto-Antikörper gegenDesmogleine gebildet werden.Dadurch werden die Desmosomenzerstört, die Zellen weichen auseinanderund intradermal bilden sich Bläschen.Aufgrund dieser Bläschen wirdder Pemphigus vulgaris auch Blasensuchtgenannt.Nexus (Gap Junctions)Nexus sind Verbindungen zwischen Zellen. Siesind – mit Ausnahme von freien Zellen (z. B.Makrophagen) und Skelettmuskelzellen – ubiquitärverbreitet. Oft liegen sie zu Tausendenin bestimmten Arealen, wodurch der Interzellularspaltstark verkleinert wird, ohne dass erjedoch ganz verschwindet (s. Abb. 9, S. 7).6


1.2.3 Zell-Zell-KontakteGap JunctionNexusConnexinx 6+Connexonx n1Zelle A Zelle B Zelle A Zelle B Zelle A Zelle BAbb. 9: Nexusmedi-learn.de/bio1-9Der Grundbaustein der Gap Junctions ist einConnexin. Sechs solcher Connexine lagernsich zu einem Connexon (Merkhilfe: Pore) zusammen.Zwei solcher Connexone verschiedenerZellen bilden dann einen Proteintunnel.Damit sind die Intrazellularräume derbeiden Zellen miteinander verbunden, undIonen sowie Moleküle bis zu einer Größe von1,5 kDa können frei von einer Zelle zur anderendiffundieren.Gap Junctions erfüllen verschiedene Aufgaben:––elektrische Kopplung:Herz g Reizweiterleitung––metabolische Kopplung:Nährstoffaustausch––Informationskopplung:Embryonalentwicklung g WachstumsfaktorenTabellarische ZusammenfassungIn Tabelle 1 sind die wichtigsten Fakten nocheinmal in einer Lerntabelle zusammengefasst.Zell-Zell-KontaktInterzelluläre VerbindungsproteineHaftplaquesVerankerung vonZytoplas ma filamentenFunktionZonula occludens Occludine, Claudine keine keine ––Zellpolarität––Verhinderung vonparazelluläremTransportZonula adhaerens Cadherine α-AktininVinculinDesmosom Desmogleine PlakoglobinDesmoplakinAktinfilamenteIntermediärfilamentemechanischmechanischGap Junction Connexine keine keine funktionelle Kopplungvon ZellenTab. 1: Zell-Zell-Kontaktwww.medi-learn.de 7


1 Allgemeine Zytologie, Zellteilung und Zelltod1Zur Veranschaulichung der Zell-Zell-Kontaktefolgt ein kleiner Ausflug in die Histologie (s.Abb. 10):Zur histologischen Orientierung: Zunächstsieht man hier ein hochprismatisches (Zylinder)Epithel.Eine einzelne Zelle hiervonnennt man Darmzelle oder Enterozyt. Manerkennt ihre dunklen ovalen Zellkerne (ZK)und das etwas heller gefärbte Zytoplasma.Das Epithel grenzt mit einer etwas dunklerangefärbten Schicht (MV für Mikrovilli) an einLumen (L). Bei der dunklen Schicht handelt essich um einen Mikrovillibesatz, den man auchBürstensaum nennt (s. 1.3.1, S. 10). Fernergibt es im Epithel einige „helle Stellen“(BZ).Hier handelt es sich um schleimproduzierendeBecherzellen, die im Darmepithel eingestreutvorkommen. Deren Schleim ist allerdingsdurch die Präparation des Schnittesherausgelöst, wodurch sie hell erscheinen.Sieht man nun ganz genau hin, so erkenntman am apikalen Zellpol der Enterozytenkleine dunkle Verdickungen an der Grenzezwischen zwei Zellen (SL). Hier erscheinenZonula occludens, Zonula adhaerensund Des mosomen gemeinsam als „schwarzePunkte“ und werden somit als Schlussleistenkomplex(junktionaler Komplex) bezeichnet.Die einzelnen Proteinbestandteile desSchlussleistenkomplexes kann man lichtmikroskopischnicht differenzieren. Dafür bräuchteman ein Elektronenmikroskop.1.2.4 Zell-Matrix-KontakteNeben Zell-Zell-Kontakten gibt es auch nochZell-Matrix-Kontakte, die die Zelle mit derUmgebung verbinden. Die folgenden zweiKontakte sind physikumsrelevant.HemidesmosomenHemidesmosomen sehen aus wie halbe(griech. hemi: halb) Desmosomen. Sie sindals punkt förmige Kontakte an der basalen Seitevon Epithel- und Endothelzellen zu findenund befestigen diese an der Basalmembran.Somit wird verhindert, dass die Zellen in Bewegunggeraten oder sich ablösen. Abbildundung11 zeigt den strukturellen Aufbau einesHemidesmosoms.Die Verstärkung im Zellinneren erfolgt auchhier durch Haftplaques. Genau wie bei denDesmosomen sind daran auf der zytoplasmatischenSeite Intermediärfilamente befestigt.Die Verbindung nach extrazellulär wird durchIntegrine gewährleistet, die wiederum an Fibronektinbinden. Fibronektin seinerseitsLMVSLBZZKAbb. 10: Darmepithel mit Schlussleistenmedi-learn.de/bio1-108


1.3 Zytoskelettkann an Kollagen binden. Da Kollagen ein Bestandteilder extrazellulären Matrix ist, ist damitder Zell-Matrix-Kontakt hergestellt.Eine Zelle kann sich also nicht ohne weiteresan Kollagen verankern, sondern benötigtdazu eine ganze Reihe spezialisierterProteine.Übrigens ...Erworbene blasenbildende Hauterkrankungenvom Typ des bullösenPemphigoids beruhen auf Autoantikörperngegen Komponenten von Hemidesmosomen.In der Folge lösensich Hautschichten ab und es entstehenBlasen (Bullae).Merke!Fokale KontakteFokale Kontakte sind den Hemidesmosomensehr ähnlich. Wie Abb. 12 zeigt, sind beideZell-Matrix-Kontakte aus den gleichen Proteinenaufgebaut. Der Unterschied ist, dass dieHaftplaques der fokalen Kontakte auf der zytoplasmatischenSeite mit Aktinfilamentenassoziiert sind.Funktionell unterscheiden sich fokale Kontaktejedoch von Hemidesmosomen: WährendHemidesmosomen besonders stabile Kontaktesind, können sich die fokalen Kontaktelösen und neu formieren. Daher findet mandiese Form der Zell-Matrix- Kontakte auch wenigerbei Epithelzellen sondern u. a. bei bewegungsfähigenZellen, z. B. Makrophagen.1––Die Intermediärfilamente einer Epithelzelleheißen auch Zytokeratine oder Tonofilamente(s.a. Intermediärfilamente, S. 11).––Integrine sind Heterodimere und setzen sichaus einer α- und einer β-Untereinheit zusammen.Diese Untereinheiten existieren inverschiedenen Isoformen. Für Hemidesmosomenist beispielsweise das α 6 β 4 -Integrincharakteristisch.––Auch Fibronektin ist ein Dimer.HaftplaqueAktinfilamenteIntegrinFibronektinKollagenfibrilleHaftplaqueIntermediärfilamente(Zytokeratine)Sowohl Fibronektin als auch Integrin sind als dimere Proteinedargestellt.Abb. 12: Fokaler Kontaktmedi-learn.de/bio1-12IntegrinFibronektinKollagenfibrilleSowohl Fibronektin als auch Integrin sind als dimere Proteinedargestellt.1.3 ZytoskelettEbenso wie das vorherige Thema Zell-Zell-Kontakte ist das Thema Zytoskelett ziemlichtrocken. Aber auch hier gilt: Ein passablesWissen über diesen Teilbereich sichert wertvollePunkte im schriftlichen Examen.Abb. 11: Hemidesmosommedi-learn.de/bio1-11www.medi-learn.de 9


1 Allgemeine Zytologie, Zellteilung und Zelltod1Merke!Durchmesser der folgenden Protein-Filamente:Mikrotubuli > Intermediärfilamente > Mikrofilamente.1.3.1 Komponenten des ZytoskelettsDas Zytoskelett ist ein kompliziertes intrazelluläresNetzwerk aus verschiedenen Proteinen,das der Strukturaufrechterhaltung, intrazellulärenTransportvorgängen und derZellteilung dient. Außerdem ist es noch ander amöboiden Fortbewegung bestimmterZellen (s. Kapitel 1.3.2, S. 13) beteiligt.Die Protein-Filamente sind – je nach Art – unterschiedlichin der Zelle angeordnet (s. Abb.13):––Mikrofilamente bilden ein quervernetztesSystem, das unter der Zellmembran besondersdicht ist (= peripheral dense bands).Dadurch entsteht ein wabenartiges Relief.Auch in den Mikrovilli sind die Mikrofilamenteso angeordnet.––Intermediärfilamente sind recht gleichmäßigüber die Zelle, vom Kern bis zur Zellmembran,verteilt.––Mikrotubuli weisen ein sternförmiges Musterauf. Ausgehend vom paranukleärenMTOC bilden sie Strahlen aus, die in RichtungPeripherie ziehen.Merke!Mit MTOC (microtubule organizing center) bezeichnetman einen Ort, an dem das Wachstumvon Mikrotubuli (s. S. 11) beginnt. Charakteristischist eine 9 · 3 + 0-Struktur. Die wichtigstenbeiden MTOCs sind die Basalkörperchen unddie Zentriolen.MikrofilamenteDie kleinsten der Filamente sind die Mikrofilamente.Sie bestehen aus polymerisiertemAktin und weiteren assoziierten Proteinen wiez. B. Fimbrin und Villin. Aktinfilamente sind polar,das bedeutet, dass sie einen Minus- undeinen Pluspol besitzen. Die wichtigste Aufgabeder Mikrofilamente ist die Aufrechterhaltungder Strukturintegrität einer Zelle. Man findetsie z. B. in Mikrovilli, den fingerförmigen Ausstülpungender Zytoplasmamembran am apikalenZellpol. Daneben gibt es MikrofilamenteMikrovilliMTOC(microtubule organizing center)KernA Mikrofilamente B Intermediärfilamente C MikrotubuliAbb. 13: Intrazelluläre Anordnung des Zytoskelettsmedi-learn.de/bio1-1310


1.3.1 Komponenten des Zytoskelettsin Stereozilien. Stereozilien sind extrem langeMikrovilli, die man im Ductus epididymidis(Anteil an der Spermienreifung) und im Innenohr(Signaltransduktion) findet. Mikrovillidienen der Oberflächenvergrößerung, daherfindet man sie vor allem dort, wo viele Resorptionsprozessestattfinden, z. B. im Dünndarm.IntermediärfilamenteIntermediärfilamente entstehen durch Polymerisationvon einzelnen fibrillären Untereinheiten.Die dabei gebildeten Polymere sindstabil und weisen im Gegensatz zu Mikrofilamentenund Mikrotubuli KEINE Polarität auf.Ihre Aufgabe besteht in der Aufrechterhaltungder strukturellen Integrität der Zelle. Da IntermediärfilamentegewebespezifischeStrukturproteine sind,kann man verschiedene Klassenunterscheiden. Die folgendeTabelle ist absolut prüfungsrelevant.Du solltest sie ambesten auswendig lernen:GewebeEpithelienMesenchymMuskelzellenNervenzellenAstrozytenKernlamina (keine Gewebespezifität,sondern alleZellen, s. a. Zellkern, S. 16)IntermediärfilamentZytokeratine(Tonofilamente)VimentinDesminNeurofilamenteGlial Fibrillary Acidic Proteine(GFAP)LamineTab. 2: Gewebespezifität der IntermediärfilamenteEine Analyse der Intermediärfilamente kannbei einer histologischen Tumordiagnose hilfreichsein, beispielsweise würde ein GFAPanfärbbarerTumor im ZNS auf ein Astrozytomhinweisen.Viele Tumoren gehen auch aus Epithelgewebehervor. Diese exprimieren folglich Zyto-keratine. Da es unterschiedliche Unterfamilienvon Zytokeratinen gibt, kann auch einspezifisches Zytokeratinmuster auf einen bestimmtenTumor hinweisen und einen andereneher ausschließen. Das ist besonders beider Untersuchung von Metastasen hilfreich,denn es ist überaus wichtig zu wissen, woherder Primärtumor kommt.Übrigens …Die autosomal-dominant vererbte ErkrankungEpidermiolysis bullosa simplexhereditaria beruht auf Mutationenin der (Zyto-)Keratinfamilie. Diesführt dazu, dass sich bereits bei minimalenTraumata zwischen den basalenKeratinozyten Spalten und auf derHaut Blasen bilden. Diese Erkrankungmanifestiert sich oft bereits im Säuglings-und Kleinkindesalter, bessertsich aber mit zunehmendem Alter.MikrotubuliBevor es darum geht, wie die Mikrotubuli ihrenDienst an der Zelle verrichten, beschreibenwir dir zunächst ihren ultrastrukturellenAufbau.Die Mikrotubuli bestehen aus Proteinen, diewie Bauklötze zu immer höheren Funktionseinheitenzusammengesetzt sind. Die Grundeinheiten(Bauklötze) sind die Tubuline. Vonihnen gibt es Alpha- und Betatubuline, diesich zu einem Heterodimer zusammenlagern.Aus den Heterodimeren bilden sich Protofilamente,die wiederum durch seitliche Anlagerungweiter zu den eigentlichen Mikrotubuliaggregieren. Ein komplettierter Mikrotubulus(Singulette) besteht aus 13 solcher Protofilamente.Es gibt aber auch zelluläre Strukturen, bei denensich zwei Mikrotubuli zusammenlagern.Der erste (A-Tubulus) besteht dann aus 13Protofilamenten, der angelagerte B-Tubulusnur aus zehn Protofilamenten. A- und B-Tubuluszusammen nennt man Duplette. Analogdazu kann sich auch eine Triplette bilden, bei1www.medi-learn.de 11

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