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3.4C: DNA-Verpackung - Biologie

3.4C: DNA-Verpackung - Biologie


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DNA-Verpackung ist ein wichtiger Prozess in lebenden Zellen. Ohne sie ist eine Zelle nicht in der Lage, die große Menge an DNA, die darin gespeichert ist, aufzunehmen.

Lernziele

  • Beschreiben Sie, wie DNA in Prokaryoten und Eukaryoten unterschiedlich verpackt ist

Wichtige Punkte

  • In eukaryontischen Zellen findet die DNA- und RNA-Synthese an einem anderen Ort statt als die Proteinsynthese; in prokaryotischen Zellen laufen diese beiden Prozesse zusammen ab.
  • DNA ist in prokaryotischen Zellen "supercoiled", was bedeutet, dass die DNA aus ihrem normalen entspannten Zustand entweder unter- oder überwunden ist.
  • In eukaryotischen Zellen ist die DNA um Proteine, die als Histone bekannt sind, gewickelt, um Strukturen zu bilden, die Nukleosomen genannt werden.

Schlüsselbegriffe

  • Nukleosomen: Die grundlegende Untereinheit des Chromatins, die aus etwas weniger als zwei DNA-Umdrehungen besteht, die um einen Satz von acht Proteinen, die Histone genannt werden, gewickelt sind.
  • Histone: Die Hauptproteinkomponenten von Chromatin, die als Spulen fungieren, um die sich die DNA windet.

Ein Eukaryont enthält einen gut definierten Kern, während bei Prokaryonten das Chromosom im Zytoplasma in einem Bereich liegt, der als Nukleoid bezeichnet wird. In eukaryontischen Zellen findet die DNA- und RNA-Synthese in einem von der Proteinsynthese getrennten Kompartiment statt. In prokaryontischen Zellen laufen beide Prozesse zusammen ab. Welche Vorteile könnte die Trennung der Prozesse haben? Welche Vorteile könnte es haben, wenn sie zusammen auftreten?

Die Größe des Genoms in einem der am besten untersuchten Prokaryonten, E coli, beträgt 4,6 Millionen Basenpaare (ungefähr 1,1 mm, wenn geschnitten und gestreckt). Wie passt das in eine kleine Bakterienzelle? Die DNA wird durch das sogenannte Supercoiling verdreht. Supercoiling bedeutet, dass die DNA aus ihrem normalen entspannten Zustand entweder unterwunden (weniger als eine Helixwindung pro 10 Basenpaare) oder überwunden (mehr als 1 Windung pro 10 Basenpaare) ist. Von einigen Proteinen ist bekannt, dass sie am Supercoiling beteiligt sind; andere Proteine ​​und Enzyme wie DNA-Gyrase helfen bei der Aufrechterhaltung der Supercoiled-Struktur.

Eukaryoten, deren Chromosomen jeweils aus einem linearen DNA-Molekül bestehen, verwenden eine andere Verpackungsstrategie, um ihre DNA in den Zellkern einzupassen. Auf der grundlegendsten Ebene ist die DNA um Proteine, die als Histone bekannt sind, gewickelt, um Strukturen zu bilden, die Nukleosomen genannt werden. Die Histone sind evolutionär konservierte Proteine, die reich an basischen Aminosäuren sind und ein Oktamer bilden. Die DNA (die wegen der Phosphatgruppen negativ geladen ist) ist eng um den Histonkern gewickelt. Dieses Nukleosom wird mit Hilfe einer Linker-DNA mit dem nächsten verbunden. Dies wird auch als „Perlen auf einer Schnur“-Struktur bezeichnet. Diese wird weiter zu einer 30 nm Faser verdichtet, was dem Durchmesser der Struktur entspricht. Im Metaphasestadium sind die Chromosomen am kompaktesten, etwa 700 nm breit, und werden in Verbindung mit Gerüstproteinen gefunden.

In der Interphase haben eukaryotische Chromosomen zwei unterschiedliche Regionen, die durch Färbung unterschieden werden können. Die dicht gepackte Region wird als Heterochromatin bezeichnet, und die weniger dichte Region wird als Euchromatin bezeichnet.

Heterochromatin enthält normalerweise Gene, die nicht exprimiert werden, und findet sich in den Regionen des Zentromers und der Telomere. Das Euchromatin enthält normalerweise transkribierte Gene, wobei die DNA um Nukleosomen herum verpackt, aber nicht weiter verdichtet ist.


DNA-Struktur, Replikation und Technologie - DNA-Verpackung

Du weißt, wenn dein Zimmer unordentlich wird und du dich schließlich entschließt (das heißt, deine Mutter schreit dich an), es sauber zu machen, indem du Bücher ins Regal legst, Papiere in Ordnern ordnest und den toten Hafenarbeiter wegräumst, von dem deine Freunde versprochen haben, nie zu reden Über? Erscheint Ihr Zimmer nach diesem Zeitpunkt nicht viel geräumiger als zu dem Zeitpunkt, als Sie den ganzen Kram verstreut hatten?

Die Zelle hält es auch gerne aufgeräumt, geordnet und frei von Hafenarbeitern. Es verpackt DNA, damit es nicht zu viel Platz einnimmt. Wenn Sie die gesamte DNA in Ihrem Körper von Anfang bis Ende ausdehnen würden, wären es ungefähr 1,2 × 10 10 Meilen, was ungefähr 70 Reisen zur Sonne und zurück entspricht. Aufgrund anhängiger Rechtsstreitigkeiten kann Shmoop den Bau von DNA-Brücken zur Sonne nicht mehr fördern.

Verpackt wie Sardinen

Die Doppelhelix der DNA ist aufgrund all der negativ geladenen Phosphate im Rückgrat stark negativ geladen. All diese negative Ladung muss durch eine positive Ladung ausgeglichen werden, und die Zelle produziert Proteine ​​namens Histone die DNA binden und bei der Verpackung der DNA helfen. Histone sind positiv geladene Proteine, die DNA durch Wechselwirkungen zwischen ihren positiven Ladungen und den negativen Ladungen der DNA umhüllen. Doppelsträngige DNA schlingt sich zweimal um 8 Histone und bildet die Nukleosom, das ist der Baustein von Chromatinverpackung.

DNA kann weiter verpackt werden, indem man Nukleosomenknäuel bildet, genannt Chromatinfasern. Diese Fasern werden zu Chromosomen kondensiert während Mitose, oder der Prozess von Zellteilung. Allerdings ist die Verpackung von Chromatin hinein Chromosomen die uns am besten bekannt ist, tritt nur während einiger Stadien der Mitose auf. DNA ist meist lose verpackt.

Histone: DNA Tupperware TM

Histone sind positiv geladene Proteine, die das Packen von DNA in kondensierte Chromatinfasern. Sie sind im Grunde die Tupperware TM der DNA-Verpackung und sie sind in vielen küchenfreundlichen Farben erhältlich. Histone haben viele Arginin- und Lysin-Aminosäuren, die sich leicht an die negativ geladene DNA binden, basierend auf Paula Abduls Prinzip, dass Gegensätze ziehen sich an. Ich mache nur Witze über den letzten Teil. DNA ist stark negativ geladen, da die Phosphatgruppe jedes Nukleotids negativ geladen ist.

Histone werden in zwei Gruppen eingeteilt:

Kernhistone sind H2A, H2B, H3 und H4, wobei zwei H3/H4-Dimere (H3 und H4 miteinander verbunden) und zwei H2A/H2B-Dimere (diese zwei miteinander verbunden) das Oktamer bilden (alle acht dieser Typen zusammen). Linker Histon H1 bindet die DNA im Grunde an die Nukleosom und kann entfernt werden für Transkription während Linker Histon H5 eine Variante von H1 ist, die hauptsächlich bei Vögeln verwendet wird.

Ist das verwirrend? Nun, es wird schlimmer. H1, H2A, H2B, H3, H4 und H5 sind alle Namen, die definieren Familien von Proteinen. Einzelne Histonproteine ​​sind spezifisch für bestimmte DNA-Typen oder bestimmte Zelltypen. Genauso wie H5 die Vogelversion von H1 ist, gibt es einzelne Histonproteine, die bestimmte DNA-Regionen verpacken oder DNA in spezifischer Form verpacken Gewebearten. Genauso wie Sie keinen riesigen Topf Chili in kleine Tupperware-Behälter stecken würden (oder vielleicht würden Sie… wir versuchen nicht zu urteilen, aber im Ernst?), sind bestimmte Histone für bestimmte Teile der DNA wichtig.

Ein wichtiger Aspekt von Histone ist, dass sie verändert werden können, um zu verändern, wie viel die DNA packen kann. Es gibt mehrere Modifikationen, die beeinflussen, wie gut DNA verpackt ist. Die drei wichtigsten Arten von Modifikationen können der folgenden Tabelle entnommen werden.

ÄnderungModifikationsstruktur (R = chemische funktionelle Gruppe)AufladenWirkung
MethylierungR-CH3NeutralErhöht die Packung
AcetylierungR-COCH3NegativVerringert die Verpackung
PhosphorylierungR-PO4NegativVerringert die Verpackung

Normalerweise sind Histone positiv geladene Moleküle, und die Addition von Methylgruppen (Methylierung) macht sie mehr hydrophob (Wasserhasser). Hydrophobe Moleküle neigen dazu, zusammenzukleben, und es wird zunehmend Histon-Methylierung wird bewirken, dass sich die Histone noch dichter als üblich packen.

Acetylierung (Hinzufügen einer Acetylgruppe) und Phosphorylierung (Hinzufügen einer Phosphatgruppe) machen die Histone negativer geladen, da Acetyl- und Phosphorylgruppen negativ sind. Sie sind "Glas ist halb leer"-Moleküle. Indem Histone negativer geladen werden, wird ihr Griff an der DNA viel lockerer, da auch die DNA negativ geladen ist. Ähnliche Ladungen (negativ und negativ) stoßen sich gegenseitig ab.

Lockup: DNA-Edition

Einer der Vorteile der Verpackung von DNA ist, dass Sie sie in Dinge unterteilen können, die Sie häufig verwenden und in Dinge, die Sie nicht verwenden. Sofern Sie kein wahnsinniger Hamsterer sind, räumen Sie jeden Herbst Ihre Sommerkleidung für wintertauglichere Dinge weg. Ebenso sind bestimmte Teile der DNA nur für bestimmte Zeiten wichtig. Manche Dinge brauchst du jedoch das ganze Jahr über, wie zum Beispiel Schuhe, also macht es keinen Sinn, diese Dinge wegzuräumen. Dasselbe macht die Zelle mit der DNA.

Regionen, die für die Proteinherstellung notwendig und für die Zelle wichtig sind, werden lose gepackt und genannt Euchromatin. Durch eine lose Packung der DNA in Euchromatin können Proteine, die an Transkription kann leicht eindringen und RNA herstellen (weitere Informationen finden Sie im Abschnitt Gene zu Proteinen). Auf der anderen Seite braucht man einige DNA-Regionen nicht, außer für besondere Anlässe, wie den Samtanzug, den man nie trägt. Diese Regionen heißen Heterochromatin und sind sowohl durch DNA als auch durch gute alte Histonmethylierung.

Enzyme das hinzufügen Acetylgruppen Histone heißen Histonacetyltransferasen (HATs) während diejenigen, die Acetylgruppen entfernen, genannt werden Histon-Deacetylasen (HDACs). Enzyme, die Methylgruppen hinzufügen, heißen Histonmethyltransferasen (HMTs). Die Aktivität dieser Enzyme beeinflusst, ob DNA-Regionen dicht gepackt sind und nicht in der Lage sind, transkribieren, oder sind lose verpackt und daher hoch transkribiert.

Die Histon-Methylierung ist jedoch ein kniffliges Konzept, da normalerweise Histonmethylierung geht einher mit der Methylierung von Cytosinen in der DNA, genannt DNA-Methylierung. Zusammen erzeugen diese Prozesse DNA-Regionen, die nicht transkribiert werden können. Manchmal fördert die Methylierung von positiv geladenen Aminosäuren in Histone jedoch transkriptionelle Aktivierung, aber nur, wenn die DNA nicht methyliert ist. Die Methylierung von DNA und Modifikationen von Histonen, die sich auf Transkription heißen die Studienschwerpunkte Epigenetik.

Wenn die Zelle den Prozess der Mitose, Chromatinverpackung ist wichtig, und dieses Packen erfolgt durch Packen von DNA in kondensierte Chromatinfasern bis zu dem Punkt, an dem sie die anerkannten sind Chromosomen die wir kennen und lieben … oder „wirklich mögen“, wenn Sie nicht darauf vorbereitet sind, diese Art von Verpflichtung einzugehen. Diese Chromosomen teilen sich in Tochterzellen, und nachdem die Mitose abgeschlossen ist, wird die DNA so entpackt Transkription kann wieder auftreten. Daher können wir uns die Mitose wie einen großen DNA-Bewegungstag vorstellen. Die Verpackung beginnt damit, dass HDACs und HMTs die Verpackung straffen, und sobald die Mitose abgeschlossen ist, HATs und Phosphoryltransferasen (HPTs) die Verpackung reduzieren.


Neuartige bioinformatische Methoden für die Toxikoepigenetik

Raymond G. Cavalcante, . Maureen A. Sartor , in Toxikoepigenetik , 2019

Übersicht über 3C-basierte Technologien

Die Technologie zum Einfangen der Chromosomenkonformation (3C) ist unerlässlich, um die physikalischen Wechselwirkungen zwischen distalen regulatorischen Elementen und Genpromotoren zu verstehen (Tolhuis et al., 2002 Stamatoyannopoulos, 2016 Dixon et al., 2012 Nora et al., 2012 Hsieh et al., 2015, 2016). Es wurden mehrere 3C-abgeleitete Assays mit verschiedenen Anwendungsbereichen und Auflösungen entwickelt, darunter zirkulärer Chromosomenkonformationseinfang (4C) (Splinter et al., 2012), Chromosomenkonformationseinfang-Kohlenkopie (5C) (van Berkum und Dekker, 2009), Hi- C (Belton et al., 2012) und Chromatin-Interaktionsanalyse mit Paired-End-Tag (ChIA-PET)-Sequenzierung (Fullwood und Ruan, 2009). Alle Ansätze teilen die ersten drei grundlegenden Schritte bei der Bibliotheksvorbereitung (Vernetzung, Verdauung und Ligation), unterscheiden sich jedoch in den nachgelagerten Protokollen, was zu unterschiedlichen Skalen der chromosomalen Verbindungsdaten führt: 4C erkennt Kontakte zwischen einer ausgewählten genomischen Stelle („Ansichtspunkt“ ) mit allen anderen möglichen genomischen Fragmenten (eins gegen alle) 5C bestimmt gleichzeitig Interaktionen zwischen beliebigen Sequenzen (viele gegen viele), leidet jedoch aufgrund der Beschränkung seines Primerdesigns unter einer geringeren Auflösung als 4C, Hi-C oder ChIA-PET. C ist die erste „all-to-all“-Methode, die die Identifizierung aller möglichen genomischen Interaktionen ermöglicht ein ausgewähltes DNA-bindendes Protein (Denker und de Laat, 2016 Li et al., 2014 Davies et al., 2017 Schmitt et al., 2016). Entsprechende Anwendungen der verschiedenen Methoden hängen von den spezifischen Studienzielen ab: 3C und 4C eignen sich für die Bestätigung kleiner Zahl von Wechselwirkungen, während 5C und Hi-C gut für die Entschlüsselung der Chromatin-3-D-Struktur sind und ChIA-PET die höchsten Auflösung (von 100 bp bis 1 kb) von All-to-All-Wechselwirkungen, die durch das gleiche interessierende Protein gebunden sind ( Davies et al., 2017 Dekker et al., 2013 ). Derzeit werden ChIA-PET und Hi-C häufig verwendet, um die genomweite Chromatinanordnung zu untersuchen.


Forscher enthüllen das Innenleben eines viralen DNA-Verpackungsmotors

Fünf Proteine, hier in verschiedenen Farben dargestellt, bilden einen viralen DNA-Verpackungsmotor. Kredit: Duke University

Forscher haben das Innenleben des molekularen Motors entdeckt, der genetisches Material in doppelsträngige DNA-Viren verpackt. Der Fortschritt bietet Einblicke in einen kritischen Schritt im Reproduktionszyklus von Viren wie Pocken, Herpes und Adenoviren. Es könnte auch Forscher inspirieren, mikroskopische Maschinen zu entwickeln, die auf natürlich vorkommenden Biomotoren basieren.

Die von der US-amerikanischen National Science Foundation finanzierte Forschung wurde von Wissenschaftlern der Duke University, der University of Minnesota, der University of Massachusetts und der University of Texas Medical Branch durchgeführt. Die Ergebnisse erscheinen in einer Trilogie von Veröffentlichungen in Wissenschaftliche Fortschritte, Proceedings of the National Academy of Sciences und Nukleinsäureforschung.

"Es gab mehrere fehlende Informationen, die uns daran hinderten, die Funktionsweise dieser Art von DNA-Verpackungsmotoren zu verstehen, was unsere Fähigkeit behinderte, Therapeutika zu entwickeln oder neue Technologien zu entwickeln", sagte Gaurav Arya, Maschinenbauingenieur, Biomediziningenieur und Chemiker bei Duke and Mitautor der Schriften. "Aber mit neuen Erkenntnissen und Simulationen konnten wir ein Modell dieses fantastischen Mechanismus zusammenstellen, der das detaillierteste ist, das jemals für diese Art von System erstellt wurde."

Viren gibt es in vielen Varianten, aber ihre Klassifizierung hängt im Allgemeinen davon ab, ob sie ihre genetischen Baupläne in RNA oder einzel- oder doppelsträngige DNA kodieren. Der Unterschied beeinflusst, wie das genetische Material in neue Viren verpackt wird. Während einige Viren um neu produzierte RNA oder DNA einen Proteinbehälter namens Kapsid bauen, erzeugen andere zuerst das Kapsid und füllen es dann mit dem genetischen Material.

Die meisten doppelsträngigen DNA-Viren gehen den letzteren Weg, der viele Herausforderungen mit sich bringt. DNA ist negativ geladen und möchte nicht auf engstem Raum zusammengepfercht werden. Außerdem ist es in eine extrem dichte, fast kristalline Struktur verpackt, die viel Kraft erfordert.

"Der Vorteil davon ist, dass, wenn das Virus bereit ist, eine neue Zelle zu infizieren, der Druck hilft, DNA in die Zelle zu injizieren, sobald sie punktiert ist", sagte Joshua Pajak von Duke. "Es wurde geschätzt, dass der Druck 800 psi überschreitet, was fast das Zehnfache des Drucks in einer verkorkten Champagnerflasche ist."

Um DNA bei diesem Druck in ein winziges Kapsid zu zwingen, ist ein extrem starker Motor erforderlich. Bis vor kurzem hatten die Forscher nur eine vage Vorstellung davon, wie der Motor funktioniert. "Diese Arbeit zeigt, wie selbst einfache Viren sehr komplexe Maschinen entwickelt haben", sagte Wilson Francisco, ein Programmdirektor in der Abteilung für Molekulare und Zelluläre Biowissenschaften der NSF.

Michael Woodson et al., Ein viraler Genomverpackungsmotor übergeht zwischen zyklischer und helikaler Symmetrie, um dsDNA zu translozieren, Wissenschaftliche Fortschritte (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abc1955

Joshua Pajak et al., Virale Verpackung ATPasen verwenden einen Glutamat-Schalter, um ATPase-Aktivität und DNA-Translokation zu koppeln, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2024928118


3.4C: DNA-Verpackung - Biologie

In Kapitel 2a haben wir erfahren, wie einige lebensmittelbedingte Krankheiten durch einzellige Mikroorganismen verursacht werden, die wir Bakterien nennen. Bakterien sind Beispiele für prokaryontische Zellen und unterscheiden sich in mehreren wesentlichen Punkten von den eukaryontischen Zellen in unserem Körper. In diesem Kapitel vergleichen wir zunächst diese beiden Grundtypen von Zellen und entdecken dann die Funktionsweise eukaryontischer Zellen, indem wir die Strukturen untersuchen, die alle Zellen im menschlichen Körper gemeinsam haben. Wir beginnen mit der Plasmamembran, der äußeren Begrenzung einer Zelle, und arbeiten nach innen. Nachdem wir die verschiedenen Organellen untersucht haben – kleine Strukturen innerhalb von Zellen mit spezialisierten Funktionen – untersuchen wir, wie Zellen die Energie erhalten, die sie für ihre Arbeit im Körper benötigen.

Eukaryontische Zellen im Vergleich zu prokaryontischen Zellen

Die Zelltheorie ist ein grundlegendes Organisationsprinzip der Biologie, das die Art und Weise leitet, wie Biologen über Lebewesen denken. Eine Theorie, wie Sie sich vielleicht aus Kapitel 1 erinnern, ist eine gut recherchierte und gut unterstützte Erklärung für einen Aspekt des physikalischen Universums. Die Zelltheorie besagt, dass (1) eine Zelle die kleinste Lebenseinheit ist, (2) Zellen alle Lebewesen ausmachen, von einzelligen bis zu mehrzelligen Organismen und (3) neue Zellen nur aus bereits bestehenden Zellen entstehen können.

· Mikroskope ermöglichen es uns, Zellen und die verschiedenen Organellen in ihnen zu sehen. Jede Organelle erfüllt eine bestimmte Funktion für die Zelle.

Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Grundtypen von Zellen – eukaryotische Zellen und prokaryotische Zellen. Prokaryontische Zellen sind strukturell einfacher und typischerweise kleiner als eukaryontische Zellen. Sie sind auf Bakterien und eine andere Gruppe mikroskopischer Organismen namens Archaea beschränkt. Sie kennen wahrscheinlich bereits Bakterien, von denen einige in Ihrem Körper leben. Viele Bakterienbewohner sind harmlos, andere können Krankheiten verursachen (siehe Kapitel 2a und 13a). Archaeen sind Ihnen vielleicht weniger bekannt. Dazu gehören Arten, die extreme Umgebungen wie den salzreichen Great Salt Lake oder die heißen Schwefelquellen des Yellowstone-Nationalparks bewohnen. Die meisten prokaryontischen Zellen sind von einer starren Zellwand umgeben, wie in Abbildung 3.1 gezeigt.

ABBILDUNG 3.1. Prokaryontischen Zellen, wie einem Bakterium, fehlen interne membrangebundene Organellen.

Die Zellen von Pflanzen, Tieren und allen anderen Organismen außer Bakterien und Archaeen sind eukaryontisch. Alle Zellen, aus denen Ihr Körper besteht, sind daher eukaryontisch. Der Unterschied zwischen eukaryontischen und prokaryontischen Zellen bezieht sich auf das Vorhandensein oder Fehlen von membrangebundenen Organellen. Eine Organelle oder ein "kleines Organ" ist eine Komponente innerhalb einer Zelle, die bestimmte Funktionen ausführt. Einige Organellen haben Membranen, andere nicht. Nichtmembranöse Organellen wie Ribosomen und Zytoskelettelemente werden sowohl in prokaryontischen als auch in eukaryontischen Zellen gefunden. Einzigartig für eukaryotische Zellen sind jedoch membrangebundene Organellen wie Mitochondrien und das endoplasmatische Retikulum (Abbildung 3.2). Eine weitere der membrangebundenen Organellen, die in allen typischen eukaryontischen Zellen zu finden sind, ist ein gut definierter Kern, der DNA enthält.Beachten Sie, dass bei Prokaryonten die DNA nicht von einer Membran umgeben ist (siehe auch Abbildung 3.1). Bei Eukaryoten haben Pflanzenzellen Zellwände, tierische Zellen jedoch nicht. Tabelle 3.1 gibt einen Überblick über die Hauptunterschiede zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen.

ABBILDUNG 3.2. Eukaryontische Zellen, wie die hier gezeigte generalisierte Tierzelle, haben interne membrangebundene Organellen.

Der Zellkern ist eine membrangebundene Organelle. Schauen Sie sich die anderen Organellen in der Zelle genau an und lesen Sie ihre Funktionen. Listen Sie basierend auf der Struktur und den Funktionen der gezeigten Organellen diejenigen auf, die Ihrer Meinung nach membrangebundene Organellen sind, und solche, die nicht membranöse Organellen sind.

Zu den membrangebundenen Organellen gehören der Zellkern, das raue endoplasmatische Retikulum, das glatte endoplasmatische Retikulum, der Golgi-Komplex, das Mitochondrium und das Lysosom. Zu den nichtmembranösen Organellen gehören Ribosomen, Mikrofilamente, Zentriolen und Mikrotubuli.

TABELLE 3.1. Überprüfung der Eigenschaften von prokaryotischen und eukaryotischen Zellen

Pflanzen, Tiere, Pilze, Protisten

Zellgröße und Mikroskopie

Die meisten eukaryotischen und prokaryotischen Zellen sind so klein, dass sie typischerweise in Mikrometern (pm) gemessen werden, was 1/1000 Meter (m) entspricht. (Eine offensichtliche Ausnahme ist das Hühnerei.) Die geringe Größe der Zellen wird durch eine physikalische Beziehung bestimmt, die als Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bekannt ist. Diese Beziehung besagt, dass mit zunehmender Größe einer Zelle ihre Oberfläche viel langsamer zunimmt als ihr Volumen (Abbildung 3.3). Nährstoffe dringen in eine Zelle ein und Abfälle verlassen eine Zelle an ihrer Oberfläche. Daher hätte eine große Zelle Schwierigkeiten, alle Nährstoffe, die sie braucht, und alle Abfälle, die sie produziert, über ihre unzulängliche Oberfläche zu transportieren, und würde sterben. Eine kleine Zelle hingegen hat genügend Oberfläche für die Aufnahme und Entfernung von Stoffen und würde überleben.

ABBILDUNG 3.3. Die Zellen müssen klein bleiben, da das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen mit zunehmender Zellgröße schnell abnimmt.

Aufgrund der geringen Größe der meisten Zellen benötigen Sie ein Mikroskop, um sie zu sehen. In diesem Buch werden Sie mikroskopische Aufnahmen sehen, bei denen es sich um Fotografien handelt, die mit einem Mikroskop aufgenommen wurden (Abbildung 3.4). Mikroskopische Proben können mit Licht- oder Elektronenstrahlen abgebildet werden. Lichtmikroskope, die in vielen Klassenzimmern eingesetzt werden, haben den Vorteil, dass sie relativ kostengünstig und einfach zu bedienen sind. Elektronenmikroskope sind zwar komplexer und teurer, können jedoch feinere Details erkennen, da die Wellenlänge eines Elektronenstrahls kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Ob Licht oder Elektronen, der Strahl kann entweder durch eine dünn geschnittene Probe geleitet oder von der Probenoberfläche reflektiert werden.

Abbildung 3.4a ist eine Durchlichtmikroskopie durch drei gestreifte Muskelzellen, die mit biologischen Farbstoffen gefärbt wurden, um den Kontrast zwischen verschiedenen zellulären Komponenten zu erhöhen. Die drei in diesem Bild sichtbaren Kerne sind dunkelviolett gefärbt, weil der verwendete Farbstoff eine Affinität zu sauren Bestandteilen in der Zelle wie DNA hat. Abbildung 3.4b ist eine durchlichtelektronenmikroskopische Aufnahme, die die Struktur von quergestreiften Muskelzellen detaillierter zeigt, als dies mit Licht zur Abbildung des Gewebes möglich wäre. Dabei wird der Kontrast zwischen verschiedenen Zellbestandteilen durch Anfärben des Gewebes mit Schwermetallen wie Blei und Uran hergestellt. Verschiedene Bestandteile der Zellen nehmen unterschiedliche Mengen dieser Schwermetalle auf. Komponenten, die die Metalle leicht absorbieren, blockieren unterschiedlich den Elektronenstrahl daran, durch die Probe zu gehen. Abbildung 3.4c ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, die durch Abprallen eines Elektronenstrahls von der Oberfläche mehrerer gestreifter Muskelzellen erzeugt wurde. Der Strahl wird über die Oberfläche der Probe gescannt, und Elektronen, die von der Oberfläche abprallen, werden von einem Detektor gesammelt. Für jeden gescannten Punkt wird die Anzahl der den Detektor erreichenden Elektronen verwendet, um die relative Helligkeit dieses Punktes auf der Probe zu berechnen. Diese Informationen werden verwendet, um das Bild zu erstellen. Mit Elektronenstrahlen erzeugte Bilder sind nicht farbig. Die in den Abbildungen 3.4b und 3.4c gezeigten Bilder wurden farblich hervorgehoben, um bestimmte Merkmale hervorzuheben, eine Verbesserung, die durch die computergestützte Bildverarbeitung möglich wurde. Andere mikroskopische Aufnahmen im Text wurden ebenfalls koloriert.

ABBILDUNG 3.4. Mikroskopische Aufnahmen sind Fotografien, die durch ein Mikroskop aufgenommen wurden. Hier wurden quergestreifte Muskelzellen mit drei verschiedenen Mikroskoptypen fotografiert. Elektronenmikroskope verwenden Elektronenstrahlen, um Bilder mit feineren Details als bei Lichtmikroskopen zu erzeugen.

Zellstruktur und -funktion

Die Struktur einer Zelle spiegelt ihre Funktionen hervorragend wider. Zum Beispiel sind nur wenige menschliche Zellen spezialisierter als Spermien oder Eizellen, die Zellen, die genetische Informationen und andere Materialien enthalten, die benötigt werden, um ein neues Individuum der nächsten Generation zu bilden. Ein Spermium ist darauf spezialisiert, zur Eizelle zu schwimmen und sie zu befruchten. Als solches wird ein Sperma gestrafft und mit einem peitschenartigen Schwanz ausgestattet. Im Kopf des Spermiums befindet sich ein enzymhaltiger Sack, der sich öffnet, um Enzyme freizusetzen, die einen Weg durch die Zellschichten, die das Ei umgeben, verdauen. Im Gegensatz dazu ist das Ei unbeweglich und viel größer als eine typische Zelle, da es buchstäblich mit Nährstoffen und anderen Materialien gefüllt ist, die zur Initiierung der Entwicklung benötigt werden. Ein reifes rotes Blutkörperchen ist ein weiteres Beispiel für eine Zelle, deren Struktur ihre Funktion widerspiegelt. Wenn das rote Blutkörperchen reift, extrudiert es seinen Kern und die meisten Organellen und lässt mehr Platz für Hämoglobin, das Protein, das Sauerstoff transportiert. Ein reifes rotes Blutkörperchen ist somit eine Ausnahme von der Regel, dass eukaryotische Zellen einen gut definierten Kern und andere membrangebundene Organellen haben. Betrachten Sie auch eine Herzmuskelzelle. Diese Zelle ist auf die Kontraktion spezialisiert und leitet das Signal zur Kontraktion von einer Muskelzelle zur nächsten weiter. So ist es mit kontraktilen Proteinen gefüllt und durch spezialisierte Verbindungen mit benachbarten Zellen verbunden, die das Herzgewebe stärken und eine schnelle Impulsleitung durch das Herz fördern. In jedem dieser Fälle liefert eine sorgfältige Untersuchung der Zellstruktur ausgezeichnete Hinweise auf ihre Funktion und umgekehrt (Abbildung 3.5).

ABBILDUNG 3.5. Die Struktur einer Zelle spiegelt ihre spezifische Funktion wider. Diese Zelltypen aus dem menschlichen Körper verdeutlichen die enge Verbindung zwischen Struktur und Funktion.

Plasma Membran

Wir beginnen unsere Untersuchung der Zelle an ihrer äußeren Oberfläche – der Plasmamembran. Diese bemerkenswert dünne äußere Hülle kontrolliert die Bewegung von Substanzen sowohl in die Zelle hinein als auch aus ihr heraus. Da die Stoffkonzentrationen im Zellinneren kritisch ausgeglichen sind, können Moleküle und Ionen nicht zufällig ein- und auswandern.

Sowohl prokaryontische als auch eukaryontische Zellen besitzen eine Plasmamembran, aber nur eukaryontische Zellen enthalten auch innere Membranen, die die Zelle in viele Kompartimente aufteilen. Jedes Kompartiment enthält ein eigenes Enzymsortiment und ist auf bestimmte Funktionen spezialisiert. Im Allgemeinen gelten die für die Plasmamembran beschriebenen Prinzipien auch für die Membranen innerhalb der Zelle.

Plasmamembranstruktur

Die Plasmamembran besteht aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten. Erinnern Sie sich an Kapitel 2, dass Phospholipide die Hauptbestandteile der Plasmamembran sind. Diese Moleküle bilden mit ihren hydrophilen (wasserliebenden) Köpfen und hydrophoben (wasserfürchtigen) Schwänzen eine Doppelschicht – die sogenannte Phospholipid-Doppelschicht – an der Zelloberfläche (Abbildung 3.6). Die nach außen gerichteten hydrophilen Köpfe interagieren mit der extrazellulären Flüssigkeit (auch bekannt als interstitielle Flüssigkeit), die die wässrige Lösung außerhalb der Zellen ist. Die hydrophilen Köpfe, die dem Inneren der Zelle zugewandt sind, interagieren mit dem Zytoplasma, der gallertartigen Lösung im Inneren der Zelle. Das Zytoplasma umfasst den gesamten Inhalt der Zelle zwischen der Plasmamembran und dem Zellkern. Innerhalb der Phospholipid-Doppelschicht zeigen die hydrophoben Schwänze zueinander und halten die Plasmamembran zusammen.

ABBILDUNG 3.6. Der Aufbau der Plasmamembran einer Zelle nach dem Fluid-Mosaik-Modell

In die Phospholipid-Doppelschicht sind Proteine ​​eingestreut, wie in Abbildung 3.6 zu sehen ist. Einige Proteine ​​sind in die Membran eingebettet, andere überspannen die Doppelschicht vollständig. Andere Proteine ​​werden einfach an der inneren oder äußeren Oberfläche der Membran befestigt. Cholesterinmoleküle sind auch in der Doppelschicht verstreut.

Wie Sie in Abbildung 3.6 sehen können, lagern sich Kohlenhydrate nur an der äußeren Oberfläche der Plasmamembran an. Die meisten dieser Kohlenhydrate sind an Proteine ​​gebunden und bilden Glykoproteine. Wir werden sehen, dass Glykoproteine ​​oft bei der Zellerkennung fungieren. Andere Kohlenhydrate sind an Lipide gebunden und bilden Glykolipide.

Die Struktur der Plasmamembran wird oft als Flüssigkeitsmosaik beschrieben. Die Proteine ​​sind zwischen den Lipidmolekülen wie verschiedenfarbige Kacheln in einem Mosaik verstreut. Viele der Proteine ​​können sich bis zu einem gewissen Grad seitlich durch die Doppelschicht bewegen, was der Membran ihre flüssige Qualität verleiht.

Plasmamembranfunktionen

Die Plasmamembran erfüllt mehrere lebenswichtige Funktionen für die Zelle. Erstens erhält die Plasmamembran durch Auferlegen einer Grenze zwischen der inneren und äußeren Umgebung der Zelle die strukturelle Integrität der Zelle aufrecht. Zweitens reguliert die Struktur der Plasmamembran die Bewegung von Substanzen in die Zelle hinein und aus ihr heraus, sodass einige Substanzen eindringen können, andere jedoch nicht. Aus diesem Grund wird die Membran oft als selektiv durchlässig beschrieben. Mehr über den Materialtransport durch die Plasmamembran erfahren Sie im nächsten Abschnitt dieses Kapitels.

Die Plasmamembran funktioniert auch bei der Zell-Zell-Erkennung. Zellen unterscheiden einen Zelltyp von einem anderen, indem sie Moleküle – oft Glykoproteine ​​– auf ihrer Oberfläche erkennen. Membranglykoproteine ​​unterscheiden sich von einer Spezies von Organismus zu einer anderen und zwischen Individuen derselben Spezies. Sogar unterschiedliche Zelltypen innerhalb eines Individuums haben unterschiedliche Membranglykoproteine. Diese Variation ermöglicht es dem Körper, fremde Eindringlinge wie Bakterien zu erkennen. Ihr eigener Körper würde solche Eindringlinge zum Beispiel erkennen, weil den Bakterien die Oberflächenmoleküle fehlen, die sich auf Ihren Zellen befinden. Die Bakterien wiederum "lesen" die verschiedenen Oberflächenmoleküle Ihrer Zellen, um sich bevorzugt auf einigen Zellarten anzusiedeln, auf anderen jedoch nicht.

Eine weitere wichtige Funktion der Plasmamembran ist die Kommunikation zwischen Zellen. Diese Kommunikation beruht auf Rezeptoren, spezialisierten Proteinen in der Plasmamembran (oder innerhalb der Zelle), die bestimmte Substanzen binden, die die Zellaktivität beeinflussen. Beispielsweise können Hormone, die von einer Zellgruppe sezerniert werden, an Rezeptoren in den Plasmamembranen anderer Zellen binden. Die Rezeptoren leiten dann ein Signal an Proteine ​​in der Zelle weiter, die die Nachricht an andere Moleküle in der Nähe weiterleiten. Durch eine Reihe chemischer Reaktionen löst die "Botschaft" des Hormons schließlich eine Reaktion der Empfängerzelle aus, die möglicherweise dazu führt, dass sie eine bestimmte Chemikalie freisetzt.

Schließlich spielt die Plasmamembran eine wichtige Rolle bei der Bindung von Zellpaaren oder Zellgruppen. Zelladhäsionsmoleküle (CAMs) erstrecken sich von den Plasmamembranen der meisten Zellen und helfen, die Zellen aneinander zu binden, insbesondere während der Bildung von Geweben und Organen in einem Embryo. Die Funktionen der Plasmamembran sind wie folgt:

• Bewahren Sie die strukturelle Integrität der Zelle

• Regulieren Sie die Bewegung von Substanzen in die und aus der Zelle

• Bieten Erkennung zwischen Zellen

• Sorgen Sie für die Kommunikation zwischen den Zellen

• Zellen zusammenkleben, um Gewebe und Organe zu bilden

Welche der fünf zuvor aufgeführten Funktionen der Plasmamembran könnte die Schwierigkeit erklären, Gewebe und Organe erfolgreich von einem Körper in einen anderen zu verpflanzen? Warum sollte es zu einer Abstoßung solcher Transplantate kommen? Unter welchen Umständen könnte ein Körper ein Gewebetransplantat oder ein Organ von einem anderen akzeptieren?

Bewegung über die Plasmamembran

Denken Sie daran, dass eine wichtige Funktion der Plasmamembran darin besteht, zu kontrollieren, welche Substanzen in die Zelle ein- und austreten. Substanzen passieren die Plasmamembran auf verschiedene Weise. Diese Verfahren werden entweder als aktiv – die Zelle muss Energie verbrauchen – oder als passiv beschrieben, die keinen Energieaufwand der Zelle erfordert.

Einfache Diffusion . Einige Materialien passieren die Plasmamembran passiv durch einfache Diffusion, die zufällige Bewegung einer Substanz von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration. Konzentration ist die Anzahl der Moleküle einer Substanz in einem bestimmten Volumen, während ein Konzentrationsgradient eine Differenz der relativen Anzahl von Molekülen oder Ionen einer bestimmten Substanz in zwei benachbarten Bereichen ist. Das Endergebnis der einfachen Diffusion ist eine gleichmäßige Verteilung der Substanz in den beiden Bereichen, mit anderen Worten, die Diffusion neigt dazu, den Konzentrationsgradienten zu eliminieren. Überlegen Sie, was passiert, wenn jemand in der Küche Speck kocht. Zunächst wird der Geruch von Speck in der Küche lokalisiert. Bald dringt der Geruch jedoch auch in angrenzende Räume durch, da Geruchsmoleküle von konzentrierteren (Küche) zu weniger konzentrierten (anderen Teilen des Hauses) wandern. Schließlich sind die Geruchsmoleküle gleichmäßig verteilt, bewegen sich aber dennoch zufällig in alle Richtungen. Wenn eine Substanz durch eine Membran von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration diffundiert, hört die Bewegung seiner Moleküle auch nicht auf, wenn die Konzentration ausgeglichen ist. Stattdessen bewegen sich die Moleküle weiterhin zufällig über die Membran hin und her. Die Bewegungsgeschwindigkeit in jede Richtung ist jedoch jetzt gleich. Substanzen wie Kohlendioxid und Sauerstoff diffundieren durch die Plasmamembran unserer Zellen (Abbildung 3.7).

ABBILDUNG 3.7. Einfache Diffusion ist die zufällige Bewegung eines Stoffes von einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration.

Erleichterte Diffusion . Wasserlösliche Substanzen werden von Lipiden abgestoßen, können sich also nicht durch einfache Diffusion durch die Phospholipiddoppelschicht bewegen. Wenn sie eine Zellmembran durchqueren sollen, muss ihr Transport durch bestimmte Proteine ​​innerhalb der Membran unterstützt oder "erleichtert" werden. Einige dieser Proteine, sogenannte Trägerproteine, binden an eine bestimmte wasserlösliche Substanz. Eine solche Bindung bewirkt eine Formänderung des Proteins und bewirkt, dass die Substanz auf die andere Seite der Membran transportiert wird. Andere Proteine ​​bilden Kanäle, durch die sich bestimmte wasserlösliche Stoffe bewegen können. Erleichterte Diffusion ist die Bewegung eines Stoffes von einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration mit Hilfe eines Membranproteins. Glukosemoleküle zum Beispiel dringen durch erleichterte Diffusion in Fettzellen ein. In diesem Beispiel bindet ein Glukosemolekül in der extrazellulären Flüssigkeit an ein Trägerprotein in der Plasmamembran, das hilft, das Glukosemolekül von außen nach innen in die Fettzelle zu bewegen (Abbildung 3.8). Die erleichterte Diffusion benötigt keine Energie und ist somit eine Form des passiven Transports.

ABBILDUNG 3.8. Die erleichterte Diffusion ist die Bewegung einer Substanz durch die Plasmamembran von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration mit Hilfe eines Membranproteins, das als Kanal oder Trägerprotein fungiert.

Osmose . Osmose ist eine Art von Diffusion, bei der sich Wasser über eine Plasmamembran oder eine andere selektiv durchlässige Membran von einem Bereich höherer Wasserkonzentration zu einem Bereich niedrigerer Wasserkonzentration bewegt. Die Bewegung von Wasser erfolgt als Reaktion auf einen Konzentrationsgradienten einer gelösten Substanz (gelöster Stoff). Überlegen Sie, was passiert, wenn eine Substanz wie Haushaltszucker (in diesem Fall unser gelöster Stoff) in Wasser (unserem Lösungsmittel) in einem Membranbeutel aufgelöst wird, durch den Wasser, aber kein Zucker, fließen kann. Denken Sie daran, dass bei einer niedrigen Konzentration der gelösten Stoffe die Wasserkonzentration hoch ist und bei einer hohen Konzentration der gelösten Stoffe die Wasserkonzentration niedrig ist. Wird der Membranbeutel in eine hypertonische Lösung gelegt, d. h. eine Lösung, deren Konzentration an gelösten Stoffen höher ist als die im Beutel, bewegt sich mehr Wasser aus dem Beutel als darin, wodurch der Beutel schrumpft (Abbildung 3.9a). Wird der Beutel hingegen in eine isotonische Lösung mit der gleichen Konzentration des gelösten Stoffes (Zucker) wie im Inneren des Beutels gelegt, findet keine Nettobewegung des Wassers in beide Richtungen statt und der Beutel behält seine ursprüngliche Form bei (Abbildung 3.9b). Wenn der Beutel in eine hypotonische Lösung gelegt wird, in der die Konzentration des gelösten Stoffes niedriger ist als die im Beutel, bewegt sich mehr Wasser in den Beutel als heraus, wodurch der Beutel anschwillt und möglicherweise platzt (Abbildung 3.9c). Osmose benötigt keine Energie und ist somit eine Form des passiven Transports.

ABBILDUNG 3.9. Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine selektiv durchlässige Membran. Die Zeichnungen zeigen, was passiert, wenn ein membranartiger Beutel, durch den sich Wasser, aber kein Zucker bewegen kann, in Lösungen gegeben wird, die (a) hypertonisch, (b) isotonisch oder (c) hypotonisch gegenüber der Lösung im Beutel sind. Die Breite der schwarzen Pfeile entspricht der Wassermenge, die in den Beutel ein- und ausströmt. Die Fotos zeigen, was mit den roten Blutkörperchen passiert, wenn sie in die drei Arten von Lösungen gegeben werden. Rote Blutkörperchen haben normalerweise die Form abgeflachter Scheiben, wie in Teil b.

Die roten Blutkörperchen verhalten sich genauso wie der Beutel in unserem Beispiel, wie unten in Abbildung 3.9 gezeigt. Rote Blutkörperchen bewegen sich durch eine Flüssigkeit, die als Plasma bezeichnet wird. Wie die Abbildung zeigt, reagiert die Form der roten Blutkörperchen auf unterschiedliche Konzentrationen gelöster Stoffe im Plasma.

Aktiven Transport . Aktiver Transport ist ein Mechanismus, der Stoffe mit Hilfe eines Trägerproteins und von der Zelle bereitgestellter Energie (durch den Abbau von ATP siehe Kapitel 2) durch Plasmamembranen transportiert. Bisher haben wir in unserer Erörterung der Bewegung durch Plasmamembranen beschrieben, dass sich Substanzen von Regionen höherer Konzentration in Regionen niedrigerer Konzentration bewegen. In den meisten Fällen des aktiven Transports werden Stoffe jedoch aus Regionen niedrigerer Konzentration in höhere Konzentration bewegt, wie in Abbildung 3.10 dargestellt. Diese Art der Bewegung wird als "entgegen dem Konzentrationsgradienten" beschrieben und tritt auf, wenn Zellen bestimmte Substanzen konzentrieren müssen. Zum Beispiel enthalten die Zellen unseres Körpers höhere Konzentrationen an Kaliumionen (K+) und niedrigere Konzentrationen an Natriumionen (Na+) als ihre Umgebung. Durch aktiven Transport tragen Proteine ​​in der Plasmamembran dazu bei, diese Bedingungen aufrechtzuerhalten, indem sie Kaliumionen in die Zelle und Natriumionen aus der Zelle pumpen. In diesem Beispiel wandern sowohl Kalium als auch Natrium von Regionen niedrigerer Konzentration zu Regionen höherer Konzentration.

ABBILDUNG 3.10 Aktiver Transport ist die Bewegung von Molekülen durch die Plasmamembran, oft von einem Bereich niedrigerer Konzentration zu einem Bereich höherer Konzentration mit Hilfe eines Trägerproteins und Energie, normalerweise in Form von ATP.

Endozytose . Die meisten kleinen Moleküle passieren die Plasmamembran durch einfache Diffusion, erleichterte Diffusion oder aktiven Transport. Große Moleküle, einzellige Organismen wie Bakterien und Flüssigkeitströpfchen, die gelöste Stoffe enthalten, dringen durch Endozytose in die Zellen ein (Abbildung 3.11).Bei der Endozytose umhüllt ein Bereich der Plasmamembran die aufzunehmende Substanz und klemmt sich dann vom Rest der Membran ab, wodurch die Substanz in einer sackartigen Struktur, einem Vesikel, eingeschlossen wird. Das Vesikel wandert dann durch das Zytoplasma. Zwei Arten von Endozytose sind Phagozytose ("Zellfresser") und Pinozytose ("Zelltrinken"). Bei der Phagozytose verschlingen Zellen große Partikel oder Bakterien (Abbildung 3.11a). Bei der Pinozytose umhüllen sie Flüssigkeitströpfchen (Abbildung 3.11b) und bringen so alle im Tröpfchen gelösten Stoffe in die Zelle.

ABBILDUNG 3.11. Endozytose – Phagozytose oder Pinozytose – tritt auf, wenn ein lokalisierter Bereich der Plasmamembran ein Bakterium, ein großes Molekül oder eine Flüssigkeit mit gelösten Substanzen umgibt und sich dann nach innen zusammendrückt, um ein Vesikel zu bilden, das sich in die Zelle bewegt.

Exozytose . Der Prozess, bei dem große Moleküle Zellen verlassen, ist die Exozytose. In einer Zelle, die beispielsweise Hormone produziert, sind die Hormone in membrangebundenen Vesikel eingeschlossen, die durch das Zytoplasma der Zelle zur Plasmamembran wandern. Wenn das Vesikel die Plasmamembran erreicht, verschmilzt die Vesikelmembran mit der Plasmamembran und dann öffnet sich das Vesikel, um das Hormon außerhalb der Zelle freizusetzen. Nervenzellen setzen auch Chemikalien durch Exozytose frei. Die Exozytose ist in Abbildung 3.12 dargestellt.

ABBILDUNG 3.12. Zellen verpacken große Moleküle in membrangebundenen Vesikeln, die dann ihren Inhalt durch Exozytose verschütten.

Tabelle 3.2 gibt einen Überblick darüber, wie sich Substanzen durch die Plasmamembran bewegen.

TABELLE 3.2. Überprüfung der Transportmechanismen durch die Plasmamembran

Zufällige Bewegung von einer Region mit höherer Konzentration zu einer Region mit niedrigerer Konzentration

Bewegung von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration mit Hilfe eines Träger- oder Kanalproteins

Bewegung von Wasser aus einer Region mit höherer Wasserkonzentration (niedrigere Konzentration an gelösten Stoffen) in eine Region mit niedrigerer Wasserkonzentration (höhere Konzentration an gelösten Stoffen)

Bewegung oft von einem Bereich niedrigerer Konzentration zu einem Bereich höherer Konzentration mit Hilfe eines Trägerproteins und Energie normalerweise von ATP

Prozess, bei dem Materialien von der Plasmamembran umschlossen und in einem Vesikel in die Zelle gezogen werden

Prozess, bei dem ein membrangebundenes Vesikel aus dem Inneren der Zelle mit der Plasmamembran verschmilzt und Inhalt außerhalb der Zelle austritt

Menschen mit Nierenerkrankungen benötigen möglicherweise eine Dialyse, um Abfallprodukte aus ihrem Blut zu entfernen. Das Blut wird durch ein langes, gewundenes Röhrchen geleitet, das in einen mit Dialysierflüssigkeit gefüllten Tank eingetaucht ist. Der Schlauch ist porös, sodass kleine Moleküle aus dem Blut in die Dialysierflüssigkeit diffundieren können. Harnstoff ist ein Abfallprodukt, das aus dem Blut entfernt werden muss. Glukosemoleküle hingegen sollten im Blut verbleiben. Wie sollten die Konzentrationen von Harnstoff und Glukose in der Dialysierflüssigkeit sein, um diese Ziele zu erreichen?

Innerhalb der eukaryontischen Zelle besteht die Hauptaufgabe der Membranen darin, separate Kompartimente zu schaffen, in denen spezifische chemische Prozesse, die für das Leben der Zelle entscheidend sind, durchgeführt werden. Die membrangebundenen Organellen, die im Zytoplasma der Zellen verteilt sind, haben unterschiedliche Funktionen – genauso wie die verschiedenen Büros in einem großen Unternehmen, die teils für die Produktion, teils für den Einkauf, teils für den Versand zuständig sind. Durch die Kompartimentierung können getrennte Kombinationen von Molekülen spezifische Aufgaben erfüllen (siehe Abbildung 3.2). Einige Organellen geben Anweisungen für die Herstellung von Zellprodukten. Andere stellen die Produkte her, modifizieren sie oder transportieren sie. Wieder andere Organellen verarbeiten Energie oder bauen Stoffe zur Verwendung oder Entsorgung ab. Nichtmembranöse Organellen erfüllen auch spezifische Funktionen für die Zelle.

Der Zellkern enthält fast die gesamte Erbinformation der Zelle (Abbildung 3.13). Die DNA im Zellkern steuert die Zellstruktur und -funktion, da sie einen Code für die Produktion von Proteinen enthält. Alle unsere Zellen enthalten die gleiche genetische Information. Die Eigenschaften einer bestimmten Zelle – was sie zu einer Muskelzelle oder einer Leberzelle macht – werden weitgehend durch die spezifischen Richtungen bestimmt, die sie von ihrem Zellkern erhält.

ABBILDUNG 3.13. Der Zellkern enthält fast die gesamte Erbinformation einer Zelle.

Eine Doppelmembran, die als Kernhülle bezeichnet wird, umgibt den Kern und trennt ihn vom Zytoplasma, wie in Abbildung 3.13 gezeigt. Die Kommunikation zwischen Kern und Zytoplasma erfolgt durch Öffnungen in der Hülle, die als Kernporen bezeichnet werden. Der Verkehr ausgewählter Materialien durch die Kernhülle ermöglicht es dem Inhalt des Zytoplasmas, den Kern zu beeinflussen und umgekehrt.

Die genetische Information innerhalb des Zellkerns ist in Chromosomen organisiert, fadenförmige Strukturen aus DNA und assoziierten Proteinen. Die Anzahl der Chromosomen variiert von einer Spezies zur anderen. Zum Beispiel hat der Mensch 46 Chromosomen (23 Paare), Hausmäuse 40 Chromosomen und Haushunde 78. Einzelne Chromosomen sind während der Zellteilung mit einem Lichtmikroskop sichtbar, wenn sie sich verkürzen und verdichten (Abbildung 3.14a). Zu allen anderen Zeiten sind die Chromosomen jedoch verlängert und nicht ohne weiteres sichtbar. In diesem dispergierten Zustand wird das genetische Material Chromatin genannt (Abbildung 3.14b). Das Chromatin und andere Inhalte des Kerns bilden das Nukleoplasma. Wir werden Chromosomen und Zellteilung in Kapitel 19 besprechen.

ABBILDUNG 3.14. Chromosomen bestehen aus DNA und assoziierten Proteinen.

Der Nukleolus, eine spezialisierte Region innerhalb des Zellkerns (siehe Abbildung 3.13), bildet und zerlegt sich im Laufe des Zellzyklus (siehe Kapitel 19). Es ist nicht von einer Membran umgeben, sondern ist einfach eine Region, in der sich DNA gesammelt hat, um eine Art von RNA namens ribosomale RNA (rRNA) zu produzieren. Ribosomale RNA ist ein Bestandteil von Ribosomen, die Orte sind, an denen die Proteinsynthese beginnt. Ribosomen können im Zytoplasma suspendiert sein (freie Ribosomen) oder an das endoplasmatische Retikulum (gebundene Ribosomen) angeheftet sein.

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist Teil eines ausgedehnten Netzwerks von Kanälen, die mit der Kernhülle und bestimmten Organellen verbunden sind (Abb. 3.15). In einigen Regionen ist das ER mit Ribosomen besetzt und wird daher als raues endoplasmatisches Retikulum (RER) bezeichnet. Die von den angehängten Ribosomen gebildeten Aminosäureketten werden durch die Membran des RER in seine Innenräume gefädelt. Dort werden die Ketten verarbeitet und modifiziert, in Vesikel aus der RER-Membran eingeschlossen und zur weiteren Verarbeitung und Verpackung in den Golgi-Komplex (in Kürze diskutiert) überführt. Proteine, die von an ER gebundenen Ribosomen hergestellt werden, werden in Membranen eingebaut oder schließlich von der Zelle sezerniert. Proteine, die von freien Ribosomen produziert werden, verbleiben in der Zelle.

ABBILDUNG 3.15. Das endoplasmatische Retikulum (ER) schließt an die Kernmembran an und besteht aus zwei Regionen: raues ER und glattes ER.

Dem glatten endoplasmatischen Retikulum (SER) fehlen Ribosomen. Der SER (insbesondere in Leberzellen) entgiftet Alkohol und andere Drogen. Typischerweise modifizieren Enzyme von SER die Medikamente, um sie wasserlöslicher und leichter aus dem Körper auszuscheiden. Eine weitere Funktion von SER ist die Produktion von Phospholipiden. Diese Phospholipide werden zusammen mit Proteinen aus dem RER verwendet, um die RER-Membran herzustellen. Da die RER-Membran ständig verwendet wird, um Vesikel für den Versand zu bilden, muss sie ständig aufgefüllt werden.

Der Golgi-Komplex besteht aus einer Reihe miteinander verbundener, abgeflachter Membransäcke. Diese Organelle ist das Proteinverarbeitungs- und Verpackungszentrum der Zelle (Abbildung 3.16). Proteingefüllte Vesikel aus dem RER kommen an der "Empfangsseite" des Golgi-Komplexes an, verschmelzen mit seiner Membran und entleeren ihren Inhalt im Inneren. Der Golgi-Komplex modifiziert dann viele der Proteine ​​chemisch, während sie sich über Vesikel von einer Membranscheibe im Stapel zur nächsten bewegen. Wenn die Verarbeitung abgeschlossen ist, sortiert der Golgi-Komplex die Proteine ​​​​wie ein Postangestellter Briefe und schickt sie an ihre verschiedenen Bestimmungsorte. Einige der Proteine, die von der "Versandseite" austreten, werden in Vesikel verpackt und zum Export aus der Zelle an die Plasmamembran geschickt oder um Membranproteine ​​zu werden. Andere Proteine ​​sind in Lysosomen verpackt. Abbildung 3.17 auf Seite 56 fasst die Bewegung proteingefüllter Vesikel vom rauen endoplasmatischen Retikulum zum Golgi-Komplex zur Verarbeitung und schließlichen Freisetzung zusammen.

ABBILDUNG 3.16. Der Golgi-Komplex

Wie baut die Zelle abgenutzte Teile ab oder verdaut große Gegenstände, die sie durch Phagozytose aufnimmt? Würde es beispielsweise einfach Verdauungsenzyme in sein Zytoplasma freisetzen, würde es sich bald selbst zerstören. Stattdessen erfolgt die intrazelluläre Verdauung hauptsächlich innerhalb von Lysosomen. Lysosomen sind ungefähr kugelförmige Organellen, die aus einer einzigen Membran bestehen, die mit etwa 40 verschiedenen Verdauungsenzymen gefüllt ist. Die Enzyme und Membranen der Lysosomen werden vom RER hergestellt und dann zur weiteren Verarbeitung an den Golgi-Komplex geschickt. Schließlich knospen enzymgefüllte Lysosomen und klemmen sich dann vom Golgi-Komplex ab (siehe Abbildung 3.17) und beginnen ihre verschiedenen Rollen bei der Verdauung innerhalb der Zelle. Zu diesen Aufgaben gehören die Zerstörung fremder Eindringlinge wie Bakterien und der Abbau abgenutzter Organellen.

ABBILDUNG 3.17. Der Weg, auf dem proteingefüllte Vesikel aus dem rauen endoplasmatischen Retikulum zum Golgi-Komplex gelangen, um dort verarbeitet und schließlich freigesetzt zu werden.

Betrachten Sie zum Beispiel, was passiert, wenn eine Zelle ein Bakterium verschlingt. Sie können diesen Vorgang in Abbildung 3.18 verfolgen (siehe Pfad rechts). Während des Phagozytoseprozesses (Schritt 1) ​​umgibt ein Vesikel das Bakterium. Ein vom Golgi-Komplex freigesetztes Lysosom verschmilzt dann mit dem Vesikel (Schritt 2), und die Verdauungsenzyme des Lysosoms zerlegen das Bakterium in kleinere Moleküle. Diese Moleküle diffundieren aus dem Vesikel in das Zytoplasma, wo sie von der Zelle genutzt werden können (Schritt 3). Unverdauliche Reste können durch Exozytose aus der Zelle ausgestoßen werden (Schritt 4) oder sie können auf unbestimmte Zeit in Vesikel innerhalb der Zelle gespeichert werden (Schritt 5).

Lysosomen bauen auch veraltete Teile der Zelle selbst ab. Abgenutzte Organellen und Makromoleküle werden in kleinere Bestandteile zerlegt, die wiederverwendet werden können (siehe Abbildung 3.18, Weg links). Zum Beispiel dauert eine Organelle, die als Mitochondrion bezeichnet wird (später besprochen), in einer typischen Leberzelle nur etwa 10 Tage, bevor sie von Lysosomen zerstört wird. Nachdem abgenutzte Mitochondrien zerstört wurden, werden ihre Komponentenmonomere, wie Aminosäuren, zur Wiederverwendung in das Zytoplasma zurückgeführt. Eine solche "Hausreinigung" hält die Zelle richtig funktionsfähig und fördert das Recycling von essentiellen Materialien.

ABBILDUNG 3.18. Lysosomenbildung und Funktion bei der intrazellulären Verdauung. Lysosomen, die aus dem Golgi-Komplex freigesetzt werden, verdauen ein von der Zelle verschlungenes Bakterium (siehe Pfad rechts). Lysosomen verdauen auch veraltete Teile der Zelle selbst (siehe Pfad links).

Das Fehlen einer einzigen Art lysosomaler Enzyme kann verheerende Folgen haben. Moleküle, die normalerweise durch das fehlende Enzym abgebaut würden, sammeln sich in den Lysosomen und lassen sie anschwellen. Letztendlich stören die sich ansammelnden Moleküle die Zellfunktion. Diese lysosomalen Speicherkrankheiten werden vererbt und schreiten mit dem Alter fort.

Die Tay-Sachs-Krankheit ist eine lysosomale Speicherkrankheit, die durch das Fehlen des lysosomalen Enzyms Hexosaminidase (Hex A) verursacht wird, das Lipide in Nervenzellen abbaut. Wenn Hex A fehlt, quellen die Lysosomen mit unverdauten Lipiden auf. Säuglinge mit Tay-Sachs-Krankheit erscheinen bei der Geburt normal, beginnen sich jedoch im Alter von etwa 6 Monaten zu verschlechtern, da sich abnormale Mengen an Lipiden im Nervensystem ansammeln. Im Alter von 4 oder 5 Jahren verursacht Tay-Sachs Lähmung und Tod. Gegenwärtig gibt es keine Heilung für diese Krankheit. Es gibt jedoch einen Bluttest, um Personen zu erkennen, die das Gen für Tay-Sachs tragen. Diese Personen, die als Träger bezeichnet werden, haben die Krankheit nicht, könnten das Gen jedoch an ihre Nachkommen weitergeben.

Stellen Sie sich vor, Sie und Ihr Ehepartner möchten eine Familie gründen, sind aber beide Träger der Tay-Sachs-Krankheit und könnten das Gen an Ihre Kinder weitergeben. Die möglichen Folgen für jedes Kind, das Sie bekommen könnten, sind wie folgt: Das Kind hat möglicherweise nicht das Gen für Tay-Sachs und ist möglicherweise gesund, kann die Krankheit haben und in der frühen Kindheit sterben oder kann wie Sie ein Träger sein. Deine Eltern fordern eine Adoption. Ihr Ehepartner zieht es vor, nicht zu adoptieren, sondern ein pränatales Screening durchzuführen, um zu überprüfen, ob Ihr Fötus die Krankheit hat. Was würden Sie tun?

Bestimmte Umweltfaktoren verursachen Krankheiten, indem sie Lysosomen stören. In dem Essay zu Umweltthemen, The Deadly Interaction between Asbestos and Lysosomen, beschreiben wir die Auswirkungen von Asbest auf die Gesundheit.

Die meisten zellulären Aktivitäten benötigen Energie. Energie wird benötigt, um bestimmte Substanzen durch die Plasmamembran zu transportieren und viele der chemischen Reaktionen zu befeuern, die im Zytoplasma ablaufen. Spezialisierte Zellen wie Muskelzellen und Nervenzellen benötigen Energie, um ihre besonderen Aktivitäten auszuführen. Die von den Zellen benötigte Energie wird von Mitochondrien (Singular, Mitochondrium) bereitgestellt, den Organellen, in denen der größte Teil der Zellatmung stattfindet. Die Zellatmung, auf die später in diesem Kapitel eingegangen wird, ist ein vierphasiger Prozess, bei dem Sauerstoff und ein organischer Brennstoff wie Glukose verbraucht und Energie in Form von ATP freigesetzt wird. Die erste Phase findet im Zytoplasma statt. Die restlichen drei Phasen finden in den Mitochondrien statt.

Die Anzahl der Mitochondrien variiert stark von Zelle zu Zelle und korreliert grob mit dem Energiebedarf einer Zelle. Die meisten Zellen enthalten mehrere Hundert bis Tausende von Mitochondrien. Wie der Zellkern, aber im Gegensatz zu anderen Organellen, sind Mitochondrien von einer Doppelmembran umgeben (Abb. 3.19). Die innere und äußere Membran bilden zwei separate Kompartimente, die als Orte für einige der Reaktionen bei der Zellatmung dienen.

ABBILDUNG 3.19. Mitochondrien sind Orte der Energieumwandlung in der Zelle.

Die Einfaltungen der inneren Membran eines Mitochondriums werden Cristae genannt und sind die Orte der letzten Phase der Zellatmung. Schließlich enthalten Mitochondrien Ribosomen und einen kleinen Prozentsatz der gesamten DNA einer Zelle (der Rest befindet sich im Zellkern, wie bereits erwähnt). Mitochondrien enthalten Ribosomen und DNA, weil sie wahrscheinlich Nachkommen von einst freilebenden Bakterien sind, die in alte Zellen eingedrungen oder von diesen verschlungen wurden (siehe Kapitel 22). Tabelle 3.3 gibt einen Überblick über die Funktionen von Organellen.

TABELLE 3.3. Überblick über wichtige Organellen und ihre Funktionen

Enthält fast alle genetischen Informationen und beeinflusst die Zellstruktur und -funktion

Raues endoplasmatisches Retikulum (RER)

Mit Ribosomen besetzt (Stellen, an denen die Proteinsynthese beginnt) produziert Membran

Glattes endoplasmatisches Retikulum (SER)

Entgiftet Medikamente produziert Membran

Sortiert, modifiziert und verpackt Produkte von RER

Von außerhalb der Zelle importierte Verdaustoffe zerstören alte oder defekte Zellteile

Versorgen Sie die Zelle mit Energie durch den Abbau von Glukose während der Zellatmung

Wir haben den Kern, das endoplasmatische Retikulum (einschließlich rauer und glatter), Ribosomen, Golgi-Komplex, Lysosomen und Mitochondrien diskutiert. Ordnen Sie jeder dieser Organellen eine der folgenden Hauptfunktionen innerhalb einer Zelle zu: Herstellung, Abbau oder Energieverarbeitung.

Zytoskelett

Das Zytoplasma der Zelle durchquert ein komplexes Netzwerk von Fasern, das Zytoskelett genannt wird. Die Fasern werden in drei Typen eingeteilt: Mikrotubuli sind die dicksten Mikrofilamente sind die dünnsten und Zwischenfilamente sind die vielfältige Gruppe dazwischen. Mikrotubuli und Mikrofilamente zerlegen und bauen sich wieder zusammen, während Zwischenfilamente dazu neigen, dauerhafter zu sein.

Mikrotubuli sind gerade, hohle Stäbchen aus dem Protein Tubulin. Einige Mikrotubuli in der Nähe der Plasmamembran behalten die Zellform bei. Mikrotubuli bilden auch Spuren, entlang derer sich Organellen oder Vesikel bewegen. Zum Beispiel gelangen sekretorische Vesikel (membrangebundene Vesikel, die aus der Zelle freizusetzendes Material enthalten), die aus dem Golgi-Komplex geknospt haben, ihren Weg zur Plasmamembran, indem sie sich entlang einer Mikrotubuli-Bahn bewegen. Schließlich spielen Mikrotubuli eine Rolle bei der Trennung der Chromosomen während der Zellteilung. Ein Mikrotubuli-organisierendes Zentrum in der Nähe des Zellkerns enthält ein Paar Zentriolen, die jeweils aus neun Sätzen von drei Mikrotubuli bestehen, die in einem Ring angeordnet sind (Abbildung 3.20). Zentriolen können bei der Zellteilung und bei der Bildung von Zilien und Geißeln eine Rolle spielen.

ABBILDUNG 3.20. Zentriolen können bei der Zellteilung eine Rolle spielen.

Mikrotubuli dienen als funktionierende Teile von zwei Arten von Zellfortsätzen, die als Zilien (Singular, Zilien) und Geißeln (Singulär, Flagellum) bezeichnet werden. Zilien sind zahlreiche, kurze Fortsätze auf einer Zelle, die sich mit der Hin- und Herbewegung von Rudern bewegen. Sie finden sich beispielsweise auf den Oberflächen von Zellen, die die Atemwege auskleiden (Abb. 3.21a), wo sie im Schleim eingeschlossene Trümmer von der Lunge wegfegen. Rauchen zerstört diese Flimmerhärchen und behindert die Reinigung der Atemwege. Ein Flagellum ähnelt einer Peitsche und bewegt sich wellenförmig. Flagellen sind viel länger als Flimmerhärchen. Die einzige Zelle mit einem Flagellum beim Menschen ist die Samenzelle (Abbildung 3.21b).

ABBILDUNG 3.21. Mikrotubuli sind für die Bewegung von Zilien und Geißeln verantwortlich.

Zilien und Geißeln unterscheiden sich in Länge, Anzahl pro Zelle und Bewegungsmuster. Dennoch weisen sie im Kern eine ähnliche Anordnung von Mikrotubuli auf, die als 9 + 2-Muster (Abbildung 3.21c) bezeichnet wird. Diese Anordnung besteht aus neun Paaren von Mikrotubuli, die in einem Ring mit zwei Mikrotubuli in der Mitte angeordnet sind.

Mikrofilamente sind feste Stäbchen aus dem Protein Aktin. Diese Fasern sind am besten für ihre Rolle bei der Muskelkontraktion bekannt, wo sie an dickeren Filamenten aus dem Protein Myosin vorbeigleiten. Schließlich spielen Mikrofilamente eine Rolle bei der Zellteilung und bilden ein Band, das sich zusammenzieht und die Zelle in zwei Teile drückt.

Zwischenfilamente sind eine vielfältige Gruppe von seilartigen Fasern, die dazu beitragen, die Zellform beizubehalten und bestimmte Organellen an Ort und Stelle zu verankern. Ihre Proteinzusammensetzung variiert von Zelltyp zu Zelltyp.

Zellatmung und Fermentation bei der Erzeugung von ATP

Leben braucht Arbeit, und Arbeit braucht Energie. Die Logik sagt uns daher, dass zum Leben Energie benötigt wird.

Wir beziehen unsere Energie aus der Nahrung, die wir zu uns nehmen. Unser Verdauungssystem (siehe Kapitel 15) zerlegt komplexe Makromoleküle wie Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette in ihre einfacheren Bestandteile wie Glukose, Aminosäuren und Fettsäuren. Diese einfacheren Moleküle werden dann in den Blutkreislauf aufgenommen und zu unseren Zellen transportiert, wo ein Teil der in den chemischen Bindungen der Moleküle gespeicherten Energie verwendet wird, um ATP herzustellen, das energiereiche Molekül, das unsere Zellen für ihre Arbeit verwenden. (Ein Teil der Energie wird auch als Wärme abgegeben.) Obwohl Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette alle zelluläre Energiequellen sind, konzentrieren wir uns auf Kohlenhydrate. Zellen haben zwei Möglichkeiten, Glukosemoleküle zur Energiegewinnung aufzuspalten: Zellatmung und Fermentation. Die Zellatmung erfordert Sauerstoff-Fermentation nicht.

Alle chemischen Reaktionen, die in einer Zelle ablaufen, bilden ihren Stoffwechsel. Diese chemischen Reaktionen sind in Stoffwechselwege organisiert.Jeder Weg besteht aus einer Reihe von Schritten, in denen ein Ausgangsmolekül modifiziert wird, was schließlich zu einem bestimmten Produkt führt. Spezifische Enzyme beschleunigen jeden Schritt des Stoffwechselweges. Zellatmung und Fermentation sind Beispiele für katabole Wege – Wege, bei denen komplexe Moleküle wie Kohlenhydrate in einfachere Verbindungen zerlegt werden, wodurch Energie freigesetzt wird. Anabole Wege hingegen bauen komplexe Moleküle aus einfacheren auf und verbrauchen dabei Energie.

Die tödliche Interaktion zwischen Asbest und Lysosomen

Asbest ist ein faseriges Silikatmineral, das in vielen Formen in der Natur vorkommt, das stark, flexibel und hitze- und korrosionsbeständig ist (Abbildung 3.A). Aufgrund dieser Eigenschaften wurde Asbest im Bauwesen häufig verwendet – zum Beispiel als Isolator an Decken und Rohren oder als Schall- und Feuerschutz für Schulwände.

ABBILDUNG 3.A. Das tödliche Wundermaterial Asbest

Gerade die Eigenschaften, die Asbest zu einem idealen Baumaterial machen – seine faserige Natur und Haltbarkeit – können ihn auch tödlich machen. Wenn beispielsweise Fasern einer Asbestisolierung abgelöst werden, werden kleine, leichte Partikel in der Luft suspendiert und können in die Lunge eingeatmet werden. Es gibt einige Hinweise darauf, dass sich die verschiedenen Asbestformen in der Zeit unterscheiden, in der sie im Lungengewebe verbleiben. Trotzdem scheinen Partikel mindestens einer Form gegen Abbau resistent zu sein und verbleiben lebenslang in der Lunge (Abbildung 3.B).

ABBILDUNG 3.B. Asbestfasern im Lungengewebe

Das Einatmen von Asbestpartikeln kann Lungenkrebs und Mesotheliom verursachen, eine Krebsart, die spezifisch für die Auskleidung der Lunge und der Brusthöhle (Pleura) sowie der Bauchschleimhaut (Peritoneum) ist. Asbestose, eine dritte Erkrankung, ist die häufigste Krankheit, die durch Asbestexposition verursacht wird. Es resultiert aus der gefährlichen Wechselwirkung zwischen Asbest und Lysosomen. Zellen, die für die Reinigung der Atemwege verantwortlich sind, verschlingen kleine Asbestpartikel, die in die Lungenlysosomen in den Reinigungszellen eingeatmet werden, und verschmelzen dann mit den Bläschen, die die Asbestpartikel enthalten. Leider können die lysosomalen Enzyme die Asbestpartikel nicht abbauen. Stattdessen destabilisieren die Partikel die Membranen der Lysosomen, wodurch massiv Enzyme freigesetzt werden, die die Zellen der Atemwege zerstören. Die Folge ist eine irreversible Vernarbung des Lungengewebes, die schließlich den Gasaustausch in der Lunge stört. Menschen mit asbestgeschädigter Lunge leiden unter chronischem Husten und Kurzatmigkeit. Diese Symptome werden mit der Zeit schlimmer und können zum Tod durch eingeschränkte Atemfunktion führen.

Derzeit gibt es keine wirksame Behandlung für Asbestose. Der Fokus liegt daher auf der Prävention. In den Vereinigten Staaten ist die Verwendung von Asbest zur Isolierung und zum Brandschutz oder für andere Zwecke verboten. Asbest ist jedoch immer noch in vielen Gebäuden vorhanden, die vor Inkrafttreten des Verbots errichtet wurden. In diesen Gebäuden wird allgemein empfohlen und oft gefordert, exponierten Asbest zu entfernen, mit anderen Baumaterialien einzuschließen oder mit einer Dichtmasse abzudecken. Experten sollten bestimmen, welche Methode in jeder gegebenen Situation am besten ist. Außerdem muss die Asbestversiegelung oder Asbestentfernung von Fachleuten durchgeführt werden, da das größte Risiko einer Asbestexposition bei unsachgemäßem Umgang mit Asbest besteht. Schließlich sollten Arbeitnehmer, die einem Asbestrisiko ausgesetzt sind – Klempner, Elektriker, Isolierer und Tischler, um nur einige zu nennen – auf häufigen Lufttests an ihren Arbeitsplätzen bestehen.

• Zigarettenrauchen verschlimmert Krankheiten, die durch Asbestexposition verursacht werden. Wenn ein Arbeitnehmer, der raucht, am Arbeitsplatz über viele Jahre Asbest ausgesetzt ist und anschliessend an Lungenkrebs erkrankt, wer ist dann für seine Krebsentstehung verantwortlich? Ist der Arbeitgeber verantwortlich oder trägt der Arbeitnehmer eine gewisse Eigenverantwortung?

• Welche Informationen würden Sie bei der Beurteilung der Verantwortung berücksichtigen?

Die Zellatmung ist der sauerstoffbedürftige Weg, über den Zellen Glukose abbauen. Es handelt sich um eine aufwendige Reihe chemischer Reaktionen, deren Endprodukte Kohlendioxid, Wasser und Energie sind. In einem Laborbecher können Glucose und Sauerstoff kombiniert werden, um diese Produkte in einem einzigen Schritt herzustellen. Unter diesen Umständen verbrennt jedoch die Glukose und die gesamte Energie geht als Wärme verloren. Der von Zellen verwendete Prozess, bei dem Glukose in einer Reihe von Schritten abgebaut wird, ermöglicht es den Zellen, einen Großteil der Energie in einer verwertbaren Form zu gewinnen – konkret als hochenergetische chemische Bindung in ATP. Erinnern Sie sich an Kapitel 2, dass ATP aus ADP (Adenosindiphosphat) und anorganischem Phosphat (Pi) in einem energieaufwendigen Prozess gebildet wird.

Die Zellatmung hat vier Phasen: (1) Glykolyse, (2) die Übergangsreaktion, (3) den Zitronensäurezyklus und (4) die Elektronentransportkette. Alle vier Phasen treten in Zellen kontinuierlich auf. Die Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle statt. Die Übergangsreaktion, der Zitronensäurezyklus und die Elektronentransportkette finden in Mitochondrien statt. Sie werden sehen, dass einige dieser Phasen aus einer Reihe von Reaktionen bestehen, bei denen die Produkte einer Reaktion zu Substraten (Rohstoffen) für die nächste Reaktion werden. Sie werden auch sehen, dass die Übertragung von Elektronen von einem Atom oder Molekül auf ein anderes ein Schlüsselmerkmal des Prozesses ist, mit dem unsere Zellen Energie aus Brennstoffen gewinnen. Da die Elektronen entlang einer Kette von Zwischenverbindungen geleitet werden, wird ihre Energie zur Herstellung von ATP verwendet.

Glykolyse . Die erste Phase der Zellatmung, die als Glykolyse (Glyko, Zuckerlyse, Spaltung) bezeichnet wird, beginnt damit, dass Glukose, ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, in 2 Zucker mit drei Kohlenstoffatomen gespalten wird. Diese Drei-Kohlenstoff-Zucker werden dann in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt (Abbildung 3.22), eine weitere Drei-Kohlenstoff-Verbindung. Die Glykolyse erfolgt in mehreren Schritten, die jeweils ein anderes, spezifisches Enzym erfordern. Während der ersten Schritte werden zwei Moleküle ATP verbraucht, da Energie benötigt wird, um Glukose für die Spaltung vorzubereiten. Während der verbleibenden Schritte werden vier ATP-Moleküle produziert, was einen Nettogewinn von zwei ATP ergibt. Die Glykolyse produziert auch zwei Moleküle Nikotinadenindinukleotid (NADH), die erzeugt werden, wenn Elektronen an das Coenzym NAD+ abgegeben werden. Die Glykolyse benötigt keinen Sauerstoff und setzt nur einen kleinen Teil der in Glukose gespeicherten chemischen Energie frei. Die meiste Energie verbleibt in den beiden Pyruvatmolekülen. Die Pyruvatmoleküle wandern aus dem Zytoplasma in das innere Kompartiment des Mitochondriums.

ABBILDUNG 3.22. Die Glykolyse ist eine mehrstufige Abfolge von Reaktionen im Zytoplasma. Glukose, ein Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen, wird in zwei Pyruvatmoleküle mit drei Kohlenstoffatomen gespalten.

Übergangsreaktion . Im inneren Kompartiment des Mitochondriums reagiert Pyruvat mit einer Substanz namens Coenzym A (CoA) in einer Reaktion, die als Übergangsreaktion bezeichnet wird. Die Übergangsreaktion führt zur Entfernung eines Kohlenstoffs (in Form von Kohlendioxid, CO2) aus jedem Pyruvat (Abbildung 3.23). Das resultierende Zwei-Kohlenstoff-Molekül, eine sogenannte Acetylgruppe, bindet dann an CoA, um Acetyl-CoA zu bilden. Aus jedem Pyruvat wird auch ein Molekül NADH produziert.

ABBILDUNG 3.23. Die Übergangsreaktion findet im Mitochondrium statt und ist das Bindeglied zwischen der Glykolyse und dem Zitronensäurezyklus.

Zitronensäurezyklus . Noch im inneren Kompartiment des Mitochondriums reagiert Acetyl-CoA mit einer Vier-Kohlenstoff-Verbindung in der ersten einer zyklischen Reihe von acht chemischen Reaktionen, die als Zitronensäure-Zyklus bekannt sind, benannt nach dem ersten Produkt (Zitronensäure oder Citrat), das entlang gebildet wird seine Route (Abbildung 3.24). Der Zyklus wird auch Krebs-Zyklus genannt – nach dem Wissenschaftler Hans Krebs, der viele der Reaktionen beschrieben hat. Anstatt jede der chemischen Reaktionen im Zitronensäurezyklus zu betrachten, werden wir einfach sagen, dass sie den Elektronenverlust aus Glukose vervollständigt und zwei Moleküle ATP (eines von jedem Acetyl-CoA, das in den Zyklus eintritt) und mehrere Moleküle NADH und . liefert FADH2 (Flavinadenindinukleotid). NADH und FADH2 sind Träger hochenergetischer Elektronen. Das in der Glykolyse, in der Übergangsreaktion und im Zitronensäurezyklus gebildete NADH und FADH2 gelangen in die Elektronentransportkette, die letzte Phase der Zellatmung. Auch im Zitronensäurekreislauf entsteht CO2 als Abfall.

ABBILDUNG 3.24. Der Zitronensäurezyklus ist eine zyklische Reihe von acht chemischen Reaktionen, die im Mitochondrium ablaufen und zwei Moleküle ATP und mehrere Moleküle NADH und FADH2 pro Glukosemolekül ergeben.

Elektronentransportkette . Während der letzten Phase der Zellatmung geben die in früheren Phasen produzierten Moleküle von NADH und FADH2 ihre Elektronen an eine Reihe von Trägerproteinen ab, die in die innere Membran des Mitochondriums eingebettet sind. Diese Proteine ​​werden als Elektronentransportkette bezeichnet (Abbildung 3.25). (Denken Sie daran, dass die innere Membran des Mitochondriums stark gefaltet ist und Platz für Tausende von Sätzen von Trägerproteinen bietet.) Während des Elektronentransfers von einem Protein zum nächsten wird Energie freigesetzt und zur Herstellung von ATP verwendet. Schließlich werden die Elektronen an Sauerstoff, den letzten Elektronenakzeptor, weitergegeben, der sich dann mit zwei Wasserstoffionen zu Wasser verbindet. Sauerstoff spielt eine entscheidende Rolle bei der Zellatmung. Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, sammeln sich Elektronen in den Trägerproteinen an, wodurch der Zitronensäurezyklus und die Zellatmung gestoppt werden. Aber wenn Sauerstoff vorhanden ist und die Elektronen aufnimmt, geht die Atmung weiter. Die Elektronentransportkette produziert 32 Moleküle ATP pro Molekül Glucose. Im Health Issue Essay, Mitochondriale Erkrankungen verursachen einen Energiemangel in unserem Körper, beschreiben wir, was passiert, wenn ein Mangel an Proteinen in der Elektronentransportkette vorliegt.

ABBILDUNG 3.25. Die Elektronentransportkette ist die letzte Phase der Zellatmung. Diese Phase ergibt 32 ATP-Moleküle pro Glucosemolekül.

Insgesamt produziert die Zellatmung im Allgemeinen 36 Moleküle ATP pro Molekül Glucose: 2 ATP aus der Glykolyse, 2 ATP aus dem Zitronensäurezyklus und 32 ATP aus der Elektronentransportkette. Die Ergebnisse der Zellatmung sind in Abbildung 3.26 zusammengefasst. Grundlegende Beschreibungen jeder Phase finden Sie in Tabelle 3.4.

TABELLE 3.4. Überprüfung der Zellatmung

Mehrstufiger Prozess, bei dem Glucose in 2 Pyruvate gespalten wird

Aus jedem Pyruvat wird ein CO2 entfernt, die resultierenden Moleküle binden an CoA und bilden 2 Acetyl-CoA

Zyklische Reihe von acht chemischen Reaktionen, durch die Acetyl-CoA abgebaut wird

Elektronen von NADH und FADH2 werden von einem Protein zum nächsten weitergegeben, wodurch Energie für die ATP-Synthese freigesetzt wird

ABBILDUNG 3.26. Zusammenfassung der Zellatmung. Die Zellatmung produziert 36 ATP pro Glucosemolekül (2 ATP aus der Glykolyse, 2 ATP aus dem Zitronensäurezyklus und 32 ATP aus der Elektronentransportkette).

Wie bereits erwähnt, hängt die Zellatmung von Sauerstoff als letztem Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette ab. Ohne Sauerstoff kommt die Transportkette zum Stillstand, wodurch der Zitronensäurezyklus blockiert und die Zellatmung gestoppt wird. Gibt es eine Möglichkeit für Zellen, Energie zu gewinnen, wenn Sauerstoffmoleküle knapp sind? Die Antwort ist ja, und der Weg ist die Fermentation.

Fermentation ist der Abbau von Glukose ohne Sauerstoff. Es beginnt mit der Glykolyse, die, wie Sie sich erinnern, im Zytoplasma stattfindet und keinen Sauerstoff benötigt. Die Glykolyse produziert aus einem Molekül Glukose jeweils zwei Moleküle Pyruvat, den Elektronenträger NADH und ATP. Die restlichen Fermentationsreaktionen finden ebenfalls im Zytoplasma statt, wobei Elektronen von NADH auf Pyruvat oder ein Pyruvat-Derivat übertragen werden. Dieser Elektronentransfer ist kritisch, da er NAD+ regeneriert, das für die Produktion von ATP durch Glykolyse unerlässlich ist. Denken Sie daran, dass Sauerstoff bei der Zellatmung der letzte Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette ist, während es bei der Fermentation Pyruvat oder ein Pyruvat-Derivat ist. Bei der Fermentation werden daher nur 2 Moleküle ATP gewonnen, verglichen mit den 36 Molekülen ATP, die durch die Zellatmung produziert werden (siehe wiederum Abbildung 3.26). Kurz gesagt, Fermentation ist für Zellen ein sehr ineffizienter Weg, um Energie zu gewinnen.

Die Milchsäuregärung findet im menschlichen Körper statt. Bei anstrengendem Training geht die Sauerstoffversorgung unserer Muskelzellen zur Neige. Unter diesen Bedingungen erhöhen die Zellen die Milchsäuregärung, um die kontinuierliche Produktion von ATP sicherzustellen. Die Muskelschmerzen, die wir nach intensivem Training oft verspüren, werden teilweise durch die Ansammlung von Milchsäure verursacht, einem Abfallprodukt dieser Art der Fermentation. Mit der Zeit verschwinden die Schmerzen, da die Milchsäure in den Blutkreislauf gelangt und zur Leber transportiert wird, wo sie wieder in Pyruvat umgewandelt wird.

Mitochondriale Erkrankungen Einen Energiemangel verursachen in unseren Körpern

Ausfälle im Stromnetz können dazu führen, dass viele Dienste – Luft- und Schienenverkehr, Kommunikation, Wasseraufbereitung, Heizung und Kühlung – verlangsamt werden und manchmal ausfallen. Eine ähnliche Situation kann in unserem Körper auftreten, wenn Mitochondrien, unsere energieverarbeitenden Organellen, versagen. Denken Sie daran, dass Mitochondrien Energie aus Nahrungsmolekülen in ATP umwandeln, damit die Zellen sie verwenden können, und dass mehrere Schritte der Zellatmung in Mitochondrien ablaufen und bestimmte Proteine ​​benötigen, um fortzufahren. Mehr als 40 Krankheiten, die zusammenfassend als mitochondriale Erkrankungen bezeichnet werden, können auf einen Mangel an Proteinen zurückzuführen sein, die im Energiestoffwechsel innerhalb der Mitochondrien funktionieren, einschließlich Proteinen, die Teil der Elektronentransportkette sind. Wenn Mitochondrien nicht richtig funktionieren, wird weniger Energie erzeugt, die Zellfunktion wird beeinträchtigt und es kann zum Zelltod kommen. Dies kann wiederum Gewebe, Organe und Organsysteme betreffen. Mitochondriale Erkrankungen verursachen die meisten Schäden an Körperteilen, die am meisten Energie benötigen, wie Gehirn, Herz, Lunge, Nieren, endokrine Drüsen und Skelettmuskulatur.

Jedes Jahr werden in den Vereinigten Staaten schätzungsweise 1000 bis 4000 Babys mit mitochondrialen Erkrankungen geboren. Viele Ärzte glauben, dass mitochondriale Erkrankungen unterdiagnostiziert und häufig fehldiagnostiziert werden, sodass die Schätzungen möglicherweise niedrig sind. Diese Krankheiten werden durch Mutationen (Veränderungen) in der DNA verursacht, die für Proteine ​​kodiert, die für den Energiestoffwechsel in den Mitochondrien entscheidend sind. Einige dieser Proteine ​​werden von mitochondrialer DNA kodiert, andere werden von nuklearer DNA kodiert und dann in die Mitochondrien importiert. Die Mutationen können spontan oder vererbt sein. Kinder erben nukleare DNA von ihrer Mutter und ihrem Vater, aber sie erben ihre mitochondriale DNA nur von ihrer Mutter. Auch Umweltfaktoren wie Infektionen und bestimmte Medikamente können die Mitochondrien schädigen.

Menschen mit einer mitochondrialen Erkrankung können müde werden und nicht zunehmen. Die Symptome bestimmter mitochondrialer Erkrankungen sind vielfältig, da sie widerspiegeln, welche Zellen und Organe die Mitochondrien beeinträchtigt haben. Wenn Zellen im Gehirn betroffen sind, können die Symptome Krampfanfälle, Entwicklungsverzögerungen und Demenz umfassen. Wenn Sinnesorgane wie Augen oder Ohren betroffen sind, kann es zu einer Verschlechterung oder einem vollständigen Verlust des Seh- oder Hörvermögens kommen. Skelettmuskelzellen mit defekten Mitochondrien können zu Muskelschwäche, Krämpfen und Trainingsunverträglichkeit führen. Manchmal sind mehrere Organsysteme betroffen. Darüber hinaus enthalten Zellen typischerweise Hunderte von Mitochondrien, so dass eine einzelne Zelle einige Mitochondrien haben kann, die normal sind und andere, die defekt sind (d. h. eine Mutation tragen). Die Gesundheit der Zellen (und die Schwere der Krankheitssymptome) hängt von den relativen Anteilen normaler und defekter Mitochondrien ab. Die Symptome können selbst bei Mitgliedern derselben Familie mit einer vererbten Mutation in der mitochondrialen DNA dramatisch variieren. Da einige Eizellen einer Frau große Anteile defekter Mitochondrien aufweisen können, während andere Eizellen überwiegend gesunde Mitochondrien aufweisen, hängt die Schwere der Symptome bei den Kindern dieser Frau vom Anteil der defekten Mitochondrien ab, die von ihrer Mutter an sie weitergegeben werden. Schließlich können die Symptome je nach Erkrankung im Säuglings-, Kindes- oder Erwachsenenalter auftreten. Der Beginn im Erwachsenenalter kann bei einer Person auftreten, die mit der genetischen Mutation geboren wurde, deren Symptome jedoch erst auftraten, als ein Umweltauslöser, wie eine schwere Krankheit, sie auslöste.

Mitochondriale Erkrankungen sind schwer zu diagnostizieren, daher überweisen die meisten Ärzte Patienten an ein geeignetes Forschungszentrum. Die Beurteilung in einem solchen Zentrum kann eine Erfassung der Familienanamnese, eine vollständige körperliche Untersuchung zur Charakterisierung betroffener Organsysteme (z und Produkte des Zellstoffwechsels, wie Laktat und Pyruvat. Eine Muskelbiopsie kann durchgeführt werden, um den Zustand der Mitochondrien in Muskelzellen zu beurteilen und festzustellen, ob bestimmte Proteine ​​​​vorhanden sind.

Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl betroffener Organsysteme und der Schwere der Symptome ist der Verlauf einer mitochondrialen Erkrankung schwer vorherzusagen. Tatsächlich kann die Lebensqualität einiger Patienten relativ gut sein, während andere schwere Symptome haben und die Kindheit nicht überleben. Es gibt keine bekannten Heilmittel für mitochondriale Erkrankungen, daher konzentrieren sich Mediziner darauf, die Symptome zu lindern und das Fortschreiten der Krankheit zu verlangsamen. Zum Beispiel kann ein Ernährungsberater Patienten helfen, ihr Gewicht zu halten oder zuzunehmen, und eine Physiotherapie kann Patienten helfen, deren Skelettmuskulatur betroffen ist. Auch wird den Patienten geraten, energetisch belastende Situationen wie Fasten oder extreme Kälte zu vermeiden. Mitochondriale Dysfunktion kann auch mit Autismus, Alterung und vielen chronischen Erkrankungen des Erwachsenenalters in Verbindung gebracht werden. Über die Rolle, die Mitochondrien für die menschliche Gesundheit spielen, muss noch viel gelernt werden.

•Stellen Sie sich eine Frau vor, die eine erbliche mitochondriale Erkrankung im Erwachsenenalter hat, die erst diagnostiziert wurde, nachdem sie zwei Söhne und eine Tochter hatte. Ihre Symptome sind relativ mild und ihre Krankheit wurde auf eine Mutation in ihrer mitochondrialen DNA zurückgeführt. Welches ihrer Kinder, wenn überhaupt, wird die Mutation erben?

• Welche Faktoren bestimmen das Ausmaß der Symptome bei einem betroffenen Kind? Wenn alle ihre Kinder das Erwachsenenalter erreichen und eigene Familien haben, welches ihrer Kinder wird die Mutation weitergeben?

In Kapitel 3 haben wir den Grundaufbau von Zellen kennengelernt. In Kapitel 4 beschreiben wir, wie spezialisierte Zellen Gewebe, Organe und Organsysteme bilden.

Hervorheben der Konzepte

Eukaryontische Zellen im Vergleich zu prokaryontischen Zellen (S. 45-47)

• Es gibt zwei Haupttypen von Zellen. Prokaryontischen Zellen, die nur bei Bakterien und Archaeen vorkommen, fehlen membrangebundene Organellen. Eukaryotische Zellen, die in allen anderen Organismen vorkommen, haben membrangebundene Organellen.

Zellgröße und Mikroskopie (S. 47)

• Wenn eine Zelle wächst, nimmt ihr Volumen mehr als ihre Oberfläche zu, daher treten bei einer zu großen Zelle Probleme auf, die durch eine unzureichende Oberfläche verursacht wird. Aus diesem Grund sind die meisten Zellen sehr klein.

• Da die meisten Zellen sehr klein sind, können sie nur mit einem Mikroskop betrachtet werden. Während Lichtmikroskope Lichtstrahlen verwenden, um Proben abzubilden, verwenden Elektronenmikroskope Elektronenstrahlen.Elektronenmikroskope können feinere Details erkennen, da die Wellenlänge eines Elektronenstrahls kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

Zellstruktur und -funktion (S. 47-48)

• Alle eukaryontischen Zellen haben bestimmte Merkmale gemeinsam, darunter eine Plasmamembran und membrangebundene Organellen. Strukturelle Unterschiede zwischen eukaryontischen Zellen spiegeln oft Unterschiede in der Funktion wider. Zum Beispiel hat ein Spermium einen Schwanz und eine stromlinienförmige Form, damit es zur Eizelle schwimmen kann. Im Gegensatz dazu ist das Ei groß, unbeweglich und vollgepackt mit Materialien, die benötigt werden, um die Entwicklung einzuleiten.

• Die Plasmamembran besteht aus Phospholipiden, die in einer Doppelschicht angeordnet sind, wobei Proteine ​​und Cholesterinmoleküle überall durchsetzt sind und Kohlenhydrate an der äußeren Oberfläche befestigt sind.

Die Struktur der Plasmamembran wird oft als Flüssigkeitsmosaik beschrieben.

• Die Plasmamembran erhält die Integrität der Zelle, reguliert die Bewegung von Substanzen in die und aus der Zelle, dient der Zell-Zell-Erkennung, fördert die Kommunikation zwischen Zellen und verbindet Zellen zu Geweben und Organen.

• Substanzen passieren die Plasmamembran auf verschiedene Weise. Einige kreuzen sich durch zufällige Bewegung von höherer zu niedrigerer Konzentration (einfache Diffusion), andere brauchen Hilfe von einem Träger- oder Kanalprotein (erleichterte Diffusion). Wasser bewegt sich auch von einer höheren zu einer niedrigeren Konzentration durch die Plasmamembran (Osmose). Von Zellen aufkonzentrierte Substanzen durchqueren die Plasmamembran von niedrigeren zu höheren Konzentrationen mit Hilfe von ATP und einem Trägerprotein (aktiver Transport). Schließlich können Zellen äußeres Material verschlingen, indem sie sie mit einer Plasmamembran umgeben (Endocytose) oder können Substanzen an die äußere Umgebung abgeben, indem sie innere Vesikel mit der Plasmamembran fusionieren und ihren Inhalt nach außen verschütten (Exocytose).

• Innerhalb einer eukaryontischen Zelle grenzen Membranen spezialisierte Kompartimente ab, in denen spezifische Prozesse ablaufen. Der Zellkern enthält fast die gesamte genetische Information und enthält somit den Code für die Struktur der Zelle und viele ihrer Funktionen. Der Nukleolus ist eine Region innerhalb des Kerns, die ribosomale RNA herstellt. Ribosomen sind die Stellen, an denen die Proteinsynthese beginnt. Endoplasmatisches Retikulum (ER) dient der Membranproduktion und kann mit Ribosomen besetzt sein (raues endoplasmatisches Retikulum, RER) oder frei von Ribosomen (smooth endoplasmatisches Retikulum, SER). Der Golgi-Komplex sortiert, modifiziert und verpackt Produkte des RER. Lysosomen verdauen Bakterien, die von Zellen verschlungen werden, und bauen alte oder defekte Bestandteile innerhalb der Zellen ab. Mitochondrien verarbeiten Energie für Zellen.

• Das Zytoskelett, ein komplexes Netzwerk von Fasern im gesamten Zytoplasma der Zelle, besteht aus drei Kategorien von Fasern, die alle aus Proteinen bestehen: Mikrotubuli, Mikrofilamente und Zwischenfilamente. Mikrotubuli sind hohle Tubulinstäbe, die bei der Zellbewegung (Zilien und Geißeln), der Unterstützung und der Bewegung von Chromosomen, Organellen und Vesikeln innerhalb von Zellen funktionieren. Mikrofilamente sind Aktinstäbe, die bei der Muskelkontraktion und Zellteilung wirken. Zwischenfilamente, bei denen es sich um verschiedene Arten von seilartigen Fasern handelt, behalten die Zellform bei und verankern die Organellen.

Zellatmung und Fermentation bei der ATP-Erzeugung (S. 59-64)

• Zellen benötigen Energie, um zu arbeiten. Diese Energie beziehen wir aus der Nahrung, die wir zu uns nehmen. Kohlenhydrate, Fette und Proteine, die wir konsumieren, werden jeweils von unserem Verdauungssystem in kleinere Einheiten wie Einfachzucker, Fettsäuren und Aminosäuren zerlegt. Diese einfacheren Substanzen werden in den Blutkreislauf aufgenommen und zu unseren Zellen transportiert, wo die in den chemischen Bindungen der Substanzen gespeicherte Energie für die Verwendung der Zelle auf die chemischen Bindungen von ATP übertragen wird. (Ein Teil der Energie wird auch als Wärme abgegeben.)

• Zellen nutzen zwei katabole Wege – Zellatmung und Fermentation – um das Kohlenhydrat Glukose abzubauen und seine Energie als ATP zu speichern. Die Zellatmung benötigt Sauerstoff und liefert normalerweise 36 Moleküle ATP pro Molekül Glukose.

• Die Zellatmung besteht aus vier Phasen – Glykolyse, Übergangsreaktion, Zitronensäurezyklus und Elektronentransportkette – die alle kontinuierlich innerhalb der Zellen ablaufen. Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt und spaltet Glukose in Pyruvat, während NADH (ein Träger hochenergetischer Elektronen) und eine Nettozunahme von 2 ATP produziert wird. Die Pyruvatmoleküle wandern aus dem Zytoplasma in das innere Kompartiment des Mitochondriums, wo sie einige vorbereitende Schritte, die sogenannte Übergangsreaktion, durchlaufen, bevor sie in den Zitronensäurezyklus eintreten. Der Zitronensäurezyklus ist ein achtstufiger Zyklus, der den Abbau von Glukose in Kohlendioxid vervollständigt. Der Zitronensäurezyklus liefert auch 2 ATP und Träger von hochenergetischen Elektronen (NADH und FADH2). In der Elektronentransportkette geben die Träger hochenergetischer Elektronen, die während der Glykolyse, der Übergangsreaktion und des Zitronensäurezyklus gebildet werden, ihre Elektronen an eine Reihe von Proteinen ab, die in die innere Membran des Mitochondriums eingebettet sind. Sauerstoff ist der letzte Elektronenakzeptor. Die beim Elektronentransfer freigesetzte Energie ergibt 32 ATP.

• Fermentation ist der Abbau von Glukose ohne Sauerstoff. Es kommt im Zytoplasma vor und beginnt mit der Glykolyse, der Spaltung von Glukose in Pyruvat. Die verbleibenden chemischen Reaktionen beinhalten die Übertragung von Elektronen von NADH auf Pyruvat oder ein Pyruvat-Derivat. Verglichen mit der Zellatmung ist die Fermentation für Zellen ein ineffizienter Weg, um Energie zu gewinnen, da sie nur 2 ATP im Vergleich zu den 36 ATP der Zellatmung liefert.

1. Wie unterscheiden sich prokaryontische und eukaryontische Zellen? S. 45-47

2. Beschreiben Sie den Aufbau der Plasmamembran. S. 48-49

3. Nennen Sie fünf Funktionen der Plasmamembran. P. 49

4. Was ist der Unterschied zwischen einfacher und erleichterter Verbreitung? Geben Sie jeweils ein Beispiel an. P. 50

5. Beschreiben und unterscheiden Sie Endozytose und Exozytose. S. 52-53

6. Wo befinden sich Chromosomen in der Zelle? P. 54

7. Nennen Sie zwei Funktionen von Lysosomen. S. 54, 56

8. Was sind lysosomale Speicherkrankheiten? P. 56

9. Nennen Sie die drei Fasertypen, aus denen das Zytoskelett besteht. Beschreiben Sie ihre Strukturen und Funktionen. P. 58

10. Was ist die Grundfunktion der Zellatmung? P. 59

11. Wie unterscheiden sich Zellatmung und Fermentation in Bezug auf die Anzahl der produzierten ATP-Moleküle und den Sauerstoffbedarf? P. 63-64

A. haben interne membrangebundene Organellen.

B. sind normalerweise größer als eukaryontische Zellen.

C. fehlen interne membranumschlossene Organellen.

D. haben lineare DNA-Stränge innerhalb eines Kerns.

A. ist selektiv durchlässig.

B. enthält Lipide, die bei der Zell-Zell-Erkennung wirken.

C. besitzt Zelladhäsionsmoleküle, die das Zusammenkleben der Zellen verhindern.

D. besteht aus Nukleinsäuren.

14. Erleichterte Verbreitung ist

A. die zufällige Bewegung einer Substanz von einem Bereich höherer Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration.

B. die Bewegung von Wasser durch die Plasmamembran.

C. die Bewegung von Molekülen durch die Plasmamembran gegen einen Konzentrationsgradienten mit Hilfe eines Trägerproteins und von der Zelle bereitgestellter Energie.

D. die Bewegung einer Substanz von einem Bereich höherer Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration mit Hilfe eines Membranproteins.

15. Fast die gesamte genetische Information einer Zelle befindet sich im

A. finden sich auf dem glatten endoplasmatischen Retikulum.

B. sind Stellen, an denen die Proteinsynthese beginnt.

C. Proteine ​​verarbeiten und modifizieren.

D. zerstöre fremde Eindringlinge und alte Organellen.

A. Prozessenergie für Zellen.

C. werden von einer einzigen Membran begrenzt.

D. Funktion bei der Zellverdauung.

A. kommen in eukaryotischen Flimmerhärchen und Flagellen vor.

B. bestehen aus dem Protein Aktin.

C. spielen eine Rolle bei der Muskelkontraktion.

D. während der Zellteilung eine Zelle in zwei Teile klemmen.

A. kommt in den Mitochondrien vor.

C. spaltet Glukose in Pyruvat.

D. 32 Moleküle ATP pro Molekül Glukose.

20. _____ ist die geleeartige Lösung in einer Zelle, die alles zwischen Kern und Plasmamembran enthält.

21. _____ heißt "Zelltrinken".

22. Die _____ ist eine spezialisierte Region innerhalb des Zellkerns, die an der Produktion von rRNA beteiligt ist.

23. _____ ist der letzte Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette.

24. Unsere Muskelzellen können bei Sauerstoffmangel von der Zellatmung auf _____ umschalten.

1. Würden Sie angesichts Ihres Wissens über die Zusammensetzung der Plasmamembran erwarten, dass ein Anästhetikum in Lipiden löslich oder unlöslich ist? Erkläre deine Antwort.

2. Würden Sie erwarten, mehr Mitochondrien in Muskelzellen oder Knochenzellen zu finden? Erkläre deine Antwort.

3. Während der Zellteilung teilen sich der Zellkern und das Zytoplasma einer Zelle in zwei Zellen. Krebs ist durch unkontrollierte Zellteilung gekennzeichnet und wird oft mit Chemotherapie behandelt. Einige Medikamente, die in der Chemotherapie verwendet werden, stoppen die Zellteilung, indem sie das Zytoskelett beeinflussen. Welche Elemente des Zytoskeletts (Mikrotubuli, Mikrofilamente, Intermediärfilamente) könnten betroffen sein?

Informationskompetenz werden

Bereiten Sie aus mindestens drei zuverlässigen Quellen eine Broschüre über die Tay-Sachs-Krankheit vor. Achten Sie darauf, die folgenden Abschnitte aufzunehmen: (1) Symptome (2) Ursachen (3) Übertragung (4) Diagnose (vor und nach der Geburt) (5) Behandlung, falls vorhanden und (6) Prognose. Listen Sie jede Quelle auf, die Sie in Betracht gezogen haben, und erklären Sie, warum Sie die von Ihnen verwendeten Quellen ausgewählt haben.

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3.4C: DNA-Verpackung - Biologie

Eukaryoten haben im Vergleich zu Prokaryoten ein großes Genom. Um ihr Genom in eine Zelle einzupassen, müssen Eukaryoten ihre DNA fest im Zellkern verpacken. Dazu wird DNA um Proteine, die Histone genannt, gewickelt, um Nukleosomen zu bilden, die Haupteinheit der DNA-Verpackung. Nukleosomen wickeln sich dann zu kompakten Fasern, die als Chromatin bekannt sind.

Sie haben genug DNA, um sich hunderte Male bis zur Sonne und zurück zu dehnen

Die meisten Zellen des menschlichen Körpers enthalten etwa 3 Milliarden Basenpaare DNA, die in 23 Chromosomenpaare verpackt sind. Es ist schwer vorstellbar, wie viel DNA diese Zahlen darstellen. Wie viel Packung muss also passieren, damit das Genom in eine Zelle passt?

Wir können einen Einblick gewinnen, indem wir das Genom in Bezug auf die Länge ausdrücken. Wenn wir die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle, wie einer Hautzelle, in einer geraden Linie anordnen würden, wäre sie zwei Meter lang und über 6,5 Fuß lang. Der menschliche Körper enthält etwa 50 Billionen menschliche Zellen. Das bedeutet, dass jeder Mensch insgesamt etwa 100 Billionen Meter DNA besitzt. Mit anderen Worten, jeder Mensch hat genug DNA, um sich 300 Mal von der Erde bis zur Sonne zu erstrecken!

Und Menschen haben keine besonders großen Genome und die vieler Fische, Amphibien und Blütenpflanzen sind viel größer. Zum Beispiel das Genom der Blütenpflanze Paris japonica ist 25-mal größer als das diploide Genom des Menschen. Diese Zahlen unterstreichen die erstaunliche Aufgabe, die Eukaryoten erfüllen müssen, um ihre DNA in Zellen zu verpacken.

Nukleosomen sind zentrale Akteure bei der DNA-Verpackung

Jedes Nukleosom besteht aus DNA, die um einen Kern von acht Histonproteinen gewickelt ist. Jeder Kern besteht aus vier verschiedenen Histone-Typen H2A, H2B, H3 und H4, die jeweils in zwei Kopien vorliegen. Ein anderer Typ von Histon&mdashH1&mdash bindet sowohl an das Nukleosom als auch an die Linker-DNA und stabilisiert die Struktur.

DNA wird kompakter, da Nukleosomen und Linker-DNA zu Chromatinfasern gewickelt werden. Nicht kondensierte Chromatinfasern oder Euchromatin haben einen Durchmesser von ungefähr 10 nm. Nukleosomen ähneln in diesen Fasern Perlen an einer Schnur. Während die DNA weiter kondensiert, wickeln sich die 10-nm-Fasern zu etwa 30 nm dicken Strängen zusammen, die wiederum Schleifen bilden, die 300 nm dicke Fasern ergeben. Wenn Chromatin vollständig verdichtet ist, wird es als Heterochromatin bezeichnet.

Die locker gepackte Struktur von Euchromatin ermöglicht Enzymen wie der RNA-Polymerase den Zugang zur DNA. Die Transkription findet daher überwiegend in euchromatischen Regionen des Genoms statt, die reich an Genen sind. Im Gegensatz dazu blockiert die dicht gepackte Struktur von Heterochromatin den Zugang zur DNA und verhindert die Transkription. Heterochromatin überwiegt in den Zentromeren und Telomeren der Chromosomen, wo sich stark repetitive DNA-Sequenzen viel häufiger vorkommen als Gene. Darüber hinaus können Organismen den Grad der DNA-Packung als Reaktion auf zelluläre und externe Umweltreize dynamisch anpassen, DNA dekondensieren, wenn Gene eingeschaltet werden müssen, und sie erneut kondensieren, um sie auszuschalten.

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Verpackung von DNA-Molekülen in Chromosomen

Eine menschliche Zelle enthält 46 Chromosomen (23 Paare), von denen jedes ein einzelnes DNA-Molekül ist, das mit verschiedenen Proteinen gebündelt ist. Im Durchschnitt enthält jedes menschliche Chromosom etwa 1,3 x 108 Basenpaare (bp) DNA. Wenn die DNA in einem menschlichen Chromosom so gestreckt wäre,

DNA muss stark verdichtet werden, um

DNA muss stark verdichtet werden, um zu Nukleosomen ("beads on a string")

Abbildung 4.5. Wie DNA in Chromosomen verpackt wird.

Nukleosomen ("Perlen an einer Schnur")

Abbildung 4.5. Wie DNA in Chromosomen verpackt wird.

so weit es gehen würde, ohne zu brechen, wäre es etwa 5 cm lang, so dass die 46 Chromosomen insgesamt etwa 2 m DNA darstellen. Der Kern, in dem diese DNA enthalten sein muss, hat einen Durchmesser von nur etwa 10 µm, daher müssen große Mengen DNA auf kleinem Raum verpackt werden. Dies stellt ein gewaltiges Problem dar, das gelöst wird, indem die DNA an Proteine ​​gebunden wird, um Chromatin zu bilden. Wie in Abbildung 4.5 gezeigt, ist die DNA-Doppelhelix sowohl in kleinem als auch in größerem Maßstab verpackt. Im ersten Schritt, rechts im Bild, wird die DNA-Doppelhelix mit einem Durchmesser von 2 nm an Proteine, sogenannte Histone, gebunden. Histone sind positiv geladen, weil sie hohe Mengen der Aminosäuren Arginin und Lysin (Seite 185) enthalten und fest an die negativ geladenen Phosphate der DNA binden. Eine DNA-Länge von 146 bp wird um einen Proteinkomplex gewunden, der aus zwei Molekülen mit jeweils vier verschiedenen Histonen besteht – H2A, H2B, H3 und H4 –, um ein Nukleosom zu bilden. Da jedes Nukleosom durch etwa 50 bp Linker-DNA von seinem Nachbarn getrennt ist, sieht dieser entfaltete Chromatinzustand im Elektronenmikroskop wie Perlen an einer Schnur aus. Nukleosomen werden einer weiteren Verpackung unterzogen. Ein fünfter Histontyp, H1, bindet an die Linker-DNA und zieht die Nukleosomen zusammen, wodurch die DNA weiter zu Chromatinfasern mit einem Durchmesser von 30 nm gewickelt wird, die als 30-nm-Solenoide bezeichnet werden. Die Fasern bilden dann mit Hilfe einer Klasse von Proteinen, die als Nichthistone bekannt sind, Schleifen, und dies verdichtet die DNA weiter (Tafeln auf der linken Seite von Abb. 4.5) in einem als Supercoiling bezeichneten Prozess zu einem Satz von Spulen höherer Ordnung.

In einer normalen Interphase-Zelle sind ca. 10 % des Chromatins stark verdichtet und unter dem Lichtmikroskop sichtbar (Seite 57). Diese Form von Chromatin wird Heterochromatin genannt und ist der Teil des Genoms, in dem keine RNA-Synthese stattfindet. Das verbleibende Zwischenphasenchromatin ist weniger kompakt und wird als Euchromatin bezeichnet.

Chromatin ist in seiner am stärksten verdichteten Form, wenn sich die Zelle auf die Mitose vorbereitet, wie oben links in Abbildung 4.5 gezeigt. Das Chromatin faltet und kondensiert weiter, um die 1400 nm breiten Chromosomen zu bilden, die wir unter dem Lichtmikroskop sehen. Da sich die Zelle teilen soll, wurde die DNA repliziert, sodass jedes Chromosom nun aus zwei Chromatiden besteht, von denen jedes eine DNA-Doppelhelix ist. Dies bedeutet, dass die Nachkommenzelle, die durch Teilung der Vorläuferzelle entsteht, einen vollständigen Satz von 46 Chromosomen erhält. Abbildung 4.6 ist eine Fotografie menschlicher Chromosomen, wie sie bei der Zellteilung erscheinen.

Das Chromosom des Bakteriums E. coli ist ein einzelnes zirkuläres DNA-Molekül von etwa 4,5 x 106 Basenpaaren. Es hat einen Umfang von 1 mm, muss aber in die 1-^.m-Zelle passen, also ist es wie eukaryotische Chromosomen gewunden, supergewunden und mit basischen Proteinen verpackt, die eukaryotischen Histonen ähnlich sind. Jedoch wird bei Prokaryonten keine geordnete Nukleosomenstruktur beobachtet, die den in eukaryontischen Zellen beobachteten "Kügelchen an einer Schnur" ähnlich ist. Prokaryonten haben keine Kernhüllen, so dass das kondensierte Chromosom zusammen mit seinen assoziierten Proteinen frei im Zytoplasma liegt und eine Masse bildet, die als Nukleoid bezeichnet wird, um seine funktionelle Äquivalenz zum eukaryotischen Kern zu betonen.

Plasmide

Plasmide sind kleine kreisförmige Minichromosomen, die in Bakterien und einigen Eukaryoten vorkommen. Sie sind mehrere tausend Basenpaare lang und wahrscheinlich eng gewickelt und supergewickelt im Inneren der Zelle. Plasmide kodieren oft für Proteine, die Resistenz gegen ein bestimmtes Antibiotikum verleihen. In Kapitel 7 beschreiben wir, wie Wissenschaftler und Gentechniker Plasmide verwenden, um künstlich fremde DNA-Moleküle in Bakterienzellen einzuführen.

Viren (Seite 11) verlassen sich darauf, dass die Wirtszelle mehr Viren produziert. Sobald Viren in Zellen eingedrungen sind, wird die Maschinerie der Zellen verwendet, um das virale Genom zu kopieren. Je nach Virustyp kann das Genom einzel- oder doppelsträngige DNA oder sogar RNA sein. Ein virales Genom ist in eine schützende Proteinhülle verpackt. Viren, die Bakterien infizieren, werden Bakteriophagen genannt. Eines davon, Lambda genannt, hat ein DNA-Molekül fester Größe von 4,5 x 104 Basenpaaren. Im Gegensatz dazu kann der Bakteriophage M13 seine Chromosomengröße ändern, wobei sich seine Proteinhülle parallel ausdehnt, um das Chromosom aufzunehmen. Dies macht M13 für die Gentechnik nützlich (Kapitel 7).

IN TIEFE 4.2 DNA – Ein gordischer Knoten_

Zu Beginn seiner Karriere wurde Alexander dem Großen der Gordische Knoten gezeigt, ein verschlungener Knäuel aus verknoteten Seilen, und er sagte, dass jeder, der den Knoten löste, Asien erobern würde. Alexander durchtrennte den Knoten mit seinem Schwert. Ein ähnliches Problem tritt im Zellkern auf, wo die 46 Chromosomen 2 m verhedderte, verknotete DNA bilden. Wie entwirrt sich die DNA jemals bei der Mitose? Die Zelle übernimmt Alexanders Lösung – sie schneidet das Seil. Überall dort, wo die DNA-Helix belastet wird, zum Beispiel, wo zwei Chromosomen gegeneinander drücken, schneidet ein Enzym namens Topoisomerase II eine Chromosomen-Doppelhelix so, dass die andere durch die Lücke passen kann. Dann übertrifft das Enzym Alexander und verbindet sich wieder mit den abgeschnittenen Enden. Topoisomerasen sind im Zellkern die ganze Zeit aktiv und entlasten jede Belastung, die sich in der verknoteten DNA-Masse entwickelt.


Forscher enthüllen das Innenleben eines viralen DNA-Verpackungsmotors

Eine Gruppe von Forschern hat das detaillierte Innenleben des molekularen Motors entdeckt, der genetisches Material in doppelsträngige DNA-Viren verpackt. Der Fortschritt bietet Einblicke in einen kritischen Schritt im Reproduktionszyklus von Viren wie Pox-Herpes- und Adeno-Viren. Es könnte auch Forscher inspirieren, die mikroskopische Maschinen auf der Grundlage natürlich vorkommender Biomotoren entwickeln.

Die Forschung wurde von Wissenschaftlern der Duke University, der University of Minnesota, der University of Massachusetts und der University of Texas Medical Branch (UTMB) durchgeführt. Die Ergebnisse erscheinen online in einer Trilogie von Veröffentlichungen in Wissenschaftliche Fortschritte, Proceedings of the National Academy of Sciences und Nukleinsäureforschung.

"Es gab mehrere fehlende Informationen, die uns daran hinderten, die Funktionsweise dieser Art von DNA-Verpackungsmotoren zu verstehen, was unsere Fähigkeit behinderte, Therapeutika zu entwickeln oder neue Technologien zu entwickeln", sagte Gaurav Arya, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften, Biomedizinische Technik, und Chemie bei Duke. "Aber mit neuen Erkenntnissen und Simulationen konnten wir ein Modell dieses fantastischen Mechanismus zusammenstellen, der das detaillierteste ist, das jemals für diese Art von System erstellt wurde."

Viren gibt es in vielen Varianten, aber ihre Klassifizierung hängt im Allgemeinen davon ab, ob sie ihre genetischen Baupläne in RNA oder einzel- oder doppelsträngige DNA kodieren. Der Unterschied ist in vielerlei Hinsicht von Bedeutung und beeinflusst, wie das genetische Material in neue Viren verpackt wird. Während einige Viren um neu produzierte RNA oder DNA einen Proteinbehälter namens Kapsid bauen, erzeugen andere zuerst das Kapsid und füllen es dann mit dem genetischen Material.

Die meisten doppelsträngigen DNA-Viren gehen den letzteren Weg, der viele Herausforderungen mit sich bringt. DNA ist negativ geladen und möchte nicht auf engstem Raum zusammengepfercht werden. Und es ist in eine extrem dichte, fast kristalline Struktur verpackt, die auch viel Kraft erfordert.

"Der Vorteil davon ist, dass, wenn das Virus bereit ist, eine neue Zelle zu infizieren, der Druck dabei hilft, DNA in die Zelle zu injizieren, sobald sie punktiert ist", sagte Joshua Pajak, ein Doktorand, der in Aryas Labor arbeitet. "Es wurde geschätzt, dass der Druck 800 PSI überschreitet, was fast das Zehnfache des Drucks in einer verkorkten Flasche Champagner ist."

Um DNA bei diesem Druck in ein winziges Kapsid zu zwingen, ist ein extrem leistungsstarker Motor erforderlich. Bis vor kurzem hatten die Forscher nur eine vage Vorstellung davon, wie dieser Motor funktioniert, da er schwer zu visualisieren ist. Der Motor setzt sich nur auf dem im Vergleich zum Motor enormen Viruspartikel zusammen.

"Der Versuch, den mit dem Virus verbundenen Motor zu sehen, ist wie der Versuch, die Details in der Fackel der Freiheitsstatue zu sehen, indem man ein Foto der gesamten Statue macht", sagte Pajak.

Aber auf einer kürzlich durchgeführten Konferenz erfuhr Pajak, dass Marc Morais, Professor für Biochemie und Molekularbiologie an der UTMB, und Paul Jardine, Professor für diagnostische und biologische Wissenschaften an der University of Minnesota, seit Jahren an diesem Motor arbeiteten und die Ausrüstung und Fähigkeiten, die erforderlich sind, um die Details zu sehen. Einige ihrer ersten Ergebnisse schienen den Modellen zu entsprechen, die Pajak mit den wenigen Informationen baute, die bereits verfügbar waren. Die Gruppe war begeistert, dass ihre einzelnen Ergebnisse zu einem gemeinsamen Mechanismus führten, und machte sich schnell daran, das Geheimnis des Virusmotors gemeinsam zu lösen.

In einem Papier veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte, lösten Morais und seine Kollegen die Details des gesamten Motors in einer seiner Konfigurationen. Sie fanden heraus, dass der Motor aus fünf Proteinen besteht, die ringförmig miteinander verbunden sind. Jedes dieser Proteine ​​ist wie zwei Saugnäpfe mit einer Feder dazwischen, die es dem unteren Teil ermöglicht, sich in einer helikalen Formation vertikal zu bewegen, damit er am helikalen Rückgrat der DNA greifen kann.

"Da man etwa 100.000 dieser Motoren auf einen Stecknadelkopf stecken könnte und sie alle wackeln, war es schwierig, sie genau zu betrachten", sagte Morais. "Aber nachdem meine UTMB-Kollegen Michael Woodson und Mark White uns geholfen hatten, sie mit einem Kryo-Elektronenmikroskop abzubilden, ergab sich ein allgemeiner Rahmen des Mechanismus."

In einem zweiten Artikel, veröffentlicht in Nukleinsäureforschung, nahm die Morais-Gruppe den Motor in einer zweiten Konfiguration mit Röntgenkristallographie auf. Diesmal waren die unteren Saugnäpfe des Motors alle zu einem ebenen Ring zusammengeknüllt, was die Forscher vermuten ließ, dass der Motor DNA in das Virus transportieren könnte, indem er zwischen den beiden Konfigurationen ratschete.

Um diese Hypothese zu testen, führten Pajak und Arya Hochleistungssimulationen auf Anton 2 durch, dem schnellsten derzeit verfügbaren Supercomputer für Molekulardynamiksimulationen. Ihre Ergebnisse unterstützten nicht nur den vorgeschlagenen Mechanismus, sondern lieferten auch Informationen darüber, wie genau sich die Zahnräder des Motors zwischen den beiden Konfigurationen verdrehen.

Während die Oberseiten der Proteine ​​statisch mit dem Viruspartikel verbunden bleiben, bewegen sich ihre unteren Hälften in einem zyklischen Muster auf und ab, das von einem energietragenden Molekül namens ATP angetrieben wird. Sobald sich alle Proteine ​​nach oben bewegt haben – die DNA mit sich ziehend – setzen die Proteine ​​das Nebenprodukt der chemischen ATP-Reaktion frei. Dies führt dazu, dass der untere Ring die DNA freisetzt und wieder in ihren ursprünglichen helikalen Zustand zurückreicht, wo sie erneut an mehr ATP und DNA greifen, um den Vorgang zu wiederholen.

"Joshua hat viele Hinweise und Informationen zusammengetragen, um dieses Modell zu erstellen", sagte Arya. „Aber ein Modell ist nur dann sinnvoll, wenn es neue Erkenntnisse vorhersagen kann, die wir noch nicht wussten.“

Im Kern besteht das Modell aus einer Reihe mechanischer Aktionen, die zusammenpassen und nacheinander ablaufen müssen, damit alles richtig funktioniert. Die Simulationen von Pajak sagten eine bestimmte Reihe von mechanischen Signalen voraus, die dem Boden der Proteine ​​sagen, ob sie die DNA greifen sollten oder nicht. Wie eine Reihe von fallenden Dominosteinen sollte das Entfernen eines der Signalwege aus der Mitte die Kettenreaktion stoppen und das Signal blockieren.

Um diese Vorhersage zu bestätigen, wandten sich die Forscher an Jardine und ihre Kollegen Shelley Grimes und Dwight Anderson, um zu sehen, ob das Entfernen eines der Signaldominosteine ​​den Motor tatsächlich daran hinderte, DNA zu verpacken. Ein drittes Papier, veröffentlicht in PNAS, zeigt, dass die Sabotage funktioniert hat. Nachdem ein Domino im Signalweg so mutiert war, dass er nicht mehr funktionieren konnte, konnte der Motor immer noch genauso gut Kraftstoff binden und verbrennen, aber es war viel schlimmer, DNA tatsächlich zu verpacken.

"Der neue Mechanismus, der von den hochauflösenden Strukturen und den detaillierten Vorhersagen vorhergesagt wurde, lieferte einen höheren Detaillierungsgrad als wir je zuvor hatten", sagte Jardine. "Dadurch konnten wir die Rolle kritischer Komponenten des Motors testen und somit die Gültigkeit dieses neuen Mechanismus nach unserem derzeitigen Verständnis beurteilen."

Das Ergebnis ist ein starker Hinweis darauf, dass das Modell der Beschreibung des Verhaltens des Motors in der Natur sehr nahe kommt. Die Gruppe plant, ihren hochintegrierten strukturellen, biochemischen und Simulationsansatz fortzusetzen, um das vorgeschlagene Modell weiter zu testen und zu verfeinern. Sie hoffen, dass dieses grundlegende Verständnis möglicherweise eines Tages zur Bekämpfung von Krankheiten oder zur Entwicklung eines synthetischen molekularen Motors genutzt werden könnte.

„Alle Technologien sind auf die eine oder andere Weise von der Natur inspiriert“, sagte Arya. "Jetzt, da wir wirklich wissen, wie dieser molekulare Motor funktioniert, wird er hoffentlich andere Forscher inspirieren, neue Erfindungen mit denselben Mechanismen zu machen."


Chromosomen/Chromatiden

  • Chromosomen und Chromatiden kommen als stäbchen- oder fadenförmige Strukturen im Zellkern eukaryontischer Zellen vor. Prokaryoten haben normalerweise nur ein einziges zirkuläres Chromosom (in der Webserie werden wir uns nicht auf diese Gruppe konzentrieren). Der Name Chromosom (von griechisch chroma = Farbe und soma = Körper) kommt daher, dass Chromosomen als anfärbbare Körper im Lichtmikroskop bei der Zellteilung beobachtet werden können.
  • Chromosomen und Chromatiden enthalten Chromatin, die hauptsächlich aus extrem langen Ständen von DNA Material (Desoxyribonukleinsäure), das als Träger von Genen und regulatorischen Elementen fungiert. Außerdem enthält Chromatin Histone (Chromosomenproteine) und andere Proteine an der Verpackung der DNA-Stränge während der Kondensation bei der Zellteilung beteiligt (siehe Abbildung E hier unten) und geringe Mengen an RNA. /> />
  • Schwesterchromatiden (mit -tid am Ende), sind zwei identische (= exakt gleiche) Teile (Chromatiden) aus der Replikation eines Chromosoms. (In der nächsten Abbildung sind die Schwesterchromatiden A1 und A2 eine exakte Kopie voneinander, sowie die Menge B1 und B2, während die Homologen A und B kleine Unterschiede aufweisen). Diese beiden Teile behalten die Bezeichnung Chromatiden, solange sie durch das Zentromer miteinander verbunden sind, was beispielsweise während der gesamten S-Phase nach Duplikation der DNA (Replikation) der Fall ist. Diese Verbindung ist als Einschnürung während der Mitose oder Meiose sichtbar. Während der Anaphase in der Mitose und der Anaphase II in der Meiose werden die beiden Schwesterchromatiden am Zentromer auseinandergezogen. Nach derzeitiger Definition gilt jedes einzelne Chromatid nach der Trennung der Chromatiden bei der Zellteilung als eigenes Chromosom.
  • In den meisten Organismen kommen Chromosomen paarweise vor, die sogenannten homologe Chromosomen (homolog = ähnlich/entsprechend). Im Gegensatz zu den Schwesterchromatiden bestehen die homologen Chromosomen aus zwei (leicht) unterschiedlich Kopien der gleichen Chromosomenhomologen Chromosomen tragen noch die gleichen Gene, aber die beiden Kopien jedes Allels können entweder identisch oder voneinander verschieden sein.
  • Ein einzelnes Chromosom enthält nur ein einzelnes langes unverzweigtes doppelsträngige DNA Molekül, das die typischen Doppelhelix-Struktur. Diese doppelsträngige DNA wird durch eine Phosphatgruppe im Wechsel mit einer Desoxyribosegruppe gebildet, die durch Nukleinsäuren (Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin) aneinander gekoppelt sind. Diese Nukleinsäuren bilden konsistente Paare (AT und CG). Von jedem komplementären Strang des DNA-Moleküls ist der Antisense kann für die Synthese von Proteinen gelesen (als Vorlage verwendet) werden, aber nicht die Sinn.
  • Die ploidie bezieht sich auf die Anzahl der verschiedenen Kopien jedes Chromosoms, die in einer Zelle vorhanden sind. Die meisten Pflanzen und Tiere sind diploid, gekennzeichnet durch 2n, was bedeutet, dass es pro Zelle zwei Kopien jedes Chromosoms gibt. Ihre Gameten sind jedoch haploid, angezeigt durch n (ein einziges Exemplar). Bakterien und einige Pflanzen und Pilze sind haploide Organismen.
  • Die Anzahl der Chromatiden oder Chromosomen, die für die gleichen (entsprechenden) Gene innerhalb einer Zelle kodieren, wird manchmal durch den kleinen Buchstaben angegeben C. Zum Beispiel wird eine Zelle, die vor der Replikation 2c war, nach der Replikation zu 4c, also wenn die DNA zur Vorbereitung der Mitose verdoppelt wurde, weil vier Proben von DNA-Ständen vorhanden sind, die für die gleichen Gene kodieren, aber die Ploidie bleibt unverändert : Wenn die Zelle 2n war, ist sie nach der Replikation immer noch 2n und 4n bleibt 4n.
  • Neben den Genen, die als Archiv für genetische Informationen fungieren, tragen Chromosomen auch DNA-Stücke zwischen den Genen, die eine strukturelle Funktion haben. Dies ist der Fall für die Telomer und Zentromer die an der Replikation und Zellteilung beteiligt sind. Das Zentromer (Centron = Mitte, Meros = Teil) ist der Bereich des Chromosoms, in dem die durch die Replikation entstehenden Chromatiden zusammengehalten werden. Das Zentromer beherbergt die Kinetochor, ein Proteinkomplex, an dem sich die Spindelfilamente während der Mitose oder Meiose anlagern. Da das Zentromer während der Prophase und Metaphase relativ wenig spiralisiert bleibt, kann es als primäre "Pinch" unterschieden werden.
  • Das Telomer (gr. telos = Ende, meros = Teil) ist ein DNA-Stück, das sich am Ende der Chromosomen befindet und dazu dient, DNA-Korruption zu verhindern. Stark wiederholende, sogenannte Satellitensequenzen sind mit Telomeren verwandt. Bei der Replikation geht manchmal ein Teil der Telomere verloren, so dass sie nach der Zellteilung kürzer erscheinen. Wenn das Enzym Telomerase in der Zelle vorhanden ist, können Telomere ihre Länge wiederherstellen, aber eine zu starke Verkürzung führt zu Chromosomeninstabilität und irreversiblen Schäden, so dass die Teilung behindert wird und schließlich der Zelltod eintritt. Auf der anderen Seite können sich Zellen mit aktiver Telomerase weiter teilen.