Histologie (Springer-Lehrbuch) (German Edition)

479 Pages·2004·15.7 MB·English

by  L.C.U. Junqueira

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Zellaufbau
1.1 Plasmamembran – 3
1.1.1 Transportvorgänge – 3
1.1.2 Rezeptoren und Signalverarbeitung – 5
1.1.3 Kanäle – 6
1.2 Endoplasmatisches Retikulum – 9
1.3 Golgi-Apparat – 11
1.4 Lysosomen – 13
1.5 Peroxisomen – 17
1.6 Mitochondrien – 17
1.7 Weitere Strukturen des Zytoplasmas – 19
2 Kapitel 1 · Zellaufbau
> > Einleitung Aufbau und Eigenschaften von Membranen Biologische
1
Membranen bestehen aus Lipiden und Proteinen. Bei den
Zellen sind die kleinsten lebensfähigen Einheiten des Lipiden handelt es sich hauptsächlich um Phospholipide
menschlichen Körpers. Trotz unterschiedlicher Formen und Cholesterin. Phospholipide haben die bemerkens-
und Größen (Durchmesser meist zwischen 10 und 50 µm) werte Eigenschaft, sich in einer wässrigen Umgebung
sind die Zellen aus gleichen Komponenten aufgebaut. Der entweder in Form von Liposomen oder Mizellen zusam-
Zellkern ((cid:1) s. Kap. 2), den man bereits im Lichtmikroskop menzulagern (⊡ Abb. 1.2). In den Liposomen grenzen
beurteilen kann, ist von Zytoplasma umgeben. Dazu ge- Lipidmembranen, d.h. Doppelschichten aus Phospholi-
hören die Zellorganellen, die im Elektronenmikroskop piden einen kleinen wässrigen Raum von der gleichfalls
sichtbar sind und die löslichen Komponenten (Zytosol) wässrigen Umgebung ab. Die Doppelschichten (englisch:
(⊡ Abb. 1.1). Biologische Membranen umhüllen die Zellen bilayer) sind aus Lipiden so regelmäßig aufgebaut, dass
und grenzen den Zellkern und die Zellorganellen gegen- sie eine konstante Dicke von 5 nm besitzen. Phospholipide
über dem restlichen Zytoplasma ab. Dadurch entstehen sind aus hydrophoben, d.h. Wasser abweisenden, Anteilen
Kompartimente, d.h. Räume, in denen unterschiedliche (langkettige Fettsäuren) und hydrophilen (wasserbin-
Stoffwechselvorgänge stattfinden können. denden) Kopfgruppen aufgebaut. Letztere bestehen aus
⊡ Abb. 1.1. Die Strukturen der Zellen. Im
Zentrum der in der Mitte gezeichneten
Modellzelle steht der bereits im Licht-
mikroskop sichtbare Zellkern. Er ist vom
Zytoplasma umgeben, welches aus den
löslichen Komponenten (Zytosol) und
den Zellorganellen besteht. Diese sind
vergrößert, wie sie im Elektronenmikro-
skop sichtbar sind, dargestellt und ihre
wichtigsten Funktionen sind benannt.
Das Zellinnere wird durch die Plasma-
membran begrenzt. (Nach Junqueira
1996)
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3
1.1 · Plasmamembran
1.1.1 Transportvorgänge
Es bestehen große Unterschiede in der ionalen Zusam-
mensetzung des Zytoplasmas im Vergleich zur extrazel-
lulären Flüssigkeit (⊡ s. Tabelle 1.1). Man bezeichnet diese
Unterschiede als Ionengradienten. Zu deren Aufbau be-
nötigen Enzyme, die auch als Pumpen bezeichnet wer-
den, Stoffwechselenergie (ATP). Dieser Transport wird
daher aktiv genannt. Andere Systeme der Plasmamemb-
ran (Transporter = Carrier) nutzen entweder die Ionen-
gradienten als Energiequelle oder sie transportieren wie
Kanäle Stoffe nur in der Richtung, die von den Gradienten
vorgegeben werden.
⊡ Abb. 1.2. Aufbau von Mizellen und Lipidmembranen (Liposomen)
Ionengradienten Die intra- bzw extrazellulären Kon-
Glyzerin, Phosphorsäure und dem Aminoalkohol Cholin, zentrationen an Na+ und K+ sind entgegengesetzt und
der durch Ethanolamin oder die Aminosäure Serin ersetzt unterscheiden sich jeweils um etwa den Faktor 10. Auch
sein kann. In Liposomen und Mizellen sind die hydrophi- bei den Anionen und dem für biologische Steuerprozesse
len Kopfgruppen der Phospholipide dem Wasser zuge- sehr wichtigen Ca2+ bestehen sehr große Unterschiede zu
wandt, während deren hydrophobe Anteile das Innere der beiden Seiten der Zellmembran. Ionengradienten können
Doppelschicht bzw. der Mizellen bilden. von Lipidmembranen, dank ihrer Eigenschaften, für eine
Aus Phospholipiden und Cholesterin aufgebaute Li- gewisse Zeit aufrechterhalten werden (s. oben). Zum Auf-
pidmembranen besitzen folgende Eigenschaften, die für bau und Erhalt der Ionengradienten und zum Transport
die Funktion der Zelle und ihrer Organellen von großer von geladenen und hydrophilen Stoffen werden zusätz-
Bedeutung sind: Kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff liche Komponenten benötigt. Membranproteine, einge-
und Kohlendioxid können sehr schnell durch diese Mem- bettet in die oben beschriebene Lipidmembran, können
branen hindurchtreten. Diese Eigenschaften bieten güns- diese Aufgaben erfüllen. Durch den Einbau von Protei-
tige Voraussetzungen für den Gasaustausch. Auch kleine nen entsteht eine so genannte biologische Membran, die
ungeladene polare Moleküle wie Wasser und Harnstoff aus Lipiden und Proteinen besteht. Im Mittel besteht eine
diffundieren durch den Bilayer, die etwas größere Glukose biologische Membran je zur Hälfte (des Gewichts) aus
jedoch kaum. Für Ionen wie Na+, K+ und Ca2+, aber auch Protein und Lipid.
für Aminosäuren, wirken die Lipidmembranen als Barri-
ere. Sie verhindern den Verlust von Ionen, Glukose, Ami- Na+-K+-ATPase Die entgegengesetzten Gradienten von
nosäuren und deren Metaboliten aus den verschiedenen Natrium und Kalium über die Plasmamembran sind ein
Kompartimenten der Zelle. Werk der Na+-K+-ATPase, die bis zu 100 mal pro Sekunde
unter Verbrauch von je einem Molekül ATP als Energie-
quelle drei Moleküle Na+ nach außen und zwei Moleküle
1.1 Plasmamembran K+ in das Zellinnere transportiert. Dieses Enzym, das in
Die Plasmamembran begrenzt nicht nur das Zellinne-
⊡ Tabelle 1.1 Intra- und extrazelluläre Konzentrationen
re mit seiner, im Vergleich zum Extrazellulärraum ganz
ungebundener Ionen (mM)
unterschiedlichen Zusammensetzung. Sie enthält auch
Transportsysteme, Kanäle und eine Vielzahl von Rezep-
Ion Intrazellulär Extrazellulär
toren, die Signale aufnehmen und umsetzen. Schließlich
kann sie Strukturen ausbilden, mit deren Hilfe Zellen un- Na+ 10 145
tereinander und mit der extrazellulären Matrix Verbin- K+ 140 5
dungen eingehen. Dadurch können Verbände von Zellen Ca2+ 0,0001 2
Cl– 4 110
und damit Gewebe aufgebaut werden ((cid:1) s. Kap. 3.2).
4 Kapitel 1 · Zellaufbau
Aktiver Transport Gradienten von Ionen und anderen
1
Stoffen können, wie am Beispiel der Na+-K+-ATPase dar-
gestellt (⊡ Abb. 1.4), unter Verbrauch von Energie herge-
stellt werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als aktiven
Transport. In den meisten Fällen dient hierbei ATP als
Energiequelle. Durch Kanäle und Transporter (Carrier),
die keine Energiequelle nutzen (Uniporter), können Stof-
fe nur in der vom Gradienten vorgegebenen Richtung
transportiert werden (passiver Transport). Wird jedoch
von einem Transporter (als Symporter oder Antiporter)
ein vorhandener Ionengradient als Energiequelle ge-
nutzt (sekundär aktiver Transport, so bezeichnet, weil der
Ionengradient zunächst unter ATP-Verbrauch aufgebaut
wurde), dann ist ein Transport gegen den Gradienten des
zu transportierenden Stoffes möglich. Beispiele dafür sind
⊡ Abb. 1.3. Modell der Na+-K+-ATPase. Die katalytische Untereinheit die Aufnahme hydrophiler Substanzen wie Aminosäuren
der Na+-K+-ATPase enthält zehn Transmembrandomänen. Auf der
extrazellulären Seite ist die Strophantinbindungsstelle dargestellt.
Im mittleren Anteil des Proteins sind in einem zytosolischen Bereich
der phosphorylierbare Aspartylrest (D) und der Lysylrest (K) gekenn-
zeichnet, die beide an der ATP-Bindung beteiligt sind. (Aus Löffler u.
Petrides 1998)
der Plasmamembran aller Zellen vorkommt, enthält zehn
Transmembrandomänen (⊡ Abb. 1.3). Jede dieser Domä-
nen besteht aus einer α-Helix, die aus etwa 20 Aminosäu-
ren aufgebaut ist (siehe Lehrbücher der Biochemie). Deren
hydrophobe Seitenketten bilden hydrophobe Bindungen
mit den Fettsäureresten im Inneren der Lipiddoppel-
schicht der Membran (s. Lehrbücher der Biochemie). Der
größte hydrophile Anteil der Na+-K+-ATPase, zwischen
Transmembrandomäne IV und V, befindet sich auf der
zytoplasmatischen Seite der Zellmembran. Hier findet die
Bindung und Spaltung von ATP statt. Die extrazelluläre
Domäne zwischen der Transmembrandomäne I und II
bindet Strophantin (Ouabain).
Klinik ⊡ Abb. 1.4. Na+-K+-ATPase, Transporter und Kanäle der Plasmamem-
bran. Die Na+-K+-ATPase (oben) der Plasmamembran besteht aus zwei
Strophantin gehört zu einer Gruppe von Glykosiden, die
Untereinheiten. Die katalytische Untereinheit spaltet ein Molekül ATP
bei der Therapie der Herzinsuffizienz eingesetzt werden.
und transportiert dabei 3 Na+ aus der Zelle und zwei K+ in die Zelle.
Sie hemmen die Na+-K+-ATPase, erniedrigen dadurch den Das Enzym ist ein Beispiel für einen aktiven Transport, bei dem Ionen
Natriumgradienten und verringern den Kalziumtransport gegen einen Konzentrations- und Potenzialgradienten transportiert
aus der Herzmuskelzelle durch den Na+/Ca2+-Antiporter werden können. Transporter (unten), wie der dargestellte Kalzium-Na-
trium-Antiporter, können durch den Natriumgradienten an der Plas-
(s. nächster Absatz und Abb. 1.4). Die Zunahme des intrazel-
mamembran ebenfalls gegen einen Konstellationsgradienten trans-
lulären Kalziumspiegels bewirkt den gewünschten kontrak-
portieren. Ähnliches gilt für den Glukose-Natrium-Symport. Durch
tionssteigernden (inotropen) Effekt von Strophantin und Transporter, die keine Energiequelle nutzen (Uniporter), und Kanäle
verwandten Stoffen ((cid:1) s. Kap. 9 und 10). können Stoffe nur in der vom Gradienten vorgegebenen Richtung
transportiert werden (passiver Transport). (Aus Schmidt et al. 2000)
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1.1 · Plasmamembran
und Glukose in Zellen (Symport) oder der Transport von
Ca2+ aus den Zellen (Antiport). Hier ist jeweils der Na+-
Gradient die Energiequelle (⊡ Abb. 1.4). Durch geöffnete
Kanäle ((cid:1) s. Kap. 1.1.3) können die Ionen Na+, K+ und Ca2+
im Millisekundenbereich entlang eines Gradienten durch
die Plasmamembran hindurchtreten.
Ultrastruktur Membranproteine, wie die Kanäle und
Transporter der Plasmamembran, besitzen, wie die Na+-
K+-ATPase, hydrophobe helikale Transmembrandomä-
nen. Außer den Membranproteinen (häufig auch integrale
Proteine genannt) befinden sich unterschiedlich mit der
Membran assoziierte so genannte periphere Proteine in
biologischen Membranen. Die intramembranären Anteile
der Membranproteine können mit Hilfe des Gefrierbruch-
verfahrens ((cid:1) s. Kap. 24) sichtbar gemacht werden (⊡ Abb.
1.5). Für elektronenmikroskopische Dünnschnitte werden
die Membranen von Zellen zuerst fixiert und dann mit
Schwermetallen kontrastiert ((cid:1) s. Kap. 24). Jene lagern sich
bevorzugt im Bereich der hydrophilen Kopfgruppen der
Phospholipide und der assoziierten Proteine an. Daher er-
scheint im elektronenmikroskopischen Dünnschnitt eine
Membran als heller Streifen flankiert von zwei dunklen
Streifen (⊡ Abb. 1.5 und 3.10). Auf der Außenseite der Plas-
mamembran befinden sich häufig verzweigte Seitenket-
ten von Zuckerresten der Glykoproteine und Glykolipide.
Sind sie in ihrer Summe im Elektronenmikroskop sicht-
bar, dann werden sie als Glykokalix bezeichnet (⊡ Abb.
1.5). Sie ist auf den Mikrovilli der Enterozyten besonders
stark ausgeprägt (⊡ Abb. 3.9, 3.10 und 14.22).
1.1.2 Rezeptoren und Signalverarbeitung
Neben Ionen transportierenden ATPasen und Transpor-
tern trägt die Plasmamembran viele Rezeptoren und Ka-
näle. Die so ausgestatteten Zellen können Liganden binden
und damit Signale aus ihrer Umgebung aufnehmen und
entsprechend darauf reagieren. Liganden von Rezeptoren ⊡ Abb. 1.5 a, b. Die Plasmamembran einer Zelle im Elektronenmikro-
sind extrazelluläre Signalstoffe wie z.B. Hormone, die in skop. a Elektronenmikroskopischer Schnitt der Plasmamembran einer
Epithelzelle, in der die Membran als heller Streifen, flankiert von zwei
der Regel an extrazelluläre Domänen der Rezeptoren bin-
dünnen schwarzen Streifen erscheint. Das Material auf der Oberfläche
den (⊡ Abb. 1.6). Der zytoplasmatische Anteil des Rezep-
der Plasmamembran ist die Glykokalix. (Aus Junqueira et al. 1998);
tors kann mit Kopplungsproteinen interagieren, die von b Mit dem Gefrierbruchverfahren können Membranproteine darge-
den Rezeptoren aufgenommene Signale an nachgeschal- stellt werden. Hier ist das Innere der Plasmamembran einer endokri-
tete Enzyme weitergeben, welche intrazelluläre Signalstof- nen Zelle des Pankreas dargestellt. Balken a/b = 0,1 µm. (Aus Orci und
Perrelet 1975)
fe (second messenger) wie cAMP (engl. 3´,5´-cyclo-AMP)
bilden. Die für die Kopplung zuständigen Proteine werden
G-Proteine genannt, da sie GTP binden können und GTP
selbst für die Kopplung eine wichtige Rolle spielt. Es gibt
6 Kapitel 1 · Zellaufbau
expression gesteuert. Proteinkinasen phosphorylieren
1
viele Enzyme, verändern deren Eigenschaften und regeln
damit Stoffwechselvorgänge. Umgekehrt können Prote-
inphosphatasen Enzyme streng geregelt dephosphorylie-
ren und so die Wirkung der Kinasen wieder rückgängig
machen. Die cAMP-aktivierte Proteinkinase A (PKA) und
die cGMP-aktivierte Proteinkinase G (PKG) sind die be-
kanntesten Proteinkinasen.
Neben Nukleotiden wie ATP und GTP können auch
Phospholipide der Plasmamembran als Vorstufe für in-
⊡ Abb. 1.6. cAMP und cGMP als intrazelluläre Signalstoffe (second trazelluläre Signalstoffe (second messenger) dienen. Falls
ein geeignetes Signal auf einen Rezeptor der Zelloberflä-
messenger). Bindet ein Ligand (L) an einen Rezeptor, der über ein G-
Protein (G) mit der Adenylylzyklase (AZ) oder der Guanylylzyklase (GZ) che trifft, kann, vermittelt über ein G-Protein, die so ge-
gekoppelt ist, dann wird cAMP bzw. cGMP gebildet. Beide zyklische nannte Phospholipase C aktiviert werden. Sie spaltet ein
Nukleotide können auch von der löslichen Adenylylzyklase (sAZ) oder Lipid der Plasmamembran, Phosphatidylinositol (PI), in
der Guanylylzyklase (sGZ) gebildet werden. Die sGZ kann durch NO,
Diazylglyzerin und Inositoltrisphosphat (IP3). Diazylgly-
die sAZ durch Bikarbonat stimuliert werden. Der Abbau der zyklischen
zerin aktiviert in Zellen die Proteinkinase C (PKC) und
Nukleotide erfolgt durch Phosphodiesterasen, die selbst durch zykli-
sche Nukleotide reguliert werden. Die zyklischen Nukleotide können damit nachgeschaltete Stoffwechselvorgänge. IP3 setzt aus
außerdem Transkriptionsfaktoren, Proteinkinasen und Ionenkanäle intrazellulären Speichern Ca2+ frei, welches wiederum an
aktivieren der Kontrolle wichtiger Vorgänge beteiligt ist, wie z.B.
der Freisetzung von Neurotransmittern und Hormonen
verschiedene G-Proteine, die entweder an aktivierenden ((cid:1) s. Kap. 8.2.5) oder der Kontraktion der glatten Musku-
oder hemmenden Vorgängen beteiligt sind. latur ((cid:1) s. Kap. 9.3). Dabei wird durch Ca2+, gebunden an
Der intrazelluläre Botenstoff cAMP wird aus ATP Calmodulin, die Myosin-leichte-Kette Kinase (MLCK)
durch die Adenylylzyklase synthetisiert und durch eine aktiviert. Sie gehört zur Gruppe der Ca2+/Calmodulin-ak-
spezifische Phosphodiesterase abgebaut. Die Synthese tivierten Kinasen (CaMK), die ausgelöst durch Ca2+, Stoff-
von cAMP wird, wie oben beschrieben, über Rezepto- wechselvorgänge durch Phosphorylierung regulieren.
ren und G-Proteine gesteuert (Beispiele (cid:1) s. Kap. 20.4.2). Ca2+ kann auch die Phospholipase A2 aktivieren, die
Steigt der intrazelluläre cAMP-Spiegel, dann werden aus Phospholipiden Arachidonsäure abspalten kann.
nachgeschaltete Prozesse verstärkt. Ganz ähnlich wie für Daraus können oxidativ Leukotriene, Prostaglandine
cAMP beschrieben, wird auch der Spiegel an cGMP (engl. und ähnliche Stoffe gebildet werden, die autokrin oder
3´,5´-cyclo-GMP) in Zellen gesteuert. Zur Biosynthese von parakrin wirken können. Sie spielen bei der Entzündung
cAMP und von cGMP existieren zwei verschiedene Zykla- ((cid:1) s. Kap. 4) und der Blutgerinnung ((cid:1) s. Kap. 11) eine
sen, eine, die auf der Innenseite der Plasmamembran lo- wichtige Rolle.
kalisiert ist und eine zweite Form, die löslich im Zytoplas-
ma vorkommt. Die lösliche Guanylylzyklase wird durch 1.1.3 Kanäle
das membrangängige Stickstoffmonoxid (NO) stimuliert.
Auf diese Weise wird die glatte Muskulatur von Gefäßen Die Proteine der Plasmamembran können direkt durch
und Darm beeinflusst ((cid:1) s. Kap 9.3 und Kap. 14.12). Die in- zyklische Nukleotide wie cAMP und cGMP, durch G-Pro-
trazellulären Signalstoffe cGMP und cAMP steuern viele teine, durch das Membranpotenzial oder durch Liganden
intrazelluläre Vorgänge. Dazu binden sie an intrazelluläre (z.B. Neurotransmitter) reguliert werden.
Rezeptoren. Für zyklische Nukleotide sind dies Phospho- Die spannungsgesteuerten Natrium- und Kalziumka-
diesterasen, Transkriptionsfaktoren, Proteinkinasen und näle bestehen aus einer Kette von etwa 2000 Aminosäu-
Ionenkanäle (⊡ Abb. 1.6). Phosphodiesterasen werden ren, die vier homologe Anteile enthält (⊡ Abb. 1.7). Jeder
durch zyklische Nukleotide reguliert. Sie spalten cAMP Anteil besteht aus 6 helikalen Transmembrandomänen.
und cGMP und beeinflussen dadurch deren intrazelluläre Die Helices 5 und 6 sind durch kurze Peptiddomänen
Konzentration. Über Transkriptionsfaktoren (z.B. CREB verbunden, die zusammen die Porenregion des Kanals
= cAMP response element binding protein) wird die Gen- bilden. Der Spannungssensor des Kanals wird durch po-
1
7
1.1 · Plasmamembran
⊡ Abb. 1.7. Aufbau der span-
nungsgesteuerten Ionenkanäle.
Die Natrium-, Kalzium- und Kali-
umkanäle bestehen jeweils aus
vier homologen Anteilen (I–IV), die
jedoch beim Kaliumkanal nicht
miteinander verbunden sind. Die
Transmembrandomäne 4 fungiert
als Spannungssensor, die Trans-
membrandomänen 5 und 6 bilden
zusammen mit der Domäne P die
Porenregion (s. oben links).
(Aus Dudel et al. 2001)
sitiv geladene Aminosäuren in der Transmembranhelix Nukleotide gesteuerte Kanäle spielen beim Sehvorgang
4 gebildet. und beim Riechen eine wichtige Rolle ((cid:1) s. Kap. 23). Dort
wird durch Licht über die Phophodiesterase die Menge an
Klinik cGMP erniedrigt bzw. durch Duftstoffe, vermittelt durch
G-Proteine, vermehrt cAMP gebildet. Auf diese Weise wird
Die Bindungsstellen von klinisch eingesetzten Kanalblo-
die Aktivität der Kanäle reguliert.
ckern (z.B. von Dihydropyridinen und Benzothiazepinen an
Helix 5 und 6 der Kalziumkanäle) sind bekannt. Liganden gesteuerte Kanäle sind für alle Neurotrans-
mitter mit Ausnahme von Noradrenalin und Dopamin
Die genannten Arzneimittel werden bei der Therapie des
bekannt. Besonders gut untersucht ist der (nikotinische)
Bluthochdrucks eingesetzt.
Azetylcholinrezeptor der neuromuskulären Endplatte
(⊡ Abb. 1.8). Jede Untereinheit dieses Rezeptors besitzt
Spannungsgesteuerte Kaliumkanäle bestehen wie die eine extrazelluläre Domäne am N-Terminus gefolgt von
Natrium- und Kalziumkanäle aus vier homologen Antei- vier helikalen Transmembrandomänen (M1, M2, M3 und
len, die jedoch nicht durch Peptidbindungen verknüpft M4). Zwischen der Domäne M3 und M4 (am C-Terminus)
sind (⊡ Abb. 1.7). Die durch zyklische Nukleotide gesteu- befindet sich eine zytoplasmatische Schleife. Der gesamte
erten Kanäle sind ähnlich wie die Kaliumkanäle aufge- Kanal ist ein Heteropentamer der beschriebenen Unter-
baut. Auch hier ist der funktionelle Kanal ein Tetramer einheiten, wobei die fünf M2-Domänen die Pore bilden.
der Grundstruktur. Jede Untereinheit besitzt nach der Nur die beiden Untereinheiten α1 und α2 besitzen Bin-
Transmembranhelix 6 eine zytoplasmatische Domäne, dungsstellen für Azetylcholin und den Antagonisten α-
die das zyklische Nukleotid binden kann. Durch zyklische Bungarotoxin. Ein genaues Bild des Azetylcholinrezeptors
8 Kapitel 1 · Zellaufbau
Klinik
1
Die Bindungsstelle von Tranquilizern (z.B. wie z.B. das
Benzodiazepin Diazepam) an eine Untereinheit des GABA-
A-Rezeptors ist bekannt. Durch die Bindung wird die hem-
mende Wirkung von GABA auf die postsynaptische Zelle
verstärkt.
Die Struktur der für Kationen durchlässigen Glutamatre-
zeptoren ist jedoch anders: Die Untereinheiten der Glu-
tamatrezeptoren sind aus drei Transmembrandomänen
aufgebaut, die Schleife zwischen den Transmembrando-
mänen 1 und 2 bildet mit den anderen drei Untereinheiten
⊡ Abb. 1.8. Molekularer Aufbau des nikotinischen Azetylcholinrezep-
den Kationenkanal. Am Aufbau der Glutamatbindungs-
tors der neuromuskulären Endplatte. Der Rezeptor besteht aus fünf
stelle sind der extrazelluläre N-Terminus (D1) und die
Untereinheiten, die jeweils vier Transmembrandomänen (M1–M4) ent-
halten. Die beiden α Untereinheiten binden Azetylcholin (⊡ Abb. 1.9). extrazelluläre Domäne (D2) zwischen Transmembrando-
Der Ionenkanal wird durch die fünf M2 Domänen der Untereinheiten mäne 2 und 3 beteiligt (⊡ Abb. 1.10).
gebildet. (Aus Löffler u. Petrides 1998) Nicht zu vergessen ist, dass es neben den oben be-
schriebenen durch Liganden gesteuerten Kanälen (sog.
ionotrope Kanäle) für dieselben Liganden zusätzlich
lieferte die Röntgenstruktur (⊡ Abb. 1.9). Der Aufbau eines Rezeptoren gibt, die zur Bildung von intrazellulären Si-
weiteren Liganden gesteuerten Kationenkanals, des Sero- gnalstoffen führen (metabotrope Rezeptoren). Die über
toninrezeptors, und der Liganden gesteuerten Anionen- diese Rezeptoren ausgelösten Effekte treten langsamer
kanäle ist sehr ähnlich. Liganden sind in diesem Fall die ein als die der ionotropen Rezeptoren. Ihr Wirkungsme-
hemmenden Neurotransmitter Glycin oder GABA, welche chanismus ist den oben beschriebenen Rezeptoren für
Chloridkanäle öffnen. Peptidhormone sehr ähnlich (auch ⊡ Abb. 1.6). Beispiele
⊡ Abb. 1.9. Röntgenstruktur des nikotinischen Azetylcholinrezeptors der neuromuskulären Endplatte. Der Rezeptor ist im Längsschnitt und in
drei Querschnitten dargestellt. Rechts ist mit einem Pfeil die Bindungsstelle für Azetylcholin und mit einem Stern die Bindungsstelle für Bunga-
rotoxin auf den Untereinheiten α und α markiert. Auf den linken Querschnitten ist die Porenregion, etwa in der Mitte der Membran und etwas
1 2
näher der intrazellulären Seite dargestellt. (Aus Unwin 1993)
1
9
1.2 · Endoplasmatisches Retikulum
⊡ Abb. 1.11. Raues endoplasmatisches Retikulum (RER) und Mito-
chondrium einer exokrinen Zelle der Bauchspeicheldrüse. In der elek-
⊡ Abb. 1.10. Membrantopologie einer Untereinheit des Glutamat- tronenmikroskopischen Aufnahme sind die Cristae (C) und die Matrix
(M) des Mitochondriums markiert. (Aus Junqueira et al. 1998).
rezeptors in der Plasmamembran. Der Rezeptor besteht aus vier der
Balken = 0,1 µm
dargestellten Untereinheiten, die zusammen einen Kationenkanal
bilden. Die Porenregion (P) wird durch eine Schleife zwischen den
Transmembrandomänen 1 und 2 gebildet, die Glutamatbindungsstel-
le gemeinsam von Domänen, die auf der extrazellulären Seite an die endoplasmatisches Retikulum (RER) bezeichnet, der Rest
Transmembrandomänen 1, 2 und 3 angeheftet sind.
als glattes endoplasmatisches Retikulum.
(Neali Alyssa Armstrong, New York)
Proteinbiosynthese Die im Zellkern gebildete Botenri-
bonukleinsäure (mRNA) gelangt wie die Untereinheiten
sind muskarinische Azetylcholinrezeptoren, die über ein der Ribosomen über die Kernporen in das Zytoplasma
G-Protein mit der Phospholipase C gekoppelt sind ((cid:1) s. Kap. 2.1 und 2.2). Dort dient die mRNA als Matrize für
((cid:1) s. Kap. 8) und die Adrenorezeptoren ((cid:1) s. Kap. 20.4.2). die Proteinbiosynthese (Translation). Da jeweils mehrere
Zusammenfassend wird aus den oben geschilderten Ribosomen nebeneinander den gleichen mRNA-Strang
Vorgängen klar, dass eine wichtige Funktion der Plasma- ablesen, sind die Ribosomen im Zytoplasma meist in
membran die Aufnahme und Weiterverarbeitung von Si- Gruppen (Polysomen) angeordnet. Diese freien Riboso-
gnalen ist. Über diese Schaltstelle an der Oberfläche kann men synthetisieren lösliche zytoplasmatische Proteine.
der Stoffwechsel von Zellen den Bedürfnissen des gesam- Wenn die neu gebildete Kette von Aminosäuren in ihrer
ten Organismus angepasst werden. In diesem Absatz sind Sequenz das Signal für ein Membranprotein oder ein se-
nur einige der gut bekannten Signalwege kurz erläutert. zernierbares Protein enthält (Signalsequenz), dann bindet
Für ein vertiefendes Studium sei auf Lehrbücher der Phy- daran das SRP (signal recognition particle), das die Ribo-
siologie und der Biochemie verwiesen. somen mit Hilfe eines Rezeptors am endoplasmatischen
Retikulum (ER) anheftet (⊡ Abb. 1.12).
Beim Fortgang der Proteinbiosynthese an membran-
1.2 Endoplasmatisches Retikulum gebundenen Ribosomen wird das neu gebildete Protein
kontinuierlich in die Zisternen des endoplasmatischen
Aufbau Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Retikulums abgegeben. Noch vor der Fertigstellung des
geschlossenes Membransystem, das in sezernierenden Proteins wird die Signalsequenz durch ein spezielles En-
Zellen große Anteile des Zellkörpers einnimmt (⊡ Abb. zym, die Signalpeptidase, abgespalten (⊡ Abb. 1.12). Bei
1.1, 1.11, 1.21, 15.12). Die Ribosomen tragenden Anteile der Biosynthese von Glykoproteinen werden noch wäh-
des endoplasmatischen Retikulums werden als raues rend der Translation bereits die ersten Zuckerreste ange-