K1 Einführung in die Zell-und Molekularbiologie

Einfhrung in die Zell- und Molekularbiologie

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1.1 Die Entdeckung der Zellen 1.2 Die elementaren Eigenschaften von Zellen 1.3 Zwei grundverschiedene Zellarten 1.4 Viren Aus Sicht des Menschen: Aussichten einer Zellersatztherapie Experimentelle Verfahren: Wie sind die eukaryotischen Zellen entstanden?Ein Beispiel fr die Bedeutung des technologischen Fortschritts auf dem Gebiet der Zellbiologie. Diese lichtmikroskopische Aufnahme zeigt eine Zelle, die auf mikroskopisch kleine, knstliche Pfosten gebettet ist. Die flexiblen Stbchen dienen als Sensoren, welche die von der Zelle ausgehenden mechanischen Krfte registrieren. Die roten Strukturen sind Bndel von Aktinfilamenten innerhalb der Zelle, die bei der Zellbewegung Kraft ausben. Sobald sich die Zelle bewegt, verformt sie die an ihr haftenden Stbchen, woraus sich die Belastung ermitteln lsst, denen die jeweiligen Stbchen ausgesetzt sind. Der Zellkern ist grn gefrbt. (Aus Tan JL et al (3003) Proc Nat'l Acad Sci USA 100 (4); mit freundlicher Genehmigung von Christopher S. Chen, The Johns Hopkins Univ.)

Die Zellen und die Strukturen, aus denen sie bestehen, sind zu klein, um sie mit unseren Sinnen direkt wahrnehmen, sehen oder anfassen zu knnen. Trotz dieses enormen Handikaps erscheinen Jahr fr Jahr Tausende von Artikeln ber Zellen, in denen nahezu jeder Aspekt der winzigen Zellstrukturen minutis untersucht wird. Die zell- und molekularbiologische Forschung verdankt sehr viel der Wissbegierde und Entdeckungslust des Menschen sowie seiner kreativen Intelligenz, mit der er komplexe Instrumente erfindet und Techniken entwickelt, mit denen diese Entdeckungen gemacht werden knnen. Das bedeutet natrlich nicht, dass nur Zellbiologen mit diesen speziellen Wesenszgen ausgestattet wren. An dem einen Ende des wissenschaftlichen Spektrums suchen Astronomen die ueren Rnder des Universums nach schwarzen Lchern und Quasaren ab, deren Eigenschaften fr uns im Vergleich zu denjenigen,

die bisher auf der Erde bekannt sind, unvorstellbar zu sein scheinen. Am anderen Ende des Spektrums richten Kernphysiker ihre Aufmerksamkeit auf subatomare Partikel, die ebenfalls schwer vorstellbare Eigenschaften haben. Sicher tun sich in unserem Universum immer wieder neue Welten auf, deren Erscheinungsformen allesamt Anlass fr faszinierende Forschungen sind. Im vorliegenden Buch wird sich immer wieder zeigen, dass die Zell- und Molekularbiologie reduktiv arbeitet; das heit, sie geht davon aus, dass man das Ganze aufgrund der Kenntnis seiner Teile erklren kann. Bei diesem Ansatz kann es leicht passieren, dass wir, anstatt uns den Wundern und Mysterien des Lebens anzunhern, alles so erklren mssen, als funktioniere das lebende System praktisch wie eine Maschine. Dieser emotionale Verlust kann, soweit er eintritt, hoffentlich dadurch wettgemacht werden, dass man genauso von der Schnheit und

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Komplexitt der Mechanismen fasziniert ist, die der zellulren Aktivitt zugrunde liegen.

1.1 Die Entdeckung der ZellenWegen ihrer geringen Gre kann man die Zellen nur unter einem Mikroskop betrachten, einem Instrument, mit dem man ein winziges Objekt vergrern kann. Wir wissen nicht, wann Menschen zum ersten Mal die bemerkenswerte Fhigkeit gekrmmter Glasoberflchen entdeckt haben, das Licht zu beugen und Bilder zu erzeugen. Die ersten Brillen wurden im 13. Jahrhundert in Europa hergestellt und die ersten Lichtmikroskope mit einem Linsensystem gegen Ende des 16. Jahrhunderts gebaut. Bis Mitte des 17. Jahrhunderts war es einer Handvoll wissenschaftlicher Pioniere mit Hilfe ihrer selbst gebauten Mikroskope gelungen, eine Welt zu erschlieen, die mit dem unbewaffneten Auge niemals entdeckt worden wre. Die Entdeckung der Zellen (Abb. 1.1 a) wird allgemein Robert Hooke zugeschrieben, einem englischen Mikroskopbauer, der mit 27 Jahren zum Kurator der Royal Society in London, Englands ltester wissenschaftlicher Akademie, ernannt wurde. Eine der vielen Fragen, die Hooke zu beantworten versuchte, war, warum Pfropfen aus Kork, einem Teil der Baumrinde, so gut verhinderten, dass Luft aus einer Flasche entwich. 1665 schrieb er: Ich nahm ein gereinigtes Stck Kork und schnitt mit einem Federmesser, das so scharf wie ein Rasiermesser war, ein Stck davon ab. . . Als ich es unter dem Mikroskop untersuchte, schien es mir etwas pors zu sein . . . etwa wie eine Honigwabe. Hooke nannte die Poren Zellen, weil sie ihn an die Zellen erinnerten, in denen die Mnche in einem Kloster leben. In Wirklichkeit hatte Hooke die Wnde leerer Zellen eines abgestorbenen Pflanzengewebes gesehen, Wnde, die ursprnglich von den lebenden Zellen gebildet worden waren, die diese Wnde dann umschlossen hatten. Whrenddessen verbrachte Anton van Leeuwenhoek, ein Hollnder, der seinen Lebensunterhalt mit dem Verkauf von Kleidern und Knpfen bestritt, seine Freizeit damit, Linsen zu schleifen und einfache Mikroskope von bemerkenswerter Qualitt herzustellen (Abb. 1.1 b). 50 Jahre lang sandte er an die Royal Society in London Briefe, in denen er seine mikroskopischen Beobachtungen beschrieb zusammen mit ausschweifenden Abhandlungen ber seine tglichen Gewohnheiten und seine gesundheitliche Verfassung. Leeuwenhoek war der erste, der einen

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b n Abb. 1.1 a, b. Die Entdeckung der Zellen. a Eines von Robert Hookes reich verzierten Lichtmikroskopen mit zwei Linsen. Kleines Bild: Hookes Zeichnung von einer dnnen Korkscheibe, auf der man das honigwabenartige Netzwerk der Zellen erkennt. b Mikroskop mit nur einer Linse, mit dem Anton van Leeuwenhoek Bakterien und andere Mikroorganismen beobachtete. Die bikonvexe Linse, die ein Objekt etwa 270 fach vergrern kann und eine Auflsung von etwa 1,35 lm hat, wird von zwei Metallplatten gehalten. (Aus: The Granger Collection; (kleines Bild und Abb. 1.1 b) Corbis Bettmann)

Tropfen Teichwasser unter dem Mikroskop betrachtete und zu seiner berraschung herausfand, dass er voller mikroskopisch kleiner animalcula war, die vor seinen Augen hin und her flitzten. Er hat auch als erster verschiedene Bakterienformen beschrieben, die er aus Wasser, in dem er Pfeffer hatte ziehen lassen, sowie aus Belag, den er von seinen Zhnen abgeschabt hatte, gewonnen hatte. Seine ersten Briefe an die Royal Society, in denen er diese bisher noch unbekannte Welt beschrieb, wurden mit so viel Misstrauen aufgenommen, dass die Gesellschaft ihren Kurator Robert Hooke beauftragte, diese

a Beobachtungen zu besttigen. Genau das tat Hooke, und Leeuwenhoek war bald eine weltweite Berhmtheit, die in Holland Peter den Groen von Russland sowie die englischen Knigin als Besucher empfing. Erst in den 1830er Jahren erkannte man die groe Bedeutung der Zellen. 1838 kam Matthias Schleiden, ein deutscher Anwalt, der Botaniker geworden war, zu dem Schluss, dass Pflanzen trotz der Unterschiede in der Struktur der verschiedenen Gewebe aus Zellen bestehen und dass der Pflanzenembryo aus einer einzigen Zelle hervorgeht. 1839 verffentlichte Theodor Schwann, ein deutscher Zoologe und Kollege Schleidens, einen umfassenden Bericht ber die zellulre Grundlage des Tierlebens. Schwanns Schlussfolgerung lautete, dass die Zellen von Pflanzen und Tieren hnliche Strukturen besitzen. Er stellte die beiden folgenden Lehrstze der Zelltheorie auf: n Alle Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen. n Die Zelle ist die strukturelle Einheit des Lebens. Bei der Frage nach dem Ursprung der Zellen erwiesen sich die Vorstellungen von Schleiden und Schwann allerdings als nicht ganz so hellsichtig; beide waren bereinstimmend der Meinung, dass Zellen aus nichtzellulren Materialien hervorgehen konnten. Aufgrund des Ansehens, das die beiden Wissenschaftler in der wissenschaftlichen Welt genossen, dauerte es eine Reihe von Jahren, bis die Beobachtungen anderer Biologen akzeptiert wurden, die zeigen konnten, dass Zellen genauso wenig auf diese Weise entstehen, wie Organismen spontan gezeugt werden. 1855 lieferte Rudolf Virchow, ein deutscher Pathologe, einen berzeugenden Beweis fr den dritten Grundsatz der Zelltheorie: n Zellen knnen nur durch Teilung aus bereits existierenden Zellen hervorgehen.

Die elementaren Eigenschaften von Zellen

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1.2 Die elementaren Eigenschaften von ZellenGenauso, wie Pflanzen und Tiere leben, sind auch Zellen lebendig. Lebendig zu sein, ist sogar die elementarste Eigenschaft von Zellen; sie sind damit die kleinsten Einheiten, die diese Eigenschaft aufweisen. Im Gegensatz zu den Zellteilen, die einfach zugrunde gehen, wenn sie isoliert werden, knnen ganze Zellen von einer Pflanze oder einem Tier abgelst und in einem Labor in Kultur genommen werden, wo sie heranwachsen und sich ber lngere Zeitrume hinweg vermehren. Wenn sie falsch behandelt werden, knnen sie allerdings sterben. Man kann den Tod als einen elementaren Bestandteil des Lebens ansehen denn nur etwas, was gelebt hat, kann sterben. Bemerkenswerter Weise sterben Zellen innerhalb des Krpers generell von eigener Hand als Opfer eines internen Programms, das dafr sorgt, dass Zellen sich selbst umbringen, wenn sie nicht mehr bentigt werden oder zu entarten drohen. 1951 hat George Gey von der Johns Hopkins University die erste Kultur menschlicher Zellen angelegt. Die Zellen stammten von einem malignen Tumor ab und wurden nach der Spenderin Henrietta Lacks HeLa-Zellen genannt. HeLaZellen, die durch Zellteilungen aus dieser ersten Zellprobe hervorgegangen sind, wachsen heute noch immer in Laboratorien berall auf der Welt (Abb. 1.2). Da Zellen, die in vitro (also in einer

n Abb. 1.2. HeLa-Zellen wie die hier abgebildeten waren die ersten menschlichen Zellen, die ber lngere Zeitrume hinweg in Kultur genommen wurden; sie werden noch heute benutzt. Im Gegensatz zu normalen Zellen, deren Lebenszeit auf knstlichen Nhrbden begrenzt ist, knnen diese entarteten HeLa-Zellen unbegrenzte Zeit lang in Kultur gehalten werden, solange dort gnstige Bedingungen fr das Zellwachstum und die Zellteilung herrschen. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (Kap. 18.1) wurde knstlich gefrbt, um den Kontrast zu erhhen. (Keith Porter/Photo Researchers)

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Zellkultur auerhalb des Krpers) wachsen, sehr viel leichter zu untersuchen sind als Zellen innerhalb des Krpers, sind sie zu einem wichtigen Hilfsmittel der Zell- und Molekularbiologen geworden. Viele Befunde, die in diesem Buch errtert werden, wurden letztlich mithilfe von Zellen erhoben, die in Labors in Zellkulturen gewachsen sind. Die mikroskopische Aufnahme in Abb. 1.2 wurde mit einem hochauflsenden Mikroskop, einem Rasterelektronenmikroskop, aufgenommen, das es Forschern ermglicht, die Zelloberflchen detailliert zu untersuchen. Wie in Kap. 18 errtert wird, arbeitet man in einem Elektronenmikroskop mit einem gebndelten Elektronenstrahl, um ein auerordentlich genaues Abbild der Zelle und der Zellteile zu erzeugen. Mit Hilfe eines anderen Typs von Elektronenmikroskop, des Transmissionselektronenmikroskops, gelang es, die innere Zellstruktur in allen Einzelheiten darzustellen. Die in den frhen 1950er Jahren gemachten transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen lieferten den Forschern einen ersten Eindruck von der komplizierten Struktur, die sich innerhalb der Grenzen einer winzigen Zelle verbirgt. Wir beginnen unsere Erkundung der Zellen, indem wir uns zunchst einigen ihrer elementaren Eigenschaften zuwenden. 1.2.1 Zellen sind hochkomplex und hochorganisiert Komplexitt ist eine Eigenschaft, die zwar offensichtlich, aber nur schwer zu beschreiben ist. Fr den Anfang stellen wir uns Komplexitt vielleicht am besten mit Hilfe der Begriffe Ordnung und Bestndigkeit vor. Je komplexer eine Struktur ist, je mehr Teile an ihrem Platz sein mssen, desto geringer ist die Toleranz gegenber Fehlern bei der Beschaffenheit und den wechselseitigen Beziehungen ihrer Elemente und umso mehr muss reguliert und kontrolliert werden, um das System zu erhalten. Im weiteren Verlauf dieses Buches werden sich noch fter Betrachtungen darber ergeben, wie komplex das Leben auf den verschiedenen Ebenen ist. Wir werden errtern, wie Atome kleine Molekle bilden, wie sich diese Molekle zu riesigen Polymeren zusammenfinden und wie sich die verschiedenen Typen von polymeren Moleklen zu Komplexen arrangieren, die wiederum in subzellulren Organellen und letztlich in Zellen organisiert sind. Dabei wird klar werden, dass auf jeder Ebene sehr vieles gleich bleibt. So zeigt jeder Zelltyp unter dem Elektronenmikroskop ein

gleichbleibendes Erscheinungsbild; das heit, seine Organellen haben bei allen Individuen einer Spezies eine bestimmte Form und Lage. Genauso besteht jeder Typ von Organell immer wieder aus den gleichen Makromoleklen, deren Anordnung einem bestimmten Schema folgt. Sehen Sie sich nur die Zellen an, die unseren Darm auskleiden und dafr verantwortlich sind, dass die Nhrstoffe aus unserem Verdauungstrakt aufgenommen werden (Abb. 1.3). Die Epithelzellen, die den Darm auskleiden, sind so fest miteinander verbunden wie die Ziegel in einer Mauer. Die apikalen Seiten dieser Zellen, die zum Verdauungstrakt hin ausgerichtet sind, haben lange Fortstze, die Mikrovilli, welche die Absorption von Nhrstoffen erleichtern. Die Mikrovilli knnen aus der apikalen Zelloberflche herausragen, weil sie in ihrem Innern ein Gerst aus Filamenten besitzen; diese wiederum bestehen aus Protein(Aktin)-Monomeren, die in einer charakteristischen Anordnung zu Polymeren verbunden sind. An den basalen Enden der Darmzellen befinden sich zahlreiche Mitochondrien, welche die Energie liefern, die fr die verschiedenen Transportprozesse durch die Membran bentigt wird. Jedes Mitochondrium ist nach einem festen Schema aus internen Membranen aufgebaut, die wiederum aus immer gleich angeordneten Proteinen bestehen; dazu gehrt auch ein ATP-synthetisierendes Enzym, das wie eine auf einem Stock befestigte Kugel aus der inneren Membran herausragt. Jede dieser verschiedenen Organisationsebenen wird in den Bildern von Abb. 1.3 veranschaulicht. Zum Glck fr die Zell- und Molekularbiologen hat sich die biologische Organisation, mit der sie sich beschftigen, im Laufe der Evolution nur ganz allmhlich verndert. Whrend sich etwa ein Mensch und eine Katze in ihrer Anatomie stark unterscheiden, sind die Zellen, aus denen ihre Gewebe bestehen, sowie die Organellen, aus denen ihre Zellen aufgebaut sind, sehr hnlich. Das in Abb. 1.3. Ausschnitt 3 dargestellte Aktinfilament sowie das ATP-synthetisierende Enzym aus Ausschnitt 6 sind bei so unterschiedlichen Organismen wie Menschen, Schnecken, Hefe und Kstensequoien annhernd gleich strukturiert. Hufig kann man die Informationen, die man beim Studium der Zellen eines Organismentyps erhlt, ohne Umschweife bei anderen Lebensformen anwenden. Viele der ganz grundlegenden Prozesse wie die Proteinsynthese, die Erhaltung chemischer Energie oder der Aufbau einer Membran sind bei allen Lebewesen erstaunlich hnlich.

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n Abb. 1.3. Ebenen der zellulren und molekularen Organisation. Das Foto eines blau gefrbten Schnitts zeigt die mikroskopische Struktur einer Zotte aus der Wand des Dnndarms, wie man sie unter dem Lichtmikroskop sieht. Ausschnitt 1 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme der Epithelzellschicht, die die innere Darmwand auskleidet. Die apikalen Zelloberflchen, die zum Verdauungskanal hin ausgerichtet sind, weisen zahlreiche Mikrovilli auf, die fr die Absorption von Nhrstoffen sorgen. Im Basalbereich der Zellen befinden sich zahlreiche Mitochondrien, aus denen die Zelle ihre Energie erhlt. Ausschnitt 2 zeigt apikale Mikrovilli, von denen jeder ein Bndel Mikrofilamente enthlt. In Ausschnitt 3 erkennt man die Untereinheiten des Aktinproteins, aus denen jedes Filament besteht. In Ausschnitt 4 sieht man ein einzelnes Mitochondrium hnlich denen aus der Basalregion der Epithelzellen. Ausschnitt 5 gibt einen Teil einer inneren Mitochondrienmembran wieder samt der gestielten Partikel (Pfeil oben), die aus der

Membran herausragen und den Stellen entsprechen, an denen ATP gebildet wird. Die Ausschnitte 6 und 7 zeigen molekulare Modelle der ATP-Synthesemaschinerie, die ausfhrlich in Kap. 5 beschrieben wird. (Lichtmikroskopische Aufnahme Cecil Fox/Photo Researchers; Ausschnitt 1 mit freundlicher Genehmigung von Shakti P. Kapur, Georgetown Univ. Medical Center; Ausschnitt 2 mit freundlicher Genehmigung von Mooseker MS, Tilney LG (1975) J Cell Biol 67:729, The Rockefeller Univ. Press; Ausschnitt 3 mit freundlicher Genehmigung von Kenneth C. Holmes; Ausschnitt 4 mit freundlicher Genehmigung von Keith R. Porter/Photo Researchers; Ausschnitt 5 mit freundlicher Genehmigung von Humberto Fernandez-Moran; Ausschnitt 6 mit freundlicher Genehmigung von Roderick A. Capaldi; Ausschnitt 7 mit freundlicher Genehmigung von Wolfgang Junge, Holger Lill, u. Siegfried Engelbrecht, Univ. Osnabrck)

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1.2.2 Zellen besitzen ein genetisches Programm sowie die Mittel, es zu benutzen Der Aufbau der Organismen richtet sich nach den Informationen, die in einer Ansammlung von Genen festgelegt sind. Wenn man das genetische Programm des Menschen in Wrter bersetzen wrde, enthielte es gengend Informationen, um Millionen von Textseiten zu fllen. Umso beachtlicher ist es, dass diese riesige Informationsmenge in einer Reihe von Chromosomen verpackt ist, die den Raum eines Zellkern einnimmt, der hundertmal kleiner ist als der Punkt auf diesem i. Gene knnen nicht nur Informationen speichern: Sie bilden die Vorlagen, nach denen Zellstrukturen aufgebaut werden, sie geben die Richtung fr die laufenden Zellaktivitten sowie das Programm vor, nach dem sie sich selber vermehren. Aufgrund der molekularen Struktur der Gene kann es zu nderungen in der genetischen Information, den Mutationen, kommen, die dazu fhren, dass Individuen abgewandelt werden und so die Basis fr eine biologische Evolution bilden. Die Entdeckung der Mechanismen, mit denen Zellen ihre genetische Information benutzen, war einer der grten wissenschaftlichen Fortschritte in den letzten Jahrzehnten. 1.2.3 Zellen knnen sich selbst vermehren Ebenso wie individuelle Organismen entstehen auch einzelne Zellen durch Reproduktion. Zellen vermehren sich durch Teilung, einen Prozess, bei dem der Inhalt einer Mutter-Zelle auf zwei Tochter-Zellen aufgeteilt wird. Vor der Teilung wird das genetische Material originalgetreu verdoppelt, so dass jede Tochterzelle einen vollstndigen identischen Anteil der genetischen Information erhlt. In den meisten Fllen sind die beiden durch Teilung entstandenen Tochterzellen in etwa gleich gro. In einigen Fllen aber, etwa wenn sich eine menschlichen Eizelle teilt, kann eine der Zellen nahezu das gesamte Cytoplasma erhalten, obwohl sie nur die Hlfte des genetischen Materials bekommt (Abb. 1.4). 1.2.4 Zellen gewinnen und verbrauchen Energie Um die Komplexitt entwickeln und aufrechterhalten zu knnen, muss permanent Energie bereit gestellt werden (Abb. 1.5). Fast die gesamte Energie, die fr das Leben auf der Erdoberflche erforderlich ist, stammt aus elektromagnetischenn Abb. 1.5. Energiegewinnung. Eine lebende Zelle der filamentsen Alge Spirogyra. Im streifenfrmigen Chloroplasten, der sich zick-zack-frmig durch die Zelle zieht, wird aus Sonnenlicht Energie gewonnen und durch Photosynthese in chemische Energie umgewandelt. (M. I. Walker/ Photo Researchers)

n Abb. 1.4. Reproduktion von Zellen. Diese Eizelle eines Sugers hat krzlich eine ungleiche Zellteilung durchgemacht, bei der der grte Teil des Cytoplasmas in der groen Oocyte blieb, die befruchtet werden und sich zu einem Embryo entwickeln kann. Die andere Zelle ist nicht funktionsfhig und besteht fast ausschlielich aus Kernmaterial (zu erkennen an den blauen Chromosomen, Pfeil). (Mit freundlicher Genehmigung von Jonathan van Blerkom)

Sonnenstrahlen. Diese Lichtenergie wird durch lichtabsorbierende Pigmente in den Membranen photosynthetischer Zellen eingefangen. Sie wird durch Photosynthese in chemische Energie umgewandelt, die in Form von energiereichen Kohlenhydraten wie Saccharose oder Strke gespeichert wird. Die Energie fr die meisten Tierzellen ist oft bereits in Form des Zuckers Glucose abgepackt. Beim Menschen wird die Glucose von der Leber ins Blut abgegeben, mit dem sie durch den Krper zirkuliert und alle Zellen mit chemischer Energie versorgt. Sobald die Glucose in die Zelle gelangt ist, wird sie so gespalten, dass ihr Energiegehalt in einer leicht verfgbaren

a Form in der Regel als ATP gespeichert werden kann; diese Depots werden dann spter bei unzhligen Zellaktivitten eingesetzt, fr die Energie bentigt wird. 1.2.5 In Zellen laufen viele verschiedene chemische Reaktionen ab Zellen funktionieren wie kleine chemische Fabriken. Selbst die einfachste Bakterienzelle kann Hunderte von verschiedenen chemischen Umwandlungsprozessen durchfhren, die in der unbelebten Natur allesamt hchstens ganz langsam ablaufen. Fr fast alle chemischen Vernderungen, die in Zellen stattfinden, sind Enzyme erforderlich Molekle, welche die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion abluft, stark erhhen. Die Summe smtlicher chemischer Reaktionen einer Zelle bezeichnet man als ihren Stoffwechsel. 1.2.6 Zellen fhren zahlreiche mechanische Aktivitten durch Zellen sind sehr geschftig. Materialien werden hin und her transportiert, Strukturen auf- und spter schnell wieder abgebaut, und in vielen Fllen bewegt sich die gesamte Zelle von einem Aufenthaltsort zum anderen. Diese Aktivitten basieren auf dynamischen, mechanischen Vernderungen innerhalb der Zellen, von denen die meisten durch Formvernderungen von Motor-Proteinen ausgelst werden. Motorproteine sind nur eine von vielen Arten molekularer Maschinen, mit deren Hilfe Zellen ihre mechanischen Aktivitten ausfhren. 1.2.7 Zellen knnen auf Reize reagieren Bei einigen Zellen sind die Reaktionen auf Reize ganz offensichtlich. Ein einzelliger Protist beispielsweise steuert um ein Objekt herum, das auf seinem Weg liegt, oder bewegt sich auf eine Nahrungsquelle zu. Wie die Zellen einer vielzelligen Pflanze oder eines vielzelligen Tieres reagieren, ist nicht so leicht zu erkennen. Auf den meisten Zellen sitzen berall Rezeptoren, die hochspezifisch auf Substanzen in ihrer Umgebung reagieren. Zellen besitzen Rezeptoren fr Hormone, Wachstumsfaktoren, extrazellulre Materialien, aber auch fr Substanzen auf der Oberflche anderer Zellen. Die Rezeptoren einer Zelle sorgen dafr, dass externe Faktoren in den Zielzellen spezielle Reaktionen hervorrufen kn-


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nen. So reagieren Zellen unter Umstnden auf bestimmte Reize, indem sie ihre Stoffwechselaktivitten ndern, sich auf eine Zellteilung vorbereiten, von einer Stelle zur anderen bewegen oder sogar Selbstmord begehen. 1.2.8 Zellen knnen sich selber regulieren Damit ein komplexer, geordneter Zustand erhalten bleibt, ist nicht nur Energie, sondern auch eine permanente Kontrolle dieses Zustands erforderlich. Wie wichtig solche Regulationsmechanismen fr die Zelle sind, wird besonders deutlich, wenn sie ausfallen. So kann sich etwa eine Mutation einstellen, die den Organismus schwcht, wenn die Zelle einen Fehler bei der DNA-Verdoppelung nicht korrigieren kann, oder die Zelle kann sich, wenn ihre Wachstumskontrolle ausfllt, in eine Krebszelle verwandeln, die den gesamten Organismus zerstren kann. Wir lernen zwar allmhlich immer mehr darber, wie die Zelle ihre Aktivitten steuert, sehr vieles ist aber noch ungeklrt. Stellen Sie sich folgendes Experiment vor, das Hans Driesch, ein deutscher Embryologe, 1891 durchgefhrt hat. Driesch trennte die ersten beiden oder ersten vier Zellen eines Seeigelembryos voneinander und fand dabei heraus, dass sich jede der Zellen zu einem normalen Embryo entwickelte (Abb. 1.6). Wie kann eine Zelle, die normalerweise dazu bestimmt ist, nur einen bestimmten Bereich eines Embryos zu bilden, ihre eigenen Aktivitten so steuern, dass aus ihr ein vollstndiger Embryo hervorgeht? Wie erkennt die isolierte Zelle, dass ihre Nachbarzellen fehlen, und wie schafft sie es aufgrund dieses Wissens, den Verlauf ihrer Entwicklung neu auszurichten? Wie kann ein Teil eines Embryos einen Sinn fr das Ganze haben? Diese Fragen knnen wir heute immer noch nicht besser beantworten als vor ber 100 Jahren, als Hans Driesch dieses Experiment durchgefhrt hat. Wir werden in diesem Buch immer wieder Prozesse errtern, bei denen einzelne Schritte in einer bestimmten, festgelegten Reihenfolge ablaufen mssen so wie bei der Montage eines Autos am Flieband, bei der die Arbeiter bestimmte Teile einbauen, entfernen oder spezielle Justierungen vornehmen, whrend sich der Wagen auf dem Band fortbewegt. Bei der Zelle befinden sich die Konstruktionsplne fr das Produkt in den Nucleinsuren, und die Arbeiter, die das Ganze zusammensetzen, sind in erster Linie die Proteine. Daher sorgen diese beiden Makromolekle mehr als alle anderen Faktoren in der Zelle dafr, dass dort die chemischen Ablufe

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das an einer bestimmten Aktivitt beteiligt ist, ferner herausfinden, wie diese Elemente miteinander wechselwirken und wie diese Interaktionen gesteuert werden. 1.2.9 Zellen durchlaufen eine Evolution Wie sind Zellen entstanden? Von allen bedeutenden Fragen, die Biologen stellen, wird diese wahrscheinlich am ehesten unbeantwortet bleiben. Man nimmt an, dass sich die Zellen aus irgendeiner Art von przellulrer Lebensform entwickelt haben, die wiederum aus abiotischen organischen Materialien entstanden ist, die in den urzeitlichen Meeren vorhanden waren. Whrend der Ursprung der Zellen in einem fast undurchdringlichen Dunkeln liegt, kann man die Evolution der Zellen anhand der heute existierenden Organismen untersuchen. Wenn Sie die Merkmale einer Bakterienzelle, die in den menschlichen Atemwegen vorkommt (Abb. 1.18 a), sowie eine Zelle im menschlichen Verdauungskanal (Abb. 1.3) betrachten wrden, wren Sie erstaunt, wie stark sich beide Zellen unterscheiden. Trotzdem sind beide aus einer gemeinsamen Vorluferzelle hervorgegangen, die vor ber 3 Mrd. Jahren existiert hat. Die Strukturen, die diese beiden entfernt miteinander verwandten Zellen noch gemeinsam haben etwa ihre hnliche Plasmamembran oder ihre Ribosomen , mssen in der Urzelle vorhanden gewesen sein. Wir werden uns am Ende des Kapitels in den Experimentellen Verfahren einige Ereignisse vor Augen fhren, die sich im Laufe der Evolution der Zellen abgespielt haben. Man sollte immer daran denken, dass die Evolution nicht vorber ist, sondern nach wie vor weitergeht und dabei die Eigenschaften von Zellen verndert, die in Organismen vorhanden sein werden, die sich erst noch entwickeln mssen.

n Abb. 1.6. Selbstregulation. Links: Die normale Entwicklung eines Seeigels, bei der aus einer befruchteten Eizelle ein einzelner Embryo entsteht. Rechts: Ein Experiment, bei dem die Zellen eines Embryos nach der ersten Teilung voneinander getrennt werden und sich dann jede der beiden Zellen unabhngig voneinander entwickeln kann. Anstatt nur eine Embryohlfte zu bilden, wozu es ohne den experimentellen Eingriff gekommen wre, erkennt jede einzelne Zelle, dass ihre Nachbarzelle fehlt, und steuert daraufhin ihre Entwicklung so, dass aus ihr ein vollstndiger, wenn auch kleinerer Embryo hervorgeht

vllig anders sind als in der unbelebten Natur. In der Zelle mssen die Arbeiter agieren, ohne sich ber die Richtung im Klaren zu sein und den Ablauf bewusst steuern zu knnen. Stattdessen muss jeder Schritt innerhalb eines Prozesses spontan so ablaufen, dass dadurch automatisch der nchste Schritt ausgelst wird. Smtliche Informationen, die bentigt werden, um eine bestimmte Aktivitt zu steuern sei es die Synthese eine Proteins, die Sekretion eines Hormons oder die Kontraktion einer Muskelfaser mssen innerhalb des Systems selbst vorhanden sein. Zellen funktionieren in vieler Hinsicht hnlich wie die in Abb. 1.7 dargestellte Orangenpresse, die ein Professor erfunden hat. Jeder Typ zellulrer Aktivitt erfordert eine einzigartige Zusammenstellung hchst komplizierter molekularer Hilfsmittel und Maschinen, die in Jahrmillionen natrlicher Selektion und biologischer Evolution entstanden sind. Zell- und Molekularbiologen mchten vor allem die molekulare Struktur und Rolle jedes Elements verstehen,

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Wiederholung1. Welche fundamentalen Eigenschaften sind allen Zellen gemeinsam? Beschreiben Sie die Bedeutung jeder dieser Eigenschaften. 2. Beschreiben Sie einige zellulren Merkmale, die dafr sprechen, dass smtliche Lebewesen von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen. 3. Welche Energiequelle ermglicht das Leben auf der Erde? Wie wird diese Energie von einem Organismen auf den nchsten bertragen?

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Zwei grundverschiedene Zellarten

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Die Orangenpressmaschine Professor Butts tritt in einen offenen Fahrstuhlschacht und findet, als er an dessen Boden ankommt, eine einfache Orangenpressmaschine. Ein Milchmann nimmt eine leere Milchflasche (A), wodurch er an einer Schnur (B) zieht, was dazu fhrt, dass ein Schwert (C) einen Strick (D) durchtrennt und die Klinge einer Guillotine (E) herunterfhrt und ein Seil (F) durchschneidet, das einen Rammbock zum Schwingen bringt. Der Rammbock stt gegen eine offene Tr (H), die dadurch zufllt. Eine Handsichel (I) schneidet ein Stck von der Unterseite einer Orange (J) ab gleichzeitig trifft ein Dorn einen Pflaumenfalken (L), der seinen Schnabel

ffnet, um einen Schmerzensschrei auszustoen. Dabei lsst er eine Pflaume los, wodurch der Stiefel (M) eines Tauchers auf einen schlafenden Tintenfisch (N) niedersaust. Der Tintenfisch wacht wtend auf und greift, als er das Gesicht eines Tauchers sieht, das auf die Orange gezeichnet wurde, dieses Gesicht an. Dabei zerdrckt er mit seinen Tentakeln die Orange, woraufhin der gesamte Saft der Orange in ein Glas (O) luft. Danach kann man dann den Holzklotz dazu verwenden, ein Blockhaus zu bauen, in dem man seinen Sohn so erziehen kann, dass er zu so einem Prsidenten wie Abraham Lincoln wird

n Abb. 1.7. Zellulre Aktivitten verlaufen oft wie in dieser Maschine von Rube Goldberg, in der ein Ereignis auto-

matisch das nchste in einer Reaktionskette auslst. (Rube Goldberg ; Rube Goldberg, Vertrieb durch United Media)

1.3 Zwei grundverschiedene ZellartenNach der Einfhrung und allgemeinen Verbreitung des Elektronenmikroskops konnten die Biologen die Strukturen im Inneren eines breiten Spektrums von Zellen untersuchen. Dabei fanden sie heraus, dass es zwei grundverschiedene Zellgruppen gibt prokaryotische und eukaryotische , die sich aufgrund ihrer Gre und ihrer diversen internen Strukturen, der Organellen, unterscheiden (Abb. 1.8). Dass es zwei eigenstndige Zellgruppen ohne irgendwelche bekannten Zwischenstufen gibt, ist eine der elementarsten Aufteilungen in der evolutionren Entwicklung innerhalb der Welt der Biologie. Zu den von der Struktur her einfacheren prokaryotischen Zellen gehren die Bakterien, whrend die Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere zu den strukturell komplexeren eukaryotischen Zellen zhlen. Man wei nicht genau, wann prokaryotische Zellen zum ersten Mal auf der Erde aufgetreten sind. Belege fr prokaryotisches Leben liefern Gesteine, die ungefhr 2,7 Mrd. Jahre alt sind. Diese Felsen enthalten nicht nur versteinerte Mi-

a n Abb. 1.8 ac. Die Struktur der Zelle. Graphische Darstellung a einer Bakterienzelle

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n Abb. 1.8 b, c. Die Struktur der Zelle. Graphische Darstellung b einer Pflanzenzelle und c einer tierischen Zelle. An-

merkung: Die Organellen sind nicht im richtigen Mastab abgebildet

kroben, sondern auch komplexe organische Molekle, die fr bestimmte Typen prokaryotischer Organismen einschlielich der Cyanobakterien charakteristisch sind. Es ist unwahrscheinlich, dass solche Molekle abiotisch, also ohne dass Lebewesen daran beteiligt gewesen wren, entstanden sind. Wann das Zeitalter der eukaryotischen Zellen begonnen hat, ist ebenfalls unge-

wiss. Komplexe vielzellige Tiere tauchen vor ungefhr 600 Mio. Jahren relativ unvermittelt in den Versteinerungen auf, es gibt aber gute Belege dafr, dass einfachere eukaryotische Organismen bereits ber 1 Mrd. Jahre frher auf der Erde vorhanden waren. An Abb. 1.9 ist abzulesen, wann einige grere Gruppen von Organismen schtzungsweise erstmals auf der Erde erschie-

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n Abb. 1.9. Die biogeologische Uhr der Erde. Eine Darstellung der vergangenen 5 Mrd. Jahre der Erdgeschichte, die aufzeigt, wann wichtige Organismengruppen entstanden sind. Komplexe Tiere (Wirbellose mit Schalen) und Gefpflanzen haben sich relativ spt entwickelt. Die Zeitangabe fr den Ursprung des Lebens ist reine Spekulation. Auerdem sind die photosynthetisch aktiven Bakterien mglicherweise viel eher entstanden daher das Fragezeichen. Die geologischen Zeitrume sind in der Mitte des Schemas angegeben. (Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Des Marais DJ (2001) Science 289:1704. 2001 Am Ass for the Advancement of Science)

nen sind. Selbst wenn man nur einen kurzen Blick auf Abb. 1.9 wirft, ist gut zu erkennen, wie schnell das Leben nach der Entstehung der Erde und der Abkhlung ihrer Oberflche entstanden ist und wie lange es dann noch gedauert hat, bis sich komplexe Tiere und Pflanzen entwickelt haben. 1.3.1 Merkmale, in denen sich prokaryotische und eukaryotische Zellen unterscheiden Der folgende kurze Vergleich prokaryotischer und eukaryotischer Zellen offenbart viele grundlegende Unterschiede, aber auch zahlreiche hnlichkeiten zwischen beiden Typen (Abb. 1.8), die in Tabelle 1.1 zusammengefasst sind. In den gemeinsamen Eigenschaften spiegelt sich die Tatsache wider, dass eukaryotische Zellen hchstwahrscheinlich aus prokaryotischen Vorluferzellen hervorgegangen sind. Wegen ihrer gemeinsamen Vorfahren benutzen beide Zelltypen dieselbe genetische Sprache, auerdem zeigt sich ihre Verwandtschaft bei den Stoffwechselwegen sowie vielen strukturellen Eigenheiten. So sind beispielsweise beide Zelltypen von hnlich aufgebauten Plasmamembranen umgeben, die als selektiv-permeable Trennwnde zwischen der lebenden und der unbelebten Welt fungieren. Beide Zelltypen knnen von einer starren, abgestorbenen Zellwand umgeben sein, welche die empfindliche Lebensform im Innern schtzt. Obwohl die Zellwnde der Prokaryoten und Eukaryoten hnliche Funktionen haben knnen, haben sie eine vollkommen andere chemische Zusammensetzung.

In ihrem Innern sind eukaryotische Zellen strukturell und funktionell sehr viel komplexer als prokaryotische Zellen (Abb. 1.8). Wie stark sich die Komplexitt der Strukturen voneinander unterscheiden, erkennt man deutlich auf den elektronenmikroskopischen Bildern einer Bakterien- beziehungsweise Tierzelle in den Abb. 1.18 a und 1.10. Beide enthalten eine Kernregion, die von Cytoplasma umgeben ist und in der das genetische Material der Zelle gespeichert wird. Bei einer prokaryotischen Zelle befindet sich das genetische Material in einem Nucleoid einer nur diffus abgegrenzten Zellregion ohne eigene Membran, die sie vom umgebenden Cytoplasma trennen knnte. Eukaryotische Zellen dagegen besitzen einen Zellkern eine Region, die von einer komplizierten Membranstruktur, der so genannten Kernhlle, umgeben ist. Aus diesem Unterschied in der Kernstruktur leiten sich die Begriffe prokaryotisch (pro: vor; kryon: Nuss, Kern) und eukaryotisch (eu: gut, echt) ab. Prokaryotische Zellen enthalten relativ wenig DNA: Die DNA eines Bakteriums umfasst etwa 0,6 Mio. bis fast 8 Mio. Basenpaare, was ausreicht, um mehrere Hundert bis mehrere Tausend Proteine zu codieren (ein DNA-Molekl mit 8 Mio. Basenpaaren hat eine Lnge von fast 3 mm.) Obwohl eine einfache Bckerhefe nur etwas mehr DNA (12 Mio. Basenpaare codieren etwa 6200 Proteine) als die komplexesten Prokaryoten besitzt, enthalten die meisten eukaryotischen Zellen erheblich mehr genetische Information. Prokaryotische wie eukaryotische Zellen haben beide Chromosomen, die DNA enthalten. Eukaryotische Zellen besitzen eine Reihe gesonderter Chromosomen mit jeweils einem einzigen linea-

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n Tabelle 1.1. Ein Vergleich prokaryotischer und eukaryotischer Zellen Merkmale, die beide Zelltypen aufweisen n Eine hnlich gebaute Plasmamembran n Fr die genetische Information in der DNA wird derselbe genetische Code benutzt n hnliche Mechanismen fr die Transkription und Translation der genetischen Information, einschlielich hnlicher Ribosomen n Gemeinsame Stoffwechselwege wie Glycolyse und Citratzyklus n hnliche Mechanismen der Speicherung chemischer Energie in Form von ATP (bei Prokaryoten in der Plasmamembran, bei Eukaryoten in der Mitochondrien-Membran) n hnlicher Photosynthese-Mechanismus (bei Cyanobakterien und Grnalgen) n hnlicher Mechanismus fr die Synthese und den Einbau von Membranproteinen n hnlich gebaute Proteasomen (Strukturen, die Proteine abbauen) (bei Archaebakterien und Eukaryoten) Merkmale eukaryotischer Zellen, die man nicht bei Prokaryoten findet n Zellkern und Cytoplasma sind durch eine Kernhlle getrennt, die komplizierte Porenstrukturen aufweist n Komplexe Chromosomen aus DNA und mit ihnen assoziierten Proteinen, aus denen in der Mitose kompakte Strukturen werden knnen n Komplexe Organellen im Cytoplasma, die von Membranen umgeben sind (zu ihnen gehren endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Lysosomen, Endosomen, Peroxisomen und Glyoxisomen) n Spezialisierte cytoplasmatische Organellen fr die aerobe Atmung (Mitochondrien) und Photosynthese (Chloroplasten) n Komplexes Cytoskelett (einschlielich Mikrofilamenten, intermediren Filamenten und Mikrotubuli) n Komplizierte Geieln (Flagellen) und Wimpern (Cilien) n Fhigkeit zur Endocytose und Phagocytose: Aufnahme von Flssigkeiten und Partikeln durch Einschluss in Vesikel, die von einer Plasmamembran umgeben sind n Zellwnde, die Cellulose enthalten (Pflanzen) n Zellteilung mithilfe eines Spindelapparats, der bei der Mitose gebildet wird, Mikrotubuli enthlt und die Chromosomen trennt n Besitz zweier Genkopien pro Zelle (Diploidie), jeweils eine von jedem Elternteil n Vorhandensein von drei verschiedenen RNA-synthetisierenden Enzymen (RNA-Polymerasen) n Geschlechtliche Fortpflanzung, die eine Meiose und Befruchtung erfordert

ren DNA-Molekl, whrend man bei nahezu allen bisher untersuchten Prokaryoten nur ein einziges ringfrmiges Chromosom findet. Wichtiger ist, dass die chromosomale DNA der Eukaryoten dicht mit Protein besetzt ist, wohingegen die einer prokaryotischen Zelle im Wesentlichen aus nackter DNA besteht.

Auch das Cytoplasma der beiden Zelltypen zeigt groe Unterschiede. Das Cytoplasma einer eukaryotischen Zelle ist angefllt mit einem breiten Spektrum an Strukturen, wie man auf fast jeder elektronenmikroskopischen Aufnahme einer Pflanzen- oder Tierzelle schon beim ersten Blick erkennen kann (Abb. 1.10). Selbst der einfachste Eukaryot, die Hefe, hat eine viel komplexere Struktur als eine gewhnliche Bakterienzelle (vgl. die Abb. 1.18 a und b), obwohl diese beiden Organismen ungefhr gleich viele Gene haben. Die eukaryotischen Zellen enthalten eine Reihe von Organellen, die von einer Membran umgeben sind:

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n Abb. 1.10. Strukturen einer eukaryotischen Zelle. Diese Epithelzelle befindet sich in der Innenwand des Reproduktionstrakts einer mnnlichen Ratte. In schematischen Dar-

stellungen rund um die zentrale Abbildung sind vergrert zahlreiche verschiedene Organellen zugeordnet (David Phillips/Visuals Unlimited)

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n Mitochondrien, die chemische Energie fr die zellulren Aktivitten erzeugen; n ein endoplasmatisches Retikulum, in dem viele Zellproteine und -lipide synthetisiert werden; n einen Golgi-Apparat, in dem Materialien sortiert, modifiziert und weiter zu speziellen Bestimmungsorten in der Zelle transportiert werden; n eine Vielfalt an einfachen, unterschiedlich groen membranumhllten Vesikeln. Pflanzenzellen enthalten noch zustzliche von Membranen umschlossene Organellen wie die Chloroplasten, in denen die Photosynthese stattfindet, sowie hufig eine einzelne groe Vakuole, die den grten Teil der Zelle einnehmen kann. Insgesamt sorgen die Membranen der eukaryotischen Zelle dafr, dass das Cytoplasma in verschiedene Kompartimente aufgeteilt wird, in denen es zu speziellen Aktivitten kommt. Das Cytoplasma prokaryotischer Zellen enthlt dagegen praktisch berhaupt keine Membranen. Die komplexen photosynthetischen Membranen der Cyanobakterien bilden allerdings eine wichtige Ausnahme von dieser Regel (Abb. 1.15). Die cytoplasmatischen Membranen eukaryotischer Zellen bilden ein System miteinander kommunizierender Kanle und Vesikel, die fr den Transport von Substanzen von einem Teil einer Zelle zu einem anderen sowie zwischen dem Zellinnern und seiner Umgebung sorgen. Wegen der geringen Gre prokaryotischer Zellen ist die gerichtete Kommunikation innerhalb des Cytoplasmas dieser Zellen weniger wichtig, weil die Substanzen, falls erforderlich, allein durch Diffusion an ihren Platz gelangen knnen. Eukaryotische Zellen besitzen darber hinaus auch zahlreiche Strukturen, die nicht von einer Membran umgeben sind. Dazu gehren die lnglichen Tubuli und Filamente des Cytoskeletts, die fr die Kontraktilitt und Beweglichkeit der Zelle verantwortlich sind und die Zelle sttzen. Bis vor kurzem hat man angenommen, dass prokaryotische Zellen berhaupt kein Cytoskelett besitzen. In einigen Bakterien wurden jedoch primitive Cytoskelette gefunden. Man muss jedoch nach wie vor sagen, dass das Cytoskelett der Prokaryoten strukturell und funktionell wesentlich einfacher ist. Ribosomen findet man in Eukaryoten wie Prokaryoten; diese membranlosen Partikel fungieren als Werkbnke, auf denen die zellulren Proteine hergestellt werden. Obwohl die Ribosomen in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen ganz unterschiedlich gro

sind die der Prokaryoten sind kleiner und enthalten weniger Bestandteile , ist der Mechanismus, mit dem sie zur Proteinsynthese beitragen, in beiden Zelltypen sehr hnlich. Abbildung 1.11 zeigt eine kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme von einem Teil des Cytoplasmas im schmalen Randsaum eines einzelligen Eukaryoten. In diesem Bereich der Zelle finden sich hufig keine von Membranen umschlossenen Organellen. Die Aufnahme zeigt einzelne Filamente des Cytoskeletts (rot) sowie andere groe makromolekulare Komplexe des Cytoplasmas (grn). Die meisten dieser Komplexe sind Ribosomen. Solche Bilder zeigen deutlich, dass das Cytoplasma einer eukaryotischen Zelle extrem berfllt ist, so dass wenig Platz bleibt fr die lsliche Phase des Cytoplasmas, die man als Cytosol bezeichnet. Zwischen eukaryotischen und prokaryotischen Zellen sind noch weitere wichtige Unterschiede zu erkennen. Bei der Teilung eukaryotischer Zellen kommt es zur Mitose, einem komplizierten

n Abb. 1.11. Das Cytoplasma einer eukaryotischen Zelle ist berfllt. Diese kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt einen kleinen Bereich am Rand eines einzelligen eukaryotischen Organismus, der vor der mikroskopischen Untersuchung schockgefroren wurde. Fr das dreidimensionale Erscheinungsbild wurden aus verschiedenen Winkeln zweidimensionale digitale Aufnahmen von dem Objekt gemacht und die einzelnen Bilder mit einem Computer fusioniert. Filamente des Cytoskeletts wurden rot, makromolekulare Komplexe (vor allem Ribosomen) grn und die Zellmembranen teilweise blau gefrbt. (Nachdruck genehmigt von Medalia O et al (2002) Science 298:1211, mit freundlicher Genehmigung von Baumeister W 2002 Am Ass for the Advancement of Science)

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n Abb. 1.12. Fr die Zellteilung der Eukaryoten muss eine raffinierte Struktur, die Mitosespindel, gebildet werden, die berwiegend aus Mikrotubuli besteht und die Chromosomen trennt. Die Mikrotubuli sind in dieser mikroskopischen Aufnahme grn, weil sie spezifisch mit einem Antikrper verbunden sind, der mit einem grnen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt wurde. Die Chromosomen, die gerade auf zwei Tochterzellen aufgeteilt wurden, als diese Zelle fixiert wurde, sind blau gefrbt (mit freundlicher Genehmigung von Conly L. Rieder)

Prozess, bei dem sich die verdoppelten Chromosomen zu kompakten Strukturen verdichten, die durch einen raffinierten Apparat, der Mikrotubuli enthlt, getrennt werden (Abb. 1.12). Dieser Apparat, die Mitosespindel, sorgt dafr, dass jede Tochterzelle exakt die gleiche Ausstattung an genetischem Material erhlt. Prokaryoten komprimieren ihr Chromosom nicht und bilden auch keine Mitosespindel aus. Ihre DNA wird verdoppelt, und die beiden Kopien werden einfach und przise dadurch getrennt, dass zwischen ihnen eine Zellmembran einwchst. Die meiste Zeit ber sind Prokaryoten keine sexuellen Lebewesen. Von dem einzigen Chromosom, das sie haben, besitzen sie nur eine Kopie, und es finden keine Vorgnge statt, die mit der Meiose, der Bildung der Gameten oder einer wirklichen Befruchtung vergleichbar wren. Obwohl es also bei Prokaryoten keine richtige sexuelle Vermehrung gibt, kann es bei einigen zu einer Konjugation kommen, bei der ein Stck DNA von einer Zelle auf eine andere bertragen wird (Abb. 1.13). Der Rezipient erhlt jedoch fast nie das gesamte Chromosom des Donors, und der Zustand, in dem er zustzlich zu seiner eigenen DNA auch noch die seines Partners besitzt, ist nur vorbergehend. Schon bald befindet sich in der Zelle wieder nur ein einziges Chromosom. Whrend eukaryotische Zellen ber viele verschiedene komplizierte Fortbewegungsmechanismen verfgen, sind diese bei den Prokaryoten relativ einfach. Prokaryotische Zellen bewegen

n Abb. 1.13. Konjugation von Bakterien. Die elektronenmikroskopische Aufnahme zeigt eine Konjugation zweier Bakterien, die ber eine Struktur der Donorzelle miteinander verbunden sind. ber diesen so genannten F-Pilus wird vermutlich DNA ausgetauscht. (Mit freundlicher Genehmigung von Charles C. Brinton, Jr. u. Judith Carnahan)

sich beispielsweise mithilfe eines dnnen Proteinfilaments, eines Flagellums, das aus der Zelle herausragt und sich dreht (Abb. 1.14 a). Die Rotationen des Flagellums ben auf die umgebende Flssigkeit Druck aus und sorgen so fr den ntigen Antrieb, um die Zelle durch das Medium zu bewegen. Zwar besitzen bestimmte eukaryotische Zellen, z. B. viele Protisten und Spermien, ebenfalls Flagellen; diese sind jedoch viel komplexer als die schlichten Proteinfilamente der Bakterien (Abb. 1.14 b) und erzeugen die Bewegung ber einen anderen Mechanismus. In den vorigen Kapiteln haben wir bereits zahlreiche wesentliche Unterschiede zwischen der pro- und eukaryotischen Zellorganisation angesprochen, werden jedoch vieles davon noch in spteren Kapiteln ausfhrlicher behandeln.

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Die Prokaryoten sollten jedoch keinesfalls als minderwertig abgetan werden; man sollte sich stattdessen stets vor Augen halten, dass diese Organismen seit ber 3 Mrd. Jahren die Erde bevlkern und dass genau in diesem Augenblick Millionen von ihnen auf unserem Krper sitzen oder sich an den Nhrstoffen in unserem Verdauungstrakt weiden. Denken Sie daran, dass Prokaryoten hinsichtlich ihres Stoffwechsels uerst ausgeklgelte, hochentwickelte Organismen sind. So kann z. B. ein Bakterium wie Escherichia coli, ein normaler Bewohner des menschlichen Verdauungstrakts, der auch in den Kulturschalen der Labors zu Hause ist, in einem Medium leben und florieren, das nur eine oder zwei niedermolekulare organische Verbindungen und ein paar anorganische Ionen enthlt. Andere Bakterien besitzen sogar die Fhigkeit, auf einem Medium zu leben, das nur aus anorganischen Substanzen besteht. Eine Bakterienspezies wurde in Schchten gefunden, die ber 1000 Meter unterhalb der Erdoberflche lagen; dort lebte sie auf Basaltfelsen und ernhrte sich von molekularem Wasserstoff (H2), der aufgrund von Reaktionen anorganischer Stoffe entstand. Im Gegensatz dazu bentigen selbst diejenigen Zellen in unseren Krper, die den raffiniertesten Stoffwechsel besitzen, eine Vielfalt an organischen Verbindungen wie etwa eine Reihe von Vitaminen und anderen essentiellen Substanzen, die sie nicht selber herstellen knnen. Viele dieser essentiellen Nhrstoffe werden von Bakterien synthetisiert, die normalerweise im Dickdarm leben. 1.3.2 Prokaryotische Zelltypen

b n Abb. 1.14 a,b. Unterschiede zwischen pro- und eukaryotischen Flagellen. a Das Bakterium Salmonella mit seinen zahlreichen Flagellen. Im Bildausschnitt ist ein Teil eines einzelnen bakteriellen Flagellums stark vergrert, das berwiegend nur aus dem Protein Flagellin besteht. b Jedes dieser menschlichen Spermien wird durch die wellenfrmige Bewegung eines einzigen Flagellums angetrieben. In der Vergrerung sieht man einen Querschnitt durch die Flagellenspitze eines Sugerspermiums. Die Flagellen eukaryotischer Zellen hneln sich so stark, dass dieser Querschnitt auch vom Flagellum eines Protisten oder einer Grnalge stammen knnte. (a aus Bernard R, Gerber BR, Routledge LM, Takashima S (1972) J mol Biol 71:322, 1972 mit Genehmigung der Publisher Academic Press; Ausschnitt mit freundlicher Genehmigung von Julius Adler u. M. L. Depamphilis; b: David M. Phillips/Visuals Unlimited; (Vergrerung) Don W. Fawcett/Visuals Unlimited)

Pro- und eukaryotische Zellen unterscheiden sich vor allem in ihrer strukturellen Komplexitt (Details in Tabelle 1.1) und nicht so sehr in ihrer phylogenetischen Beziehung. Die Prokaryoten unterteilt man in zwei groe taxonomische Gruppen oder berreiche: Archaea (oder Archaebakterien) und Eubacteria (oder Bakterien). Heute geht man davon aus, dass die Mitglieder der Archaea strker mit den Eukaryoten als mit der anderen Prokaryotengruppe (den Eubacteria) verwandt sind. Die Experimente, die zu der Entdeckung fhrten, dass das Leben durch drei verschiedene berreiche reprsentiert wird, werden in der Rubrik Experimentelle Verfahren errtert. Zum berreich der Archaea gehren mehrere Organismengruppen, deren evolutionre Verbindungen zueinander aufgrund von hnlichkeiten in der Nucleotidsequenz ihrer Nucleinsuren entdeckt wurden. Die bekanntesten Archaea sind

a Arten, die in extrem lebensfeindlichem Umfeld leben und daher hufig als extremophil bezeichnet werden. Zu den Archaea gehren die Methanobacteria (Prokaryoten, die CO2- und H2-Gase in Methan [CH4] umwandeln knnen), die Halobacteria (Prokaryoten, die an extrem salzigen Stellen wie dem Toten Meer oder dem Groen Salzsee leben), Acidophile (sureliebende Prokaryoten, die selbst in einer Umgebung mit einem pH-Wert von 0 noch leben knnen, wie man ihn etwa in Sickerwssern von aufgegebenen Bergwerksschchten findet) sowie die Thermophilen (Prokaryoten, die bei sehr hohen Temperaturen leben). Zur letzten Gruppe zhlen auch Hyperthermophile wie Pyrolobus fumarii, der in den hydrothermalen Schloten auf dem Meeresgrund leben und sich in ber den Siedepunkt hinaus erhitztem Wasser bei Temperaturen bis zu 113 8C vermehren kann. Bei Temperaturen unter 90 8C kann P. fumarii dagegen nicht wachsen. Alle anderen Prokaryoten gehren zum berreich der Eubacteria. Zu diesen zhlen auch die kleinsten Lebewesen, die Mycoplasmen (0,2 lm Durchmesser), die auch die einzigen bekannten Prokaryoten ohne Zellwand sind. Bakterien findet man in jedem nur denkbaren Lebensraum auf der Erde: vom ewigen Eis in der Antarktis ber die trockensten Wsten Afrikas bis zu den inneren Grenzschichten der Pflanzen und Tiere. Bakterien leben sogar in Gesteinsschichten, die sich mehrere Kilometer unterhalb der Erdoberflche befinden. Man vermutet, dass einige dieser Bakteriengemeinschaften seit ber 100 Mio. Jahre keine Verbindung zum Leben auf der Erdoberflche haben. Die komplexesten Prokaryoten sind die Cyanobakterien mit ihren raffiniert angeordneten cytoplasmatischen Membranen, an denen die Photosynthese stattfindet (Abb. 1.15 a). Die cytoplasmatischen Membranen der Cyanobakterien haben sehr groe hnlichkeit mit den photosynthetisch aktiven Membranen in den Chloroplasten von Pflanzenzellen. Wie bei den eukaryotischen Pflanzen spalten die Cyanobakterien bei der Photosynthese Wassermolekle und setzen dabei molekularen Sauerstoff frei. Viele Cyanobakterien knnen nicht nur Photosynthese betreiben, sondern auch Stickstoff fixieren, indem sie Stickstoff(N2)-Gas in reduzierte Stickstoffformen wie Ammoniak (NH3) umwandeln, die Zellen zur Synthese stickstoffhaltiger organischer Verbindungen wie etwa Aminosuren und Nucleotide verwenden knnen. Denjenigen Spezies, die sowohl Photosynthese als auch Stickstofffixierung beherrschen, knnen schon mit den elementarsten Ressourcen Licht, N2, CO2 und H2O berleben. Es ist daher nicht


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b n Abb. 1.15. Cyanobakterien. a Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Cyanobakteriums mit den cytoplasmatischen Membranen, an denen die Photosynthese stattfindet. Diese konzentrischen Membranen hneln sehr stark den Thylakoidmembranen in den Chloroplasten von Pflanzenzellen; auf dieses Merkmal sttzt sich die Hypothese, dass Chloroplasten aus symbiontischen Cyanobakterien hervorgegangen sind. b Cyanobakterien, die in den Haaren dieser Polarbren leben, sind fr die ungewhnliche grnliche Farbe ihres Fells verantwortlich. (a Mit freundlicher Genehmigung von Norma J. Lang; b Mit freundlicher Genehmigung der Zool. Soc. of San Diego)

verwunderlich, dass Cyanobakterien in der Regel die ersten Organismen sind, die nackte Felsen besiedeln, auf denen die glhend heie Lava eines Vulkanausbruchs smtliches Leben vernichtet hat. Ein weiterer ungewhnlicher Lebensraum, den Cyanobakterien besiedeln, ist in Abb. 1.15 b dargestellt. Die Vielfalt der Prokaryoten. Meistens sind Mikrobiologen nur mit den Mikroorganismen vertraut, die sie auch in einem Kulturmedium wachsen lassen knnen. Wenn ein Patient, der an einer Infektion der Atemwege oder des Harntrakts leidet, seinen Arzt aufsucht, wird hufig zuerst einmal der Erreger in Kultur genommen. Sobald der Erreger auf dem knstlichen Nhr-

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boden wchst, kann er identifiziert und die richtige Therapie verordnet werden. Wie sich herausgestellt hat, sind die meisten pathogenen Prokaryoten relativ einfach in Kultur zu nehmen; das gilt allerdings nicht fr diejenigen, die ohne Wirt in freier Natur leben. Das Problem wird noch dadurch verschrft, dass Prokaryoten kaum unter dem Lichtmikroskop zu erkennen sind und ihre Morphologie oft nicht sehr charakteristisch ist. Bis heute sind noch nicht einmal 5000 Arten von Prokaryoten identifiziert worden; das ist weniger als ein Promille der Millionen prokaryotischer Spezies, die wahrscheinlich auf der Erde leben! In den letzten Jahren hat unser Bewusstsein fr die Diversitt prokaryotischer Lebensgemeinschaften rasant zugenommen, weil molekulare Techniken entwickelt wurden, fr die man nicht extra einen bestimmten Organismus isolieren muss. Nehmen wir mal an, wir wollten etwas ber die Vielfalt der Prokaryoten erfahren, die in den oberen Schichten des Pazifischen Ozeans vor der Kste Kaliforniens leben. Anstatt zu versuchen, solche Organismen zu kultivieren, was sich meist als sinnlos erweisen drfte, knnte ein Wissenschaftler einfach die Zellen aus einer Meerwasserprobe konzentrieren, daraus die DNA extrahieren und bestimmte in der Prparation vorhandene DNA-Sequenzen analysieren. Alle Organismen haben bestimmte Gene gemeinsam etwa diejenigen, welche die ribosomalen RNAs oder die Enzyme bestimmter Stoffwechselwege codieren. Auch wenn alle Organismen mglicherweise solche Gene aufweisen, so unterscheiden sich die Sequenzen der Nucleotide, aus denen die Gene zusammengesetzt sind, doch von einer Spezies zur anderen erheblich. Darauf basiert die Evolution. Mithilfe von Techniken, mit denen man die vielfltigen Sequenzen eines bestimmten Gens in einem bestimmten Lebensraum nachweisen kann, erfhrt man direkt etwas darber, wie viele Spezies in diesem Habitat leben. Indem man die Sequenzen in der extrahierten DNA sorgfltig analysiert und sie mit den entsprechenden Sequenzen von bekannten Organismen vergleicht, kann man auerdem etwas ber die phylogenetische Zuordnung der Organismen in diesem Lebensraum erfahren. Dieselbe molekulare Strategie wird angewandt, um die erstaunliche Vielfalt an Mikroben zu erforschen, die auf oder in unserem Krper leben, in Lebensrumen wie dem Verdauungstrakt, dem Mund, der Vagina oder der Haut. Die Zahnfleischtaschen, also die Rume zwischen den Zhnen und dem Zahnfleisch, beherbergen eine der bestuntersuchten Mikrobengemeinschaften. Zu diesen gehren Bakterien, die dafr

sorgen, dass Zhne karis werden, sich das Zahnfleisch entzndet und es zu Herzerkrankungen kommt. Eine Analyse der RNA-Sequenzen lsst vermuten, dass in unseren Zahnfleischtaschen etwa 415 verschiedene Bakterienspezies leben. Trotz intensiver, jahrzehntelanger Bemhungen konnte bisher nur die Hlfte dieser Organismen in Kultur genommen werden. Mithilfe der molekularen Techniken, die sich die Sequenzen zunutze machen, haben Biologen herausgefunden, dass es in den meisten Lebensrumen auf der Erde nur so wimmelt von prokaryotischen Organismen, von denen man zuvor gar nichts wusste. Tabelle 1.2 liefert eine Schtzung, wie viele Prokaryoten in den wichtigsten Habitaten der Erde existieren. Es ist bemerkenswert, dass man heute annimmt, dass sich ber 90 Prozent dieser Organismen in den Sedimenten unterhalb der Erdoberflche befinden tief unter den Ozeanen und den oberen Bodenschichten. Noch vor etwa einem Jahrzehnt ging man davon aus, dass diese tieferen Sedimentschichten kaum von Lebewesen bevlkert sind. Tabelle 1.2 gibt auerdem Schtzwerte dafr an, wie viel Kohlenstoff in den prokaryotischen Zellen dieser Welt gespeichert ist. Damit man sich diese Angabe etwas besser vorstellen kann: Diese Zahl entspricht in etwa der gesamten Menge an Kohlenstoff in smtlichen Pflanzen auf der Erde.

n Tabelle 1.2. Anzahl und Biomasse der Prokaryoten auf der Erde Umgebung Anzahl an prokaryotischen Zellen 1028 12 355 In Prokaryoten vorhandene Kohlenstoffmenge (in Pg a) 2,2 303

Aquatische Lebensrume Unterhalb der Meeresoberflche Boden Unterhalb der Erdoberflche Insgesamt

26 25250

26 22215

415640

353546

a 1 Pg (Petagramm) = 1015 g Quelle: Whitman WB et al (1998) Proc Nat'l Acad Sci USA, 95:6581

a 1.3.3 Eukaryotische Zelltypen: Zellspezialisierung Die in vieler Hinsicht komplexesten eukaryotischen Zellen findet man nicht in Pflanzen oder Tieren, sondern unter einzelligen Protisten, wie sie in Abb. 1.16 zu sehen sind. Die gesamte Maschinerie fr die komplizierten Aktivitten dieses Organismus das Wahrnehmen der Umwelt, die Jagd nach Nahrungsmitteln, das Ausstoen berflssiger Flssigkeit sowie die Flucht vor Jgern ist in einer einzigen Zelle untergebracht. Komplexe einzellige Organismen entsprechen einem der Wege, welche die Evolution eingeschlagen hat. Ein anderer hat zur Evolution vielzelliger Organismen gefhrt, bei denen die verschiedenen Aktivitten auf verschiedene spezialisierte Zellen verteilt sind. Die spezialisierten Zellen entstehen im Rahmen einer so genannten Differenzierung. Wenn ein Wirbeltierei befruchtet wird und die embryonale Entwicklung durch-


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n Abb. 1.16. Vorticella, ein komplexer mit Cilien besetzter Protist. Man erkennt hier eine Reihe dieser Einzeller, von denen die meisten aufgrund einer Verkrzung des blulich gefrbten kontraktilen Bands im Stiel ihre Kpfe eingezogen haben. Jede Zelle besitzt nur einen einzigen groen Kern, den Makronucleus (Pfeil), der zahlreiche Genkopien enthlt (Carolina Biological Supply Co./Phototake)

luft, gibt es Hunderte von Mglichkeiten, sich zu differenzieren. Einige Zellen werden Teil einer bestimmten Verdauungsdrse, andere gehren zu einem groen Skelettmuskel, wieder andere zu einem Knochen und so weiter (Abb. 1.17). Welchem Entwicklungsweg die einzelne embryonale Zelle folgt, hngt vor allem davon ab, welche Signale sie aus ihrer Umgebung empfngt; und dies hngt wiederum davon ab, an welcher Stelle sich die Zelle im Embryo befindet. Wie im Exkurs unter der Rubrik Aus Sicht des Menschen errtert wird, erfahren die Wissenschaftler immer mehr darber, wie sie den Differenzierungsprozess in der Kulturschale steuern knnen und wenden ihr Wissen bei der Behandlung komplizierter menschlicher Krankheiten an. Aufgrund der Differenzierung sehen verschiedene Zelltypen unterschiedlich aus und sind ganz speziell ausgestattet. Skelettmuskelzellen enthalten ein Netzwerk von przise ausgerichteten Filamenten aus besonders kontraktilen Proteinen; Knorpelzellen sind von einer charakteristischen Matrix aus Polysacchariden und dem Protein Kollagen umgeben, die zusammen fr mechanischen Halt sorgen; rote Blutkrperchen werden zu scheibchenfrmigen Scken, die nur mit dem Protein Hmoglobin gefllt sind, das Sauerstoff transportiert, und so weiter. Trotz der zahlreichen Unterschiede findet man in den verschiedenen Zellen der vielzelligen Pflanzen oder Tiere hnliche Organellen. Mitochondrien beispielsweise gibt es in praktisch allen Zelltypen. Sie sind allerdings in einem Zelltyp eher rund und in einem anderen ausgeprgt lnglich oder fadenfrmig. Auf jeden Fall hngt die Anzahl, das Erscheinungsbild und die Position der verschiedenen Organellen immer mit den Aktivitten des jeweiligen Zelltyps zusammen. Dies lsst sich vielleicht mit der Vielfalt an Orchesterstcken, die es gibt, vergleichen: Alle wurden mit denselben Noten komponiert, die unterschiedlichen Arrangements sorgen aber dafr, dass jedes von ihnen einen einzigartigen Charakter hat und auf seine eigene, unverwechselbare Weise schn ist. Modellorganismen. Lebende Organismen zeigen eine enorme Vielfalt. Welche Ergebnisse man bei einem bestimmten Experiment erhlt, hngt mglicherweise stark davon ab, welcher Organismus gerade untersucht wurde. Daher haben sich Zell- und Molekularbiologen bei einem Groteil ihrer Forschungsaktivitten auf nur wenige reprsentative oder Modellorganismen konzentriert, weil sie auf diese Weise hofften, diese Arten besonders gut kennenzulernen. Das bedeutet nicht, dass in der Zell- und Molekular-

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n Abb. 1.17. Differenzierungswege. Einige Typen differenzierter Zellen in einem menschlichen Fetus. (Mikroskopi-

sche Aufnahmen mit freundlicher Genehmigung von Michael Ross, Univ. of Florida)

biologie nicht auch noch viele andere Organismen untersucht wrden. Trotzdem haben vor allem sechs Modellorganismen ein Prokaryot und fnf Eukaryoten die Aufmerksamkeit auf sich gezogen: n n n n n n das Bakterium Escherichia coli, die Bckerhefe Saccharomyces cerevisiae, die Bltenpflanze Arabidopsis thaliana, der Nematode Caenorhabditis elegans, die Taufliege Drosophila melanogaster, die Maus Mus musculus.

Jeder dieser Organismen hat spezielle Vorteile, die ihn als Forschungsobjekt fr die Beantwortung bestimmter Fragen besonders wertvoll machen. Alle diese Organismen sind in Abb. 1.18 zu sehen, und in der dazu gehrenden Legende sind einige Vorteile dieser Forschungsobjekte aufgefhrt. Wir wollen uns in diesem Buch auf die Ergebnisse von Untersuchungen an Sugersystemen konzentrieren, die vor allem an der Maus und an in Kultur genommenen Sugerzellen durchgefhrt wurden, weil diese Befunde am ehesten auf Menschen bertragen werden knnen. Wir werden trotzdem noch viele Gelegenheiten haben, wissenschaftliche Arbeiten an

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d

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f (etwa 1000) besteht, von denen sich jede nach einem przisen Zellteilungsmuster entwickelt. Das Tier hat einen transparenten Krper, eine kurze Generationszeit und eignet sich gut fr genetische Untersuchungen. Auf dieser mikroskopischen Aufnahme erkennt man das Nervensystem der Larve, das mit grn-fluoreszierendem Protein (GFP) markiert wurde. 2002 ging der Nobelpreis an die Forscher, die bahnbrechende Arbeit bei der Untersuchung von Caenorhabditis elegans geleistet haben. e Drosophila melanogaster, die Taufliege, ist ein kleiner, aber komplexer Eukaryot, an dem fast 100 Jahre lang bevorzugt genetische Untersuchungen durchgefhrt wurden. Dieser Organismus eignet sich sehr gut fr die molekularbiologische Untersuchung der Entwicklung und der neurologischen Grundlagen einfacher Verhaltensmuster. Bestimmte Larvenzellen besitzen Riesenchromosomen, bei denen man einzelne Gene fr Evolutions- und Genexpressionsstudien identifizieren kann. f Mus musculus, die gewhnliche Hausmaus, ist einfach im Labor zu halten und zu zchten. Es gibt inzwischen mehrere Tausend verschiedener genetischer Stmme, von denen viele einfach im gefrorenen Zustand als Embryonen aufbewahrt werden, weil es nicht gengend Platz fr die Unterbringung adulter Tiere gibt. Die hier abgebildete Nacktmaus hat keine Thymusdrse und stt daher menschliche Gewebetransplantate nicht ab. (a, b: Biophotoassociates/Photo Researchers; c: Jean Claude Revy/Phototake; d: Aus Knobel K, Schuske K, Jorgensen E (1998) Trends Genetics, Vol. 14, Cover #12; e: Dennis Kunkel/Visuals Unlimited; f: Ted Spiegel/Corbis Images)

n Abb. 1.18 af. Sechs Modellorganismen. a Escherichia coli ist ein stbchenfrmiges Bakterium, das im Verdauungstrakt des Menschen und anderer Suger lebt. Vieles von dem, was wir bei der Zelle an molekularbiologischem Grundwissen errtern werden etwa die Mechanismen der Replikation, Transcription und Translation wurden ursprnglich an diesem einen Prokaryoten erforscht. Wie relativ einfach eine prokaryotische Zelle organisiert ist, kann man auf dieser elektronenmikroskopischen Aufnahme erkennen (vergleichen Sie das mit der eukaryotischen Zelle in b). b Saccharomyces cerevisiae, besser bekannt als Bcker- oder Bierhefe. Dieser am wenigsten komplexe Eukaryot, der allgemein untersucht wird, besitzt erstaunlich viele Proteine, die eine Homologie zu Proteinen aus menschlichen Zellen aufweisen. Solche Proteine haben in der Regel eine Funktion, die in beiden Organismen erhalten ist. Die Spezies hat ein kleines Genom, das etwa 6200 Proteine codiert. Man kann sie in einem haploiden Zustand wachsen lassen (mit einer Kopie von jedem Gen pro Zelle und nicht zwei wie bei den meisten eukaryotischen Zellen); sie kann unter aeroben (O2-haltigen) oder anaeroben (ohne O2) Bedingungen gehalten werden. Mithilfe von Mutanten kann man bei S. cerevisiae ausgezeichnet Gene identifizieren. c Arabidopsis thaliana, aus der Gattung der Senfpflanzen, hat fr eine Bltenpflanze ein ungewhnlich kleines Genom (120 Mio. Basenpaare), eine kurze Generationszeit, bildet zahlreiche Samen und wird nur wenige Zentimeter hoch. d Caenorhabditis elegans, ein mikroskopisch kleiner Nematode, der aus einer definierten Anzahl von Zellen

den Zellen anderer Spezies zu beschreiben. Sie werden berrascht sein, wie sehr selbst Sie auf

zellulrer und molekularer Ebene diesen viel kleineren und einfacheren Organismen hneln.

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Aus Sicht des Menschenbildenden Zellen des Knochenmarks hmatopoetische Stammzellen (oder HSZs). Sie haben normalerweise die Aufgabe, die Millionen von roten und weien Blutkrperchen zu ersetzen, die altern und tglich in unserem Krper absterben (Abb. 17.4). Erstaunlicherweise kann eine einzige HSZ das gesamte blutbildende System einer bestrahlten Maus wiederherstellen. Als Stammzellen bezeichnet man undifferenzierte Zellen, die sich zum einen selber vermehren knnen und zum anderen zu zwei oder mehr reifen Zelltypen entwickeln knnen. HSZs des Knochenmarks sind nur eine Art von Stammzellen. Der ausgewachsene menschliche Krper enthlt eine Vielzahl verschiedener Stammzelltypen, aus denen die spezialisierten Zellen der jeweiligen Gewebe hervorgehen, in denen sie gefunden werden. Stammzellen sind vielversprechend fr den Ersatz von Geweben, die durch eine Verletzung oder Erkrankung zerstrt wurden. Sie knnen aber auch als Rohmaterial fr Ersatz von Zellen dienen, weil sie in Kultur gut wachsen, sich teilen und dann zu zahlreichen spezialisierten Zellen entwickeln knnen. Die meisten ausdifferenzierten Zellen knnen dagegen nicht mehr wachsen oder sich teilen, so dass sie fr eine Transplantation nicht in ausreichender Anzahl gewonnen werden knnen. Forscher entwickeln gegenwrtig experimentelle Strategien, um Stammzellen dazu zu bringen, sich in einer Kulturschale in einen bestimmten gewnschten Zelltyp wie etwa eine Pankreaszelle, die Insulin produziert, oder eine Nervenzelle, die Dopamin bildet, zu differenzieren, die dann fr eine Transplantation verwendet werden kann. Einer der grten potenziellen Einsatzbereiche fr die Stammzelltherapie ist die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit, die mit Zittern und Muskelstarre einhergeht. Bis vor kurzem hat man angenommen, dass das menschliche Gehirn nicht in der Lage ist, neue Nervenzellen zu bilden. Obwohl wir die berwiegende Mehrheit unserer Nervenzellen bereits seit unserer Kindheit besitzen, hat man im Gehirn von Erwachsenen nun doch eine Reihe von Bereichen gefunden, in denen stndig neue Nervenzellen gebildet werden. Das Foto auf dem Umschlag dieses Buches zeigt eine neu entstandene Nervenzelle im Hippocampus einer adulten Maus, einem Bereich des Gehirns,

Aussichten einer ZellersatztherapieWenn einem Menschen ein Herz- oder Leberversagen droht, bietet eine Organtransplantation die besten Aussichten, zu berleben und normal weiterleben zu knnen. Die Organtransplantation ist zwar ein groer Erfolg der modernen Medizin, sie kann aber aufgrund der geringen Anzahl an verfgbaren Spenderorganen und des hohen immunologischen Abstoungsrisikos nur sehr begrenzt eingesetzt werden. Stellen Sie sich vor, was mglich wre, wenn wir Zellen und Organe im Labor wachsen lassen und damit kranke oder nicht funktionsfhige Bestandteile unseres Krpers ersetzen knnten. Obwohl diese Aussichten berwiegend ins Reich der Sciencefiction gehren, hoffen die Forscher aufgrund von Untersuchungen aus den letzten Jahren, dass diese Art der Therapie eines Tages gang und gbe sein knnte. Um das Konzept der Zellersatztherapie besser verstehen zu knnen, knnen wir uns eine heutzutage gebruchliche Prozedur wie die Knochenmarkstransplantation vorstellen, bei der aus den Beckenknochen eines Spenders Zellen entnommen und in den Krper eines Empfngers injiziert werden. Mit einer Knochenmarkstransplantation werden vor allem Lymphome und Leukmien behandelt, also Krebsarten, die den Charakter und die Anzahl der weien Blutkrperchen verndern. Um die Transplantation durchfhren zu knnen, wird der Patient einer hohen Strahlendosis und/oder giftigen Chemikalien ausgesetzt, welche die Krebszellen, aber auch smtliche Zellen tten, die an der Bildung der roten und weien Blutzellen beteiligt sind. Diese Therapie hat deshalb Erfolg, weil die blutbildenden Zellen besonders empfindlich gegenber Strahlen und toxischen Substanzen sind. Sobald die blutbildenden Zellen eines Menschen zerstrt sind, werden sie durch die Knochenmarkszellen eines gesunden Spenders ersetzt. Das Knochenmark kann das Blutsystem des Empfngers regenerieren, weil es einen kleinen Prozentsatz an Zellen enthlt, die proliferieren und somit das blutbildende Knochenmarksgewebe des Patienten wieder aufstocken knnen.1 Man nennt diese blut1 Eine Knochenmarkstransplantation ist etwas anderes als eine einfache Bluttransfusion, bei welcher der Empfnger ausdifferenzierte Blutzellen vor allem rote Blutkrperchen und Blutplttchen erhlt, die im Blutkreislauf vorhanden sind.

a der beim Lernen und fr das Gedchtnis eine entscheidende Rolle spielt. Diese Nervenzellen stammen von einer Population neuronaler Stammzellen ab, die man aus Hirngewebe isolieren kann, das chirurgisch entfernt wurde. Wie hmatopoetische Stammzellen knnen sich auch neuronale Stammzellen in einer Kulturschale vermehren. Je nach den Kulturbedingungen, kann man neuronale Stammzellen undifferenziert halten oder dazu bringen, sich zu spezialisierten Zelltypen zu entwickeln in der Regel zu Nerven- oder Gliazellen (Zellen des neuronalen Sttzgewebes). Wenn man neuronale Stammzellen in das Gehirn einer Maus injiziert, knnen sie sich zu Nervenzellen entwickeln, die in das Gehirn des Tieres integriert werden und die erforderlichen Funktionen erfllen. Anfang der 1990er Jahre konnte man zeigen, dass man die Symptome der Parkinson-Krankheit beim Menschen wesentlich lindern kann, indem man Nervenzellen in den betroffenen Teil des Gehirns spritzt. Diese Nervenzellen stammten aus den Gehirnen menschlicher Feten, die abgetrieben worden waren. Abb. 1 zeigt einen Gehirn-Scan eines am ParkinsonSyndrom erkrankten Patienten, dem vor zehn Jahren fetale Nervenzellen in eine Seite des Gehirns injiziert worden waren. Viele der


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n Abb. 1. Langfristiges berleben von transplantierten fetalen Neuronen. Links: Auf einem PET-Scan eines normalen menschlichen Gehirns erkennt man, wie das markierte Dopa (rot-wei), ein Marker fr die Dopamin produzierenden Nervenzellen, die bei der Parkinson-Krankheit selektiv zerstrt werden, verteilt ist. Rechts: GehirnScan eines Parkinson-Patienten, dem vor zehn Jahren fetale Nervenzellen auf eine Seite des Gehirns transplantiert worden waren. Die transplantierten Zellen leben noch und sind noch funktionsfhig im Gegensatz zu den meisten eigenen dopaminergen Neuronen des Patienten, die degeneriert sind. (Mit freundlicher Genehmigung von Paola Piccini, MRC, ICSM, Hammersmith Hospital, London)

transplantierten Zellen leben immer noch und sind funktionsfhig, obwohl das umgebende Gewebe durch die weiter fortgeschrittene Krankheit zerstrt worden ist. Menschliche Feten kommen jedoch als Spender fr eine Gewebetransplantation nicht in Frage. Es gibt wichtige ethische Bedenken gegenber diesem Verfahren und die Nachfrage nach solchen Zellen ist bei weitem grer, als man aus den vorhandenen Feten gewinnen kann. Viele Jahre lang ist man davon ausgegangen, dass sich die adulten Stammzellen nur zu einem begrenzten Spektrum von Zelltypen entwickeln knnen, in der Regel in Zellen aus dem Gewebe, aus dem sie stammen. So dachte man beispielsweise, dass aus hmatopoetischen Stammzellen nur Blutkrperchen werden knnten, aus neuronalen Stammzellen nur Nervengewebe und aus epidermalen Stammzellen nur Haut werden knnte. Diese Sichtweise, dass adulte Stammzellen nur ein sehr eingeschrnktes Entwicklungspotenzial haben, wurde in der Zeit von 1999 bis 2002 weitgehend aufgegeben. Nach Forschungsergebnissen von ber einem Dutzend prominenter Labors aus dieser Zeit konnte man gereinigte Prparationen von Stammzellen aus adultem Blut, Hirn oder Haut in Labortiere injizieren, wo sie sich dann zu einem breiten Spektrum von Zelltypen entwickelten, das weit ber das hinausging, was man frher fr mglich erachtet hatte. Diese Schlussfolgerungen aufgrund von Tierstudien wurden durch Beobachtungen an Frauen besttigt, denen Knochenmark von mnnlichen Spendern transplantiert worden war. Bei diesen Untersuchungen fand man funktionelle Spenderzellen an so unwahrscheinlichen Stellen wie der Leber, der Haut und dem Verdauungstrakt der Empfngerinnen. Den Berichten zufolge entwickelten sich adulte Stammzellen nicht nur zu diversen Zelltypen, sondern waren auch in der Lage, Tiere, denen sie transplantiert worden waren, von verschiedenen Arten von Krankheiten zu heilen. Laut einer der Untersuchungen differenzierten sich HSZs beispielsweise zu funktionellen Herzmuskelzellen und konnten in Musen, bei denen ein Herzanfall induziert worden war, die zerstrten Zellen ersetzen. In einer anderen Studie stellte sich heraus, dass HSZs sich zu funktionellen Leberzellen entwickelten, und Tiere mit einer tdlichen Lebererkrankung retten konnten, die durch einen genetischen Fehler in einem entscheidenden Enzym im Stoff-

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wechsel ausgelst wird. Auf diese Flut von Berichten ber das auergewhnliche Differenzierungsvermgen adulter Stammzellen folgte eine Welle der Skepsis, die von Publikationen untermauert wurde, in denen die Autoren entweder frhere Befunde nicht reproduzieren konnten oder aber zeigten, dass die beobachteten Ergebnisse nicht auf das Differenzierungsvermgen der Stammzellen zurckzufhren waren. So beruhte die Fhigkeit der HSZs, Tiere von Lebererkrankungen zu heilen, nicht darauf, dass sich die Zellen zu Leberzellen entwickeln konnten, sondern darauf, dass sie mit vorhandenen Leberzellen fusionieren konnten und so ein Gen fr ein normales Enzym erhielten. Whrend ich dieses Buch schreibe, berprfen Wissenschaftler gerade erneut das Differenzierungsvermgen adulter Stammzellen, diesmal nach strengeren experimentellen Kriterien. Wir haben die Errterung bisher auf Stammzellen aus adulten Organismen begrenzt. Es sind jedoch nicht diese Studien an adulten Stammzellen, weswegen dieses Thema die Gemter besonders erregt und welche die grten Kontroversen auslst, sondern Untersuchungen an embryonalen Stammzellen (ES), die aus ganz jungen Sugerembryonen isoliert werden (Abb. 2). Das sind die Zellen des jungen Embryos, aus denen smtliche verschiedenen Strukturen des fetalen Sugers hervorgehen. Anders als bei den adulten Stammzellen sind die Differenzierungsfhigkeiten der ES-Zellen unbestritten. ES knnen sich zu jedem Zelltyp im Krper differenzieren sowohl in Zellkultur, als auch in einem als Spender vorgesehenen Embryo selbst. Langfristig besteht das Ziel der klinischen Forscher darin herauszufinden, wie man ES-Zellen dazu bringen kann, sich in Kultur in einen gewnschten Zelltyp zu verwandeln, den man fr eine Zellersatztherapie verwenden kann. Es hat einige Fortschritte in diese Hinsicht gegeben. So kann man beispielsweise durch Zugabe eines spezifischen Wachstumsfaktors (bFGF) und dann Nicotinamids (eines Derivats des Vitamins Niacin) eine Kultur von ES-Zellen dazu bringen, sich vor allem zu Insulin sezernierenden Beta-Zellen aus dem Pankreas zu entwickeln. Wenn man diese aus den ES-Zellen stammenden Beta-Zellen in eine diabetische Maus spritzt, sezernieren die Zellen geringe Mengen Insulin und verlngern das Leben des Tieres.

n Abb. 2. Verfahren zur Gewinnung differenzierter Zellen fr eine Zellersatztherapie. Einem Patienten wird etwas Gewebe entnommen, und ein Zellkern aus einer der Zellen wird in eine Eizelle des Spenders eingesetzt, deren eigener Kern vorher entfernt wurde. Anschlieend sorgt man dafr, dass sich aus der Oocyte (Ei) ein frher Embryo entwickelt, dem man dann ES-Zellen entnimmt und in Kultur wachsen lsst. Eine Population der ES-Zellen wird dazu angeregt, sich zu den bentigten Zellen zu entwickeln, die daraufhin in den Patienten transplantiert werden, um die gestrte Organfunktion wiederherzustellen

Da menschliche ES-Zellen aus Embryonen gewonnen werden, sind sie ein wichtiges Politikum. Im August 2001 beschrnkte Prsident Bush die von der Regierung gefrderte Forschung in den USA auf bereits etablierte ESZelllinien. Aufgrund dieser Entscheidung durften die meisten Forscher an akademischen Einrichtungen von Befruchtungskliniken keine neuen, noch nicht kultivierten ES-Zellen, die von berzhligen Embryonen abstammten, mehr erhalten, sondern mussten ihre Untersuchungen auf eine handvoll bereits existenter ES-Zelllinien beschrnken. Viele andere Lnder wie z. B. England haben derartige Einschrnkungen abgelehnt und planen stattdessen, Zellbnke einzurichten, in denen ES-Zellen gesammelt, charakterisiert und an Wissenschaftler verteilt werden knnen. In den letzten Jahren ist heftig darber diskutiert worden, ob adulte Stammzellen fr eine Zellersatztherapie genauso vielversprechend sind wie ES-Zellen. Wie bereits erwhnt, besitzen adulte Stammzellen offenbar nicht die gleichen Differenzierungsmglichkeiten wie

a ES-Zellen.2 Andererseits haben adulte Stammzellen gegenber ES-Zellen den Vorteil, dass sie von der Person isoliert werden knnen, die gerade behandelt wird, so dass bei einer anschlieenden Zellersatztherapie mit diesen Zellen keine immunologischen Abstoungsreaktionen zu befrchten sind. Man kann ES-Zellen jedoch unter Umstnden soweit anpassen, dass sie genetisch den Zellen der Person entsprechen, die behandelt wird, und daher nicht vom Immunsystem des Empfngers angegriffen werden. Das kann man wahrschein2 In letzter Zeit richtete sich die Aufmerksamkeit auf einen zuvor nicht identifizierten Zelltyp namens MAPC, der unerklrlicherweise in Stammzellkulturen auftaucht, die aus dem Knochenmark erwachsener Menschen oder Nager stammen. MAPCs werden nur aus mesenchymalen Stammzellen des Knochenmarks, aber nicht aus hmatopoetischen Stammzellen gewonnen. Sie zeigen viele hnlichkeiten mit ES-Zellen (etwa bei den Proteinen, die sie exprimieren) und scheinen das Potenzial zu haben, sich in die meisten, wenn nicht alle ausdifferenzierten Zelltypen entwickeln zu knnen. Ob sich MAPCs wirklich fr Zellersatztherapien eignen, muss noch geklrt werden.


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lich durch ein kompliziertes Verfahren erreichen, das in Abb. 2 dargestellt ist. Bei diesem Ansatz beginnt man mit einer unbefruchteten Eizelle, einer Zelle, die aus den Eierstcken einer nicht verwandten Spenderin stammt. Dann wird der Kern der unbefruchteten Eizelle durch einen Zellkern des Patienten ersetzt, der behandelt werden soll. Auf diese Weise erhlt das Ei dieselbe chromosomale Zusammensetzung wie der Patient. Anschlieend ermglicht man es dem Ei, sich bis zu einem frhen embryonalen Stadium zu entwickeln, entnimmt ihm die ES-Zellen, nimmt sie in Kultur und bringt sie dazu, sich zu dem vom Patienten bentigten Zelltyp zu differenzieren. Weil sich bei diesem Verfahren ein menschlicher Embryo entwickelt, der ausschlielich zur Herstellung von ES-Zellen bentigt wird, wirft es wichtige ethische Fragen auf, die geklrt werden mssen, bevor diese Methode routinemig angewandt werden kann. Es gibt vielleicht auch andere Mglichkeiten, an ES-Zellen heranzukommen, ohne einen lebensfhigen menschlichen Embryo erzeugen zu mssen. Man kann die Dimensionen von Zellen und ihren Organellen gut in Mikrometern angeben. So liegt der Durchmesser von Kernen etwa bei 510 lm, Mitochondrien sind etwa 2 m lang. Prokaryotische Zellen haben in der Regel eine Lnge von ungefhr 15 lm, eukaryotische Zellen dagegen von 1030 lm. Es gibt mehrere Grnde dafr, warum die meisten Zellen so klein sind. Bedenken sie Folgendes: Fast alle eukaryotischen Zellen besitzen einen einzigen Kern, der von den meisten Genen nur zwei Kopien enthlt. Da Gene als Vorlagen fr die Synthese informationstragender MessengerRNAs dienen, kann eine Zelle in einem bestimmten Zeitraum nur eine begrenzte Anzahl dieser Messenger-RNAs herstellen. Je grer das Cytoplasma einer Zelle ist, desto lnger dauert es, die fr die Zelle erforderlichen MessengerRNAs zu synthetisieren. In dem Ma, wie eine Zelle grer wird, nimmt bei ihr das Verhltnis von Oberflche zu Volumen ab. (Man kann diese Aussage berprfen, indem man die Oberflchen eines Wrfels mit einer Kantenlnge von 1 cm und eines Wrfels mit einer Kantenlnge von 10 cm miteinander vergleicht. Das Verhltnis von Oberflche zu Volumen des kleineren Wrfels ist betrchtlich grer als das des greren Wrfels.) Die Fhigkeit einer Zelle, mit ihrer Umgebung Substanzen auszutauschen, ist proportional zu

1.3.4 Die Gre der Zellen und ihrer Bestandteile In Abb. 1.19 sind die relativen Gren einiger zellbiologisch interessanter Strukturen, die fr Zellbiologen von Interesse sind, angegeben. In der Regel beschreibt man Strukturen innerhalb einer Zelle mithilfe von zwei Einheiten eines linearen Mastabs: dem Mikrometer (lm) und dem Nanometer (nm). Ein lm entspricht 106 und ein nm 109 m. Obwohl das ngstrm (), das einem Zehntel Nanometer entspricht, als metrisches Ma offiziell nicht mehr zugelassen ist, benutzen es die Molekularbiologen noch hufig im atomaren Bereich. Ein ngstrm entspricht in etwa dem Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Die Dimensionen groer biologischer Molekle, der Makromolekle, werden entweder in ngstrm oder in Nanometern angegeben. Myoglobin, ein typisches globulres Protein, hat ungefhr die Ausmae 4,5 3,5 2,5 nm; sehr lange Proteine wie Kollagen oder Myosin sind ber 100 nm lang; und DNA ist etwa 2,0 nm breit. Komplexe Makromolekle wie Ribosomen, Mikrotubuli oder Mikrofilamente haben einen Durchmesser von 525 nm. Obwohl sie winzig sind, sind diese Makromolekle erstaunlich raffinierte Nanomaschinen, die verschiedenste mechanische, chemische und elektrische Aktivitten durchfhren knnen.

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Funktion und berleben einer Zelle hngen weitgehend von der ungerichteten Bewegung der Molekle ab (Diffusion). Sauerstoff beispielsweise muss von der Zelloberflche durch das Cytoplasma ins Innere der Mitochondrien diffundieren. Wie lange die Diffusion dauert, ist proportional zum Quadrat der Entfernung, die zurckgelegt werden muss. O2 bentigt beispielsweise nur 100 Mikrosekunden, um eine Entfernung von einem Mikrometer zu diffundieren, aber 106-mal lnger, um eine Entfernung von einem Millimeter zurckzulegen. Wenn eine Zelle grer wird und die Entfernung von der Oberflche ins Innere zunimmt, wird die Zeit, die erforderlich ist, damit Substanzen per Diffusion in eine metabolisch aktive Zelle eindringen und sie auch wieder verlassen, untragbar lang.

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Wiederholung1. Vergleichen Sie eine prokaryotische und eine eukaryotische Zelle hinsichtlich ihrer strukturellen, funktionellen und metabolischen Unterschiede. 2. Worin liegt die Bedeutung der Zelldifferenzierung? 3. Warum sind Zellen fast immer mikroskopisch klein? 4. Wenn ein Mitochondrium zwei Mikrometer lang wre, wie vielen entsprche das? Wie vielen nm und wie vielen mm?

1.4 VirenGegen Ende des 19. Jahrhunderts hatten Louis Pasteur und andere die wissenschaftliche Welt mit ihren Arbeiten davon berzeugt, dass Infektionen von Pflanzen und Tieren auf Bakterien zurckzufhren sind. Untersuchungen zur Tabakmosaik-Krankheit von Tabakpflanzen und der Maul- und Klauenseuche bei Rindern wiesen jedoch auf die Existenz eines anderen Erregertyps hin. Man fand beispielsweise heraus, dass der Saft einer kranken Tabakpflanze die Mosaikkrankheit auf eine gesunde Pflanze bertragen konnte, obwohl der Saft keine Anzeichen fr Bakterien zeigte, wenn man ihn unter dem Lichtmikroskop untersuchte. Um einen besseren berblick ber die Gre und die Art des Erregers zu bekommen, lie Dimitri Iwanowski, ein russischer Biologe, den Saft einer erkrankten Pflanze durch Filter laufen, deren Poren so klein waren, dass die kleinsten bekannten Bakterien dadurch nur schwer durchtreten konnten. Das Filtrat war immer noch infektis, woraus Iwa-

n Abb. 1.19. Relative Gren von Zellen und Zellbestandteilen. Die Gren der hier abgebildeten Strukturen unterscheiden sich um ber sieben Grenordnungen

ihrer Oberflche. Wrde eine Zelle eine bestimmte Gre berschreiten, htte sie nicht mehr gengend Oberflche, um all die Substanzen (etwa Sauerstoff, Nhrstoffe) aufzunehmen, die sie fr ihre Stoffwechselaktivitten bentigt. Zellen wie etwa die im Darmepithel, die auf die Absorption gelster Stoffe spezialisiert sind, besitzen in der Regel Mikrovilli, welche die fr den Austausch verfgbare Oberflche stark vergrern (Abb. 1.3). Das Innere einer groen Pflanzenzelle ist in der Regel eher mit einer groen, mit Flssigkeit gefllten Vakuole angefllt als mit stoffwechselaktivem Cytoplasma (Abb. 8.36 b).

a nowski schloss, dass bestimmte Krankheiten durch Pathogene verursacht werden, die noch kleiner und vermutlich einfacher gebaut sind als die kleinsten bekannten Bakterien. Diese Erreger wurden unter der Bezeichnung Viren bekannt. 1935 berichtete Wendell Stanley vom Rockefeller Institut, dass das fr die TabakmosaikKrankheit verantwortliche Virus kristallisiert werden konnte und dass die Kristalle infektis seien. Substanzen, die Kristalle bilden, besitzen eine hchst geordnete, gut definierte Struktur und sind lngst nicht so komplex wie die einfachsten Zellen. Stanley schloss daraus flschlicherweise, dass das Tabakmosaikvirus (TMV) ein Protein sei. In Wahrheit ist TMV ein stbchenfrmiges Partikel, das aus einem einzigen RNA-Molekl besteht, das von einer helikalen Hlle von Proteinuntereinheiten umgeben ist (Abb. 1.20).

Viren

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a

b n Abb. 1.20 a, b. Tabakmosaikvirus (TMV). a Zeichnung von einem Teil eines TMV-Partikels. Die Proteinuntereinheiten, die im gesamten stbchenfrmigen Partikel identisch sind, umhllen ein einzelnes helikales RNA-Molekl. Die RNA ragt aus dem Ende heraus, an dem das Protein entfernt wurde. b Elektronenmikroskopische Aufnahme von TMV-Partikeln nach einer Phenol-Behandlung, durch die beim oberen Partikel die Proteinuntereinheiten vom Mittelteil und beim unteren Partikel an den Enden entfernt wurden. Intakte Stbchen sind etwa 300 nm lang und haben einen Durchmesser von 18 nm. (b: Mit freundlicher Genehmigung von M. K. Corbett)

Viren sind fr Dutzende menschlicher Krankheiten wie AIDS, Polio, Influenza, Herpes, Masern und einigen Arten von Krebs verantwortlich (Kap. 16.2). Es gibt eine breites Spektrum an Viren mit ganz unterschiedlichen Formen, Gren und jeweils anderer Zusammensetzung, alle haben jedoch bestimmte Eigenschaften gemeinsam. Alle Viren sind zwangslufig intrazellulre Parasiten; das heit, sie knnen sich nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren. Je nach Virus kann der Wirt eine Pflanze, ein Tier oder eine Bakterienzelle sein. Auerhalb einer lebenden Zelle ist das Virus ein Partikel oder Virion kaum mehr als ein makromolekulares Paket. Das Virion enthlt wenig genetisches Material, das je nach Virus einzel- oder doppelstrngig, RNA oder DNA ist. Erstaunlicherweise besitzen einige Vire

K1 Einführung in die Zell-und Molekularbiologie

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