Zellbiologie

Flüssig-Mosaik-Modell

• Lipid-Doppelschicht, die im Inneren lipophil (hydrophob) und an den Außenseiten hydrophil (lipophob) ist.
• Membranproteine:
  • Periphere Proteine: Außen auf die Doppelschicht aufgelagert 
  • Integrale Proteine: Reichen in die Lipid-Doppelschicht hinein 
  • Membranporen (Tunnelproteine)

Abgabe bzw. Aufnahme von flüssigen /gelösten Stoffen oder von Partikeln aus der Zelle bzw. in die Zelle.

• Exozytose: Membranbläschen (Vesikel), das die abzugebenden Stoffe enthält, verschmilzt mit der Zellmembran und entleert sich nach außen.
• Endozytose: Aufzunehmende Stoffe gelangen in eine Einstülpung der Zellmembran, die nach innen als Vesikel abgeschnürt wird.

Bis etwa 0,10 ml zugegebener Acarboselösung steigt die Amylosekonzentration nach 5 Minuten linear und nähert sich dann in sigmoidem Verlauf einem konstanten Wert um 98 % an, der bei etwa 0,14 ml zugegebener Acarboselösung erreicht wird.

Je mehr Acarbose zugegeben wird, desto weniger Amylose wird abgebaut, da die Amylase durch Acarbose gehemmt wird. Ab etwa 0,14 ml zugegebener Acarboselösung findet praktisch kein Amyloseabbau mehr statt.

Amylose und Acarbose weisen eine ähnliche chemische Struktur auf, deshalb wird Amylase durch Acarbose kompetitiv gehemmt. Das Substrat muss nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an das aktive Zentrum des Enzyms binden. Hat der Hemmstoff eine ähnliche räumliche Struktur wie das Substrat, kann er ebenfalls an das aktive Zentrum binden. Dadurch blockiert er für eine gewisse Zeit die Anlagerung des Substrats und dieses kann nicht umgesetzt werden.

Hier müssen Sie Ihre Kenntnisse über den Membranbau reorganisieren und mit der elektronenoptischen Darstellung in Verbindung bringen.

Der mit Osmiumtetroxid fixierte Gewebeschnitt zeigt in den Bereichen, in denen sich biologische Membranen befinden, das charakteristische Bild einer trilamellaren Struktur: Zwei dunkle, elektronendichte Linien umschließen einen hellen, dazwischen befindlichen Bereich. Dieses Bild der „Eisenbahngleise ohne Schwellen“ ist bei jeder derart fixierten biologischen Membran zu erkennen. Da der chemische Grundaufbau biologischer Membranen bekannt ist, kann das im Transmissions-Elektronenmikroskop entstehende Bild wie folgt gedeutet wer- den: Der mittlere, helle Bereich enthält die lipophilen Bestandteile der Membranlipide, die in der Lipiddoppelschicht einander zugewandt sind. Die dunklen Linien stellen die Bereiche dar, in denen sich sowohl die hydrophilen Lipidanteile sowie Membranproteine befinden.

Abb. 2 gibt die quantitative Verteilung von vier Membranlipiden in der Erythrozytenmembran wieder. Dabei ist der mengenmäßige Anteil der einzelnen Lipide auf der Membraninnen- und -außenseite in Prozent angegeben. Die Abbildung verdeutlicht auf den ersten Blick, dass das quantitative Vorkommen der vier Membranlipide an der Innen- bzw. der Außenseite der Membran sehr unterschiedlich ausfällt. Phosphatidylcholin und Sphingomyelin kommen zu 22 bzw. 20 % in der Membranaußenseite vor. Am Aufbau der Innenseite der Erythrozytenmembran ist Phosphatidylcholin aber lediglich mit 8 % und Sphingomyelin nur mit 5 % beteiligt. Für die Membranlipide Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylserin ergibt sich mengenmäßig die umgekehrte Verteilung. Beide kommen an der Membraninnenseite deutlich häufiger vor (Phosphatidylethanolamin: innen 26 %; außen 6 %) bzw. sind ausschließlich dort vorhanden (Phosphatidylserin: knapp 10 %).

In Tab. 1 ist das quantitative Verhältnis von Proteinen zu Lipiden in verschiedenen Membrantypen zusammengefasst. Wie die Zahlenwerte verdeutlichen, kann das jeweilige Verhältnis der beiden Komponenten zueinander beträchtlich schwanken. Bei Zahlenwerten kleiner 1 überwiegen Lipide, bei einem Wert über 1 befinden sich mehr Proteine in der jeweiligen Biomembran. In den Disc-Membranen der Sehstäbchen und der äußeren Mitochondrienmembran herrscht ein annähernd ausgeglichenes Verhältnis von Proteinen zu Lipiden vor. Dies gilt in abgeschwächtem Maße auch für die Membranen der Leberzelle. Wie der Quotient von 3,0 bei der inneren Mitochondrienmembran zeigt, enthält diese deutlich mehr Proteine als Lipide. Dagegen überwiegt in den Membranen der Myelinscheide der Lipidanteil ganz deutlich.

Zusammenfassend kann aus den beiden Darstellungen (Abb. 2 und Tab. 1) gefolgert werden, dass in den diversen Membranen eines Organismus die quantitative Verteilung von Lipidtypen in der Lipiddoppelschicht und das Mengenverhältnis von Membranlipiden zu -proteinen sehr unterschiedlich sein kann.

Chloroplasten und Mitochondrien gehören neben dem Zellkern zu den Zellorganellen, die eine doppelte Membran besitzen.

Bei den Chloroplasten umschließt die innere Membran das Stroma, den Innenraum des Zellorganells, der als Matrix bezeichnet wird. Diese Membran ist in den Matrixbereich hinein lamellenförmig-flächig eingestülpt, woraus eine Oberflächenvergrößerung resultiert. Dort werden Membransysteme, die Thylakoide, gebildet. Sind diese geldrollenartig übereinandergestapelt, spricht man von Granathylakoiden (Granum). Liegen die Membranen vereinzelt im Matrixbereich, werden sie Stromathylakoide genannt. Im Stroma verstreut befinden sich Ribosomen. Das Zellorganell besitzt darüber hinaus auch eigene DNA. Chloroplasten können aus Vorstufen von Plastiden entstehen, sie vermehren sich aber ebenfalls durch Abschnürungen, d. h. durch Teilung. In den Chloroplasten läuft die Fotosynthese ab, die zur Produktion von Zucker- und Stärkemolekülen führt. Aus den energiearmen Substanzen Kohlenstoffdioxid und Wasser werden mithilfe der Energie aus dem Sonnenlicht der energiereiche Stoff Traubenzucker und Sauerstoff aufgebaut:

Diesen Vorgang bezeichnet man als Assimilation.

In den z. T. oval-kugeligen, meist aber stäbchenförmigen Mitochondrien, den „Kraftwerken“ der Zelle, läuft die Zellatmung ab. Die innere Mitochondrien- Membran umschließt auch bei diesem Zellorganell eine Matrix. Auch hier ist die in die Matrix hineinreichende Membran zur Vergrößerung der Oberfläche stark aufgefaltet. Je nach Art des Faltungsmusters unterscheidet man einen Christae- (Leisten-), Tubulus- (Röhren-) und Sacculus- (Säckchen-)Typ. Inner- halb der Matrix sind u. a. Ribosomen und ringförmige DNA-Moleküle vorhanden. Mitochondrien können nur durch Teilung (Abschnürung) aus bereits vorhandenen Mitochondrien entstehen. Diese Organellen befähigen eine Zelle da- zu, aus Kohlenhydraten (C6H12O6), Sauerstoff und Wasser Adenosintriphosphat (ATP) zu synthetisieren. Der Dissimilationsprozess läuft nach folgender Reaktionsgleichung ab:

Versuchstiere werden unter spezifischem Erfahrungsentzug in veränderter Umwelt ohne Kontakt mit Artgenossen aufgezogen ⇒ Wenn

eine Verhaltensweise trotz Erfahrungsentzug auftritt, ist dies ein Beweis dafür, dass das Verhalten angeboren sein muss.

Sie kommen in fast allen Körpergeweben vor, wo Zellen miteinander in Kontakt treten. Beim Erwachsenen kommen sie besonders im Herzmuskelgewebe und in der Retina vor.

Die wichtigsten Membranproteine sind Occludine oder Claudine. 

Tight Junction bilden abhängig von der Funktion des Epithels unterschiedliche dichte Netzwerke. Im Darm ist das Netzwerk eher lose aufgebaut. In der Blut-Hirn-Schranke sehr dicht. Je dichter das Netzwerk, desto weniger durchlässig ist es. 

Durch ihre Funktion als Diffusionsbarriere kommen Tight Junctions zwischen den Zellen des Epithels oder des Endothels vor. Beispiele sind das Darmepithel, die Blut-Hirn-Schranke und das Nierenepithel.

Im Darmepithel sorgen sie dafür, dass der Darminhalt nicht durch das Darmepithel ins Blut gelangt. 

Bei der Krankheit "Leaky Gut Syndrome" ist die Diffusionbarriere gestört. Dabei können Giftstoffe und Bakterien aus dem Darm ins Blut gelangen und es kommt zu Krankheiten wie Akne, Migräne, und Entzündungen.

Sie verhindern die Bewegung von Membrankomponenten und halten so die Zellpolarität aufrecht, indem sie die apikalen und basalen Membrankomponenten von einander separieren

Bei Multiple Sklerose entzündet sich das zentrale Nervensystem immer wieder. Im Gehirn verliert die Blut-Hirn-Schranke ihre Schutzfunktion und Zellen der körpereigenen Immunabwehr können sie überwinden.

Bei einem Schlaganfall werden Tight Junctions in der Blut-Hirn-Schranke abgebaut. 

Desmosomen bestehen aus einer Plaque, an der Proteine angelagert sind. Zum Interzellularraum sind sie mit Intermediärfilamenten verbunden. Im Interzellularspalt sind Cadherine befestigt. Die Cadherine benachbarter Zellen lagern sich zusammen und sorgen für die Stabilisierung der Zell-Zell-Kontakte.

Tight Junctions (engl. enge Verbindung) (auch Zonula occludens) sind dichte Verknüpfungen zwischen zwei Zellen, welche den Stofftransport im Raum zwischen den Zellen (Interzellulärspalt) verhindern. Sie bilden eine Diffusionsbarriere, damit keine unerwünschten Stoffe in das Gewebe eindringen können. 

Tight Junctions befinden sich meist da, wo inneres vom äußerem des Körpers abgegrenzt werden muss, da sie den Interzellularspalt sehr dicht verschließen.

Z. B. kommen sie im Epithel der Harnblase, im Darmepithel und in der Blut-Hirn-Schranke vor.

Gap Junctions gehören zu den Kommunikationskontakten. Sie sind Proteinröhren, welche von einer Zelle bis in die angelagerte Zelle reichen und somit einen Austausch zwischen den Zellen ermöglichen.

Gap Junctions ermöglichen den Transport von Ionen und Molekülen zwischen zwei Zellen. So gewährleisten Sie den Stofftransport und die Übertragung von elektrischen Signalen.

Gap Junctions sind aufgebaut aus sechs Connexinen, die ein Connexon bilden. Lagern sich die Connexone zwei benachbarter Zellen aneinander, bilden sie einen Kanal. Hier können Moleküle und Ionen passieren. 

Der Stofftransport durch die Biomembran beschreibt den Transport von Molekülen von einer Seite auf die andere Seite der Biomembran. Je nach Art des Stofftransports wird dabei die Hilfe von Proteinen oder die Bereitstellung von Energie benötigt. 

Stofftransporte mittels Zytose sind Transportvorgänge von größere Partikeln. Dabei werden entsprechende Partikel von der Biomembran eingeschlossen. Anschließend werden die Partikel innerhalb der entstandenen Umhüllung (Vesikel) transportiert.

Die erleichterte Diffusion beschreibt den passiven Transport (Diffusion) über eine Biomembran mithilfe von Transmembranproteinen. Transportproteine werden für den Stofftransport immer dann benötigt, wenn Teilchen aufgrund ihrer Größe und Ladung die Biomembran nicht ohne Weiteres passieren können. Die Teilchen wandern entlang des Konzentrationsgradienten.

Der Elektronentransport liefert die Energie für den aktiven Transport von Protonen (H⁺) aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum. 

Durch den aktiven Transport wird eine hohe Konzentration an Protonen im Thylakoidinnenraum geschaffen, sodass Protonen mit dem Konzentrationsgefälle durch die ATP-Synthase zurück ins Stroma diffundieren. Dabei kann ATP aus ADP+P gewonnen werden. 

Ein Fotosystem ist ein Komplex aus:

• Membranprotein
• Lichtsammelkomplexen aus Fotopigmenten
• Reaktionszentrum 

• Lichtenergie wird von Fotosystem 2 absorbiert
• Angeregtes Elektron wird über die Elektronentransportkette auf Fotosystem 1 übertragen
• Am Fotosystem 1 wird das angeregte Elektron nach weiteren Zwischenschrittenauf NADP⁺ übertragen und es entsteht NADPH+H⁺

• Der Elektronentransport liefert die Energie um Protonen über Membranproteine aus dem Stroma in den Thylakoidinnenraum zu pumpen
• Die Protonen fließen mit dem Konzentrationsgefälle durch die ATP-Synthase und ermöglichen damit die Bildung von ATP