2 Zytologie

2.1 Klinischer Fall

2.2 Einleitung

2.2.1 Die Zelle

Die Zelle ist die kleinste selbstständig lebensfähige Baueinheit des Organismus ( ▶ Abb. 2.1). Die Zellmembran (Plasmamembran, Plasmalemm) grenzt sie von ihrer Umgebung ab. Die Zelle untergliedert sich in Zellkern (Nukleus) und Zellleib (Zytoplasma). Im Zytoplasma finden sich die Zellorganellen (kleine „Organe“ der Zelle mit spezifischen Funktionen), ein Zytoskelett, Zelleinschlüsse (z. B. Stoffwechselprodukte) und ein flüssiges Grundplasma (Zytosol, Hyaloplasma). Als kleinste Funktionseinheit des Organismus besitzen Zellen die Fähigkeit zu Stoffwechselleistungen und zur Reizbeantwortung, sie können wachsen und sich vermehren.

Im Organismus kommen verschiedene Zellarten vor, die sich durch ihre Form, Größe, Funktion und Lebensdauer voneinander unterscheiden.

2.3 Die Zellmembran

2.3.1 Der Überblick

Alle Biomembranen, d. h. neben der Zellmembran auch die Membranen der Zellorganellen, sind gleich aufgebaut (Einheitsmembran). Chemisch bestehen sie aus Lipid- und Proteinmolekülen. Die Grundlage aller Zytomembranen bildet eine Lipid-Doppelschicht, in der die polaren Köpfe der Phospholipide nach außen, die apolaren Fettsäureketten nach innen, also aufeinander zu zeigen. Elektronenmikroskopisch lassen sich daher drei Schichten erkennen (trilamelläre Einheitsmembran). In die Membran sind Proteinkomponenten eingelagert. Man unterscheidet integrale Proteine, die die gesamte Doppelschicht durchsetzen von peripheren Proteinen, die in die äußere oder innere Fettschicht eingelagert sind. Ein Teil der äußeren peripheren Proteine sind Glykoproteine, deren Kohlenhydratseitenketten an der Bildung der Glykokalix auf der äußeren Oberfläche der Zellmembran beteiligt sind ( ▶ Abb. 2.2).

Die Zellmembran (Dicke: 8 nm) unterliegt einem ständigen Umbau, der mit dem Fluid-Mosaic-Modell beschrieben wird. Membranabschnitte können aus der Zellmembran herausgetrennt oder eingefügt werden. Diese Vorgänge spielen bei der Stoffaufnahme durch Endozytose und bei der Stoffabgabe durch Exozytose eine Rolle.

An der Oberfläche bestimmter Zellen kommen Oberflächendifferenzierungen vor, die der Erfüllung spezifischer Aufgaben dienen. In Zellverbänden können die einzelnen Zellen untereinander über spezifische Zellkontakte mechanisch und funktionell gekoppelt sein.

2.3.2 Die Lipid-Doppelschicht und das Fluid-Mosaic-Modell

Drei Haupttypen von Lipiden bilden die Lipid-Doppelschicht, die Phospholipide, das Cholesterin und die Glykolipide. Alle Membranlipide haben ein hydrophiles Kopfende und hydrophobes Schwanzende (aus langen Fettsäureketten).

Der bimolekulare Film, d. h. die Lipid-Doppelschicht, wird dadurch gebildet, dass die hydrophoben Schwanzenden aufeinander zu weisen (innere hydrophobe Zone). Die hydrophilen Köpfe sind nach außen (zur Zellumgebung) und nach innen (zum Zellinneren) gerichtet. Die Phospholipide sind (mengenmäßig) der Hauptbestandteil der Lipid-Doppelschicht. Cholesterin beeinflusst die Fluidität der Membran; es führt zu einer geringen Versteifung der Membran. Die Zellmembran muss einerseits stabil, andererseits dynamisch und fluid (flüssig) sein. Aus der Fluidität ergibt sich die Möglichkeit einer fließenden Verlagerung der Membranproteine im Sinne von Lateralverschiebungen (Fluid-Mosaic-Modell). Durch diese Verschiebungen kann es örtlich zu einer Anhäufung bestimmter Membranbestandteile kommen.

Die Fluidität der Membran ist von der Lipidzusammensetzung (besonders von der Cholesterinmenge) und von der Temperatur abhängig.

Die Glykolipide beteiligen sich mit ihren Kohlenhydratketten an der Bildung der Glykokalix.

2.3.3 Die Membranproteine

Die integralen Proteine (auch Transmembranproteine genannt) erstrecken sich durch beide Lipidschichten und verleihen der Membran eine selektive Durchlässigkeit. Diese Proteine bilden

• Kanäle, Transporter und Pumpen,

• verschiedene Rezeptoren.

Durch Kanäle können Ionen ungehindert entlang einem Gradienten durch die Zellmembran diffundieren. Kanäle können durch bestimmte Signale geöffnet oder geschlossen werden. Die Passage eines Ions oder eines kleinen Moleküls durch einen Transporter (Carrier) dauert länger, weil es während des Transportes zu einer Konfigurationsänderung von Transporterproteinen kommt. Cotransporter sind Carrier, bei denen gleichzeitig ein weiteres Molekül oder Ion in die Zelle „mittransportiert“ (Symport) oder ein Molekül oder Ion aus der Zelle (Antiport) befördert wird. Pumpen können ein Ion gegen ein Konzentrationsgefälle aktiv und unter Energieverbrauch durch die Zellmembran bringen. Die Na+/ K+ - ATPase z. B. pumpt 3 Na+ aus der Zelle und 2 K+ in die Zelle. Pumpen können also ein spezifisches inneres Milieu schaffen.

Wirkstoffe wie Hormone oder Neurotransmitter binden an die extrazelluläre Domäne eines jeweils spezifischen Rezeptors und lösen über Zwischenschritte (Signaltransduktion) einen bestimmten Effekt aus.

Die peripheren Membranproteine können (angelagert an Transmembranproteinen) an der inneren oder äußeren Membranoberfläche liegen. Die inneren Membranproteine sind z. B. Adaptoren, über die das Zytoskelett mit Transmembranproteinen verbunden wird, die äußeren peripheren Membranproteine sind z. B. Verbindungsproteine zu Bestandteilen des Extrazellulärraumes.

2.3.4 Die Glykokalix

2.3.4.1 Der Aufbau der Glykokalix

Die Glykokalix ist ein kohlenhydrathaltiger Film an der äußeren Oberfläche der Zellmembran. Sie wird gebildet von den Kohlenhydratketten der Glykoproteine und Glykolipide. Die Gesamtheit dieser Zuckerketten bildet die Glykokalix. Durch verschiedene Kombinationen der Zuckermoleküle entstehen Unterschiede in der Glykokalix verschiedener Zellarten. Diese Spezifität der Glykokalix ist die Grundlage für ihre Funktionen.

2.3.4.2 Die Funktionen der Glykokalix

Die Glykokalix steuert Wechselwirkungen zwischen Zellen. Lektine (als Zucker bindende Proteine) binden selektiv an Bestandteile der Glykokalix; so werden Zell-Zell-Interaktionen ermöglicht (z. B. Adhäsion von Leukozyten am Endothel. Die Glykokalix enthält als Antigene wirksame Moleküle (z. B. Blutgruppensubstanzen).

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