Molekularbiologie der Zelle (eBook)

Front Cover 1
Half Title 3
Title Page 5
Copyright Page 6
Vorwort 7
Über dieses Buch 9
Nomenklatur für Gene und Proteine 11
Über die Autoren 13
Danksagungen 15
Inhaltsübersicht 27
Besondere Übersichten 29
Ausführliches Inhaltsverzeichnis 33
Teil I Einführung in Die Zelle 61
1 Zellen und Genome und die Diversität des Lebens 61
1.1 Die Allgemeinen Merkmale Von Zellen Auf Der Erde 62
1.1.1 Alle Zellen Speichern Ihre Erbinformation in Form Eines Doppelsträngigen DNA-Moleküls 62
1.1.2 Alle Zellen Replizieren Ihre Erbinformation Durch Matrizengesteuerte Polymerisation 64
1.1.3 Alle Zellen Transkribieren Teile Ihrer Erbinformation in RNA-Moleküle 65
1.1.4 Alle Zellen Verwenden Proteine Als Katalysatoren 66
1.1.5 Alle Zellen Übersetzen RNA Auf Die Gleiche Weise in Proteine 67
1.1.6 Jedes Protein Wird Von Einem Spezifischen Gen Codiert 68
1.1.7 Leben Braucht Den Fortwährenden Eintrag an Freier Energie 68
1.1.8 Alle Zellen Arbeiten Als Biochemische Fabriken 69
1.1.9 Alle Zellen Sind Von Einer Plasmamembran Umgeben, Durch Die Hindurch Nährstoffe Und Abfallstoffe Passieren Müssen 69
1.1.10 Zellen Arbeiten Im Mikroskopischen Maßstab, Der Von Zufälligen Wärmebewegungen Beherrscht Wird 70
1.1.11 Eine Lebende Zelle Kann Mit 500 Genen Auskommen 71
1.2 Die Vielfalt Der Genome Und Der Stammbaum Des Lebens 72
1.2.1 Der Stammbaum Des Lebens Hat Drei Hauptdomänen: Eukaryoten, Bakterien Und Archaeen 72
1.2.2 Die Eukaryoten Bilden Die Domäne Des Lebens, Die Uns Am Vertrautesten Ist 74
1.2.3 Auf Basis Von Genomanalysen Sind Bakterien Die Diverseste Gruppe Von Lebewesen Auf Der Erde 75
1.2.4 Archaeen: Die Mysteriöse Domäne Des Lebens 77
1.2.5 Organismen Besetzen Den Größten Teil Unseres Planeten 77
1.2.6 Zellen Können Durch Verschiedene Quellen Freier Energie Angetrieben Werden 78
1.2.7 Manche Zellen Fixieren Für Andere Stickstoff Und Kohlenstoffdioxid 79
1.2.8 Genome Diversifizieren Sich Im Verlauf Der Evolution Und Erzeugen Neue Organismenarten 80
1.2.9 Neue Gene Werden Aus Bereits Vorhandenen Genen Erzeugt 82
1.2.10 Genverdoppelung Lässt Familien Verwandter Gene in Einer Einzigen Zelle Entstehen 83
1.2.11 Die Funktion Eines Gens Lässt Sich Oft Aus Seiner Sequenz Ableiten 83
1.2.12 Mehr Als 200 Genfamilien Sind Allen Drei Domänen Des Lebens Gemein 84
1.3 Eukaryoten Und Der Ursprung Der Eukaryotenzelle 86
1.3.1 Eukaryotenzellen Enthalten Eine Vielzahl Von Organellen 86
1.3.2 Mitochondrien Entwickelten Sich Aus Symbiotischen Bakterien, Die Von Einer Ur-Archaee Eingefangen Wurden 88
1.3.3 Chloroplasten Entwickelten Sich Aus Einem Symbiotischen Photosynthesetreibenden Bakterium, Das Von Einer Eukaryotischen Ahnenzelle Einverleibt Wurde 90
1.3.4 Eukaryoten Haben Zusammengesetzte Genome 91
1.3.5 Eukaryoten-Genome Sind Groß 92
1.3.6 Eukaryoten-Genome Enthalten Viel Kontroll-DNA 92
1.3.7 Eukaryotische Genome Definieren Das Programm Der Entwicklung Eines Vielzellers 94
1.3.8 Viele Eukaryoten Leben Als Einzelzellen 95
1.4 Modellorganismen 96
1.4.1 Mutationen Enthüllen Die Genfunktionen 96
1.4.2 Die Molekularbiologie Begann Mit Einem Schlaglicht Auf Ein Bakterium Und Seine Viren 98
1.4.3 Die Konzentration Auf Escherichia Coli Als Modellorganismus Hat Viele Nachfolgende Entdeckungen Beschleunigt 100
1.4.4 Eine Hefe Dient Als Minimalmodell-Eukaryot 102
1.4.5 Die Expressionsstärke Aller Gene Eines Organismus Kann Gemessen Werden 103
1.4.6 Arabidopsis Wurde Als Modellpflanze Ausgewählt 103
1.4.7 Die Welt Der Tierzellen Wird Hauptsächlich Durch Einen Wurm, Eine Fliege, Einen Fisch, Eine Maus Und Den Menschen Repräsentiert 104
1.4.8 Untersuchungen an Der Fruchtfliege Drosophila Liefern Einen Schlüssel Zur Wirbeltier-Ontogenese 105
1.4.9 Der Frosch Und Der Zebrafisch Liefern Leicht Zugängliche Wirbeltiermodelle 106
1.4.10 Die Maus Ist Der Vorherrschende Modellorganismus Für Säugetiere 106
1.4.11 Die COVID-19-Pandemie Hat Das Augenmerk Der Wissenschaftler Auf Das SARS-CoV-2-Coronavirus Gelenkt 109
1.4.12 Menschen Sind Einzigartig Mit Den Berichten Über Ihre Eigenheiten 110
1.4.13 Um Zellen Und Organismen Zu Verstehen, Brauchen Wir Mathematik, Computer Und Quantitative Information 111
Literatur 113
2 Zellchemie Und Bioenergetik 115
2.1 Die Chemischen Bestandteile Einer Zelle 118
2.1.1 Wasser Wird Über Wasserstoffbrücken Zusammengehalten 119
2.1.2 Vier Arten Nichtkovalenter Anziehungen Tragen Dazu Bei, Moleküle in Zellen Zusammenzubringen 119
2.1.3 Einige Polare Moleküle Bilden in Wasser Säuren Und Basen 122
2.1.4 Zellen Sind Aus Kohlenstoffverbindungen Aufgebaut 126
2.1.5 Zellen Enthalten Vier Hauptfamilien Kleiner Organischer Moleküle 126
2.1.6 Die Chemie Von Zellen Wird Von Makromolekülen Mit Bemerkenswerten Eigenschaften Beherrscht 127
2.1.7 Nichtkovalente Bindungen Spezifizieren Sowohl Die Exakte Form Eines Makromoleküls Als Auch Dessen Bindung an Andere Moleküle 135
2.2 Katalyse Und Energienutzung Durch Zellen 136
2.2.1 Der Zellstoffwechsel Wird Durch Enzyme Organisiert 137
2.2.2 Biologische Ordnung Wird Durch Freisetzen Von Wärmeenergie Aus Zellen Möglich 138
2.2.3 Zellen Gewinnen Energie Durch Die Oxidation Organischer Moleküle 140
2.2.4 Bei Oxidation Und Reduktion Finden Elektronenübertragungen Statt 142
2.2.5 Enzyme Erniedrigen Die Aktivierungsenergiebarrieren, Die Chemische Reaktionen Überspringen Müssen 144
2.2.6 Enzyme Können Substratmoleküle Entlang Spezifischer Reaktionswege Treiben 145
2.2.7 Wie Enzyme Ihre Substrate Finden: Die Enorme Geschwindigkeit Molekularer Bewegungen 146
2.2.8 Die Änderung Der Freien Energie ?G in Einer Reaktion Bestimmt, Ob Sie Spontan Ablaufen Kann 148
2.2.9 Die Konzentration Der Reaktionspartner Beeinflusst ?G Und Die Richtung Der Reaktion 148
2.2.10 Die Änderung Der Freien Energie, ?G0, Ermöglicht Den Vergleich Der Energetik Verschiedener Reaktionen 149
2.2.11 Die Gleichgewichtskonstante Und ?G0 Lassen Sich Leicht Voneinander Ableiten 149
2.2.12 Bei Gekoppelten Reaktionen Summieren Sich Die Änderungen Der Freien Energie 153
2.2.13 Aktivierte Transportermoleküle Sind Für Biosynthesen Wichtig 154
2.2.14 Die Bildung Eines Aktivierten Transporters Ist an Eine Energetisch Günstige Reaktion Gekoppelt 154
2.2.15 ATP Ist Das Meistverwendete Aktivierte Transportermolekül 155
2.2.16 In ATP Gespeicherte Energie Wird Häufig Genutzt, Um Zwei Moleküle Zu Verknüpfen 157
2.2.17 NADH Und NADPH Sind Wichtige Elektronentransporter 157
2.2.18 Es Gibt Noch Weitere Aktivierte Transportmoleküle in Zellen 161
2.2.19 Die Synthese Von Biopolymeren Wird Durch Die ATP-Hydrolyse Angetrieben 162
2.3 Wie Zellen Energie Aus Nahrung Gewinnen 165
2.3.1 Die Glykolyse Ist Der Zentrale ATP-Erzeugende Stoffwechselweg 166
2.3.2 Die Glykolyse Zeigt, Wie Enzyme Oxidation Und Energiespeicherung Koppeln 167
2.3.3 Gärungen Erzeugen ATP in Abwesenheit Von Sauerstoff 172
2.3.4 Organismen Lagern Nahrungsmoleküle in Speziellen Speichern 172
2.3.5 Zwischen Den Mahlzeiten Gewinnen Die Meisten Tierischen Zellen Ihre Energie Aus Fettsäuren, Die Sie Aus Fetten Erhalten 174
2.3.6 Sowohl Zucker Als Auch Fette Werden in Den Mitochondrien Zu Acetyl-CoA Abgebaut 178
2.3.7 Der Zitronensäurezyklus Erzeugt NADH Durch Oxidation Von Acetylgruppen Zu CO2 179
2.3.8 In Den Meisten Zellen Treibt Der Elektronentransport Die Synthese Der Hauptmenge Von ATP an 180
2.3.9 Viele Biosynthesewege Beginnen Mit Der Glykolyse Oder Dem Zitronensäurezyklus 181
2.3.10 Tiere Müssen Den Gesamten Benötigten Stickstoff Und Schwefel Aus Der Nahrung Beziehen 182
2.3.11 Der Stoffwechsel Ist Hoch Geordnet Und Geregelt 183
Literatur 184
3 Proteine 187
3.1 Die Atomare Struktur Von Proteinen 187
3.1.1 Die Struktur Eines Proteins Wird Durch Seine Aminosäuresequenz Bestimmt 188
3.1.2 Proteine Falten Sich Zur Konformation Mit Der Geringsten Energie 192
3.1.3 Die ?-Helix Und Das ?-Faltblatt Sind Allgemeine Faltungsmuster 194
3.1.4 Vier Organisationsebenen Tragen Zur Proteinstruktur Bei 195
3.1.5 Proteindomänen Sind Module, Aus Denen Größere Proteine Aufgebaut Werden 196
3.1.6 Proteine Enthalten Auch Unstrukturierte Bereiche 197
3.1.7 Alle Proteinstrukturen Sind Dynamisch Und Wechseln Aufgrund Von Wärmeenergie Rasch Zwischen Einer Reihe Eng Verwandter Konformationen 199
3.1.8 Die Funktion Hat Einen Winzigen Teil Der Vielen Möglichen Polypeptidketten Selektiert 199
3.1.9 Proteine Können in Viele Familien Eingeteilt Werden 200
3.1.10 Manche Proteindomänen Sind in Vielen Verschiedenen Proteinen Zu Finden 202
3.1.11 Das Genom Des Menschen Codiert Für Einen Komplexen Satz Von Proteinen, Der Viele Wissenslücken Erkennen Lässt 203
3.1.12 Proteinmoleküle Enthalten Oft Mehr Als Eine Polypeptidkette 204
3.1.13 Einige Globuläre Proteine Bilden Lange Helikale Filamente 204
3.1.14 Proteinmoleküle Können Eine Lange Faserform Haben 206
3.1.15 Extrazelluläre Proteine Werden Durch Kovalente Vernetzung Stabilisiert 206
3.1.16 Proteinmoleküle Dienen Oft Als Untereinheiten Für Den Zusammenbau Großer Strukturen 208
3.1.17 Viele Strukturen in Der Zelle Können Sich Selbstständig Zusammenbauen 209
3.1.18 Die Ausbildung Komplexer Biologischer Strukturen Wird Oft Durch Aufbaufaktoren Unterstützt 211
3.1.19 Wenn Aufbauvorgänge Fehlschlagen: Der Fall Von Amyloidfibrillen 211
3.1.20 Amyloidstrukturen Können in Zellen Auch Nützliche Funktionen Erfüllen 213
3.2 Proteinfunktion 215
3.2.1 Alle Proteine Binden an Andere Moleküle 215
3.2.2 Die Oberflächenkonformation Eines Proteins Bestimmt Seine Chemischen Eigenschaften 216
3.2.3 Sequenzvergleiche Zwischen Mitgliedern Von Proteinfamilien Decken Entscheidende Liganden-Bindungsstellen Auf 217
3.2.4 Proteine Binden Über Verschiedene Grenzflächen-Typen an Andere Proteine 218
3.2.5 Die Bindungsstellen Von Antikörpern Sind Besonders Vielseitig 219
3.2.6 Die Bindungsstärke Wird Durch Die Gleichgewichtskonstante Gemessen 220
3.2.7 Enzyme Sind Wirkungsvolle Und Hoch Spezifische Katalysatoren 222
3.2.8 Die Substratbindung Ist Der Erste Schritt Der Enzymkatalyse 223
3.2.9 Enzyme Beschleunigen Reaktionen Durch Selektive Stabilisierung Von Übergangszuständen 226
3.2.10 Enzyme Können Säure- Und Basen-Katalyse Gleichzeitig Einsetzen 226
3.2.11 Lysozym Veranschaulicht, Wie Ein Enzym Arbeitet 227
3.2.12 Fest Gebundene Kleine Moleküle Verleihen Proteinen Zusätzliche Funktionen 228
3.2.13 Die Zelle Reguliert Die Katalytischen Aktivitäten Ihrer Enzyme 230
3.2.14 Allosterische Enzyme Besitzen Zwei Oder Mehr Wechselwirkende Bindungsstellen 232
3.2.15 Zwei Liganden Mit Gekoppelten Bindungsstellen Beeinflussen Ihre Bindungen Gegenseitig 233
3.2.16 Symmetrische Proteinaggregate Erzeugen Kooperative Allosterische Übergänge 234
3.2.17 Viele Änderungen in Proteinen Werden Durch Phosphorylierung Bewirkt 235
3.2.18 Eine Eukaryotenzelle Enthält Eine Große Vielfalt Von Protein-Kinasen Und Protein-Phosphatasen 236
3.2.19 Die Kontrolle Der Src-Protein-Kinase Zeigt, Wie Ein Protein Als Mikroprozessor Fungieren Kann 238
3.2.20 Regulatorische GTP-Bindende Proteine Werden Durch Erhalt Und Verlust Einer Phosphatgruppe An- Und Abgeschaltet 239
3.2.21 Proteine Können Durch Kovalentes Anfügen Anderer Proteine Kontrolliert Werden 239
3.2.22 Ein Ausgefeiltes Ubiquitin-Konjugationssystem Wird Zur Proteinmarkierung Eingesetzt 240
3.2.23 Proteinkomplexe Mit Austauschbaren Teilen Nutzen Die Genetische Information Effizient 242
3.2.24 Ein GTP-Bindendes Protein Zeigt, Wie Aus Kleinen Proteinbewegungen Große Erzeugt Werden Können 243
3.2.25 Motorproteine Erzeugen Gerichtete Bewegungen in Zellen 244
3.2.26 Proteine Bilden Oft Große Komplexe, Die Als Proteinmaschinen Fungieren 245
3.2.27 Die Ungeordneten Bereiche in Proteinen Sind Für Eine Reihe Von Unterschiedlichen Funktionen Entscheidend 246
3.2.28 Gerüste Bringen Sätze Wechselwirkender Makromoleküle Zusammen Und Konzentrieren Sie in Ausgewählten Zellbereichen 249
3.2.29 Makromoleküle Können Sich Selbst Zusammenlagern, Um Biomolekulare Kondensate Zu Bilden 249
3.2.30 Klassische Untersuchungen Der Phasentrennung Haben Für Die Biomolekularen Kondensate Bedeutung 252
3.2.31 Ein Vergleich Von Drei Wichtigen Arten Großer Biologischer Zusammenschlüsse 253
3.2.32 Viele Proteine Werden Durch Kovalente Modifikationen Kontrolliert, Die Sie Zu Spezifischen Stellen Innerhalb Der Zelle Lenken 254
3.2.33 Der Zellfunktion Liegen Komplexe Netzwerke Von Proteinwechselwirkungen Zugrunde 255
3.2.34 Proteinstrukturen Lassen Sich Vorhersagen Und Neue Proteine Können Entworfen Werden 257
Literatur 259
Teil II Genetische Grundmechanismen 263
4 DNA, Chromosomen Und Genome 263
4.1 Struktur Und Funktion Von DNA 265
4.1.1 Ein DNA-Molekül Besteht Aus Zwei Komplementären Nukleotidketten 265
4.1.2 Die Struktur Der DNA Bietet Einen Mechanismus Für Die Vererbung 268
4.1.3 Bei Eukaryoten Ist Die DNA in Einem Zellkern Eingeschlossen 270
4.2 Chromosomale DNA Und Ihre Verpackung in Der Chromatinfaser 270
4.2.1 Die DNA Von Eukaryoten Ist in Einen Satz Von Chromosomen Verpackt 271
4.2.2 Chromosomen Enthalten Lange Ketten Von Genen 272
4.2.3 Die Nukleotidsequenz Des Menschlichen Genoms Zeigt, Wie Gene Angeordnet Sind 274
4.2.4 Jedes DNA-Molekül, Das Ein Lineares Chromosom Bildet, Muss Ein Centromer, Zwei Telomere Und Replikationsursprünge Enthalten 276
4.2.5 DNA-Moleküle Sind in Den Chromosomen Hoch Verdichtet 278
4.2.6 Nukleosomen Sind Die Grundeinheiten Der Chromosomenstruktur Bei Eukaryoten 279
4.2.7 Die Struktur Des Nukleosomkernpartikels Zeigt Die Verpackung Der DNA 280
4.2.8 Nukleosomen Haben Eine Dynamische Struktur Und Sind Häufig Veränderungen Unterworfen, Die Von ATP-Abhängigen Chromatin-Umformungskomplexen Katalysiert Werden 282
4.2.9 Anziehungen Zwischen Nukleosomen Verdichten Die Chromatinfaser 284
4.3 Die Auswirkung Der Chromatinstruktur Auf Die DNA-Funktion 286
4.3.1 Die Verschiedenen Regionen Des Menschlichen Genoms Sind Ganz Unterschiedlich in Chromatin Verpackt 286
4.3.2 Heterochromatin Ist Stark Kondensiert Und Beschränkt Die Genexpression 287
4.3.3 Der Heterochromatische Zustand Breitet Sich Selbst Entlang Des Chromosoms Aus Und Wird Von Einer Zellgeneration Zu Nächsten Vererbt 287
4.3.4 Die Kernhistone Werden an Vielen Verschiedenen Stellen Kovalent Modifiziert 289
4.3.5 Chromatin Erhält Eine Zusätzliche Vielfalt Durch Ortspezifisches Einfügen Einer Kleinen Reihe Von Histonvarianten 291
4.3.6 Kovalente Modifikationen Und Histonvarianten Arbeiten Zusammen, Um Chromosomenfunktionen Zu Steuern 292
4.3.7 Ein Komplex Aus Leser- Und Schreiber-Proteinen Kann Spezifische Chromatinmodifikationen Entlang Eines Chromosoms Ausbreiten 294
4.3.8 DNA-Sperrsequenzen Blockieren Die Ausbreitung Von Leser-Schreiber-Komplexen Und Trennen Dadurch Benachbarte Chromatindomänen 296
4.3.9 Centromere Besitzen Eine Spezielle, Ererbte Chromatinstruktur 296
4.3.10 Manche Chromatinformen Können Direkt Vererbt Werden 299
4.3.11 Heterochromatin, Das Während Der Tumorprogression Entsteht, Trägt Zu Vielen Krebserkrankungen Bei 300
4.4 Die Gesamtstruktur Der Chromosomen 301
4.4.1 Chromosomen Sind Zu Großen Chromatinschleifen Gefaltet 302
4.4.2 Polytänchromosomen Sind Von Besonderem Nutzen, Um Chromatinstrukturen Sichtbar Zu Machen 303
4.4.3 Chromatinschleifen Dekondensieren, Wenn Die in Ihnen Liegenden Gene Exprimiert Werden 305
4.4.4 Interphase-Chromosomen Von Säugern Besetzen Bestimmte Bereiche Im Zellkern, Wobei Ihr Heterochromatin Und Euchromatin Unterschiedlich Verteilt Ist 305
4.4.5 Eine Biochemische Technik Namens Hi-C Verrät Details Der Chromosomenorganisation 306
4.4.6 Die Chromosomale DNA Ist Durch Große Proteinringe in Schleifen Organisiert 308
4.4.7 Euchromatin Und Heterochromatin Sind Im Zellkern Räumlich Getrennt 311
4.4.8 Mitosechromosomen Sind Besonders Stark Verdichtet 313
4.5 Wie Sich Genome Entwickeln 315
4.5.1 Genomvergleiche Verraten Funktionelle DNA-Sequenzen Durch Deren Konservierung Während Der Evolution 316
4.5.2 Änderungen Im Genom Werden Durch Fehler Bei Den Normalen Kopier- Und Erhaltungsmechanismen Der DNA Sowie Durch Springende DNA-Elemente Verursacht 317
4.5.3 Die Genomsequenzen Zweier Spezies Unterscheiden Sich Im Verhältnis Zur Dauer Ihrer Getrennten Entwicklung 318
4.5.4 Durch DNA-Vergleiche Erstellte Stammbäume Zeichnen Die Verwandtschaft Aller Lebewesen Nach 320
4.5.5 Ein Vergleich Der Chromosomen Von Mensch Und Maus Zeigt, Wie Sich Die Strukturen Des Genoms Auseinanderentwickeln 321
4.5.6 Die Größe Eines Wirbeltiergenoms Spiegelt Die Relative Geschwindigkeit Der DNA-Ergänzung Und Des DNA-Verlusts in Einer Abstammungslinie Wider 323
4.5.7 Sequenzvergleiche Vieler Spezies Identifizieren Viele Konservierte DNA-Sequenzen Unbekannter Funktion 324
4.5.8 Veränderungen in Zuvor Konservierten Sequenzen Können Mithelfen, Die Entscheidenden Schritte in Der Evolution Zu Entziffern 325
4.5.9 Mutationen in Den DNA-Sequenzen, Die Die Genexpression Kontrollieren, Haben Viele Evolutive Veränderungen in Wirbeltieren Angetrieben 326
4.5.10 Die Duplikation Eines Gens Liefert Auch Eine Wichtige Quelle Für Genetische Neuerungen Während Der Evolution 327
4.5.11 Duplizierte Gene Divergieren 328
4.5.12 Die Evolution Der Globin-Genfamilie Zeigt Den Beitrag Von DNA-Duplikationen Zur Evolution Der Organismen 329
4.5.13 Gene, Die Für Neue Proteine Codieren, Können Durch Rekombination Von Exons Entstehen 330
4.5.14 Neutrale Mutationen Breiten Sich Oft Aus Und Werden in Einer Population Mit Einer Wahrscheinlichkeit Fixiert, Die Von Der Populationsgröße Abhängt 331
4.5.15 Wir Können Die Menschliche Geschichte Durch Genomuntersuchungen Verfolgen 332
4.5.16 Die Sequenzierung Hunderttausender Menschlicher Genome Verrät Viel Variation 334
4.5.17 Die Meisten in Der Menschlichen Population Beobachteten Varianten Sind Häufige Allele, Die Zumeist Einen Schwachen Effekt Auf Dem Phänotyp Haben 335
4.5.18 Forensische Analysen Nutzen Spezielle DNA-Sequenzen Mit Ungewöhnlich Hohen Mutationsraten Aus 336
4.5.19 Ein Verständnis Der Menschlichen Variation Ist Für Die Verbesserung Der Medizin Entscheidend 337
Literatur 338
5 Replikation, Reparatur Und Rekombination Von DNA 341
5.1 Die Erhaltung Der DNA-Sequenzen 341
5.1.1 Mutationsraten Sind Sehr Niedrig 342
5.1.2 Geringe Mutationsraten Sind Unerlässlich Für Das Leben, Wie Wir Es Kennen 342
5.2 Mechanismen Der DNA-Replikation 344
5.2.1 Basenpaarung Ist Die Grundlage Für Die DNA-Replikation Und Die DNA-Reparatur 344
5.2.2 Die Replikationsgabel Ist Unsymmetrisch 344
5.2.3 Die Hohe Genauigkeit Der DNA-Replikation Verlangt Mehrere „Korrekturlese“-Mechanismen 347
5.2.4 Die DNA-Replikation in 5??3?-Richtung Ermöglicht Eine Wirksame Fehlerkorrektur 349
5.2.5 Ein Besonderes Nukleotidpolymerisierendes Enzym Synthetisiert Kurze RNA-Primermoleküle 349
5.2.6 Besondere Proteine Helfen, Die DNA-Doppelhelix Vor Der Replikationsgabel Zu Öffnen 350
5.2.7 Ein Gleitender Ring Hält Die Wandernde DNA-Polymerase an Der DNA Fest 351
5.2.8 Die Proteine an Der Replikationsgabel Wirken Zusammen Als „Replikationsmaschine“ 353
5.2.9 Die DNA-Replikation Verläuft in Eukaryoten Und Bakterien Grundsätzlich Ähnlich 355
5.2.10 Ein Stranggesteuertes Fehlpaarungs-Korrekturlesesystem Entfernt Replikationsfehler, Die Von Der Replikationsmaschine Übersehen Wurden 356
5.2.11 Der Fälschliche Einbau Von Ribonukleotiden Während Der DNA-Replikation Wird Korrigiert 358
5.2.12 DNA-Topoisomerasen Verhindern, Dass Sich Die DNA Während Der Replikation Verknäult 359
5.3 Die Initiation Und Vollendung Der DNA-Replikation Der Chromosomen 362
5.3.1 DNA-Synthese Beginnt an Replikationsursprüngen 362
5.3.2 Bakterielle Chromosomen Haben Typischerweise Einen Einzigen Replikationsursprung 363
5.3.3 Eukaryotische Chromosomen Haben Mehrere Replikationsursprünge 365
5.3.4 Bei Eukaryoten Findet Die DNA-Replikation Nur Während Einer Phase Des Zellzyklus Statt 366
5.3.5 Eukaryotischen Replikationsursprüngen Ist Die Replikation Durch Den Aufbau Eines Ursprungserkennungskomplexes „gestattet“ 367
5.3.6 Eigenschaften Des Menschlichen Genoms, Die Replikationsursprünge Definieren, Müssen Noch Voll Verstanden Werden 367
5.3.7 Die Eigenschaften Des ORC Stellen Sicher, Dass Jede Region Der DNA Nur Einmal Und Nicht Öfter in Jeder S-Phase Repliziert Wird 368
5.3.8 Hinter Der Replikationsgabel Werden Neue Nukleosomen Zusammengebaut 370
5.3.9 Die Beendigung Der DNA-Replikation Geschieht Durch Den Geordneten Abbau Der Replikationsgabel 372
5.3.10 Die Telomerase Repliziert Chromosomenenden 372
5.3.11 Telomere Sind in Spezialisierten Strukturen Verpackt, Die Die Chromosomenenden Schützen 373
5.3.12 Die Länge Der Telomere Wird Von Zellen Und Organismen Reguliert 374
5.4 DNA-Reparatur 376
5.4.1 Ohne DNA-Reparatur Würden Spontane DNA-Schäden Die DNA-Sequenz Schnell Verändern 378
5.4.2 Die DNA-Doppelhelix Wird Schnell Repariert 380
5.4.3 DNA-Schäden Können Auf Mehreren Wegen Beseitigt Werden 380
5.4.4 Die Kopplung Der Nukleotid-Exzisionsreparatur an Die Transkription Gewährleistet, Dass Die Wichtigste DNA Der Zelle Wirksam Repariert Wird 382
5.4.5 Die Chemie Der DNA-Basen Erleichtert Die Erkennung Von Schäden 383
5.4.6 In Notfällen Werden Spezielle Transläsions-DNA-Polymerasen Eingesetzt 384
5.4.7 Doppelstrangbrüche Werden Mit Hoher Effizienz Repariert 385
5.4.8 DNA-Schädigungen Halten Den Zellzyklus Auf 387
5.5 Homologe Rekombination 389
5.5.1 Die Homologe Rekombination Hat in Allen Zellen Gemeinsame Merkmale 389
5.5.2 Die DNA-Basenpaarung Lenkt Die Homologe Rekombination 390
5.5.3 Die Homologe Rekombination Kann Fehlerfrei Doppelstrangbrüche Der DNA Reparieren 390
5.5.4 Eine Spezialisierte Bearbeitung Von Doppelstrangbrüchen Legt Die Reparatur Durch Homologe Rekombination Fest 391
5.5.5 Der Strangaustausch Wird Durch Das RecA/Rad51-Protein Gelenkt 392
5.5.6 Homologe Rekombination Kann Gebrochene Und Gestoppte DNA-Replikationsgabeln Retten 392
5.5.7 DNA-Reparatur Durch Homologe Rekombination Bringt Risiken Für Die Zelle Mit Sich 394
5.5.8 Homologe Rekombination Ist Für Die Meiose Entscheidend 396
5.5.9 Die Meiotische Rekombination Beginnt Mit Einem Programmierten Doppelstrangbruch 396
5.5.10 Holliday-Junctions Werden Von Enzymen Erkannt, Die Die Gabelwanderung Antreiben 398
5.5.11 Homologe Rekombination Erzeugt Während Der Meiose Crossing-Over Zwischen Mütterlichen Und Väterlichen Chromosomen 399
5.5.12 Die Homologe Rekombination Hat Oft Eine Genkonversion Zur Folge 400
5.6 Transposition Und Konservative Ortsspezifische Rekombination 401
5.6.1 Durch Transposition Können Bewegliche Genetische Elemente in Jede DNA-Sequenz Eingebaut Werden 402
5.6.2 DNA-Only-Transposons Können Sich Durch Collage(Cut-And-Paste)-Mechanismen Bewegen 403
5.6.3 Manche DNA-Only-Transposons Bewegen Sich, Indem Sie Sich Replizieren 405
5.6.4 Manche Viren Nutzen Einen Transpositionsmechanismus, Um Sich in Die Chromosomen Der Wirtszelle Einzunisten 405
5.6.5 Manche RNA-Viren Replizieren Und Exprimieren Ihre Genome Ohne Zuhilfenahme Von DNA Als Zwischenstufe 407
5.6.6 Retrovirusartige Retrotransposons Ähneln Retroviren, Können Aber Nicht Von Zelle Zu Zelle Wandern 409
5.6.7 Ein Großteil Des Menschlichen Genoms Besteht Aus Nichtretroviralen Retrotransposons 410
5.6.8 Unterschiedliche Transponierbare Elemente Überwiegen in Unterschiedlichen Organismen 410
5.6.9 Genomsequenzen Lassen Erkennen, Zu Welchem Ungefähren Zeitpunkt Transponierbare Elemente Sich Bewegt Haben 411
5.6.10 Die Konservative Ortsspezifische Rekombination Kann DNA Reversibel Umordnen 411
5.6.11 Konservative Ortsspezifische Rekombination Kann Verwendet Werden, Um Gene Ein- Oder Auszuschalten 412
5.6.12 Bakterielle Konservative Ortsspezifische Rekombinasen Sind Ein Leistungsstarkes Werkzeug Für Zell- Und Entwicklungsbiologen 413
Literatur 414
6 Wie Zellen Das Genom Ablesen: Von Der DNA Zum Protein 417
6.1 Von Der DNA Zur RNA 420
6.1.1 RNA-Moleküle Sind Einzelsträngig 420
6.1.2 Die Transkription Erzeugt RNA, Die Komplementär Zu Einem Der DNA-Stränge Ist 421
6.1.3 RNA-Polymerasen Führen Die DNA-Transkription Aus 422
6.1.4 Zellen Stellen Verschiedene Kategorien Von RNA-Molekülen Her 424
6.1.5 In Der DNA Enthaltene Signale Teilen Der RNA-Polymerase Mit, Wo Sie Anfangen Und Aufhören Soll 425
6.1.6 Bakterielle Start- Und Stopp-Signale Sind in Ihrer Nukleotidsequenz Heterogen 427
6.1.7 Die Transkriptionsinitiation Bei Eukaryoten Benötigt Viele Proteine 429
6.1.8 Um Die Transkription Zu Starten, Benötigt Die RNA-Polymerase II Allgemeine Transkriptionsfaktoren 430
6.1.9 Bei Eukaryoten Benötigt Die Initiation Der Transkription Auch Einen Aktivator, Einen Mediator Und Chromatinmodifizierende Proteine 432
6.1.10 Die Verlängerung Bei Der Transkription Benötigt Hilfsfaktoren 433
6.1.11 Die Transkription Erzeugt Superhelikale Spannung 434
6.1.12 Die Transkriptionselongation Ist Eng Mit Der RNA-Prozessierung Gekoppelt 436
6.1.13 RNA-Capping Ist Die Erste Modifikation Eukaryotischer Prä-MRNAs 437
6.1.14 Intronsequenzen Werden Aus Neu Transkribierten Prä-MRNAs Durch RNA-Spleißen Entfernt 439
6.1.15 Nukleotidsequenzen Markieren Die Spleißstellen 440
6.1.16 RNA-Spleißen Wird Durch Spleißosomen Ausgeführt 441
6.1.17 Das Spleißosom Treibt Mit Der Hydrolyse Von ATP Eine Komplexe Abfolge Von RNA-RNA-Umlagerungen an 441
6.1.18 Andere Eigenschaften Der Prä-MRNA Und Ihrer Synthese Helfen Bei Der Erklärung, Wie Die Richtigen Spleißstellen Gewählt Werden 445
6.1.19 RNA-Spleißen Zeigt Eine Erstaunliche Flexibilität 446
6.1.20 Spleißosom-Katalysiertes RNA-Spleißen Entwickelte Sich Aus RNA-Selbstspleiß-Mechanismen 447
6.1.21 RNA-Bearbeitungsenzyme Erzeugen Das 3’-Ende Eukaryotischer MRNAs 448
6.1.22 Reife Eukaryotische MRNAs Werden Selektiv Aus Dem Kern Exportiert 449
6.1.23 Die Synthese Und Das Bearbeiten Vieler Nicht Codierender RNAs Erfolgen Auch Im Kern 452
6.1.24 Der Nukleolus Ist Eine Ribosomenfabrik 454
6.1.25 Der Kern Enthält Eine Vielzahl Subnukleärer Biomolekularer Kondensate 456
6.2 Von Der RNA Zum Protein 460
6.2.1 Eine MRNA Wird in Nukleotid-Dreiergruppen Entschlüsselt 460
6.2.2 TRNA-Moleküle Wählen Die Zu Den MRNA-Codons Passenden Aminosäuren Aus 461
6.2.3 TRNAs Werden Kovalent Modifiziert, Bevor Sie Den Kern Verlassen 463
6.2.4 Spezifische Enzyme Koppeln Jede Aminosäure an Ihr Entsprechendes TRNA-Molekül 464
6.2.5 Editieren Durch RNA-Synthetasen Sichert Genauigkeit 466
6.2.6 Aminosäuren Werden an Das C-Terminale Ende Einer Wachsenden Polypeptidkette Angehängt 467
6.2.7 Die Botschaft Der RNA Wird in Ribosomen Entschlüsselt 468
6.2.8 Elongationsfaktoren Treiben Die Translation Voran Und Verbessern Die Genauigkeit 472
6.2.9 Die Induzierte Passform Und Das Kinetische Korrekturlesen Helfen Biologischen Vorgängen, Die Inhärenten Beschränkungen Der Komplementären Basenpaarung Zu Überwinden 473
6.2.10 Genauigkeit Bei Der Translation Erfordert Einen Großen Einsatz Freier Energie 474
6.2.11 Das Ribosom Ist Ein Ribozym 475
6.2.12 Nukleotidsequenzen in Der MRNA Geben An, Wo Die Proteinsynthese Beginnen Soll 476
6.2.13 Stopp-Codons Markieren Das Ende Der Translation 479
6.2.14 Proteine Werden Von Polyribosomen Hergestellt 479
6.2.15 Es Gibt Kleine Abweichungen Vom Genetischen Standardcode 479
6.2.16 Inhibitoren Der Prokaryotischen Proteinsynthese Werden Als Antibiotika Eingesetzt 480
6.2.17 Qualitätskontrollmechanismen Verhindern Die Translation Beschädigter MRNAs 482
6.2.18 Angehaltene Ribosomen Können Gerettet Werden 484
6.2.19 Das Ribosom Koordiniert Die Faltung, Enzymatische Modifikation Und Den Aufbau Neu Synthetisierter Proteine 485
6.2.20 Molekulare Chaperone Vermitteln Die Faltung Der Meisten Proteine 485
6.2.21 Die Korrekte Faltung Neu Synthetisierter Proteine Wird Auch Durch Die Translationsgeschwindigkeit Und Den Untereinheiten-Aufbau Unterstützt 488
6.2.22 Proteine, Denen Die Korrekte Faltung Misslingt, Werden Mittels Polyubiquitin Für Die Zerstörung Markiert 489
6.2.23 Das Proteasom Ist Eine Kompartimentierte Protease Mit Gesonderten Aktiven Zentren 490
6.2.24 Viele Proteine Werden Durch Geregelten Abbau Kontrolliert 492
6.2.25 Es Sind Viele Schritte Von Der DNA Zum Protein 494
6.3 Die RNA-Welt Und Die Ursprünge Des Lebens 495
6.3.1 Einzelsträngige RNA-Moleküle Können Sich Zu Hoch Komplizierten Strukturen Falten 496
6.3.2 Ribozyme Lassen Sich Im Laboratorium Herstellen 497
6.3.3 RNA Kann Sowohl Informationen Speichern Als Auch Chemische Reaktionen Katalysieren 498
6.3.4 Wie Ist Die Proteinsynthese Entstanden? 499
6.3.5 Alle Heutigen Zellen Verwenden DNA Als Erbmaterial 499
Literatur 500
7 Kontrolle Der Genexpression 503
7.1 Ein Überblick Über Die Genkontrolle 503
7.1.1 Die Verschiedenen Zelltypen Eines Vielzelligen Organismus Enthalten Die Gleiche DNA 504
7.1.2 Verschiedene Zelltypen Synthetisieren Einen Unterschiedlichen Satz Von RNAs 504
7.1.3 Das in Einer Zelle Vorhandene Spektrum an MRNAs Kann Dazu Dienen, Die Zellart Genau Zu Identifizieren 506
7.1.4 Signale Von Außen Können Eine Zelle Dazu Veranlassen, Die Expression Ihrer Gene Zu Verändern 507
7.1.5 Genexpression Kann Auf Vielen Stufen Der Informationsübertragung Von Der DNA Zur RNA Zum Protein Reguliert Werden 508
7.2 Transkriptionskontrolle Durch Sequenzspezifische DNA-Bindeproteine 509
7.2.1 Die Nukleotidsequenz in Der DNA-Doppelhelix Kann Von Proteinen Gelesen Werden 510
7.2.2 Transkriptionsregulatoren Enthalten Strukturmotive, Die DNA-Sequenzen Lesen Können 511
7.2.3 Die Dimerisierung Von Transkriptionsregulatoren Erhöht Deren Affinität Zu Und Spezifität Für DNA 514
7.2.4 Viele Transkriptionsregulatoren Binden Kooperativ an DNA 515
7.2.5 Die Nukleosomenstruktur Fördert Die Kooperative Bindung Von Transkriptionsregulatoren 515
7.2.6 Die DNA-Bindung Durch Transkriptionsregulatoren Ist Dynamisch 517
7.3 Transkriptionsregulatoren Schalten Gene an Und Aus 518
7.3.1 Der Tryptophanrepressor Schaltet Gene Aus 518
7.3.2 Repressoren Schalten Gene Ab Und Aktivatoren Schalten Sie an 520
7.3.3 Sowohl Ein Aktivator Als Auch Ein Repressor Kontrollieren Das Lac-Operon 521
7.3.4 Während Der Bakteriellen Genregulation Kann Es Zur DNA-Schleifenbildung Kommen 522
7.3.5 In Eukaryoten Kontrollieren Komplexe Schalter Die Gentranskription 523
7.3.6 Eine Eukaryotische Genkontrollregion Schließt Viele Cis-Regulationssequenzen Ein 523
7.3.7 Eukaryotische Transkriptionsregulatoren Arbeiten in Gruppen 525
7.3.8 Aktivatorproteine Fördern Den Aufbau Der RNA-Polymerase Am Transkriptionsstartpunkt 526
7.3.9 Eukaryotische Transkriptionsaktivatoren Lenken Die Modifizierung Der Lokalen Chromatinstruktur 526
7.3.10 Manche Transkriptionsaktivatoren Arbeiten, Indem Sie Die Pausierte RNA-Polymerase Freisetzen 528
7.3.11 Transkriptionsaktivatoren Arbeiten Synergistisch 529
7.3.12 Die Kondensatbildung Steigert Wahrscheinlich Die Effizienz Der Transkriptionsinitiation 529
7.3.13 Eukaryotische Transkriptionsrepressoren Können Die Transkription Auf Verschiedene Weise Hemmen 530
7.3.14 Isolator-DNA-Sequenzen Verhindern, Dass Eukaryotische Transkriptionsregulatoren Auf Entfernte Gene Einfluss Nehmen 532
7.4 Molekulargenetische Mechanismen Schaffen Und Erhalten Spezialisierte Zelltypen 533
7.4.1 Komplexe Genetische Schalter, Die Die Drosophila-Entwicklung Regulieren, Sind Aus Kleineren Molekülen Aufgebaut 534
7.4.2 Das Eve-Gen Von Drosophila Wird Durch Kombinatorische Kontrollen Reguliert 535
7.4.3 Transkriptionsregulatoren Werden Von Extrazellulären Signalen Ins Spiel Gebracht 537
7.4.4 Kombinatorische Genkontrolle Schafft Viele Verschiedene Zellarten 538
7.4.5 Spezialisierte Zellarten Können Experimentell Neu Programmiert Werden, Sodass Sie Zu Pluripotenten Stammzellen Werden 540
7.4.6 Kombinationen Von Transkriptions-Master-Regulatoren Spezifizieren Zellarten, Indem Sie Die Expression Vieler Gene Kontrollieren 541
7.4.7 Spezialisierte Zellen Müssen Rasch Gensätze An- Und Abschalten 541
7.4.8 Differenzierte Zellen Behalten Ihre Identität Bei 543
7.4.9 Transkriptionsschaltkreise Erlauben Der Zelle, Logische Operationen Auszuführen 545
7.5 Mechanismen, Die Das Zellgedächtnis in Pflanzen Und Tieren Verstärken 547
7.5.1 Das DNA-Methylierungsmuster Kann Bei Der Teilung Von Vertebratenzellen Vererbt Werden 547
7.5.2 CG-Reiche Inseln Sind Bei Säugern Mit Vielen Genen Assoziiert 549
7.5.3 Die Genomische Prägung Fußt Auf Der DNA-Methylierung 551
7.5.4 Chromosomenweite Änderungen in Der Chromatinstruktur Können Vererbt Werden 554
7.5.5 Die X-Chromosomeninaktivierung Bei Weiblichen Säugern Wird Durch Die Synthese Langer Nicht Codierender RNAs Ausgelöst 555
7.5.6 Stabile Genexpressionsmuster Können Auf Tochterzellen Übertragen Werden 557
7.6 Posttranskriptionale Kontrolle 559
7.6.1 Transkriptionsabschwächung Bewirkt Eine Vorzeitige Beendigung Der Transkription Einiger RNA-Moleküle 559
7.6.2 Riboswitche Stellen Wahrscheinlich Eine Alte Form Der Genkontrolle Dar 560
7.6.3 Durch Alternatives RNA-Spleißen Können Verschiedene Formen Eines Proteins Von Ein Und Demselben Gen Entstehen 561
7.6.4 Die Definition Eines Gens Wurde Nach Der Entdeckung Des Alternativen RNA-Spleißens Geändert 563
7.6.5 Rückwärtsspleißen Kann Ringförmige RNA-Moleküle Erzeugen 563
7.6.6 Eine Änderung Der Stelle Der RNA-Transkriptspaltung Und Der Polyadenylierung Kann Den Carboxyterminalen Bereich Eines Proteins Verändern 564
7.6.7 Nukleotide in Der MRNA Können Kovalent Modifiziert Werden 565
7.6.8 RNA-Editierung Kann Den Inhalt Der RNA-Botschaft Verändern 566
7.6.9 Das Menschliche AIDS-Virus Veranschaulicht, Wie Der RNA-Transport Aus Dem Zellkern Kontrolliert Werden Kann 568
7.6.10 MRNAs Lassen Sich Besonderen Regionen Des Cytosols Zuordnen 569
7.6.11 Untranslatierte Bereiche Der MRNAs Kontrollieren Ihre Translation 571
7.6.12 Die Phosphorylierung Eines Initiationsfaktors Regelt Die Gesamte Proteinsynthese 572
7.6.13 Initiation an AUG-Codons Oberhalb Des Start-Codons Kann Die Translation Bei Eukaryoten Regulieren 573
7.6.14 Interne Ribosomeneintrittsstellen Bieten Eine Möglichkeit Der Translationskontrolle 574
7.6.15 Eine Veränderung Der MRNA-Stabilität Kann Die Genexpression Regulieren 575
7.6.16 P-Körperchen Und Stressgranula Sind an Der Regulation Der MRNA-Stabilität Beteiligt 577
7.7 Regulation Der Genexpression Durch Nicht Codierende RNAs 578
7.7.1 Kleine Nicht Codierende RNA-Transkripte Regulieren Durch RNA-Interferenz Viele Tierische Und Pflanzliche Gene 579
7.7.2 MiRNAs Regulieren Die MRNA-Translation Und -Stabilität 579
7.7.3 RNA-Interferenz Wird Auch Als Zellulärer Abwehrmechanismus Verwendet 581
7.7.4 RNA-Interferenz Kann Die Heterochromatinbildung Steuern 582
7.7.5 PiRNAs Schützen Die Keimbahn Vor Springenden Elementen 583
7.7.6 RNA-Interferenz Wurde Ein Schlagkräftiges Werkzeug Für Experimente 584
7.7.7 Zellen Besitzen Zusätzliche Mechanismen, Um Transposons Und Eingebaute Virale Genome in Schach Zu Halten 585
7.7.8 Bakterien Verwenden Kleine Nicht Codierende RNAs, Um Sich Vor Viren Zu Schützen 586
7.7.9 Lange Nicht Codierende RNAs Haben in Der Zelle Verschiedene Funktionen 587
Literatur 589
Teil III Methoden Für Die Arbeit MIT Zellen 593
8 Untersuchung von Zellen, Molekülen und Systemen 593
8.1 Isolierung von Zellen und ihre Aufzucht in Kultur 594
8.1.1 Zellen können aus Geweben isoliert und in Kultur herangezogen werden 594
8.1.2 Eukaryoten-Zelllinien sind eine viel genutzte Quelle für homogene Zellen 596
8.1.3 Hybridoma-Zelllinien sind Fabriken, die monoklonale Antikörper erzeugen 597
8.2 Aufreinigung von Proteinen 599
8.2.1 Zellen können in Fraktionen ihrer Bestandteile aufgetrennt werden 599
8.2.2 Zellextrakte liefern Systeme, die für die Untersuchung von Zellfunktionen zugänglich sind 602
8.2.3 Proteine können chromatographisch aufgetrennt werden 602
8.2.4 Immunpräzipitation ist eine schnelle Affinitätsaufreinigungsmethode 605
8.2.5 Gentechnisch hergestellte Markierungen bieten einen einfachen Weg für die Proteinaufreinigung 606
8.2.6 Aufgereinigte zellfreie Systeme sind für die exakte Beschreibung von Molekülfunktionen erforderlich 607
8.3 Proteine analysieren 607
8.3.1 Proteine können mithilfe der SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese aufgetrennt werden 608
8.3.2 Die zweidimensionale Gelelektrophorese bietet eine bessere Proteinauftrennung 609
8.3.3 Spezifische Proteine können durch Blotting mit Antikörpern aufgespürt werden 610
8.3.4 Hydrodynamische Messungen offenbaren die Größe und Form eines Proteinkomplexes 611
8.3.5 Die Massenspektrometrie liefert eine hochempfindliche Methode zur Identifizierung unbekannter Proteine 612
8.3.6 Sätze interagierender Proteine können mithilfe biochemischer Methoden identifiziert werden 614
8.3.7 Optische Methoden können Proteinwechselwirkungen verfolgen 615
8.3.8 Die Proteinstruktur lässt sich mithilfe der Röntgenbeugung bestimmen 616
8.3.9 NMR kann zur Bestimmung der Proteinstruktur in Lösung eingesetzt werden 618
8.3.10 Proteinsequenz und Proteinstruktur geben Hinweise auf die Proteinfunktion 619
8.4 DNA analysieren und manipulieren 621
8.4.1 Restriktionsnukleasen zerschneiden große DNA-Moleküle in definierte Fragmente 621
8.4.2 Die Gelelektrophorese trennt DNA-Moleküle unterschiedlicher Größe 622
8.4.3 Aufgereinigte DNA-Moleküle können chemisch oder mit Radioisotopen spezifisch in vitro markiert werden 624
8.4.4 Gene können mithilfe von Bakterien kloniert werden 624
8.4.5 Eine DNA-Bibliothek kann ein vollständiges Genom repräsentieren 627
8.4.6 Die Hybridisierung liefert einen leistungsfähigen, aber einfachen Weg, um spezifische Nukleotidsequenzen aufzuspüren 628
8.4.7 Gene können in vitro mithilfe der PCR kloniert werden 629
8.4.8 Die PCR wird auch für diagnostische und forensische Anwendungen eingesetzt 631
8.4.9 Die PCR und synthetische DNA sind ideale Quellen spezifischer Gensequenzen für die Klonierung 633
8.4.10 Die DNA-Klonierung ermöglicht, dass jedes Protein in großen Mengen produziert werden kann 636
8.4.11 DNA kann rasch durch Didesoxysequenzierung sequenziert werden 637
8.4.12 Sequenzierungsmethoden der nächsten Generation haben die DNA- und RNA-Analyse revolutioniert 638
8.4.13 Um nützlich zu sein, müssen Genomsequenzen annotiert werden 642
8.5 Untersuchung der Genexpression und -funktion 645
8.5.1 Klassische Genetische Screenings identifizieren Mutanten mit spezifischen Anomalien 648
8.5.2 Mutationen können den Verlust oder den Gewinn einer Proteinfunktion verursachen 649
8.5.3 Komplementationstests zeigen, ob sich zwei Mutationen im selben Gen oder in verschiedenen Genen befinden 650
8.5.4 Genprodukte können durch epistatische Analyse in Stoffwechselwegen angeordnet werden 650
8.5.5 Mutationen, die für einen Phänotyp verantwortlich sind, können durch eine DNA-Analyse identifiziert werden 651
8.5.6 Die schnelle und kostengünstige DNA-Sequenzierung hat die humangenetischen Untersuchungen revolutioniert 652
8.5.7 Gekoppelte Polymorphismenblöcke wurden von unseren Vorfahren weitergegeben 652
8.5.8 Sequenzvarianten können bei der Suche nach Mutationen helfen, die mit Krankheiten verbunden sind 653
8.5.9 Die Genomik beschleunigt die Entdeckung seltener Mutationen, die uns für eine ernsthafte Krankheit prädisponieren 654
8.5.10 Die Zellfunktionen eines bekannten Gens können mithilfe der Gentechnik untersucht werden 655
8.5.11 Tiere und Pflanzen kann man genetisch verändern 657
8.5.12 Das bakterielle CRISPR-System wurde angepasst, um Genome in einer breiten Artenvielfalt zu bearbeiten 659
8.5.13 Umfangreiche Sammlungen gentechnisch erzeugter Mutationen bieten ein Werkzeug, um die Funktion jedes Gens in einem Organismus zu untersuchen 660
8.5.14 RNA-Interferenz ist ein einfacher und schneller Weg, um die Genfunktion zu testen 662
8.5.15 Reportergene verraten, wann und wo ein Gen exprimiert wird 664
8.5.16 Die In-situ-Hybridisierung kann die Lage der mRNAs und nicht codierenden RNAs aufzeigen 664
8.5.17 Die Expression einzelner Gene kann mithilfe der quantitativen RT-PCR gemessen werden 665
8.5.18 Die Analyse von mRNAs durch Mikroarray oder RNA-seq liefert einen Schnappschuss der Genexpression 666
8.5.19 Genomweite Chromatin-Immunpräzipitation identifiziert Stellen auf dem Genom, die von Transkriptionsregulatoren besetzt sind 668
8.5.20 Die Erstellung eines Ribosomenprofils zeigt, welche mRNAs in der Zelle gerade translatiert werden 669
8.5.21 Rekombinante DNA-Methoden haben die menschliche Gesundheit revolutioniert 670
8.5.22 Transgene Pflanzen sind wichtig für die Landwirtschaft 671
8.6 Mathematische Analyse der Zellfunktion 673
8.6.1 Regulationsnetzwerke hängen von molekularen Wechselwirkungen ab 674
8.6.2 Differenzialgleichungen helfen uns, ein vorübergehendes Verhalten vorherzusagen 676
8.6.3 Sowohl die Promotoraktivität als auch der Proteinabbau beeinflussen die Änderungsrate der Proteinkonzentration 678
8.6.4 Die zum Erreichen des Fließgleichgewichtszustands erforderliche Zeit hängt von der Lebensdauer des Proteins ab 679
8.6.5 Quantitative Methoden ähneln sich für Transkriptionsrepressoren und -aktivatoren 680
8.6.6 Die negative Rückkopplung ist eine leistungsfähige Strategie bei der Zellregulation 681
8.6.7 Eine verzögerte negative Rückkopplung kann Oszillationen auslösen 682
8.6.8 Die DNA-Bindung durch einen Repressor oder einen Aktivator kann kooperativ sein 683
8.6.9 Die positive Rückkopplung ist wichtig für schalterartige Reaktionen und die Bistabilität 684
8.6.10 Robustheit ist ein wichtiges Merkmal biologischer Netzwerke 687
8.6.11 Zwei Transkriptionsregulatoren, die an den gleichen Genpromotor binden, können eine kombinatorische Kontrolle ausüben 687
8.6.12 Eine inkohärente vorwärtsgeregelte Wechselwirkung erzeugt Impulse 688
8.6.13 Eine kohärente vorwärtsgeregelte Wechselwirkung entdeckt anhaltende Reize 690
8.6.14 Das gleiche Netzwerk kann sich in verschiedenen Zellen aufgrund stochastischer Effekte unterschiedlich verhalten 690
8.6.15 Um die Reaktionen in Zellen zu modellieren, werden mehrere Rechenansätze verwendet 692
8.6.16 Für die Analyse biologischer Daten sind statistische Methoden entscheidend 692
Literatur 693
9 Die Visualisierung Von Zellen Und Ihrer Moleküle 697
9.1 Betrachtung Der Zellen Und Moleküle Unter Dem Lichtmikroskop 698
9.1.1 Das Konventionelle Lichtmikroskop Kann Details Von 0,2 ?m Abstand Auflösen 698
9.1.2 Photonenrauschen Erzeugt Zusätzliche Auflösungsbeschränkungen, Wenn Die Lichtintensität Gering Ist 701
9.1.3 Lebende Zellen Lassen Sich Im Phasenkontrast- Oder Differenzial-Interferenzkontrastmikroskop Klar Betrachten 702
9.1.4 Mikroskopische Abbildungen Können Durch Digitale Verfahren Verstärkt Und Analysiert Werden 703
9.1.5 Vor Dem Mikroskopieren Müssen Intakte Gewebe Gewöhnlich Fixiert Und Geschnitten Werden 704
9.1.6 Bestimmte Moleküle Können in Der Zelle Durch Fluoreszenzmikroskopie Nachgewiesen Werden 705
9.1.7 Antikörper Lassen Sich Zum Nachweis Bestimmter Proteine Einsetzen 708
9.1.8 Einzelne Proteine Können in Lebenden Zellen Und Organismen Fluoreszenzmarkiert Werden 709
9.1.9 Die Proteindynamik Kann Man an Lebenden Zellen Verfolgen 711
9.1.10 Fluoreszierende Biosensoren Können Die Zelluläre Signalgebung Überwachen 713
9.1.11 Die Bildgebung Von Komplexen Dreidimensionalen Objekten Ist Auch Mit Dem Optischen Mikroskop Möglich 713
9.1.12 Das Konfokalmikroskop Erzeugt Optische Schnitte Durch Den Ausschluss Von Nicht Fokussiertem Licht 715
9.1.13 Superauflösende Fluoreszenztechniken Können Die Beugungsgrenze Der Auflösung Überwinden 717
9.1.14 Die Einzel-Molekül-Lokalisierungs-Mikroskopie Liefert Ebenfalls Eine Superauflösung 720
9.1.15 Die Probenausdehnung Kann Eine Höhere Auflösung Bieten, Aber Mit Einem Klassischen Mikroskop 722
9.1.16 Große Vielzellige Strukturen Lassen Sich Im Zeitverlauf Bildlich Darstellen 724
9.1.17 Einzelne Moleküle Können Mithilfe Der Internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie Sichtbar Gemacht Werden 725
9.2 Betrachtung Von Zellen Und Molekülen Im Elektronenmikroskop 726
9.2.1 Im Elektronenmikroskop Wird Die Feinstruktur Der Zelle Sichtbar 726
9.2.2 Biologische Objekte Müssen Für Die Elektronenmikroskopie Besonders Vorbereitet Werden 728
9.2.3 Schwermetalle Können Einen Zusätzlichen Kontrast Verschaffen 729
9.2.4 Bilder Von Oberflächen Lassen Sich Mit Dem Raster-Elektronenmikroskop Aufnehmen 730
9.2.5 Die Elektronenmikroskop-Tomographie Ermöglicht Es, Die Molekulare Architektur Von Zellen Dreidimensional Zu Sehen 732
9.2.6 Die Kryoelektronenmikroskopie Kann Molekulare Strukturen Mit Atomarer Auflösung Bestimmen 733
9.2.7 Die Lichtmikroskopie Und Die Elektronenmikroskopie Sind Von Gegenseitigem Nutzen 736
9.2.8 Die Verwendung Der Mikroskopie Zur Untersuchung Von Zellen Beinhaltet Immer Kompromisse 739
Literatur 740
Teil IV Die Innere Organisation Der Zelle 743
10 Der Aufbau Der Membran 743
10.1 Die Lipid-Doppelschicht 744
10.1.1 Glycerophospholipide, Sphingolipide Und Sterole Sind Die Wichtigsten Lipide Von Zellmembranen 744
10.1.2 Phospholipide Bilden Spontan Doppelschichten 746
10.1.3 Die Lipid-Doppelschicht Ist Eine Zweidimensionale Flüssigkeit 748
10.1.4 Die Fluidität Der Lipid-Doppelschicht Ist Von Ihrer Zusammensetzung Abhängig 750
10.1.5 Trotz Ihrer Fluidität Können Lipid-Doppelschichten Unterschiedlich Zusammengesetzte Domänen Bilden 751
10.1.6 Lipidtröpfchen Sind Von Einem Phospholipid-Monolayer Umgeben 752
10.1.7 Die Asymmetrie Der Lipid-Doppelschicht Ist Wichtig Für Ihre Funktion 753
10.1.8 Glykolipide Finden Sich Auf Der Oberfläche Aller Eukaryotischer Plasmamembranen 754
10.2 Membranproteine 756
10.2.1 Membranproteine Können Auf Verschiedene Weisen Mit Der Lipid-Doppelschicht Assoziiert Sein 757
10.2.2 Lipidanker Kontrollieren Die Lage Mancher Signalproteine in Der Membran 758
10.2.3 Die Polypeptidkette Der Meisten Transmembranproteine Durchquert Die Lipid-Doppelschicht Als ?-Helix 759
10.2.4 Transmembran-?-Helices Wechselwirken Oft Miteinander 761
10.2.5 Einige ?-Fässer Bilden Große Kanäle 762
10.2.6 Viele Membranproteine Sind Glykosyliert 763
10.2.7 Membranproteine Können Mithilfe Von Detergenzien Gelöst Und Aufgereinigt Werden 765
10.2.8 Bacteriorhodopsin Ist Eine Lichtgetriebene Protonenpumpe, Die Die Membran in Form Von Sieben ?-Helices Durchquert 768
10.2.9 Membranproteine Arbeiten Oft in Großen Komplexen 770
10.2.10 Viele Membranproteine Diffundieren in Der Membranebene 770
10.2.11 Zellen Können Proteine Und Lipide Auf Besondere Domänen Innerhalb Der Membran Beschränken 772
10.2.12 Das Cytoskelett Des Kortex Verleiht Membranen Mechanische Festigkeit Und Beschränkt Die Diffusion Der Membranproteine 774
10.2.13 Membranbiegende Proteine Verformen Doppelschichten 776
Literatur 777
11 Membrantransport Kleiner Moleküle Und Elektrische Eigenschaften Von Membranen 781
11.1 Grundlagen Des Transports Durch Membranen 782
11.1.1 Proteinfreie Lipid-Doppelschichten Sind Für Ionen Undurchlässig 782
11.1.2 Die Zwei Hauptklassen Von Membrantransportproteinen: Transporter Und Kanäle 783
11.1.3 Aktiver Transport Durch Transporter Ist an Eine Energiequelle Gekoppelt 784
11.2 Transporter Und Aktiver Membrantransport 785
11.2.1 Aktiver Transport Kann Durch Ionenkonzentrationsgradienten Angetrieben Werden 787
11.2.2 Transporterproteine in Der Plasmamembran Regulieren Den Cytosolischen PH-Wert 790
11.2.3 Der Transport Von Soluten Zwischen Zellen Ist Auf Eine Asymmetrische Verteilung Von Transportern in Den Epithelzellen Zurückzuführen 791
11.2.4 Es Gibt Drei Klassen ATP-Getriebener Pumpen 792
11.2.5 Eine P-Typ-ATPase Pumpt Ca2+ in Das Sarkoplasmatische Reticulum in Muskelzellen 793
11.2.6 Die Na+/K+-Pumpe Der Plasmamembran Errichtet an Der Plasmamembran Na+- Und K+-Gradienten 794
11.2.7 ABC-Transporter Bilden Die Größte Familie Von Membrantransportproteinen 795
11.3 Kanäle Und Die Elektrischen Eigenschaften Von Membranen 798
11.3.1 Aquaporine Sind Für Wasser Durchlässig, Für Ionen Aber Undurchlässig 799
11.3.2 Ionenkanäle Sind Ionenselektiv Und Wechseln Zwischen Einem Offenen Und Einem Geschlossenen Zustand 801
11.3.3 Das Membranpotenzial in Tierischen Zellen Ist Hauptsächlich Von K+-Sickerkanälen Und Dem K+-Gradienten Über Der Plasmamembran Abhängig 802
11.3.4 Das Ruhepotenzial Baut Sich Nur Langsam Ab, Wenn Die Na+/K+-Pumpe Nicht Mehr Arbeitet 803
11.3.5 Die Dreidimensionale Struktur Eines Bakteriellen K+-Kanals Zeigt, Wie Ein Ionenkanal Arbeitet 805
11.3.6 Mechanosensitive Kanäle Ermöglichen Es Zellen Ihre Physikalische Umgebung Wahrzunehmen 808
11.3.7 Die Funktion Eines Neurons Hängt Von Seiner Lang Gestreckten Form Ab 810
11.3.8 Spannungskontrollierte Kationenkanäle Erzeugen Aktionspotenziale in Elektrisch Erregbaren Zellen 811
11.3.9 Die Myelinisierung Erhöht Die Geschwindigkeit Und Effizienz Der Weiterleitung Eines Aktionspotenzials in Nervenzellen 815
11.3.10 Patch Clamp -Messungen Deuten Darauf Hin, Dass Sich Die Einzelnen Ionenkanäle Nach Einem Alles-Oder-Nichts-Mechanismus Öffnen 816
11.3.11 Spannungskontrollierte Kationenkanäle Sind Evolutionär Und Strukturell Verwandt 818
11.3.12 Verschiedene Arten Von Neuronen Zeigen Typische Stabile Feuereigenschaften 818
11.3.13 Transmitterkontrollierte Ionenkanäle in Synapsen Wandeln Chemische Signale in Elektrische Reize Um 819
11.3.14 Chemische Synapsen Können Excitatorisch Oder Inhibitorisch Wirken 820
11.3.15 Die Acetylcholinrezeptoren an Den Neuromuskulären Endplatten Sind Excitatorische Transmitterkontrollierte Kationenkanäle 822
11.3.16 Neuronen Enthalten Viele Arten Transmitterkontrollierter Kanäle 823
11.3.17 Viele Psychoaktive Medikamente Wirken an Synapsen 824
11.3.18 Bei Der Neuromuskulären Signalübertragung Werden Fünf Verschiedene Gruppen Von Ionenkanälen Nacheinander Aktiviert 825
11.3.19 Einzelne Neuronen Stellen Komplexe Verrechnungseinheiten Dar 826
11.3.20 Eine Kombination Von Mindestens Drei Typen Von K+-Kanälen Ist Die Grundlage Für Die Neuronale Verrechnung Von Signalen 827
11.3.21 Die Langzeitpotenzierung Im Hippocampus Von Säugetieren Ist Vom Ca2+-Einstrom Durch NMDA-Rezeptorkanäle Abhängig 829
11.3.22 Der Einsatz Von Kanalrhodopsinen Hat Die Untersuchung Neuronaler Schaltkreise Revolutioniert 831
Literatur 833
12 Zellkompartimente und Proteinsortierung 837
12.1 Die Kompartimentierung der Zelle 837
12.1.1 Alle eukaryotischen Zellen besitzen die gleiche Grundausstattung membranumschlossener Organellen 838
12.1.2 Der entwicklungsgeschichtliche Ursprung kann dabei helfen, die topologischen Beziehungen von Organellen zu erklären 841
12.1.3 Makromoleküle können ohne eine umgebende Membran abgetrennt werden 843
12.1.4 Multivalente Wechselwirkungen vermitteln die Bildung von biomolekularen Kondensaten 845
12.1.5 Biomolekulare Kondensate schaffen biochemische Fabriken 847
12.1.6 Biomolekulare Kondensate bilden sich und lösen sich je nach Bedarf auf 847
12.1.7 Proteine können auf verschiedene Arten zwischen den Kompartimenten hin- und herwandern 849
12.1.8 Signalsequenzen und Sortierrezeptoren dirigieren Proteine zur richtigen zellulären Adresse 851
12.1.9 Zum Aufbau der meisten Organellen bedarf es Organell-inhärenter Information 853
12.2 Das Endoplasmatische Reticulum 854
12.2.1 Das ER ist strukturell und funktionell verschieden 855
12.2.2 Signalsequenzen wurden zuerst an Proteinen entdeckt, die in das raue ER importiert werden 858
12.2.3 Ein Signalerkennungspartikel (SRP) dirigiert die ER-Signalsequenz zu einem spezifischen Rezeptor am ER 860
12.2.4 Die Polypeptidkette wandert durch einen signalsequenzkontrollierten, wasserführenden Kanal zum Translokator 862
12.2.5 Die Translokation durch die ER-Membran erfordert nicht in allen Fällen eine zeitgleich ablaufende Polypeptidkettenverlängerung 865
12.2.6 Transmembranproteine enthalten hydrophobe Segmente, die wie Signalsequenzen erkannt werden 867
12.2.7 Hydrophobe Segmente von Mehrpfad-Transmembranproteinen bestimmen in Abhängigkeit vom Kontext deren Orientierung 869
12.2.8 Einige Proteine werden durch einen posttranslationalen Mechanismus in die ER-Membran integriert 870
12.2.9 Manche Membranproteine erhalten einen kovalent verknüpften Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-Anker 871
12.2.10 Translozierte Polypeptidketten nehmen im Lumen des rauen ER ihre endgültige Form an 872
12.2.11 Die meisten am rauen ER synthetisierten Proteine werden durch die kovalente Addition eines universellen N-verknüpften Oligosaccharids glykosyliert 873
12.2.12 Oligosaccharide werden als Markierungen verwendet, um den Faltungszustand eines Proteins zu erkennen 874
12.2.13 Nicht richtig gefaltete Proteine werden aus dem ER exportiert und im Cytosol abgebaut 875
12.2.14 Fehlgefaltete Proteine aktivieren im ER eine Reaktion auf ungefaltete Proteine 877
12.2.15 Das ER setzt die meisten Lipid-Doppelschichten zusammen 879
12.2.16 Membrankontaktstellen zwischen ER und anderen Organellen erleichtern den selektiven Lipidtransfer 882
12.3 Peroxisomen 884
12.3.1 Peroxisomen verwenden molekularen Sauerstoff und Wasserstoffperoxid zur Durchführung oxidativer Reaktionen 884
12.3.2 Kurze Signalsequenzen lenken den Proteinimport in Peroxisomen 885
12.4 Proteintransport in Mitochondrien und Chloroplasten 887
12.4.1 Translokation in die Mitochondrien ist abhängig von Signalsequenzen und von Proteintranslokatoren 888
12.4.2 Mitochondriale Proteine werden posttranslational als ungefaltete Polypeptidketten importiert 890
12.4.3 ATP-Hydrolyse, ein Membranpotenzial und ein Redoxpotenzial treiben den Proteinimport an 892
12.4.4 Der Transport in die innere Mitochondrienmembran vollzieht sich auf mehreren Wegen 893
12.4.5 Bakterien und Mitochondrien verwenden ähnliche Mechanismen, um ?-Fässer in ihre äußere Membran einzubauen 895
12.4.6 Zwei Signalsequenzen lenken Proteine zur Thylakoidmembran des Chloroplasten 896
12.5 Molekültransport zwischen Zellkern und Cytosol 898
12.5.1 Kernporenkomplexe perforieren die Zellkernhülle 899
12.5.2 Kernlokalisationssignale lenken Proteine zum Zellkern 901
12.5.3 Kernimportrezeptoren binden sowohl an Kernlokalisationssignale als auch an NPC-Proteine 902
12.5.4 Die GTPase Ran legt die Richtung des Transports durch die NPCs fest 903
12.5.5 Der Export aus dem Zellkern verläuft wie der Import, nur in umgekehrter Richtung 904
12.5.6 Der Transport durch NPCs kann durch die Kontrolle des Zugangs zum Transportapparat reguliert werden 906
12.5.7 Während der Mitose zerfällt die Kernhülle und baut sich wieder auf 907
Literatur 910
13 Intrazellulärer Membranverkehr 913
13.1 Die Molekularen Mechanismen Des Membrantransports Und Der Kompartimentidentität 915
13.1.1 Es Gibt Unterschiedliche Formen Beschichteter Vesikel 916
13.1.2 Der Aufbau Der Clathrinhülle Treibt Die Vesikelbildung an 916
13.1.3 Adapterproteine Wählen Die Fracht Für Clathrinbeschichtete Vesikel Aus 918
13.1.4 Phosphoinositide Markieren Organellen Und Membrandomänen 919
13.1.5 Membranbiegende Proteine Helfen Während Der Vesikelbildung Bei Der Membranverformung 921
13.1.6 Cytoplasmatische Proteine Regulieren Das Abknospen Beschichteter Vesikel Und Die Beseitigung Ihrer Vesikelhülle 921
13.1.7 Monomere GTPasen Kontrollieren Den Hüllenaufbau 922
13.1.8 Hüllenrekrutierungs-GTPasen Sind an Der Demontage Des Mantels Beteiligt 923
13.1.9 Größe Und Form Von Transportvesikeln Sind Vielfältig 925
13.1.10 Rab-Proteine Lenken Transportvesikel Zu Deren Zielmembranen 926
13.1.11 Rab-Proteine Können Die Identität Eines Organells Festlegen Und Verändern 927
13.1.12 SNAREs Vermitteln Die Membranfusion 928
13.1.13 Wechselwirkende SNAREs Müssen Getrennt Werden, Damit Sie Erneut Arbeiten Können 929
13.1.14 Viren Codieren Spezialisierte Membranfusionsproteine, Die Sie Für Den Eintritt in Die Zelle Benötigen 930
13.2 Transport Vom Endoplasmatischen Reticulum Durch Den Golgi-Apparat 932
13.2.1 Proteine Verlassen in COPII-Beschichteten Transportvesikeln Das ER 932
13.2.2 Nur Proteine, Die Korrekt Gefaltet Und Zusammengebaut Sind, Können Das ER Verlassen 933
13.2.3 Der Transport Vom ER Zum Golgi-Apparat Wird Von Vesikulären Tubulären Clustern Durchgeführt 934
13.2.4 Der Rückgewinnungsweg Zum ER Benutzt Sortiersignale 934
13.2.5 Viele Proteine Werden Selektiv in Den Kompartimenten Festgehalten, in Denen Ihr Arbeitsplatz Ist 936
13.2.6 Der Golgi-Apparat Besteht Aus Einer Geordneten Folge Von Kompartimenten 936
13.2.7 Oligosaccharidketten Werden Im Golgi-Apparat Weiterverarbeitet 939
13.2.8 Proteoglykane Werden Im Golgi-Apparat Zusammengesetzt 941
13.2.9 Welchen Zweck Hat Die Glykosylierung? 941
13.2.10 Der Transport Durch Den Golgi-Apparat Funktioniert Über Viele Mechanismen 943
13.2.11 Matrixproteine Des Golgi-Apparats Unterstützen Die Organisation Des Stapels 944
13.3 Transport Vom Trans-Golgi-Netzwerk Zum Zelläußeren Und Den Endosomen 945
13.3.1 Viele Proteine Und Lipide Werden Automatisch Vom Trans-Golgi-Netzwerk Zur Zelloberfläche Transportiert 946
13.3.2 Ein Mannose-6-Phosphat-Rezeptor Sortiert Lysosomale Hydrolasen Im Trans-Golgi-Netzwerk 946
13.3.3 Defekte in Der GlkNAc-Phosphotransferase Sind Ursache Von Lysosomalen Speicherkrankheiten Beim Menschen 949
13.3.4 Sekretionsvesikel Knospen Vom Trans-Golgi-Netzwerk Ab 949
13.3.5 Während Sich Sekretionsvesikel Bilden, Werden Vorstufen Der Sekretorischen Proteine Proteolytisch Weiterverarbeitet 951
13.3.6 Sekretionsvesikel Warten in Der Nähe Der Plasmamembran Auf Das Signal Zur Freigabe Ihrer Inhaltsstoffe 951
13.3.7 Synaptische Vesikel Werden an Der Präsynaptischen Membran Für Eine Schnelle Exocytose Vorbereitet 952
13.3.8 Synaptische Vesikel Können Nach Der Exocytose Vor Ort Wiederverwendet Werden 953
13.3.9 Membranbestandteile Von Sekretionsvesikeln Werden Schnell Aus Der Plasmamembran Entfernt 954
13.3.10 Manche Regulierten Exocytosevorgänge Dienen Dazu, Die Plasmamembran Zu Vergrößern 954
13.3.11 Polarisierte Zellen Lenken Proteine Vom Trans-Golgi-Netzwerk Zur Richtigen Domäne Der Plasmamembran 956
13.4 Transport Von Der Plasmamembran Ins Zellinnere: Endocytose 958
13.4.1 Pinocytosevesikel Bilden Sich in Der Plasmamembran Aus Beschichteten Vertiefungen 959
13.4.2 Nicht Alle Membraneinstülpungen Und Pinocytosevesikel Sind Mit Clathrin Beschichtet 960
13.4.3 Zellen Importieren Bestimmte Extrazelluläre Makromoleküle Durch Rezeptorvermittelte Endocytose 962
13.4.4 Spezifische Proteine Werden Aus Den Frühen Endosomen Entfernt Und Zur Plasmamembran Zurückgebracht 964
13.4.5 Recycling-Endosomen Regulieren Die Zusammensetzung Der Plasmamembran 964
13.4.6 Plasmamembran-Signalrezeptoren Werden Durch Abbau in Den Lysosomen Heruntergeregelt 966
13.4.7 Frühe Endosomen Reifen Zu Späten Endosomen 967
13.4.8 ESCRT-Proteinkomplexe Vermitteln Die Bildung Intraluminaler Vesikel in Multivesikulären Körperchen 967
13.5 Abbau Und Wiederverwendung Von Makromolekülen in Lysosomen 970
13.5.1 Lysosomen Sind Die Wichtigsten Orte Intrazellulärer Verdauungsvorgänge 971
13.5.2 Lysosomen Sind Nicht Einheitlich 971
13.5.3 Die Vakuolen Von Pilz- Und Pflanzenzellen Sind Bemerkenswert Vielseitige Lysosomen 972
13.5.4 Viele Zubringerwege Liefern Material an Die Lysosomen 974
13.5.5 Durch Makropinocytose Können Zellen Nährstoffe Aus Der Extrazellulären Flüssigkeit Aufnehmen 974
13.5.6 Spezialisierte Phagocyten Können Große Partikel Verschlingen 975
13.5.7 Die Frachterkennung Durch Zelloberflächenrezeptoren Löst Phagocytose Aus 976
13.5.8 Autophagie Baut Nicht Benötigte Proteine Und Organellen Ab 977
13.5.9 Die Geschwindigkeit Der Nicht Selektiven Autophagie Wird Durch Die Nährstoffverfügbarkeit Reguliert 979
13.5.10 Eine Familie Von Frachtspezifischen Rezeptoren Vermittelt Die Selektive Autophagie 979
13.5.11 Manche Lysosomen Und Multivesikuläre Körperchen Können Exocytiert Werden 980
Literatur 981
14 Energieumwandlung Und Kompartimentierung Des Stoffwechsels: Mitochondrien Und Chloroplasten 985
14.1 Das Mitochondrium 987
14.1.1 Das Mitochondrium Hat Eine Äußere Membran Und Eine Innere Membran 989
14.1.2 Die Spaltung, Die Verschmelzung, Die Verteilung Und Der Abbau Von Mitochondrien 990
14.1.3 Die Cristae Der Inneren Membran Enthalten Die Maschinerie Für Den Elektronentransport Und Die ATP-Synthese 992
14.1.4 Der Zitronensäurezyklus Läuft in Der Mitochondrienmatrix Ab Und Liefert NADH 993
14.1.5 Im Zellulären Metabolismus Übernehmen Mitochondrien Viele Wichtige Aufgaben 994
14.1.6 Ein Chemiosmotischer Prozess Koppelt Die Oxidationsenergie Mit Der ATP-Produktion 997
14.1.7 Die Energie Aus Der Oxidation Wird in Form Eines Elektrochemischen Gradienten Gespeichert 998
14.2 Die Protonenpumpen Der Elektronentransportkette 1000
14.2.1 Das Redoxpotenzial Ist Ein Maß Für Die Elektronenaffinitäten 1000
14.2.2 Elektronenübertragungen Setzen Große Energiebeträge Frei 1001
14.2.3 Übergangsmetall-Ionen Und Chinone Nehmen Bereitwillig Elektronen Auf Bzw. Geben Sie Bereitwillig Ab 1001
14.2.4 NADH Überträgt Seine Elektronen Über Drei Große Enzymkomplexe, Die in Die Innere Membran Eingebettet Sind, Auf Sauerstoff 1004
14.2.5 Der NADH-Dehydrogenase-Komplex Enthält Getrennte Module Für Elektronentransport Und Protonenpumpen 1006
14.2.6 Die Cytochrom-C-Reduktase Nimmt Protonen Auf Und Gibt Sie Auf Der Anderen Seite Der Cristamembran Ab, Wodurch Sie Protonen Pumpt 1007
14.2.7 Der Cytochrom-C-Oxidase-Komplex Pumpt Protonen Und Reduziert O2 Mithilfe Eines Katalytischen Eisen–Kupfer-Zentrums 1008
14.2.8 Die Succinat-Dehydrogenase Arbeitet Sowohl in Der Elektronentransportkette Als Auch Im Zitronensäurezyklus 1010
14.2.9 Die Atmungskette Bildet Einen Superkomplex in Der Cristamembran 1011
14.2.10 Protonen Können Schnell Entlang Vorgegebener Routen Durch Proteine Wandern 1012
14.3 ATP-Produktion in Mitochondrien 1013
14.3.1 Der Hohe Negative Wert Von ?G Für Die ATP-Hydrolyse Erhöht Den Nutzen Von ATP Für Die Zelle 1014
14.3.2 Die ATP-Synthase Ist Eine Nanomaschine, Die Durch Rotationskatalyse ATP Produziert 1015
14.3.3 Protonenangetriebene Turbinen Sind Evolutionsgeschichtlich Alt Und Entscheidend Für Die Energieumwandlung 1017
14.3.4 Die Mitochondrialen Cristae Helfen Dabei, Die ATP-Synthese Effizienter Zu Machen 1019
14.3.5 Spezielle Transporterproteine Bewegen Lösliche Stoffe Durch Die Innere Membran 1020
14.3.6 Chemiosmotische Mechanismen Entwickelten Sich Zuerst in Bakterien 1021
14.4 Chloroplasten Und Photosynthese 1022
14.4.1 Chloroplasten Ähneln Mitochondrien, Besitzen Aber Eine Getrennte Thylakoidmembran 1023
14.4.2 Chloroplasten Fangen Energie Aus Dem Sonnenlicht Ein Und Benutzen Sie, Um Kohlenstoff Zu Fixieren 1024
14.4.3 Die Kohlenstofffixierung Verwendet ATP Und NADPH, Um CO2 in Zucker Umzuwandeln 1025
14.4.4 Die Kohlenstofffixierung Findet in Manchen Pflanzen an Unterschiedlichen Orten Statt, Um Das Wachstum Bei Geringen CO2-Konzentrationen Zu Erleichtern 1027
14.4.5 Die Durch Die Kohlenstofffixierung Aufgebauten Zucker Können Als Stärke Gespeichert Oder Zur ATP-Synthese Eingesetzt Werden 1029
14.4.6 Die Thylakoidmembran Der Chloroplasten Enthält Proteinkomplexe, Die Zur Photosynthese Und ATP-Produktion Benötigt Werden 1029
14.4.7 Chlorophyll–Protein-Komplexe Können Entweder Anregungsenergie Oder Elektronen Übertragen 1030
14.4.8 Ein Photosystem Enthält Viele Antennenchlorophylle Und Ein Reaktionszentrum 1031
14.4.9 Die Thylakoidmembran Enthält Zwei Verschiedene Hintereinandergeschaltete Photosysteme 1032
14.4.10 Das Photosystem II Benutzt Mangan-Zentren, Um Wasser Elektronen Zu Entziehen 1033
14.4.11 Der Cytochrom-B6-F-Komplex Verbindet Das Photosystem II Mit Dem Photosystem I 1034
14.4.12 Das Photosystem I Führt Den Zweiten Ladungstrennungsschritt Im Z-Schema Durch 1035
14.4.13 Die ATP-Synthase Der Chloroplasten Verwendet Den in Den Lichtreaktionen Der Photosynthese Erzeugten Protonengradienten Zur ATP-Produktion 1036
14.4.14 Die Protonenmotorische Kraft Bei Der ATP-Synthese Ist in Mitochondrien Und Chloroplasten Praktisch Die Gleiche 1037
14.4.15 Chemiosmotische Mechanismen Haben Sich in Mehreren Stufen Entwickelt 1037
14.4.16 Photosynthesetreibende Bakterien Haben Ein Haupt-Entwicklungshindernis Überwunden, Indem Sie Eine Unerschöpfliche Quelle Von Reduktionskraft Erschlossen 1038
14.4.17 Die Photosynthetische Elektronentransportkette Der Cyanobakterien Erzeugte Den Sauerstoff Der Atmosphäre Und Ermöglichte Neue Lebensformen 1039
14.5 Die Genetischen Systeme Von Mitochondrien Und Chloroplasten 1042
14.5.1 Die Genetischen Systeme Von Mitochondrien Und Chloroplasten Ähneln Denen Der Prokaryoten 1043
14.5.2 Im Laufe Der Zeit Haben Mitochondrien Und Chloroplasten Mittels Gentransfer Die Meisten Ihrer Gene in Den Kern Exportiert 1044
14.5.3 Mitochondrien Haben Eine Gelockerte Codon-Nutzung Und Können Einen Abweichenden Genetischen Code Besitzen 1046
14.5.4 Chloroplasten Und Bakterien Besitzen Viele Auffällige Ähnlichkeiten 1047
14.5.5 Gene Der Organellen Werden Bei Tieren Und Pflanzen Über Die Mutter Vererbt 1048
14.5.6 Mutationen in Der DNA Der Mitochondrien Können Schwere Erbkrankheiten Verursachen 1049
14.5.7 Warum Leisten Sich Mitochondrien Und Chloroplasten Ein Eigenes Aufwendiges System Für DNA-Transkription Und Translation? 1050
Literatur 1051
15 Zellsignalübertragung 1055
15.1 Grundsätze Der Zellsignalübertragung 1055
15.1.1 Extrazelluläre Signale Können Über Kurze, Aber Auch Über Lange Entfernungen Wirken 1056
15.1.2 Extrazelluläre Signalmoleküle Binden an Spezifische Rezeptoren 1058
15.1.3 Jede Zelle Ist Auf Die Beantwortung Spezifischer Kombinationen Extrazellulärer Signale Programmiert 1059
15.1.4 Es Gibt Drei Hauptklassen Von Zelloberflächenrezeptorproteinen 1061
15.1.5 Zelloberflächenrezeptoren Übertragen Signale Mittels Intrazellulärer Signalproteine 1062
15.1.6 Intrazelluläre Signale Müssen in Einem Stark Rauschenden Cytoplasma Spezifisch Und Zuverlässig Sein 1065
15.1.7 Intrazelluläre Signalübertragungskomplexe Bilden Sich an Aktivierten Zelloberflächenrezeptoren 1066
15.1.8 Wechselwirkungen Zwischen Intrazellulären Signalproteinen Werden Durch Modulare Bindungsdomänen Vermittelt 1066
15.1.9 In Verschiedenen Signalübertragungswegen Unterscheidet Sich Die Beziehung Zwischen Signal Und Antwort 1068
15.1.10 Die Geschwindigkeit Der Antwort Hängt Vom Umsatz Der Signalmoleküle Ab 1070
15.1.11 Zellen Können Schlagartig Auf Ein Allmählich Zunehmendes Signal Antworten 1072
15.1.12 Positive Rückkopplung Kann Alles-Oder-Nichts-Antworten Auslösen 1073
15.1.13 Negative Rückkopplung Ist Ein Allgemeines Motiv Von Intrazellulären Signalübertragungssystemen 1075
15.1.14 Zellen Können Ihre Empfindlichkeit Auf Ein Signal Anpassen 1076
15.2 Signalisierung Über G-Protein-Gekoppelte Rezeptoren 1078
15.2.1 Heterotrimere G-Proteine Geben Signale Von GPCRs Weiter 1078
15.2.2 Einige G-Proteine Regulieren Die Bildung Von Cyclischem AMP 1080
15.2.3 Die CAMP-Abhängige Proteinkinase (PKA) Vermittelt Die Meisten Wirkungen Von CAMP 1082
15.2.4 Einige G-Proteine Vermitteln Ihre Antwort Über Phospholipide 1083
15.2.5 Ca2+ Tritt Überall Als Intrazellulärer Botenstoff Auf 1086
15.2.6 Die Rückkopplung Erzeugt Ca2+-Wellen Und Oszillationen 1086
15.2.7 Ca2+/Calmodulin-Abhängige Proteinkinasen Vermitteln Viele Antworten Auf Ca2+-Signale 1088
15.2.8 Einige G-Proteine Steuern Ionenkanäle Direkt 1090
15.2.9 Geruchssinn Und Sehvermögen Hängen Von G-Protein-Gekoppelten Rezeptoren Ab, Die Ionenkanäle Steuern 1092
15.2.10 Das Gas Stickstoffmonoxid Kann Die Signalweiterleitung Zwischen Zellen Vermitteln 1095
15.2.11 Second Messenger Und Enzymkaskaden Verstärken Signale 1097
15.2.12 Die GPCR-Desensibilisierung Hängt Von Der Rezeptorphosphorylierung Ab 1098
15.3 Signalisierung Über Enzym-Gekoppelte Rezeptoren 1099
15.3.1 Aktivierte Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) Phosphorylieren Sich Selbst 1099
15.3.2 Phosphorylierte Tyrosine Auf RTKs Dienen Als Andockstellen Für Intrazelluläre Signalproteine 1101
15.3.3 Proteine Mit SH2-Domänen Binden an Phosphorylierte Tyrosine 1102
15.3.4 Die Monomere GTPase Ras Vermittelt Das Signalisieren Durch Die Meisten RTKs 1104
15.3.5 Ras Aktiviert Ein MAP-Kinase-Signalmodul 1105
15.3.6 Gerüstproteine Vermindern Die Kreuzkommunikation Zwischen Verschiedenen MAP-Kinase-Modulen 1107
15.3.7 GTPasen Der Rho-Familie Koppeln Zelloberflächenrezeptoren Funktionell an Das Cytoskelett 1108
15.3.8 Die PI 3-Kinase Erzeugt Lipid-Andockstellen in Der Plasmamembran 1110
15.3.9 Der PI 3-Kinase–Akt-Signalweg Regt Tierische Zellen Zum Überleben Und Wachsen an 1111
15.3.10 Die Durch RTKs Und GPCRs Aktivierten Signalwege Überlappen Sich 1112
15.3.11 Einige Enzym-Gekoppelte Rezeptoren Assoziieren Mit Cytoplasmatischen Tyrosin-Kinasen 1113
15.3.12 Cytokin-Rezeptoren Aktivieren Den JAK–STAT-Signalweg 1115
15.3.13 Extrazelluläre Signalproteine Der TGF-?-Superfamilie Wirken Über Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen Und Über Smads 1117
15.4 Alternative Signalwege Bei Der Genregulation 1119
15.4.1 Der Rezeptor Notch Ist Ein Latenter Transkriptionsregulator 1120
15.4.2 Wnt-Proteine Aktivieren Frizzled Und Hemmen Dadurch Den Abbau Von ?-Catenin 1122
15.4.3 Hedgehog-Proteine Initiieren Einen Komplexen Signalweg in Einer Primärcilie 1124
15.4.4 Viele Entzündungsfördernde Signale Und Stresssignale Wirken Über Einen NF-?B-Abhängigen Signalweg 1126
15.4.5 Kernrezeptoren Sind Liganden-Modulierte Transkriptionsregulatoren 1128
15.4.6 Die Circadiane Uhr Verwendet Negative Rückkopplungsschleifen, Um Die Genexpression Zu Kontrollieren 1130
15.4.7 Eine Circadiane Uhr Aus Einem Cyanobakterium Kann Durch Drei Aufgereinigte Proteine in Vitro Wiederhergestellt Werden 1132
15.5 Signalisierungsvorgänge in Pflanzen 1134
15.5.1 Vielzelligkeit Und Zellkommunikation Entwickelten Sich Unabhängig in Pflanzen Und Tieren 1134
15.5.2 Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen Sind Die Größte Klasse Von Zelloberflächenrezeptoren in Pflanzen 1135
15.5.3 Ethylen Blockiert Den Abbau Spezifischer Transkriptionsregulatorproteine Im Zellkern 1136
15.5.4 Die Regulierte Positionierung Der Auxin-Transporter Gestaltet Das Pflanzenwachstum 1136
15.5.5 Phytochrome Nehmen Rotes Licht Wahr Und Cryptochrome Blaues Licht 1138
Literatur 1141
16 Das Cytoskelett 1143
16.1 Funktion Und Dynamik Des Cytoskeletts 1143
16.1.1 Cytoskelettfilamente Sind Dynamisch Und Können Trotzdem Stabile Strukturen Bilden 1144
16.1.2 Das Cytoskelett Bestimmt Die Zelluläre Organisation Und Polarität 1147
16.1.3 Filamente Bauen Sich Aus Proteinuntereinheiten Auf, Die Spezifische Physikalische Und Dynamische Eigenschaften Mitbringen 1147
16.1.4 Hilfsproteine Und Motoren Wirken Auf Cytoskelettfilamente Ein 1150
16.1.5 Molekulare Motoren Arbeiten in Einer Zellulären Umgebung, Die Durch Die Brownsche Molekularbewegung Bestimmt Wird 1151
16.2 Aktin Und Aktinbindende Proteine 1153
16.2.1 Aktinuntereinheiten Fügen Sich Kopf-An-Schwanz Zusammen Und Bilden So Flexible, Polare Filamente 1154
16.2.2 Keimbildung Ist Der Geschwindigkeitsbestimmende Schritt Bei Der Bildung Eines Aktinfilaments 1154
16.2.3 Aktinfilamente Haben Zwei Unterschiedliche Enden, Die Unterschiedlich Schnell Wachsen 1158
16.2.4 ATP-Hydrolyse Innerhalb Von Aktinfilamenten Führt Zu Tretmühlen-Verhalten Im Gleichgewichtszustand 1159
16.2.5 Die Funktion Der Aktinfilamente Kann Durch Polymerstabilisierende Und Polymerdestabilisierende Chemikalien Gehemmt Werden 1160
16.2.6 Aktinbindende Proteine Beeinflussen Die Dynamik Und Organisation Der Filamente 1160
16.2.7 Die Aktinkeimbildung Ist Streng Reguliert Und Erzeugt Verzweigte Oder Gerade Filamente 1162
16.2.8 Aktinfilamentverlängerung Wird Durch Monomerbindende Proteine Reguliert 1164
16.2.9 Aktinfilamentbindende Proteine Ändern Die Dynamik Und Organisation Der Filamente 1164
16.2.10 Spaltende Proteine Regulieren Die Depolymerisation Der Aktinfilamente 1167
16.2.11 Bakterien Können Das Aktincytoskelett Ihres Wirts Für Sich Vereinnahmen 1168
16.2.12 Aktin Und Zellrinde Bestimmen Die Zellform 1169
16.2.13 Unterschiedliche Arten Der Zellwanderung Beruhen Auf Dem Aktincytoskelett 1170
16.2.14 Zellen, Die in Drei Dimensionen Wandern Können, Können Um Hindernisse Herum Steuern 1172
16.3 Myosin Und Aktin 1174
16.3.1 Auf Aktin Beruhende Motorproteine Gehören Zur Superfamilie Der Myosine 1174
16.3.2 Myosin Erzeugt Kraft Durch Kopplung Der ATP-Hydrolyse an Konformationsänderungen 1176
16.3.3 Die Muskelkontraktion Beruht Auf Dem Gleiten Von Myosin II an Den Aktinfilamenten Entlang 1176
16.3.4 Muskelkontraktionen Werden Durch Einen Plötzlichen Anstieg Der Ca2+-Konzentration Im Cytosol Ausgelöst 1180
16.3.5 Der Herzmuskel Ist Eine Präzisionsmaschine 1182
16.3.6 Aktin Und Myosin Üben Eine Reihe Von Funktionen in Nicht-Muskelzellen Aus 1183
16.4 Mikrotubuli 1186
16.4.1 Mikrotubuli Sind Hohle Röhren, Die Aus Protofilamenten Aufgebaut Sind 1187
16.4.2 Mikrotubuli Unterliegen Einem Als Dynamische Instabilität Bezeichneten Prozess 1188
16.4.3 Die Funktionen Der Mikrotubuli Werden Durch Polymerstabilisierende Und Polymerdestabilisierende Stoffe Gehemmt 1191
16.4.4 Die Keimbildung Der Mikrotubuli Erfolgt Durch Einen ?-Tubulin Enthaltenden Proteinkomplex 1191
16.4.5 Das Centrosom Ist Eine Bedeutende Keimbildungsstelle Der Mikrotubuli 1192
16.4.6 Die Mikrotubuliorganisation Variiert Sehr Unter Den Zellarten 1193
16.4.7 Mikrotubuli-Bindende Proteine Modulieren Die Filamentdynamik Und -Organisation 1195
16.4.8 An Die Plus-Enden Von Mikrotubuli Bindende Proteine Modulieren Die Dynamik Der Mikrotubuli Und Der Mikrotubulianlagerungen 1197
16.4.9 Die Mikrotubulidynamik Wird Durch Tubulin-Separierende Und Mikrotubuli-Spaltende Proteine Moduliert 1199
16.4.10 Zwei Arten Von Motorproteinen Bewegen Sich an Den Mikrotubuli Entlang 1201
16.4.11 Mikrotubuli Und Motoren Bewegen Organellen Und Vesikel 1203
16.4.12 Cilien Und Flagellen Sind Aus Mikrotubuli Und Dyneinen Aufgebaute Bewegliche Strukturen 1205
16.4.13 Primärcilien Üben in Tierischen Zellen Wichtige Signalfunktionen Aus 1208
16.5 Intermediärfilamente Und Andere Cytoskelettpolymere 1210
16.5.1 Die Struktur Der Intermediärfilamente Hängt Vom Seitlichen Bündeln Und Verdrehen Der Doppelwendel Ab 1210
16.5.2 Intermediärfilamente Verleihen Tierischen Zellen Mechanische Stabilität 1212
16.5.3 Verbindende Proteine (Linkerproteine) Verknüpfen Cytoskelettfilamente Und Durchspannen Die Kernhülle 1215
16.5.4 Septine Bilden Filamente, Die Zur Organisation Innerhalb Der Zelle Beitragen 1216
16.5.5 Die Form Der Bakterienzelle Und Ihre Zellteilung Hängen Von Homologen Der Proteine Des Eukaryotischen Cytoskeletts Ab 1217
16.6 Zellpolarität Und Koordinierung Des Cytoskeletts 1220
16.6.1 Zellpolarität Wird Bei Der Sprosshefe Durch Kleine GTPasen Bestimmt 1221
16.6.2 PAR-Proteine Erzeugen Eine Anterior-Posterior-Polarität in Embryos 1223
16.6.3 Konservierte Komplexe Polarisieren Epithelzellen Und Kontrollieren Ihr Wachstum 1224
16.6.4 Eine Dynamische Zellpolarität Ist Notwendig Für Die Zellwanderung 1225
16.6.5 Äußere Signale Können Die Richtung Der Zellwanderung Bestimmen 1227
16.6.6 Die Kommunikation Zwischen Den Cytoskelettelementen Unterstützt Die Polarität Und Fortbewegung Der Ganzen Zelle 1228
Literatur 1229
17 Zellzyklus 1233
17.1 Überblick Über Den Zellzyklus 1234
17.1.1 Der Eukaryotische Zellzyklus Besteht Gewöhnlich Aus Vier Phasen 1235
17.1.2 Die Zellzykluskontrolle Arbeitet in Allen Eukaryoten Ähnlich 1236
17.1.3 Das Voranschreiten Des Zellzyklus Kann Man Auf Verschiedene Weise Untersuchen 1237
17.2 Das Zellzyklus-Kontrollsystem 1239
17.2.1 Das Zellzyklus-Kontrollsystem Löst Die Wichtigsten Vorgänge Des Zellzyklus Aus 1239
17.2.2 Das Zellzyklus-Kontrollsystem Hängt Von Zyklisch Aktivierten, Cyclin-Abhängigen Proteinkinasen Ab 1240
17.2.3 Proteinphosphatasen Kehren Die Wirkung Der Cdks Um 1242
17.2.4 Hunderte Von Cdk-Substraten Werden in Einer Festgelegten Reihenfolge Phosphoryliert 1243
17.2.5 Die Wie Durch „Schalter“ Eingeleiteten Übergänge Im Zellzyklus Kommen Durch Positive Rückkopplung Zustande 1245
17.2.6 Der Anaphasefördernde Komplex/Cyclosom (APC/C) Löst Den Übergang Von Der Metaphase Zur Anaphase Aus 1246
17.2.7 Die G1-Phase Ist Ein Stabiler Zustand Der Cdk-Inaktivität 1249
17.2.8 Das Zellzyklus-Kontrollsystem Arbeitet Als Aufeinanderfolge Von Biochemischen Schaltern 1249
17.3 S-Phase 1251
17.3.1 S-Cdk Leitet Die DNA-Replikation Einmal Je Zyklus Ein 1252
17.3.2 Die Chromosomenverdopplung Erfordert Die Duplikation Der Chromatinstruktur 1254
17.3.3 Cohesine Helfen, Schwesterchromatiden Zusammenzuhalten 1255
17.4 Mitose 1258
17.4.1 M-Cdk Und Andere Proteinkinasen Treiben Den Eintritt in Die Mitose an 1258
17.4.2 Condensin Hilft, Die Verdoppelten Chromosomen Für Die Trennung Zu Gruppieren 1259
17.4.3 Die Mitosespindel Ist Eine Dynamische Mikrotubulibasierte Maschine 1260
17.4.4 Die Keime Für Mikrotubuli Werden an Vielen Bereichen Der Spindel Gebildet 1262
17.4.5 Mikrotubuli-Instabilität Nimmt in Der Mitose Stark Zu 1262
17.4.6 Mikrotubuliabhängige Motorproteine Lenken Den Spindelaufbau Und Die Spindelfunktion 1263
17.4.7 Der Aufbau Der Bipolaren Mitosespindel Beginnt in Den Meisten Tierischen Zellen Mit Der Centrosomenduplikation 1264
17.4.8 Der Spindelaufbau Erfordert in Tierischen Zellen Den Zerfall Der Kernhülle 1265
17.4.9 Mitosechromosomen Fördern Den Bipolaren Spindelaufbau 1266
17.4.10 Kinetochore Heften Die Schwesterchromatiden an Die Spindel 1267
17.4.11 Die Bipolare Ausrichtung Wird Durch Versuch Und Irrtum Erreicht 1269
17.4.12 Mehrere Kräfte Wirken Auf Die Chromosomen an Der Spindel 1270
17.4.13 Der APC/C Löst Die Trennung Der Schwesterchromatiden Und Den Abschluss Der Mitose Aus 1272
17.4.14 Die Trennung Der Schwesterchromatiden Wird Durch Freie Chromosomen Verhindert: Der Spindelaufbau-Kontrollpunkt 1274
17.4.15 Die Chromosomen Trennen Sich in Anaphase A Und Anaphase B 1274
17.4.16 Die Getrennten Chromosomen Werden in Der Telophase in Tochterzellkerne Verpackt 1276
17.5 Cytokinese 1276
17.5.1 Aktin Und Myosin II Des Kontraktilen Rings Lenken Den Vorgang Der Cytokinese 1277
17.5.2 Die Lokale Aktivierung Von RhoA Löst Den Aufbau Und Die Kontraktion Des Kontraktilen Rings Aus 1279
17.5.3 Die Mikrotubuli Der Mitosespindel Bestimmen in Tierzellen Die Teilungsebene 1279
17.5.4 Der Phragmoplast Steuert Die Cytokinese in Höheren Pflanzen 1281
17.5.5 Membranumschlossene Organellen Müssen Während Der Cytokinese Auf Die Tochterzellen Verteilt Werden 1282
17.5.6 Einige Zellen Verlagern Ihre Spindel Zur Asymmetrischen Teilung 1282
17.5.7 Die Mitose Kann Ohne Cytokinese Vorkommen 1283
17.6 Meiose 1284
17.6.1 Die Meiose Umfasst Zwei Runden Der Chromosomentrennung 1285
17.6.2 Duplizierte Homologe Paaren Sich Während Der Prophase Der Meiose 1285
17.6.3 Die Homologenpaarung Gipfelt in Der Bildung Des Synaptonemalen Komplexes 1287
17.6.4 Die Trennung Der Homologen Hängt Von Einigen Einzigartigen Eigenschaften Der Meiose I Ab 1289
17.6.5 Crossing-Over Ist in Hohem Maße Reguliert 1290
17.6.6 Die Meiose Läuft Häufig Schief 1291
17.7 Kontrolle Von Zellteilung Und Zellwachstum 1292
17.7.1 Mitogene Regen Die Zellteilung an 1293
17.7.2 Zellen Können in Einen Spezialisierten Zustand Ohne Teilung Eintreten 1293
17.7.3 Mitogene Stimulieren Die Aktivitäten Von G1-Cdk Und G1/S-Cdk 1294
17.7.4 Ein DNA-Schaden Blockiert Die Zellteilung 1296
17.7.5 Humane Zellen Haben Oft Eine Eingebaute Beschränkung Für Die Anzahl Von Zellteilungen, Die Sie Durchlaufen Können 1298
17.7.6 Zellproliferation Ist Von Zellwachstum Begleitet 1298
17.7.7 Proliferierende Zellen Koordinieren in Der Regel Ihr Wachstum Und Ihre Teilung 1299
Literatur 1300
18 Der Zelltod 1305
18.1 Die Apoptose Beseitigt Unerwünschte Zellen 1306
18.2 Die Apoptose Hängt Von Einer Intrazellulären Proteolytischen Kaskade Ab 1307
18.3 Die Aktivierung Von Todesrezeptoren Setzt Den Extrinsischen Apoptoseweg in Gang 1309
18.4 Der Intrinsische Weg Der Apoptose Hängt Von Mitochondrienproteinen Ab 1311
18.5 Bcl2-Proteine Kontrollieren Den Intrinischen Weg Der Apoptose 1313
18.6 IAP Und Anti-IAPs Kontrollieren Die Caspasenaktivierung 1315
18.7 Extrazelluläre Überlebensfaktoren Hemmen Die Apoptose 1316
18.8 Gesunde Nachbarn Phagocytieren Und Verdauen Apoptotische Zellen 1318
18.9 Überschießende Oder Unzureichende Apoptose Kann Zu Krankheiten Führen 1319
Literatur 1321
Teil V Zellen in Ihrem Sozialen Umfeld 1323
19 Zellverbindungen Und Die Extrazelluläre Matrix 1323
19.1 Zell–Zell-Verbindungen 1326
19.1.1 Cadherine Bilden Eine Vielfältige Familie Von Adhäsionsmolekülen 1326
19.1.2 Cadherine Vermitteln Homophile Adhäsion 1327
19.1.3 Cadherinabhängige Zell–Zell-Adhäsionen Steuern Die Organisation Sich Entwickelnder Gewebe 1329
19.1.4 Der Aufbau Von Starken Zell–Zell-Adhäsionsverbindungen Erfordert Veränderungen Im Aktincytoskelett 1331
19.1.5 Klassische Cadherine Sind Über Catenine Mit Dem Aktincytoskelett Verknüpft 1332
19.1.6 Adhärente Verbindungen Antworten Auf Von Innerhalb Und Außerhalb Des Gewebes Verursachte Kräfte 1333
19.1.7 Gewebeumordnungen Hängen Von Der Koordination Der Aktinvermittelten Kontraktion Mit Der Zell–Zell-Adhäsion Ab 1334
19.1.8 Desmosomen Verleihen Epithelien Mechanische Festigkeit 1336
19.1.9 Tight Junctions Bilden Eine Abdichtung Zwischen Zellen Und Eine Barriere Zwischen Membrandomänen 1337
19.1.10 Tight Junctions Enthalten Stränge Von Transmembran-Adhäsionsproteinen 1339
19.1.11 Gerüstproteine Organisieren Verbindungsproteinkomplexe 1341
19.1.12 Gap Junctions Koppeln Zellen Sowohl Elektrisch Als Auch Metabolisch 1342
19.1.13 Das Connexon in Gap Junctions Besteht Aus Sechs Transmembranen Connexin-Untereinheiten 1343
19.1.14 Plasmodesmata Übernehmen in Pflanzen Viele Der Funktionen Von Gap Junctions 1345
19.1.15 Selektine Vermitteln Vorübergehende Zell–Zell-Adhäsionen Im Blutkreislauf 1345
19.1.16 Die Ca2+-Unabhängige Zell–Zell-Adhäsion Wird Von Proteinen Der Immunglobulin-Superfamilie Vermittelt 1347
19.2 Die Extrazelluläre Matrix Bei Tieren 1350
19.2.1 Die Extrazelluläre Matrix Wird Von Den in Ihr Liegenden Zellen Synthetisiert Und Ausgerichtet 1350
19.2.2 Glykosaminoglykanketten Sind Voluminös Und Bilden Hydratisierte Gele 1351
19.2.3 Hyaluronan Wirkt Als Füllmasse Bei Der Morphogenese Und Reparatur Von Geweben 1352
19.2.4 Proteoglykane Bestehen Aus GAG-Ketten, Die Kovalent an Einen Proteinkern Gebunden Sind 1353
19.2.5 Kollagene Sind Die Hauptproteine Der Extrazellulären Matrix 1355
19.2.6 Kollagenketten Durchlaufen Eine Reihe Von Posttranslationalen Modifikationen 1356
19.2.7 Sezernierte, Fibrillenassoziierte Kollagene Helfen Bei Der Organisation Der Fibrillen 1358
19.2.8 Elastin Verleiht Den Geweben Ihre Elastizität 1359
19.2.9 Zellen Steuern Und Antworten Auf Mechanische Eigenschaften Der Matrix 1361
19.2.10 Fibronektin Und Andere Viele Domänen Enthaltende Glykoproteine Helfen Bei Der Organisation Der Matrix 1362
19.2.11 Fibronektin Bindet an Integrine 1363
19.2.12 Die Von Zellen Ausgeübte Zugkraft Reguliert Den Aufbau Von Fibronektinfibrillen 1364
19.2.13 Die Basallamina Ist Eine Spezielle Form Der Extrazellulären Matrix 1365
19.2.14 Laminin Und Typ-IV-Kollagen Sind Hauptbestandteile Der Basallamina 1366
19.2.15 Basalmembranen Üben Unterschiedliche Funktionen Aus 1368
19.2.16 Zellen Müssen Matrix Sowohl Abbauen Als Auch Bilden Können 1369
19.2.17 Matrix-Proteoglykane Und -Glykoproteine Kontrollieren Die Aktivitäten Sezernierter Proteine 1370
19.3 Zell–Matrix-Verbindungen 1372
19.3.1 Integrine Sind Transmembrane Heterodimere, Die Die Extrazelluläre Matrix Mit Dem Cytoskelett Verbinden 1372
19.3.2 Integrindefekte Sind Für Viele Verschiedene Erbkrankheiten Verantwortlich 1374
19.3.3 Integrine Können Zwischen Einer Aktiven Und Einer Inaktiven Konformation Umschalten 1375
19.3.4 Integrine Lagern Sich Zusammen, Um Feste Adhäsionen Zu Bilden 1377
19.3.5 Verbindungen Mit Der Extrazellulären Matrix Wirken Über Integrine, Um Die Zellproliferation Und Das Zellüberleben Zu Kontrollieren 1378
19.3.6 Integrine Rekrutieren Intrazelluläre Signalproteine an Zell–Substrat-Adhäsionsstellen 1378
19.3.7 Zell–Matrix-Verbindungen Reagieren Auf Mechanische Kräfte 1379
19.4 Die Pflanzenzellwand 1381
19.4.1 Die Zusammensetzung Der Zellwand Hängt Vom Zelltyp Ab 1381
19.4.2 Die Zugfestigkeit Der Zellwand Erlaubt Es Pflanzenzellen, Einen Turgordruck Aufzubauen 1382
19.4.3 Die Primärwand Besteht Aus Zellulose-Mikrofibrillen, Die Mit Einem Geflecht Aus Pektin-Polysacchariden Verwoben Sind 1383
19.4.4 Gerichtete Zellwandablagerung Kontrolliert Das Pflanzenzellwachstum 1384
19.4.5 Mikrotubuli Bestimmen Die Ausrichtung Beim Aufbau Der Zellwand 1386
Literatur 1387
20 Krebs 1391
20.1 Krebs Als Mikro-Evolutionsprozess 1391
20.1.1 Krebszellen Umgehen Die Normale Proliferationskontrolle Und Besiedeln Andere Gewebe 1392
20.1.2 Die Meisten Tumoren Stammen Von Einer Einzigen Anormalen Zelle Ab 1394
20.1.3 Krebszellen Enthalten Somatische Mutationen 1395
20.1.4 Eine Einzige Mutation Reicht Nicht Aus, Um Eine Normale Zelle in Eine Krebszelle Umzuwandeln 1395
20.1.5 Viele Krebserkrankungen Entwickeln Sich Nach Und Nach Durch Aufeinanderfolgende Runden Von Zufällig Geerbten Veränderungen, Denen Eine Natürliche Auslese Folgt 1396
20.1.6 Krebs Kann Sich Aufgrund Genetischer Instabilität Plötzlich Entwickeln 1397
20.1.7 Einige Tumore Beherbergen Eine Kleine Population Von Stammzellen 1399
20.1.8 Ein Gemeinsamer Satz Von Markenzeichen Charakterisiert Typischerweise Krebsartiges Wachstum 1401
20.1.9 Krebszellen Besitzen Eine Veränderte Wachstums- Und Homöostasekontrolle 1402
20.1.10 Humane Krebszellen Umgehen Die in Zellen Eingebaute Vermehrungsgrenze 1404
20.1.11 Krebszellen Besitzen Die Anormale Fähigkeit, Todessignale Zu Überleben 1404
20.1.12 Krebszellen Besitzen Einen Veränderten Zuckermetabolismus 1405
20.1.13 Die Mikroumgebung Des Tumors Beeinflusst Die Krebsentwicklung 1406
20.1.14 Krebszellen Müssen in Einer Fremden Umgebung Überleben Und Sich Vermehren 1407
20.2 Krebskritische Gene: Wie Man Sie Findet Und Was Sie Tun 1409
20.2.1 Für Die Identifizierung Von Funktionsgewinn- Und Funktionsverlust-Krebsmutationen Wurden Traditionell Unterschiedliche Methoden Verwendet 1410
20.2.2 Retroviren Führten Zur Identifizierung Von Onkogenen 1411
20.2.3 Gene, Die Bei Krebs Mutiert Sind, Können Auf Vielen Wegen Überaktiviert Werden 1412
20.2.4 Die Untersuchung Seltener Erblicher Krebssyndrome Führte Erstmals Zur Identifizierung Von Tumorsuppressorgenen 1414
20.2.5 Sowohl Genetische Als Auch Epigenetische Mechanismen Können Tumorsuppressorgene Inaktivieren 1415
20.2.6 Die Systematische Sequenzierung Von Krebszellgenomen Hat Unser Verständnis Von Krebs Verändert 1416
20.2.7 Viele Krebsarten Besitzen Ein Außergewöhnlich Zerstückeltes Genom 1417
20.2.8 Zu Den Meisten Tumoren Tragen Epigenetische Veränderungen Und Chromatinveränderungen Bei 1418
20.2.9 Hunderte Von Menschlichen Genen Tragen Zu Krebs Bei 1419
20.2.10 Störungen in Einer Handvoll Entscheidender Stoffwechselwege Sind Vielen Krebsarten Gemein 1420
20.2.11 Mutationen Innerhalb Des PI 3-Kinase/Akt/mTOR-Signalwegs Steuern Krebszellen in Richtung Wachstum 1422
20.2.12 Mutationen Im P53-Weg Ermöglichen Es Krebszellen, Trotz Stress Und DNA-Schädigung Zu Überleben Und Sich Zu Vermehren 1423
20.2.13 Studien Mit Mäusen Helfen, Die Funktionen Krebskritischer Gene Zu Bestimmen 1424
20.2.14 Krebs Wird Immer Heterogener, Während Er Fortschreitet 1426
20.2.15 Dickdarmkrebs Entsteht Langsam, in Einer Abfolge Erkennbarer Strukturveränderungen 1427
20.2.16 Die Mehrzahl Der Dickdarmkrebsfälle Weist Einige Wenige, Aber Entscheidende Genetische Schäden Auf 1428
20.2.17 Einige Fälle Von Dickdarmkrebs Zeigen Störungen in Der Reparatur Von DNA-Fehlpaarungen 1430
20.2.18 Die Schritte Der Tumorprogression Können Mit Spezifischen Mutationen Korreliert Werden 1431
20.2.19 Die Veränderungen in Tumorzellen, Die Zur Metastasenbildung Führen, Geben Größtenteils Immer Noch Rätsel Auf 1432
20.3 Behandlung Von Krebs Und Krebsvorsorge: Heute Und in Zukunft 1433
20.3.1 Die Epidemiologie Zeigt, Dass Viele Arten Von Krebs Vermeidbar Sind 1434
20.3.2 Empfindliche Untersuchungsmethoden Können Krebserregende Agenzien, Die Die DNA Schädigen, Ausfindig Machen 1435
20.3.3 Die Hälfte Der Krebsfälle Könnten Durch Einen Veränderten Lebensstil Verhindert Werden 1436
20.3.4 Viren Und Andere Infektionen Tragen Signifikant Zu Krebserkrankungen Beim Menschen Bei 1437
20.3.5 Impfung Gegen Das Humane Papillomavirus Kann Gebärmutterhalskrebs Vorbeugen 1438
20.3.6 Infektionserreger Können Auf Unterschiedliche Art Und Weise Krebs Verursachen 1439
20.3.7 Die Suche Nach Heilungsmethoden Für Krebs Ist Schwierig, Aber Nicht Aussichtslos 1440
20.3.8 Traditionelle Therapien Nutzen Den Verlust Von Zellzyklus-Kontrollpunkt-Reaktionen Und Die Genetische Instabilität Der Krebszellen 1440
20.3.9 Neue Medikamente Können Krebszellen Selektiv Abtöten, Indem Sie an Spezifischen Mutationen Ansetzen 1441
20.3.10 PARP-Inhibitoren Töten Krebszellen, Die Defekte in Brca1- Oder Brca2-Genen Besitzen 1442
20.3.11 Man Kann Arzneistoffmoleküle Entwerfen, Die Spezifische Onkogene Proteine Hemmen 1444
20.3.12 Viele Krebsarten Könnten Durch Steigerung Der Immunabwehr Behandelbar Sein 1447
20.3.13 Immunsuppression Ist Die Haupthürde Bei Der Krebsimmuntherapie 1448
20.3.14 Tumoren Entwickeln Resistenz Gegenüber Therapien 1450
20.3.15 Inzwischen Haben Wir Möglichkeiten, Um Für Das Jeweilige Individuum Maßgeschneiderte Kombinationstherapien Zu Entwerfen 1451
Literatur 1452
21 Die Entwicklung Vielzelliger Organismen 1455
21.1 Überblick Über Die Entwicklung 1457
21.1.1 Konservierte Mechanismen Etablieren Die Kerngewebe Von Tieren 1457
21.1.2 Das Entwicklungspotenzial Von Zellen Wird Mehr Und Mehr Eingeschränkt 1458
21.1.3 Das Zellgedächtnis Liegt Den Entscheidungen, Die Eine Zelle Trifft, Zugrunde 1459
21.1.4 Verschiedene Modellorganismen Waren Entscheidend Für Das Verständnis Von Entwicklungsprozessen 1459
21.1.5 Regulatorische DNA Scheint Weitgehend Für Die Unterschiede Zwischen Den Verschiedenen Tierarten Verantwortlich Zu Sein 1460
21.1.6 Wenige Konservierte Zell–Zell-Signalwege Koordinieren Die Räumliche Strukturierung 1460
21.1.7 Durch Kombinatorische Kontrolle Und Zellgedächtnis Können Einfache Signale Komplexe Muster Bilden 1461
21.1.8 Morphogene Sind Induktive Signale, Die Diffundieren Können Und Graduelle Effekte Hervorrufen 1462
21.1.9 Durch Laterale Hemmung Können Muster Unterschiedlicher Zelltypen Entstehen 1463
21.1.10 Asymmetrische Zellteilung Kann Ebenfalls Zu Diversität Führen 1464
21.1.11 Anfangsmuster Werden in Kleinen Zellgruppen Angelegt Und Durch Aufeinanderfolgende Induktionsereignisse Im Verlauf Des Embryowachstums Verfeinert 1465
21.1.12 Die Entwicklungsbiologie Liefert Erkenntnisse Über Krankheiten Und Gewebeerhalt 1465
21.2 Mechanismen Der Musterbildung 1467
21.2.1 Verschiedene Tiere Nutzen Unterschiedliche Mechanismen, Um Ihre Primären Polarisationsachsen Einzurichten 1467
21.2.2 Untersuchungen an Drosophila Haben Die Genetischen Kontrollmechanismen, Die Der Entwicklung Zugrunde Liegen, Enthüllt 1469
21.2.3 Im Ei Abgelagerte Genprodukte Richten Die Achsen Des Frühen Drosophila-Embryos Ein 1470
21.2.4 Drei Gruppen Von Genen Kontrollieren Die Segmentierung Von Drosophila Entlang Der A-P-Achse 1470
21.2.5 Eine Hierarchie Von Genregulatorischen Wechselwirkungen Untergliedert Den Drosophila-Embryo 1472
21.2.6 Ei-Polaritäts-, Lücken- Und Paarregel-Gene Schaffen Ein Transientes Muster, an Das Sich Segmentpolaritätsgene Und Hox-Gene Erinnern 1474
21.2.7 Hox-Gene Legen Das Muster Der A-P-Achse Dauerhaft Fest 1475
21.2.8 Hox-Proteine Verleihen Jedem Segment Seine Individualität 1476
21.2.9 Die Hox-Gene Werden Gemäß Ihrer Anordnung Im Hox-Komplex Exprimiert 1477
21.2.10 Trithorax- Und Polycomb-Gruppen-Proteine Regulieren Die Hox-Expression Für Eine Dauerhafte Aufzeichnung Von Positionsinformationen 1478
21.2.11 Die D-V-Signalgene Bilden Einen Gradienten Des Transkriptionsregulators Dorsal 1479
21.2.12 Eine Hierarchie Induktiver Wechselwirkungen Untergliedert Den Wirbeltierembryo 1480
21.2.13 Ein Wettstreit Zwischen Sezernierten Signalproteinen Strukturiert Die Wirbeltierembryo-Achsen 1482
21.2.14 Hox-Gene Kontrollieren Bei Wirbeltieren Die A-P-Achse 1483
21.2.15 Einige Transkriptionsregulatoren Können Ein Programm Aktivieren, Das Einen Zelltyp Definiert Oder Ein Komplettes Organ Bildet 1485
21.2.16 Notch-Vermittelte Laterale Hemmung Verfeinert Zelluläre Muster 1486
21.2.17 Zellschicksalsdeterminanten Können Asymmetrisch Vererbt Werden 1488
21.2.18 Die Evolution Von Regulatorischer DNA Erklärt Viele Morphologische Unterschiede 1489
21.3 Zeitliche Steuerung Der Entwicklung 1492
21.3.1 Die Lebenszeit Von Molekülen Spielt Eine Wichtige Rolle Bei Der Zeitlichen Steuerung Der Entwicklung 1493
21.3.2 Ein Genexpressionsoszillator Fungiert Als Zeitgeber Bei Der Kontrolle Der Segmentierung Bei Wirbeltieren 1494
21.3.3 Intrinsische Zeiteinteilungsmechanismen Können Zu Unterschiedlichen Zellschicksalen Führen 1496
21.3.4 Zellen Zählen Selten Die Zellteilungen, Um Ihre Entwicklung Zeitlich Zu Steuern 1497
21.3.5 MicroRNAs Können Entwicklungsübergänge Regulieren 1498
21.3.6 Die Größenverhältnisse Zwischen Zelle Und Zellkern Steuern Den Beginn Der Genexpression Der Zygote 1500
21.3.7 Hormonelle Signale Koordinieren Den Zeitlichen Ablauf Von Entwicklungsübergängen 1501
21.3.8 Signale Aus Der Umwelt Bestimmen Den Zeitpunkt Der Blütenbildung 1502
21.4 Morphogenese 1504
21.4.1 Ein Auf Die Zellen Wirkendes Ungleichgewicht Physikalischer Kräfte Steuert Die Morphogenese 1505
21.4.2 Spannung Und Adhäsion Bestimmen Die Zellanordnung Innerhalb Von Epithelschichten 1505
21.4.3 Sich Verändernde Muster Von Zelladhäsionsmolekülen Zwingen Zellen in Neue Anordnungen 1506
21.4.4 Abstoßende Wechselwirkungen Helfen, Gewebegrenzen Aufrechtzuerhalten 1506
21.4.5 Gruppen Von Ähnlichen Zellen Können Dramatische Kollektive Umgestaltungen Vollführen 1507
21.4.6 Planare Zellpolarität Richtet Das Zellverhalten Innerhalb Eines Embryos Aus 1509
21.4.7 Ein Epithel Kann Sich Während Der Entwicklung Zu Einer Röhre Verbiegen 1510
21.4.8 Durch Wechselwirkungen Zwischen Epithel Und Mesenchym Entstehen Sich Verzweigende, Tubuläre Strukturen 1511
21.4.9 Die Extrazelluläre Matrix Beeinflusst Ebenfalls Die Gewebeform 1513
21.4.10 Die Zellwanderung Wird Durch Signale Aus Der Umgebung Gesteuert 1514
21.4.11 Die Verteilung Der Wandernden Zellen Hängt Von Überlebensfaktoren Ab 1516
21.4.12 Um Großflächige Morphogenetische Bewegungen Zu Bewirken, Wandern Zellen in Gruppen 1516
21.5 Wachstum 1518
21.5.1 Proliferation, Tod Und Größe Der Zellen Bestimmen Die Größe Der Organe Und Des Organismus 1519
21.5.2 Veränderungen Der Zellgröße Kommen Gewöhnlich Durch Modifizierte Zellzyklen Zustande 1520
21.5.3 Tiere Und Organe Können Die Gesamtzellmasse Erfassen Und Regulieren 1521
21.5.4 Verschiedene Extrazelluläre Signale Stimulieren Oder Hemmen Das Wachstum 1522
21.5.5 Der Hippo-Signalweg Schaltet Mechanische Signale Zur Regulierung Des Wachstums 1524
21.5.6 Hormone Koordinieren Das Wachstum Im Gesamten Körper 1524
21.5.7 Die Wachstumsdauer Beeinflusst Die Größe Des Organismus 1525
Literatur 1526
22 Stammzellen Bei Der Gewebehomöostase Und Gewebeerneuerung 1529
22.1 Stammzellen Und Die Gewebehomöostase 1530
22.1.1 Charakteristisch Für Stammzellen Ist Die Fähigkeit, Sich Selbst Zu Erneuern Und Differenzierte Zellen Zu Generieren 1531
22.1.2 Die Epithel-Auskleidung Des Dünndarms Wird Durch Zellproliferation in Den Krypten Kontinuierlich Erneuert 1532
22.1.3 Das Stammzellsystem Der Epidermis Hält Eine Selbsterneuernde, Wasserdichte Epithelbarriere Auf Der Körperoberfläche Aufrecht 1533
22.1.4 Die Verfolgung Der Zellabstammung Offenbart Die Lokalisierung Der Stammzellen Und Ihrer Nachkommen 1535
22.1.5 Ruhende Stammzellen Sind Nur Schwer Durch Cell Lineage Tracing Zu Identifizieren 1535
22.1.6 Hämatopoetische Stammzellen Können Durch Transplantation Identifiziert Werden 1537
22.1.7 Einige Gewebe Benötigen Keine Stammzellen Für Ihre Erhaltung 1540
22.1.8 Als Reaktion Auf Eine Verletzung Können Sich Einige Differenzierte Zellen in Vorläuferzellen Und Einige Vorläuferzellen in Stammzellen Zurückverwandeln 1541
22.1.9 Einige Gewebe Besitzen Keine Stammzellen Und Sind Nicht Erneuerbar 1542
22.2 Kontrolle Des Zellschicksals Und Der Selbsterneuerung Von Stammzellen 1543
22.2.1 Die Stammzellnische Hält Die Stammzellen-Selbsterneuerung Aufrecht 1543
22.2.2 Die Größe Der Stammzellnische Kann Die Anzahl Der Stammzellen Bestimmen 1545
22.2.3 Asymmetrische Stammzellteilung Kann Die Stammzellenanzahl Aufrechterhalten 1546
22.2.4 Bei Vielen Symmetrischen Stammzellteilungen Wählen Die Tochterzellen Ihre Schicksale Unabhängig Und Zufällig 1547
22.2.5 Eine Abnahme Der Stammzellfunktion Trägt Zur Gewebealterung Bei 1548
22.3 Erneuerung Und Reparatur 1550
22.3.1 Planarien Besitzen Stammzellen, Die Einen Kompletten Körper Nachbilden Können 1550
22.3.2 Einige Vertebraten Können Ganze Gliedmaßen Und Organe Ersetzen 1552
22.3.3 Stammzellen Können Klinisch Verwendet Werden, Um Verlorene Hämatopoetische Zellen Oder Hautzellen Zu Ersetzen 1553
22.3.4 Neurale Stammzellen Können in Kultur Manipuliert Und Zur Neubesiedlung Eines Krankhaften Zentralnervensystems Eingesetzt Werden 1553
22.4 Zell-Reprogrammierung Und Pluripotente Stammzellen 1555
22.4.1 Zellkerne Können Durch Transplantation in Fremdes Cytoplasma Umprogrammiert Werden 1555
22.4.2 Umprogrammierung Eines Transplantierten Zellkerns Erfordert Drastische Chromatinveränderungen 1556
22.4.3 Embryonale Stammzellen (ES-Zellen) Können Zur Herstellung Von Beliebigen Körperteilen Verwendet Werden 1557
22.4.4 Eine Gruppe Von Transkriptionsregulatoren Definiert Und Erhält Den ES-Zellstatus 1558
22.4.5 Fibroblasten Können Zu Induzierten Pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) Umprogrammiert Werden 1559
22.4.6 Zur Umprogrammierung Gehört Eine Massive Umgestaltung Des Genkontrollsystems 1559
22.4.7 Experimentelle Manipulation Von Faktoren, Die Chromatin Modifizieren, Kann Die Effizienz Der Umprogrammierung Steigern 1561
22.4.8 ES-Zellen Und IPS-Zellen Können So Gesteuert Werden, Dass Sie Spezifische Adulte Zelltypen Und Sogar Organoide Bilden 1562
22.4.9 Zellen Eines Spezialisierten Typs Können Dazu Gezwungen Werden, Direkt Zu Zellen Eines Anderen Typs Zu Transdifferenzieren 1563
22.4.10 ES-Zellen Und IPS-Zellen Sind Ebenfalls Nützlich Für Die Entdeckung Von Arzneimitteln Und Für Die Analyse Von Krankheiten 1564
Literatur 1566
23 Krankheitserreger Und Infektion 1569
23.1 Einführung in Die Krankheitserreger 1570
23.1.1 Viren, Bakterien Und Eukaryoten Können Krankheitserreger Sein 1570
23.1.2 Pathogene Erreger Treten Auf Verschiedene Arten Mit Ihren Wirten in Wechselwirkung 1571
23.1.3 Bakterien Sind Vielfältig Und Besetzen Außerordentlich Viele Ökologische Nischen 1572
23.1.4 Pathogene Bakterien Besitzen Spezialisierte Virulenzgene 1574
23.1.5 Bakterielle Virulenzgene Codieren Für Toxine Und Für Sekretionssysteme, Um Die Effektorproteine Zu Den Wirtszellen Zu Befördern 1576
23.1.6 Pilze Und Parasitische Protozoen Haben Komplexe Lebenszyklen Mit Unterschiedlichen Erscheinungsformen 1578
23.1.7 Alle Aspekte Der Virenvermehrung Hängen Von Der Maschinerie Der Wirtszelle Ab 1579
23.2 Zellbiologie Der Infektion Mit Krankheitserregern 1583
23.2.1 Pathogene Durchbrechen Epithelbarrieren, Um Den Wirt Zu Infizieren 1584
23.2.2 Pathogene, Die Epithelien Besiedeln, Müssen Deren Schutzmechanismen Überwinden 1585
23.2.3 Extrazelluläre Pathogene Erreger Verwenden Toxine Und Kontaktabhängige Sekretionssysteme, Um Wirtszellen Zu Stören, Ohne in Sie Einzudringen 1586
23.2.4 Intrazelluläre Pathogene Besitzen Mechanismen, Um in Wirtszellen Einzudringen Und Sie Wieder Zu Verlassen 1587
23.2.5 Viruspartikel Binden an Virusrezeptoren Auf Der Oberfläche Der Wirtszelle 1588
23.2.6 Viren Dringen Durch Membranfusion, Porenbildung Oder Membranbeschädigung in Wirtszellen Ein 1589
23.2.7 Bakterien Dringen Über Phagocytose in Wirtszellen Ein 1591
23.2.8 Intrazelluläre Eukaryotische Parasiten Dringen Aktiv in Wirtszellen Ein 1591
23.2.9 Einige Intrazelluläre Pathogene Erreger Entkommen Aus Dem Phagosom Ins Cytosol 1593
23.2.10 Viele Pathogene Organismen Verändern Den Membrantransport in Der Wirtszelle, Um Zu Überleben Und Sich Zu Vermehren 1594
23.2.11 Bakterien Und Viren Verwenden Das Cytoskelett Der Wirtszelle, Um Sich Intrazellulär Fortzubewegen 1596
23.2.12 Viele Mikroben Manipulieren Die Autophagie 1599
23.2.13 Viren Können Den Stoffwechsel Ihrer Wirtszelle Ausnutzen 1601
23.2.14 Die Evolution Von Krankheitserregern Kann Über Antigenvariation Sehr Schnell Verlaufen 1602
23.2.15 Fehleranfällige Replikationsmechanismen Dominieren Die Virale Evolution 1603
23.2.16 Arzneimittelresistente Erreger Stellen Ein Immer Größeres Problem Dar 1606
23.3 Die Menschliche Mikrobiota 1608
23.3.1 Die Menschliche Mikrobiota Ist Ein Komplexes Ökosystem 1608
23.3.2 Die Mikrobiota Beeinflusst Unsere Entwicklung Und Gesundheit 1609
Literatur 1611
24 Angeborene Und Adaptive Immunsysteme 1615
24.1 Das Angeborene Immunsystem 1616
24.1.1 Epitheloberflächen Dienen Als Barrieren Gegen Eine Infektion 1616
24.1.2 Mustererkennungsrezeptoren Erkennen Konservierte Merkmale Von Krankheitserregern 1617
24.1.3 Es Gibt Viele PRR-Klassen 1618
24.1.4 Aktivierte PRRs Lösen Eine Entzündungsreaktion Am Ort Der Infektion Aus 1619
24.1.5 Phagocytierende Zellen Suchen, Fressen Und Vernichten Krankheitserreger 1621
24.1.6 Die Komplementaktivierung Führt Zur Phagocytose Oder Lyse Von Pathogenen 1622
24.1.7 Virusinfizierte Zellen Ergreifen Drastische Maßnahmen, Um Die Virusvermehrung Zu Verhindern 1624
24.1.8 Natürliche Killerzellen Veranlassen Virusinfizierte Zellen Dazu, Sich Selbst Zu Töten 1624
24.1.9 Dendritische Zellen Stellen Die Verbindung Her Zwischen Dem Angeborenen Und Dem Adaptiven Immunsystem 1626
24.2 Überblick Über Das Adaptive Immunsystem 1628
24.2.1 B-Zellen Entwickeln Sich Im Knochenmark, T-Zellen Im Thymus 1629
24.2.2 Das Immunologische Gedächtnis Hängt Sowohl Von Klonaler Expansion Als Auch Von Der Lymphocytendifferenzierung Ab 1631
24.2.3 Die Meisten B- Und T-Zellen Patrouillieren Ständig Durch Die Peripheren Lymphatischen Organe 1633
24.2.4 Immunologische Selbst-Toleranz Gewährleistet, Dass Gesunde Wirtszellen Und -Moleküle Von B- Und T-Zellen Nicht Angegriffen Werden 1634
24.3 B-Zellen Und Immunglobuline 1638
24.3.1 B-Zellen Produzieren Immunglobuline (Igs) Als Zelloberflächenrezeptoren Und Als Sezernierte Antikörper 1638
24.3.2 Säugetiere Bilden Fünf Klassen Von Immunglobulinen 1639
24.3.3 Leichte Und Schwere Ketten Von Antikörpern Bestehen Aus Konstanten Und Variablen Regionen 1641
24.3.4 Ig-Gene Werden Im Laufe Der B-Zell-Entwicklung Aus Getrennten Gensegmenten Zusammengesetzt 1642
24.3.5 Antigengesteuerte, Somatische Hypermutation Sorgt Für Die Feinabstimmung Der Antikörper-Antwort 1645
24.3.6 B-Zellen Können Die Immunglobulinklasse, Die Sie Exprimieren, Wechseln 1646
24.4 T-Zellen Und MHC-Proteine 1649
24.4.1 T-Zell-Rezeptoren (TCRs) Sind Ig-Ähnliche Heterodimere 1650
24.4.2 Aktivierte Dendritische Zellen Aktivieren Immunkompetente T-Zellen 1651
24.4.3 T-Zellen Erkennen an MHC-Proteine Gebundene Fremd-Peptide 1652
24.4.4 MHC-Proteine Sind Die Am Stärksten Polymorphen Humanen Proteine, Die Bekannt Sind 1656
24.4.5 CD4- Und CD8-Korezeptoren Auf T-Zellen Binden an Nichtvariable Teile Der MHC-Proteine 1657
24.4.6 Thymocyten Durchlaufen Während Der Entwicklung Eine Negative Und Positive Selektion 1658
24.4.7 Cytotoxische T-Zellen Veranlassen Infizierte Zielzellen Dazu, Sich Selbst Zu Töten 1660
24.4.8 Effektor-Helfer-T-Zellen Helfen, Andere Zellen Des Angeborenen Und Des Adaptiven Immunsystems Zu Aktivieren 1661
24.4.9 Naive Helfer-T-Zellen Können Zu Verschiedenen Typen Von Effektor-T-Zellen Differenzieren 1662
24.4.10 Für Die Aktivierung Von T- Und B-Zellen Sind Viele Extrazelluläre Signale Nötig 1664
24.4.11 Viele Zelloberflächenproteine Gehören Zur Ig-Superfamilie 1665
24.4.12 Die Impfung Gegen Pathogene War Der Größte Beitrag Der Immunologie Zur Menschlichen Gesundheit 1666
Literatur 1672
Glossar 1675
Register 1731
EULA 1765