Wiley-VCH - Books | Life Sciences | Molecular Biology | Molekularbiologie der Zelle

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	Ausführliches Inhaltsverzeichnis


Teil I	Einführung in die Zelle

1	Zellen und Genome	3
1.1	Die allgemeinen Merkmale von Zellen auf der Erde	3
1.1.1	Alle Zellen speichern ihre Erbinformation im gleichen linearen chemischen Code (DNA)	4
1.1.2	Alle Zellen replizieren ihre Erbinformation durch Matrizen gesteuerte Polymerisation	5
1.1.3	Alle Zellen transkribieren Teile ihrer Erbinformation in die gleiche Zwischenform (RNA)	7
1.1.4	Alle Zellen verwenden Proteine als Katalysatoren	8
1.1.5	Alle Zellen übersetzen RNA auf die gleiche Weise in Protein	9
1.1.6	Ein Gen ist ein Stück der genetischen Information, das einem Protein entspricht	10
1.1.7	Leben braucht Freie Energie	11
1.1.8	Alle Zellen arbeiten als biochemische Fabriken, die die gleichen Grundbausteine handhaben	12
1.1.9	Alle Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben, durch die Nährstoffe und Abfallstoffe hindurch passieren müssen	13
1.1.10	Eine lebende Zelle kann mit weniger als 500 Genen auskommen	14
	Zusammenfassung	14
1.2	Die Vielfalt der Genome und der Stammbaum des Lebens	15
1.2.1	Zellen können durch verschiedene Quellen Freier Energie angetrieben werden	16
1.2.2	Manche Zellen fixieren für andere Stickstoff und Kohlendioxid	17
1.2.3	Die größte biochemische Diversität findet man bei Prokaryotenzellen	18
1.2.4	Der Stammbaum des Lebens hat drei Hauptäste: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten	19
1.2.5	Manche Gene haben sich schnell evolviert, andere sind hoch konserviert	21
1.2.6	Die meisten Bakterien und Archaeen besitzen 1000 bis 4000 Gene	22
1.2.7	Neue Gene werden aus bereits vorhandenen Genen erzeugt	23
1.2.8	Genverdoppelung lässt Familien verwandter Gene in einer einzigen Zelle entstehen	24
1.2.9	Gene können zwischen Organismen übertragen werden -- sowohl in der Natur als auch im Laboratorium	26
1.2.10	Horizontaler Austausch von genetischer Information innerhalb einer Spezies geschieht durch Geschlechtsvorgänge	26
1.2.11	Die Funktion eines Gens lässt sich oft aus seiner Sequenz ableiten	27
1.2.12	Mehr als 200 Genfamilien sind allen drei Hauptästen im Stammbaum des Lebens gemein	28
1.2.13	Mutationen decken die Funktionen von Genen auf	29
1.2.14	Molekularbiologen haben sich eingehend mit E. coli beschäftigt	30
	Zusammenfassung	31
1.3	Genetische Information bei Eukaryoten	31
1.3.1	Eukaryotenzellen könnten als Räuber entstanden sein	32
1.3.2	Eukaryotenzellen evoluierten durch eine Symbiose	33
1.3.3	Eukaryoten haben zusammengesetzte Genome	36
1.3.4	Eukaryoten-Genome sind groß	36
1.3.5	Eukaryoten-Genome enthalten viel Kontroll-DNA	37
1.3.6	Das Genom definiert das Programm der ontogenetischen Entwicklung eines Vielzellers	37
1.3.7	Viele Eukaryoten leben als Einzelzellen: Die Protisten	39
1.3.8	Eine Hefe dient als Minimalmodell-Eukaryot	40
1.3.9	Die Expressionsstärke aller Gene eines Organismus kann gleichzeitig gemessen werden	41
1.3.10	Arabidopsis wurde aus 300.000 Spezies als Modellpflanze ausgewählt	41
1.3.11	Die Welt der Tierzellen wird durch einen Wurm, eine Fliege, eine Maus und den Menschen repräsentiert	43
1.3.12	Untersuchungen an Drosophila liefern einen Schlüssel zur Wirbeltier-Ontogenese	44
1.3.13	Das Vertebraten-Genom ist ein Produkt wiederholter Duplikationen	45
1.3.14	Genetische Redundanz ist ein Problem für Genetiker, aber sie gibt evoluierenden Organismen Entwicklungsmöglichkeiten	46
1.3.15	Die Maus dient als Modell für Säugetiere	46
1.3.16	Menschen melden ihre eigenen Eigenheiten	48
1.3.17	Wir alle unterscheiden uns in Einzelheiten	49
	Zusammenfassung	49
	Literatur	50

2	Zellchemie und Biosynthese	53

2.1	Die chemischen Bestandteile einer Zelle	53
2.1.1	Zellen bestehen aus einigen wenigen Atom-Arten	54
2.1.2	Die äußersten Elektronen bestimmen, wie Atome miteinander wechselwirken	55
2.1.3	Ionenbindungen entstehen durch Aufnahme oder Abgabe von Elektronen	58
2.1.4	Kovalenzbindungen entstehen, indem sich Atome Elektronen teilen	59
2.1.5	Es gibt verschiedene Typen von Kovalenzbindungen	60
2.1.6	Ein Atom verhält sich oft, als hätte es einen festen Radius	61
2.1.7	Wasser ist die vorherrschende Substanz in Zellen	64
2.1.8	Einige polare Moleküle bilden in Wasser Säuren und Basen	65
2.1.9	Vier Arten nicht kovalenter Wechselwirkungen bringen Moleküle in Zellen zusammen	68
2.1.10	Zellen sind aus Kohlenstoffverbindungen aufgebaut	72
2.1.11	Zellen enthalten vier Hauptfamilien kleiner organischer Moleküle	72
2.1.12	Zucker sind eine Energiequelle für die Zelle und bilden zugleich die Untereinheiten von Polysacchariden	73
2.1.13	Fettsäuren sind die Bestandteile der Zellmembranen	78
2.1.14	Aminosäuren sind die Untereinheiten der Proteine	79
2.1.15	Nucleotide sind die Untereinheiten von DNA und RNA	82
2.1.16	Die Chemie der Zellen wird durch Makromoleküle mit bemerkenswerten Eigenschaften beherrscht	87
2.1.17	Nicht kovalente Bindungen spezifizieren sowohl die genaue Form eines Makromoleküls als auch seine Bindung an andere Moleküle	88
	Zusammenfassung	90
2.2	Katalyse und Energienutzung durch Zellen	90
2.2.1	Der Zellstoffwechsel wird durch Enzyme organisiert	91
2.2.2	Biologische Ordnung wird durch Freisetzen von Wärmeenergie aus Zellen möglich	91
2.2.3	Photosynthetisierende Organismen benutzen Sonnenlicht zur Synthese organischer Moleküle	94
2.2.4	Zellen gewinnen Energie durch die Oxidation organischer Moleküle	96
2.2.5	Bei Oxidation und Reduktion finden Elektronenübertragungen statt	97
2.2.6	Enzyme erniedrigen die Hürden, die chemische Reaktionen überspringen müssen	99
2.2.7	Wie Enzyme ihre Substrate finden: Die Wichtigkeit schneller Diffusion	100
2.2.8	Die Änderung der Freien Energie in einer Reaktion bestimmt, ob sie ablaufen kann	103
2.2.9	Die Konzentration der Reaktionspartner beeinflusst G	103
2.2.10	Bei gekoppelten Reaktionen summieren sich die G^o-Werte	107
2.2.11	Aktivierte Transportermoleküle sind für Biosynthesen wichtig	108
2.2.12	Die Bildung eines aktivierten Transporters ist an eine energetisch günstige Reaktion gekoppelt	109
2.2.13	ATP ist das meistverwendete aktivierte Transportermolekül	110
2.2.14	In ATP gespeicherte Energie wird häufig genutzt, um zwei Moleküle zu verknüpfen	111
2.2.15	NADH und NADPH sind wichtige Elektronentransporter	112
2.2.16	Es gibt viele aktivierte Transportmoleküle in Zellen	115
2.2.17	Die Synthese von Biopolymeren erfordert die Zufuhr von Energie	116
	Zusammenfassung	119
2.3	Wie Zellen Energie aus Nahrung gewinnen	120
2.3.1	Nahrungsmoleküle werden in drei Stufen abgebaut, um ATP zu erzeugen	120
2.3.2	Die Glykolyse ist der zentrale ATP-erzeugende Stoffwechselweg	122
2.3.3	Gärungen gestatten die Synthese von ATP in Abwesenheit von Sauerstoff	126
2.3.4	Die Glykolyse zeigt, wie Enzyme Oxidation und Energiespeicherung koppeln	127
2.3.5	Sowohl Zucker als auch Fette werden in den Mitochondrien zu Acetyl-CoA abgebaut	130
2.3.6	Der Zitronensäurezyklus erzeugt NADH durch Oxidation von Acetylgruppen zu CO₂	132
2.3.7	In den meisten Zellen treibt der Elektronentransport die Synthese des Hauptteils von ATP an	133
2.3.8	Organismen lagern Nahrungsmoleküle in speziellen Speichern	136
2.3.9	Aminosäuren und Nucleotide sind Teil des Stickstoffkreislaufs	139
2.3.10	Viele Biosynthesewege beginnen mit der Glykolyse oder dem Zitronensäurezyklus	139
2.3.11	Der Stoffwechsel ist geordnet und geregelt	140
	Zusammenfassung	143
	Literatur	143

3	Proteine	147

3.1	Form und Struktur von Proteinen	147
3.1.1	Die Form eines Proteins wird durch seine Aminosäuresequenz bestimmt	148
3.1.2	Proteine falten sich zur Konformation mit der geringsten Energie	156
3.1.3	Die -Helix und das -Faltblatt sind allgemeine Faltungsmuster	157
3.1.4	Die Proteindomäne ist eine Grundeinheit der Organisation	160
3.1.5	Nur wenige der vielen möglichen Polypeptidketten sind brauchbar	161
3.1.6	Proteine können in viele Familien eingeteilt werden	162
3.1.7	Proteine können eine begrenzte Anzahl unterschiedlicher Proteinfaltungen annehmen	164
3.1.8	Die Suche nach Sequenzhomologien kann nahe Verwandtschaften aufdecken	164
3.1.9	Durch computergestützte Methoden können Aminosäuresequenzen bekannten Proteinfaltungen zugeordnet werden	165
3.1.10	Manche Proteindomänen -- so genannte Module -- bilden Teile vieler verschiedener Proteine	166
3.1.11	Das Genom des Menschen codiert für einen komplexen Satz von Proteinen, der noch viel Unbekanntes zur Erklärung offen lässt	167
3.1.12	Größere Proteinmoleküle enthalten oft mehr als eine Polypeptidkette	168
3.1.13	Einige Proteine bilden lange helikale Filamente	169
3.1.14	Ein Proteinmolekül kann eine lange Faserform haben	172
3.1.15	Extrazelluläre Proteine werden häufig durch kovalente Vernetzung stabilisiert	173
3.1.16	Proteinmoleküle dienen oft als Untereinheiten für den Zusammenbau großer Strukturen	174
3.1.17	Viele Strukturen in der Zelle können sich selbstständig zusammenbauen	175
3.1.18	Die Ausbildung komplexer biologischer Strukturen wird oft durch Hilfsfaktoren unterstützt	178
	Zusammenfassung	179
3.2	Proteinfunktion	179
3.2.1	Alle Proteine binden an andere Moleküle	179
3.2.2	Die Einzelheiten der Konformation eines Proteins bestimmen seine chemischen Eigenschaften	181
3.2.3	Sequenzvergleiche zwischen Mitgliedern von Proteinfamilien decken entscheidende Liganden-Bindungsstellen auf	182
3.2.4	Proteine binden über verschiedene Grenzflächen-Typen an andere Proteine	183
3.2.5	Die Bindungsstellen von Antikörpern sind besonders vielseitig	183
3.2.6	Die Bindungsstärke wird durch die Gleichgewichtskonstante gemessen	184
3.2.7	Enzyme sind wirkungsvolle und hoch spezifische Katalysatoren	186
3.2.8	Die Substratbindung ist der erste Schritt der Enzymkatalyse	187
3.2.9	Enzyme beschleunigen Reaktionen durch selektive Stabilisierung von Übergangszuständen	190
3.2.10	Enzyme können Säure- und Basen-Katalyse gleichzeitig einsetzen	191
3.2.11	Lysozym veranschaulicht, wie ein Enzym arbeitet	192
3.2.12	Fest gebundene kleine Moleküle verleihen Proteinen zusätzliche Funktionen	194
3.2.13	Multienzymkomplexe helfen, die Geschwindigkeit des Zellstoffwechsels zu steigern	196
3.2.14	Die katalytischen Aktivitäten von Enzymen werden kontrolliert	197
3.2.15	Allosterische Enzyme besitzen zwei oder mehr wechselwirkende Bindungsstellen	198
3.2.16	Zwei Liganden mit gekoppelten Bindungsstellen beeinflussen ihre Bindungen gegenseitig	199
3.2.17	Symmetrische Proteinaggregate erzeugen kooperative allosterische Übergänge	200
3.2.18	Der allosterische Übergang bei der Aspartat-Transcarbamoylase ist bis ins atomare Detail aufgeklärt	201
3.2.19	Viele Änderungen in Proteinen werden durch Phosphorylierung bewirkt	203
3.2.20	Eine Eukaryotenzelle enthält eine große Vielfalt von Protein-Kinasen und Protein-Phosphatasen	204
3.2.21	Die Kontrolle von Cdk- und Src-Proteinkinasen zeigt, wie ein Protein als Mikrochip fungieren kann	206
3.2.22	Proteine, die GTP binden und hydrolysieren, sind allgegenwärtige Zell-Regulatoren	207
3.2.23	Regulationsproteine kontrollieren die Aktivität von GTP-Bindeproteinen, indem sie bestimmen, ob GTP oder GDP gebunden wird	208
3.2.24	Große Proteinbewegungen können aus kleinen erzeugt werden	209
3.2.25	Motorproteine erzeugen große Bewegungen in Zellen	211
3.2.26	Membrangebundene Transporter pumpen unter Energieverbrauch Moleküle durch Membranen	212
3.2.27	Proteine bilden oft große Komplexe, die als Proteinmaschinen fungieren	213
3.2.28	Der Zellfunktion liegen komplexe Netzwerke von Proteinwechselwirkungen zugrunde	214
	Zusammenfassung	215
	Literatur	216

Teil II	Genetische Grundmechanismen

4	DNA und Chromosomen	221
4.1	Struktur und Funktion von DNA	223
4.1.1	Ein DNA-Molekül besteht aus zwei komplementären Nucleotidketten	223
4.1.2	Die Struktur der DNA bietet einen Mechanismus für die Vererbung	225
4.1.3	Bei Eukaryoten ist die DNA in einem Zellkern eingeschlossen	227
	Zusammenfassung	228
4.2	Chromosomen-DNA und ihre Verpackung in der Chromatinfaser	228
4.2.1	Die DNA von Eukaryoten ist in einen Satz von Chromosomen verpackt	229
4.2.2	Chromosomen enthalten lange Ketten von Genen	231
4.2.3	Die Nucleotidsequenz des menschlichen Genoms zeigt, wie Gene beim Menschen angeordnet sind	232
4.2.4	Beim Vergleich der DNA verwandter Organismen lassen sich konservierte Abschnitte von nicht konservierten Bereichen der DNA-Sequenz unterscheiden	234
4.2.5	Chromosomen liegen im Laufe des Zelllebens in verschiedenen Zuständen vor	236
4.2.6	Jedes DNA-Molekül, das ein lineares Chromosom bildet, muss ein Centromer, zwei Telomere und mindestens einen Replikationsursprung enthalten	238
4.2.7	DNA-Moleküle sind in den Chromosomen hoch verdichtet	239
4.2.8	Nucleosomen sind die Grundeinheiten der Chromosomenstruktur bei Eukaryoten	239
4.2.9	Die Struktur der Nucleosomkernpartikel legt die Packung der DNA offen	240
4.2.10	Die Lage der Nucleosomen auf der DNA wird durch die Flexibilität der DNA und anderer DNA bindenden Proteine bestimmt	243
4.2.11	Nucleosomen werden gewöhnlich zusammen in eine kompakte Chromatinfaser gepackt	244
4.2.12	ATP-getriebene Chromatin-Umformungsmaschinen ändern die Nucleosomenstruktur	246
4.2.13	Kovalente Modifikationen der Histonschwänze können das Chromatin erheblich beeinflussen	247
	Zusammenfassung	249
4.3	Die Gesamtstruktur der Chromosomen	250
4.3.1	Lampenbürstenchromosomen enthalten Schleifen unverdichteten Chromatins	251
4.3.2	Polytänchromosomen von Drosophila sind zu einem Muster abwechselnder Banden und Interbanden angeordnet	253
4.3.3	Banden und Interbanden der Polytänchromosomen enthalten Gene	254
4.3.4	Einzelne Banden eines Polytänchromosoms können sich als Einheit entfalten und wieder zurückfalten	254
4.3.5	Heterochromatin ist hoch organisiert und normalerweise transkriptionsinaktiv	257
4.3.6	Die Enden der Chromosomen bestehen aus einem besonderen Heterochromatin	258
4.3.7	Centromere sind ebenfalls in Heterochromatin verpackt	261
4.3.8	Heterochromatin kann einen Abwehrmechanismus gegen springende DNA-Elemente bieten	263
4.3.9	Mitotische Chromosomen werden von besonders hoch kondensiertem Chromatin gebildet	264
4.3.10	Jedes Mitosechromosom enthält ein charakteristisches Muster sehr großer Domänen	266
4.3.11	Einzelne Chromosomen belegen getrennte Bereiche in einem Interphasekern	267
	Zusammenfassung	268
	Literatur	269

5	Replikation, Reparatur und Rekombination von DNA	271

5.1	Die Erhaltung der DNA-Sequenzen	271
5.1.1	Mutationsraten sind sehr niedrig	272
5.1.2	Viele Mutationen in Proteinen sind schädlich und werden durch natürliche Selektion ausgemerzt	273
5.1.3	Geringe Mutationsraten sind unerlässlich für das Leben, wie wir es kennen	273
	Zusammenfassung	274
5.2	Mechanismen der DNA-Replikation	274
5.2.1	Basenpaarung ist die Grundlage für die DNA-Replikation und die DNA-Reparatur	274
5.2.2	Die Replikationsgabel ist unsymmetrisch	276
5.2.3	Die hohe Genauigkeit der DNA-Replikation verlangt mehrere "Korrekturlese"-Mechanismen	278
5.2.4	Nur die DNA-Replikation in 5'3'-Richtung ermöglicht wirksame Fehlerkorrektur	280
5.2.5	Ein besonderes nucleotidpolymerisierendes Enzym synthetisiert am Folgestrang kurze Primermoleküle	280
5.2.6	Besondere Proteine helfen, die DNA-Doppelhelix vor der Replikationsgabel zu öffnen	282
5.2.7	Ein gleitender Ring hält die wandernde DNA-Polymerase an der DNA fest	284
5.2.8	Die Proteine an der Replikationsgabel wirken zusammen als "Replikationsmaschine"	285
5.2.9	Ein Fehlpaarungs-Korrekturlesesystem entfernt Replikationsfehler, die der Replikationsmaschine entgehen	288
5.2.10	DNA-Topoisomerasen verhindern, dass sich die DNA während der Replikation verknäult	289
5.2.11	Die DNA-Replikation verläuft in Eukaryoten und Bakterien ähnlich	291
	Zusammenfassung	293
5.3	Die Initiation und Vollendung der DNA-Replikation der Chromosomen	293
5.3.1	DNA-Synthese beginnt an Replikationsursprüngen	294
5.3.2	Bakterielle Chromosomen haben einen einzelnen Replikationsursprung	294
5.3.3	Eukaryotische Chromosomen haben mehrere Replikationsursprünge	296
5.3.4	Die DNA-Replikation bei Eukaryoten findet nur während einer Phase des Zellzyklus statt	297
5.3.5	Verschiedene Abschnitte desselben Chromosoms werden zu unterschiedlichen Zeiten in der S-Phase repliziert	298
5.3.6	Stark kondensiertes Chromatin repliziert spät, während Gene in aktivem Chromatin früh replizieren	298
5.3.7	Bei der Sprosshefe, einem einfachen Eukaryoten, dienen spezifische DNA-Sequenzen als Replikationsursprünge	299
5.3.8	Ein großer Komplex aus mehreren Untereinheiten bindet an eukaryotische Replikationsursprünge	300
5.3.9	DNA-Sequenzen in Säugern, die die Initiation der Replikation bestimmen, waren schwer zu identifizieren	301
5.3.10	Hinter der Replikationsgabel werden neue Nucleosomen zusammengebaut	302
5.3.11	Die Telomerase repliziert Chromosomenenden	303
5.3.12	Die Länge der Telomere wird von Zellen und Organismen reguliert	305
	Zusammenfassung	307
5.4	DNA-Reparatur	307
5.4.1	Ohne Korrektur würden spontane DNA-Schäden die DNA-Sequenz schnell verändern	308
5.4.2	Die DNA-Doppelhelix wird schnell repariert	310
5.4.3	DNA-Schäden können auf mehreren Wegen entfernt werden	311
5.4.4	Die Chemie der DNA-Basen erleichtert die Erkennung von Schäden	313
5.4.5	Doppelstrangbrüche werden mit hoher Effizienz repariert	313
5.4.6	Zellen können DNA-Reparaturenzyme als Reaktion auf DNA-Schädigungen bilden	315
5.4.7	DNA-Schädigungen halten den Zellzyklus auf	316
	Zusammenfassung	317
5.5	Allgemeine Rekombination	317
5.5.1	Kontakte zwischen zwei homologen DNA-Molekülen führen durch Basenpaarung zur allgemeinen Rekombination	318
5.5.2	Die meiotische Rekombination wird durch einen Doppelstrangbruch eingeleitet	319
5.5.3	DNA-Hybridisierungsreaktionen sind ein einfaches Modell für den Basenpaarungsschritt bei der allgemeinen Rekombination	319
5.5.4	Das RecA-Protein und seine Homologen ermöglichen DNA-Einzelsträngen die Paarung mit einem homologen Bereich einer DNA-Doppelhelix	320
5.5.5	Bei Eukaryoten gibt es mehrere zu RecA homologe Proteine, von denen jedes eine spezifische Funktion erfüllt	322
5.5.6	Die allgemeine Rekombination schließt meistens einen Strangaustausch über Kreuz (Holliday-Junction) ein	323
5.5.7	Die allgemeine Rekombination kann Genkonversion verursachen	325
5.5.8	Allgemeine Rekombinationsereignisse führen in mitotischen und meiotischen Zellen zu unterschiedlichen Ergebnissen	326
5.5.9	Fehlpaarungskorrektur kann die wahllose genetische Rekombination zwischen schlecht zusammenpassenden DNA-Sequenzen verhindern	328
	Zusammenfassung	329
5.6	Sequenzspezifische Rekombination	329
5.6.1	Bewegliche genetische Elemente können sich entweder über Transpositions- oder konservative Mechanismen bewegen	330
5.6.2	Sequenzspezifische Rekombination durch Transposition kann ein bewegliches genetisches Element in jede DNA-Sequenz einbauen	331
5.6.3	DNA-only-Transposons bewegen sich durch Schneiden und Wiederverbinden der DNA	332
5.6.4	Manche Viren nutzen sequenzspezifische Rekombination durch Transposition, um sich in die Chromosomen der Wirtszelle einzunisten	333
5.6.5	Retrovirusähnliche Retrotransposons ähneln Retroviren, haben aber keine Proteinhülle	335
5.6.6	Ein Großteil des Genoms des Menschen besteht aus nichtretroviralen Retrotransposons	336
5.6.7	Unterschiedliche transponierbare Elemente überwiegen in unterschiedlichen Organismen	337
5.6.8	Genomsequenzen lassen erkennen, zu welchem Zeitpunkt transponierbare Elemente sich bewegt haben	337
5.6.9	Die konservative sequenzspezifische Rekombination kann DNA reversibel umordnen	338
5.6.10	Konservative sequenzspezifische Rekombination kann verwendet werden, um Gene ein- oder auszuschalten	340
	Zusammenfassung	341
	Literatur	342

6	Wie Zellen das Genom ablesen: Von der DNA zum Protein	345

6.1	Von der DNA zur RNA	348
6.1.1	Abschnitte der DNA-Sequenz werden in RNA umgeschrieben	348
6.1.2	Die Transkription erzeugt RNA, die komplementär zu einem der DNA-Stränge ist	349
6.1.3	Zellen stellen verschiedene RNA-Typen her	352
6.1.4	In der DNA enthaltene Signale teilen der RNA-Polymerase mit, wo sie anfangen und aufhören soll	353
6.1.5	Start- und Stopp-Signale sind in ihrer Nucleotidsequenz heterogen	355
6.1.6	Die Transkriptionsinitiation bei Eukaryoten benötigt viele Proteine	357
6.1.7	Die RNA-Polymerase II benötigt allgemeine Transkriptionsfaktoren	358
6.1.8	Die Polymerase II braucht auch einen Aktivator, einen Mediator und Chromatin modifizierende Proteine	361
6.1.9	Die Verlängerung bei der Transkription bewirkt superhelicale Spannung in der DNA	362
6.1.10	Die Transkriptionselongation ist eng mit dem RNA-Processing gekoppelt	363
6.1.11	RNA-Capping ist die erste Modifikation eukaryotischer prä-mRNAs	366
6.1.12	Intronsequenzen werden aus neu transkribierten prä-mRNAs durch RNA-Spleißen entfernt	366
6.1.13	Nucleotidsequenzen markieren die Spleißstellen	368
6.1.14	RNA-Spleißen wird durch Spleißosomen ausgeführt	369
6.1.15	Das Spleißosom treibt mit der Hydrolyse von ATP eine komplexe Abfolge von RNA-RNA-Umordnungen an	369
6.1.16	Einflüsse der Abfolge in der prä-mRNA helfen bei der Erklärung, wie die richtigen Spleißstellen gewählt werden	371
6.1.17	Ein zweiter Satz von snRNPs spleißt einen kleinen Teil der Intronsequenzen in Tieren und Pflanzen	373
6.1.18	RNA-Spleißen zeigt eine erstaunliche Flexibilität	374
6.1.19	Spleißosom katalysiertes RNA-Spleißen ist wahrscheinlich aus Selbstspleiß-Mechanismen entstanden	375
6.1.20	RNA-Verarbeitungsenzyme erzeugen das 3'-Ende eukaryotischer mRNAs	376
6.1.21	Reife eukaryotische mRNAs werden selektiv aus dem Kern exportiert	378
6.1.22	Die Synthese und das Bearbeiten vieler nicht codierender RNAs erfolgen auch im Kern	380
6.1.23	Der Nucleolus ist eine Ribosomenfabrik	383
6.1.24	Der Kern enthält eine Vielzahl von Substrukturen	385
	Zusammenfassung	387
6.2	Von der RNA zum Protein	388
6.2.1	Eine mRNA wird in Nucleotid-Dreiergruppen entschlüsselt	388
6.2.2	tRNA-Moleküle wählen die zu den mRNA-Codons passenden Aminosäuren aus	389
6.2.3	tRNAs werden kovalent modifiziert, bevor sie den Kern verlassen	391
6.2.4	Spezifische Enzyme koppeln jede Aminosäure an ihr entsprechendes tRNA-Molekül	392
6.2.5	Editing durch RNA-Synthetasen sichert Genauigkeit	393
6.2.6	Aminosäuren werden an das C-terminale Ende einer wachsenden Polypeptidkette angehängt	394
6.2.7	Die Botschaft der RNA wird in Ribosomen entschlüsselt	395
6.2.8	Elongationsfaktoren treiben die Translation voran	398
6.2.9	Das Ribosom ist ein Ribozym	400
6.2.10	Nucleotidsequenzen in der mRNA geben an, wo die Proteinsynthese beginnen soll	402
6.2.11	Stopp-Codons markieren das Ende der Translation	404
6.2.12	Proteine werden von Polyribosomen hergestellt	405
6.2.13	Qualitätskontrollmechanismen überprüfen viele Stadien der Translation	406
6.2.14	Es gibt kleine Abweichungen vom genetischen Standardcode	407
6.2.15	Viele Inhibitoren der prokaryotischen Proteinsynthese werden als Antibiotika eingesetzt	408
6.2.16	Ein Protein beginnt sich schon während seiner Synthese zu falten	409
6.2.17	Molekulare Chaperone betreuen die Faltung vieler Proteine	410
6.2.18	Exponierte hydrophobe Bereiche sind ein wichtiges Signal für die Proteinqualitätskontrolle	412
6.2.19	Das Proteasom baut einen beträchtlichen Anteil der neu synthetisierten Proteine in Zellen ab	413
6.2.20	Ein raffiniertes Ubiquitin verknüpfendes System markiert die Proteine für ihren Abbau	414
6.2.21	Viele Proteine werden durch geregelten Abbau kontrolliert	416
6.2.22	Anormal gefaltete Proteine können Aggregate bilden, die beim Menschen zu zerstörenden Krankheiten führen	418
6.2.23	Es sind viele Schritte von der DNA zum Protein	419
	Zusammenfassung	420
6.3	Die RNA-Welt und die Ursprünge des Lebens	421
6.3.1	Leben benötigt Autokatalyse	422
6.3.2	Polynucleotide können Informationen speichern und chemische Reaktionen katalysieren	422
6.3.3	Eine prä-RNA-Welt ging möglicherweise einer RNA-Welt voraus	423
6.3.4	Einzelsträngige RNA-Moleküle können sich zu sehr komplizierten Strukturen falten	424
6.3.5	Selbstreplizierende Moleküle unterliegen der natürlichen Selektion	427
6.3.6	Wie ist die Proteinsynthese entstanden?	428
6.3.7	Alle heutigen Zellen verwenden DNA als Erbmaterial	429
	Zusammenfassung	429
	Literatur	430

7	Kontrolle der Genexpression	433

7.1	Ein Überblick über die Genkontrolle	433
7.1.1	Die verschiedenen Zelltypen eines vielzelligen Organismus enthalten die gleiche DNA	434
7.1.2	Verschiedene Zelltypen synthetisieren einen unterschiedlichen Satz von Proteinen	434
7.1.3	Eine Zelle kann die Expression ihrer Gene als Antwort auf Außensignale verändern	437
7.1.4	Genexpression kann auf vielen Stufen der Informationsübertragung von DNA zu RNA und Protein reguliert werden	437
	Zusammenfassung	438
7.2	DNA-Bindungsmotive in Genregulatorproteinen	438
7.2.1	Genregulatorproteine wurden mithilfe der Bakteriengenetik entdeckt	439
7.2.2	Die Außenseite der DNA-Helix kann von Proteinen gelesen werden	439
7.2.3	Die Geometrie der DNA-Doppelhelix hängt von ihrer Nucleotidsequenz ab	441
7.2.4	Kurze DNA-Sequenzen sind Grundkomponenten genetischer Schalter	442
7.2.5	Genregulatorproteine enthalten Strukturmotive, die DNA-Sequenzen lesen können	443
7.2.6	Das Helix-Turn-Helix-Motiv ist eines der einfachsten und häufigsten DNA bindenden Motive	443
7.2.7	Proteine mit Homöodomänen sind eine spezielle Klasse von Helix-Turn-Helix-Proteinen	445
7.2.8	Es gibt mehrere Arten von DNA bindenden Zinkfinger-Motiven	446
7.2.9	Auch -Faltblätter können DNA erkennen	447
7.2.10	Das Leucin-Zipper-Motiv vermittelt sowohl die DNA-Bindung als auch die Proteindimerisierung	448
7.2.11	Heterodimerisierung vergrößert das durch Genregulatorproteine erkannte Repertoire der DNA-Sequenzen	448
7.2.12	Das Helix-Loop-Helix-Motiv vermittelt ebenfalls Dimerisierung und DNA-Bindung	450
7.2.13	Es ist noch nicht möglich, die von allen Genregulatorproteinen erkannte DNA-Sequenz genau vorherzusagen	451
7.2.14	Ein Gelverzögerungstest ermöglicht leicht den Nachweis sequenzspezifischer DNA bindender Proteine	451
7.2.15	DNA-Affinitätschromatographie erleichtert die Isolierung DNA-Sequenzspezifisch bindender Proteine	453
7.2.16	Die DNA-Sequenz, die von einem Genregulatorprotein erkannt wird, kann bestimmt werden	454
7.2.17	Eine Chromatin-Immunfällung identifiziert DNA-Stellen, die von Genregulatorproteinen in lebenden Zellen besetzt werden	455
	Zusammenfassung	455
7.3	Wie genetische Schalter arbeiten	456
7.3.1	Der Tryptophanrepressor ist ein einfacher Schalter, der Gene in Bakterien ein- und ausschaltet	456
7.3.2	Transkriptions-Aktivatorproteine schalten Gene ein	458
7.3.3	Ein Transkriptionsaktivator und ein Transkriptionsrepressor kontrollieren das lac-Operon	459
7.3.4	Die Kontrolle der Transkription in eukaryotischen Zellen ist komplex	460
7.3.5	Eukaryotische Genregulatorproteine kontrollieren die Genexpression aus der Entfernung	461
7.3.6	Eine eukaryotische Genkontrollregion besteht aus einem Promotor plus Kontroll-DNA-Sequenzen	461
7.3.7	Eukaryotische Genaktivatorproteine beschleunigen das Sammeln der RNA-Polymerase und der allgemeinen Transkriptionsfaktoren am Startpunkt der Transkription	463
7.3.8	Eukaryotische Genaktivatoren verändern die lokale Chromatinstruktur	466
7.3.9	Genaktivatorproteine arbeiten synergistisch	467
7.3.10	Eukaryotische Genrepressoren können die Transkription auf verschiedene Weise hemmen	468
7.3.11	Genregulatorproteine der Eukaryoten sammeln sich oft in Komplexen auf der DNA	468
7.3.12	Komplexe genetische Schalter, die die Drosophila-Entwicklung regulieren, sind aus kleineren Modulen aufgebaut	471
7.3.13	Das eve-Gen von Drosophila wird durch kombinatorische Kontrollen reguliert	472
7.3.14	Komplexe Genkontrollregionen von Säugern sind ebenfalls aus einfachen Kontrollmodulen aufgebaut	474
7.3.15	Isolatoren sind DNA-Sequenzen, die eukaryotische Genregulatorproteine daran hindern, entfernte Gene zu beeinflussen	476
7.3.16	Bakterien verwenden austauschbare RNA-Polymerase-Untereinheiten um die Regulation der Gentranskription zu unterstützen	478
7.3.17	Genetische Schalter haben sich schrittweise entwickelt	479
	Zusammenfassung	479
7.4	Die molekulargenetischen Mechanismen, die spezialisierte Zelltypen schaffen	480
7.4.1	DNA-Neuanordnungen vermitteln Phasenvariation in Bakterien	480
7.4.2	Verschiedene Genregulatorproteine bestimmen die Zelltypidentität bei Hefen	481
7.4.3	Zwei Proteine, die ihre Synthese gegenseitig unterdrücken, bestimmen den vererbbaren Zustand des Bakteriophagen Lambda	483
7.4.4	Genkontroll-Schaltkreise können sowohl als Gedächtnisvorrichtung als auch als Schwingkreis genutzt werden	485
7.4.5	Circadiane Uhren beruhen auf Rückkopplungsschleifen bei der Genregulation	485
7.4.6	Die Expression einer Gengruppe kann durch ein einzelnes Protein koordiniert werden	487
7.4.7	Die Expression eines wichtigen Genregulatorproteins kann die Expression einer ganzen Serie nachgelagerter Gene auslösen	489
7.4.8	Durch kombinatorische Genkontrolle werden bei Eukaryoten viele unterschiedliche Zelltypen erzeugt	490
7.4.9	Die Bildung eines ganzen Organs kann durch ein einziges Genregulatorprotein ausgelöst werden	491
7.4.10	Stabile Muster der Genexpression können auf Tochterzellen übertragen werden	493
7.4.11	Chromosomenweite Änderungen in der Chromatinstruktur können vererbt werden	494
7.4.12	Das DNA-Methylierungsmuster wird bei der Teilung von Vertebratenzellen vererbt	497
7.4.13	Wirbeltiere nutzen die DNA-Methylierung, um Gene in einem stummen Zustand zu halten	498
7.4.14	Der genomische Stempel benötigt DNA-Methylierung	499
7.4.15	CG-reiche Inseln stehen bei Säugern mit etwa 20.000 Genen in Verbindung	501
	Zusammenfassung	503
7.5	Posttranskriptionale Kontrolle	503
7.5.1	Transkriptionsabschwächung bewirkt eine vorzeitige Beendigung der Transkription einiger RNA-Moleküle	504
7.5.2	Durch alternatives RNA-Spleißen können verschiedene Formen eines Proteins von ein und demselben Gen entstehen	504
7.5.3	Die Definition eines Gens musste nach der Entdeckung des alternativen RNA-Spleißens geändert werden	506
7.5.4	Geschlechtsbestimmung bei Drosophila beruht auf einer regulierten Folge von RNA-Spleißereignissen	507
7.5.5	Eine Änderung an der Schnittstelle des RNA-Transkripts und Polyadenylierung können den carboxyterminalen Bereich eines Proteins verändern	509
7.5.6	RNA-Editing verändert den Inhalt der RNA-Botschaft	509
7.5.7	Der Transport der RNA aus dem Zellkern kann kontrolliert werden	512
7.5.8	Einige mRNAs sind besonderen Regionen des Cytoplasmas zugeordnet	514
7.5.9	Negative Translationskontrolle wird von Proteinen ausgelöst, die an die 5'- und 3'-untranslatierten Bereiche der mRNAs binden	515
7.5.10	Phosphorylierung eines Initiationsfaktors regelt die gesamte Proteinsynthese	516
7.5.11	Initiation an AUG-Codons oberhalb des Start-Codons kann die Translation bei Eukaryoten regulieren	517
7.5.12	Interne Ribosomeintrittsstellen bieten eine Möglichkeit der Translationskontrolle	518
7.5.13	Genexpression kann durch eine Veränderung der mRNA-Stabilität kontrolliert werden	519
7.5.14	Anfügen von poly-A im Cytosol kann die Translation regulieren	520
7.5.15	Nonsens vermittelter mRNA-Abbau wird bei Eukaryoten als Überwachungssystem der mRNA genutzt	521
7.5.16	RNA-Interferenz wird von Zellen zum Ausschalten der Genexpression genutzt	522
	Zusammenfassung	524
7.6	Wie sich Genome entwickeln	524
7.6.1	Änderungen im Genom werden durch Fehler bei den normalen Kopier- und Erhaltungsmechanismen verursacht	525
7.6.2	Die Genomsequenzen zweier Spezies unterscheiden sich im Verhältnis zur Dauer ihrer getrennten Entwicklung	525
7.6.3	Die Chromosomen von Mensch und Schimpanse sind sehr ähnlich	528
7.6.4	Ein Vergleich der Chromosomen von Mensch und Maus zeigt, wie sich die größeren Strukturen des Genoms auseinander entwickeln	528
7.6.5	Die Rekonstruktion des Aufbaus ehemaliger Genome ist schwierig	530
7.6.6	Duplikation und Divergenz eines Gens liefern eine wichtige Quelle für genetische Neuerungen während der Evolution	531
7.6.7	Duplizierte Gene divergieren	532
7.6.8	Die Evolution der Globin-Genfamilie zeigt den Beitrag von DNA-Duplikationen zur Evolution der Organismen	533
7.6.9	Gene, die für neue Proteine codieren, können durch Rekombination von Exons entstehen	534
7.6.10	Genomsequenzen haben die Wissenschaftler mit vielen Fragen zurückgelassen	535
7.6.11	Genetische Variation innerhalb einer Spezies liefert eine detaillierte Sicht der Genomevolution	536
	Zusammenfassung	538
	Literatur	538

Teil III	Methoden

8	Handhabung von Proteinen, DNA und RNA	543
8.1	Isolierung von Zellen und ihre Aufzucht in Kultur	544
8.1.1	Zellen können aus einer Zellsuspension isoliert und in verschiedene Typen aufgetrennt werden	544
8.1.2	Zellen können in einer Kulturschale wachsen	546
8.1.3	Serumfreie, chemisch definierte Kulturmedien erlauben die Identifizierung spezifischer Wachstumsfaktoren	547
8.1.4	Eukaryoten-Zelllinien sind eine viel genutzte Quelle für homogene Zellen	548
8.1.5	Zellen können zu Hybridzellen fusioniert werden	551
8.1.6	Hybridoma-Zelllinien sind eine Dauerquelle für monoklonale Antikörper	552
	Zusammenfassung	553
8.2	Fraktionierung von Zellen	554
8.2.1	Organellen und Makromoleküle können durch Ultrazentrifugation getrennt werden	554
8.2.2	Die molekularen Details komplexer zellulärer Vorgänge lassen sich in zellfreien Systemen entschlüsseln	556
8.2.3	Proteine können chromatographisch getrennt werden	558
8.2.4	Die Affinitäts-Chromatographie nutzt spezifische Bindungsstellen auf Proteinen	560
8.2.5	Die Größe eines Proteins und seine Zusammensetzung aus Untereinheiten können durch SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese bestimmt werden	561
8.2.6	Mehr als 1000 Proteine lassen sich durch zweidimensionale Polyacrylamid-Gelelektrophorese auf einem einzigen Gel auflösen	563
8.2.7	Die selektive Spaltung eines Proteins erzeugt einen charakteristischen Satz von Peptidfragmenten	565
8.2.8	Massenspektrometrie kann zur Sequenzierung von Peptidfragmenten und zur Identifizierung von Proteinen genutzt werden	566
	Zusammenfassung	568
8.3	Isolierung, Klonierung und Sequenzierung von DNA	569
8.3.1	Große DNA-Moleküle können mit Restriktionsenzymen in kleinere Fragmente zerschnitten werden	571
8.3.2	Die Gelelektrophorese trennt DNA-Moleküle unterschiedlicher Größe	572
8.3.3	Gereinigte DNA-Moleküle können chemisch oder mit Radioisotopen spezifisch in vitro markiert werden	573
8.3.4	Durch Nucleinsäurehybridisierung können spezifische Nucleotidsequenzen mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden	573
8.3.5	Northern und Southern Blotting erleichtern die Hybridisierung von elektrophoretisch getrennten Nucleinsäuremolekülen	576
8.3.6	Hybridisierungstechniken orten spezifische Nucleinsäuresequenzen in Zellen oder auf Chromosomen	578
8.3.7	Gene können aus einer DNA-Bibliothek kloniert werden	579
8.3.8	Zwei Arten von DNA-Bibliotheken erfüllen unterschiedliche Aufgaben	581
8.3.9	cDNA-Klone enthalten zusammenhängende codierende Sequenzen	584
8.3.10	Isolierte DNA-Fragmente können rasch sequenziert werden	584
8.3.11	Mittels Nucleotidsequenzen kann man die Aminosäuresequenzen von Proteinen vorhersagen	586
8.3.12	Die Genome vieler Organismen wurden vollständig sequenziert	587
8.3.13	Ausgewählte DNA-Abschnitte können im Reagenzglas mit der Polymerasekettenreaktion kloniert werden	588
8.3.14	Mit Hilfe von Expressionsvektoren können zelluläre Proteine in großen Mengen hergestellt werden	592
	Zusammenfassung	593
8.4	Analyse von Proteinstruktur und -funktion	594
8.4.1	Röntgenbeugung an Proteinkristallen deckt die exakte Struktur eines Proteins auf	595
8.4.2	Die molekulare Struktur kann auch durch Kernresonanzspektroskopie (NMR) bestimmt werden	596
8.4.3	Ähnlichkeiten in der Sequenz erlauben Rückschlüsse auf die Proteinfunktion	598
8.4.4	Fusionsproteine dienen der Analyse der Proteinfunktion und helfen, Proteine in lebenden Zellen aufzuspüren	599
8.4.5	Affinitätschromatographie und Immunpräzipitation ermöglichen die Identifizierung von assoziierten Proteinen	601
8.4.6	Protein-Protein-Wechselwirkungen können mittels eines Zwei-Hybrid-Systems identifiziert werden	602
8.4.7	Auch die Phagen-Display-Technik deckt Proteinwechselwirkungen auf	603
8.4.8	Proteinwechselwirkungen können mit der Oberflächen-Plasmonresonanz in Echtzeit verfolgt werden	604
8.4.9	DNA-Footprinting zeigt die Bindungsstellen von Proteinen an einem DNA-Molekül	606
	Zusammenfassung	607
8.5	Untersuchung der Genexpression und -funktion	607
8.5.1	Der klassische Ansatz beginnt mit Zufallsmutagenese	610
8.5.2	Genetische Reihenuntersuchungen identifizieren Mutanten mit Mängeln in zellulären Prozessen	611
8.5.3	Ein Komplementationstest kann zeigen, ob sich zwei Mutationen im selben oder in verschiedenen Genen befinden	612
8.5.4	Gene lassen sich durch Kopplungsanalyse lokalisieren	614
8.5.5	Die Suche nach homologen Genen kann helfen, die Genfunktion vorauszusagen	615
8.5.6	Reporter-Gene zeigen an, wann und wo in der Zelle ein Gen exprimiert wird	616
8.5.7	Mikroarrays können simultan die Expression von Tausenden von Genen überwachen	617
8.5.8	Zielgerichtete Mutationen können Genfunktionen aufdecken	619
8.5.9	Zellen und Tiere mit mutierten Genen können nach Plan erzeugt werden	619
8.5.10	In Bakterien und einigen niederen Eukaryoten kann ein normales Gen direkt durch ein gentechnisch verändertes Mutanten-Gen ausgetauscht werden	620
8.5.11	Genkonstrukte sind zur Erzeugung spezifischer dominanter Negativ-Mutationen in diploiden Organismen von Nutzen	621
8.5.12	Funktionsgewinn-Mutationen geben Aufschluss über die Rolle, die Gene in einer Zelle oder einem Organismus spielen	623
8.5.13	Gene können so umkonstruiert werden, dass sie Proteine jeder gewünschten Sequenz produzieren	623
8.5.14	Genkonstrukte können leicht in die Keimbahn vieler Tiere eingeführt werden	625
8.5.15	Gen-Targeting erzeugt transgene Mäuse, denen bestimmte Gene fehlen	625
8.5.16	Transgene Pflanzen sind für Forschung und Landwirtschaft bedeutsam	627
8.5.17	Mit umfangreichen Sammlungen markierter Knockouts ist man in der Lage, die Funktion eines jeden Gens in einem Organismus zu untersuchen	629
	Zusammenfassung	630
	Literatur	631

9	Das Abbild der Zellen	633

9.1	Betrachtung der Zellstrukturen unter dem Mikroskop	635
9.1.1	Das Lichtmikroskop kann Details von 0,2 m Abstand auflösen	635
9.1.2	Lebende Zellen lassen sich im Phasenkontrast- oder Differential-Interferenzkontrastmikroskop klar betrachten	638
9.1.3	Mikroskopische Abbildungen können durch elektronische Verfahren verstärkt und analysiert werden	640
9.1.4	Zum Mikroskopieren müssen Gewebe gewöhnlich fixiert und geschnitten werden	640
9.1.5	Verschiedene Bestandteile der Zelle können selektiv gefärbt werden	641
9.1.6	Bestimmte Moleküle können in der Zelle durch Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen werden	642
9.1.7	Antikörper lassen sich zum Nachweis bestimmter Moleküle verwenden	644
9.1.8	Die Betrachtung von komplexen dreidimensionalen Objekten ist auch mit dem optischen Mikroskop möglich	645
9.1.9	Das Konfokalmikroskop erzeugt optische Schnitte durch den Ausschluss von nicht fokussiertem Licht	646
9.1.10	Im Elektronenmikroskop wird die Feinstruktur der Zelle sichtbar	648
9.1.11	Biologische Objekte müssen für das Elektronen"mikroskop besonders vorbereitet werden	651
9.1.12	Bestimmte Makromoleküle lassen sich durch Immunogold-Elektronenmikroskopie auffinden	652
9.1.13	Bilder von Oberflächen lassen sich mit dem Raster-Elektronenmikroskop aufnehmen	654
9.1.14	Metallbeschattung ermöglicht die hoch auflösende Untersuchung von Oberflächenstrukturen durch Transmissions-Elektronenmikroskopie	655
9.1.15	Gefrierbruch- und Gefrierätz-Elektronenmikroskopie bieten Blicke auf zellinterne Oberflächen	656
9.1.16	Negativ-Kontrastierung und Kryo-Elektronen"mikroskopie machen Makromoleküle bei hoher Auflösung sichtbar	657
9.1.17	Mehrfachbilder lassen sich zur Verbesserung der Auflösung kombinieren	658
9.1.18	Aufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln lassen sich zu einer räumlichen Darstellung zusammenfassen	659
	Zusammenfassung	660
9.2	Sichtbarmachen von Molekülen in lebenden Zellen	660
9.2.1	Rasch wechselnde intrazelluläre Ionenkonzentrationen können mit Licht emittierenden Indikatoren gemessen werden	661
9.2.2	Es gibt mehrere Möglichkeiten, um membran"impermeable Moleküle in Zellen einzuführen	662
9.2.3	Die lichtinduzierte Aktivierung von "Käfig"-Vorläufermolekülen erleichtert die Untersuchung der intrazellulären Dynamik	663
9.2.4	Grünes Fluoreszenzprotein lässt sich zur Markierung einzelner Proteine in lebenden Zellen und Organismen einsetzen	664
9.2.5	Licht kann zur Abbildung, aber auch zur Manipulation von mikroskopischen Objekten verwendet werden	666
9.2.6	Moleküle können mit Radioisotopen markiert werden	667
9.2.7	Radioisotope werden verwendet, um Molekülen in Zellen und Organismen nachzuspüren	667
	Zusammenfassung	670
	Literatur	670

Teil IV	Die innere Organisation der Zelle

10	Der Aufbau der Membran	675
10.1	Die Lipid-Doppelschicht	676
10.1.1	Membranlipide sind amphipathische Moleküle, die in der Regel spontan Doppelschichten bilden	676
10.1.2	Die Lipid-Doppelschicht ist eine zweidimensionale Flüssigkeit	678
10.1.3	Die Fluidität der Lipid-Doppelschicht ist von ihrer Zusammensetzung abhängig	680
10.1.4	Die Plasmamembran enthält Lipid-Flöße, in denen Sphingolipide, Cholesterin und einige Membranproteine angereichert vorliegen	682
10.1.5	Die Asymmetrie der Lipid-Doppelschicht ist wichtig für ihre Funktion	682
10.1.6	Glykolipide finden sich auf der Oberfläche aller Plasmamembranen	684
	Zusammenfassung	685
10.2	Membranproteine	686
10.2.1	Membranproteine können auf verschiedene Weisen mit der Lipid-Doppelschicht assoziiert sein	686
10.2.2	Die Polypeptidkette der meisten Transmembranproteine durchquert die Lipid-Doppelschicht als -Helix	688
10.2.3	Einige -Fässer bilden große Transmembrankanäle	690
10.2.4	Viele Membranproteine sind glykosyliert	691
10.2.5	Membranproteine können mit Hilfe von Detergenzien gelöst und gereinigt werden	691
10.2.6	Mit den Zellhüllen roter Blutkörperchen kann der cytosolische Anteil von Plasmamembranproteinen untersucht werden	692
10.2.7	Spectrin ist ein Cytoskelettprotein, das nicht kovalent an die cytosolische Seite der Erythrocytenmembran gebunden ist	695
10.2.8	Glykophorin erstreckt sich als einzelne -Helix durch die Lipid-Doppelschicht der roten Blutkörperchen	697
10.2.9	Das Bande 3-Protein der roten Blutkörperchen ist ein Mehrpfad-Membranprotein, das den gekoppelten Transport von Anionen katalysiert	698
10.2.10	Bacteriorhodopsin ist eine Protonenpumpe, die die Membran in Form von sieben -Helices durchquert	700
10.2.11	Membranproteine arbeiten oft in großen Komplexen	701
10.2.12	Viele Membranproteine diffundieren in der Membranebene	702
10.2.13	Zellen können Proteine und Lipide auf besondere Domänen innerhalb der Membran beschränken	705
10.2.14	Die Zelloberfläche ist mit Zuckerresten bedeckt	706
	Zusammenfassung	708
	Literatur	709

11	Membrantransport kleiner Moleküle und Ionen und elektrische Eigenschaften von Membranen	711

11.1	Grundlagen des Transports durch Membranen	712
11.1.1	Proteinfreie Lipid-Doppelschichten sind für Ionen hochgradig undurchlässig	712
11.1.2	Die zwei Hauptklassen von Membrantransportproteinen: Carrier und Kanäle	713
11.1.3	Aktiver Transport durch Carrier-Proteine ist an eine Energiequelle gekoppelt	714
11.1.4	Ionophore lassen sich nutzen, um die Durchlässigkeit von Membranen für bestimmte Ionen zu erhöhen	715
	Zusammenfassung	716
11.2	Carrier-Proteine und aktiver Membrantransport	716
11.2.1	Aktiver Transport kann durch Ionengradienten getrieben werden	718
11.2.2	Na⁺-getriebene Carrier-Proteine in der Plasmamembran regulieren den cytosolischen pH-Wert	719
11.2.3	Der Transport von Soluten zwischen Zellen ist auf eine asymmetrische Verteilung von Carrier-Proteinen in den Epithelzellen zurückzuführen	721
11.2.4	Die Na⁺/K⁺-Pumpe der Plasmamembran ist eine ATPase	722
11.2.5	Auch einige Ca²⁺- und H⁺-Transporter sind P-Typ Transport-ATPasen	723
11.2.6	Die Na⁺/K⁺-ATPase wird zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts benötigt und stabilisiert das Zellvolumen	725
11.2.7	Membrangebundene Enzyme, die ATP synthetisieren, sind in Gegenrichtung arbeitende Transport-ATPasen	727
11.2.8	ABC-Transporter bilden die größte Familie von Membrantransportproteinen	727
	Zusammenfassung	729
11.3	Ionenkanäle und die elektrischen Eigenschaften von Membranen	730
11.3.1	Ionenkanäle sind ionenselektiv und wechseln zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand	730
11.3.2	Das Membranpotenzial in tierischen Zellen ist hauptsächlich von K⁺-Sickerkanälen und dem K⁺-Gradienten über der Plasmamembran abhängig	732
11.3.3	Das Ruhepotenzial baut sich nur langsam ab, wenn die Na⁺/K⁺-ATPase nicht mehr arbeitet	734
11.3.4	Die dreidimensionale Struktur eines bakteriellen K⁺-Kanals zeigt, wie ein Ionenkanal arbeitet	735
11.3.5	Die Funktion einer Nervenzelle hängt von ihrer lang gestreckten Form ab	737
11.3.6	Spannungskontrollierte Kationenkanäle erzeugen Aktionspotenziale in elektrisch erregbaren Zellen	738
11.3.7	Die Myelinisierung erhöht die Geschwindigkeit und Effizienz der Fortpflanzung eines Aktionspotenzials in Nervenzellen	741
11.3.8	Patch Clamp-Messungen deuten darauf hin, dass sich die einzelnen regulierten Kanäle nach einem Alles-oder-Nichts-Mechanismus öffnen	743
11.3.9	Spannungskontrollierte Kationenkanäle sind evolutionär und strukturell verwandt	745
11.3.10	Transmitterkontrollierte Ionenkanäle in Synapsen wandeln chemische Signale in elektrische Reize um	745
11.3.11	Chemische Synapsen können excitatorisch oder inhibitorisch wirken	746
11.3.12	Die Acetylcholinrezeptoren an den neuromuskulären Endplatten sind transmitterkontrollierte Kationenkanäle	747
11.3.13	Transmitterkontrollierte Ionenkanäle sind die Hauptangriffspunkte von Psychopharmaka	749
11.3.14	Bei der neuromuskulären Signalübertragung werden fünf verschiedene Gruppen von Ionenkanälen nacheinander aktiviert	750
11.3.15	Einzelne Neurone stellen komplexe Verrechnungseinheiten dar	751
11.3.16	Eine Kombination von mindestens drei Typen von K⁺-Kanälen ist die Grundlage für die neuronale Umrechnung von Signalen	754
11.3.17	Die Langzeitpotenzierung im Hippocampus von Säugetieren ist vom Ca²⁺-Einstrom durch NMDA-Rezeptorkanäle abhängig	756
	Zusammenfassung	758
	Literatur	759

12	Zellkompartimente und Proteinsortierung	763

12.1	Die Kompartimentierung der Zelle	763
12.1.1	Alle eukaryotischen Zellen besitzen die gleiche Grundausstattung membranumschlossener Organellen	764
12.1.2	Die topologischen Beziehungen membranumschlossener Organellen können anhand ihrer evolutiven Ursprünge verstanden werden	767
12.1.3	Proteine können auf verschiedene Arten zwischen den Kompartimenten hin und her wandern	769
12.1.4	Signalsequenzen und Signalflächen dirigieren Proteine zur richtigen zellulären Adresse	771
12.1.5	Die meisten membranumschlossenen Organellen können nicht von Grund auf neu aufgebaut werden: Dazu bedarf es Organell-inhärenter Information	772
	Zusammenfassung	774
12.2	Molekültransport zwischen Zellkern und Cytosol	774
12.2.1	Kernporenkomplexe perforieren die Zellkernhülle	775
12.2.2	Kernlokalisationssignale steuern Kernproteine zum Zellkern	777
12.2.3	Kernimportrezeptoren binden Kernlokalisationssignale und Nucleoporine	778
12.2.4	Der Export aus dem Zellkern heraus verläuft wie der Import, nur in umgekehrter Richtung	779
12.2.5	Die GTPase Ran treibt den gerichteten Transport durch die Kernporenkomplexe	780
12.2.6	Der Transport zwischen Zellkern und Cytosol kann durch die Kontrolle des Zugangs zum Transportapparat reguliert werden	782
12.2.7	Die Zellkernhülle wird während der Mitose auseinander genommen	783
	Zusammenfassung	785
12.3	Molekültransport in das Innere von Mitochondrien und Chloroplasten	785
12.3.1	Translokation in die mitochondriale Matrix ist abhängig von einer Signalsequenz und von Proteintranslokatoren	786
12.3.2	Die Vorstufen mitochondrialer Proteine werden als ungefaltete Polypeptidketten importiert	787
12.3.3	Mitochondriale Vorläuferproteine werden an Kontaktstellen, an denen innere und äußere Membran zusammenkommen, in den Matrixraum importiert	788
12.3.4	ATP-Hydrolyse und ein H⁺-Ionengradient werden genutzt, um den mitochondrialen Proteinimport zu treiben	789
12.3.5	Wiederholte Zyklen der ATP-Hydrolyse durch hsp70-Proteine des Mitochondriums bringen den Importvorgang zu Ende	790
12.3.6	Der Transport von Proteinen in die innere Mitochondrienmembran und den Membranzwischenraum erfordert zwei Signalsequenzen	791
12.3.7	Zwei Signalsequenzen werden benötigt, um Proteine zur Thylakoidmembran des Chloroplasten zu dirigieren	793
	Zusammenfassung	795
12.4	Peroxisomen	795
12.4.1	Peroxisomen verwenden molekularen Sauerstoff und Wasserstoffperoxid zur Durchführung oxidativer Reaktionen	796
12.4.2	Eine kurze Signalsequenz lenkt den Proteinimport von Peroxisomen	798
	Zusammenfassung	798
12.5	Das Endoplasmatische Reticulum	799
12.5.1	An die Membran gebundene Ribosomen definieren das raue Endoplasmatische Reticulum	799
12.5.2	Glattes ER ist in einigen spezialisierten Zellen massenhaft vorhanden	801
12.5.3	Raue und glatte Regionen des Endoplasmatischen Reticulums lassen sich durch Zentrifugation voneinander trennen	803
12.5.4	Signalsequenzen wurden zuerst an Proteinen entdeckt, die in das raue ER importiert werden	804
12.5.5	Eine Signalerkennungspartikel dirigiert ER-Signal"sequenzen zu einem spezifischen Rezeptor in der Membran des rauen ER	805
12.5.6	Die Polypeptidkette wandert durch eine Wasser führende Pore im Translokator	807
12.5.7	Die Translokation durch die ER-Membran erfordert nicht in allen Fällen eine gerade ablaufende Polypeptidkettenverlängerung	808
12.5.8	Die Signalsequenz wird nach dem Membrandurchtritt von den meisten löslichen Proteinen abgetrennt	810
12.5.9	Bei Einpfad-Transmembranproteinen verbleibt eine interne ER-Signalsequenz als durch die Membran reichende -Helix in der Lipid-Doppelschicht	811
12.5.10	Kombinationen von Transfer-Start- und -Stoppsignalen bestimmen die Topologie von Mehrpfad-Transmembranproteinen	813
12.5.11	Translozierte Polypeptidketten nehmen im Lumen des rauen ER ihre endgültige Form an	814
12.5.12	Die meisten am rauen ER synthetisierten Proteine werden durch die kovalente Addition eines universellen N-verknüpften Oligosaccharids glykosyliert	815
12.5.13	Oligosaccharide werden als Markierungen verwendet, um den Faltungszustand eines Proteins zu erkennen	817
12.5.14	Falsch gefaltete Proteine werden aus dem ER exportiert und im Cytosol abgebaut	818
12.5.15	Fehlgefaltete Proteine aktivieren im ER eine Reaktion auf denaturierte Proteine	819
12.5.16	Einige Membranproteine erhalten einen kovalent verknüpften Glykosylphosphatidylinositol-Anker (GPI-Anker)	819
12.5.17	Die meisten Lipid-Doppelschichten der Membranen werden im ER zusammengefügt	821
12.5.18	Phospholipid-Austauschproteine helfen beim Transport von Phospholipiden vom Endoplasmatischen Reticulum zu den Mitochondrien und Peroxisomen	823
	Zusammenfassung	824
	Literatur	825

13	Intrazellulärer Vesikeltransport	827

13.1	Die molekularen Mechanismen des Membrantransports und die Aufrechterhaltung der Mannigfaltigkeit der Kompartimente	829
13.1.1	Es gibt unterschiedliche Formen beschichteter Vesikel	832
13.1.2	Der Aufbau der Clathrinhülle treibt die Vesikelbildung an	833
13.1.3	Das Abknospen und das Zerfallen der Vesikelhülle sind regulierte Vorgänge	835
13.1.4	Nicht alle Transportvesikel sind rund	836
13.1.5	Monomere GTPasen kontrollieren die Hüllbildung	836
13.1.6	SNARE-Proteine und Targeting-GTPasen steuern den Membrantransport	837
13.1.7	Fertige SNARE-Komplexe müssen auseinander genommen werden, damit sie wieder arbeiten können	839
13.1.8	Rab-Proteine unterstützen die Spezifität des Vesikelandockens	839
13.1.9	SNAREs könnten die Membranfusion vermitteln	841
13.1.10	Virale Fusionsproteine und SNAREs könnten gleichartige Strategien benutzen	842
	Zusammenfassung	843
13.2	Transport vom ER durch den Golgi-Apparat	844
13.2.1	Proteine verlassen in COPII beschichteten Transportvesikeln das ER	844
13.2.2	Nur Proteine, die korrekt gefaltet und zusammengelagert sind, können das ER verlassen	845
13.2.3	Der Transport vom ER zum Golgi-Apparat wird von vesikulären tubulären Clustern durchgeführt	846
13.2.4	Der Rückführungsweg zum ER benutzt Sortiersignale	848
13.2.5	Viele Protein werden selektiv in Kompartimenten festgehalten, in denen ihr Arbeitsplatz ist	849
13.2.6	Die Länge des Transmembranbereichs von Golgi-Enzymen bestimmt ihre Lokalisierung in der Zelle	849
13.2.7	Der Golgi-Apparat besteht aus einer geordneten Folge von Kompartimenten	850
13.2.8	Oligosaccharidketten werden im Golgi-Apparat weiterverarbeitet	851
13.2.9	Proteoglykane werden im Golgi-Apparat zusammengesetzt	852
13.2.10	Welchen Zweck hat die Glykosylierung?	853
13.2.11	Die Golgi-Zisternen sind eine geordnete Folge von Prozessierungskompartimenten	855
13.2.12	Der Transport durch den Golgi-Apparat könnte durch Vesikeltransport oder Zisternenreifung vor sich gehen	855
13.2.13	Matrixproteine bilden ein dynamisches Gerüst, das die Organisation des Golgi-Apparats unterstützt	857
	Zusammenfassung	858
13.3	*Transport vom trans-Golgi-Netzwerk zu den Lysosomen*	859
13.3.1	Lysosomen sind die wichtigsten Orte intrazellulärer Verdauungsvorgänge	859
13.3.2	Lysosomen sind nicht einheitlich	859
13.3.3.	Die Vakuolen von Pilz- und Pflanzenzellen sind bemerkenswert vielseitige Organellen	860
13.3.4	Viele Zubringerwege liefern Material an die Lysosomen	861
13.3.5	Ein Mannose-6-phosphat-Rezeptor erkennt lysosomale Proteine im trans-Golgi-Netzwerk	863
13.3.6	Der Mannose-6-phosphat-Rezeptor pendelt zwischen spezifischen Membranen hin und her	863
13.3.7	Ein Signalfleck in der Polypeptidkette der Hydrolase wählt das M6P für die Bindung aus	864
13.3.8	Defekte in der GlcNAc-Phosphotransferase sind Ursache von lysosomalen Speicherkrankheiten beim Menschen	864
13.3.9	Einige Lysosomen können exocytiert werden	865
	Zusammenfassung	866
13.4	Transport von der Plasmamembran ins Zellinnere	866
13.4.1	Spezialisierte phagocytierende Zellen können große Partikel verschlingen	867
13.4.2	Pinocytosevesikel bilden sich in der Plasmamembran aus beschichteten Vertiefungen (Coated Pits)	868
13.4.3	Nicht alle Pinocytosevesikel sind mit Clathrin beschichtet	869
13.4.4	Zellen importieren bestimmte extrazelluläre Makro"moleküle durch Rezeptor vermittelte Endocytose	870
13.4.5	Durch Endocytose aufgenommenes Material, das nicht aus den Endosomen rückgeführt wird, endet in den Lysosomen	872
13.4.6	Spezifische Proteine werden aus den frühen Endosomen entfernt und zur Plasmamembran zurückgebracht	872
13.4.7	Multivesikuläre Körperchen bilden einen Weg zum späten Endosom	874
13.4.8	Makromoleküle können durch Transcytose durch Epithelzellschichten befördert werden	876
13.4.9	Epithelzellen besitzen zwei unterschiedliche frühe Endosomenkompartimente, aber ein gemeinsames spätes Endosomenkompartiment	877
	Zusammenfassung	878
13.5	*Der Transport vom trans-Golgi-Netzwerk zur Zelloberfläche: Exocytose*	879
13.5.1	Viele Proteine werden anscheinend automatisch vom Golgi-Apparat aus zur Zelloberfläche transportiert	879
13.5.2	Sekretionsvesikel knospen vom trans-Golgi-Netzwerk ab	880
13.5.3	Während sich Sekretionsvesikel bilden, werden ihre Proteine oft proteolytisch weiterverarbeitet	882
13.5.4	Sekretionsvesikel warten in der Nähe der Plasmamembran auf das Signal zur Freigabe ihrer Inhaltsstoffe	883
13.5.5	Die regulierte Exocytose kann eine lokale Antwort der Plasmamembran und des unter ihr liegenden Cytoplasmas sein	884
13.5.6	Membranbestandteile von Sekretionsvesikeln werden schnell aus der Plasmamembran entfernt	884
13.5.7	Polarisierte Zellen lenken Proteine vom trans-Golgi-Netzwerk zur richtigen Seite der Plasmamembran	885
13.5.8	Cytoplasmatische Sortiersignale leiten Membranproteine spezifisch zur basolateralen Plasmamembran	885
13.5.9	Lipid-Flöße könnten die Sortierung von Glykosphingolipiden und GPI verankerten Proteinen zur apicalen Oberfläche gewährleisten	886
13.5.10	Synaptische Vesikel entstehen direkt aus Endocytosevesikeln	887
	Zusammenfassung	888
	Literatur	889

14	Energieumwandlung: Mitochondrien und Chloroplasten	891

14.1	Das Mitochondrium	894
14.1.1	Das Mitochondrium enthält eine äußere Membran, eine innere Membran und zwei innere Kompartimente	895
14.1.2	Energiereiche Elektronen werden im Zitronensäurezyklus erzeugt	897
14.1.3	Ein chemiosmotischer Prozess wandelt Oxidationsenergie in ATP um	898
14.1.4	Elektronen werden von NADH auf Sauerstoff durch drei große Atmungsenzymkomplexe übertragen	899
14.1.5	Während sich Elektronen entlang der Atmungskette bewegen, wird Energie in Form eines elektrochemischen Protonengradienten über der inneren Membran gespeichert	900
14.1.6	Wie der Protonengradient die ATP-Synthese antreibt	901
14.1.7	Wie der Protonengradient einen gekoppelten Transport durch die Innenmembran betreibt	902
14.1.8	Die Protonengradienten erzeugen das meiste Zell-ATP	903
14.1.9	Mitochondrien halten ein hohes ATP/ADP-Verhältnis in den Zellen aufrecht	904
14.1.10	Ein hoher negativer Wert von G für die ATP-Hydrolyse fördert den Nutzen von ATP für die Zelle	904
14.1.11	Die ATP-Synthase kann auch umgekehrt ATP hydrolysieren und H⁺ pumpen	905
	Zusammenfassung	907
14.2	Elektronentransportketten und ihre Protonenpumpen	908
14.2.1	Protonen lassen sich ungewöhnlich leicht bewegen	908
14.2.2	Das Redoxpotenzial ist ein Maß für die Elektronenaffinitäten	909
14.2.3	Elektronenübertragungen setzen große Beträge von Energie frei	911
14.2.4	Viele Elektronen-Träger in der Atmungskette sind durch spektroskopische Methoden identifiziert worden	911
14.2.5	Die Atmungskette umfasst drei große Enzymkomplexe, die in die Innenmembran eingebettet sind	913
14.2.6	Ein Eisen--Kupfer-Zentrum in der Cytochrom-Oxidase katalysiert eine effiziente O₂-Reduktion	914
14.2.7	Elektronenübertragungen werden durch zufällige Zusammenstöße in der Mitochondrien-Innenmembran vermittelt	916
14.2.8	Ein großes Gefälle im Redoxpotenzial jedes der drei Atmungsenzymkomplexe sorgt für die Energie zum Pumpen von H⁺	917
14.2.9	Der Mechanismus des Pumpens von H+ wird wohl bald bis in den atomaren Bereich hinein verstanden sein	917
14.2.10	H+-Komplexbildner (Ionophore) entkoppeln den Elektronentransport von der ATP-Synthese	918
14.2.11	Kontrollen in der Atmungskette regulieren normalerweise den Elektronenfluss	919
14.2.12	Natürliche Entkoppler wandeln die Mitochondrien im so genannten "Braunen Fettgewebe" in Heizapparate um	920
14.2.13	Auch Bakterien verwenden chemiosmotische Mechanismen, um Energie zu nutzen	920
	Zusammenfassung	921
14.3	Chloroplasten und Photosynthese	922
14.3.1	Der Chloroplast ist ein Mitglied der Plastidenfamilie von Organellen	923
14.3.2	Chloroplasten ähneln den Mitochondrien, haben aber ein zusätzliches Kompartiment	924
14.3.3	Chloroplasten fangen Energie aus dem Sonnenlicht ein und benutzen sie, um Kohlenstoff zu fixieren	925
14.3.4	Die Kohlenstofffixierung wird durch Ribulosebisphosphat-Carboxylase katalysiert	926
14.3.5	Auf jedes fixierte CO₂-Molekül werden drei Moleküle ATP und zwei Moleküle NADPH verbraucht	927
14.3.6	Bei manchen Pflanzen ist die Kohlendioxidfixierung auf verschiedene Zellräume verteilt, um das Wachstum bei niedrigen CO₂-Konzentrationen zu erleichtern	928
14.3.7	Die Photosynthese ist abhängig von der Photochemie der Chlorophyllmoleküle	929
14.3.8	Ein Photosystem besteht aus einem Reaktionszentrum plus einem Antennenkomplex	930
14.3.9	Durch Chlorophyll eingefangene Lichtenergie erzeugt im Reaktionszentrum einen starken Elektronendonator aus einem schwachen	932
14.3.10	Die nichtzyklische Photophosphorylierung erzeugt sowohl NADPH als auch ATP	932
14.3.11	Chloroplasten können ATP durch zyklische Photophosphorylierung auch ohne NADPH synthetisieren	935
14.3.12	Die Photosysteme I und II haben verwandte Strukturen und ähneln auch den bakteriellen Photosystemen	935
14.3.13	Die protonenmotorische Kraft ist die gleiche in Mitochondrien und Chloroplasten	936
14.3.14	Carrier-Proteine in der Chloroplasten-Innenmembran kontrollieren den Stoffwechselaustausch mit dem Cytosol	937
14.3.15	Die Chloroplasten führen auch andere sehr wichtige Biosynthesen durch	937
	Zusammenfassung	938
14.4	Die genetischen Systeme von Mitochondrien und Plastiden	938
14.4.1	Mitochondrien und Chloroplasten enthalten vollständige genetische Systeme	939
14.4.2	Wachstum und Teilung der Organellen bestimmen die Zahl der Mitochondrien und Plastiden in einer Zelle	940
14.4.3	Die Genome von Mitochondrien und Chloroplasten sind verschiedenartig	942
14.4.4	Mitochondrien und Chloroplasten entwickelten sich wahrscheinlich beide aus endosymbiotischen Bakterien	942
14.4.5	Die Genome der Mitochondrien haben mehrere überraschende Merkmale	944
14.4.6	Tiermitochondrien enthalten die einfachsten bekannten genetischen Systeme	946
14.4.7	Einige Gene von Organellen enthalten Introns	946
14.4.8	Das Chloroplastengenom höherer Pflanzen enthält ungefähr 120 Gene	947
14.4.9	Mitochondriale Gene werden über einen nicht Mendel'schen Mechanismus vererbt	948
14.4.10	Gene der Organellen werden bei vielen Organismen über die Mutter vererbt	950
14.4.11	"petite"-Mutanten in Hefen demonstrieren die überwältigende Bedeutung des Zellkerns für die mitochondriale Biogenese	951
14.4.12	Mitochondrien und Plastide enthalten gewebespezifische Proteine, die im Zellkern codiert sind	952
14.4.13	Die Mitochondrien importieren den größten Teil ihrer Lipide, die Chloroplasten stellen die meisten ihrer eigenen Lipide selbst her	952
14.4.14	Warum haben Mitochondrien und Chloroplasten ihre eigenen genetischen Systeme?	952
	Zusammenfassung	954
14.5	Die Evolution von Elektronentransportketten	954
14.5.1	Die frühesten Zellen erzeugten wahrscheinlich ATP durch Gärung (Fermentation)	955
14.5.2	Elektronentransportketten ermöglichten es den anaeroben Bakterien, nicht fermentierbare Moleküle als Hauptquelle für ihre Energieversorgung zu nutzen	955
14.5.3	Durch Anzapfen einer unerschöpflichen Quelle von Reduktionskraft überwanden photosynthetisierende Bakterien ein Haupthindernis in der Evolution	956
14.5.4	Die photosynthetischen Elektronentransportketten der Cyanobakterien produzierten atmosphärischen Sauerstoff und erlaubten neue Lebensformen	958
	Zusammenfassung	962
	Literatur	963

15	Zellkommunikation	967

15.1	Allgemeine Grundsätze der Zellkommunikation	968
15.1.1	Extrazelluläre Signalmoleküle binden an spezifische Rezeptoren	968
15.1.2	Extrazelluläre Signalmoleküle können über kurze, aber auch über lange Entfernungen wirken	969
15.1.3	Autokrine Signalisierung kann Entscheidungen mithilfe von Gruppen identischer Zellen koordinieren	971
15.1.4	Offene Zellkontakte (Gap Junctions) erlauben den Nachbarzellen die gemeinschaftliche Beteiligung an der Signalinformation	972
15.1.5	Jede Zelle ist für die Beantwortung spezifischer Kombinationen extrazellulärer Signalmoleküle programmiert	972
15.1.6	Unterschiedliche Zellen können auf dasselbe extrazelluläre Signalmolekül unterschiedlich antworten	973
15.1.7	Die Molekülkonzentration kann nur dann schnell angepasst werden, wenn die Lebensdauer des Moleküls kurz ist	974
15.1.8	Stickoxidgas überträgt Signale, indem es direkt an ein Enzym im Innern der Zielzelle bindet	975
15.1.9	Zellkern-Rezeptoren sind ligandenaktivierte Genregulatorproteine	977
15.1.10	Die drei größten Klassen von Zelloberflächen-Rezep"torproteinen sind Ionenkanal gekoppelte, G-Protein gekoppelte und Enzym gekoppelte Rezeptoren	980
15.1.11	Die meisten aktivierten Zelloberflächenrezeptoren übertragen Signale mittels kleiner Moleküle und ein Netzwerk intrazellulärer Signalproteine	981
15.1.12	Einige intrazelluläre Signalproteine wirken als Molekularschalter	983
15.1.13	Intrazelluläre Signalkomplexe vergrößern die Geschwindigkeit, Wirksamkeit und Spezifität der Signalantwort	985
15.1.14	Wechselwirkungen zwischen intrazellulären Signal"proteinen werden durch modulare Bindungsdomänen vermittelt	986
15.1.15	Zellen können abrupt auf eine allmählich ansteigende Konzentration eines extrazellulären Signals reagieren	987
15.1.16	Eine Zelle kann sich an die Wirkung einiger Signale erinnern	989
15.1.17	Zellen können ihre Empfindlichkeit einem Signal anpassen	990
	Zusammenfassung	991
15.2	Signalisieren über G-Protein gekoppelte Zelloberflächen-Rezeptoren	992
15.2.1	Zur Übertragung von Signalen der G-Protein gekoppelten Rezeptoren werden die trimeren G-Proteine in ihre Bestandteile zerlegt	993
15.2.2	Die Signale einiger G-Proteine wirken über die Steuerung der Bildung von cyclischem AMP	994
15.2.3	Die von cyclischem AMP abhängige Proteinkinase (PKA) vermittelt die meisten Wirkungen des cyclischen AMP	997
15.2.4	Proteinphosphatasen begrenzen die Wirkungen von PKA und anderer Proteinkinasen	998
15.2.5	Einige G-Proteine aktivieren den Signalweg von Inositolphospholipid durch Aktivierung der Phospholipase C-	999
15.2.6	Ca²⁺ tritt überall als intrazellulärer Botenstoff auf	1002
15.2.7	Die Frequenz der Ca²⁺-Oszillationen beeinflusst die Antwort einer Zelle	1003
15.2.8	Ca²⁺/Calmodulin-abhängige Proteinkinasen (CaM-Kinasen) vermitteln viele Wirkungen von Ca²⁺ in tierischen Zellen	1004
15.2.9	Einige G-Proteine steuern Ionenkanäle direkt	1006
15.2.10	Geruchssinn und Sehvermögen hängen von G-Protein gekoppelten Rezeptoren ab, die cyclisches Nucleotid kontrollierte Ionenkanäle steuern	1007
15.2.11	Extrazelluläre Signale werden durch Einsatz kleiner intrazellulärer Botenstoffe und enzymatischer Kaskaden deutlich verstärkt	1010
15.2.12	G-Protein-gekoppelte Rezeptordesensibilisierung hängt von Rezeptorphosphorylierung ab	1011
	Zusammenfassung	1012
15.3	Signalisierung über Enzym gekoppelte Zelloberflächen-Rezeptoren	1013
15.3.1	Aktivierte Rezeptor-Tyrosinkinasen phosphorylieren sich selbst	1014
15.3.2	Phosphorylierte Tyrosine dienen als Andockstellen für Proteine mit SH2-Domänen	1017
15.3.3	Ras wird durch einen Guanin-Nucleotidaustauschfaktor aktiviert	1019
15.3.4	Ras aktiviert eine stromabwärts gerichtete Serin/Threonin-Phosphorylierungskaskade, die eine MAP-Kinase enthält	1021
15.3.5	Die PI 3-Kinase erzeugt Andockstellen für Inositolphospholipid in der Plasmamembran	1023
15.3.6	Der Signalweg von PI 3-Kinase/Proteinkinase-B kann Zellen anregen, zu überleben und zu wachsen	1025
15.3.7	Tyrosinkinase assoziierte Rezeptoren hängen in ihrer Aktivität von cytoplasmatischen Tyrosinkinasen ab	1026
15.3.8	Cytokin-Rezeptoren aktivieren den Jak-STAT-Signalweg und sorgen so für eine Schnellstraße zum Kern	1028
15.3.9	Einige Protein-Tyrosinphosphatasen können als Zelloberflächen-Rezeptoren wirken	1031
15.3.10	Signalproteine der TGF--Superfamilie wirken über Rezeptor-Serin/Threoninkinasen und über Smads	1032
15.3.11	Rezeptor-Guanylatcyclasen erzeugen unmittelbar cyclisches GMP	1034
15.3.12	Bakterielle Chemotaxis stützt sich auf einen Zweikomponenten-Signalweg, der durch Histidinkinase-assoziierte Rezeptoren aktiviert wird	1036
	Zusammenfassung	1038
15.4	Signalwege, die von gesteuerter Proteolyse abhängen	1039
15.4.1	Das Rezeptorprotein Notch wird durch Spaltung aktiviert	1039
15.4.2	Wnt-Proteine binden an Frizzled-Rezeptoren und hemmen den Abbau von -Catenin	1041
15.4.3	Hedgehog-Proteine wirken über einen Rezeptorkomplex aus Patched und Smoothened, die einander entgegenwirken	1043
15.4.4	Mehrfache Stressreize und entzündungsfördernde Reize wirken über einen NF-B abhängigen Signalweg	1045
	Zusammenfassung	1046
15.5	Signalisierungsvorgänge in Pflanzen	1047
15.5.1	Vielzelligkeit und Zellkommunikation entwickelten sich unabhängig in Pflanzen und Tieren	1047
15.5.2	Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen wirken in Pflanzen als Zelloberflächen-Rezeptoren	1048
15.5.3	Ethylen aktiviert einen Zweikomponenten-Signalweg	1050
15.5.4	Phytochrome entdecken rotes Licht, und Cryptochrome entdecken blaues Licht	1051
	Zusammenfassung	1053
	Literatur	1053

16	Das Cytoskelett	1055

16.1	Selbstaggregation und dynamische Struktur der Cytoskelettfilamente	1056
16.1.1	Jede Art der Cytoskelettfilamente ist aus kleineren Proteinuntereinheiten aufgebaut	1058
16.1.2	Filamente aus vielen Protofilamenten haben Vorteile	1058
16.1.3	Kristallisation ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Bildung eines Cytoskelettpolymers	1060
16.1.4	Die Tubulin- und Actinuntereinheiten fügen sich Kopf-an-Schwanz zusammen und bilden so polare Filamente	1061
16.1.5	Die beiden Enden eines Mikrotubulus und eines Actinfilaments unterscheiden sich und haben unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeiten	1065
16.1.6	Das Tretmühlenverhalten der Filamente und ihre dynamische Instabilität sind Folgen von Nucleotid"hydrolyse durch Tubulin und Actin	1065
16.1.7	Tretmühlenverhalten und dynamische Instabilität verbrauchen Energie, sind aber nützlich	1069
16.1.8	Auch andere polymere Proteine nutzen Nucleotid"hydrolyse zur Verknüpfung von Konformationsänderung und Zellbewegung	1070
16.1.9	Tubulin und Actin sind über die Evolution hoch konserviert worden	1071
16.1.10	Die Struktur der Intermediärfilamente hängt von lateraler Bündelung und Verdrillung zu Doppelwendeln ab	1073
16.1.11	Intermediärfilamente verleihen tierischen Zellen mechanische Stabilität	1074
16.1.12	Die Polymerisation der Filamente kann durch Wirkstoffe verändert werden	1077
	Zusammenfassung	1079
16.2	Wie Zellen ihre Cytoskelettfilamente regulieren	1079
16.2.1	Die Keimbildung der Mikrotubuli wird durch einen -Tubulin enthaltenden Proteinkomplex bewirkt	1080
16.2.2	In Tierzellen entspringen Mikrotubuli dem Centrosom	1080
16.2.3	Actinfilamente entstehen oft an der Plasmamembran	1082
16.2.4	Die Verlängerung des Filaments wird durch an die freie Untereinheit bindende Proteine kontrolliert	1084
16.2.5	An die Seite von Filamenten bindende Proteine können sie entweder stabilisieren oder destabilisieren	1085
16.2.6	An die Filament-Enden bindende Proteine können die Dynamik der Filamente tief greifend ändern	1088
16.2.7	In Zellen sind Filamente zu Gefügen höherer Ordnung zusammengelagert	1090
16.2.8	Intermediärfilamente werden quer vernetzt und zu festen Gittern gebündelt	1090
16.2.9	Proteine mit unterschiedlichen Quervernetzungs"eigenschaften formen unterschiedliche Aufbauten aus Actinfilamenten	1091
16.2.10	Spaltende Proteine kontrollieren die Länge und das kinetische Verhalten von Actinfilamenten und Mikrotubuli	1095
16.2.11	Elemente des Cytoskeletts können sich an die Plasmamembran anlagern	1096
16.2.12	Spezielle Bündel aus Cytoskelettfilamenten bilden feste Verbindungen über die Plasmamembran: Fokalkontakte, Adhäsionsgürtel und Desmosomen	1098
16.2.13	Extrazelluläre Signale können größere Umordnungen des Cytoskeletts bewirken	1099
	Zusammenfassung	1101
16.3	Molekulare Motoren	1101
16.3.1	An Actin gleitende Motorproteine sind Mitglieder der Myosin-Superfamilie	1102
16.3.2	Es gibt zwei Arten von Motorproteinen an Mikrotubuli: Kinesine und Dyneine	1105
16.3.3	Die Ähnlichkeiten im Aufbau von Myosin und Kinesin deuten auf einen gemeinsamen evolutive Ursprung	1106
16.3.4	Motorproteine erzeugen Kraft durch Koppelung von ATP-Hydrolyse und Konformationsänderung	1107
16.3.5	Die Kinetik der Motorproteine ist an die Zellfunktionen angepasst	1110
16.3.6	Motorproteine übernehmen den intrazellulären Transport von membranumschlossenen Organellen	1111
16.3.7	Die Funktion der Motorproteine kann kontrolliert werden	1113
16.3.8	Muskelkontraktion beruht auf dem Gleiten von Myosin II- und Actinfilamenten	1114
16.3.9	Muskelkontraktionen werden durch einen plötzlichen Anstieg der Ca2+-Konzentration im Cytosol ausgelöst	1118
16.3.10	Der Herzmuskel ist eine Präzisionsmaschine	1120
16.3.11	Cilien und Flagellen sind aus Mikrotubuli und Dyneinen aufgebaute bewegliche Strukturen	1120
	Zusammenfassung	1123
16.4	Cytoskelett und Zellverhalten	1123
16.4.1	Die Mechanismen der Zellpolarisierung können in Hefezellen leicht untersucht werden	1124
16.4.2	Besondere RNA-Moleküle werden durch das Cytoskelett örtlich festgelegt	1126
16.4.3	Viele Zellen können über eine feste Unterlage kriechen	1127
16.4.4	Das Vorstülpen der Plasmamembran wird durch Polymerisation von Actin angetrieben	1128
16.4.5	Adhäsion und Zug ermöglichen es Zellen, sich selbst vorwärts zu ziehen	1131
16.4.6	Äußere Signale können die Richtung der Zellwanderung bestimmen	1133
16.4.7	Die komplexe morphologische Spezialisierung der Nervenzellen beruht auf dem Cytoskelett	1135
	Zusammenfassung	1137
	Literatur	1138

17	Zellzyklus und programmierter Zelltod	1141

17.1	Überblick über den Zellzyklus	1143
17.1.1	Das Zellzyklus-Kontrollsystem arbeitet in allen Eukaryoten ähnlich	1144
17.1.2	Das Zellzyklus-Kontrollsystem kann in Hefen mittels genetischer Methoden zerlegt werden	1145
17.1.3	Das Zellzyklus-Kontrollsystem kann biochemisch mit Hilfe von tierischen Embryonen analysiert werden	1147
17.1.4	Das Zellzyklus-Kontrollsystem von Säugern kann in Zellkultur untersucht werden	1148
17.1.5	Methoden zur Untersuchung des Zellzyklusfortgangs	1149
	Zusammenfassung	1150
17.2	Bestandteile des Zellzyklus-Kontrollsystems	1150
17.2.1	Das Zellzyklus-Kontrollsystem löst die wichtigsten Vorgänge des Zellzyklus aus	1151
17.2.2	Das Kontrollsystem kann den Zellzyklus an bestimmten Kontrollpunkten anhalten	1152
17.2.3	Kontrollpunkte arbeiten mit negativen intrazellulären Signalen	1153
17.2.4	Das Zellzyklus-Kontrollsystem beruht auf periodisch aktivierten Proteinkinasen	1153
17.2.5	Cdk-Aktivität kann sowohl durch hemmende Phosphorylierung als auch durch hemmende Proteine unterdrückt werden	1156
17.2.6	Das Zellzyklus-Kontrollsystem hängt von periodischer Proteolyse ab	1156
17.2.7	Die Zellzykluskontrolle hängt auch von der Regulation der Transkription ab	1157
	Zusammenfassung	1158
17.3	Intrazelluläre Kontrolle der Vorgänge des Zellzyklus	1158
17.3.1	S-Phase-Cyclin-Cdk-Komplexe (S-Cdks) leiten die DNA-Replikation einmal je Zyklus ein	1159
17.3.2	Die Aktivierung von M-Phase-Cyclin-Cdk-Komplexen (M-Cdks) löst den Eintritt in die Mitose aus	1161
17.3.3	Der Eintritt in die Mitose wird durch unvollständige DNA-Replikation blockiert: Der DNA-Replikations-Kontrollpunkt	1162
17.3.4	M-Cdk bereitet die verdoppelten Chromosomen auf die Trennung vor	1163
17.3.5	Die Trennung der Schwesterchromatide wird durch Proteolyse ausgelöst	1164
17.3.6	Die Schwesterchromatide-Trennung wird durch freie Chromosomen verhindert: Der Spindelanheftungs-Kontrollpunkt	1165
17.3.7	Für den Ausgang aus der Mitose muss M-Cdk inaktiviert werden	1166
17.3.8	Die G1-Phase ist ein Zustand dauerhaft fehlender Cdk-Aktivität	1166
17.3.9	Das Rb-Protein wirkt als Bremse in G1-Zellen von Säugetieren	1168
17.3.10	Das Durchlaufen des Zellzyklus wird mit dem Zellwachstum koordiniert	1169
17.3.11	Der Zellzyklus wird durch beschädigte DNA und p53 angehalten: DNA-Schadens-Kontrollpunkte	1170
	Zusammenfassung	1173
17.4	Programmierter Zelltod (Apoptose)	1174
17.4.1	Apoptose wird durch eine intrazelluläre Proteolyse-Kaskade vermittelt	1175
17.4.2	Procaspasen werden durch Bindung an Adapterproteine aktiviert	1176
17.4.3	Proteine der Bcl-2-Familie und die IAP-Proteine sind die wichtigsten intrazellulären Regulatoren des Zelltodprogamms	1178
	Zusammenfassung	1178
17.5	Extrazelluläre Kontrolle von Zellteilung, Zellwachstum und Apoptose	1179
17.5.1	Mitogene regen die Zellteilung an	1179
17.5.2	Zellen können die Teilung verzögern, indem sie in einen spezialisierten Zustand ohne Teilung eintreten	1180
17.5.3	Mitogene stimulieren die Aktivitäten von G1-Cdk und G₁/S-Cdk	1181
17.5.4	Anomale Proliferationssignale verursachen Stillstand des Zellzyklus oder Zelltod	1181
17.5.5	Die Anzahl von Zellteilungen, die Humanzellen durchlaufen können, wird durch eine eingebaute Beschränkung limitiert	1183
17.5.6	Extrazelluläre Wachstumsfaktoren regen das Zellwachstum an	1184
17.5.7	Extrazelluläre Überlebensfaktoren unterdrücken die Apoptose	1185
17.5.8	Benachbarte Zellen stehen im Wettbewerb um extrazelluläre Signalproteine	1187
17.5.9	Viele Typen normaler tierischer Zellen brauchen Halt, um zu wachsen und zu proliferieren	1187
17.5.10	Manche extrazellulären Signalproteine hemmen Zellwachstum, Zellteilung und Zellüberleben	1189
17.5.11	In ausgeklügelter Weise regulierte Zellteilungsmuster formen und erhalten die Gestalt des Körpers	1190
	Zusammenfassung	1191
	Literatur	1192

18	Die Mechanik der Zellteilung	1195

18.1	Ein Überblick über die M-Phase	1196
18.1.1	Cohesine und Condensine unterstützen die Anordnung der replizierten Chromosomen für die Verteilung	1196
18.1.2	Sowohl Mitose als auch Cytokinese werden durch Cytoskelettmaschinen ausgeführt	1198
18.1.3	Zwei Vorgänge stellen sicher, dass die Mitose immer der Cytokinese vorausgeht	1198
18.1.4	Bei Tierzellen hängt die M-Phase von der Verdoppelung des Centrosoms während der vorausgehenden Interphase ab	1199
18.1.5	Traditionell unterteilt man die M-Phase in sechs Schritte	1201
	Zusammenfassung	1205
18.2	Mitose	1206
18.2.1	Die Instabilität der Mikrotubuli vergrößert sich in der M-Phase sehr	1207
18.2.2	Wechselwirkungen zwischen entgegengesetzt orientierten Motorproteinen und Mikrotubuli bewirken die Spindelbildung	1209
18.2.3	Kinetochore heften Chromosomen an die Mitosespindel	1211
18.2.4	Mikrotubuli der Metaphasespindel sind hoch dynamisch	1213
18.2.5	Funktionierende bipolare Spindeln können sich auch um Chromosomen in Zellen ohne Centrosomen bilden	1215
18.2.6	Die Anaphase wird so lange verzögert, bis alle Chromosomen in der Metaphaseplatte ausgerichtet sind	1217
18.2.7	Die Schwesterchromatiden trennen sich sehr plötzlich in der Anaphase	1217
18.2.8	Während der Anaphase A zerfallen die Kinetochor-Mikrotubuli an beiden Enden	1219
18.2.9	Schub- und Zugkräfte tragen zur Anaphase B bei	1220
18.2.10	In der Telophase bildet sich die neue Kernhülle zunächst um die einzelnen Chromosomen	1221
	Zusammenfassung	1221
18.3	Cytokinese	1222
18.3.1	Die Mikrotubuli der Mitosespindel bestimmen in Tierzellen die Teilungsebene	1222
18.3.2	Einige Zellen verlagern ihre Spindel zur asymmetrischen Teilung	1224
18.3.3	Actin und Myosin II des kontraktilen Rings erzeugen die Kräfte für die Cytokinese	1224
18.3.4	Membranumschlossene Organelle müssen während der Cytokinese an die Tochterzellen verteilt werden	1227
18.3.5	Mitose kann ohne Cytokinese vorkommen	1227
18.3.6	Der Phragmoplast leitet die Cytokinese in höheren Pflanzen	1228
18.3.7	Die komplizierte M-Phase höherer Organismen ist stufenweise aus prokaryotischen Teilungsmechanismen hervorgegangen	1229
	Zusammenfassung	1232
	Literatur	1233

Teil V	Zellen in ihrem sozialen Umfeld

19	Zellverbindungen, Zelladhäsion und die extrazelluläre Matrix	1237

19.1	Zell/Zell-Verbindungen	1238
19.1.1	Undurchlässige Verbindungen bilden selektive Permeabilitätsbarrieren über epitheliale Schichten	1239
19.1.2	Ankerverbindungen verbinden das Cytoskelett einer Zelle entweder mit dem der Nachbarzelle oder mit der extrazellulären Matrix	1243
19.1.3	Adhäsionsverbindungen verbinden Actinfilament-Bündel von Zelle zu Zelle	1244
19.1.4	Desmosomen verbinden Intermediärfilamente von Zelle zu Zelle	1245
19.1.5	Ankerverbindungen aus Integrinen binden Zellen an die extrazelluläre Matrix: Fokaladhäsionen und Hemidesmosomen	1246
19.1.6	Gap Junctions erlauben kleinen Molekülen, direkt von Zelle zu Zelle zu gelangen	1248
19.1.7	Das Connexon in Gap Junctions besteht aus sechs transmembranen Connexin-Untereinheiten	1248
19.1.8	Gap Junctions haben unterschiedliche Funktionen	1250
19.1.9	Die Durchlässigkeit der Gap Junctions kann reguliert werden	1250
19.1.10	Plasmodesmata übernehmen in Pflanzen die Funktionen von Gap Junctions	1252
	Zusammenfassung	1253
19.2	Zell/Zell-Adhäsion	1254
19.2.1	In Tieren können Zellen sich an ihrem Aufenthaltsort oder nach einer Zellwanderung zu Geweben zusammenlagern	1254
19.2.2	Vereinzelte Wirbeltierzellen können sich wieder in organisierte Gewebe durch selektive Zell/Zell-Adhäsion zusammen lagern	1255
19.2.3	Cadherine vermitteln die Ca2+-abhängige Zell/Zell-Adhäsion	1256
19.2.4	Cadherine haben eine entscheidende Funktion in der Entwicklung	1257
19.2.5	Cadherine vermitteln die Zell/Zell-Adhäsion über einen homophilen Mechanismus	1258
19.2.6	Cadherine sind mit dem Actin-Cytoskelett über die Catenine verknüpft	1259
19.2.7	Selectine vermitteln vorübergehende Zell/Zell-Adhäsionen im Blutstrom	1260
19.2.8	Die Ca²⁺-unabhängige Zell/Zell-Adhäsion wird von Proteinen der Immunglobulin-Superfamilie vermittelt	1261
19.2.9	Verschiedenartige Zelloberflächenmoleküle vermitteln gemeinsam die gezielte Zell/Zell-Adhäsion	1263
19.2.10	Lockere Kontakte dürften die Zell/Zell-Adhäsion einleiten, die dann durch Zellverbindungen ausgerichtet und stabilisiert wird	1264
	Zusammenfassung	1265
19.3	Die extrazelluläre Matrix von Tieren	1265
19.3.1	Die extrazelluläre Matrix wird von den in ihr liegenden Zellen synthetisiert und geordnet	1266
19.3.2	Glykosaminoglykan-Ketten sind raumerfüllend und bilden hydratisierte Gele	1267
19.3.3	Hyaluronan erleichtert vermutlich die Zellwanderung bei der Morphogenese und Reparatur von Geweben	1268
19.3.4	Proteoglykane bestehen aus Glykosaminoglykan-Ketten, die kovalent an einen Proteinkern gebunden sind	1269
19.3.5	Proteoglykane können die Aktivität sezernierter Proteine regulieren	1270
19.3.6	GAG-Ketten können in der extrazellulären Matrix hoch geordnet vorliegen	1271
19.3.7	Zelloberflächen-Proteoglykane können auch Korezeptor sein	1272
19.3.8	Die Kollagene sind die Hauptproteine der extrazellulären Matrix	1273
19.3.9	Kollagene tragen bei ihrer Sekretion an jedem Ende einen nicht helicalen Abschnitt	1275
19.3.10	Nach ihrer Sekretion werden fibrilläre Prokollagen"moleküle zu Kollagenmolekülen gespalten, die sich dann zu Fibrillen zusammenlagern	1275
19.3.11	Fibrillen-assoziierte Kollagene helfen bei der Organisation der Fibrillen	1277
19.3.12	Zellen können zur Organisation der von ihnen ausgeschiedenen Kollagenfibrillen beitragen, indem sie Zug auf die Matrix ausüben	1278
19.3.13	Elastin verleiht den Geweben ihre Elastizität	1278
19.3.14	Fibronectin ist ein extrazelluläres Protein, das die Zellbindung an die Matrix unterstützt	1280
19.3.15	Es gibt lösliches und fibrilläres Fibronectin	1281
19.3.16	Intrazelluläre Actinfilamente regulieren das Zusammenlagern extrazellulärer Fibronectinfibrillen	1282
19.3.17	Glykoproteine der extrazellulären Matrix unterstützen die Wegefindung bei der Zellwanderung	1282
19.3.18	Basallaminae bestehen vorwiegend aus Kollagen des Typ IV, Laminin, Nidogen und einem Heparansulfat-Proteoglykan	1283
19.3.19	Basallaminae üben unterschiedliche Aufgaben aus	1286
19.3.20	Die extrazelluläre Matrix kann die Form von Zellen, ihr Überleben und ihr Wachstum beeinflussen	1287
19.3.21	Der kontrollierte Abbau von Bestandteilen der Matrix unterstützt die Zellwanderung	1288
	Zusammenfassung	1290
19.4	Integrine	1291
19.4.1	Integrine sind transmembrane Heterodimere	1291
19.4.2	Integrine müssen mit dem Cytoskelett in Wechselwirkung treten, um Zellen an die extrazelluläre Matrix zu binden	1292
19.4.3	Zellen können die Aktivität ihrer Integrine regulieren	1293
16.4.5	Integrine aktivieren intrazelluläre Signalwege	1294
	Zusammenfassung	1296
19.5	Die Pflanzenzellwand	1296
19.5.1	Die Zusammensetzung der Zellwand hängt vom Zelltyp ab	1297
19.5.2	Die Zugfestigkeit der Zellwand erlaubt Pflanzenzellen, einen Turgordruck aufzubauen	1298
19.5.3	Die Primärwand besteht aus Cellulose-Mikrofibrillen, die mit einem Geflecht aus pektischen Polysacchariden verwoben sind	1299
19.5.4	Mikrotubuli bestimmen die Ausrichtung beim Aufbau der Zellwand	1301
	Zusammenfassung	1303
	Literatur	1304

20	Keimzellen und Befruchtung	1307

20.1	Die Vorteile der Sexualität	1307
20.1.1	Bei vielzelligen Tieren und den meisten Pflanzen ist die diploide Phase komplex und lang, die haploide dagegen einfach und kurz	1308
20.1.2	Sexuelle Fortpflanzung bringt Organismen einen Wettbewerbsvorteil in einer Umwelt, die sich unvorhersehbar ändert	1309
	Zusammenfassung	1310
20.2	Meiose	1310
20.2.1	Während der Meiose paaren sich die verdoppelten homologen Chromosomen	1311
20.2.2	Gameten entstehen durch zwei meiotische Zellteilungen	1311
20.2.3	Crossing-over zwischen homologen Nicht-Schwesterchromatiden verstärkt die genetische Neuverteilung	1313
20.2.4	Chiasmata sind wichtig für die Chromosomentrennung bei der Meiose	1314
20.2.5	Die Paarung der Geschlechtschromosomen stellt sicher, dass auch sie sich aufteilen	1316
20.2.6	Die meiotische Chromosomenpaarung erreicht ihren Höhepunkt, wenn der synaptonemale Komplex entsteht	1316
20.2.7	Rekombinationsknoten markieren die Stellen genetischer Rekombination	1317
20.2.8	Genkarten zeigen die bevorzugten Stellen für Crossing-over an	1318
20.2.9	Die Meiose endet mit zwei aufeinander folgenden Teilungen ohne DNA-Replikation	1319
	Zusammenfassung	1320
20.3	Primordiale Keimzellen und Geschlechtsbestimmung bei Säugetieren	1320
20.3.1	Die primordialen Keimzellen wandern in die sich entwickelnde Gonade	1321
20.3.2	Das Sry-Gen auf dem Y-Chromosom kann einen weiblichen Embryo dazu bringen, männlich zu werden	1321
	Zusammenfassung	1324
20.4	Eizellen	1324
20.4.1	Ein Ei ist mit seinen großen Nährstoffreserven und seiner komplizierten Hülle hoch spezialisiert für eine unabhängige Entwicklung	1325
20.4.2	Eier entwickeln sich in Stadien	1325
20.4.3	Oocyten setzen besondere Mechanismen ein, um ihre enorme Größe zu erreichen	1327
	Zusammenfassung	1329
20.5	Spermien	1329
20.5.1	Spermien sind hervorragend angepasst, ihre DNA in eine Eizelle zu befördern	1329
20.5.2	Die meisten Säugetiere bilden kontinuierlich Spermien	1330
	Zusammenfassung	1334
20.6	Befruchtung	1334
20.6.1	Die artspezifische Bindung an die Zona pellucida induziert im Spermium die Akrosomenreaktion	1334
20.6.2	Die Cortexreaktion im Ei stellt sicher, dass nur ein Spermium die Eizelle befruchtet	1336
20.6.3	Über welchen Mechanismus Spermium und Ei verschmelzen, ist noch unbekannt	1337
20.6.4	Das Spermium liefert der Zygote ein Centriol	1338
	Zusammenfassung	1340
	Literatur	1340

21	Die Entwicklung vielzelliger Organismen	1343

21.1	Allgemeine Mechanismen tierischer Entwicklung	1344
21.1.1	Tiere haben einige anatomische Merkmale gemeinsam	1345
21.1.2	Vielzellige Tiere sind angereichert an Proteinen, die Zell-Wechselwirkungen und Genregulation vermitteln	1346
21.1.3	Regulator-DNA bestimmt das Entwicklungsprogramm	1347
21.1.4	Experimente mit Embryonen zeigen die Wechselwirkungen seiner Zellen auf	1349
21.1.5	Studien an mutierten Tieren identifizieren die Gene, die Entwicklungsvorgänge kontrollieren	1350
21.1.6	Eine Zelle trifft Entwicklungsentscheidungen, lange bevor sie eine sichtbare Änderung zeigt	1351
21.1.7	Zellen erinnern sich an Ortskoordinaten, die ihren Platz im Körper widerspiegeln	1352
21.1.8	Asymmetrische Zellteilung kann zu verschiedenartigen Tochterzellen führen	1353
21.1.9	Induktive Wechselwirkungen können systematische Unterschiede zwischen ursprünglich gleichartigen Zellen herbeiführen	1354
21.1.10	Morphogene sind Induktoren mit großer Reichweite, die graduelle Effekte zeitigen	1355
21.1.11	Extrazelluläre Inhibitoren von Signalmolekülen bilden die Reaktion auf einen Induktor	1356
21.1.12	Innenprogramme einer Zelle definieren oft den zeitlichen Verlauf ihrer Entwicklung	1357
21.1.13	Anfangsmuster werden in kleinen Zellgruppen angelegt und durch auf einander folgende Induktionsereignisse im Verlauf des Embryowachstums verfeinert	1357
	Zusammenfassung	1358
21.2	Caenorhabditis elegans: Entwicklung aus der Perspektive einer Einzelzelle	1359
21.2.1	Caenorhabditis elegans ist anatomisch einfach	1360
21.2.2	Zellschicksale im sich entwickelnden Fadenwurm sind beinahe perfekt vorhersagbar	1360
21.2.3	Die Produkte maternaler Effektor-Gene organisieren die asymmetrische Teilung des Eies	1361
21.2.4	Zunehmend komplexere Muster werden durch Zell/Zell-Wechselwirkungen erzeugt	1363
21.2.5	Mikrochirurgie und Genetik enthüllen die Logistik der Entwicklungskontrolle, Genklonierung und Sequenzierung erschließen ihre molekularen Mechanismen	1364
21.2.6	Zellen verändern mit der Zeit ihre Empfänglichkeit für Entwicklungssignale	1365
21.2.7	Heterochrone Gene kontrollieren den zeitlichen Verlauf der Entwicklung	1365
21.2.8	Zellen zählen keine Teilungen, um den zeitlichen Ablauf ihres inneren Programmes zu bestimmen	1366
21.2.9	Ausgewählte Zellen sterben durch Apoptose als Teil ihres Entwicklungsprogrammes	1367
	Zusammenfassung	1367
21.3	Drosophila und die molekulare Genetik der Musterbildung: Genese des Körperbauplans	1368
21.3.1	Der Insektenkörper wird aus einer Reihe von Segmenten aufgebaut	1369
21.3.2	Drosophila beginnt ihre Entwicklung als Syncytium	1371
21.3.3	Genetische Durchmusterungen legen Gengruppen fest, die für spezifische Aspekte der frühen Musterbildung erforderlich sind	1372
21.3.4	Interaktionen der Oocyte mit ihrer Umgebung definieren die Achsen des Embryos: Die Rolle der Ei-Polaritäts-Gene	1374
21.3.5	Die Dorsoventral-Signal-Gene erzeugen einen Gradienten eines Genregulatorproteins im Zellkern	1375
21.3.6	Dpp und Sog bilden einen zweiten Morphogen-Gradienten aus, der das Muster im dorsalen Teil des Embryos verfeinert	1377
21.3.7	Die Dorsoventralachse der Insekten entspricht der Ventrodorsalachse der Wirbeltiere	1377
21.3.8	Drei Klassen von Segmentierungs-Genen verfeinern das maternale anteroposteriore Muster und unterteilen den Embryo	1378
21.3.9	Die örtliche Expression von Segmentierungs-Genen wird durch eine Hierarchie von Positionssignalen reguliert	1379
21.3.10	Die modulare Natur der regulatorischen DNA erlaubt Genen, mehrere, unabhängig kontrollierbare Funktionen auszuüben	1380
21.3.11	Eipolaritäts-, Lücken- und Paarregel-Gene schaffen ein transientes Muster, an das sich andere Gene erinnern	1382
	Zusammenfassung	1383
21.4	Homöotische Auswahl-Gene und die Untergliederung der anteroposterioren Achse	1384
21.4.1	Der HOX-Code spezifiziert anteroposteriore Unterschiede	1384
21.4.2	Homöotische Auswahl-Gene codieren für DNA bindende Proteine, die mit anderen genregulierenden Proteinen wechselwirken	1385
21.4.3	Die homöotischen Auswahl-Gene werden nacheinander exprimiert, gemäß ihrer Anordnung im Hox-Komplex	1386
21.4.4	Der Hox-Komplex trägt eine Daueraufzeichnung der positionellen Information	1387
21.4.5	Auch bei Wirbeltieren wird die anteroposteriore Achse von Hox-Auswahl-Genen kontrolliert	1388
	Zusammenfassung	1391
21.5	Organogenese und die Musterbildung von Körperanhängen	1391
21.5.1	Konditionale und induzierte somatische Mutationen ermöglichen die Analyse von Genfunktionen in der Spätentwicklung	1392
21.5.2	Teile des adulten Fliegenkörpers entwickeln sich aus Imaginalscheiben	1393
21.5.3	Homöotische Auswahl-Gene sind notwendig für das Erinnern der Positionsinformation in den Zellen der Imaginalscheiben	1395
21.5.4	Spezifische Regulator-Gene definieren die Zellen, die ein Anhangsgebilde ausbilden werden	1396
21.5.5	Die Flügel-Imaginalscheibe eines Insekts ist in Kompartimente unterteilt	1396
21.5.6	Vier bekannte Signaltransduktionswege arbeiten zusammen, um die Musterbildung des Flügels zu ermöglichen: Wingless, Hedgehog, Dpp und Notch	1398
21.5.7	Die Größe jedes Kompartiments wird durch Wechselwirkung zwischen seinen Zellen reguliert	1399
21.5.8	Ähnliche Mechanismen geben Wirbeltiergliedmaßen ihr Muster	1400
21.5.9	Die lokal begrenzte Expression spezifischer Klassen genregulierender Proteine geht der Zelldifferenzierung voraus	1401
21.5.10	Lateralhemmung wählt sensorische Ausgangszellen innerhalb proneuraler Zellhaufen aus	1403
21.5.11	Lateralhemmung treibt die Nachkommenschaft der sensorischen Mutterzelle in unterschiedliche Endschicksale	1403
21.5.12	Die Planarpolarität von asymmetrischen Teilungen wird durch Signalgebung durch den Rezeptor Frizzled kontrolliert	1405
21.5.13	Lateralhemmung und asymmetrische Teilung arbeiten bei der Regulation der Neurogenese überall im Körper zusammen	1406
21.5.14	Notch-Signalisierung reguliert das feinkörnige Muster differenzierter Zelltypen in vielen verschiedenen Geweben	1407
21.5.15	Einige Regulator-Gene mit Schlüsselfunktion legen einen Zelltyp fest, andere können das Programm für die Bildung eines ganzes Organs aktivieren	1408
	Zusammenfassung	1408
21.6	Zellbewegungen und die Ausformung des Wirbeltierkörpers	1409
21.6.1	Die Polarität des Amphibienembryos ist abhängig von der Polarität des befruchteten Eies	1410
21.6.2	Die Furchung erzeugt viele Zellen aus einer	1411
21.6.3	Die Gastrulation verwandelt eine Hohlkugel aus Zellen in eine dreischichtige Struktur mit einem Urdarm	1412
21.6.4	Die Gastrulationsbewegungen sind präzise vorhersagbar	1413
21.6.5	Chemische Signale lösen die mechanischen Vorgänge aus	1414
21.6.6	Aktive Änderungen der Zellpackung liefern die Triebkraft für die Gastrulation	1415
21.6.7	Sich verändernde Muster von Zelladhäsionsmolekülen zwingen Zellen in neue Anordnungen	1416
21.6.8	Die Chorda dorsalis verlängert sich, während sich die Neuralplatte zum Neuralrohr einrollt	1417
21.6.9	Ein Genexpressions-Oszillator kontrolliert die Segmentierung des Mesoderms zu Somiten	1418
21.6.10	Embryonale Gewebe werden in einer streng kontrollierten Weise durch Wanderzellen besiedelt	1419
21.6.11	Die Verteilung von Wanderzellen hängt von Überlebensfaktoren und von Lenkungssignalen ab	1421
21.6.12	Die Links/Rechts-Asymmetrie des Wirbeltierkörpers leitet sich von molekularen Asymmetrien im frühen Embryo ab	1422
	Zusammenfassung	1423
21.7	Die Maus	1424
21.7.1	Die Säugetierentwicklung beginnt mit einer speziellen Präambel	1425
21.7.2	Der frühe Säugetierembryo ist hochgradig regulativ	1426
21.7.3	Aus einem Säugetierembryo können totipotente embryonale Stammzellen gewonnen werden	1427
21.7.4	Wechselwirkungen zwischen Epithel und Mesenchym erzeugen sich verzweigende, tubuläre Strukturen	1428
	Zusammenfassung	1429
21.8	Neuronale Entwicklung	1430
21.8.1	Neuronen werden gemäß Zeit und Ort ihrer Entstehung verschiedene Eigenschaften zugewiesen	1432
21.8.2	Die Wesensart, die einem Neuron bei seiner Geburt zugewiesen wird, bestimmt die Verbindungen, die es ausbilden wird	1432
21.8.3	Jedes Axon oder jeder Dendrit erweitert sich vermittels eines Wachstumskegels an seiner Spitze	1435
21.8.4	Der Wachstumskegel lotst den sich entwickelnden Neuriten in vivo einen präzise definierten Pfad entlang	1436
21.8.5	Wachstumskegel können ihre Empfindlichkeiten ändern, während sie wandern	1437
21.8.6	Zielgewebe setzen neurotrophe Faktoren frei, die das Nervenzellwachstum und Überleben kontrollieren	1438
21.8.7	Neuronale Spezifität lenkt die Bildung wohl geordneter neuraler Karten	1439
21.8.8	Axone aus verschiedenen Regionen der Retina reagieren verschieden auf einen Gradienten abstoßender Moleküle im Tectum	1441
21.8.9	Diffuse Muster synaptischer Verbindungen werden durch aktivitätsabhängige Umbildungen verschärft	1442
21.8.10	Erfahrung modelliert das Muster synaptischer Verbindungen im Gehirn	1444
21.8.11	Das Erwachsenengedächtnis und die Synapsenumbildung während der Entwicklung hängen möglicherweise von ähnlichen Mechanismen ab	1445
	Zusammenfassung	1446
21.9	Die Entwicklung von Pflanzen	1447
21.9.1	Arabidopsis dient als Modellorganismus für die Pflanzenmolekulargenetik	1448
21.9.2	Das Arabidopsis-Genom ist reich an Entwicklungs-Kontroll-Genen	1448
21.9.3	Die embryonale Entwicklung beginnt mit der Aufrichtung einer Wurzel-Spross-Achse und kommt dann im Samen zum Stillstand	1451
21.9.4	Die Teile einer Pflanze werden in zeitlicher Folge von Meristemen erzeugt	1452
21.9.5	Die Entwicklung des Keimlings hängt von Umweltsignalen ab	1453
21.9.6	Die Formbildung jeder neuen Struktur hängt von gerichteter Zellteilung und -erweiterung ab	1453
21.9.7	Jeder Pflanzenmodul wächst aus einem mikroskopischen Satz von Primordien in einem Meristem	1457
21.9.8	Zell/Zell-Signale erhalten das Meristem	1458
21.9.9	Regulatorische Mutationen können die Pflanzentopologie durch Änderung des Zellverhaltens im Meristem umwandeln	1459
21.9.10	Weit reichende Hormonsignale koordinieren Entwicklungsereignisse in getrennten Teilen der Pflanze	1461
21.9.11	Homöotische Auswahl-Gene spezifizieren die Teile einer Blüte	1462
	Zusammenfassung	1465
	Literatur	1466

22	Histologie: Leben und Sterben von Zellen im Gewebe	1469

22.1	Die Epidermis und ihre Erneuerung durch Stammzellen	1469
22.1.1	Epidermiszellen bilden eine mehrlagige, wasserfeste Barriere	1471
22.1.2	Epidermiszellen synthetisieren während ihrer Differenzierung und Reifung unterschiedliche Keratine	1472
22.1.3	Die Epidermis wird aus Stammzellen erneuert, die in ihrer Basalschicht liegen	1472
22.1.4	Die beiden Tochterzellen einer Stammzelle müssen sich nicht immer unterschiedlich entwickeln	1473
22.1.5	Die Basalschicht enthält sowohl Stammzellen als auch sich vermehrende Übergangszellen	1474
22.1.6	Die Erneuerung der Epidermis wird von vielen interagierenden Signalen geregelt	1476
22.1.7	Die Brustdrüse durchläuft Zyklen von Weiterentwicklung und Rückbildung	1476
	Zusammenfassung	1478
22.2	Sinnesepithelien	1479
22.2.1	Riechsinneszellen werden kontinuierlich ersetzt	1479
22.2.2	Haarzellen des Ohres müssen ein Leben lang halten	1480
22.2.3	Die dauerhaftesten Zellen erneuern ihre Bestandteile: Die Photorezeptoren der Retina	1481
	Zusammenfassung	1484
22.3	Die Atemwege und der Verdauungstrakt	1484
22.3.1	Nebeneinander liegende Zelltypen arbeiten in den Alveoli der Lungen zusammen	1484
22.3.2	Becherzellen, Cilienzellen und Makrophagen arbeiten zusammen, um die Atemwege sauber zu halten	1485
22.3.3	Die Darmschleimhaut erneuert sich schneller als jedes andere Gewebe	1486
22.3.4	Komponenten des Wnt-Signalübertragungswegs sind zur Aufrechterhaltung der Darmstammzell-Population nötig	1489
22.3.5	Die Leber funktioniert als Schnittstelle zwischen Verdauungstrakt und Blut	1489
22.3.6	Leberzellverlust stimuliert Leberzellproliferation	1490
	Zusammenfassung	1491
22.4	Blutgefäße und Endothelzellen	1492
22.4.1	Endothelzellen kleiden alle Blutgefäße aus	1492
22.4.2	Neue Endothelzellen werden durch einfache Verdopplung bestehender Endothelzellen gebildet	1493
22.4.3	Neue Kapillaren bilden sich durch Sprossung	1494
22.4.4	Angiogenese wird von Faktoren kontrolliert, die von den umliegenden Geweben freigesetzt werden	1495
	Zusammenfassung	1497
22.5	Erneuerung durch pluripotente Stammzellen: Bildung der Blutzellen	1497
22.5.1	Die drei Gruppen von weißen Blutkörperchen: Granulocyten, Monocyten und Lymphocyten	1498
22.5.2	Die Bildung eines jeden Blutzelltyps im Knochenmark wird individuell kontrolliert	1500
22.5.3	Die Blut bildenden Stammzellen sitzen im Knochenmark	1501
22.5.4	Eine pluripotente Stammzelle erzeugt alle Klassen von Blutzellen	1503
22.5.5	Die Determinierung geschieht stufenweise	1504
22.5.6	Die Anzahl spezialisierter Blutzellen erhöht sich durch Teilung determinierter Vorläuferzellen	1505
22.5.7	Stammzellen brauchen Kontaktsignale aus den Stromazellen	1506
22.5.8	Faktoren, die die Blutbildung kontrollieren, können in Kultur untersucht werden	1506
22.5.9	Die Erythropoiese hängt von dem Hormon Erythropoietin ab	1507
22.5.10	Viele CSFs beeinflussen die Bildung von Neutrophilen und Makrophagen	1508
22.5.11	Das Verhalten einer Blut bildenden Zelle hängt teilweise vom Zufall ab	1509
22.5.12	Die Regulation des Überlebens einer Zelle ist genauso wichtig wie die Regulation ihrer Vermehrung	1510
	Zusammenfassung	1511
22.6	Entstehung, Anpassung und Neubildung von Zellen der Skelettmuskulatur	1511
22.6.1	Neue Skelettmuskelfasern entstehen durch Verschmelzung von Myoblasten	1513
22.6.2	Muskelzellen können ihre Eigenschaften verändern, indem sie ihre Protein-Isoformen wechseln	1514
22.6.3	Skelettmuskelfasern scheiden Myostatin aus, um ihr Wachstum selbst zu begrenzen	1514
22.6.4	Einige Myoblasten überdauern als ruhende Stammzellen im Erwachsenen	1515
	Zusammenfassung	1516
22.7	Fibroblasten und ihre Abkömmlinge: Die Familie der Bindegewebszellen	1516
22.7.1	Fibroblasten verändern ihre Eigenschaften als Reaktion auf chemische Signale	1517
22.7.2	Die extrazelluläre Matrix kann durch Einwirkung auf Zellgestalt und -anheftung die Differenzierung der Bindegewebszellen beeinflussen	1518
22.7.3	Fettzellen können sich aus Fibroblasten entwickeln	1518
22.7.4	Von Fettzellen ausgeschiedenes Leptin bewirkt eine negative Rückkopplung, um das Essverhalten zu steuern	1519
22.7.5	Knochen wird ständig von den Zellen in seinem Inneren umgebaut	1520
22.7.6	Osteoblasten bauen Knochenmatrix auf, während Osteoclasten sie abtragen	1521
22.7.7	Während der Entwicklung wird Knorpel von Osteoclasten abgebaut, um Platz für den Knochen zu schaffen	1524
	Zusammenfassung	1525
22.8	Stammzell-Engineering	1525
22.8.1	ES-Zellen lassen sich zur Herstellung von beliebigen Körperteilen verwenden	1526
22.8.2	Populationen epidermaler Stammzellen können zur Ausbesserung von Geweben in Kultur vermehrt werden	1527
22.8.3	Neurale Stammzellen können das Zentralnervensystem neu besiedeln	1527
22.8.4	Die Stammzellen aus erwachsenen Geweben könnten vielseitiger sein, als man denkt	1528
	Zusammenfassung	1529
	Literatur	1530

23	Krebs	1533

23.1	Krebs als Mikro-Evolutionsprozess	1533
23.1.1	Krebszellen vermehren sich ohne Beschränkungen und besiedeln fremde Gewebe	1534
23.1.2	Die meisten Tumoren stammen von einer einzigen anormalen Zelle ab	1536
23.1.3	Krebs als Folge somatischer Mutation	1537
23.1.4	Eine einzige Mutation reicht zur Krebsentstehung nicht aus	1537
23.1.5	Krebs entwickelt sich in langsamen Schritten aus leicht gestörten Zellen	1538
23.1.6	An der Tumorprogression sind mehrere Zyklen von Mutation und natürlicher Auslese beteiligt	1541
23.1.7	Die meisten menschlichen Krebszellen sind genetisch instabil	1542
23.1.8	Krebsartiges Wachstum hängt oft von einer gestörten Kontrolle über Zelltod oder Zelldifferenzierung ab	1544
23.1.9	Viele Krebszellen umgehen die in eine Zelle eingebaute Vermehrungsgrenze	1545
23.1.10	Um Metastasen zu bilden, müssen Krebszellen in einer fremden Umgebung überleben und wachsen	1546
23.1.11	Sechs grundlegende Eigenschaften erlauben Zellen krebsartiges Wachstum	1548
	Zusammenfassung	1548
23.2	Die vermeidbaren, exogenen Ursachen von Krebs	1549
23.2.1	Viele, aber nicht alle, Krebs verursachenden Agenzien schädigen die DNA	1550
23.2.2	Die Krebsentstehung kann auch durch Faktoren begünstigt werden, die die DNA-Sequenz der Zelle nicht verändern	1552
23.2.3	Viren und andere Infektionen tragen signifikant zu Krebserkrankungen beim Menschen bei	1553
23.2.4	Die Identifizierung von Carcinogenen hilft Krebs zu vermeiden	1554
	Zusammenfassung	1556
23.3	Das Auffinden krebskritischer Gene	1557
23.3.1	Für die Identifizierung von Funktionsgewinn- und Funktionsverlust-Mutationen verwendet man unterschiedliche Methoden	1557
23.3.2	Onkogene identifiziert man durch ihre dominante, transformierende Wirkung	1558
23.3.3	Tumorsuppressorgene können zuweilen durch Untersuchung seltener erblicher Krebssyndrome gefunden werden	1560
23.3.4	Tumorsuppressorgene können auch ohne Hinweise aus erblichen Krebssyndromen identifiziert werden	1561
23.3.5	Gene, die bei Krebs mutiert sind, können auf vielen Wegen über- oder interaktiviert werden	1562
23.3.6	Die Suche nach krebskritischen Genen geht weiter	1564
	Zusammenfassung	1565
23.4	Die molekulare Grundlage des Verhaltens von Krebszellen	1566
23.4.1	Untersuchungen an Embryonen und transgenen Mäusen helfen, die Funktionen krebskritischer Gene aufzudecken	1566
23.4.2	Viele krebskritische Gene kontrollieren die Zellteilung	1568
23.4.3	Mutationen in Genen, die Apoptose regulieren, erlauben es der Zelle, den Selbstmord zu umgehen	1570
23.4.4	Mutationen im p53-Gen ermöglichen Krebszellen, trotz eines DNA-Schadens zu überleben und sich zu vermehren	1570
23.4.5	DNA-Tumorviren aktivieren den DNA-Replikationsapparat der Zelle, indem sie die Wirkung wichtiger Tumorsuppressorgene hemmen	1572
23.4.6	Telomerenverkürzung kann beim Menschen den Weg zu Krebs ebnen	1574
23.4.7	In einer Population Telomerase defizienter Zellen öffnet der Verlust von p53 ein einfach passierbares Tor zum Krebs	1575
23.4.8	Mutationen, die zur Metastasenbildung führen, geben immer noch Rätsel auf	1576
23.4.9	Dickdarmkrebs entsteht langsam in einer Abfolge erkennbarer Strukturveränderungen	1578
23.4.10	Einige wenige, aber wichtige genetische Schäden häufen sich in der Mehrzahl der Dickdarmkrebsfälle	1579
23.4.11	Störungen in der Reparatur von DNA-Fehlpaarungen führen auch zum Dickdarmkrebs	1581
23.4.12	Die Schritte der Tumorprogression können mit spezifischen Mutationen korreliert werden	1582
23.4.13	Jeder Krebsfall ist durch eine eigene Kombination genetischer Schäden gekennzeichnet	1583
	Zusammenfassung	1583
23.5	Die Behandlung von Krebs: heute und in Zukunft	1584
23.5.1	Die Suche nach Heilungsmethoden für Krebs ist schwierig, aber nicht aussichtslos	1584
23.5.2	Derzeitige Therapien nutzen den Verlust über die Zellzykluskontrolle und die genetische Instabilität der Krebszellen	1585
23.5.3	Krebs kann Resistenz gegen Therapien entwickeln	1585
23.5.4	Neue Therapien entstehen aus unserem Wissen über die Krebsbiologie	1586
23.5.5	Strategien zum Angriff auf Zellen, denen p53 fehlt, können gezielt geplant werden	1587
23.5.6	Entzug der Blutzufuhr zu den Krebszellen kann Tumorwachstum ersticken	1587
23.5.7	Man kann Arzneistoffmoleküle entwerfen, die auf spezifische onkogene Proteine abzielen	1588
23.5.8	Das Verständnis der Krebsbiologie führt zu rationalen, maßgeschneiderten Behandlungen	1589
	Zusammenfassung	1590
	Literatur	1591

24	Das adaptive Immunsystem	1593

24.1	Lymphocyten und die zellulären Grundlagen der adaptiven Immunität	1595
24.1.1	Lymphocyten sind die Träger der adaptiven Immunität	1596
24.1.2	Das angeborene und das adaptive Immunsystem arbeiten Hand in Hand	1596
24.1.3	B-Lymphocyten entwickeln sich im Knochenmark, T-Lymphocyten im Thymus	1598
24.1.4	Das adaptive Immunsystem funktioniert durch klonale Selektion	1599
24.1.5	Die meisten Antigene stimulieren viele verschiedene Lymphocyten-Klone	1601
24.1.6	Immunologisches Gedächtnis beruht sowohl auf klonaler Expansion als auch auf der Differenzierung der Lymphocyten	1601
24.1.7	Erworbene immunologische Toleranz sichert, dass "Selbst"-Antigene nicht angegriffen werden	1602
24.1.8	Lymphocyten patrouillieren ständig durch die peripheren Lymphorgane	1605
	Zusammenfassung	1607
24.2	B-Zellen und Antikörper	1607
24.2.1	B-Zellen produzieren Antikörper als Zelloberflächen-Rezeptoren und als sezernierte Moleküle	1608
24.2.2	Antikörper haben zwei identische Antigen-Bindungsstellen	1608
24.2.3	Ein Antikörpermolekül setzt sich aus schweren und leichten Ketten zusammen	1609
24.2.4	Es gibt fünf Klassen von schweren Ketten, jede mit einer anderen biologischen Funktion	1609
24.2.5	Die Stärke der Antigen-Antikörper-Wechselwirkung ist durch Affinität und Zahl der Bindungsstellen bedingt	1614
24.2.6	Leichte und schwere Ketten bestehen aus konstanten und variablen Regionen	1615
24.2.7	Leichte und schwere Ketten sind in mehrere Ig-Domänen gefaltet	1616
24.2.8	Eine Antigen-Bindungsstelle wird aus hypervariablen Schleifen aufgebaut	1617
	Zusammenfassung	1618
24.3	Die Entstehung der Antikörpervielfalt	1619
24.3.1	Während der B-Zell-Entwicklung werden die Antikörper-Gene aus einzelnen Gensegmenten zusammengesetzt	1619
24.3.2	Jede V-Region wird von mehr als einem Gensegment codiert	1620
24.3.3	Ungenauigkeiten bei der Verknüpfung der Gensegmente erhöhen die Vielfalt der V-Regionen stark	1622
24.3.4	Antigen selektionierte, somatische Hypermutation sorgt für die Feinabstimmung der Antikörper-Antwort	1623
24.3.5	Die Kontrolle der V(D)J-Vereinigung stellt sicher, das B-Zellen monospezifisch sind	1624
24.3.6	Nach der Aktivierung durch ihr Antigen schaltet die B-Zelle von der Bildung ihres membrangebundenen Antikörpers auf die sezernierte Form des gleichen Antikörpers um	1625
24.3.7	B-Zellen können die Antikörperklasse, die sie exprimieren, wechseln	1626
	Zusammenfassung	1627
24.4	T-Zellen und MHC-Proteine	1628
24.4.1	T-Zell-Rezeptoren sind Antikörper ähnliche Heterodimere	1628
24.4.2	T-Zellen werden von Antigen präsentierenden Zellen aktiviert	1630
24.4.3	Cytotoxische T-Lymphocyten induzieren den Selbstmord infizierter Zellen	1630
24.4.4	Helfer-T-Zellen aktivieren Makrophagen, B-Zellen und cytotoxische T-Lymphocyten	1632
24.4.5	T-Zellen erkennen an MHC-Proteine gebundene Fremd-Peptide	1633
24.4.6	Die MHC-Proteine wurden bei Transplantations"reaktionen entdeckt, lange bevor ihre eigentliche Funktion erkannt wurde	1634
24.4.7	Klasse-I- und Klasse-II-MHC-Proteine sind strukturell verwandte Heterodimere	1635
24.4.8	Ein MHC-Protein bindet ein Peptid und daraufhin einen T-Zell-Rezeptor	1636
24.4.9	Die MHC-Proteine dirigieren die T-Zellen zu ihren Zielzellen	1639
24.4.10	CD4- und CD8-Korezeptoren binden an nicht variable Teile der MHC-Proteine	1640
24.4.11	Cytotoxische T-Lymphocyten erkennen Peptide aus fremden, cytoplasmatischen Proteinen im Verbund mit Klasse-I-MHC-Proteinen	1641
24.4.12	Helfer-T-Zellen erkennen Peptide aus fremden, endocytierten Proteinen im Verbund mit Klasse-II-MHC-Proteinen	1643
24.4.13	Möglicherweise nützliche T-Zellen werden im Thymus positiv ausgelesen	1645
24.4.14	Im Thymus sterben viele junge T-Zellen, die von "Selbst"-Peptiden aktiviert werden könnten	1646
24.4.15	Die biologische Funktion der MHC-Proteine erklärt ihren Polymorphismus	1647
	Zusammenfassung	1648
24.5	Aktivierung von Helfer-T-Zellen und Lymphocyten	1649
24.5.1	Kostimulatorische Proteine auf den Antigen präsen"tierenden Zellen helfen, T-Zellen zu aktivieren	1649
24.5.2	Der Subtyp der Helfer-T-Zelle bestimmt die Art der adaptiven Immunantwort	1652
24.5.3	T_H1-Zellen aktivieren Makrophagen am Infektionsherd	1654
24.5.4	Antigenbindung liefert das Signal 1 für B-Zellen	1656
24.5.5	Helfer-T-Zellen liefern das Signal 2 für B-Zellen	1658
24.5.6	Viele Erkennungsmoleküle des Immunsystems gehören einer sehr alten Großfamilie an	1660
	Zusammenfassung	1661
	Literatur	1662

25	Krankheitserreger, Infektion und angeborene Immunität	1665

25.1	Einführung in die Krankheitserreger	1666
25.1.1	Pathogene haben spezifische Mechanismen entwickelt, um mit ihren Wirten in Wechselwirkung zu treten	1666
25.1.2	Die Symptome einer Infektion können durch den Erreger oder durch die Antworten des Wirts verursacht werden	1667
25.1.3	Krankheitserreger unterscheiden sich phylogenetisch	1667
25.1.4	Bakterielle Pathogene besitzen spezialisierte Virulenz-Gene	1669
25.1.5	Pilze und parasitische Protozoen haben komplexe Lebenszyklen mit unterschiedlichen Erscheinungsformen	1673
25.1.6	Viren benutzen die Maschinerie der Wirtszelle, um sich zu vermehren	1673
25.1.7	Prionen sind infektiöse Proteine	1677
	Zusammenfassung	1678
25.2	Zellbiologie der Infektion	1678
25.2.1	Pathogene durchbrechen Schutzbarrieren, um den Wirt zu besiedeln	1678
25.2.2	Pathogene, die Epithelien besiedeln, müssen verhindern, dass der Wirt sie beseitigt	1679
25.2.3	Intrazelluläre Pathogene besitzen Mechanismen, um in Wirtszellen einzudringen und sie wieder zu verlassen	1682
25.2.4	Viren binden an Moleküle auf der Oberfläche der Wirtszelle	1682
25.2.5	Viren dringen durch Membranfusion, Porenbildung oder Membranbeschädigung in Wirtszellen ein	1683
25.2.6	Bakterien dringen über Phagocytose in Wirtszellen ein	1685
25.2.7	Intrazelluläre Parasiten dringen aktiv in Wirtszellen ein	1687
25.2.8	Viele Pathogene verändern den Membrantransport in der Wirtszelle	1689
25.2.9	Viren und Bakterien verwenden das Cytoskelett der Wirtszelle, um sich intrazellulär fortzubewegen	1692
25.2.10	Viren nutzen den Stoffwechsel ihrer Wirtszelle aus	1695
25.2.11	Krankheitserreger können das Verhalten des Wirtsorganismus ändern, um ihre Verbreitung zu erleichtern	1695
25.2.12	Die Evolution von Krankheitserregern verläuft sehr schnell	1697
25.2.13	Arzneimittelresistente Erreger stellen ein immer größeres Problem dar	1699
	Zusammenfassung	1700
25.3	Angeborene Immunität	1701
25.3.1	Epithelien helfen dabei, Infektionen zu verhüten	1701
25.3.2	Menschenzellen erkennen konservierte Merkmale von Pathogenen	1702
25.3.3	Die Komplementaktivierung führt zur Phagocytose oder Lyse von Pathogenen	1704
25.3.4	Toll-like-Proteine sind eine alte Familie von Mustererkennungs-Rezeptoren	1706
25.3.5	Phagocytierende Zellen suchen, fressen und vernichten Krankheitserreger	1707
25.3.6	Aktivierte Makrophagen locken weitere phagocytierende Zellen an den Ort einer Infektion	1708
25.3.7	Virusinfizierte Zellen ergreifen drastische Maßnahmen, um die Virusvermehrung zu verhindern	1709
25.3.8	Natürliche Killerzellen veranlassen virusinfizierte Zellen dazu, sich selbst zu töten	1710
	Zusammenfassung	1711
	Literatur	1712
	Glossar	1715
	Register	1763

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	Handbook of Biophotonics 3 Volume Set Molekulare Biotechnologie Konzepte und Methoden Adipose Tissue in Health and Disease
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