Molekulare Zellbiologie

Springer-Lehrbuch

Gerald Karp

Molekulare Zellbiologie Aus dem Amerikanischen çbersetzt von Kurt Beginnen, Sebastian Vogel und Susanne Kuhlmann-Krieg

Mit 789 çberwiegend vierfarbigen Abbildungen und 36 Tabellen

12

1. deutsche Auflage

Gerald Karp, Hollywood

Ûbersetzer

Dr. Kurt Beginnen, Kæln Dr. Sebastian Vogel, Kerpen Susanne Kuhlmann-Krieg, Eppelheim Peter van der Geer Universitåt von San Diego, war maûgeblich verantwortlich fçr die Ûberarbeitung von Kapitel 15

Die vierte Auflage der englischen Originalausgabe Cell and Molecular Biology ± Concepts and Experiments erschien 2005. Copyright ° 1996, 1999, 2002, 2005 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. Alle Rechte vorbehalten. Autorisierte Ûbersetzung der von John Wiley & Sons, Inc. publizierten englischen Originalausgabe.

ISBN 3-540-23857-3 Springer Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet çber abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschçtzt. Die dadurch begrçndeten Rechte, insbesondere die der Ûbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfåltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfåltigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulåssig. Sie ist grundsåtzlich vergçtungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de ° Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wåren und daher von jedermann benutzt werden dçrften. Produkthaftung: Fçr Angaben çber Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewåhr çbernommen werden. Derartige Angaben mçssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand anderer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit çberprçft werden. Planung: Iris Lasch-Petersmann, Heidelberg Redaktion: Stefanie Wolf, Heidelberg Herstellung: Karl-Heinz Winter, Heidelberg Satz: K + V Fotosatz GmbH, Beerfelden Einbandgestaltung: deblik Berlin Titelbild: links: Werner A. Mçller, Heidelberg (aus Developmental Biology, Vol. 275, Mçller et al., Totipotent migratory stem cells in a hydroid, pp 215±224, Copyright 2004, mit freundlicher Genehmingung von Elsevier; rechts: Peter Mombaerts, New York (aus Cell, Vol. 117, Feinstein, Mombaerts: A Contextual Model for Axonal Sorting into Glomeruli in the Mouse Olfactory System, pp 817±846, Copyright 2004, mit freundlicher Genehmigung von Elsevier) Gedruckt auf såurefreiem Papier ± 29/3150WI ± 5 4 3 2 1 0


  



Geleitwort

Der Kærper eines Erwachsenen besteht aus çber 50 000 Milliarden Zellen und ihren Produkten. Was wir physisch zu leisten vermægen, beruht auf Leistungen unserer extrem verschiedenen Zelltypen. Selbst unsere psychischen Fåhigkeiten setzen das Funktionieren der Nervenzellen in unserem komplexen Gehirn voraus. Aber nicht nur bei uns, sondern bei allen Lebewesen, von den kleinsten Einzellern bis zu den aus Millionen von Zellmilliarden aufgebauten Riesen des Tier- und Pflanzenreiches ± çberall fungiert die Zelle als Basiselement. Sie stellt das kleinste, fçr sich lebensfåhige System dar, den Mikrokosmos des Biologen. Ihr obliegt auch die pråzise Vervielfåltigung der in Nucleinsåuremolekçlen digital gespeicherten Erbinformation und ihre Weitergabe an kçnftige Generationen. In jeder einzelnen Zelle laufen die vielen Fåden zusammen von den molekularen Dimensionen herauf bis zu den Signalen aus Umwelt und çbergeordneten Steuerzentren im vielzelligen Organismus. Daher fållt der Zellbiologie im Verein mit Biochemie und Molekularbiologie, Genetik und Bioinformatik zwischen den Themengiganten Entwicklungsbiologie und Physiologie, Evolution und Systematik, Úkologie und Verhaltensbiologie in der Wissenschaft vom Leben eine zentrale Rolle zu. Das spiegelt sich auch in der modernen Medizin: Stichworte wie Krebs und Metastasen, Immunsystem und Killerzellen, Stammzellen, Zellpiraten oder programmierter Zelltod tauchen ståndig in den Medien auf. Schon vor knapp 150 Jahren war der Klassiker ,Cellularpathologie` des Mediziners Rudolf Virchow erschienen. Virchow hatte auch den Satz geprågt:         ± Zellen kænnen nur aus Zellen entstehen. Eineinhalb Jahrzehnte vorher war die allgemeine Verbreitung des zellulåren Baues bei Tieren und Pflanzen bekannt geworden, 20 Jahre vor Darwins      und 60 Jahre vor der Wiederentdeckung der Mendelschen Regeln. Damals also begann die breite Erforschung des mikroskopischen Zellbaues, der Zellteilung und Zellverschmelzung. Bald wurde klar, dass in der

Lebensevolution mit immer gleichen Modulen gespielt wurde ± eben mit Zellen. Allerdings stieû der Fortschritt nach und nach an eine methodische Grenze, nåmlich die Auflæsungsgrenze des Lichtmikroskops. Erst vor etwa 50 Jahren konnte diese dann auf breiter Front çberschritten werden. Neue Geråte wie Elektronenmikroskop und Ultrazentrifuge, neue Methoden wie Zellkultur und Zellfraktionierung, schlieûlich die rasante Entwicklung der Biochemie als zellulåre, subzellulåre und makromolekulare Chemie ermæglichten den Start der modernen Zellbiologie. Ihr Aufstieg hat sich seither immer weiter beschleunigt und zu einer explosiven Vermehrung von Wissen und neuen Einblicken gefçhrt. Diese Medaille hat nun freilich auch ihre Kehrseite. Wer heute Zellbiologie studiert, hat Gewaltiges vor ± viel Faszinierendes, aber eben auch gewaltig vieles. Da ist man auf solide Hilfe angewiesen. Das Buch, das Sie jetzt in der Hand halten, bietet sie Ihnen, bewåhrt und mustergçltig. Es ist klar gegliedert und strukturiert, ausgezeichnet bebildert, Zusammenfassungen, Fragen, Literatur, Weblinks, handliches Register, Erklårung der Fachausdrçcke, dazu immer wieder Ausblicke in medizinische und experimentelle Bereiche . . . und und und. Ûbrigens werden nicht nur den Lernenden, sondern auch den Lehrenden umfangreiche Hilfen geboten çber eine Internet Seite fçr Dozenten. Man spçrt es in jedem Kapitel, dass Gerald Karp seine Lehrtåtigkeit als Professor aufgegeben hat, um sich ganz der Optimierung dieses Buches zu widmen. Vor allem wird man ihm danken, dass er bei voller Aktualitåt den Umfang dieses Werkes durch den beispielhaft klaren und kompakten Text in handlichen Grenzen zu halten vermochte. Ich wçnsche dem Buch die Verbreitung, die es verdient. Und allen seinen Benutzern viel Freude und Erfolg im Zaubergarten der Zellbiologie! Peter Sitte

Vorwort zur 4. Auflage

Bevor ich mit der Arbeit an der ersten Ausgabe dieses Buches begonnen habe, habe ich eine Reihe von Grundregeln aufgestellt, die mein geplantes Buch erfçllen sollte. Mein Buch war als Begleitmaterial zu einem ein Semester oder zwei Halbsemester langen Kurs gedacht, wie ihn Studenten im ersten oder zweiten Jahr belegen. Daher begann ich, einen Text von ungefåhr 800 Seiten zu entwerfen, der diese Studenten weder çberfordern noch entmutigen sollte. In meinem Buch sollten grundlegende Zusammenhånge ausfçhrlich zur Sprache kommen: die Beziehung zwischen Struktur und Funktion im molekularen Bereich, die Dynamik zellulårer Organellen, die Nutzung chemischer Energie fçr die Zellaktivitåten und die korrekte Synthese von Makromolekçlen, die Einheit und Vielfalt auf der Ebene der Makromolekçle und Zellen sowie die Art, wie die Zellaktivitåten reguliert werden. Ich wollte meine Darstellung auf den experimentellen Ûberlegungen aufbauen, mit denen man sich dem jeweiligen Problem genåhert hatte. Die Zell- und Molekularbiologie ist eine experimentelle Wissenschaft, und wie die meisten Dozenten glaube ich, dass Studenten etwas darçber erfahren sollten, wie wir zu unserem Wissen kommen. Daher beschloss ich, dem experimentellen Charakter des Themas auf zweierlei Weise gerecht zu werden. Zum einen fçhre ich in allen Kapiteln gençgend experimentelle Belege an, damit man die zahlreichen Schlussfolgerungen, die gezogen wurden, nachvollziehen kann; dabei hebe ich die entscheidenden Punkte hervor, auf die es bei den wichtigen experimentellen Verfahren ankam. Zum anderen verweise ich die Leser auf eine ausfçhrlichere Erærterung im letzten Kapitel, in dem die Methoden behandelt werden. Kapitel 8 und 9 enthalten beispielsweise einfçhrende Abschnitte çber Techniken, die sich als åuûerst wichtig fçr die Analyse der Cytomembranen beziehungsweise des Cytoskeletts erwiesen haben. Im Hauptteil der jeweiligen Kapitel stelle ich auûerdem kurz ausgewåhlte Experimente vor, die fçr das jeweilige Thema besondere Bedeutung haben, um nochmals die ex-

perimentelle Basis unseres Wissens zu betonen. Die Methoden werden dann im letzten Kapitel ausfçhrlicher beschrieben, weil ich n die Erærterung eines bestimmten Themas nicht durch einen groûen Abschnitt çber Techniken, der das Thema nur am Rande berçhrt, unterbrechen wollte, n festgestellt habe, dass manche Dozenten eine bestimmte Technologie lieber unter verschiedenen Aspekten statt nur in Zusammenhang mit einem Thema erærtern mæchten. Fçr Studenten und Dozenten, die sich intensiver mit den jeweiligen experimentellen Ansåtzen auseinandersetzen mæchten, habe ich am Ende jedes Kapitels als Exkurs die Rubrik ¹Experimentelle Verfahrenª eingefçgt. Darin werden einige entscheidende experimentelle Befunde beschrieben, denen wir unseren aktuellen Wissensstand çber ein bestimmtes, fçr das jeweilige Kapitel relevantes Thema verdanken. Weil sich diese Berichte auf einen begrenzten Bereich konzentrieren, kann der experimentelle Ansatz ausfçhrlicher dargestellt werden. Die Abbildungen und Tabellen in diesen Abschnitten sind oft den Originalarbeiten entnommen. Dadurch hat der Leser die Mæglichkeit, sich die ursprçnglichen Daten anzusehen und davon zu çberzeugen, dass die Analyse diesen Rahmen nicht verlåsst. Die Rubrik ¹Experimentelle Verfahrenª verdeutlicht auûerdem, dass sich wissenschaftliche Erkenntnis schrittweise vollzieht und dass die Untersuchungsergebnisse oft neue Fragen aufwerfen, die dann zu weiteren Untersuchungen fçhren. Mein Buch sollte anregend und lesenswert sein. Um es fçr die Studenten, vor allem die Medizinstudenten, im Einfçhrungskurs attraktiver zu machen, habe ich als weiteren Exkurs die Rubrik ¹Aus der Sicht des Menschenª eingefçhrt. Diese Abschnitte zeigen, dass man praktisch såmtliche menschlichen Krankheiten auf eine Stærung von Aktivitåten auf zellulårer und molekularer Ebene zurçckfçhren kann. Darçber hinaus offenbaren sie, wie wichtig die Grundlagenforschung sowohl fçr das Verståndnis als auch letztlich fçr die Behandlung der meisten




Vorwort zur 4. Auflage

Krankheiten ist. In der Rubrik ¹Aus der Sicht des Menschenª von Kapitel 11 wird beispielsweise beschrieben, wieso kleine synthetische siRNAs zu einem wichtigen neuen Hilfsmittel fçr die Therapie von Krebs- und Virenerkrankungen einschlieûlich Aids werden kænnten. Im selben Kapitel erfåhrt der Leser, dass man aufgrund von Untersuchungen an Nematoden herausgefunden hat, wie solche RNAs wirken. Es wird deutlich, dass man die praktische Bedeutung der zell- und molekularbiologischen Grundlagenforschung nie vorhersagen kann. Darçber hinaus habe ich mich bemçht, çberall im Buch relevante Informationen zur Biologie des Menschen und zu klinischen Anwendungen mit einzubeziehen. Die Illustrationen sollten qualitativ hochwertig sein, damit sich die Studenten die komplexen zellulåren und molekularen Prozesse besser vorstellen kænnen. Dafçr wurden viele Abbildungen aufgeteilt, so dass die Information, die verarbeitet werden muss, strukturiert und çberschaubar ist. Die Ereignisse, die sich bei jedem Schritt abspielen, werden in den Legenden der Abbildungen und/oder im dazu gehærenden Text beschrieben. Ich habe auch versucht, zahlreiche mikroskopische Aufnahmen hereinzunehmen, um den Studenten die meisten erærterten Themen konkret vor Augen zu fçhren. Unter den Photographien sind auch viele Fluoreszenzaufnahmen, auf denen entweder deutlich wird, welche Dynamik Zellen besitzen, oder die eine Mæglichkeit bieten, die Position eines bestimmten Proteins oder einer speziellen Nucleinsåuresequenz zu bestimmen. Wann immer es mæglich war, habe ich versucht, den graphischen Darstellungen die entsprechenden mikroskopischen Aufnahmen gegençber zu stellen, damit die Studenten die idealisierte und die reale Form einer Struktur miteinander vergleichen kænnen. Ich habe mich sehr çber die Zuschriften von Dozenten und Studenten gefreut, welche die ersten drei Auflagen gelobt und kritisiert haben. Bei der Vorbereitung der vierten Auflage habe ich mich von diesen Kommentaren sowie von zahlreichen treffenden Kritiken am aktuellen Manuskript leiten lassen. Die wichtigsten Verånderungen in der vierten Auflage:

Unser Wissen çber die Zell- und Molekularbiologie ist ståndig im Fluss, woraus unser Fachgebiet einen Groûteil seiner Faszination bezieht. Obwohl seit der Veræffentlichung der dritten Auflage nur drei Jahre vergangen sind, wurde fast jedes Thema im Buch mehr oder weniger umgeschrieben, ohne dass allerdings die Kapitel långer geworden sind. Mehrere Exkurse der Rubrik ¹Experimentelle Verfahrenª aus der ersten Auflage sind nicht mehr im Buch vorhanden, wurden aber ins Internet gestellt. Von den 17 ursprçnglichen Exkursen sind noch neun im Buch (Kapitel 1, 2, 4, 8, 11, 14, 16, 17), wåhrend die çbrigen sieben unter www.wiley.com/college/karp im Netz zu finden sind. Letztere sind mit einem Maussymbol markiert, wenn sie im Text erwåhnt werden. Die Texte der Exkurse wurden, soweit es nætig war, auf den neuesten Stand gebracht. Der Exkurs ¹Experimentelle Verfahrenª aus Kapitel 3 çber den Mechanismus der Lysozymkatalyse wurde aufgrund neuer Befunde, die vieles davon als çberholt erscheinen lassen, herausgenommen. Zwei Exkurse aus der Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª aus der dritten Auflage wurden ersetzt. An die Stelle des Exkurses in Kapitel 9 çber Muskeldystrophie trat eine Diskussion çber Krankheiten, die durch eine anomale Cilienfunktion ausgelæst werden, wåhrend der in Kapitel 11 çber den Einsatz von Ribozymen und AntisenseOligonucleotiden durch eine Erærterung der potenziellen Anwendungsmæglichkeiten von siRNAs zur Therapie von Krankheiten ersetzt wurde. Alle Abbildungen der dritten Auflage wurden einer genauen Ûberprçfung unterzogen und viele Illustrationen, die in der vierten Auflage wieder verwendet wurden, wurden, falls erforderlich, modifiziert. Viele Zeichnungen aus der dritten Auflage wurden herausgenommen, um Platz fçr etwa 65 neue zu schaffen. Dozenten haben sich besonders fçr Abbildungen ausgesprochen, in denen Zeichnungen und mikroskopische Aufnahmen nebeneinander gestellt sind; daher findet man in der vierten Auflage håufiger diese Art der Darstellung. Insgesamt enthålt die vierte Auflage etwa 90 neue mikroskopische Aufnahmen und mit dem Computer bearbeitete Bilder, die alle aus den Originalarbeiten stammen.

Ûber den Autor

Gerald C. Karp hat seinen Bachelor-Grad an der UCLA erworben und an der University of Washington promoviert. Er arbeitete als Postdoc am Medical Center der University of Colorado, bevor er begann, an der University of Florida zu lehren. Gerry hat zahlreiche Artikel çber die Zell- und Molekularbiologie der frçhen Entwicklung geschrieben. Zu seinen Forschungsgebieten gehærten die RNA-Synthese frçher Embryonen, die Bewegung mesenchymaler Zellen wåhrend der Gastrulation sowie die Zelldetermination bei Schleimpilzen. Er hat an der University of Flori-

da 13 Jahre lang Kurse in Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie gegeben. In dieser Zeit schrieb er zusammen mit N. John Berrill ein Buch çber Entwicklungsbiologie und verfasste ein Buch çber Zell- und Molekularbiologie. Da Gerry es schwierig fand, seine Lehrtåtigkeit und die Arbeit als Autor unter einen Hut zu bringen, gab er seine Stellung an der Fakultåt auf und konzentrierte sich ganz auf das Schreiben. Er hofft, alle drei Jahre eine çberarbeitete Fassung dieses Buchs herausbringen zu kænnen.

Fçr die Studenten

Zu der Zeit, als ich auf das College gegangen bin, gehærte Biologie zu den Hauptfåchern, die am wenigsten beliebt waren. Ich schrieb mich in einen Kurs fçr physische Anthropologie ein, um die Anforderungen fçr die Biowissenschaften mit so wenig Aufwand wie mæglich zu erfçllen. In diesem Kurs erfuhr ich zum ersten Mal etwas çber Chromosomen, Mitose und genetische Rekombination und war fasziniert davon, welch komplizierte Prozesse in einem so kleinen Raum wie einer Zelle ablaufen kænnen. Im nåchsten Semester belegte ich die Einfçhrungsvorlesung in die Biologie und begann ernsthaft darçber nachzudenken, Zellbiologe zu werden. Ich erzåhle Ihnen diese trivialen Geschichten aus meinem Leben, damit Sie verstehen, warum ich dieses Buch geschrieben habe, und um Sie vor mæglichen Konsequenzen zu warnen. Obwohl inzwischen viele Jahre vergangen sind, halte ich die Zellbiologie immer noch fçr das faszinierendste Forschungsgebiet und verbringe meine Tage gerne damit, die Forschungsergebnisse meiner Fachkollegen zu studieren. Ein Buch çber Zellbiologie zu schreiben, ist daher fçr mich ein ausgezeichneter Grund und eine gute Gelegenheit, mich in meinem Fachgebiet auf dem Laufenden zu halten. Ich schreibe dieses Buch vor allem deshalb, weil ich in den Studenten das Verståndnis und die Bewunderung fçr die Aktivitåten der riesigen Molekçle und winzigen Strukturen dieser zellulåren Lebenswelt wecken mæchte. Ein weiteres Ziel besteht darin, den Lesern einen Einblick darin zu verschaffen, welche Art Fragen sich Zell- und Molekularbiologen stellen und mit welchen experimentellen Ansåtzen sie nach Antworten suchen. Denken Sie, wenn Sie dieses Buch lesen, wie ein Wissenschaftler! Sehen Sie sich an, welche Beweise pråsentiert werden, suchen Sie nach alternativen Erklårungen, planen Sie Experimente, die zu neuen Hypothesen fçhren kænnten! Sie kænnten etwa damit beginnen, indem sie sich eine der vielen elektronenmikroskopischen Aufnahmen ansehen, die es in diesem Buch gibt. Um diese Aufnahmen zu machen, sitzen Sie in einem kleinen, vællig dunklen Raum vor einem groûen metallischen Apparat mit einer Såule,

die mehrere Meter çber Ihren Kopf hinausragt. Sie blicken durch ein Binokular auf einen belebten hellgrçnen Schirm. Die Teile der Zelle, die Sie untersuchen, erscheinen dunkel und farblos vor dem hellgrçnen Hintergrund. Sie sind dunkel, weil sie mit Schwermetallionen gefårbt wurden, die einen Teil der Elektronen innerhalb eines Strahls ablenken, der durch groûe elektromagnetische Linsen in der Såulenwand auf den Bildschirm zentriert wird. Die Elektronen, die auf den Schirm auftreffen, werden durch das Vakuum in der Såule mit einer Stårke von Zehntausenden von Volt beschleunigt. In der Hand haben Sie vielleicht einen Knopf, mit dem Sie die Vergræûerung der Linsen einstellen kænnen. Durch einfaches Drehen an diesem Knopf kann sich das Bild vor Ihren Augen von einer Gesamtansicht der Zellen zu einem winzigen Teil einer Zelle wie etwa einigen Ribosomen oder einem kleinen Abschnitt einer einzigen Membran verengen. Mit Hilfe anderer Knæpfe kænnen Sie verschiedene Bereiche des Objekts çber den Schirm gleiten sehen, so dass Sie das Gefçhl haben, als wçrden Sie in einer Zelle herumfahren. Wenn Sie eine Struktur gefunden haben, die Sie interessiert, kænnen Sie an einer Kurbel drehen, die den Schirm aus dem Blickfeld klappt, so dass der Elektronenstrahl auf den Film auftrifft und ein photographisches Abbild des Untersuchungsmaterials entsteht. Weil zur Untersuchung der Zellfunktion insgesamt ein betråchtliches Instrumentarium wie beispielsweise das gerade beschriebene Elektronenmikroskop erforderlich ist, hat der Forscher keinen direkten Zugang zu seinem Untersuchungsobjekt. Zellen åhneln stark winzigen Blackboxes. Wir haben zwar viele Mæglichkeiten entwickelt, diese Kåsten zu untersuchen, tappen jedoch immer in einem Bereich herum, der nicht richtig ausgeleuchtet werden kann. Wenn eine Entdeckung gemacht oder eine neue Technik entwickelt wird, dringt ein neuer dçnner Lichtstrahl in den Kasten ein. Weitere Arbeiten vertiefen unser Verståndnis von seinem Aufbau oder einem darin ablaufenden Prozess, stellen uns aber auch immer wieder vor neue Fragen. Wir erarbeiten immer komplexere und raffinier-




Fçr die Studenten

tere Modelle, kænnen aber nie sicher sein, wie weit wir uns mit unserer Vorstellung schon der Realitåt angenåhert haben. In dieser Hinsicht lassen sich die Forschungsarbeiten in der Zellund Molekularbiologie mit der Untersuchung eines Elefanten vergleichen, zu der in einem alten indischen Mårchen sechs blinde Månner antreten. Die sechs besuchen einen in der Nåhe gelegenen Palast, um etwas çber die Natur von Elefanten zu erfahren. Als sie angekommen sind, nåhert sich jeder von ihnen dem Elefanten und beginnt, ihn zu betasten. Der erste Blinde befçhlt die Flanke des Elefanten und kommt zu dem Schluss, dass ein Elefant glatt wie eine Wand ist. Der zweite berçhrt den Rçssel und meint, ein Elefant sei rund wie eine Schlange. Die anderen Mitglieder der Gruppe fassen einen Stoûzahn, ein Bein, ein Ohr beziehungsweise den Schwanz des Elefanten an, und ihre Eindrçcke vom Tier sind jeweils von den eigenen begrenzten Erfahrungen geprågt. Die Erkenntnisse, die Zellbiologen mithilfe einer bestimmten Technik oder eines experimentellen Ansatzes gewinnen kænnen, sind åhnlich beschrånkt. Obwohl jede neue Information unser Wissen erweitert und so zu einer besseren Vorstellung von der untersuchten Aktivitåt fçhrt, bleibt das Gesamtbild jedoch weiterhin undeutlich. Bevor ich diese Einleitung beende, mæchte ich mir die Freiheit nehmen, den Lesern einige Ratschlåge zu geben: Glauben Sie nicht alles, was sie lesen! Man sollte aus mehreren Grçnden skeptisch sein. Dieses Buch enthålt bestimmt Fehler, weil der Autor bestimmte Dinge nicht gewusst oder irgendeinen Aspekt der wissenschaftlichen Literatur falsch gedeutet hat. Wichtiger ist

aber, dass wir uns das Wesen wissenschaftlicher Forschung vor Augen halten. Biologie ist eine empirische Wissenschaft ± nichts ist je exakt bewiesen. Wir sammeln Daten çber ein bestimmtes Zellorganell, eine bestimmte Stoffwechselreaktion, intrazellulåre Bewegung usw. und ziehen daraus unsere Schlçsse. Bei manchen Schlussfolgerungen sind die Beweise stichhaltiger als bei anderen. Aber selbst wenn sich Wissenschaftler çber die ¹Faktenª zu einem bestimmten Phånomen einig sind, kann man diese Daten oft noch unterschiedlich interpretieren. Es werden Hypothesen aufgestellt, die im Allgemeinen zu weiteren Forschungsarbeiten und so zu einer Neubewertung der ursprçnglichen These fçhren. Selbst die meisten Hypothesen, die ihre Gçltigkeit behalten, machen eine Art Evolution durch und sollten, wenn sie im Buch dargestellt werden, nicht als vollkommen richtig oder falsch angesehen werden. Zellbiologie ist ein Gebiet, das sich schnell wandelt, und einige der besten Hypothesen werden oft sehr kontrovers diskutiert. Obwohl das hier ein Lehrbuch ist, von dem man erwartet, dass es nur ausreichend fundiertes Wissen beinhaltet, gibt es doch viele Abschnitte, in denen neue Ideen vorgestellt werden. Diese Ideen werden oft als Modelle bezeichnet. Ich habe solche Modelle mit aufgenommen, weil sie, selbst wenn sie spekulativ sind, widerspiegeln, welche Vorstellungen gerade auf dem entsprechenden Gebiet vorherrschen. Sie verstårken den Eindruck, dass Zellbiologen an vorderster Front der Wissenschaft operieren, einem Gebiet zwischen Bekanntem und Unbekanntem. Bewahren Sie sich also ihre Skepsis!

Danksagung

An der Entstehung dieses Buches waren viele Personen beteiligt. Ich mæchte als erstes Peter van der Geer vom Department of Chemistry and Biochemistry der University of California, San Diego, danken. Peter war so freundlich, die Hauptverantwortung fçr die Ûberarbeitung des Kapitels 15 zu çbernehmen, das dem Thema Zellkommunikation gewidmet ist. Ich danke Geraldine Osnato, die eine auûergewæhnliche Herausgeberin ist. Wir haben das Verfahren fçr diese Ûberarbeitung gemeinsam festgelegt, und auch spåter konnte ich mich immer auf ihr vernçnftiges Urteil verlassen. Vielen Dank, Geraldine, fçr deine Hilfe und Ratschlåge! Zu besonderem Dank verpflichtet bin ich dem Produktionsteam von John Wiley & Sons, das schlicht das beste ist. Barbara Russiello, die fçr die Herstellung verantwortlich war, hat sich schon bei den letzten drei Ausgaben im wahrsten Sinne des Wortes als ¹treibende Kraftª erwiesen. Barbara will immer mæglichst das beste Buch herstellen ± egal, wie viel Zeit und Energie sie dafçr in ein Projekt investieren muss. Hilary Newman und Anna Melhorn waren fçr die Photos beziehungsweise Graphik verantwortlich. Es war ein Glçcksfall fçr mich, bei allen vier Ausgaben des Buches mit Hilary zusammenarbeiten zu kænnen. Hilary ist clever und beharrlich, und ich habe græûtes Zutrauen zu ihrer Fåhigkeit, jedes Bild zu bekommen, um das man sie bittet. Es war auch eine groûe Freude, zum zweiten Mal mit Anna zusammen zu arbeiten. Das Programm fçr die Illustration dieses Buches ist sehr kompliziert, aber Anna hat es wunderbar geschafft, die vielen Einzelheiten im Auge zu behalten und zu koordinieren, die fçr die Fertigstellung erforderlich waren. Ich hatte auch wieder mal das Glçck, dass Harry Nolan fçr die graphische Gestaltung verantwortlich war. Harry hat Dynamik in das Layout der Kapitel gebracht und der Titelseite Eleganz verliehen. Clay Stone war bei der letzten Ausgabe ein phantastischer Marketingdirektor, was mir die Zuversicht gibt, dass er es auch bei der anstehenden Aufgabe sein wird. Ich mæchte auch gerne den Kçnstlern von Imagineering fçr all die neuen Zeichnungen danken. Besonders Kierstan Hong hat eine wich-

tige Rolle bei der Koordination des Kunstprogramms gespielt. Ich war sehr zufrieden mit den auûergewæhnlich guten Graphiken, die das Studio erstellt hat. Mein Dank gilt auch den Professoren David Asai und Ken Robinson von der Purdue University, die zu den Kapiteln 2 und 5 eine Reihe interessanter Fragen zur Selbstçberprçfung beigesteuert haben. Ein spezieller Dank geht an Dana Kasowitz, çber die çberwiegend die redaktionelle Kommunikation lief und die immer eine groûe Hilfe war. Darçber hinaus mæchte ich Brian Rose danken, der das Manuskript lektoriert hat, Steve Ingle, der den Index erstellt hat, sowie Dr. Elizabeth Coolidge-Stolz, die das Glossar verfasst hat. Besonders dankbar bin ich den zahlreichen Biologen, die fçr dieses Buch mikroskopische Aufnahmen zur Verfçgung gestellt haben. Mehr als jedes andere Element sorgen diese Bilder dafçr, dass die Erforschung der Zellbiologie selbst auf gedrucktem Papier lebendig wird. Schlieûlich mæchte ich mich im Voraus fçr såmtliche Fehler im Buch entschuldigen und mein tiefes Bedauern darçber ausdrçcken. Kommentare und Kritik jeglicher Art sind sehr willkommen und kænnen an folgende Adresse geschickt werden: Biology Editor, John Wiley & Sons, 111 River Street, Hoboken, NJ 07030. Bei der Abfassung der Endversion des Manuskripts zur 3. Auflage habe ich zahlreiche Wissenschaftler um Rat gefragt, deren Arbeit ich bewundere. Ich habe diese Personen gebeten, ein oder zwei Kapitel durchzusehen; die meisten von ihnen waren so freundlich, mir bei dem Projekt zu helfen. Folgenden Personen bin ich fçr ihre konstruktive Kritik und guten Ratschlåge dankbar: William E. Balch The Scripps Research Institute Wendy A. Bickmore Medical Research Council, Groûbritannien Sharon K. Bullock Virginia Commonwealth University Roderick A. Capaldi University of Oregon




Danksagung

Gordon G. Carmichael University of Connecticut Health Center

Andrew Newman Cambridge University

Ratna Chakrabarti University of Central Florida

Alan Nighorn University of Arizona

Dennis O. Clegg University of California ± Santa Barbara

Jonathan Nugent University of London

Orna Cohen-Fix National Institute of Health, Laboratory of Molecular and Cellular Biology

Joel L. Rosenbaum Yale University

Philippa D. Darbre University of Reading Roger W. Davenport University of Maryland Barry J. Dickson Research Institute of Molecular Pathology Jennifer A. Doudna Yale University Evan E. Eichler Case Western University School of Medicine Jacek Gaertig University of Georgia Reginald Halaby Montclair State University Robert Helling University of Michigan

Wolfram Saenger Freie Universitåt Berlin E. D. Salmon University of North Carolina ± Chapel Hill Trina Schroer Johns Hopkins University David Schultz University of Louisville Katie Shannon University of North Carolina ± Chapel Hill Joel B. Sheffield Temple University Dennis Shevlin College of New Jersey Harriette Smith-Somerville University of Alabama

Gregory D. D. Hurst University College London

Colleen Talbot California State University

Ken Jacobson University of North Carolina

Giselle Uhibaudeau Mississippi State University

Haig H. Kazazian, Jr. University of Pennsylvania

Jeffrey L. Travis University at Albany ± Suny

Laura R. Keller Florida State University

Paul Twigg University of Nebraska ± Kearney

Nemat O. Keyhani University of Florida

Ajit Varki University of California ± San Diego

Nancy Kleckner Harvard University

Andrew Webber Arizona State University

Robert C. Liddington Burnham Institute

Beverly Wendland Johns Hopkins University

Jeannette M. Loutsch Arizona State University

Eric V. Wong University of Louisville

Charles Mallery University of Miami

Gary Yellen Harvard Medical School

Thomas McKnight Texas A&M University

Masasuke Yoshida Tokyo Institute of Technology

Michelle Moritz University of California ± San Francisco

Robert A. Zimmerman University of Massachusetts


 

                        Linda Amos MRC Laboratory of Molecular Biology Gerald T. Babcock Michigan State University James Barber Imperial College of Science ± Wolfson Laboratories John D. Bell Brigham Young University Daniel Branton Harvard University Thomas R. Breen Southern Illinois University K. H. Andy Choo Royal Children's Hospital ± the Murdoch Institute

Danksagung

Jennifer W. Schuler Wake Forest University Rod Scott Wheaton College Bruce Stillman Cold Springs Harbor Laboratory Nigel Unwin MRC Laboratory of Molecular Biology Chris Watters Middlebury College David J. Asai Purdue University John D. Bell Brigham Young University Barbara Berg University of Puget Sound Niels Bols University of Waterloo, Ontario, Canada

Ronald H. Cooper University of California ± Los Angeles

Thomas R. Breen Southern Illinois University ± Carbondale

Michael Edidin The Johns Hopkins University

David K. Bruck San Jose State University

Robert Fillingame University of Wisconsin Medical School

Mitchell Chernin Bucknell University

Arthur Horwich Yale University School of Medicine

Thomas C. Chiles Boston College

Joel A. Huberman Roswell Park Cancer Institute

Randy W. Cohen California State University ± Northridge

Werner Kçhlbrandt Max-Planck-Institut fçr Biophysik

Dennis O. Clegg University of California ± Santa Barbara

James Lake University of California ± Los Angeles

Guy E. Farish Adams State College

Vishwanath R. Lingappa University of California ± San Francisco

Susannah Gal Suny, Binghamton

Ardythe A. McKracken University of Nevada ± Reno

Francine S. Glazer Kean University

Mike O'Donnell Rockefeller University

Margaret Johnson University of Alabama

Hugh R. B. Pelham MRC Laboratory of Molecular Biology

David Knecht University of Connecticut ± Storrs

Jonathan Pines Wellcome/Crc Institute

Robert N. Leamson University of Massachusetts ± Dartmouth

Randy Schekman University of California ± Berkeley

Esther M. Leise University of North Carolina ± Greensboro

Sandra Schmid The Scripps Research Institute

Alan C. Leonard Florida Institute of Technology







Danksagung

Edward J. Macarak University of Pennsylvania

David Fromson California State University ± Fullerton

Luis A. Materon University of Texas ± Pan American

David S. Gilmour Pennsylvania State University ± University Park

Elizabeth J. Moore Rowan University

R. Jane Hanas University of Central Oklahoma

Dennis G. Searcy University of Massachusetts Diane Shakes College of William and Mary David H. Vickers University of Central Florida Anne E. K. Zayaitz Kutztown University
 

            Robert E. Bast Cleveland State University Catherine P. Chia University of Nebraska ± Lincoln Sherri Clark Eastern New Mexico University

Thomas Kistenmacher Johns Hopkins University Hallie M. Krider The University of Connecticut Mary Lee S. Ledbetter College of the Holy Cross Joel Piperberg Millersville University of Pennsylvania Nancy L. Pruitt Colgate University Thomas M. Roberts Florida State University Robert Seagull Hofstra University Joel Sheffield Temple University Sheldon Shen Iowa State University

Julia Dragolovich University of Maryland

John Tyson Virginia Polytechnic Institute

Karl Drlica Public Health Research Institute

Fred Warner Syracuse University

Terrence G. Frey San Diego State University

Xilin Zhao Public Health Research Institute

Inhaltsçbersicht

1

Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

2

Die chemischen Grundlagen des Lebens

41

3

Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

109

4

Struktur und Funktion der Plasmamembran

155

5

Die Zellatmung und das Mitochondrium

233

6

Photosynthese und der Chloroplast

277

7

Wechselwirkungen zwischen Zellen und ihrer Umgebung

309

8

Membransysteme im Cytoplasma: Struktur, Funktion und Membrantransport

353

Cytoskelett und Zellbewegungen

419

10

Gene und Genom

491

11

Die Expression des genetischen Materials: von der Transkription zur Translation

541

12

Der Zellkern und die Steuerung der Genexpression

609

13

DNA-Replikation und DNA-Reparatur

679

14

Fortpflanzung von Zellen

713

15

Zellulåre Signale und Signalçbertragung: Kommunikation zwischen Zellen

771

16

Krebs

829

17

Die Immunantwort

869

18

Techniken der Zell- und Molekularbiologie

911

9

Glossar

1

971

Nobelpreise Zell- und Molekularbiologie seit 1958

1003

Sach- und Personenverzeichnis

1007

Inhaltsverzeichnis

1

Einfçhrung in die Zellund Molekularbiologie

1

1.1

Die Entdeckung der Zellen

2

1.2

Die elementaren Eigenschaften von Zellen 3 Zellen sind hochkomplex und hochorganisiert 4 Zellen besitzen ein genetisches Programm sowie die Mittel, es zu benutzen 6 Zellen kænnen sich selbst vermehren 6 Zellen gewinnen und verbrauchen Energie 6 In Zellen laufen viele verschiedene chemische Reaktionen ab 7 Zellen fçhren zahlreiche mechanische Aktivitåten durch 7 Zellen kænnen auf Reize reagieren 7 Zellen kænnen sich selber regulieren 7 Zellen durchlaufen eine Evolution 8

1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.2.6 1.2.7 1.2.8 1.2.9 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3

1.3.4

1.4 1.4.1

Zwei grundverschiedene Zellarten 9 Merkmale, in denen sich prokaryotische und eukaryotische Zellen unterscheiden 11 Prokaryotische Zelltypen 16 Eukaryotische Zelltypen: Zellspezialisierung 19 Aus Sicht des Menschen: Aussichten einer Zellersatztherapie

Die Græûe der Zellen und ihrer Bestandteile 25 Viren 26 Viroide 30

22

2

Die chemischen Grundlagen des Lebens 41

2.1 2.1.1 2.1.2

Kovalente Bindungen 42 Polare und unpolare Molekçle 44 Ionisierung 44

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4

Såuren, Basen und Puffer

2.4

Die Eigenschaften biologischer Molekçle 53 Funktionelle Gruppen 54 Eine Klassifizierung biologischer Molekçle aufgrund ihrer Funktion 54

2.4.1 2.4.2 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.5 2.6 2.6.1

Experimentelle Verfahren: Wie sind die eukaryotischen Zellen entstanden? 31

51

Vier Arten von biologischen Molekçlen 56 Kohlenhydrate 56 Lipide 62 Proteine 64

Aus Sicht des Menschen: Proteinfaltung mit tædlichen Folgen

Nucleinsåuren 95

82

Die Bildung komplexer makromolekularer Strukturen 97 Der Aufbau der Partikel und ribosomalen Untereinheiten des Tabakmosaikvirus 98

Experimentelle Verfahren: Chaperone helfen Proteinen, sich richtig zu falten 99

Zusammenfassung 104

Zur Selbstçberprçfung 39 Weiterfçhrende Literatur 40

Nichtkovalente Bindungen 46 Ionenbindungen: Anziehungskråfte zwischen geladenen Atomen 47 Wasserstoffbrçcken 47 Hydrophobe Wechselwirkungen und van-der-Waals-Kråfte 48 Die lebenserhaltenden Eigenschaften des Wassers 49

2.3

Zusammenfassung 38

1.5

Aus Sicht des Menschen: Fçr den Alterungsprozess sind freie Radikale verantwortlich 45

Zur Selbstçberprçfung 106 2.7

Weiterfçhrende Literatur 107





Inhaltsverzeichnis

3

Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel 109

4.4.2

3.1 3.1.1

Bioenergetik 110 Die Gesetze der Thermodynamik und der Begriff der Entropie 110 Freie Enthalpie 113

4.4.3 4.4.4

3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5

3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4

3.4

Enzyme, die biologischen Katalysatoren 120 Die Eigenschaften von Enzymen 121 Ûberwindung der Schwelle der Aktivierungsenergie 122 Das aktive Zentrum und die Spezifitåt der Molekçle 124 Mechanismen der enzymatischen Katalyse 126 Enzymkinetik 129

Aus Sicht des Menschen: Das wachsende Problem der Antibiotikaresistenz 134

Stoffwechsel 137 Ein Ûberblick çber den Stoffwechsel 137 Oxidation und Reduktion ± eine Sache der Elektronen 138 Energiegewinnung und -verbrauch 139 Regulation des Stoffwechsels 145

4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.7 4.7.1

Zusammenfassung 149

4.7.2

Zur Selbstçberprçfung 151

4.7.3 4.7.4

Weiterfçhrende Literatur 153

4.8

4

Struktur und Funktion der Plasmamembran 155

4.1

Ein Ûberblick çber die Funktionen der Plasmamembran 157

4.2

4.3 4.3.1 4.3.2 4.4 4.4.1

4.8.1 4.8.2 4.8.3 4.8.4

Eine kurze Geschichte der Untersuchungen zur Struktur der Plasmamembran 158

Membranlipide und die Fluiditåt der Membran 175 Die Bedeutung der Fluiditåt einer Membran 176 Die Aufrechterhaltung der Membranfluiditåt 177 Die Asymmetrie der Membranlipide 177 Lipidflæûe 178 Dynamische Prozesse in der Plasmamembran 179 Die Diffusion der Membranproteine nach der Zellfusion 180 Einschrånkungen der Proteinund Lipidmobilitåt 180 Die Struktur der Plasmamembran am Beispiel des roten Blutkærperchens 186 Wie Substanzen Zellmembranen passieren 189 Die Energetik der Bewegung gelæster Stoffe 190 Diffusion von Substanzen durch Membranen 191 Erleichterte Diffusion 201 Aktiver Transport 202

Aus Sicht des Menschen: Eine Erbkrankheit, die durch defekte Ionenkanåle verursacht wird 206

Membranpotenziale und Nervenimpulse 210 Das Ruhepotenzial 211 Das Aktionspotenzial 212 Weiterleitung von Aktionspotenzialen als Impuls 214 Signalçbertragung im Nervensystem: Wie der synaptische Spalt çberbrçckt wird 215 Experimentelle Verfahren: Der Acetylcholinrezeptor 220

Die chemische Zusammensetzung der Membranen 161 Membranlipide 161 Kohlenhydrate in der Membran 165 Struktur und Funktionen von Membranproteinen 167 Integrale Membranproteine 168

Untersuchung der Struktur und Eigenschaften integraler Membranproteine 169 Periphere Membranproteine 174 Im Lipid verankerte Membranproteine 175

Zusammenfassung 226 Zur Selbstçberprçfung 228 4.9

Weitere Literatur 230



5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.2.1 5.2.2

Inhaltsverzeichnis

Die Zellatmung und das Mitochondrium

6.3 6.3.1

Die Lichtabsorption 283 Photosynthetisch aktive Pigmente 283

Struktur und Funktion der Mitochondrien 234 Mitochondrienmembranen 235 Die mitochondriale Matrix 236

6.4

Der oxidative Stoffwechsel in den Mitochondrien 237 Der Citratzyklus 238 Die Bedeutung der reduzierten Coenzyme fçr die ATP-Synthese 242

6.4.2

Photosynthese-Einheiten und Reaktionszentren 285 Sauerstoffbildung: Koordination der Aktionen zweier verschiedener Photosynthesesysteme 286 Unkrautbekåmpfung durch Hemmung des Elektronentransports 293

233

Aus Sicht des Menschen: Die Bedeutung des anaeroben und aeroben Stoffwechsels fçr das kærperliche Training 243

5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4

5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3

5.6

Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATP-Produktion 245 Redoxpotenziale 245 Elektronentransport 247 Typen von Elektronencarriern 248

6.4.1

6.5 6.5.1

Photophosphorylierung 294 Nichtzyklische und zyklische Photophosphorylierung 294

6.6

Kohlendioxidfixierung und Kohlenhydratsynthese Kohlenhydratsynthese in C3-Pflanzen 295 Kohlenhydratsynthese in C4-Pflanzen 301 Kohlenhydratsynthese in CAM-Pflanzen 303

6.6.1 6.6.2 6.6.3

Der Protonenfluss und die Erzeugung einer protonenmotorischen Kraft 255 Der Apparat fçr die ATP-Synthese 257 Die Struktur der ATP-Synthase 258 ATP-Synthese durch Bindungswechsel 260 Weitere Aufgaben der protonenmotorischen Kraft neben der ATP-Synthese 266 Peroxisomen 267 Aus Sicht des Menschen: Krankheiten aufgrund defekter Mitochondrien oder Peroxisomen 269

Zusammenfassung 272 Zur Selbstçberprçfung 274 5.7

Zur Selbstçberprçfung 305 6.7

Weitere Literatur 307

7

Wechselwirkungen zwischen Zellen und ihrer Umgebung 309

7.1 7.1.1

Der extrazellulåre Raum 310 Die extrazellulåre Matrix 311

7.2

Wechselwirkungen zwischen Zellen und extrazellulåren Materialien 320 Integrine 320 Fokalkontakte und Hemidesmosomen verankern Zellen auf ihrer Unterlage 323

7.2.1 7.2.2

Weiterfçhrende Literatur 275

Photosynthese und der Chloroplast

277

6.1

Struktur und Funktion des Chloroplasten 279

6.2

Ein Ûberblick çber den Photosynthesestoffwechsel 281

295

Zusammenfassung 303

7.3

6





7.3.1 7.3.2 7.3.3

7.3.4

Wechselwirkungen zwischen Zellen 327 Selectine 327 Immunglobuline und Integrine 329 Cadherine 330

Aus Sicht des Menschen: Die Rolle der Zelladhåsion bei Entzçndungsprozessen und Metastasenbildung 333

Adhårenzverbindungen und Desmosomen: Verankerung von Zellen an anderen Zellen 335



 7.3.5

7.4 7.5

Inhaltsverzeichnis

Die Rolle von Zell-AdhåsionsRezeptoren bei der transmembranen Signalçbertragung 338 Tight Junctions versiegeln den extrazellulåren Raum 339

7.5.1

Gap Junctions und Plasmodesmen vermitteln bei der intrazellulåren Kommunikation 342 Plasmodesmen 344

7.6

Zellwånde

8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.5.4

345

Zusammenfassung 349

8.6

Weiterfçhrende Literatur 351

8

Membransysteme im Cytoplasma: Struktur, Funktion und Membrantransport 353

8.1

Das Endomembransystem: ein Ûberblick 354

8.2

Untersuchungsverfahren fçr Endomembranen 357 Neue Erkenntnisse durch Autoradiographie 357 Erkenntnisse, gewonnen durch die Verwendung des grçn fluoreszierenden Proteins 358 Erkenntnisse durch biochemische Analyse subzellulårer Fraktionen 358 Erkenntnisse durch Verwendung zellfreier Systeme 360 Erkenntnisse aus der Untersuchung genetischer Mutanten 361

8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3

8.4 8.4.1 8.4.2

Das endoplasmatische Retikulum 363 Das glatte endoplasmatische Retikulum 363 Funktionen des rauen endoplasmatischen Retikulums 365 Vom ER zum Golgi-Apparat: der erste Schritt des Vesikeltransports 376 Der Golgi-Apparat 376 Glycosylierung im Golgi-Apparat 377 Die Wanderung von Substanzen durch den Golgi-Apparat 379

Lysosomen

392

Aus Sicht des Menschen: Krankheiten durch Funktionsstærungen der Lysosomen 394

Zur Selbstçberprçfung 350 7.7

Typen des Vesikeltransports und ihre Funktionen 382 COPII-Coated-Vesicles: Substanztransport vom ER zum Golgi-Apparat 384 COPI-Coated-Vesicles: Rçcktransport entwischter Proteine ins ER 385 Jenseits des Golgi-Apparats: Sortierung der Proteine im TGN 386 Gerichteter Vesikeltransport in bestimmte Kompartimente 388

8.7

Die Vakuole der Pflanzenzellen

8.8

Der Endocytoseweg: Transport von Membranen und Substanzen ins Zellinnere 397 Endocytose 398 Phagocytose 404

8.8.1 8.8.2 8.9

8.9.1 8.9.2 8.9.3

396

Aufnahme fertig synthetisierter Proteine durch Peroxisomen, Mitochondrien und Chloroplasten 406 Aufnahme von Proteinen in Peroxisomen 406 Aufnahme von Proteinen in Mitochondrien 406 Aufnahme von Proteinen in Chloroplasten 408 Experimentelle Verfahren: Rezeptorvermittelte Endocytose

409

Zusammenfassung 414 Zur Selbstçberprçfung 416 8.10

Literatur 417

9

Cytoskelett und Zellbewegungen 419

9.1

Die wichtigsten Funktionen des Cytoskeletts: eine Ûbersicht 420

9.2

Die Untersuchung des Cytoskeletts 422 Fluoreszenzmikroskopie 422 Videomikroskopie und Laserstrahlen im In-vitro-Beweglichkeitsassay 423

9.2.1 9.2.2



Inhaltsverzeichnis

9.2.3

Zellen mit verånderter Genexpression 424

9.3 9.3.1 9.3.2 9.3.3

Mikrotubuli 426 Aufbau und Zusammensetzung 426 Mikrotubuliassoziierte Proteine 427 Mikrotubuli als Strukturgerçst und Organisatoren 427 Mikrotubuli als Hilfsmittel fçr Bewegungen im Zellinneren 429 Motorproteine und ihre Wanderung an den Mikrotubuli des Cytoskeletts 429 Mikrotubuli-Organisationszentren (MTOCs) 435 Die dynamischen Eigenschaften der Mikrotubuli 439

9.3.4 9.3.5 9.3.6 9.3.7

9.3.8 9.3.9 9.4 9.4.1 9.4.2 9.5 9.5.1 9.5.2

Aus Sicht des Menschen: Die Bedeutung der Cilien fçr Entwicklung und Krankheitsentstehung 444

Cilien und Flagellen: Struktur und Funktion 445 Der Aufbau von Cilien und Flagellen 446

Intermediårfilamente 453 Auf- und Abbau der Intermediårfilamente 454 Typen und Funktionen von Intermediårfilamenten 456 Mikrofilamente 457 Auf- und Abbau von Mikrofilamenten 458 Myosin: der molekulare Motor der Actinfilamente 460

9.6 9.6.1

Muskelkontraktion 466 Das Gleitfasermodell der Muskelkontraktion 468

9.7

Bewegungsvorgånge auûerhalb der Muskeln 473 Actin bindende Proteine 473 Beweglichkeit und Kontraktionsfåhigkeit auûerhalb der Muskeln: Beispiele 476

9.7.1 9.7.2

9.8

10

Gene und Genom

10.1

Der Begriff des Gens als Einheit der Vererbung 492

10.2

Chromosomen: die materiellen Tråger der Gene 493 Die Entdeckung der Chromosomen 493 Chromosomen als Tråger der genetischen Information 494 Genetische Analyse bei  496 Crossing over und Rekombination 497 Mutagenese und Riesenchromosomen 498

10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5

491

10.3 Die chemische Natur der Gene 500 10.3.1 Die Struktur der DNA 500 10.3.2 Die Idee von Watson und Crick 502 10.4 Der Aufbau des Genoms 508 10.4.1 Die Komplexitåt des Genoms 508

Aus Sicht des Menschen: Krankheiten, die durch Vermehrung von Trinucleotidwiederholungen entstehen 512

10.5 Die Stabilitåt des Genoms 518 10.5.1 Verdoppelung ganzer Genome (Polyploidisierung) 518 10.5.2 Verdoppelung und Verånderung einzelner DNA-Sequenzen 518 10.5.3 ¹Springende Geneª und die dynamischen Eigenschaften des Genoms 521 10.6

Sequenzierung von Genomen: die genetischen Grundlagen des Menschseins 525 10.6.1 Vergleichende Genomanalyse: ¹Was konserviert ist, muss wichtig seinª 527

Aus Sicht des Menschen: Die medizinische Anwendung der Genomanalyse 529 Experimentelle Verfahren: Die chemische Natur der Gene 531

Zusammenfassung 485

Zusammenfassung 537

Zur Selbstçberprçfung 488

Zur Selbstçberprçfung 539

Literatur 490





10.7

Literatur 540





11

Inhaltsverzeichnis

Die Expression des genetischen Materials: von der Transkription zur Translation 541

11.1

Die Beziehung zwischen Genen und Proteinen 542 11.1.1 Informationsfluss in den Zellen: ein Ûberblick 544

11.8 11.8.1 11.8.2 11.8.3 11.8.4

Experimentelle Verfahren: RNA als Katalysator 599

Transkription bei Pro- und Eukaryoten: eine Ûbersicht 546 11.2.1 Transkription bei Prokaryoten 548 11.2.2 Transkription und RNA-Processing bei Eukaryotenzellen 550

Zusammenfassung 603

11.2

11.3 11.3.1 11.3.2 11.3.3 11.3.4 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.4.4 11.4.5

Synthese und Weiterverarbeitung von ribosomaler RNA und Transfer-RNA 551 Die Synthese des rRNA-Vorlåufers 552 Die Weiterverarbeitung des rRNAVorlåufers 553 Synthese und Processing der 5S-rRNA 558 Transfer-RNA 558 Synthese und Weiterverarbeitung der Messenger-RNA 559 Der Apparat fçr die Transkription der mRNA 560 Gestçckelte Gene: eine unerwartete Entdeckung 563 Das Processing eukaryotischer Messenger-RNA 567 Gestçckelte Gene und RNA-Spleiûen: ihre Bedeutung fçr die Evolution 575 Herstellung neuer Ribozyme im Labor 577

11.5

Kleine nicht codierende RNAs und RNA-Interferenz 578 11.5.1 Mikro-RNAs: Hunderte von RNAs mit unbekannter Funktion 579

Zur Selbstçberprçfung 606 11.9

Literatur 608

12

Der Zellkern und die Steuerung der Genexpression 609

12.1 Der Kern einer Eukaryotenzelle 610 12.1.1 Die Kernhçlle 610 12.1.2 Chromosomen und Chromatin 616 Aus Sicht des Menschen: Chromosomenaberrationen

12.2

Steuerung der Genexpression bei Prokaryoten 638 12.2.1 Das Bakterienoperon 638 12.3

Steuerung der Genexpression bei Eukaryoten 642

12.4

12.4.5

Steuerung auf Transkriptionsebene 644 Die Bedeutung von Transkriptionsfaktoren fçr die Steuerung der Genexpression 648 Die Struktur von Transkriptionsfaktoren 649 Transkriptions-Regulationsstellen auf der DNA 652 Transkriptionsaktivierung: Enhancer, Promotoren und Coaktivatoren 656 Transkriptionsrepression 660

12.5

Steuerung auf Processing-Ebene 664

12.4.1

12.4.3

11.6

Die Codierung der genetischen Information 582 11.6.1 Die Eigenschaften des genetischen Codes 582

12.4.4

12.6

11.7

585

628

12.1.3 Der Zellkern als organisiertes Organell 635

12.4.2

Aus Sicht des Menschen: Potenzielle klinische Anwendungsgebiete der RNA-Interferenz 581

Decodierung der Codons: die Funktion der Transfer-RNA 11.7.1 Die Struktur der tRNA 586

Die Translation der genetischen Information 590 Initiation 590 Elongation 594 Termination 596 mRNA-Ûberwachung: Unsinn wird nicht geduldet 597

Steuerung auf Translationsebene 666 12.6.1 Lokalisierung der mRNA im Cytoplasma 666 12.6.2 Steuerung der Translation 667 12.6.3 Steuerung der mRNA-Stabilitåt 669

 12.7

Inhaltsverzeichnis

Steuerung nach der Translation: Proteinstabilitåt 671

14.3 Meiose 747 14.3.1 Die Stadien der Meiose

749

Aus Sicht des Menschen: Nondisjunction in der Meiose und die Folgen 755

Zusammenfassung 673

14.3.2 Genetische Rekombination in der Meiose 757

Zur Selbstçberprçfung 676 12.8





Experimentelle Verfahren: Die Entdeckung und Charakterisierung des MPF 759

Literatur 677

Zusammenfassung 764

13

DNA-Replikation und DNAReparatur 679

Zur Selbstçberprçfung 767

13.1 13.1.1 13.1.2 13.1.3

DNA-Replikation 680 Semikonservative Replikation 680 Replikation in Bakterienzellen 682 Struktur und Funktion von Polymerasen 691 13.1.4 Replikation in Eukaryotenzellen 695 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.2.4

DNA-Reparatur 702 Nucleotid-Excisionsreparatur 703 Basen-Excisionsreparatur 704 Fehlpaarungsreparatur 705 Reparatur von Doppelstrangbrçchen 706

13.3

Zwischen Replikation und Reparatur 706 Aus Sicht des Menschen: Defekte der DNA-Reparatur und ihre Folgen 707

Zusammenfassung 709 Zur Selbstçberprçfung 711 13.4

Literatur 712

14

Fortpflanzung von Zellen

14.2.1 14.2.2 14.2.3 14.2.4 14.2.5 14.2.6 14.2.7

Die M-Phase: Mitose und Cytokinese 725 Prophase 726 Prometaphase 733 Metaphase 735 Anaphase 736 Telophase 741 Kråfte fçr die Bewegungen in der Mitose 742 Cytokinese 743

Literatur 768

15

Zellulåre Signale und Signalçbertragung: Kommunikation zwischen Zellen 771

15.1

Grundelemente zellulårer Signalçbertragungssysteme 772

15.2

Eine Ûbersicht çber extrazellulåre Botenstoffe und ihre Rezeptoren 774

15.3

Mit G-Proteinen gekoppelte Rezeptoren und ihre second messengers 775 15.3.1 Signaltransduktion çber G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 776

Aus Sicht des Menschen: Krankheiten im Zusammenhang mit G-Protein-gekoppelten Rezeptoren 780

713

14.1 Der Zellzyklus 714 14.1.1 Zellzyklen   715 14.1.2 Die Steuerung des Zellzyklus 716 14.2

14.4

15.3.2 Die Entdeckung eines       : cyclisches AMP 782 15.3.3 Von Lipiden abgeleitete        783 15.3.4 Die Spezifitåt G-Proteingekoppelter Reaktionen 787 15.3.5 Die Regulation des Blutglucosespiegels 788 15.3.6 Die Rolle G-Protein-gekoppelter Rezeptoren bei der sensorischen Wahrnehmung 791 15.4

Die tyrosinspezifische Proteinphosphorylierung als Mechanismus der Signalçbertragung 793 15.4.1 Der Ras-MAPK-Signalweg 798 15.4.2 Die Signalçbertragung im Falle des Insulinrezeptors 802 15.4.3 Signalwege bei Pflanzen 806





Inhaltsverzeichnis

15.5

Calcium als intrazellulårer Botenstoff 807 15.5.1 Die Regulation der Calciumkonzentration in Pflanzenzellen 811 15.6

Konvergenz, Divergenz und Crosstalk zwischen verschiedenen Signalwegen 812 15.6.1 Beispiele fçr Konvergenz, Divergenz und Crosstalk zwischen verschiedenen Signalwegen 813 15.7

Stickstoffmonoxid (NO) als interzellulårer Botenstoff

Apoptose (programmierter Zelltod) 816 15.8.1 Der extrinsische Apoptosesignalweg 818 15.8.2 Der intrinsische Apoptosesignalweg 819 Zusammenfassung 821 Zur Selbstçberprçfung 824 Weiterfçhrende Literatur 826

17.2

Die Theorie der klonalen Selektion bei B-Zellen 873 17.2.1 Impfung 876 17.3

T-Lymphozyten: Aktivierung und Wirkungsmechanismus 877

17.4

Ausgewåhlte Aspekte der zellulåren und molekularen Grundlagen der Immunitåt 881 Die modulare Struktur von Antikærpern 881 DNA-Umordnungen bei den Genen fçr B- und T-Zell-Rezeptoren 884 Membrangebundene AntigenRezeptor-Komplexe 888 Der Haupthistokompatibilitåtskomplex 888 Die Unterscheidung zwischen Kærpereigenem und Kærperfremdem 894 Lymphozyten werden durch Zelloberflåchen-Signale aktiviert 896 Signaltransduktionswege bei der Aktivierung von Lymphozyten 897

17.4.1 17.4.2 17.4.3 17.4.4 17.4.5

17.4.7

Krebs 829

16.1

Grundeigenschaften einer Krebszelle 830

16.2

Krebsursachen

Aus Sicht des Menschen: Autoimmunerkrankungen 899 Experimentelle Verfahren: Die Rolle des Haupthistokompatibilitåtskomplexes fçr die Antigenpråsentation 902

833

Zur Genetik von Krebserkrankungen 834 16.3.1 Tumorsuppressor-Gene und Oncogene: Bremsen und Gaspedale 839

Zusammenfassung 908

16.3

16.4 16.4.1 16.4.2 16.4.3 16.4.4

Neue Strategien der Krebsbehandlung 855 Immuntherapie 855 Gentherapie 857 Hemmung der Aktivitåt krebsfærdernder Proteine 857 Hemmung der Blutgefåûbildung (Angiogenese) 858 Experimentelle Verfahren: Die Entdeckung der Oncogene 859

Zusammenfassung 866 16.5

Literatur 868

869

Ein Ûberblick çber die Immunantwort 870 17.1.1 Angeborene Immunreaktionen 871 17.1.2 Adaptive Immunreaktionen 872

17.4.6

16

Die Immunantwort

17.1

814

15.8

15.9

17

17.5

Literatur 910

18

Techniken der Zellund Molekularbiologie

18.1 18.1.1 18.1.2 18.1.3 18.1.4

911

Das Lichtmikroskop 912 Auflæsung 913 Visibilitåt 914 Phasenkontrastmikroskopie 915 Fluoreszenzmikroskopie und verwandte Techniken 916 18.1.5 Videomikroskopie und Bildverarbeitung 918 18.1.6 Konfokale Raster-Mikroskopie 918 18.1.7 Pråparation von Objekten fçr die Lichtmikroskopie 919

 18.2

Transmissionselektronenmikroskopie 920 18.2.1 Die Pråparation von Objekten fçr die Elektronenmikroskopie 922 18.3

Rasterelektronenmikroskopie 927

18.4

Der Einsatz von Radioisotopen

18.5

Zellkultur

18.6

Die Fraktionierung des Zellinhalts durch differenzielle Zentrifugation 933

929

930

18.7

Isolierung, Aufreinigung und Fraktionierung von Proteinen 934 18.7.1 Die selektive Pråparation 934 18.7.2 Såulenchromatographie 934 18.7.3 Polyacrylamid-Gelelektrophorese 938 18.8






Inhaltsverzeichnis

Strukturbestimmung bei Proteinen 941

18.9

Aufreinigung und Fraktionierung von Nucleinsåuren 942 18.9.1 Auftrennung von DNA durch Elektrophorese 943 18.10 Konzentrationsbestimmung bei Proteinen und Nucleinsåuren 943

18.11 Ultrazentrifugation 944 18.11.1 Das Sedimentationsverhalten von Nucleinsåuren 946 18.12 Nucleinsåurehybridisierung 946 18.13 Techniken der DNA-Rekombination 948 18.13.1 Restriktionsendonucleasen 948 18.13.2 Die Herstellung von rekombinierter DNA 950 18.13.3 Die Klonierung von DNA 950 18.13.4 Chemische Synthese und Oligonucleotidmutagenese 957 18.13.5 Gentransfer in eukaryotische Zellen und Såugerembryos 958 18.13.6 Die enzymatische Amplifikation von DNA mittels PCR 963 18.13.7 Die Sequenzierung von DNA 964 18.14 Der Einsatz von Antikærpern

Glossar

966

971

Nobelpreise Zellund Molekularbiologie seit 1958 Sach- und Personenverzeichnis

1003 1007

Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

1

1.1 Die Entdeckung der Zellen 1.2 Die elementaren Eigenschaften von Zellen 1.3 Zwei grundverschiedene Zellarten 1.4 Viren Aus Sicht des Menschen: Aussichten einer Zellersatztherapie Experimentelle Verfahren: Wie sind die eukaryotischen Zellen entstanden?

                               

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

die bisher auf der Erde bekannt sind, unvorstellbar zu sein scheinen. Am anderen Ende des Spektrums richten Kernphysiker ihre Aufmerksamkeit auf subatomare Partikel, die ebenfalls schwer vorstellbare Eigenschaften haben. Sicher tun sich in unserem Universum immer wieder neue Welten auf, deren Erscheinungsformen allesamt Anlass fçr faszinierende Forschungen sind. Im vorliegenden Buch wird sich immer wieder zeigen, dass die Zell- und Molekularbiologie reduktiv arbeitet; das heiût, sie geht davon aus, dass man das Ganze aufgrund der Kenntnis seiner Teile erklåren kann. Bei diesem Ansatz kann es leicht passieren, dass wir, anstatt uns den Wundern und Mysterien des Lebens anzunåhern, alles so erklåren mçssen, als funktioniere das lebende System praktisch wie eine ¹Maschineª. Dieser emotionale Verlust kann, soweit er eintritt, hoffentlich dadurch wettgemacht werden, dass man genauso von der Schænheit und

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

Komplexitåt der Mechanismen fasziniert ist, die der zellulåren Aktivitåt zugrunde liegen.

1.1 Die Entdeckung der Zellen Wegen ihrer geringen Græûe kann man die Zellen nur unter einem    betrachten, einem Instrument, mit dem man ein winziges Objekt vergræûern kann. Wir wissen nicht, wann Menschen zum ersten Mal die bemerkenswerte Fåhigkeit gekrçmmter Glasoberflåchen entdeckt haben, das Licht zu beugen und Bilder zu erzeugen. Die ersten Brillen wurden im 13. Jahrhundert in Europa hergestellt und die ersten Lichtmikroskope mit einem Linsensystem gegen Ende des 16. Jahrhunderts gebaut. Bis Mitte des 17. Jahrhunderts war es einer Handvoll wissenschaftlicher Pioniere mit Hilfe ihrer selbst gebauten Mikroskope gelungen, eine Welt zu erschlieûen, die mit dem unbewaffneten Auge niemals entdeckt worden wåre. Die Entdeckung der Zellen (Abb. 1.1 a) wird allgemein Robert Hooke zugeschrieben, einem englischen Mikroskopbauer, der mit 27 Jahren zum Kurator der Royal Society in London, Englands åltester wissenschaftlicher Akademie, ernannt wurde. Eine der vielen Fragen, die Hooke zu beantworten versuchte, war, warum Pfropfen aus Kork, einem Teil der Baumrinde, so gut verhinderten, dass Luft aus einer Flasche entwich. 1665 schrieb er: ¹Ich nahm ein gereinigtes Stçck Kork und schnitt mit einem Federmesser, das so scharf wie ein Rasiermesser war, ein Stçck davon ab. . . Als ich es unter dem Mikroskop untersuchte, schien es mir etwas poræs zu sein . . . etwa wie eine Honigwabe.ª Hooke nannte die Poren ¹Zellenª, weil sie ihn an die Zellen erinnerten, in denen die Mænche in einem Kloster leben. In Wirklichkeit hatte Hooke die Wånde leerer Zellen eines abgestorbenen Pflanzengewebes gesehen, Wånde, die ursprçnglich von den lebenden Zellen gebildet worden waren, die diese Wånde dann umschlossen hatten. Wåhrenddessen verbrachte Anton van Leeuwenhoek, ein Hollånder, der seinen Lebensunterhalt mit dem Verkauf von Kleidern und Knæpfen bestritt, seine Freizeit damit, Linsen zu schleifen und einfache Mikroskope von bemerkenswerter Qualitåt herzustellen (Abb. 1.1 b). 50 Jahre lang sandte er an die Royal Society in London Briefe, in denen er seine mikroskopischen Beobachtungen beschrieb ± zusammen mit ausschweifenden Abhandlungen çber seine tåglichen Gewohnheiten und seine gesundheitliche Verfassung. Leeuwenhoek war der erste, der einen

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b n Abb. 1.1 a, b.        a  ( ;  9   ( !   .    !'  .  )   < 9   (     )   "      '  2 !'    = >   b ?      . "     ( . '         ?         ( $ . "   @*  ' :A0  ( BC      B  ( ' 5"/D l " ' ( !'  ?          +  < ,   8 7 +      55 1 8  1

Tropfen Teichwasser unter dem Mikroskop betrachtete und zu seiner Ûberraschung herausfand, dass er voller mikroskopisch kleiner ¹animalculaª war, die vor seinen Augen hin und her flitzten. Er hat auch als erster verschiedene Bakterienformen beschrieben, die er aus Wasser, in dem er Pfeffer hatte ziehen lassen, sowie aus Belag, den er von seinen Zåhnen abgeschabt hatte, gewonnen hatte. Seine ersten Briefe an die Royal Society, in denen er diese bisher noch unbekannte Welt beschrieb, wurden mit so viel Misstrauen aufgenommen, dass die Gesellschaft ihren Kurator Robert Hooke beauftragte, diese



Die elementaren Eigenschaften von Zellen

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

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1.2 Die elementaren Eigenschaften von Zellen Genauso, wie Pflanzen und Tiere leben, sind auch Zellen lebendig. Lebendig zu sein, ist sogar die elementarste Eigenschaft von Zellen; sie sind damit die kleinsten Einheiten, die diese Eigenschaft aufweisen. Im Gegensatz zu den Zellteilen, die einfach zugrunde gehen, wenn sie isoliert werden, kænnen ganze Zellen von einer Pflanze oder einem Tier abgelæst und in einem Labor in Kultur genommen werden, wo sie heranwachsen und sich çber långere Zeitråume hinweg vermehren. Wenn sie falsch behandelt werden, kænnen sie allerdings sterben. Man kann den Tod als einen elementaren Bestandteil des Lebens ansehen ± denn nur etwas, was gelebt hat, kann sterben. Bemerkenswerter Weise sterben Zellen innerhalb des Kærpers generell ¹von eigener Handª ± als Opfer eines internen Programms, das dafçr sorgt, dass Zellen sich selbst umbringen, wenn sie nicht mehr benætigt werden oder zu entarten drohen. 1951 hat George Gey von der Johns Hopkins University die erste Kultur menschlicher Zellen angelegt. Die Zellen stammten von einem malignen Tumor ab und wurden nach der Spenderin Henrietta Lacks ¹HeLa-Zellenª genannt. HeLaZellen, die durch Zellteilungen aus dieser ersten Zellprobe hervorgegangen sind, wachsen heute noch immer in Laboratorien çberall auf der Welt (Abb. 1.2). Da Zellen, die   (also in einer

n Zellen kænnen nur durch Teilung aus bereits existierenden Zellen hervorgehen. n Abb. 1.2. 9 .  '         '            "    &   & '   )     ' 7  '       !     ! !    "    .    !       2&B    !  " B      9 .    !     )       '  "        

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6

Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

Zellkultur auûerhalb des Kærpers) wachsen, sehr viel leichter zu untersuchen sind als Zellen innerhalb des Kærpers, sind sie zu einem wichtigen Hilfsmittel der Zell- und Molekularbiologen geworden. Viele Befunde, die in diesem Buch erærtert werden, wurden letztlich mithilfe von Zellen erhoben, die in Labors in Zellkulturen gewachsen sind. Die mikroskopische Aufnahme in Abb. 1.2 wurde mit einem hochauflæsenden Mikroskop, einem   , aufgenommen, das es Forschern ermæglicht, die Zelloberflåchen detailliert zu untersuchen. Wie in Kap. 18 erærtert wird, arbeitet man in einem Elektronenmikroskop mit einem gebçndelten Elektronenstrahl, um ein auûerordentlich genaues Abbild der Zelle und der Zellteile zu erzeugen. Mit Hilfe eines anderen Typs von Elektronenmikroskop, des !  

    " gelang es, die innere Zellstruktur in allen Einzelheiten darzustellen. Die in den frçhen 1950er Jahren gemachten transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen lieferten den Forschern einen ersten Eindruck von der komplizierten Struktur, die sich innerhalb der Grenzen einer winzigen Zelle verbirgt. Wir beginnen unsere Erkundung der Zellen, indem wir uns zunåchst einigen ihrer elementaren Eigenschaften zuwenden. 1.2.1 Zellen sind hochkomplex und hochorganisiert Komplexitåt ist eine Eigenschaft, die zwar offensichtlich, aber nur schwer zu beschreiben ist. Fçr den Anfang stellen wir uns Komplexitåt vielleicht am besten mit Hilfe der Begriffe Ordnung und Beståndigkeit vor. Je komplexer eine Struktur ist, je mehr Teile an ihrem Platz sein mçssen, desto geringer ist die Toleranz gegençber Fehlern bei der Beschaffenheit und den wechselseitigen Beziehungen ihrer Elemente und umso mehr muss reguliert und kontrolliert werden, um das System zu erhalten. Im weiteren Verlauf dieses Buches werden sich noch æfter Betrachtungen darçber ergeben, wie komplex das Leben auf den verschiedenen Ebenen ist. Wir werden erærtern, wie Atome kleine Molekçle bilden, wie sich diese Molekçle zu riesigen Polymeren zusammenfinden und wie sich die verschiedenen Typen von polymeren Molekçlen zu Komplexen arrangieren, die wiederum in subzellulåren Organellen und letztlich in Zellen organisiert sind. Dabei wird klar werden, dass auf jeder Ebene sehr vieles gleich bleibt. So zeigt jeder Zelltyp unter dem Elektronenmikroskop ein

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



n Abb. 1.3.      !  &       @         &  % !      %       G 

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Die elementaren Eigenschaften von Zellen

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

1.2.2 Zellen besitzen ein genetisches Programm sowie die Mittel, es zu benutzen Der Aufbau der Organismen richtet sich nach den Informationen, die in einer Ansammlung von Genen festgelegt sind. Wenn man das genetische Programm des Menschen in Wærter çbersetzen wçrde, enthielte es gençgend Informationen, um Millionen von Textseiten zu fçllen. Umso beachtlicher ist es, dass diese riesige Informationsmenge in einer Reihe von Chromosomen verpackt ist, die den Raum eines Zellkern einnimmt, der hundertmal kleiner ist als der Punkt auf diesem . Gene kænnen nicht nur Informationen speichern: Sie bilden die Vorlagen, nach denen Zellstrukturen aufgebaut werden, sie geben die Richtung fçr die laufenden Zellaktivitåten sowie das Programm vor, nach dem sie sich selber vermehren. Aufgrund der molekularen Struktur der Gene kann es zu Ønderungen in der genetischen Information, den Mutationen, kommen, die dazu fçhren, dass Individuen abgewandelt werden und so die Basis fçr eine biologische Evolution bilden. Die Entdeckung der Mechanismen, mit denen Zellen ihre genetische Information benutzen, war einer der græûten wissenschaftlichen Fortschritte in den letzten Jahrzehnten. 1.2.3 Zellen kænnen sich selbst vermehren Ebenso wie individuelle Organismen entstehen auch einzelne Zellen durch Reproduktion. Zellen vermehren sich durch Teilung, einen Prozess, bei dem der Inhalt einer ¹Mutterª-Zelle auf zwei ¹Tochterª-Zellen aufgeteilt wird. Vor der Teilung wird das genetische Material originalgetreu verdoppelt, so dass jede Tochterzelle einen vollståndigen identischen Anteil der genetischen Information erhålt. In den meisten Fållen sind die beiden durch Teilung entstandenen Tochterzellen in etwa gleich groû. In einigen Fållen aber, etwa wenn sich eine menschlichen Eizelle teilt, kann eine der Zellen nahezu das gesamte Cytoplasma erhalten, obwohl sie nur die Hålfte des genetischen Materials bekommt (Abb. 1.4).

n Abb. 1.4. ;  (    ! 

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

1.2.4 Zellen gewinnen und verbrauchen Energie Um die Komplexitåt entwickeln und aufrechterhalten zu kænnen, muss permanent Energie bereit gestellt werden (Abb. 1.5). Fast die gesamte Energie, die fçr das Leben auf der Erdoberflåche erforderlich ist, stammt aus elektromagnetischen

n Abb. 1.5.    '.         B         B  8     "    !! B    ! " '  %      '    # I         '  +?  G  F # ;   1

 Form ± in der Regel als ATP ± gespeichert werden kann; diese Depots werden dann spåter bei unzåhligen Zellaktivitåten eingesetzt, fçr die Energie benætigt wird. 1.2.5 In Zellen laufen viele verschiedene chemische Reaktionen ab Zellen funktionieren wie kleine chemische Fabriken. Selbst die einfachste Bakterienzelle kann Hunderte von verschiedenen chemischen Umwandlungsprozessen durchfçhren, die in der unbelebten Natur allesamt hæchstens ganz langsam ablaufen. Fçr fast alle chemischen Verånderungen, die in Zellen stattfinden, sind #$% erforderlich ± Molekçle, welche die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion ablåuft, stark erhæhen. Die Summe såmtlicher chemischer Reaktionen einer Zelle bezeichnet man als ihren &' . 1.2.6 Zellen fçhren zahlreiche mechanische Aktivitåten durch Zellen sind sehr geschåftig. Materialien werden hin und her transportiert, Strukturen auf- und spåter schnell wieder abgebaut, und in vielen Fållen bewegt sich die gesamte Zelle von einem Aufenthaltsort zum anderen. Diese Aktivitåten basieren auf dynamischen, mechanischen Verånderungen innerhalb der Zellen, von denen die meisten durch Formverånderungen von ¹Motorª-Proteinen ausgelæst werden. Motorproteine sind nur eine von vielen Arten molekularer ¹Maschinenª, mit deren Hilfe Zellen ihre mechanischen Aktivitåten ausfçhren. 1.2.7 Zellen kænnen auf Reize reagieren Bei einigen Zellen sind die Reaktionen auf Reize ganz offensichtlich. Ein einzelliger Protist beispielsweise steuert um ein Objekt herum, das auf seinem Weg liegt, oder bewegt sich auf eine Nahrungsquelle zu. Wie die Zellen einer vielzelligen Pflanze oder eines vielzelligen Tieres reagieren, ist nicht so leicht zu erkennen. Auf den meisten Zellen sitzen çberall $, die hochspezifisch auf Substanzen in ihrer Umgebung reagieren. Zellen besitzen Rezeptoren fçr Hormone, Wachstumsfaktoren, extrazellulåre Materialien, aber auch fçr Substanzen auf der Oberflåche anderer Zellen. Die Rezeptoren einer Zelle sorgen dafçr, dass externe Faktoren in den Zielzellen spezielle Reaktionen hervorrufen kæn-

Die elementaren Eigenschaften von Zellen

A

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

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

das an einer bestimmten Aktivitåt beteiligt ist, ferner herausfinden, wie diese Elemente miteinander wechselwirken und wie diese Interaktionen gesteuert werden. 1.2.9 Zellen durchlaufen eine Evolution

n Abb. 1.6. %     <   '   %  "            !  !   I    <  $  "         I       ,   (      '      *         & (   '       I&  !   " '!    $     

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vællig anders sind als in der unbelebten Natur. In der Zelle mçssen die Arbeiter agieren, ohne sich çber die Richtung im Klaren zu sein und den Ablauf bewusst steuern zu kænnen. Stattdessen muss jeder Schritt innerhalb eines Prozesses spontan so ablaufen, dass dadurch automatisch der nåchste Schritt ausgelæst wird. Såmtliche Informationen, die benætigt werden, um eine bestimmte Aktivitåt zu steuern ± sei es die Synthese eine Proteins, die Sekretion eines Hormons oder die Kontraktion einer Muskelfaser ± mçssen innerhalb des Systems selbst vorhanden sein. Zellen funktionieren in vieler Hinsicht åhnlich wie die in Abb. 1.7 dargestellte Orangenpresse, die ein ¹Professorª erfunden hat. Jeder Typ zellulårer Aktivitåt erfordert eine einzigartige Zusammenstellung hæchst komplizierter molekularer Hilfsmittel und Maschinen, die in Jahrmillionen natçrlicher Selektion und biologischer Evolution entstanden sind. Zell- und Molekularbiologen mæchten vor allem die molekulare Struktur und Rolle jedes Elements verstehen,

Wie sind Zellen entstanden? Von allen bedeutenden Fragen, die Biologen stellen, wird diese wahrscheinlich am ehesten unbeantwortet bleiben. Man nimmt an, dass sich die Zellen aus irgendeiner Art von pråzellulårer Lebensform entwickelt haben, die wiederum aus abiotischen organischen Materialien entstanden ist, die in den urzeitlichen Meeren vorhanden waren. Wåhrend der Ursprung der Zellen in einem fast undurchdringlichen Dunkeln liegt, kann man die Evolution der Zellen anhand der heute existierenden Organismen untersuchen. Wenn Sie die Merkmale einer Bakterienzelle, die in den menschlichen Atemwegen vorkommt (Abb. 1.18 a), sowie eine Zelle im menschlichen Verdauungskanal (Abb. 1.3) betrachten wçrden, wåren Sie erstaunt, wie stark sich beide Zellen unterscheiden. Trotzdem sind beide aus einer gemeinsamen Vorlåuferzelle hervorgegangen, die vor çber 3 Mrd. Jahren existiert hat. Die Strukturen, die diese beiden entfernt miteinander verwandten Zellen noch gemeinsam haben ± etwa ihre åhnliche Plasmamembran oder ihre Ribosomen ±, mçssen in der Urzelle vorhanden gewesen sein. Wir werden uns am Ende des Kapitels in den ¹Experimentellen Verfahrenª einige Ereignisse vor Augen fçhren, die sich im Laufe der Evolution der Zellen abgespielt haben. Man sollte immer daran denken, dass die Evolution nicht vorçber ist, sondern nach wie vor weitergeht und dabei die Eigenschaften von Zellen veråndert, die in Organismen vorhanden sein werden, die sich erst noch entwickeln mçssen.

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Zwei grundverschiedene Zellarten

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1.3 Zwei grundverschiedene Zellarten Nach der Einfçhrung und allgemeinen Verbreitung des Elektronenmikroskops konnten die Biologen die Strukturen im Inneren eines breiten Spektrums von Zellen untersuchen. Dabei fanden sie heraus, dass es zwei grundverschiedene Zellgruppen gibt ± prokaryotische und eukaryotische ±, die sich aufgrund ihrer Græûe und ihrer diversen internen Strukturen, der (  , unterscheiden (Abb. 1.8). Dass es zwei eigenståndige Zellgruppen ohne irgendwelche bekannten Zwischenstufen gibt, ist eine der elementarsten Aufteilungen in der evolutionåren Entwicklung innerhalb der Welt der Biologie. Zu den von der Struktur her einfacheren  %     gehæren die Bakterien, wåhrend die Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere zu den strukturell komplexeren  %    zåhlen. Man weiû nicht genau, wann prokaryotische Zellen zum ersten Mal auf der Erde aufgetreten sind. Belege fçr prokaryotisches Leben liefern Gesteine, die ungefåhr 2,7 Mrd. Jahre alt sind. Diese Felsen enthalten nicht nur versteinerte Mi-

a n Abb. 1.8 a±c.  %           a     !

50

Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

n Abb. 1.8 b, c.  %           b   # ! !  c         

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

wiss. Komplexe vielzellige Tiere tauchen vor ungefåhr 600 Mio. Jahren relativ unvermittelt in den Versteinerungen auf, es gibt aber gute Belege dafçr, dass einfachere eukaryotische Organismen bereits çber 1 Mrd. Jahre frçher auf der Erde vorhanden waren. An Abb. 1.9 ist abzulesen, wann einige græûere Gruppen von Organismen schåtzungsweise erstmals auf der Erde erschie-



Zwei grundverschiedene Zellarten

55

n Abb. 1.9.      4           (    D ? -      "   ! " ' ' @         ) $ ,  +G   % 1   &C !   

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nen sind. Selbst wenn man nur einen kurzen Blick auf Abb. 1.9 wirft, ist gut zu erkennen, wie ¹schnellª das Leben nach der Entstehung der Erde und der Abkçhlung ihrer Oberflåche entstanden ist und wie lange es dann noch gedauert hat, bis sich komplexe Tiere und Pflanzen entwickelt haben. 1.3.1 Merkmale, in denen sich prokaryotische und eukaryotische Zellen unterscheiden Der folgende kurze Vergleich prokaryotischer und eukaryotischer Zellen offenbart viele grundlegende Unterschiede, aber auch zahlreiche Øhnlichkeiten zwischen beiden Typen (Abb. 1.8), die in Tabelle 1.1 zusammengefasst sind. In den gemeinsamen Eigenschaften spiegelt sich die Tatsache wider, dass eukaryotische Zellen hæchstwahrscheinlich aus prokaryotischen Vorlåuferzellen hervorgegangen sind. Wegen ihrer gemeinsamen Vorfahren benutzen beide Zelltypen dieselbe genetische Sprache, auûerdem zeigt sich ihre Verwandtschaft bei den Stoffwechselwegen sowie vielen strukturellen Eigenheiten. So sind beispielsweise beide Zelltypen von åhnlich aufgebauten Plasmamembranen umgeben, die als selektiv-permeable Trennwånde zwischen der lebenden und der unbelebten Welt fungieren. Beide Zelltypen kænnen von einer starren, abgestorbenen '  umgeben sein, welche die empfindliche Lebensform im Innern schçtzt. Obwohl die Zellwånde der Prokaryoten und Eukaryoten åhnliche Funktionen haben kænnen, haben sie eine vollkommen andere chemische Zusammensetzung.

In ihrem Innern sind eukaryotische Zellen strukturell und funktionell sehr viel komplexer als prokaryotische Zellen (Abb. 1.8). Wie stark sich die Komplexitåt der Strukturen voneinander unterscheiden, erkennt man deutlich auf den elektronenmikroskopischen Bildern einer Bakterien- beziehungsweise Tierzelle in den Abb. 1.18 a und 1.10. Beide enthalten eine Kernregion, die von Cytoplasma umgeben ist und in der das genetische Material der Zelle gespeichert wird. Bei einer prokaryotischen Zelle befindet sich das genetische Material in einem )  ± einer nur diffus abgegrenzten Zellregion ohne eigene Membran, die sie vom umgebenden Cytoplasma trennen kænnte. Eukaryotische Zellen dagegen besitzen einen  * eine Region, die von einer komplizierten Membranstruktur, der so genannten  , umgeben ist. Aus diesem Unterschied in der Kernstruktur leiten sich die Begriffe  ( vor;  : Nuss, Kern) und eukaryotisch ( : gut, echt) ab. Prokaryotische Zellen enthalten relativ wenig DNA: Die DNA eines Bakteriums umfasst etwa 0,6 Mio. bis fast 8 Mio. Basenpaare, was ausreicht, um mehrere Hundert bis mehrere Tausend Proteine zu codieren (ein DNA-Molekçl mit 8 Mio. Basenpaaren hat eine Långe von fast 3 mm.) Obwohl eine ¹einfacheª Båckerhefe nur etwas mehr DNA (12 Mio. Basenpaare codieren etwa 6200 Proteine) als die komplexesten Prokaryoten besitzt, enthalten die meisten eukaryotischen Zellen erheblich mehr genetische Information. Prokaryotische wie eukaryotische Zellen haben beide Chromosomen, die DNA enthalten. Eukaryotische Zellen besitzen eine Reihe gesonderter Chromosomen mit jeweils einem einzigen linea-

5:

Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

n Tabelle 1.1.     I    I     Merkmale, die beide Zelltypen aufweisen n  &    #    n            2 '        8  ! n O  ?      ,   ,          "    C  &   ;   n     %

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!   #  "        ?  %  '   B  n ) $ @   8I  "  ( ?       +!    B     

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ren DNA-Molekçl, wåhrend man bei nahezu allen bisher untersuchten Prokaryoten nur ein einziges ringfærmiges Chromosom findet. Wichtiger ist, dass die chromosomale DNA der Eukaryoten dicht mit Protein besetzt ist, wohingegen die einer prokaryotischen Zelle im Wesentlichen aus ¹nackterª DNA besteht.

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



n Abb. 1.10. %    I       !         '  ;      &   ;       

Zwei grundverschiedene Zellarten

5/

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

n Mitochondrien, die chemische Energie fçr die zellulåren Aktivitåten erzeugen; n ein endoplasmatisches Retikulum, in dem viele Zellproteine und -lipide synthetisiert werden; n einen Golgi-Apparat, in dem Materialien sortiert, modifiziert und weiter zu speziellen Bestimmungsorten in der Zelle transportiert werden; n eine Vielfalt an einfachen, unterschiedlich groûen membranumhçllten Vesikeln. Pflanzenzellen enthalten noch zusåtzliche von Membranen umschlossene Organellen wie die Chloroplasten, in denen die Photosynthese stattfindet, sowie håufig eine einzelne groûe Vakuole, die den græûten Teil der Zelle einnehmen kann. Insgesamt sorgen die Membranen der eukaryotischen Zelle dafçr, dass das Cytoplasma in verschiedene Kompartimente aufgeteilt wird, in denen es zu speziellen Aktivitåten kommt. Das Cytoplasma prokaryotischer Zellen enthålt dagegen praktisch çberhaupt keine Membranen. Die komplexen photosynthetischen Membranen der Cyanobakterien bilden allerdings eine wichtige Ausnahme von dieser Regel (Abb. 1.15). Die cytoplasmatischen Membranen eukaryotischer Zellen bilden ein System miteinander kommunizierender Kanåle und Vesikel, die fçr den Transport von Substanzen von einem Teil einer Zelle zu einem anderen sowie zwischen dem Zellinnern und seiner Umgebung sorgen. Wegen der geringen Græûe prokaryotischer Zellen ist die gerichtete Kommunikation innerhalb des Cytoplasmas dieser Zellen weniger wichtig, weil die Substanzen, falls erforderlich, allein durch Diffusion an ihren Platz gelangen kænnen. Eukaryotische Zellen besitzen darçber hinaus auch zahlreiche Strukturen, die nicht von einer Membran umgeben sind. Dazu gehæren die långlichen ! und
   +%  , die fçr die Kontraktilitåt und Beweglichkeit der Zelle verantwortlich sind und die Zelle stçtzen. Bis vor kurzem hat man angenommen, dass prokaryotische Zellen çberhaupt kein Cytoskelett besitzen. In einigen Bakterien wurden jedoch primitive Cytoskelette gefunden. Man muss jedoch nach wie vor sagen, dass das Cytoskelett der Prokaryoten strukturell und funktionell wesentlich einfacher ist. Ribosomen findet man in Eukaryoten wie Prokaryoten; diese membranlosen Partikel fungieren als ¹Werkbånkeª, auf denen die zellulåren Proteine hergestellt werden. Obwohl die Ribosomen in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen ganz unterschiedlich groû

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

n Abb. 1.11.  8I     I                    !           ;   !   I   @  "   (        4      '              '   (      G  !'        (   @*      !         8          8I   '  "    ) $ +(   ;  1          '    & +2    ( ?   @   +:00:1 %  :JE<5:55"         (     G K :00: 

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Zwei grundverschiedene Zellarten

5D

n Abb. 1.12.         I  

 

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

n Abb. 1.13. )* (            !   )* !'     "     %   !     (    P        #  ' (   2     +?         ( 8 8 " -  - 81

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

5H

Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

a

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

b

n Abb. 1.14 a,b. 4    !'      I      a         !         

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Pro- und eukaryotische Zellen unterscheiden sich vor allem in ihrer strukturellen Komplexitåt (Details in Tabelle 1.1) und nicht so sehr in ihrer phylogenetischen Beziehung. Die Prokaryoten unterteilt man in zwei groûe taxonomische Gruppen oder Ûberreiche: Archaea (oder Archaebakterien) und Eubacteria (oder Bakterien). Heute geht man davon aus, dass die Mitglieder der Archaea stårker mit den Eukaryoten als mit der anderen Prokaryotengruppe (den Eubacteria) verwandt sind. Die Experimente, die zu der Entdeckung fçhrten, dass das Leben durch drei verschiedene Ûberreiche repråsentiert wird, werden in der Rubrik ¹Experimentelle Verfahrenª erærtert. Zum Ûberreich der Archaea gehæren mehrere Organismengruppen, deren evolutionåre Verbindungen zueinander aufgrund von Øhnlichkeiten in der Nucleotidsequenz ihrer Nucleinsåuren entdeckt wurden. Die bekanntesten Archaea sind

 Arten, die in extrem lebensfeindlichem Umfeld leben und daher håufig als ¹extremophilª bezeichnet werden. Zu den Archaea gehæren die Methanobacteria (Prokaryoten, die CO2- und H2-Gase in Methan [CH4] umwandeln kænnen), die Halobacteria (Prokaryoten, die an extrem salzigen Stellen wie dem Toten Meer oder dem Groûen Salzsee leben), Acidophile (såureliebende Prokaryoten, die selbst in einer Umgebung mit einem pH-Wert von 0 noch leben kænnen, wie man ihn etwa in Sickerwåssern von aufgegebenen Bergwerksschåchten findet) sowie die Thermophilen (Prokaryoten, die bei sehr hohen Temperaturen leben). Zur letzten Gruppe zåhlen auch Hyperthermophile wie    , der in den hydrothermalen Schloten auf dem Meeresgrund leben und sich in çber den Siedepunkt hinaus erhitztem Wasser bei Temperaturen bis zu 113 8C vermehren kann. Bei Temperaturen unter 90 8C kann    dagegen nicht wachsen. Alle anderen Prokaryoten gehæren zum Ûberreich der Eubacteria. Zu diesen zåhlen auch die kleinsten Lebewesen, die Mycoplasmen (0,2 lm Durchmesser), die auch die einzigen bekannten Prokaryoten ohne Zellwand sind. Bakterien findet man in jedem nur denkbaren Lebensraum auf der Erde: vom ewigen Eis in der Antarktis çber die trockensten Wçsten Afrikas bis zu den inneren Grenzschichten der Pflanzen und Tiere. Bakterien leben sogar in Gesteinsschichten, die sich mehrere Kilometer unterhalb der Erdoberflåche befinden. Man vermutet, dass einige dieser Bakteriengemeinschaften seit çber 100 Mio. Jahre keine Verbindung zum Leben auf der Erdoberflåche haben. Die komplexesten Prokaryoten sind die Cyanobakterien mit ihren raffiniert angeordneten cytoplasmatischen Membranen, an denen die Photosynthese stattfindet (Abb. 1.15 a). Die cytoplasmatischen Membranen der Cyanobakterien haben sehr groûe Øhnlichkeit mit den photosynthetisch aktiven Membranen in den Chloroplasten von Pflanzenzellen. Wie bei den eukaryotischen Pflanzen spalten die Cyanobakterien bei der Photosynthese Wassermolekçle und setzen dabei molekularen Sauerstoff frei. Viele Cyanobakterien kænnen nicht nur Photosynthese betreiben, sondern auch &     - , indem sie Stickstoff(N2)-Gas in reduzierte Stickstoffformen wie Ammoniak (NH3) umwandeln, die Zellen zur Synthese stickstoffhaltiger organischer Verbindungen wie etwa Aminosåuren und Nucleotide verwenden kænnen. Denjenigen Spezies, die sowohl Photosynthese als auch Stickstofffixierung beherrschen, kænnen schon mit den elementarsten Ressourcen ± Licht, N2, CO2 und H2O ± çberleben. Es ist daher nicht

Zwei grundverschiedene Zellarten

5A

a

b n Abb. 1.15. 8I   a         8I     I  

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verwunderlich, dass Cyanobakterien in der Regel die ersten Organismen sind, die nackte Felsen besiedeln, auf denen die glçhend heiûe Lava eines Vulkanausbruchs såmtliches Leben vernichtet hat. Ein weiterer ungewæhnlicher Lebensraum, den Cyanobakterien besiedeln, ist in Abb. 1.15 b dargestellt.   .    / %0 Meistens sind Mikrobiologen nur mit den Mikroorganismen vertraut, die sie auch in einem Kulturmedium wachsen lassen kænnen. Wenn ein Patient, der an einer Infektion der Atemwege oder des Harntrakts leidet, seinen Arzt aufsucht, wird håufig zuerst einmal der Erreger in Kultur genommen. Sobald der Erreger auf dem kçnstlichen Nåhr-

5E

Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

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

sorgen, dass Zåhne kariæs werden, sich das Zahnfleisch entzçndet und es zu Herzerkrankungen kommt. Eine Analyse der RNA-Sequenzen låsst vermuten, dass in unseren Zahnfleischtaschen etwa 415 verschiedene Bakterienspezies leben. Trotz intensiver, jahrzehntelanger Bemçhungen konnte bisher nur die Hålfte dieser Organismen in Kultur genommen werden. Mithilfe der molekularen Techniken, die sich die Sequenzen zunutze machen, haben Biologen herausgefunden, dass es in den meisten Lebensråumen auf der Erde nur so wimmelt von prokaryotischen Organismen, von denen man zuvor gar nichts wusste. Tabelle 1.2 liefert eine Schåtzung, wie viele Prokaryoten in den wichtigsten Habitaten der Erde existieren. Es ist bemerkenswert, dass man heute annimmt, dass sich çber 90 Prozent dieser Organismen in den Sedimenten unterhalb der Erdoberflåche befinden ± tief unter den Ozeanen und den oberen Bodenschichten. Noch vor etwa einem Jahrzehnt ging man davon aus, dass diese tieferen Sedimentschichten kaum von Lebewesen bevælkert sind. Tabelle 1.2 gibt auûerdem Schåtzwerte dafçr an, wie viel Kohlenstoff in den prokaryotischen Zellen dieser Welt gespeichert ist. Damit man sich diese Angabe etwas besser vorstellen kann: Diese Zahl entspricht in etwa der gesamten Menge an Kohlenstoff in såmtlichen Pflanzen auf der Erde.

n Tabelle 1.2.    

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

n Abb. 1.16.  "   $   8    !  #  ?      ;    ! " (              !   &   &      %  =)B >   !    -    !    !  C  ) "   ?  +
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Zwei grundverschiedene Zellarten

5J

låuft, gibt es Hunderte von Mæglichkeiten, sich zu differenzieren. Einige Zellen werden Teil einer bestimmten Verdauungsdrçse, andere gehæren zu einem groûen Skelettmuskel, wieder andere zu einem Knochen und so weiter (Abb. 1.17). Welchem Entwicklungsweg die einzelne embryonale Zelle folgt, hångt vor allem davon ab, welche Signale sie aus ihrer Umgebung empfångt; und dies hångt wiederum davon ab, an welcher Stelle sich die Zelle im Embryo befindet. Wie im Exkurs unter der Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª erærtert wird, erfahren die Wissenschaftler immer mehr darçber, wie sie den Differenzierungsprozess in der Kulturschale steuern kænnen und wenden ihr Wissen bei der Behandlung komplizierter menschlicher Krankheiten an. Aufgrund der Differenzierung sehen verschiedene Zelltypen unterschiedlich aus und sind ganz speziell ausgestattet. Skelettmuskelzellen enthalten ein Netzwerk von pråzise ausgerichteten Filamenten aus besonders kontraktilen Proteinen; Knorpelzellen sind von einer charakteristischen Matrix aus Polysacchariden und dem Protein Kollagen umgeben, die zusammen fçr mechanischen Halt sorgen; rote Blutkærperchen werden zu scheibchenfærmigen Såcken, die nur mit dem Protein Håmoglobin gefçllt sind, das Sauerstoff transportiert, und so weiter. Trotz der zahlreichen Unterschiede findet man in den verschiedenen Zellen der vielzelligen Pflanzen oder Tiere åhnliche Organellen. Mitochondrien beispielsweise gibt es in praktisch allen Zelltypen. Sie sind allerdings in einem Zelltyp eher rund und in einem anderen ausgeprågt långlich oder fadenfærmig. Auf jeden Fall hångt die Anzahl, das Erscheinungsbild und die Position der verschiedenen Organellen immer mit den Aktivitåten des jeweiligen Zelltyps zusammen. Dies låsst sich vielleicht mit der Vielfalt an Orchesterstçcken, die es gibt, vergleichen: Alle wurden mit denselben Noten komponiert, die unterschiedlichen Arrangements sorgen aber dafçr, dass jedes von ihnen einen einzigartigen Charakter hat und auf seine eigene, unverwechselbare Weise schæn ist.   0 Lebende Organismen zeigen eine enorme Vielfalt. Welche Ergebnisse man bei einem bestimmten Experiment erhålt, hångt mæglicherweise stark davon ab, welcher Organismus gerade untersucht wurde. Daher haben sich Zell- und Molekularbiologen bei einem Groûteil ihrer Forschungsaktivitåten auf nur wenige ¹repråsentativeª oder    konzentriert, weil sie auf diese Weise hofften, diese Arten besonders gut kennenzulernen. Das bedeutet nicht, dass in der Zell- und Molekular-

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

n Abb. 1.17. 

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biologie nicht auch noch viele andere Organismen untersucht wçrden. Trotzdem haben vor allem sechs Modellorganismen ± ein Prokaryot und fçnf Eukaryoten ± die Aufmerksamkeit auf sich gezogen:

Jeder dieser Organismen hat spezielle Vorteile, die ihn als Forschungsobjekt fçr die Beantwortung bestimmter Fragen besonders wertvoll machen. Alle diese Organismen sind in Abb. 1.18 zu sehen, und in der dazu gehærenden Legende sind einige Vorteile dieser Forschungsobjekte aufgefçhrt. Wir wollen uns in diesem Buch auf die Ergebnisse von Untersuchungen an Såugersystemen konzentrieren, die vor allem an der Maus und an in Kultur genommenen Såugerzellen durchgefçhrt wurden, weil diese Befunde am ehesten auf Menschen çbertragen werden kænnen. Wir werden trotzdem noch viele Gelegenheiten haben, wissenschaftliche Arbeiten an

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das Bakterium   , die Båckerhefe      , die Blçtenpflanze !  , der Nematode "    , die Taufliege     , die Maus #     .



Zwei grundverschiedene Zellarten

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

zellulårer und molekularer Ebene diesen viel kleineren und einfacheren Organismen åhneln.

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

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Aus Sicht des Menschen

Aussichten einer Zellersatztherapie Wenn einem Menschen ein Herz- oder Leberversagen droht, bietet eine Organtransplantation die besten Aussichten, zu çberleben und normal weiterleben zu kænnen. Die Organtransplantation ist zwar ein groûer Erfolg der modernen Medizin, sie kann aber aufgrund der geringen Anzahl an verfçgbaren Spenderorganen und des hohen immunologischen Abstoûungsrisikos nur sehr begrenzt eingesetzt werden. Stellen Sie sich vor, was mæglich wåre, wenn wir Zellen und Organe im Labor wachsen lassen und damit kranke oder nicht funktionsfåhige Bestandteile unseres Kærpers ersetzen kænnten. Obwohl diese Aussichten çberwiegend ins Reich der Sciencefiction gehæren, hoffen die Forscher aufgrund von Untersuchungen aus den letzten Jahren, dass diese Art der Therapie eines Tages gang und gåbe sein kænnte. Um das Konzept der Zellersatztherapie besser verstehen zu kænnen, kænnen wir uns eine heutzutage gebråuchliche Prozedur wie die          vorstellen, bei der aus den Beckenknochen eines Spenders Zellen entnommen und in den Kærper eines Empfångers injiziert werden. Mit einer Knochenmarkstransplantation werden vor allem Lymphome und Leukåmien behandelt, also Krebsarten, die den Charakter und die Anzahl der weiûen Blutkærperchen veråndern. Um die Transplantation durchfçhren zu kænnen, wird der Patient einer hohen Strahlendosis und/oder giftigen Chemikalien ausgesetzt, welche die Krebszellen, aber auch såmtliche Zellen tæten, die an der Bildung der roten und weiûen Blutzellen beteiligt sind. Diese Therapie hat deshalb Erfolg, weil die blutbildenden Zellen besonders empfindlich gegençber Strahlen und toxischen Substanzen sind. Sobald die blutbildenden Zellen eines Menschen zerstært sind, werden sie durch die Knochenmarkszellen eines gesunden Spenders ersetzt. Das Knochenmark kann das Blutsystem des Empfångers regenerieren, weil es einen kleinen Prozentsatz an Zellen enthålt, die proliferieren und somit das blutbildende Knochenmarksgewebe des Patienten wieder aufstocken kænnen.1 Man nennt diese blut1 Eine Knochenmarkstransplantation ist etwas anderes als eine einfache Bluttransfusion, bei welcher der Empfånger ausdifferenzierte Blutzellen ± vor allem rote Blutkærperchen und Blutplåttchen ± erhålt, die im Blutkreislauf vorhanden sind.

bildenden Zellen des Knochenmarks 1     & $ (oder 2& ). Sie haben normalerweise die Aufgabe, die Millionen von roten und weiûen Blutkærperchen zu ersetzen, die altern und tåglich in unserem Kærper absterben (Abb. 17.4). Erstaunlicherweise kann eine einzige HSZ das gesamte blutbildende System einer bestrahlten Maus wiederherstellen. Als & $ bezeichnet man undifferenzierte Zellen, die sich zum einen selber vermehren kænnen und zum anderen zu zwei oder mehr reifen Zelltypen entwickeln kænnen. HSZs des Knochenmarks sind nur eine Art von Stammzellen. Der ausgewachsene menschliche Kærper enthålt eine Vielzahl verschiedener Stammzelltypen, aus denen die spezialisierten Zellen der jeweiligen Gewebe hervorgehen, in denen sie gefunden werden. Stammzellen sind vielversprechend fçr den Ersatz von Geweben, die durch eine Verletzung oder Erkrankung zerstært wurden. Sie kænnen aber auch als ¹Rohmaterialª fçr Ersatz von Zellen dienen, weil sie in Kultur gut wachsen, sich teilen und dann zu zahlreichen spezialisierten Zellen entwickeln kænnen. Die meisten ausdifferenzierten Zellen kænnen dagegen nicht mehr wachsen oder sich teilen, so dass sie fçr eine Transplantation nicht in ausreichender Anzahl gewonnen werden kænnen. Forscher entwickeln gegenwårtig experimentelle Strategien, um Stammzellen dazu zu bringen, sich in einer Kulturschale in einen bestimmten gewçnschten Zelltyp wie etwa eine Pankreaszelle, die Insulin produziert, oder eine Nervenzelle, die Dopamin bildet, zu differenzieren, die dann fçr eine Transplantation verwendet werden kann. Einer der græûten potenziellen Einsatzbereiche fçr die Stammzelltherapie ist die Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit, die mit Zittern und Muskelstarre einhergeht. Bis vor kurzem hat man angenommen, dass das menschliche Gehirn nicht in der Lage ist, neue Nervenzellen zu bilden. Obwohl wir die çberwiegende Mehrheit unserer Nervenzellen bereits seit unserer Kindheit besitzen, hat man im Gehirn von Erwachsenen nun doch eine Reihe von Bereichen gefunden, in denen ståndig neue Nervenzellen gebildet werden. Das Foto auf dem Umschlag dieses Buches zeigt eine neu entstandene Nervenzelle im Hippocampus einer adulten Maus, einem Bereich des Gehirns,



Zwei grundverschiedene Zellarten

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

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

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

wechsel ausgelæst wird. Auf diese Flut von Berichten çber das auûergewæhnliche Differenzierungsvermægen adulter Stammzellen folgte eine Welle der Skepsis, die von Publikationen untermauert wurde, in denen die Autoren entweder frçhere Befunde nicht reproduzieren konnten oder aber zeigten, dass die beobachteten Ergebnisse nicht auf das Differenzierungsvermægen der Stammzellen zurçckzufçhren waren. So beruhte die Fåhigkeit der HSZs, Tiere von Lebererkrankungen zu heilen, nicht darauf, dass sich die Zellen zu Leberzellen entwickeln konnten, sondern darauf, dass sie mit vorhandenen Leberzellen fusionieren konnten und so ein Gen fçr ein normales Enzym erhielten. Wåhrend ich dieses Buch schreibe, çberprçfen Wissenschaftler gerade erneut das Differenzierungsvermægen adulter Stammzellen, diesmal nach strengeren experimentellen Kriterien. Wir haben die Erærterung bisher auf Stammzellen aus adulten Organismen begrenzt. Es sind jedoch nicht diese Studien an adulten Stammzellen, weswegen dieses Thema die Gemçter besonders erregt und welche die græûten Kontroversen auslæst, sondern Untersuchungen an %  & $ 3#&4" die aus ganz jungen Såugerembryonen isoliert werden (Abb. 2). Das sind die Zellen des jungen Embryos, aus denen såmtliche verschiedenen Strukturen des fetalen Såugers hervorgehen. Anders als bei den adulten Stammzellen sind die Differenzierungsfåhigkeiten der ES-Zellen unbestritten. ES kænnen sich zu jedem Zelltyp im Kærper differenzieren ± sowohl in Zellkultur, als auch in einem als Spender vorgesehenen Embryo selbst. Langfristig besteht das Ziel der klinischen Forscher darin herauszufinden, wie man ES-Zellen dazu bringen kann, sich in Kultur in einen gewçnschten Zelltyp zu verwandeln, den man fçr eine Zellersatztherapie verwenden kann. Es hat einige Fortschritte in diese Hinsicht gegeben. So kann man beispielsweise durch Zugabe eines spezifischen Wachstumsfaktors (bFGF) und dann Nicotinamids (eines Derivats des Vitamins Niacin) eine Kultur von ES-Zellen dazu bringen, sich vor allem zu Insulin sezernierenden Beta-Zellen aus dem Pankreas zu entwickeln. Wenn man diese aus den ES-Zellen stammenden Beta-Zellen in eine diabetische Maus spritzt, sezernieren die Zellen geringe Mengen Insulin und verlångern das Leben des Tieres.

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Da menschliche ES-Zellen aus Embryonen gewonnen werden, sind sie ein wichtiges Politikum. Im August 2001 beschrånkte Pråsident Bush die von der Regierung gefærderte Forschung in den USA auf bereits etablierte ESZelllinien. Aufgrund dieser Entscheidung durften die meisten Forscher an akademischen Einrichtungen von Befruchtungskliniken keine neuen, noch nicht kultivierten ES-Zellen, die von çberzåhligen Embryonen abstammten, mehr erhalten, sondern mussten ihre Untersuchungen auf eine handvoll bereits existenter ES-Zelllinien beschrånken. Viele andere Lånder wie z. B. England haben derartige Einschrånkungen abgelehnt und planen stattdessen, Zellbånke einzurichten, in denen ES-Zellen gesammelt, charakterisiert und an Wissenschaftler verteilt werden kænnen. In den letzten Jahren ist heftig darçber diskutiert worden, ob adulte Stammzellen fçr eine Zellersatztherapie genauso vielversprechend sind wie ES-Zellen. Wie bereits erwåhnt, besitzen adulte Stammzellen offenbar nicht die gleichen Differenzierungsmæglichkeiten wie



Zwei grundverschiedene Zellarten

ES-Zellen.2 Andererseits haben adulte Stammzellen gegençber ES-Zellen den Vorteil, dass sie von der Person isoliert werden kænnen, die gerade behandelt wird, so dass bei einer anschlieûenden Zellersatztherapie mit diesen Zellen keine immunologischen Abstoûungsreaktionen zu befçrchten sind. Man kann ES-Zellen jedoch unter Umstånden soweit ¹anpassenª, dass sie genetisch den Zellen der Person entsprechen, die behandelt wird, und daher nicht vom Immunsystem des Empfångers angegriffen werden. Das kann man wahrschein2 In letzter Zeit richtete sich die Aufmerksamkeit auf einen zuvor nicht identifizierten Zelltyp namens MAPC, der unerklårlicherweise in Stammzellkulturen auftaucht, die aus dem Knochenmark erwachsener Menschen oder Nager stammen. MAPCs werden nur aus mesenchymalen Stammzellen des Knochenmarks, aber nicht aus håmatopoetischen Stammzellen gewonnen. Sie zeigen viele Øhnlichkeiten mit ES-Zellen (etwa bei den Proteinen, die sie exprimieren) und scheinen das Potenzial zu haben, sich in die meisten, wenn nicht alle ausdifferenzierten Zelltypen entwickeln zu kænnen. Ob sich MAPCs wirklich fçr Zellersatztherapien eignen, muss noch geklårt werden.

1.3.4 Die Græûe der Zellen und ihrer Bestandteile In Abb. 1.19 sind die relativen Græûen einiger zellbiologisch interessanter Strukturen, die fçr Zellbiologen von Interesse sind, angegeben. In der Regel beschreibt man Strukturen innerhalb einer Zelle mithilfe von zwei Einheiten eines linearen Maûstabs: dem   (lm) und dem )  (nm). Ein lm entspricht 10±6 und ein nm 10±9 m. Obwohl das 5  (â), das einem Zehntel Nanometer entspricht, als metrisches Maû offiziell nicht mehr zugelassen ist, benutzen es die Molekularbiologen noch håufig im atomaren Bereich. Ein ângstræm entspricht in etwa dem Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Die Dimensionen groûer biologischer Molekçle, der  , werden entweder in ângstræm oder in Nanometern angegeben. Myoglobin, ein typisches globulåres Protein, hat ungefåhr die Ausmaûe 4,5 ´ 3,5 ´ 2,5 nm; sehr lange Proteine wie Kollagen oder Myosin sind çber 100 nm lang; und DNA ist etwa 2,0 nm breit. Komplexe Makromolekçle wie Ribosomen, Mikrotubuli oder Mikrofilamente haben einen Durchmesser von 5±25 nm. Obwohl sie winzig sind, sind diese Makromolekçle erstaunlich raffinierte ¹Nanomaschinenª, die verschiedenste mechanische, chemische und elektrische Aktivitåten durchfçhren kænnen.

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lich durch ein kompliziertes Verfahren erreichen, das in Abb. 2 dargestellt ist. Bei diesem Ansatz beginnt man mit einer unbefruchteten Eizelle, einer Zelle, die aus den Eierstæcken einer nicht verwandten Spenderin stammt. Dann wird der Kern der unbefruchteten Eizelle durch einen Zellkern des Patienten ersetzt, der behandelt werden soll. Auf diese Weise erhålt das Ei dieselbe chromosomale Zusammensetzung wie der Patient. Anschlieûend ermæglicht man es dem Ei, sich bis zu einem frçhen embryonalen Stadium zu entwickeln, entnimmt ihm die ES-Zellen, nimmt sie in Kultur und bringt sie dazu, sich zu dem vom Patienten benætigten Zelltyp zu differenzieren. Weil sich bei diesem Verfahren ein menschlicher Embryo entwickelt, der ausschlieûlich zur Herstellung von ES-Zellen benætigt wird, wirft es wichtige ethische Fragen auf, die geklårt werden mçssen, bevor diese Methode routinemåûig angewandt werden kann. Es gibt vielleicht auch andere Mæglichkeiten, an ES-Zellen heranzukommen, ohne einen lebensfåhigen menschlichen Embryo erzeugen zu mçssen. Man kann die Dimensionen von Zellen und ihren Organellen gut in Mikrometern angeben. So liegt der Durchmesser von Kernen etwa bei 5±10 lm, Mitochondrien sind etwa 2 m lang. Prokaryotische Zellen haben in der Regel eine Långe von ungefåhr 1±5 lm, eukaryotische Zellen dagegen von 10±30 lm. Es gibt mehrere Grçnde dafçr, warum die meisten Zellen so klein sind. Bedenken sie Folgendes: Fast alle eukaryotischen Zellen besitzen einen einzigen Kern, der von den meisten Genen nur zwei Kopien enthålt. Da Gene als Vorlagen fçr die Synthese informationstragender MessengerRNAs dienen, kann eine Zelle in einem bestimmten Zeitraum nur eine begrenzte Anzahl dieser Messenger-RNAs herstellen. Je græûer das Cytoplasma einer Zelle ist, desto långer dauert es, die fçr die Zelle erforderlichen MessengerRNAs zu synthetisieren. In dem Maû, wie eine Zelle græûer wird, nimmt bei ihr das Verhåltnis von Oberflåche zu Volumen ab. (Man kann diese Aussage çberprçfen, indem man die Oberflåchen eines Wçrfels mit einer Kantenlånge von 1 cm und eines Wçrfels mit einer Kantenlånge von 10 cm miteinander vergleicht. Das Verhåltnis von Oberflåche zu Volumen des kleineren Wçrfels ist betråchtlich græûer als das des græûeren Wçrfels.) Die Fåhigkeit einer Zelle, mit ihrer Umgebung Substanzen auszutauschen, ist proportional zu

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

Funktion und Ûberleben einer Zelle hången weitgehend von der ungerichteten Bewegung der Molekçle ab (
). Sauerstoff beispielsweise muss von der Zelloberflåche durch das Cytoplasma ins Innere der Mitochondrien diffundieren. Wie lange die Diffusion dauert, ist proportional zum Quadrat der Entfernung, die zurçckgelegt werden muss. O2 benætigt beispielsweise nur 100 Mikrosekunden, um eine Entfernung von einem Mikrometer zu diffundieren, aber 106-mal långer, um eine Entfernung von einem Millimeter zurçckzulegen. Wenn eine Zelle græûer wird und die Entfernung von der Oberflåche ins Innere zunimmt, wird die Zeit, die erforderlich ist, damit Substanzen per Diffusion in eine metabolisch aktive Zelle eindringen und sie auch wieder verlassen, untragbar lang.

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Wiederholung 1. Vergleichen Sie eine prokaryotische und eine eukaryotische Zelle hinsichtlich ihrer strukturellen, funktionellen und metabolischen Unterschiede. 2. Worin liegt die Bedeutung der Zelldifferenzierung? 3. Warum sind Zellen fast immer mikroskopisch klein? 4. Wenn ein Mitochondrium zwei Mikrometer lang wåre, wie vielen â entspråche das? Wie vielen nm und wie vielen mm?

1.4 Viren

n Abb. 1.19. Relative Græûen von Zellen und Zellbestandteilen. Die Græûen der hier abgebildeten Strukturen unterscheiden sich um çber sieben Græûenordnungen

ihrer Oberflåche. Wçrde eine Zelle eine bestimmte Græûe çberschreiten, håtte sie nicht mehr gençgend Oberflåche, um all die Substanzen (etwa Sauerstoff, Nåhrstoffe) aufzunehmen, die sie fçr ihre Stoffwechselaktivitåten benætigt. Zellen wie etwa die im Darmepithel, die auf die Absorption gelæster Stoffe spezialisiert sind, besitzen in der Regel Mikrovilli, welche die fçr den Austausch verfçgbare Oberflåche stark vergræûern (Abb. 1.3). Das Innere einer groûen Pflanzenzelle ist in der Regel eher mit einer groûen, mit Flçssigkeit gefçllten Vakuole angefçllt als mit stoffwechselaktivem Cytoplasma (Abb. 8.36 b).

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

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

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b n Abb. 1.20 a, b. , ( +,?1 a   (   ,   ,?#   #      "      &  B  #   

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Viren

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Viren sind fçr Dutzende menschlicher Krankheiten wie AIDS, Polio, Influenza, Herpes, Masern und einigen Arten von Krebs verantwortlich (Kap. 16.2). Es gibt eine breites Spektrum an Viren mit ganz unterschiedlichen Formen, Græûen und jeweils anderer Zusammensetzung, alle haben jedoch bestimmte Eigenschaften gemeinsam. Alle Viren sind zwangslåufig intrazellulåre Parasiten; das heiût, sie kænnen sich nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren. Je nach Virus kann der Wirt eine Pflanze, ein Tier oder eine Bakterienzelle sein. Auûerhalb einer lebenden Zelle ist das Virus ein Partikel oder .   ± kaum mehr als ein makromolekulares Paket. Das Virion enthålt wenig genetisches Material, das je nach Virus einzel- oder doppelstrångig, RNA oder DNA ist. Erstaunlicherweise besitzen einige Viren nur drei oder vier verschiedene Gene, andere haben dagegen mehrere Hundert. Je weniger Gene es besitzt, desto mehr ist das Virus auf Enzyme und andere Proteine angewiesen, die von den Genen seiner Wirtszelle codiert werden. Das genetische Material des Virions ist von einer Proteinkapsel, einem   " umgeben, das generell aus einer genau festgelegten Anzahl von Untereinheiten besteht. Eine solche Konstruktion aus Untereinheiten bietet zahlreiche Vorteile; besonders augenfållig ist die Úkonomie der genetischen Information. Wenn wie bei TMV eine virale Hçlle aus vielen Kopien eines einzigen Proteins oder wie bei den Hçllen vieler anderer Viren aus nur wenigen Proteinen besteht, muss das Virus nur ein oder wenige Gene fçr sein Behåltnis aus Proteinen codieren. Viele Viren besitzen ein Kapsid, dessen Untereinheiten in Form eines Polyeders, einer Struktur mit ebenen Flåchen, organisiert sind. Eine besonders håufige polyedrische Virenform ist der 20-seitige 6

. So hat beispielsweise das Adenovirus, das bei Såugern Atemwegsinfektionen verursacht, ein ikosaedrisches Kapsid (Abb. 1.21 a). Bei vielen Tierviren einschlieûlich des Aids-auslæsenden HI-Virus (   $

    ) ist das Proteinkapsid von einer lipidhaltigen åuûeren Hçlle umgeben, die der modifizierten Plasmamembran der Wirtszelle entnommen wird, wenn sich das Virus von der Oberflåche der Wirtszelle ablæst (Abb. 1.21 b). Bakterienviren oder 7    gehæren zu den kompliziertesten Viren (Abb. 1.21 c). Der T-Bakteriophage ± er wurde in den entscheidenden Experimenten eingesetzt, mit denen die Strukturen und Eigenschaften des genetischen Materials aufgeklårt wurden ± besteht aus einem polyedrischen Kopf, der DNA enthålt, einem zylindrischen Stiel, durch den die DNA in

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

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c n Abb. 1.21 a-c.         %  a 

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die bakterielle Zelle injiziert wird, sowie Schwanzfasern, die dem Partikel insgesamt das Aussehen eines Moduls fçr die Landung auf dem Mond geben. Jedes Virus hat auf seiner Oberflåche ein Protein, mit dem es sich an ein bestimmtes Oberflåchenelement seiner Wirtszelle anheften kann. So reagiert das Protein, das aus der Oberflåche des HIV-Partikels herausragt (gp120 in Abb. 1.21 b, was fçr Glycoprotein mit dem Molekulargewicht von 120 000 steht), spezifisch mit einem Protein namens CD4 auf der Oberflåche bestimmter weiûer Blutkærperchen und erleichtert so das Eindringen des Virus in seine Wirtszelle. Aus der Wechselwirkung zwischen den Proteinen des Virus und des Wirts ergibt sich die Spezifitåt des Virus, die bestimmt, in welche Arten von Wirtszellen das Virus eindringen und welche es infizieren kann. Einige Viren haben ein breites  

 und kænnen so Zellen vieler verschiedener Organe oder Wirtszellen infizieren. Das Virus, das Tollwut auslæst, kann beispielsweise viele verschiedene Såugerspezies wie Hunde, Fledermåuse und Menschen infizieren. Die meisten Viren haben dagegen ein relativ begrenztes Wirtsspektrum. Das gilt etwa allgemein

fçr Erkåltungs- und Grippeviren des Menschen, die nur die Epithelzellen der Atemwege des Menschen befallen kænnen. Ein Wechsel in der Wirtsspezifitåt kann einschneidende Konsequenzen haben. Das hat sich auf dramatische Weise bei der SARS-(        $  $)Epidemie von 2003 gezeigt, an der çber 700 Menschen gestorben und çber 8000 erkrankt sind. Diese Krankheit wurde durch einen Stamm eines Coronavirus verursacht, von dem man annahm, dass er von exotischen Tieren, wie sie auf chinesischen Mårkten verkauft werden, auf die menschliche Population çbergegangen ist. Grippeviren sind fçr ihre Fåhigkeit bekannt, ihr Genom veråndern und von infizierten Schweinen oder Vægeln auf Menschen çbergehen zu kænnen. 1918 tætete ein hochvirulenter Stamm eines Influenzavirus weltweit çber 30 Mio. Menschen! Woher dieses tædliche Grippevirus stammte, ist weiterhin umstritten, obwohl Fragmente des Virusgenoms aus den aufbewahrten Geweben von drei Opfern isoliert werden konnten, die vor nahezu 90 Jahren gestorben sind. Virionen sind makromolekulare Aggregate, unbelebte Partikel, die sich selbst nicht vermehren, keine Substanzen umwandeln oder irgend-

 welche anderen Aktivitåten ausçben kænnen, die man mit Leben verbindet. Aus diesem Grund betrachtet man Viren nicht als Organismen und zåhlt sie nicht zur belebten Natur. Diese Sichtweise wird durch einen kontrovers diskutierten Bericht beståtigt, der 2002 veræffentlicht wurde. Die Autoren dieser Untersuchung berichteten, dass sie ¹aus dem Nichtsª ein Virus geschaffen håtten. Ausgehend von der publizierten Sequenz des Poliovirus-Genoms synthetisierten die Forscher ein RNA-Molekçl, das diese spezifische Nucleotidsequenz enthielt. Diese RNA gaben sie zu einem menschlichen Zellextrakt, der anhand der genetischen Information in der RNA die darin codierten viralen Proteine synthetisierte. Die viralen Proteine wurden zu reifen PoliovirusPartikeln zusammengesetzt, die bei Måusen zu Låhmungen fçhren konnten. Obwohl die Viren extrem klein sind, hat man ihre Route durch eine lebende Zelle unter dem 8     verfolgt. Fçr dieses Meisterstçck hat man zuerst einmal alle Viruspartikel mit

n Abb. 1.22. %  (       ?        .    %  !      ! !  

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einem einzelnen fluoreszierenden Molekçl versehen und hat sie dann verfolgt, als wåren sie winzige, hell beleuchtete Fahrzeuge. In Abb. 1.22 kann man die Bewegungen verschiedener einzelner Viruspartikel im Verlauf einer Infektion erkennen. Mithilfe dieses Verfahrens kann man beobachten, wie Viren die Plasmamembran einer Wirtszelle in weniger als einer Zehntelsekunde durchstoûen und innerhalb von 15 min zum Kern der Wirtszelle vordringen, wo sie die Kontrolle çber die Produktionskapazitåt der Zelle çbernehmen. Wie dieses Experiment zeigt, hat der Einsatz von Fluoreszenzmarkern zu einer Revolution in der Untersuchung zellulårer Aktivitåt gefçhrt, die es den Forschern erlaubt, Prozesse sichtbar zu machen, die ansonsten nicht beobachtet werden kænnten. Es gibt zwei grundlegende Formen einer Virusinfektion: n In den meisten Fållen unterbindet das Virus die normalen Synthesearbeiten des Wirts und bringt die Zelle dazu, die ihr zur Verfçgung stehenden Substanzen zur Herstellung von viralen Nucleotiden und Proteinen zu verwenden, die sich dann zu neuen Virionen zusammensetzen. Mit anderen Worten: Viren wachsen nicht wie Zellen heran, sondern werden aus verschiedenen Bestandteilen zu fertigen Virionen zusammengesetzt. Schlieûlich bricht die infizierte Zelle auf, sie wird lysiert, und setzt eine neue Generation von Viruspartikeln frei, die dann benachbarte Zellen infizieren kænnen. Ein Beispiel fçr diese Art von lytischem Zyklus ist in Abb. 1.23 a dargestellt. n In anderen Fållen fçhrt die Infektion durch das Virus nicht zum Tod der Wirtszelle, vielmehr baut das Virus seine DNA in die DNA des Wirtschromosoms ein. Die integrierte Virus-DNA wird als / 9  bezeichnet. Ein solches Provirus kann je nach Art des Virus und der Wirtszelle unterschiedliche Folgen haben: ± Bakterien, die ein Provirus enthalten, verhalten sich normal, bis sie etwa durch UV-Strahlung angeregt werden; dadurch wird die schlafende VirusDNA aktiviert, was zur Lyse der Zelle und zur Freisetzung einer neuen Virengeneration fçhrt.

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

± Einige Tierzellen, die ein Provirus enthalten, bilden eine neue Virengeneration, die sich von der Zelloberflåche abschnçren, ohne die infizierte Zelle zu lysieren. Das HI-Virus verhålt sich so; eine infizierte Zelle kann eine Zeitlang çberleben und als Produktionsståtte fçr neue Virione dienen (Abb. 1.23 b). ± Einige Tierzellen, die ein Provirus enthalten, verlieren die Kontrolle çber ihr eigenes Wachstum und ihre Teilung und entarten. Dieses Phånomen kann man leicht in Labors studieren, wenn man kultivierte Zellen mit einem geeigneten Tumorvirus infiziert.

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Viren haben auch ihre Vorzçge. Weil virale Gene die Aktivitåt ihrer Wirtsgene nachahmen, haben Forscher mithilfe von Viren jahrzehntelang die Mechanismen der DNA-Replikation und Genexpression in ihren viel komplizierteren Wirten untersucht. Darçber hinaus werden Viren inzwischen benutzt, um fremde Gene in menschliche Zellen einzuschleusen, eine Technik, auf der man wahrscheinlich die Gentherapie fçr menschliche Krankheiten aufbauen kann. Letztlich spielen Viren, die Bakterien oder Insekten tæten, zunehmend eine Rolle bei der Bekåmpfung von bakteriellen Erregern und Insektenplagen. In Osteuropa und Russland wurden bakterielle Infektionen jahrzehntelang mithilfe von Bakteriophagen behandelt, wåhrend die Ørzte in den westlichen Låndern Antibiotika verschrieben haben. Angesichts der zunehmenden Antibiotikaresistenz von Bakterien kænnten Bakteriophagen aufgrund von vielversprechenden Untersuchungen an infizierten Måusen ein Comeback feiern. Mehrere biotechnologische Firmen haben mit der Produktion von Bakteriophagen begonnen und fçhren bereits klinische Studien durch. 1.4.1 Viroide

b n Abb. 1.23 a, b.     a ?     (   &   

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Als sich 1971 herausstellte, dass Viren nicht die einfachsten Erreger sind, war das eine groûe Ûberraschung. Damals berichtete T. O. Diener vom US-Landwirtschaftsministerium, dass die Spindelknollenkrankheit der Kartoffel, die dazu fçhrt, dass die Kartoffeln knorrig werden und Risse bekommen, durch einen infektiæsen Erreger verursacht wird, der aus einem kleinen ringfærmigen RNA-Molekçl ohne jegliche Proteinhçlle besteht. Dieses Pathogen bezeichnete Diener als .  . Die Viroid-RNA hat eine Græûe



Viren

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Experimentelle Verfahren

Wie sind die eukaryotischen Zellen entstanden? Wie wir in diesem Kapitel gesehen haben, ist es zweckmåûig, Zellen in zwei Gruppen einzuteilen: in pro- und eukaryotische Zellen. Seit diese Aufteilung des zellulåren Lebens erstmals vorgeschlagen wurde, suchen Biologen eine Antwort auf die hochinteressante Frage: Woher stammen die eukaryotischen Zellen? Jahrzehntelang war man sich allgemein darçber einig, dass die prokaryotischen Zellen vor den eukaryotischen Zellen entstanden sind und die eukaryotischen aus den prokaryotischen Zellen hervorgegangen sind. Die erste These kann direkt durch fossile Funde beståtigt werden, die belegen, dass prokaryotische Zellen schon in etwa 2,7 Mrd. Jahren alten Gesteinsschichten vorhanden waren (Kap. 1.3) und damit etwa 1 Mrd. Jahre ålter sind als die ersten eukaryotischen Funde. Die zweite These beruht auf der Tatsache, dass die beiden Zelltypen miteinander verwandt sein mçssen, weil sie viele komplexe Merkmale ± sehr åhnliche genetische Codes, Enzyme, Stoffwechselwege und Plasmamembranen ± gemeinsam haben, die sich in unterschiedlichen Organismen nicht unabhångig voneinander håtten entwickeln kænnen. Bis etwa 1970 nahm man generell an, dass eukaryotische Zellen aus prokaryotischen Zellen durch einen Prozess allmåhlicher Evolution hervorgegangen sind, in dessen Verlauf die Organellen der eukaryotischen Zellen allmåhlich immer komplexer wurden. Um 1970 herum verlor dieses Konzept schlagartig an Akzeptanz; dies lag vor allem an den Arbeiten von Lynn Margulis, die damals an der Boston University arbeitete. Margulis lieû eine Idee wieder aufleben, die bereits frçher einmal vorgeschlagen und dann wieder verworfen worden war, dass sich bestimmte Organellen einer eukaryotischen Zelle ± vor allem die Mitochondrien und Chloroplasten ± aus kleineren prokaryotischen Zellen entwickelt haben, die sich im Cytoplasma einer græûeren Wirtszelle eingenistet hatten.1,2 Diese Hypothese wird als # %    bezeichnet, weil sie beschreibt, wie aus zwei oder mehr selbståndigen, einfachen Zellen, die in Symbiose miteinander leben, eine einzelne ¹zusammengesetzteª Zelle græûerer Komplexitåt hervorgehen kann.

Man hat angenommen, dass unsere frçhesten prokaryotischen Vorfahren anaerobe heterotrophe Zellen waren:  , weil sie ihre Energie aus Nahrungsmitteln ohne Verbrauch von molekularem Sauerstoff (O2) gewannen, und  , weil sie nicht in der Lage waren, organische Verbindungen aus anorganischen Vorlåufermolekçlen wie CO2 und Wasser zu synthetisieren, sondern stattdessen aus ihrer Umgebung vorgefertigte organische Verbindungen aufnehmen mussten. Einer Version der Endosymbiontentheorie zufolge nahm ein groûer anaerober heterotropher Prokaryot einen kleinen, aeroben Prokaryoten auf (Schritt 1, Abb. 1). Da der kleine, aerobe Prokaryot nicht innerhalb des Cytoplasmas abgebaut werden konnte, lieû er sich als permanenter Endosymbiont in der Zelle nieder. Er vermehrte sich zusammen mit der Wirtszelle, so dass schnell eine Kolonie dieser ¹zusammengesetztenª Zellen entstand. Ûber viele Generationen hinweg verloren die Endosymbionten zahlreiche Merkmale, die sie nicht mehr zum Ûberleben benætigten, so dass die frçher einmal unabhångigen, aeroben Mikroben zu Vorlåufern der heutigen Mitochondrien wurden (Schritt 2, Abb. 1). Aus einer Zelle, deren Vorlåufer, wie gerade beschrieben, durch eine Reihe von symbiotischen Ereignissen entstanden war, konnte eine Zelllinie hervorgehen, in der sich weitere grundlegende Eigenschaften eukaryotischer Zellen wie etwa ein Membransystem (aus Kernmembran, endoplasmatischem Retikulum, Golgi-Apparat und Lysosomen), ein komplexes Cytoskelett sowie eine durch eine Mitose geprågte Form der Zellteilung entwickelten. Man geht davon aus, dass diese Eigenschaften nicht auf einmal ± etwa durch die Aufnahme eines Endosymbionten ±, sondern im Rahmen eines allmåhlichen Evolutionsprozesses entstanden sind. Das endoplasmatische Retikulum und die Kernmembranen beispielsweise sind unter Umstånden aus einem Teil der åuûeren Plasmamembran der Zelle hervorgegangen, der in die Zelle aufgenommen und dann in einen anderen Membrantyp umgewandelt wurde (Schritt 3, Abb. 1). Eine Zelle, die vielleicht diese verschiedenen Kompartimente in ihrem Inneren ausgebildet hatte, ist dann unter Umstånden zum Vorlåufer einer heterotrophen eukaryotischen Zelle, beispielsweise einer Pilzzelle oder eines Protisten, geworden (Schritt 4,

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

n Abb. 1. ? "   B   ( &  %   I        I    4    ?   8      (     % 5   C    "     #I          #I          " 

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Abb. 1). Die åltesten Fossilien, von denen man annimmt, dass sie Ûberreste von Eukaryoten sind, stammen aus der Zeit von vor 1,8 Mrd. Jahren. Es wurde die These aufgestellt, dass durch die Aufnahme eines weiteren Endosymbionten, speziell eines Cyanobakteriums, aus einem frçhen heterotrophen Eukaryoten ein Vorlåufer der photosynthetisch aktiven Eukaryoten geworden sein kænnte: der Grçnalgen und Pflanzen (Schritt 5, Abb. 1). Die Aufnahme von Chloroplasten vor etwa 1 Mrd. Jahren muss einer der letzten Schritte im Rahmen der Endo-

symbiose gewesen sein, weil diese Organellen nur in Pflanzen und Algen vorhanden sind. Dagegen besitzen alle bekannten Gruppen von Eukaryoten entweder Mitochondrien oder zeigen definitiv, dass sie aus Organismen hervorgegangen sind, die diese Organellen besessen haben.3 Die Aufteilung såmtlicher Lebewesen in zwei Kategorien, Pro- und Eukaryoten, beruht auf einer grundlegenden Dichotomie der Zellstrukturen. Dabei handelt es sich aber nicht zwangslåufig um einen eindeutigen phylogenetischen Unterschied, das heiût, einen, der die evolutionåren Beziehungen zwischen den Lebewesen widerspiegelt. Nehmen wir fçr einen Augenblick mal an, dass die heute lebenden Eukaryoten (ohne ihre Mitochondrien und Chloroplasten) aus einer bestimmten Gruppe von Urprokaryoten hervorgegangen sind, wåhrend die meisten der heute existierenden Prokaryoten aus einer anderen Gruppe von Urprokaryoten entstanden sind. Dann kann man sich vorstellen, dass eine bestimmte Gruppe lebender Prokaryoten ± die von derselben Gruppe abstammen, aus der auch die ersten Eukaryoten hervorgegangen sind ± stårker mit lebenden Eukaryoten als mit anderen lebenden Prokaryoten verwandt ist. Wie bestimmt man die evolutionåren Beziehungen zwischen Organismen wie den Prokaryoten und Eukaryoten, die sich vor Milliar-



Viren

den von Jahren voneinander getrennt haben? Die meisten taxonomischen Einteilungen, mit denen man versucht, Organismen zu klassifizieren, beruhen vor allem auf anatomischen oder physiologischen Charakteristika. 1965 schlugen Emile Zuckerkandl und Linus Pauling einen anderen Ansatz vor, der auf einem Vergleich der Strukturen von Informationsmolekçlen wie Proteinen und Nucleinsåuren lebender Organismen beruht.a Unterschiede in der Aminosåuresequenz der Proteine oder in der Nucleotidsequenz der Nucleinsåuren beruhen auf Mutationen in der DNA, die an die Nachkommen weitergegeben wurden. Mutationen kænnen sich çber einen långeren Zeitraum in einem bestimmten Gen mit einer relativ konstanten Geschwindigkeit anhåufen. Daher kann man durch Vergleich der Aminosåure- oder Nucleotidsequenzen ermitteln, wie nah Organismen miteinander verwandt sind. So sollten beispielsweise zwei Organismen, die nah verwandt sind und sich somit erst in jçngerer Zeit von einem gemeinsamen Vorlåufer getrennt haben, in einem bestimmten Gen weniger Sequenzunterschiede aufweisen als zwei Organismen, die entfernt verwandt sind und somit keinen gemeinsamen Verwandten aus jçngerer Zeit haben. Mithilfe dieser Art von Sequenzdaten als ¹evolutionårer Uhrª kænnen Wissenschaftler phylogenetische Stammbåume aufstellen, die zeigen, auf welchen Wegen sich unterschiedliche Gruppen von Lebewesen im Verlauf der Evolution voneinander getrennt haben kænnten. Mitte der 1970er Jahre begannen Carl Woese und seine Mitarbeiter an der University of Illinois eine Reihe von Untersuchungen an verschiedenen Organismen, in denen sie die Nucleotidsequenzen des RNA-Molekçls verglichen, das sich in der kleinen Untereinheit des Ribosoms befindet. Diese RNA ± die 16S-rRNA von Prokaryoten oder die 18S-rRNA von Eukaryoten ± wurde ausgewåhlt, weil groa

Es gibt zahlreiche anaerobe einzellige Eukaryoten wie etwa den Darmparasiten %, die keine Mitochondrien besitzen. Jahrelang stçtzte sich die These, dass es erst spåt ± nach der Evolution dieser Gruppen, denen die Mitochondrien fehlen ± zur mitochondrialen Endosymbiose gekommen ist, auf diese Organismen. Neuere Analysen der Kern-DNA dieser Organismen deuten jedoch daraufhin, dass wahrscheinlich bestimmte Gene von den Mitochondrien in den Kern gewandert sind; das legt die Vermutung nahe, dass die Vorlåufer dieser Organismen ihre Mitochondrien im Verlauf der Evolution verloren haben.

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ûe Mengen von ihr in allen Zellen vorhanden sind, weil sie leicht zu reinigen ist und sich çber långere evolutionåre Zeitråume hinweg nur allmåhlich åndert. Deshalb kann man sie dazu verwenden, um die Beziehungen von sehr entfernt verwandten Organismen zu untersuchen. Es gab nur einen entscheidenden Nachteil: Die Sequenzierung von Nucleinsåuren war zu diesem Zeitpunkt sehr arbeits- und zeitaufwåndig. Bei ihrer Studie gingen die Wissenschaftler folgendermaûen vor: Sie reinigten die 16S-rRNA eines bestimmten Organismus, setzten dann der Pråparation das Enzym T1-Ribonuclease zu, welches das Molekçl in kurze Fragmente, die Oligonucleotide, spaltete. Anschlieûend wurden die Oligonucleotide dieses Ansatzes durch eine zweidimensionale Elektrophorese aufgetrennt und ein zweidimensionaler ¹Fingerabdruckª erstellt, wie er in Abb. 2 zu sehen ist. Nach der Auftrennung konnte die Nucleotidsequenz jeder dieser Oligonucleotide bestimmt und die Sequenzen der verschiedene Organismen miteinander verglichen werden. In einer ihrer ersten Untersuchungen analysierten Woese und seine Mitarbeiter die 16S-rRNA der Ribosomen von Chloroplasten des photosynthetisch aktiven Protisten   .4 Sie fanden heraus, dass die Sequenz dieses rRNA-Molekçls des Chloroplasten viel mehr der Sequenz der 16S-rRNA åhnelte, die man in Ribosomen von Cyanobakterien gefunden hatte, als der in den entsprechenden Ribosomen des eukaryotischen Cytoplasmas. Diese Befunde deuteten stark darauf hin, dass die Chloroplasten von Cyanobakterien symbiotischen Ursprungs sind. 1977 veræffentlichten Woese und George Fox eine bahnbrechende Studie çber molekulare Evolution.5 Sie verglichen die gereinigten rRNA-Nucleotidsequenzen der kleinen Untereinheiten von 13 verschiedenen pro- und eukaryotischen Spezies. Die Daten eines Vergleichs aller mæglichen Kombinationen dieser Organismen sind in Tabelle 1 aufgefçhrt. Die Zahlen in der oberen Reihe stehen fçr die mit derselben Nummer in der ersten Spalte der Tabelle aufgefçhrten Organismen. Jeder Wert in der Tabelle sagt etwas darçber aus, wie stark sich die rRNA-Sequenzen der beiden miteinander verglichenen Organismen åhneln: Je kleiner die Zahl, desto weniger åhneln sich die Sequenzen. Woese und Fox fanden heraus, dass sich die Sequenzen, wie es in der Tabelle angegeben ist, in drei Gruppen aufteilen. Es ist gut zu erkennen, dass sich die rRNAs innerhalb

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

n Abb. 2. '             !I      5H%    ;2 ( 8      ,5  ;2    '    9 /"D   ;    9 :"/   !'  ;     +    .   +5JAD1 # 2  % 4% A:<:65J1

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der Gruppen 1±3, 4±9 und 10±13 untereinander sehr viel mehr åhneln als den rRNAs der beiden anderen Gruppen. Die erste Gruppe in der Tabelle enthålt nur Eukaryoten, die zweite die ¹typischenª Bakterien (gram-positive,

gram-negative sowie Cyanobakterien) und die dritte Gruppe besteht aus mehreren Spezies von Methanbildnern, das heiût, Methan bildenden Bakterien. Woese und Fox schlossen daraus, dass die methanogenen Bakterien zu



Viren

n Abb. 3. #I      %"         ( ;2 % M !         P    .    

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ihrer Ûberraschung ¹den typischen Bakterien nicht mehr zu åhneln scheinen als den eukaryotischen Cytoplasmenª. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass die Mitglieder dieser drei Gruppen drei verschiedene evolutionåre Linien repråsentieren, die sich auf einem sehr frçhen Evolutionsstadium zellulårer Organismen voneinander getrennt haben. Entsprechend ordneten Woese und Fox diese Organismen drei verschiedenen Reichen zu, die sie als Urkaryoten, Eubacteria und Archaebacteria bezeichneten, eine Terminologie, welche die Prokaryoten in zwei Gruppen aufspaltet. Spåtere Forschungsarbeiten haben die Vorstellung beståtigt, dass man die Prokaryoten in zwei entfernt verwandte Linien aufteilen kann, und erweiterten die Reihen der Archaebakterien um mindestens zwei weitere Gruppen, die Thermophilen, die heiûe Quellen und Schlote auf dem Meeresboden bewohnen, und die Halophilen, die in sehr salzhaltigen Seen und Meeren leben. 1989 wurde der Lebensbaum durch zwei Veræffentlichungen beståtigt, in denen die These aufgestellt wurde, dass die Archaebakterien tatsåchlich enger mit den Eukaryoten als mit den Eubacteria verwandt sind.6,7 Beide Forschergruppen verglichen die Aminosåuresequenzen verschiedener Proteine, die in einem breiten Spektrum verschiedener Pround Eukaryoten, Mitochondrien und Chloroplasten vorhanden sind. Abbildung 3 zeigt einen phylogenetischen Stammbaum, der auf ribosomalen RNA-Sequenzen beruht und zu den gleichen Schlussfolgerungen kommt.8 In einem spåteren Artikel schlugen Woese und seine

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Mitarbeiter eine çberarbeitete taxonomische Einteilung vor, die weitgehend angenommen wurde. Darin werden die Archaebacteria, Eubacteria und Eukaryoten getrennten Ûberreichen zugeordnet, die als Archaea, Bacteria beziehungsweise Eukarya bezeichnet werden.b Jedes Ûberreich kann in ein oder mehrere Reiche unterteilt werden, die Eukarya etwa in die klassischen Reiche der Pilze, Protisten, Pflanzen und Tiere. Dem Modell in Abb. 3 zufolge entstehen bei der ersten græûeren Aufspaltung des Lebensbaums zwei Linien, von denen die eine zu den Bacteria und die andere zu den Archaea und Eukarya fçhrt. Wenn diese Sichtweise stimmt, hat ein Mitglied aus der Reihe der Archaebacteria und nicht eines aus der Linie der Eubacteria Symbionten aufgenommen und sich zu einer eukaryotischen Zelle entwickelt. Obwohl in diesen symbiotischen Beziehungen vermutlich ein Archaebacterium als Wirtsprokaryot fungierte, waren die Symbionten, die sich zu Mitochondrien und Chloroplasten entb

Viele Biologen mægen die Begriffe Archaebacteria und Eubacteria nicht. Obwohl diese Bezeichnungen allmåhlich aus der Literatur verschwunden sind und durch die Begriffe Archaea und Bacteria ersetzt wurden, benutzen viele, die auf diesem Gebiet forschen, in ihren Publikationen immer noch die alten Ausdrçcke. Angesichts der Tatsache, dass dies ein Einfçhrungskapitel in einem einfçhrenden Buch ist, habe ich mich dazu entschlossen, bei Archaebacteria und Eubacteria zu bleiben, um mægliche Verwirrungen wegen der Bedeutung des Begriffs ¹bakteriellª zu vermeiden. Der Leser sollte sich aber darçber im klaren sein, dass dies nicht die gångigen taxonomischen Begriffe sind.

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

wickelten, hæchstwahrscheinlich Eubacteria, wie man an ihrer nahen Verwandtschaft zu den heutigen Mitgliedern dieser Gruppe erkennt. Bis 1995 wurden phylogenetische Stammbåume, wie sie in Abb. 3 zu sehen sind, vor allem aufgrund der Analyse der Gene aufgestellt, die die 16S-18S rRNA codieren. Dann legten phylogenetische Vergleiche einer Reihe anderer Gene die Vermutung nahe, dass das in Abb. 3 skizzierte Bild mæglicherweise etwas zu stark vereinfacht ist. Mit der Veræffentlichung der vollståndigen Sequenzen einer Reihe prokaryotischer Genome sowohl von Archaebakterien als auch von Eubacteria und des Genoms eines Eukaryoten, der Hefe    $   , wurden zwischen 1995 und 1997 wieder Fragen çber den Ursprung pro- und eukaryotischer Zellen hæchst aktuell. Wissenschaftler konnten nun die Sequenzen von Hunderten von Genen gleichzeitig miteinander vergleichen. Diese Analyse warf eine Reihe schwieriger Fragen auf und verwischte die Trennungslinien zwischen den drei Ûberreichen.9 So enthielten beispielsweise die Genome mehrerer Archaebakterien eine erhebliche Menge eubakterieller Gene. Meistens unterschieden sich diese Gene der Archaebakterien, deren Produkte an Informationsprozessen wie der Chromosomenstruktur, Transkription, Translation und Replikation beteiligt sind, deutlich von den entsprechenden Genen eubakterieller Zellen und åhnelten entsprechenden Genen eukaryotischer Zellen. Diese Beobachtung passt gut zum Schema in Abb. 3. Dagegen zeigten viele Gene von Archaebakterien, die Enzyme des Stoffwechsels codieren, einen unverkennbar eubakteriellen Charakter.10,11 Die Genome eubakterieller Spezies zeigten ebenfalls Anzeichen dafçr, dass sie nicht nur aus einer Quelle stammten, und enthielten håufig eine erhebliche Anzahl von Genen mit archaebakteriellem Charakter.12 Die meisten Forscher, die den Ursprung der Urorganismen untersuchen, halten an dem Grundschema des phylogenetischen Stammbaums fest, wie er in Abb. 3 skizziert ist. Ihrer Meinung nach låsst sich die Tatsache, dass bei Archaebakterien Gene mit eubakteriellem Charakter gefunden werden und umgekehrt, durch den Gentransfer von einer Spezies zur anderen erklåren, ein Phånomen, das als  $  :  bezeichnet wird.13 Nach der ursprçnglichen Pråmisse, auf welcher der phylogenetische Stammbaum in Abb. 3 beruht,

werden Gene von den Eltern und nicht von den Nachbarn geerbt. Aufgrund dieser Pråmisse kann ein Wissenschaftler annehmen, dass zwei Spezies eng miteinander verwandt sind, wenn sie beide ein Gen (beispielsweise das rRNA-Gen) mit einer åhnlichen Nucleotidsequenz besitzen. Wenn Zellen jedoch Gene von anderen Spezies aus ihrer Umgebung aufschnappen kænnen, dann kænnten auch zwei Arten, die in Wahrheit nicht verwandt sind, Gene mit einer sehr åhnlichen Sequenz besitzen. Wie bedeutend die horizontale Gençbertragung fçr der Evolution der Prokaryoten ist, zeichnete sich schon frçh in einer Untersuchung ab, in der die Genome zweier verwandter Eubakterien,    und $ 

, miteinander verglichen wurden. Man fand heraus, dass 755 Gene oder fast 20% des  $-Genoms aus ¹fremdenª Genen stammen, die in den letzten 100 Mio. Jahren in dieses Genom eingeschleust wurden, also seit der Zeit, als sich die beiden Spezies voneinander trennten. Diese 755 Gene wurden aus vielen verschiedenen Organismen bei mindestens 234 verschiedenen horizontalen Gentransfers çbernommen.14 (Wie sich die horizontale Gençbertragung auf die Antibiotikaresistenz auswirkt, wird in der Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª in Kapitel 3 erærtert.) Wenn die Gene eines Genoms von diversen Organismen abstammen, wie soll man dann entscheiden, welche Gene man zur Bestimmung eines phylogenetischen Stammbaums heranziehen soll? Die einen vertreten die Ansicht, dass Gene, die an der Informationsverarbeitung (Transkription, Translation, Replikation) beteiligt sind, sich am besten zur Bestimmung phylogenetischer Beziehungen eignen, weil diese Gene seltener horizontal çbertragen werden als Gene, die an Stoffwechselreaktionen beteiligt sind.15 Diese Autoren argumentieren, dass die Produkte der Informationsgene (etwa die rRNAs) zu græûeren Komplexen gehæren, deren Bestandteile mit vielen anderen Molekçlen wechselwirken mçssen. Es ist unwahrscheinlich, dass sich ein fremdes Genprodukt in die vorhandene Maschinerie integrieren låsst. Wenn ¹Informationsgeneª zum Vergleich herangezogen werden, werden Archaebakterien und Eubakterien håufig ganz verschiedenen Gruppen zugeteilt, wåhrend sich Archaebakterien und Eukaryoten håufig als evolutionår verwandt erweisen, wie man in Abb. 3 ablesen kann.



Viren

Eine Analyse eukaryotischer Genome hat åhnliche Belege fçr ein gemischtes Erbe ergeben. Untersuchungen am Hefegenom zeigen eindeutig, dass es Gene enthålt, die von Archaebakterien und Eubakterien abstammen. Die ¹Informationsgeneª haben håufig einen archaebakteriellen Charakter, wåhrend die ¹Stoffwechselgeneª eubakterieller Natur sind.16 Es gibt mehrere Erklårungsmæglichkeiten dafçr, warum das eukaryotische Genom aus Genen verschiedener Organismen besteht. Eukaryotische Zellen kænnen aus archaebakteriellen Vorlåufern hervorgegangen sein und dann Gene von Eubakterien aufgegriffen haben, die mit ihnen zusammen lebten. Darçber hinaus stammen einige Gene im Kern einer eukaryotischen Zelle von eubakteriellen Genen ab, die aus dem Genom der Symbionten çbernommen wurden, die sich zu Mitochondrien und Chloroplasten entwickelt haben.17 Einige Wissenschaftler haben eine radikalere Position eingenommen und die These aufgestellt, dass das eukaryotische Genom ursprçnglich aus der Fusion einer archaebakteriellen mit einer eubakteriellen Zelle hervorgegangen ist, woraufhin es dann zu einer Integration beider Genome gekommen ist.18 Da es offensichtlich so viele verschiedene Wege gibt, Gene aufzunehmen, ist klar, dass die Evolution des vollståndigen Genoms eines Organismus nicht durch einen einfachen phylogenetischen Stammbaum wiedergegeben werden kann.Lit in 19 Unter Umstånden hat vielmehr jedes Gen oder jede Gengruppe eines bestimmten Genoms seinen eigenen, einzigartigen evolutionåren Stammbaum ± ein åuûerst verwirrender Gedanke fçr alle, die gerade den Ursprung unserer frçhesten Vorfahren zu ermitteln suchen.

von etwa 240±600 Nucleotiden und ist damit nur ein Zehntel so groû wie kleinere Viren. Es gibt keine Belege dafçr, dass die bloûe Viroid-RNA irgendwelche Proteine codiert. Vielmehr benætigen Viroide fçr ihre såmtlichen biochemischen Aktivitåten Wirtszellproteine. So benutzen sie beispielsweise bei der Verdopplung ihrer RNA

/A

Literatur 1. Sagan (Margulis) L (1967) On the origin of mitosing cells. J Theor Biol 14:225±274 2. Margulis L (1970) Origin of eukaryotic cells. Yale Univ Press, New Haven/CT 3. Zuckerkandl E, Pauling L (1965). Molecules as documents of evolutionary history. J Theor Biol 8:357± 365 4. Zablen LB et al (1975) Phylogenetic origin of the chloroplast and prokaryotic nature of its ribosomal RNA. Proc Natl Acad Sci USA 72:2418±2422 5. Woese CR, Fox GE (1977) Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Proc Natl Acad Sci USA 74:5088±5090 6. Iwabe N et al (1989) Evolutionary relationship of archaebacteria, eubacteria, and eukaryotes inferred from phylogenetic trees of duplicated genes. Proc Natl Acad Sci USA 86:9355±9359 7. Gogarten JP et al (1989) Evolution of the vacuolar H+-ATPase: Implications for the origin of eukaryotes. Proc Natl Acad Sci USA 86:6661±6665 8. Woese C et al (1990) Towards a natural system of organisms: Proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87:4576±4579 9. Doolittle WF (1999) Lateral genomics. Trends Cell Biol 24:M5±M8 (Dec) 10. Bult CJ et al (1996) Complete genome sequence of the methanogenic archaeon, Methanococcus jannaschii. Science 273:1058±1073 11. Koonin EV et al (1997). Comparison of archaeal and bacterial genomes. Mol Microbiol 25:619±637 12. Nelson KE et al (1999) Evidence for lateral gene transfer between Archaea and Bacteria from genome sequence of Thermotoga maritima. Nature 399:323± 329 13. Ochman H et al (2000) Lateral gene transfer and the nature of bacterial innovation. Nature 405:299±304 14. Lawrence JG, Ochman H (1998) Molecular archaeology of the Escherichia coli genome. Proc Natl Acad Sci USA 95:9413±9417 15. Jain R et al (1999) Horizontal gene transfer among genomes: The complexity hypothesis. Proc Natl Acad Sci USA 96:3801±3806 16. Rivera MC et al (1998) Genomic evidence for two functionally distinct gene classes. Proc Natl Acad Sci USA 95:6239±6244 17. Rujan T, Martin W (2001) How many genes in Arabidopsis come from cyanobacteria? An estimate from 386 protein phylogenies. Trends Gen 17:113±120 18. Martin W, Mçller M (1998) The hydrogen hypothesis for the first eukaryote. Nature 392:37±41 19. Brown JR (2003) Ancient horizontal gene transfer. Nature Revs Gen 4:121±132

innerhalb der infizierten Zelle die RNA-Polymerase II des Wirts ± ein Enzym, das normalerweise die Wirts-DNA in Messenger-RNA umschreibt. Man nimmt an, dass Viroide dadurch Krankheiten verursachen, dass sie in den normalen Verlauf der Genexpression eingreifen. Fçr die Ernte kann dies bæse Folgen haben: Eine Vi-

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

roid-Krankheit namens Cadang-Cadang hat auf den Philippinen die Plantagen der Kokosnusspalmen zerstært, und ein anderes Viroid hat in der Chrysanthemen-Industrie der USA verheerende Schåden angerichtet. Die Entdeckung einer anderen Art von Erreger, die sogar noch kleiner als ein Viroid ist, wird im Exkurs unter der Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª in Kapitel 2 beschrieben.

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Wiederholung 5  '                (    L : G    (    B    (    L G         .      L /          

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Zusammenfassung Die Zelltheorie basiert auf drei Grundsåtzen.

n Alle Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen. n Die Zelle ist die grundlegende organisatorische Einheit des Lebens. n Alle Zellen stammen von bereits existierenden Zellen ab (Kap. 1.1).   8    ' "           9 # 

     0 Zellen sind sehr komplex und ihre Substruktur ist hochgradig organisiert und vorhersagbar. Die Informationen fçr den Aufbau einer Zelle ist in den Genen niedergeschrieben. Zellen vermehren sich durch Zellteilung; fçr ihre Aktivitåten benætigen sie chemische Energie; in ihnen laufen chemische Reaktionen ab, die enzymatisch reguliert werden; sie verfolgen zahlreiche mechanische Aktivitåten; sie reagieren auf Reize und sie kænnen sich erstaunlich gut selbst regulieren (Kap. 1.2.1).   '    %   0 Prokaryotische Zellen gibt es nur bei den Archaebakterien und Eubakterien, wåhrend alle anderen Arten von Organismen ± Protisten, Pilze, Pflanzen und Tiere ± aus eukaryotischen Zellen bestehen. Pro- und eukaryotische Zellen haben viele Gemeinsamkeiten wie eine åhnliche Zellmembran, dasselbe System zur Speicherung und Nutzung genetischer Information sowie åhnliche Stoffwechselwege. Prokaryotische Zellen sind einfacher und besitzen weder komplexe Organellen (wie endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Mitochondrien und Chloroplasten), die von Membranen umgeben sind, noch Chromosomen oder

ein Cytoskelett, wie sie fçr eukaryotische Zellen charakteristisch sind. Man kann beide Zelltypen an der Art ihrer Zellteilung, ihren Elementen zur Fortbewegung sowie an der Art ihrer Zellwand ± falls sie çberhaupt eine bilden ± unterscheiden. Komplexe Pflanzen und Tiere bestehen aus vielen unterschiedlichen Zelltypen, die jeweils auf bestimmte Aktivitåten spezialisiert sind (Kap. 1.3).           0 Bakterienzellen haben in der Regel eine Långe von 1±5 lm, eukaryotische Zellen eine von 10±30 lm. Es gibt verschiedene Grçnde, warum Zellen so klein sind: Sie haben in ihren Kernen von jedem Gen nur eine begrenzte Anzahl. Die Zelloberflåche, çber die der Austausch erfolgt, wird mit zunehmender Zellgræûe zum begrenzenden Faktor. Fçr manche Stellen im Zellinneren wird die Entfernung zur Zelloberflåche zu groû, so dass die Bedçrfnisse der Zelle nicht mehr allein durch einfache Diffusion gedeckt werden kænnen (Kap. 1.3.4). .     $1 /  "  

        9   0 Auûerhalb der Zelle existiert das Virus nur als Virion, als ein Partikel aus dichtgepackten Makromolekçlen. Es gibt viele verschiedene Formen und Græûen von Virionen, aber alle besitzen eine virale Nukleinsåure, die von einer Hçlle aus viralen Proteinen çberzogen ist. Bei einer viralen Infektion n wird entweder die Wirtszelle bei der damit verbundenen Bildung neuer Viren zerstært n oder es werden die Nucleinsåuren des Virus in die DNA der Wirtszelle eingebaut, wodurch sich håufig die Aktivitåten dieser Zelle åndern. Viren werden nicht als Lebewesen betrachtet (Kap. 1.4).



Zur Selbstçberprçfung

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Zur Selbstçberprçfung 1. Denken Sie sich eine Frage zur Zellstruktur oder -funktion aus, die Sie gerne beantwortet haben wçrden. Wåre es einfacher, die Daten, die zur Beantwortung Ihrer Frage nætig wåren, durch Arbeiten an einer gesamten Pflanze oder einem Tier oder aber an einer Zellkultur zu sammeln? Welche Vor- und Nachteile bietet die Arbeit an einem gesamten Organismus gegençber der Arbeit mit einer Zellkultur? 2. Abbildung 1.3 zeigt eine Epithelzelle des Darms mit zahlreichen Mikrovilli. Welche Vorteile hat der Organismus aufgrund dieser Mikrovilli? Was wçrde wahrscheinlich mit einer Person passieren, die aufgrund eines Erbfehlers keine solche Mikrovilli besitzt? 3. Die ersten menschlichen Zellen, die in Kultur genommen werden konnten, stammten aus einem malignen Tumor. Glauben Sie, dass das so war, weil Krebszellen eher zur Verfçgung standen oder lassen sich solche Zellen besser in Kultur nehmen? Und wenn ja, warum? 4. Auf den Zeichnungen von Pflanzen- und Tierzellen in Abb. 1.8 b, c erkennt man bestimmte Strukturen, die in der Pflanzenzelle, nicht aber in der Tierzelle vorhanden sind. Welche Rolle spielt Ihrer Meinung nach jede einzelne dieser Strukturen im Leben einer Pflanze? 5. Es wurde erwåhnt, dass Zellen auf ihrer Oberflåche Rezeptoren besitzen, mit denen sie auf spezifische Reize reagieren kænnen. Viele Zellen im menschlichen Kærper besitzen Rezeptoren, mit denen sie spezifisch Hormone binden kænnen, die sich im Blut befinden. Wofçr sind diese Hormonrezeptoren wichtig? Wie wçrde es sich auf die physiologischen Aktivitåten des Kærpers auswirken, wenn Zellen keine derartigen Rezeptoren oder alle Zellen denselben Rezeptoren besåûen? 6. Wenn Sie die Behauptung vertreten sollten, dass Viren Lebewesen sind, welche strukturellen und funktionellen Merkmale von Viren wçrden Sie dafçr ins Feld fçhren? 7. Wenn wir annehmen, dass die Aktivitåten innerhalb von Zellen genauso ablaufen, wie man das in dem Cartoon von Rube Goldberg in Abb. 1.7 sieht, inwieweit wçrde sich das von menschlichen Aktivitåten wie etwa der Herstellung eines Autos an einem Flieûband oder der Ausfçhrung eines Freiwurfs beim Basketball unterscheiden?

8. Anders als bei Bakterienzellen ist der Kern einer eukaryotischen Zelle von einer Doppelmembran umgeben, die mit kompliziert gebauten Poren durchsetzt ist. Wie beeinflusst das den Austausch zwischen der DNA und dem Cytoplasma einer eukaryotischen Zelle im Vergleich zu dem einer prokaryotischen Zelle? 9. Betrachten Sie das Foto des mit Cilien besetzten Protisten in Abb. 1.16 und çberlegen Sie sich einige Aktivitåten, an denen diese Zelle beteiligt ist, eine Muskel- oder Nervenzelle in Ihrem Kærper aber nicht. 10. Welcher Zelltyp hat wohl ein græûeres Volumen: eine vollkommen flache Zelle oder eine runde Zelle? Warum? 11. Angenommen Sie wåren ein Wissenschaftler in den 1890er Jahren und wçrden eine Krankheit untersuchen, die Tabakpflanzen befållt, das Wachstum der Pflanzen hemmt und Flecken auf den Blåttern der Pflanze hervorruft. Sie finden heraus, dass Sie die Krankheit auf die Pflanze çbertragen kænnen, wenn Sie den Saft einer erkrankten Pflanze auf eine gesunde Pflanze auftragen. Sie untersuchen den Saft mit dem besten Lichtmikroskopen der damaligen Zeit und finden keine Hinweise auf Bakterien. Sie lassen den Saft durch einen Filter laufen, dessen Poren so klein sind, dass sie das Durchlaufen der kleinsten bekannten Bakterien verzægern, doch die Flçssigkeit, die den Filter passiert hat, kann immer noch die Krankheit çbertragen. Wie Dimitri Iwanowski, der diese Experimente vor çber 100 Jahren durchfçhrte, wçrden Sie wahrscheinlich daraus schlieûen, dass der Erreger eine unbekannte Form eines auûerordentlich kleinen Bakteriums ist. Welche Art von Experiment wçrden Sie heute durchfçhren, um diese Hypothese zu testen? 12. Die meisten Evolutionsbiologen glauben, dass sich alle Mitochondrien aus einem einzigen Urmitochondrium und alle Chloroplasten aus einem einzigen Urchloroplasten entwickelt haben. Mit anderen Worten, es gab nur ein einziges symbiotisches Ereignis, bei dem diese Organellen jeweils entstanden sind. Wenn das stimmt, an welchen Stellen im phylogenetischen Stammbaum in Abb. 3 (Experimentelle Verfahren) wurden dann Ihrer Meinung nach die jeweiligen Organellen aufgenommen?

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Einfçhrung in die Zell- und Molekularbiologie

Internetseite www.wiley.com/college/karp Erweitern sie Ihr Verståndnis, indem sie Karps Internetseite ¹Zell- und Molekularbiologieª besuchen. Dort finden Sie '  die gestellten
  $ & ,     , die schwierige Sachverhalte und Begriffe verdeutlichen,   , die Ihnen bei Prçfungsvorbereitungen helfen, sowie 8  zu interessanten Seiten im Netz. Zusåtzlich zu der Literaturliste unten kann man auf der Internetseite auch noch '  8 finden.

1.5 Weiterfçhrende Literatur Allgemeine Literatur zu Mikrobiologie und Virologie Fields BN et al (eds) (2001) Virology. Lippincott, Philadelphia New York Madigan MT (2002) &7Biology of Microorganisms, 10. Ausg. Prentice-Hall, Upper Saddle River/NJ

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

2

Kovalente Bindungen Nichtkovalente Bindungen Såuren, Basen und Puffer Die Eigenschaften biologischer Molekçle Vier Arten von biologischen Molekçlen Die Bildung komplexer makromolekularer Strukturen

Aus Sicht des Menschen: Fçr den Alterungsprozess sind freie Radikale verantwortlich Proteinfaltung mit tædlichen Folgen Experimentelle Verfahren: Chaperone helfen Proteinen, sich richtig zu falten

 ) $  !'  (      ?       2 ?  + 1         #    "   !'  # I 4    "          "     #    "  " '     "   2  

"      2  M !    2  &        +?        (  ;  U3 U  %   )  I1

Wir beginnen dieses Kapitel mit einem kurzen Ûberblick çber die atomaren Grundlagen der Materie ± ein Thema, das in einem Biologielehrbuch erst einmal fehl am Platz zu sein scheint. Das Leben hångt jedoch von den Eigenschaften der Atome ab und unterliegt denselben chemischen und physikalischen Prinzipien wie alle anderen Formen der Materie. Die zellulåre und die atomare Organisationsebene sind gar nicht so weit voneinander entfernt. Das wird schnell klar, wenn wir untersuchen, wie wichtig die Bewegung einiger Atome in einem Molekçl fçr die

Aktivitåten der Zelle ist, beispielsweise fçr die Muskelkontraktion oder fçr den Transport von Substanzen durch Membranen. Welche Eigenschaften Zellen und ihre Organellen haben, hångt direkt von den Aktivitåten der Molekçle ab, aus denen sie bestehen. Betrachten Sie nur einmal einen Prozess wie die Zellteilung, deren Details man recht gut unter einem einfachen Lichtmikroskop verfolgen kann. Um diese Vorgånge zu verstehen, muss man zum Beispiel Folgendes kennen:

6:

Die chemischen Grundlagen des Lebens

n Die Wechselwirkungen zwischen der DNA und den Proteinen, die dazu fçhren, dass sich die Chromosomen zu dichten, stabfærmigen Strukturen verkçrzen, die dann auf verschiedene Zellen aufgeteilt werden kænnen, n den molekularen Aufbau der proteinhaltigen Mikrotubuli, der es ihnen erlaubt, in einem Augenblick in der Zelle auseinanderzufallen und im nåchsten an einer vollkommen anderen Stelle in der Zelle wieder zusammengesetzt zu werden, n die Eigenschaften von Lipidmolekçlen, die dafçr sorgen, dass die åuûere Zellmembran verformbar wird, so dass sie in die Zellmitte gezogen und so die Zelle zweigeteilt wird. Man kann unmæglich auch nur ansatzweise verstehen, wie eine Zelle funktioniert, wenn man nicht çber die Strukturen und Eigenschaften der wichtigsten Typen biologischer Molekçle einigermaûen Bescheid weiû. Dies ist die Aufgabe des vorliegenden Kapitels: Es soll den Lesern die notwendigen Informationen çber die Chemie des Lebens vermitteln, damit sie die Grundlagen des Lebens verstehen lernen. Wir beginnen mit der Betrachtung der Bindungstypen, die Atome miteinander eingehen kænnen.

2.1 Kovalente Bindungen Die Atome, aus denen ein Molekçl besteht, sind çber 9  7  miteinander verbunden; dabei teilen sich zwei Atome Elektronenpaare. Die Bildung einer kovalenten Bindung zwischen zwei Atomen unterliegt dem Grundprinzip, dass ein Atom dann am stabilsten ist, wenn seine åuûere Schale maximal gefçllt ist. Dementsprechend hångt die Anzahl der Bindungen, die ein Atom eingehen kann, davon ab, wie viele Elektronen es benætigt, um seine åuûere Schale aufzufçllen. In Abb. 2.1 ist die Elektronenverteilung bei einer Reihe von Atomen zu sehen. Die åuûere und einzige Schale eines Wasserstoff- oder Heliumatoms ist mit zwei Elektronen voll besetzt; die åuûeren Schalen der anderen Atome aus Abb. 2.1 sind dann gefçllt, wenn sie acht Elektronen aufweisen. Daher kann ein Sauerstoffatom mit sechs Elektronen auf der åuûeren Schale diese auffçllen, indem es zusammen mit zwei Wasserstoffatomen ein Wassermolekçl bildet. Das Sauerstoffatom ist mit jedem der Wasserstoffatome

çber eine  $  kovalente Bindung verknçpft (was man mit H:O oder H-O beschreibt). Bei der Bildung einer kovalenten Bindung wird Energie freigesetzt, die spåter wieder zurçckgewonnen werden muss, wenn die Bindung wieder gelæst werden soll. Um die kovalenten Bindungen C-H, C-C oder C-O zu læsen, ist ziemlich viel Energie erforderlich ± in der Regel zwischen 80 und 100 Kilokalorien pro Mol (kcal/mol)1 Molekçle ±, weshalb diese Bindungen unter den meisten Bedingungen stabil sind. In vielen Fållen sind zwei Atome çber Bindungen miteinander verbunden, bei denen sie sich mehr als ein Elektronenpaar teilen. Wenn zwei Elektronenpaare geteilt werden, wie etwa beim molekularen Sauerstoff (O2), ist die kovalente Bindung eine  , wenn drei Elektronenpaare geteilt werden (wie beim molekularen Stickstoff, N2) ist sie eine      . Vierfachbindungen gibt es nicht. Welche Art von Bindung zwischen Atomen herrscht, hat entscheidende Folgen fçr die Form der Molekçle. So kænnen sich beispielsweise Atome, die çber Einfachbindungen miteinander verbunden sind, umeinander drehen, wåhrend das bei Doppel- oder Dreifachbindungen nicht mæglich ist. Wie man in Abb. 6.6 sieht, kænnen Doppelbindungen als Zentren der Energieaufnahme fungieren und dadurch so lebenswichtige Prozesse wie die Atmung oder Photosynthese færdern. Wenn ± wie beim H2 ± Atome desselben Elements eine Verbindung miteinander eingehen, teilen sich die beiden Atome die Elektronenpaare auf der åuûeren Schale zu gleichen Teilen. Wenn zwei ungleiche Atome kovalent miteinander verbunden sind, çbt der positiv geladene Kern eines der beiden Atome eine græûere Anziehungskraft auf die åuûere Schale aus als der andere. Daher befinden sich die gemeinsamen Elektronen håufig mehr in der Nåhe des Atoms mit der græûeren Anziehungskraft, also dem stårker   9 . Wie elektronegativ ein Atom ist, hångt von zwei Faktoren ab:

1

Eine Kalorie ist die Menge an thermischer Energie, die benætigt wird, um die Temperatur in einem Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erhæhen. Eine Kilokalorie (kcal) besteht aus 1000 Kalorien (oder einer groûen Kalorie). Auûer in Kalorien wird heutzutage Energie auch in Joule ausgedrçckt; dieser Begriff wurde historisch dazu verwendet, um die bei der Arbeit aufgewandte Energie zu messen. Eine Kilokalorie entspricht 4186 Joule ± und 1 Joule 0,239 Kalorien. Ein Mol entspricht der Avogadro'schen Zahl (6 ´ 1023) an Molekçlen. Ein Mol einer Substanz entspricht ihrem Molekulargewicht in Gramm.



Kovalente Bindungen

n Abb. 2.1.        " &                    =G  >   %" '      )   9  '   B "         !    G  *  @ $ !'     & "       + '! # 1    '        % &    ! @  +  $ !'    1"  !'   ! (  @  +     1"      

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n Der Anzahl an positiven Ladungen in seinem Kern (je mehr Protonen, desto elektronegativer), n der Entfernung der åuûeren Elektronen vom Kern (je græûer die Distanz, desto weniger elektronegativ).

6/

%   &       . +.1  2 +21    '  "          &C   %  "  &C    ( ?   )  

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Wie elektronegativ håufige Atome sind, ist in Tabelle 2.1 auf einer Skala von 0 bis 4 angegeben. Stickstoff- und Sauerstoffatome, die in biologischen Molekçlen mit am håufigsten vorkommen, sind stark elektronegativ.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

n Tabelle 2.1.   (& (   

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2.1.1 Polare und unpolare Molekçle Wir wollen uns ein Wassermolekçl ansehen. Das Sauerstoffatom des Wassers zieht sehr viel stårker Elektronen an als die beiden Wasserstoffatome. Daher bezeichnet man die O-H-Bindungen eines Wassermolekçls als   , in dem Sinne, dass eines der Atome partiell negativ und das andere partiell positiv geladen ist. Das deutet man in der Regel folgendermaûen an:

Molekçle wie Wasser, bei denen die Ladung asymmetrisch verteilt ist, bezeichnet man als   Molekçle. Biologisch wichtige polare Molekçle enthalten ein oder mehrere elektronegative Atome, in der Regel O, N, S und/oder P. Molekçle ohne elektronegative Atome oder polarisierte Bindungen, also etwa Molekçle, die nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen, bezeichnet man als  . Ob stark polarisierte Bindungen vorhanden sind, ist ganz entscheidend fçr die Reaktivitåt von Molekçlen. Groûe unpolare Molekçle wie Wachse und Fette sind håufig inert. Einige der interessanteren biologischen Molekçle wie Proteine und Phospholipide (s. unten) enthalten sowohl polare als auch unpolare Bereiche, die sich jeweils ganz unterschiedlich verhalten.

2.1.2 Ionisierung Einige Atome sind so stark elektronegativ, dass sie wåhrend einer chemischen Reaktion Elektronen von anderen Atomen einfangen kænnen. Wenn man beispielsweise die Elemente Natrium, ein silbriges Metall, und Chlor, ein giftiges Gas, mischt, wandert das einzige Elektron in der åuûeren Schale der Natriumatome jeweils zum Chloratom, dem Elektronen fehlen. Dadurch werden aus diesen beiden Elementen geladene Atome oder Ionen.

Da das Chlor-Ion ein (in Bezug auf die Anzahl der Protonen in seinem Kern) çberschçssiges Elektron besitzt, ist es negativ geladen (Cl±) und wird als   bezeichnet. Das Natriumatom, das ein Elektron verloren hat, wird mit seiner çberzåhligen positiven Ladung (Na+) als    bezeichnet. In kristalliner Form bilden diese beiden Ionen Natriumchlorid, das gewæhnliche Speisesalz. Die oben beschriebenen Na+- und Cl±-Ionen sind relativ stabil, weil ihre åuûeren Schalen maximal gefçllt sind. Eine andere Anordnung der Elektronen innerhalb eines Atoms kann zu einer hochreaktiven Form, einem  

  , fçhren. Die Struktur dieser freien Radikale sowie ihre Bedeutung fçr die Biologie wird im folgenden Exkurs aus der Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª erærtert.



Kovalente Bindungen

Box 2 a

6D

Aus Sicht des Menschen

Fçr den Alterungsprozess sind freie Radikale verantwortlich Warum haben Menschen eine maximale Lebenserwartung von etwa 100 Jahren, wåhrend unsere nahen Verwandten, die Schimpansen, nur etwa halb so lang leben? Viele Biologen glauben, dass wir altern, weil in den Geweben unserer Kærpers allmåhlich immer mehr Schåden auftreten. Am meisten geschådigt wird dabei wahrscheinlich die DNA. Durch die verånderte DNA wird die genetische Botschaft verfålscht und damit werden die Zellen immer stårker beeintråchtigt. Wie kommt es zu diesen Zellschåden und wie kann es sein, dass dieser Prozess bei Schimpansen schneller ablåuft als bei Menschen? Der Grund dafçr liegt mæglicherweise auf der atomaren Ebene. Atome sind stabil, wenn ihre Schalen maximal mit Elektronen besetzt sind. Elektronenschalen bestehen aus Orbitalen, von denen jedes hæchstens zwei Elektronen fasst. Atome oder Molekçle, bei denen ein Orbital nur ein einzelnes ungepaartes Elektron enthålt, sind håufig sehr unstabil ± man bezeichnet sie als     . Freie Radikale kænnen entstehen, wenn eine kovalente Bindung so gelæst wird, dass jeder Teil die Hålfte der gemeinsamen Elektronen erhålt, oder wenn ein Atom oder Molekçl ein einzelnes Elektron aufnimmt, das bei einer Redox-Reaktion çbertragen wurde. So kann man beispielsweise aus Wasser freie Radikale herstellen, indem man es der Sonnenstrahlung aussetzt: H2O ? HO·+ H· Hydroxylradikal (¹·ª ist das Zeichen fçr ein freies Radikal) Freie Radikale sind åuûerst reaktiv und kænnen zahlreiche Molekçle wie Proteine, Nucleinsåuren oder Lipide chemisch veråndern. Die Bildung von Hydroxylradikalen ist wahrscheinlich ein wesentlicher Grund, warum Sonnenlicht so schådlich fçr die Haut ist. 1956 stellte Denham Harman von der University of Nebraska die These auf, dass das Altern durch Gewebeschåden hervorgerufen wird, die von freien Radikalen verursacht werden. Da die Biologen und Ørzte damals mit dem Thema freie Radikale nicht vertraut waren, stieû diese These nicht auf græûeres Interesse. 1969 entdeckten Joe McCord und Irwin

Fridovich von der Duke University das Enzym Superoxiddismutase (SOD), dessen einzige Funktion darin besteht, das Superoxidradikal (O2·±), eine Art von freiem Radikal, das entsteht, wenn molekularer Sauerstoff ein zusåtzliches Elektron aufnimmt, zu zerstæren. SOD katalysiert folgende Reaktion: + ·± O·± 2 + O2 + 2H ? H2O2 + O2 Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid ist ebenfalls eine hochreaktives Oxidationsmittel, das daher håufig als Desinfektions- oder Bleichmittel eingesetzt wird. Wenn H2O2 nicht schnell zerstært wird, kann es zu Hydroxylradikalen zerfallen, die in der Zelle Makromolekçle attackieren. In der Zelle wird Wasserstoffperoxid normalerweise durch die Enzyme Katalase oder Glutathionperoxidase abgebaut. Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass Superoxidradikale beim normalen oxidativen Zellstoffwechsel entstehen und dass sich eine Superoxiddismutase in den Zellen diverser Organismen von Bakterien bis zum Menschen befindet. Tiere haben drei verschiedene SOD-Varianten (Isoformen): eine cytosolische, eine mitochondriale und eine extrazellulåre. Man schåtzt, dass 1±2 % des Sauerstoffs, der von menschlichen Mitochondrien aufgenommen wird, in Wasserstoffperoxid statt in Wasser, dem normalen Endprodukt der Atmung, umgewandelt werden. Wie wichtig die SOD ist, zeigte sich am deutlichsten bei Untersuchungen an mutierten Bakterien und Hefe, denen das Enzym fehlt. Diese Zellen kænnen in einer sauerstoffhaltigen Umgebung nicht wachsen. Ebenso sterben Måuse, die keine mitochondriale Variante des Enzyms (SOD2) besitzen, spåtestens eine Woche nach der Geburt. Dagegen leben Taufliegen, die genetisch so veråndert wurden, dass sie groûe Mengen SOD bilden, çber 40% långer als unbehandelte Kontrolltiere. Obwohl das Zerstærungspotenzial von freien Radikalen wie Superoxid oder Hydroxylradikalen unbestritten ist, wird die Bedeutung dieser Substanzen fçr den Alterungsprozess nach wie vor kontrovers diskutiert. Aus Harmans Hypothese çber den Zusammenhang zwischen freien Radikalen und dem Altern lassen sich bestimmte Vorhersagen ableiten. So wçrde man beispielsweise erwarten, dass Tiere mit einer græûeren Lebenserwartung weniger freie Radi-

6H

Die chemischen Grundlagen des Lebens

kale produzieren, besser in der Lage sind, freie Radikale abzubauen oder Zellschåden zu beheben, die durch Reaktion mit freien Radikalen entstanden sind. Diese Erwartungen wurden von einer jçngeren Untersuchung beståtigt, in der verglichen wurde, wie Fibroblastenkulturen von Maus und Mensch zum einen unter Standardbedingungen (20 % Sauerstoff), zum anderen unter verringerter Sauerstoffkonzentration (3 % Sauerstoff) wachsen. Die Mausfibroblasten (Bindegewebszellen), die unter reduzierten Sauerstoffbedingungen gehalten wurden, erlitten nur etwa ein Drittel der DNASchåden und durchliefen viel mehr Zellteilungen, bevor sie aufhærten, sich zu teilen, als dieselben Zellen, die man unter normalen Sauerstoffbedingungen wachsen lieû. Mausfibroblasten, die in 20 % O2 kultiviert wurden, zeigten drei Mal so viele Oxidationsschåden in ihrer DNA wie menschliche Fibroblasten, die unter denselben Bedingungen in Kultur genommen wurden. Menschliche Zellen scheinen viel besser als Mauszellen in der Lage zu sein, Oxidationsschåden in der DNA zu verhindern oder zu reparieren. Man kann die Lebensspanne von Såugern erhæhen, indem man die Anzahl der Kalorien in der Nahrung stark reduziert. Wie erstmals in den 1930er Jahren gezeigt wurde, leben Måuse, die auf eine sehr strenge Diåt gesetzt werden, in der Regel 30±40% långer als ihre Geschwister, deren Ernåhrung die normale Kalorienzahl enthålt. Untersuchungen zur Stoffwechselrate dieser Måuse haben widersprçchliche Daten ergeben. Es wird aber allgemein angenommen, dass Tiere mit einer kalorienreduzierten Ernåhrung deutlich weniger O·± 2 und

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H2O2 bilden, was ihre hæhere Lebenserwartung erklåren kænnte. Im Augenblick laufen Langzeitstudien an Affen, in denen untersucht werden soll, ob auch sie långer und gesçnder leben, wenn sie weniger Kalorien erhalten. Obwohl die Untersuchungsdauer noch nicht ausreicht, um sagen zu kænnen, ob sich die maximale Lebenserwartung von normalerweise etwa 40 Jahren bei Rhesusaffen und 28 Jahren bei Totenkopfåffchen erhæht, sprechen vorlåufige Ergebnisse dafçr, dass diese Tiere geringere Konzentrationen an Glucose, Insulin und Triglyceriden im Blut haben, was darauf hindeutet, dass sie weniger zu altersbedingten Krankheiten wie Diabetes oder koronarer Herzkrankheit neigen. Geringere Insulin-Konzentrationen im Blut sind mæglicherweise besonders wichtig fçr ein långeres Leben, da Untersuchung an Nematoden und Taufliegen ergeben haben, dass sich die Lebensspanne dieser Wirbellosen drastisch erhæht, wenn die Aktivitåt der insulinartigen Hormone reduziert wird. Ein verwandtes Forschungsgebiet ist die Untersuchung von Antioxidanzien, die freie Radikale zerstæren kænnen. Zu den gångigen Antioxidanzien, die man im Kærper findet, gehæren Substanzen wie Glutathion, die Vitamine E und C sowie Beta-Carotin ± der orangefarbene Farbstoff in Mæhren und anderen Gemçsesorten. Obwohl sich diese Substanzen in der Nahrung unter Umstånden als sehr vorteilhaft erweisen, weil sie freie Radikale zerstæren kænnen, haben Untersuchung an Ratten und Måusen keine çberzeugenden Belege dafçr ergeben, dass sie den Alterungsprozess aufhalten oder die maximale Lebenserwartung erhæhen.

2.2 Nichtkovalente Bindungen Kovalente Bindungen sind starke Bindungen zwischen den Atomen, aus denen ein Molekçl besteht. Wechselwirkungen zwischen Molekçlen (oder zwischen verschiedenen Teilen eines groûen biologischen Molekçls) hången von einer Vielzahl an schwåcheren Bindungen, so genannten nichtkovalenten Bindungen, ab. )  9   7  beruhen nicht auf gemeinsamen Elektronen, sondern auf Anziehungskråften zwischen gegensåtzlich geladenen Atomen. Einzelne nichtkovalente Bindungen sind schwach (etwa 1±5 kcal/mol) und kænnen daher leicht gelæst und neu gebildet werden. Wie sich im



Nichtkovalente Bindungen

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weiteren Verlauf dieses Buches immer wieder zeigen wird, ist diese Eigenschaft der nichtkovalenten Bindungen ausschlaggebend dafçr, dass es zwischen den Zellmolekçlen zu dynamischen Wechselwirkungen kommt. Wåhrend einzelne nichtkovalente Bindungen schwach sind, addieren sich ihre Anziehungskråfte, wenn viele dieser Bindungskråfte wie etwa in den beiden Strången des DNA-Molekçls oder bei verschiedenen Teilen eines groûen Proteins zusammenwirken. Insgesamt gesehen verleihen sie der Struktur eine betråchtliche Stabilitåt. Wir wollen uns mehrere Typen nichtkovalenter Bindungen ansehen, die fçr Zellen wichtig sind. 2.2.1 Ionenbindungen: Anziehungskråfte zwischen geladenen Atomen Im Speisesalz werden die Kristalle jeweils durch elektrostatische Anziehungskråfte zwischen positiv geladenen Na+- und negativ geladenen Cl±Ionen zusammengehalten. Diese Art von Anziehung zwischen geladenen Teilchen bezeichnet man als 6  (oder Salzbrçcke). Ionenbindungen innerhalb eines Salzkristalls kænnen sehr stark sein. Wenn man aber einen Salzkristall in Wasser læst, ist jedes einzelne Ion von Wassermolekçlen umgeben. Dies verhindert, dass sich entgegengesetzt geladene Ionen nahe genug kommen, um eine Ionenbindung eingehen zu kænnen (Abb. 2.2). Weil Zellen çberwiegend aus Wasser bestehen, haben Bindungen zwischen   Ionen kaum eine Bedeutung ± im Gegensatz zu schwachen Ionenbindungen zwischen entgegengesetzt geladenen Gruppen groûer biologischer Molekçle, die sehr wichtig sind. Sind beispielsweise negativ geladene Phosphatatome in einem DNA-Molekçl eng mit positiv geladenen Gruppen auf der Oberflåche eines Proteins assoziiert (Abb. 2.3), dann wird der Komplex durch Ionenbindungen zusammengehalten. Wegen des vorhandenen Wassers sind die Ionenbindungen in einer Zelle generell schwach (etwa 3 kcal/mol), aber tief im Innern eines Proteins, wo es håufig kein Wasser gibt, kann es starke derartige Bindungen geben.

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2.2.2 Wasserstoffbrçcken Wenn ein Wasserstoffatom kovalent an ein elektronegatives Atom, besonders an ein Sauerstoffoder Stickstoffatom, gebunden ist, wird das einzige gemeinsame Elektronenpaar stark zum Kern des elektronegativen Atoms hingezogen, so dass das Wasserstoffatom partiell positiv geladen ist. Das fçhrt dazu, dass sich der bloûe, positiv geladene Kern des Wasserstoffatoms einem Elektronenpaar auf der åuûeren Schale eines zweiten elektronegativen Atoms, das mit keinem anderen Atom geteilt wird, weit genug annåhern kann, um eine Anziehungskraft auf dieses Atom auszuçben (Abb. 2.4). Diese schwache Anziehungskraft bezeichnet man als 

 . Wasserstoffbrçcken bilden sich zwischen den meisten polaren Molekçlen; sie sind besonders wichtig fçr die Struktur und Eigenschaften von Wasser (s. unten). Wasserstoffbrçcken werden auch zwischen polaren Gruppen in groûen biologischen Molekçlen ausgebildet ± etwa zwischen den beiden Strången eines DNA-Molekçls (Abb. 2.3). Die DNA-Doppelhelix mit ihren zahlreichen Wasserstoffbrçcken zwischen den Strången ist sehr stabil, weil sich die Stårke der einzelnen Wasserstoffbrçcken addiert. Weil aber einzelne Wasserstoffbrçcken schwach sind (2±5 kcal/mol), kænnen die beiden Strånge partiell getrennt werden, um Enzymen den Zugang zu einzelnen DNA-Strången zu ermæglichen.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

n 
 Wasserstoffbrçcken bilden sich zwischen einem gebundenen elektronegativen Atom wie Stickstoff oder Sauerstoff mit einer partiell negativen Ladung und einem gebundenen Wasserstoffatom, das eine partiell positive Ladung besitzt. Wasserstoffbrçcken (etwa 0,18 nm) sind etwa doppelt so lang wie die viel stårkeren kovalenten Bindungen



          

n 
 Nichtkovalente Ionenbindungen sind wichtig, um das Proteinmolekçl auf der rechten Seite (gelbe Atome) am DNA-Molekçl auf der linken Seite zu halten. Die Ionenbindungen bilden sich zwischen den positiv geladenen Stickstoffatomen des Proteins und den negativ geladenen Sauerstoffatomen der DNA aus. Das DNA-Molekçl selbst besteht aus zwei verschiedenen Strången, die durch nichtkovalente Wasserstoffbrçcken zusammengehalten werden (Genaueres im folgenden Kap.). Obwohl eine nichtkovalente Bindung relativ schwach und leicht zu læsen ist, sorgt eine Vielzahl dieser Bindungen zwischen zwei Molekçlen wie bei den beiden DNA-Strången dafçr, dass der gesamte Komplex recht stabil ist. (Oberes Bild mit freundlicher Genehmigung von Stephen Harrison)

Polare Molekçle wie Zucker und Aminosåuren (Kap. 2.5.1 und 2.5.3) werden als

 oder ¹Wasser liebendª bezeichnet, weil sie mit Wasser in Wechselwirkungen treten kænnen. Unpolare Molekçle wie Steroide oder Fettmolekçle læsen sich praktisch nicht in Wasser, weil sie keine geladenen Bereiche besitzen, die sie zu den beiden Polen der Wassermolekçle ziehen wçrden. Wenn man unpolare Verbindungen mit Wasser mischt, werden die unpolaren,

  (¹Wasser fçrchtendenª) Molekçle dazu gezwungen, Aggregate zu bilden, in denen sie so wenig wie mæglich ihrer polaren Umgebung ausgesetzt sind (Abb. 2.5). Diese Assoziation unpolarer Molekçle bezeichnet man als




  . Das ist der Grund, warum Træpfchen von Fettmolekçlen schnell wieder als Fettaugen auf der Oberflåche einer Rinder- oder Hçhnersuppe auftauchen, selbst wenn man die Flçssigkeit mit einem Læffel umgerçhrt hat. Das ist auch der Grund, warum sich die unpolaren Gruppen bei den meisten læslichen Proteinen eher im Innern befinden ± mæglichst weit entfernt von den Wassermolekçlen drum herum (Kap. 2.5.3).

 Der eben beschriebene Typ von hydrophoben Wechselwirkungen gehært eigentlich nicht zu den Bindungen, weil er nicht auf einer Anziehungskraft zwischen den hydrophoben Molekçlen beruht.2 Neben dieser Art der Wechselwirkung kænnen hydrophobe Gruppen untereinander auch çber elektrostatische Anziehungskråfte schwache Bindungen eingehen. Polare Molekçle assoziieren, weil die Ladung innerhalb ihrer Strukturen permanent asymmetrisch verteilt ist. Eine genauere Untersuchung der kovalenten Bindungen, aus denen ein unpolares Molekçl (wie etwa H2 oder CH4) besteht, ergibt jedoch, dass auch hier die Elektronen nicht immer symmetrisch verteilt sind. Die Verteilung der Elektronen um das Atom herum zu einem bestimmten Zeitpunkt ist rein statistisch; die Verteilung selbst åndert sich von einem Augenblick zum nåchsten. Infolgedessen kann es vorkommen, dass die Elektronendichte auf einer Seite eines Atoms zu einem bestimmten Zeitpunkt græûer ist, obwohl sich das Atom die Elektronen gleichmåûig mit irgendeinem anderen Atom teilt. Diese vorçbergehenden Asymmetrien in der Elektronenverteilung fçhren zu einer vorçbergehenden Ladungstrennung (Dipole) innerhalb des Molekçls. Kommen sich zwei Molekçle mit vorçbergehendem Dipolcharakter in der richtigen Ausrichtung sehr nahe, entsteht zwischen ihnen eine schwache Anziehungskraft, die 9  

  , welche sie zusammenhålt. Darçber hinaus kann die Ausbildung einer temporåren Ladungstrennung in einem Molekçl eine åhnliche Trennung in einem Nachbarmolekçl auslæsen. Auf diese Weise kænnen zwischen unpolaren Molekçlen weitere Anziehungskråfte entstehen. Eine einzelne van-der-Waals-Kraft ist åuûerst schwach (0,1±0,3 kcal/mol) und hångt stark davon ab, wie weit die beiden Atome voneinander entfernt sind (Abb. 2.6 a). Wie wir allerdings in spåteren Kapiteln noch sehen werden, sind biologische Molekçle, die miteinander wechselwirken, wie etwa ein Antikærper und ein Protein auf der Oberflåche eines Virus, komplementår geformt. Dadurch kommen sich viele 2 Diese Aussage beruht auf der allgemein akzeptierten Hypothese, wonach hydrophobe Wechselwirkungen durch eine Zunahme der Entropie (Unordnung) begçnstigt werden. Wenn eine hydrophobe Gruppe in ein wåssriges Læsungsmittel ragt, ordnen sich die Wassermolekçle wie ein Gitter um die hydrophobe Gruppe herum an. Diese Ordnung der Læsungsmittelmolekçle wird aufgehoben, wenn die hydrophobe Gruppe aus dem umgebenden Læsungsmittel herausgezogen wird. Einer anderen These zufolge kommen hydrophobe Wechselwirkungen durch schwache Bindungen zustande (siehe P. L. Privalov, S. J. Gill, (1989) Pure Appl. Chem. 61:1097; oder G. I. Makhatadze, P. L. Privalov (1995) Adv. Prot. Chem. 47:308).

Nichtkovalente Bindungen

6J

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Atome der beiden Reaktionspartner unter Umstånden sehr nahe (Abb. 2.6 b), weshalb die vander-Waals-Kråfte fçr biologische Wechselwirkungen wichtig sind. 2.2.4 Die lebenserhaltenden Eigenschaften des Wassers Das Leben auf der Erde hångt vollkommen vom Wasser ab. Wasser ist im gesamten Universum eine unabdingbare Voraussetzung dafçr, dass sich Leben entwickelt. Obwohl ein Wassermolekçl nur aus drei Atomen besteht, hat es eine einzigartige Struktur, die ihm auûerordentliche Eigenschaften verleiht.3 Am wichtigsten davon sind folgende:

3

Eine Mæglichkeit, die Struktur des Wassers kennen zu lernen, besteht darin, es mit H2S zu vergleichen. Wie Sauerstoff besitzt auch Schwefel auf seiner åuûeren Schale sechs Elektronen und ist çber zwei Einfachbindungen mit Wasserstoffatomen verbunden. Weil Schwefel aber græûer ist, ist er nicht so elektronegativ wie Sauerstoff und kann daher nicht so gut Wasserstoffbrçcken bilden. Bei Raumtemperatur ist H2S gasfærmig und nicht flçssig. Genauer gesagt muss die Temperatur auf ±86 8C sinken, bis H2S zu einem festen Kærper gefriert.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

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n Wasser ist ein stark asymmetrisches Molekçl mit einem O-Atom an dem einen und den beiden H-Atomen am anderen Ende. n Jede der beiden kovalenten Bindungen des Molekçls ist stark polarisiert. n Alle drei Atome eines Wassermolekçls kænnen Wasserstoffbrçcken bilden. Auf diesen Merkmalen beruhen die lebenserhaltenden Eigenschaften des Wassers. Jedes Wassermolekçl kann mit bis zu vier anderen Wassermolekçlen Wasserstoffbrçcken bilden, wodurch ein sehr gut miteinander ver-

knçpftes Netzwerk von Molekçlen entsteht (Abb. 2.7). Eine Wasserstoffbrçcke wird dann ausgebildet, wenn sich ein Wassermolekçl so ausrichtet, dass der partiell positiv geladene Wasserstoff neben ein partiell negativ geladenes Sauerstoffatom eines anderen Wassermolekçls gelangt. Wegen ihrer ausgeprågten Wasserstoffbrçckenbildung zeigen Wassermolekçle eine ungewæhnlich starke Neigung, aneinander zu hången. Dieses Merkmal erkennt man am besten an den thermischen Eigenschaften des Wassers. Wenn beispielsweise Wasser erhitzt wird, wird die meiste thermische Energie dafçr verbraucht, die Wasserstoffbrçcken aufzubrechen, und nicht so sehr, um die Bewegung der Molekçle zu beschleunigen und dadurch die Temperatur zu erhæhen. Das Gleiche gilt fçr die Verdunstung der flçssigen in die gasfærmige Phase; auch hier mçssen erst die Wasserstoffbrçcken aufgehoben werden, welche die Wassermolekçle mit ihren Nachbarn verbinden. Daher erfordert es so viel Energie, Wasser in Dampf zu verwandeln. Såuger nutzen diese Eigenschaft, wenn sie schwitzen, weil die fçr die Verdunstung des Wassers erforderliche Wårme dem Kærper entzogen wird, so dass sich dieser abkçhlt. Das geringe Volumen an wåssriger Flçssigkeit in einer Zelle enthålt eine bemerkenswert komplexe Mischung an   &  $. Tatsåchlich kann Wasser mehr unterschiedliche Substanzen læsen als jedes andere Læsungsmittel. Wasser ist allerdings mehr als nur ein Læsungsmittel, es bestimmt auch, welche Strukturen biologische Molekçle annehmen und welche Art von Wechselwirkungen sie eingehen. Wasser ist



Nicht-kovalente Bindungen

die flçssige Matrix, die vom unlæslichen Zellgefçge umschlossen wird. Es ist darçber hinaus auch das Medium, durch das sich Materialien von einem Zellkompartiment zum anderen bewegen. Es ist in vielen Zellreaktionen entweder Reaktionspartner oder Reaktionsprodukt. Und es schçtzt die Zelle auf vielerlei Weise: vor zu groûer Hitze, vor zu groûer Kålte oder vor schådlicher Strahlung. Wasser ist so ein wichtiger Faktor in einer Zelle, weil es mit so vielen verschiedenartigen chemischen Gruppen schwache Wechselwirkungen eingehen kann. Erinnern Sie sich daran (Kap. 2.2.2), dass Wassermolekçle mit ihren stark polarisierten O-H-Bindungen eine Hçlle um Ionen herum bilden und so die Ionen auseinander drången. In åhnlicher Weise bilden Wassermolekçle mit organischen Molekçlen, die wie Aminosåuren und Zucker polare Gruppen enthalten (Abb. 2.8), sowie mit den groûen Makromolekçlen der Zelle Wasserstoffbrçcken. Da polare Molekçle mit Wasser schwache nichtkovalente Bindungen eingehen kænnen, læsen sie sich in der Zelle.

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2.3 Såuren, Basen und Puffer Protonen befinden sich nicht nur im Atomkern, sondern werden auch immer dann ins Medium abgegeben, wenn ein Wasserstoffatom ein gemeinsames Elektron verliert. So kann etwa Essigsåure, der charakteristische Bestandteil des Essigs, die folgende als 

$   bezeichnete Reaktion durchmachen.

Ein Molekçl, das ein Wasserstoff-Ion abgeben kann, wird als &1 bezeichnet. Das von der Essigsåure in der obigen Reaktion freigesetzte Proton bleibt nicht frei, sondern wird von einem anderen Molekçl aufgenommen. Ein Proton kann an folgenden Reaktionen beteiligt sein: Zusammen mit einem Wassermolekçl bildet es ein Hydronium-Ion (H3O+): H+ + H2O ? H3O+ Zusammen mit einem Hydroxylion (OH±) bildet es ein Wassermolekçl: H+ + OH± ? H2O Zusammen mit einer Aminogruppe (±NH2) eines Proteins bildet es ein geladenes Amin: H+ + ±NH2 ? NH3+ Jedes Molekçl, das ein Proton aufnehmen kann, ist definitionsgemåû eine 7 . Såuren und Basen bilden Paare. Wenn eine Såure ein Proton verliert (wenn beispielsweise die Essigsåure ein Wasserstoff-Ion abgibt), wird sie zu einer Base (in diesem Fall einem Acetat-Ion), die als  ,  7  der Såure bezeichnet wird. Genauso entsteht, wenn eine Base (etwa eine ±NH2-Gruppe) ein Proton aufnimmt, eine Såure (in diesem Fall ±NH3+), die als ,  &1  dieser Base bezeichnet wird. Somit besitzt die Såure immer eine positive Ladung mehr als ihre konjugierte Base. Wasser ist ein Beispiel fçr ein

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H3O+ $ H+ + H2O $ OH± + H+ In Kap. 2.5.3 werden wir eine andere wichtige Gruppe amphoterer Molekçle besprechen: die Aminosåuren.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

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Såuren unterscheiden sich sehr stark darin, wie leicht sie ein Proton abgeben. Je leichter das Proton verloren geht, das heiût, je schwåcher die Anziehungskraft einer konjugierten Base fçr ihr Proton ist, desto stårker ist die Såure. Chlorwasserstoff ist eine sehr starke Såure, die ihr Proton leicht an Wassermolekçle abgibt. Die konjugierte Base einer starken Såure wie etwa HCl ist eine schwache Base (Tabelle 2.2). Essigsåure ist dagegen eine relativ schwache Såure, weil sie bei der Læsung in Wasser græûtenteils undissoziiert bleibt. In gewissen Sinn kann man sich den Dissoziationsgrad einer Såure als Maû fçr ihr Abschneiden beim Wettstreit um die Protonen vorstellen, den die einzelnen Bestandteile einer Læsung miteinander austragen. Weil Wasser dabei erfolgreicher, das heiût, eine stårkere Base als ein Chlorid-Ion ist, dissoziiert HCl vollståndig. Dagegen bleibt Essigsåure çberwiegend undissoziiert, weil ein Acetat-Ion eine stårkere Base als Wasser ist. Wie sauer oder basisch eine Læsung ist, bestimmt man anhand der Konzentration an Wasserstoffionen4; sie wird in Form des 2

ausgedrçckt: pH = ±log [H+] wobei [H+] die molare Protonenkonzentration ist. Beispielsweise hat eine Læsung mit einem pH-Wert von 5 eine Wasserstoffionenkonzentration von 10±5 M. Weil die pH-Skala logarithmisch ist, entspricht ein Anstieg um einen pHWert einer zehnfachen Abnahme der H+-Konzentration (oder einen zehnfachen Anstieg der OH±-Konzentration). In der Magensåure (pH 4

1,8) beispielsweise ist die H+-Konzentration fast eine Million Mal græûer als im Blut (pH 7,4). Wenn ein Wassermolekçl in ein Hydroxylion und ein Proton dissoziiert, (H2O ? H+ + OH± oder pråziser 2H2O ? H3O+ + OH±) kann man die Gleichgewichtskonstante fçr diese Reaktion folgendermaûen bestimmen:

In wåssriger Læsungen liegen Protonen nicht frei, sondern als Hydronium-Ionen (H3O+) vor. Der Einfachheit halber bezeichnen wir sie einfach als Protonen oder WasserstoffIonen.

Weil die Konzentration an reinem Wasser immer 55,51 M betrågt, kænnen wir eine neue Kostante KW, das 6t des Wassers einfçhren, KW = [H+][OH±] das bei 25 8C 10±14 betrågt. In reinem Wasser liegen die H+- und OH±-Konzentrationen bei etwa 10±7 M. Der åuûerst geringe Dissoziationswert von Wasser deutet darauf hin, dass es eine sehr schwache Såure ist. In Gegenwart einer Såure steigt die Wasserstoffionenkonzentration an und die Hydroxylionenkonzentration sinkt (weil sie zusammen mit Protonen Wasser bilden), so dass das Ionenprodukt weiter bei 10±14 liegt. Der pH-Wert hat auf die meisten biologischen Prozess groûen Einfluss, weil sich die Verånderungen in der Wasserstoffionenkonzentration auf den Ionisierungsgrad der biologischen Molekçle auswirken. Wenn beispielsweise die Wasserstoffionenkonzentration steigt, wird die ±NH2-Gruppe der Aminosåure Arginin zum ±NH3+ protoniert, das die Proteinaktivitåt insgesamt stæren kann. Selbst geringfçgige Verånderungen des pH-Werts kænnen biologische Reaktionen beeintråchtigen. / schçtzen Organismen und die Zellen, aus denen sie bestehen, vor Schwankungen des pH-Werts; diese Verbindungen fangen durch Reaktionen mit freien Wasserstoff- oder Hydroxylionen Verånderungen des pH-Werts auf. Pufferlæsungen enthalten in der Regel eine schwache Såure sowie ihre konjugierte Base. Blut beispielsweise ist mit Kohlensåure und Bikarbonat-Ionen gepuffert, wodurch der pH-Wert des Blutes normalerweise konstant bei 7,4 liegt. HCO±3 + H+ $ H2CO3 Wenn die Wasserstoffionenkonzentration steigt (etwa, wenn man sich anstrengt), reagieren die Bikarbonat-Ionen mit den çberschçssigen Protonen und entziehen sie der Læsung. Herrscht dagegen ein Ûberschuss an OH±-Ionen vor (etwa, wenn man hyperventiliert), so werden die Ionen durch Protonen aus der Kohlensåure neutrali-



Die Eigenschaften biologischer Molekçle

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siert. Der pH-Wert der Flçssigkeit in der Zelle wird auf åhnliche Weise durch ein Phosphatpuffersystem geregelt, das aus H2PO±4 und HPO2± 4 besteht.

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2.4 Die Eigenschaften biologischer Molekçle Organismen bestehen vorwiegend aus Wasser. Wenn das Wasser verdunstet ist, bleiben als Trockengewicht çberwiegend Molekçle zurçck, die Kohlenstoffatome enthalten. Als die kohlenstoffhaltigen Molekçle entdeckt wurden, glaubte man zunåchst, sie kåmen nur in Lebewesen vor, und bezeichnete sie daher als     , um sie von den      zu unterscheiden, die man in der unbelebten Natur findet. Als es den Chemikern gelang, immer mehr dieser kohlenstoffhaltigen Molekçle im Labor zu synthetisieren, verloren die organischen Verbindungen den Anschein des Geheimnisvollen, der mit ihnen verbunden war. Die Verbindungen, die von lebenden Organismen gebildet werden, bezeichnet man jetzt als      &  $. In der Chemie des Lebens dreht sich alles um die Chemie des Kohlenstoffatoms. Diese zentrale Rolle verdankt der Kohlenstoff der Besonderheit, dass er eine enorme Anzahl von Molekçlen bilden kann. Mit seinen vier Elektronen auf der åuûeren Schale kann ein Kohlenstoffatom mit bis zu vier anderen Atomen Bindungen eingehen (Abb. 2.1). Der entscheidende Punkt ist jedoch, dass jedes Kohlenstoffatom an andere Kohlenstoffatome binden kann, so dass Molekçle mit einem langkettigen Gerçst aus Kohlenstoffatomen entstehen kænnen. Solche kohlenstoffhaltigen Grundgerçste kænnen linear, verzweigt oder ringfærmig sein.

 

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Am Cholesterin, dessen Struktur in Abb. 2.9 zu sehen ist, lassen sich diverse Anordnungsmæglichkeiten der Kohlenstoffatome gut erkennen. Aufgrund seiner Græûe und der Anordnung seiner Elektronen eignet sich der Kohlenstoff auf einzigartige Weise dazu, viele verschiedene Molekçle zu bilden ± bisher kennt man mehrere Hunderttausend. Silizium dagegen, das sich im Periodensystem direkt unter dem Kohlenstoff befindet und ebenfalls vier Elektronen auf seiner åuûeren Schale hat (Abb. 2.1), ist zu groû, als dass sein positiv geladener Kern die Elektronen auf der åuûeren Schale benachbarter Atome stark genug anziehen kænnte, um so riesige Molekçle zusammen halten zu kænnen. Um die Eigenschaften biologischer Molekçle kennen zu lernen, beginnt man am besten mit der einfachsten Gruppe organischer Molekçle, den   '

 , die nur aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen bestehen. Das Molekçl Ethan (C2H6) ist ein einfacher Kohlenwasserstoff,

der aus zwei Atomen Kohlenstoff besteht, die jeweils mit dem anderen Kohlenstoff sowie mit drei Atomen Wasserstoff verbunden sind. Wenn mehr Kohlenstoffatome dazu kommen, wird das Gerçst der organischen Molekçle långer und ihre Strukturen komplexer.

D6

Die chemischen Grundlagen des Lebens

2.4.1 Funktionelle Gruppen Die meisten Organismen besitzen keine nennenswerten Mengen an Kohlenwasserstoffen, obwohl diese den græûten Teil der fossilen Brennstoffe ausmachen, die aus den Ûberresten uralter Pflanzen und Tiere bestehen. Viele biologisch wichtige, organische Molekçle enthalten wie die Kohlenwasserstoffe Ketten von Kohlenstoffatomen, in denen aber bestimmte Wasserstoffatome durch verschiedene   : ersetzt sind. Funktionelle Gruppen sind bestimmte Gruppierungen von Atomen, die oft als Einheit fungieren und organischen Molekçlen ihre physikalischen Eigenschaften, ihr chemisches Reaktionsvermægen sowie ihre Læslichkeit in wåssrigen Læsungen verleihen. Einige funktionelle Gruppen, die håufig vorkommen, sind in Tabelle 2.3 aufgelistet. Zwei der håufigsten Verbindungen zwischen funktionellen Gruppen sind #   , die zwischen Carbonsåuren und Alkoholen, sowie   , die zwischen Carbonsåuren und Aminen gebildet werden.

Die meisten Gruppen in Tabelle 2.3 enthalten ein oder mehrere elektronegative Atome (N, P, O und/oder S), durch die organische Molekçle polarer, besser wasserlæslich und reaktiver werden. Manche dieser funktionellen Gruppen kænnen Ionen bilden und positiv oder negativ geladen werden. Man kann leicht zeigen, wie sich eine Substitution verschiedener funktioneller Gruppen auf die Molekçle auswirkt. Der bereits angesprochene Kohlenwasserstoff Ethan (CH3CH3) ist ein giftiges, entflammbares Gas. Wenn man eines seiner Wasserstoffatome durch eine Hydroxylgruppe (±OH) ersetzt, wird das Molekçl zum wohlschmeckenden Ethylalkohol (CH3CH2OH). Hångt man stattdessen eine Carboxylgruppe

(±COOH) an, entsteht Essigsåure (CH3COOH), der geschmacksintensive Inhaltsstoff des Essigs. Ersetzt man den Wasserstoff durch eine Sulfhydrylgruppe (±SH), hat man Ethylmercaptan (CH3CH2SH) hergestellt, ein starkes, çbelriechendes Mittel, mit dem Biochemiker Enzymreaktionen untersuchen. 2.4.2 Eine Klassifizierung biologischer Molekçle aufgrund ihrer Funktion Die organischen Molekçle, die man håufig in lebenden Zellen findet, kann man entsprechend ihrer Bedeutung im Stoffwechsel folgendermaûen unterteilen: n  . Makromolekçle sind groûe, hochgradig organisierte Molekçle, welche die Strukturen der Zellen bilden und ihre Aktivitåten ausfçhren; die Anzahl ihrer Kohlenstoffatome kann irgendwo zwischen einigen Dutzend bis zu Millionen liegen. Wegen der Græûe und der komplizierten Formen, die Makromolekçle annehmen kænnen, kænnen einige dieser molekularen Giganten sehr pråzise und effizient komplizierte Aufgaben ausfçhren. Mehr als allen anderen Merkmalen verdanken die Organismen besonders diesen Makromolekçlen die Eigenschaften, die das Leben ausmachen; durch sie unterscheiden sie sich chemisch von der unbelebten Welt. Man kann die Makromolekçle in vier groûe Gruppen einteilen: Proteine, Nucleinsåuren, Polysaccharide und bestimmte Lipide. Die ersten drei Gruppen sind /%. Sie werden durch /%

 , einen Vorgang, der dem Ankoppeln von Eisenbahnwagen an einen Zug åhnelt, aus zahlreichen niedermolekularen Bausteinen oder   zusammengesetzt (Abb. 2.10). Die Grundstrukturen und -funktionen all dieser Makromolekçltypen åhneln sich in allen Organismen. Man muss sich die spezifische Reihenfolge der Monomere, aus denen diese verschiedenen Makromolekçle bestehen, schon sehr genau ansehen, um

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Die Eigenschaften biologischer Molekçle

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b n Abb. 2.10 a, b. Monomere und Polymere ± Polymerisation und Hydrolyse. a Polysaccharide, Proteine und Nucleinsåuren bestehen aus Monomeren (Untereinheiten), die çber kovalente Bindungen miteinander verknçpft sind. Um diese Makromolekçle zu bilden, reicht es nicht aus, dass freie Monomere einfach miteinander reagieren; vielmehr muss jedes Monomer erst aktiviert werden. Dazu wird es

erst an ein Trågermolekçl gekoppelt, das dann das Monomer an das Ende des wachsenden Makromolekçls schleust. b Um ein Makromolekçl abzubauen, werden die Bindungen zwischen den Monomeren hydrolysiert. Bei der Hydrolyse wird eine Bindung mithilfe von Wasser aufgebrochen. All diese Reaktionen werden von spezifischen Enzymen katalysiert

zu erkennen, dass sie je nach Organismus doch sehr vielfåltig sind. n
      . Die meisten Makromolekçle innerhalb einer Zelle existieren im Vergleich zur Zelle nur eine kurze Zeit; mit Ausnahme der ZellDNA werden sie fortwåhrend abgebaut und durch neue Makromolekçle ersetzt. Daher besitzen die meisten Zellen einen Vorrat an niedermolekularen Vorstufen, die bereits so weit fertig sind, dass sie in Makromolekçle eingebaut werden kænnen. Dazu gehæren Zucker, die Vorstufen von Polysacchariden sind, Aminosåuren, die Bausteine von Proteinen, Nucleotide, die Grundelemente der Nucleinsåuren, sowie Fettsåuren, die in Lipide eingebaut werden n         Die Molekçle einer Zelle sind komplizierte chemische Verbindungen, die ausgehend von spezifischen Ausgangsstoffen in einem schrittweisen Verfahren synthetisiert werden mçssen. In der Zelle bezeichnet man jede Abfolge chemischer Reaktion als  . Die Zelle beginnt mit einer Substanz A, die sie in die Substanz B um-

wandelt, dann in die Substanz C und so weiter, bis irgendein Endprodukt wie beispielsweise ein Aminosåurebaustein eines Proteins entstanden ist, den man in anderen Reaktionen verwenden kann. Auf diesen Stoffwechselwegen entstehen bis zum Endprodukt immer wieder Verbindungen, die selbst keine Funktion haben; sie werden als      bezeichnet. n           . Das ist natçrlich ein breites Spektrum an Molekçlen, aber nicht so groû, wie man erwarten kænnte. Den græûten Anteil am Trockengewicht einer Zelle machen Makromolekçle und deren direkte Vorstufen aus. Zu den Molekçlen mit verschiedenartigen Funktionen gehæren solche Substanzen wie die Vitamine, die vor allem Zusatzstoffe von Proteinen sind: bestimmte Steroid- oder Aminosåure-Hormone, Molekçle wie ATP oder Kreatinphosphat, die zur Energiespeicherung dienen, regulatorische Molekçle wie zyklisches AMP sowie Stoffwechselabfallprodukte wie Harnstoff.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

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2.5 Vier Arten von biologischen Molekçlen Man kann die gerade beschriebenen Makromolekçle in vier Typen von organischen Molekçlen einteilen. Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nucleinsåuren. In welchen Zellstrukturen sich diese Molekçle befinden, zeigt ein Ûberblick in Abb. 2.11. 2.5.1 Kohlenhydrate Zu den   %  gehæren einfache Zucker (oder 

  ) sowie alle græûeren Molekçle, die aus Zuckerbausteinen bestehen. Kohlenhydrate dienen vor allem zur Speicherung

n Abb. 2.11.  P      ,I  (  

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chemischer Energie und als haltbare Baumaterialien fçr biologische Gefçge. Die meisten Zucker haben die allgemeine Formel (CH2O)n. Bei den fçr den Zellstoffwechsel wichtigen Zuckern liegen die Werte fçr n bei 3 bis 7. Zucker mit drei Kohlenstoffatomen nennt man !  , sind es vier Kohlenstoffatome spricht man von !

' bei fçnf Kohlenstoffatomen von / ' bei sechs von 2-  und bei sieben von 2     &      Jedes Zuckermolekçl besteht aus einem Gerçst von Kohlenstoffatomen, die çber einzelne Bindungen linear miteinander verknçpft sind. Jedes Kohlenstoffatom des Gerçsts ist bis auf eines, das eine Carbonylgruppe (C=O) trågt, mit einer einzelnen Hydroxylgruppe verbunden. Wenn sich die Carbonylgruppe im Innern des Molekçls befindet (und so eine Ketogruppe bildet) bezeichnet man den Zucker als  , wie etwa die Fructose aus Abb. 2.12 a. Befindet sich die Carbonylgruppe an einem Ende des Zuckers, bildet sie eine Aldehydgruppe, und man bezeichnet das Molekçl als  ; ein Beispiel dafçr ist die Glucose, die man in Abb. 2.12 b±f sieht. Obwohl sie fçr einen Strukturvergleich verschiedener Zucker gute Dienste leisten, erkennt man an den geradkettigen Darstellungen wie in Abb. 2.12 a, b nicht, dass sich Zucker durch eine intramolekulare Reaktion (Abb. 2.12 c) in ein geschlossenes oder ringfærmiges Molekçl verwandeln. Die Ringformen der Zucker werden in der Regel als flache Strukturen dargestellt (Abb. 2.12 d), die senkrecht aus der Papierebene herausragen, wobei die fettgedruckte Linie dem Leser zugewandt ist. Die H- und OH-Gruppen befinden sich parallel zur Papierebene und ragen oben oder unten aus dem Zuckerring heraus. In Wahrheit ist der Zuckerring nicht eben, sondern hat eine dreidimensionale Konformation, die einem Sessel åhnelt (Abb. 2.12 e, f). &   Wie bereits erwåhnt, kann ein Kohlenstoffatom mit vier anderen Atomen Bindungen eingehen. Die Anordnung der Gruppen um ein Kohlenstoffatom herum kann man wie in Abb. 2.13 a veranschaulichen: Der Kohlenstoff steht im Zentrum eines Tetraeders, wåhrend die gebundenen Gruppen in die vier Ecken hineinragen. Abb. 2.13 b zeigt ein Molekçl Glycerinaldehyd, die einzige Aldotriose, die es gibt. Das zweite Kohlenstoffatom des Glycerinaldehyds ist mit vier verschiedenen Gruppen (±H, OH, ±CHO und ±CH2OH) verbunden. Wenn wie beim Glycerinaldehyd die vier mit einem Kohlenstoffatom ver-



n Abb. 2.12 a-f.  %  (   a           "   )  $ X      " 

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Vier Arten von biologischen Molekçlen

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

bundenen Gruppen alle verschieden sind, dann gibt es zwei mægliche Konfigurationen, die man nicht zur Deckung bringen kann. Diese beiden Molekçle, die als &  oder #    bezeichnet werden, haben zwar beide das gleiche chemische Reaktionsvermægen, ihre Strukturen verhalten sich jedoch spiegelbildlich zueinander (åhnlich der rechten und linken Hand des Menschen). Einer Konvention zufolge bezeichnet man das Molekçl, bei dem die Hydroxylgruppe am zweiten Kohlenstoffatom rechts herausragt, als D-Glycerinaldehyd und dasjenige, bei dem es links herausragt, als L-Glycerinaldehyd (Abb. 2.13 c). Weil das zweite Kohlenstoffatom fçr die Stereoisomerie entscheidend ist, bezeichnet man es als %   Kohlenstoffatom. Wenn das Gerçst der Zuckermolekçle långer wird, erhæht sich auch die Anzahl der asymmetrischen Kohlenstoffatome und damit die Anzahl der Stereoisomere. Aldotetrosen haben zwei asymmetrische Kohlenstoffatome und kænnen daher in vier verschiedenen Konfigurationen vorkommen (Abb. 2.14). Ebenso gibt es acht verschiedene Aldopentosen und sechzehn verschiedene Aldohexosen. Die Bezeichnung all dieser Zucker als D oder L basiert konventionsgemåû

auf der Anordnung der Gruppen an dem asymmetrischen Kohlenstoffatom, das am weitesten vom Aldehyd entfernt ist (das Kohlenstoffatom, das mit dem Aldehyd verbunden ist, wird als C1 bezeichnet). Wenn die Hydroxylgruppe dieses Kohlenstoffatoms nach rechts herausragt, ist die Aldose ein D-Zucker, wenn sie links herausragt, ein L-Zucker. Die Enzyme lebender Zellen kænnen zwischen den D- und L-Formen eines Zuckers unterscheiden. In der Regel verwenden Zellen nur eines der Stereoisomere (wie D-Glucose oder L-Fucose). Die interne Reaktion, bei der sich ein Glucosemolekçl mit einer geraden Kette in einen sechsgliedrigen Ring (Pyranose) umwandelt, ist in Abb. 2.12 c dargestellt. Anders als sein Vorlåufer in der offenen Kette trågt C1 im Ring ebenfalls vier verschiedene Gruppen und wird so zu einem neuen Asymmetriezentrum innerhalb des Zuckermolekçls. Wegen dieses zusåtzlichen asymmetrischen Kohlenstoffatoms gibt es von jedem Pyranosetyp
- und -Stereoisomere (Abb. 2.15). Nach der Konvention ist das Molekçl eine
-Pyranose, wenn die OH-Gruppe des ersten Kohlenstoffatoms nach unten aus der Ringebene herausragt, und eine -Pyranose, wenn die Hydroxylgruppe nach oben zeigt. Der Unterschied zwischen den beiden Formen hat entscheidende biologische Folgen und fçhrt beispielsweise dazu, dass Glykogen- und Stårkemolekçle eine kompakte Form haben, wåhrend Cellulose gestreckt ist (s. unten).

n Abb. 2.14.    G     !'   I    )  

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. 9  Zucker kænnen miteinander çber kovalente %     7  zu græûeren Molekçlen verknçpft werden. Glycosidische Bindungen entstehen durch die Reaktion zwischen dem Kohlenstoffatom C1 eines Zuckers und der Hydro-

n Abb. 2.15.    
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Vier Arten von biologischen Molekçlen

xylgruppe eines anderen Zuckers; dabei entsteht zwischen den beiden Zuckern eine ±C-O-C-Bindung. Wie spåter noch erærtert wird (vgl. auch Abb. 2.16 und 2.17), kænnen Zucker çber ganz verschiedene glycosidische Bindungen miteinander verknçpft werden. Molekçle mit nur zwei Zuckereinheiten bezeichnet man als 

    (Abb. 2.16). Disaccharide fungieren vor allem als leicht verfçgbare Energiespeicher. Saccharose oder Rohrzucker ist ein wichtiger Bestandteil des Pflanzensafts, der chemische Energie aus einem Teil der Pflanze in einen anderen transportiert. Die in der Milch der meisten Såuger vorhandene Lactose versorgt neugeborene Såuger mit Energie fçr die ersten Wachstums- und Entwicklungsschritte. Die Lactose in der Nahrung wird durch das Enzym Lactase hydrolysiert, das in den Plasmamembranen der Zellen, die den Darm auskleiden, vorhanden ist. Viele Menschen verlieren dieses Enzym im Verlauf ihrer Kindheit und haben daher Verdauungsprobleme, wenn sie lactosehaltige Nahrungsmittel gegessen haben. Zucker kænnen auch zu kurzkettigen Molekçlen, den ( 

   (griech. ( = wenige), verknçpft sein. Sehr håufig sind solche Ketten kovalent mit Lipiden und Proteinen verbunden, so dass daraus Glycolipide beziehungsweise Glycoproteine werden. Besonders wichtig sind die Oligosaccharide bei den Glycolipiden und Glycoproteinen der Plasmamembran, auf

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b n Abb. 2.16.    %  .   &       %      

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denen sie dann aus der Zelloberflåche herausragen (Abb. 4.4 c). Weil Oligosaccharide aus vielen verschiedenen Kombinationen von Zuckereinheiten bestehen kænnen, kænnen diese Kohlenhydrate Informationen enthalten; das heiût, durch sie låsst sich ein Zelltyp vom anderen unterscheiden, so dass sie dazu beitragen, spezifische Wechselwirkungen einer Zelle mit ihrer Umgebung zu vermitteln (Erærterung in Kap. 7.1). /%

   Seit Mitte des 19. Jahrhunderts weiû man, dass das Blut von Personen, die an Diabetes leiden, aufgrund einer erhæhten Konzentration an Glucose, dem wichtigsten Zucker im Energiestoffwechsel, sçû schmeckt. Claude Bernard, ein bekannter franzæsischer Physiologe dieser Zeit, suchte nach der Ursache fçr Diabetes, indem er der Frage nachging, woher der Blutzucker stammte. Damals nahm man an, dass jeder Zucker, der in einem Menschen oder Tier vorhanden war, vorher einmal mit der Nahrung aufgenommen werden musste. Bei seiner Arbeit mit Hunden fand Bernard heraus, dass das Blut der Tiere selbst dann eine normale Menge an Glucose aufwies, wenn in ihrer Nahrung keine Kohlenhydrate enthalten waren. Offenbar konnte der Kærper aus andersartigen Verbindungen Glucose herstellen. Nach weiteren Untersuchungen fand Bernard heraus, dass die Glucose çber die Leber in das Blut gelangt. Lebergewebe, erkannte er, enthålt ein unlæsliches Polymer der Glucose, das er :%  nannte. Bernard schloss daraus, dass verschiedene Substanzen aus der Nahrung (wie Proteine) zur Leber transportiert werden, wo sie chemisch in Glucose umgewandelt und in Form von Glycogen gespeichert werden. Wenn dann der Kærper als Brennstoff Zucker benætigt, wird das Glycogen in der Leber in Glucose umgewandelt und dann in das Blut freigesetzt, um Gewebe, die zu wenig Glucose haben, zu versorgen. Bernards Hypothese zufolge war das Gleichgewicht zwischen Glycogensynthese und -abbau in der Leber der entscheidende Faktor dafçr, um die Glucosekonzentration im Blut relativ konstant zu halten (Homæostase). Bernards Hypothese hat sich als richtig erwiesen. Das Molekçl, das er Glycogen nannte, ist eine Art /%

   ± ein Polymer aus Zuckereinheiten, die çber glycosidische Bindungen miteinander verknçpft sind.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

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c n Abb. 2.17 a±c.   # I            "   (          

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      #1  Glycogen ist ein verzweigtes Polymer, das nur aus einem Typ von Monomer besteht: Glucose (Abb. 2.17 a). Die meisten Zuckereinheiten eines Glycogenmolekçls sind çber
(1 ? 4)-glycosidische Bindungen (Typ-2-Bindung in Abb. 2.17 a) miteinander verknçpft. Verzweigungspunkte enthalten einen Zucker, der statt mit zwei ± wie in den unverzweigten Abschnitten des Polymers ± mit drei Nachbareinheiten ver-

bunden ist. Der zusåtzliche Nachbar, der fçr die Verzweigung sorgt, wird çber eine
(1 ? 6)-glycosidische Bindung (Typ-1-Bindung in Abb. 2.17 a) angehångt. Glycogen dient bei den meisten Tieren als Speichermolekçl fçr çberschçssige chemische Energie. So enthalten etwa die Skelettmuskeln des Menschen in der Regel Glycogen fçr eine 30-minçtige mittelschwere Beanspruchung. Abhångig von verschiedenen Faktoren hat Glycogen ein Molekulargewicht von 1±4 Millionen Dalton.

 Das in den Zellen gespeicherte Glycogen ist stark konzentriert und erscheint auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen in Form von dunkelgefårbten, unregelmåûigen Granula (Abb. 2.17 a, rechts). Die meisten Pflanzen speichern ihre çberschçssige chemische Energie in Form von &1 , die wie Glycogen ein Glucosepolymer ist. Kartoffeln und Getreide beispielsweise bestehen vor allem aus Stårke. Stårke ist eigentlich eine Mischung aus zwei verschiedenen Polymeren, der Amylose und dem Amylopectin. Amylose ist ein unverzweigtes helikales Molekçl, dessen Zucker çber
(1 ? 4)-Bindungen (Abb. 2.17 b) miteinander verbunden sind, wåhrend Amylopectin verzweigt ist. Amylopectin unterscheidet sich von Glycogen jedoch dadurch, dass es viel weniger verzweigt ist und ein unregelmåûiges Verzweigungsmuster aufweist. Stårke wird in Form von dicht gepackten Granula oder Stårkekærnern gespeichert, die innerhalb der Pflanzenzelle in /  , von Membranen umgebenen Organellen, eingeschlossen sind (Abb. 2.17 b). Obwohl Tiere keine Stårke synthetisieren, besitzen sie ein Enzym, die % , mit dem sie Stårkemolekçle leicht hydrolysieren kænnen. + " +    :%

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         9 & Wåhrend einige Polysaccharide leicht abbaubare Energiespeicher bilden, formen andere kråftige, haltbare Strukturmaterialien. Baumwolle und Leinen beispielsweise bestehen çberwiegend aus + , dem Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwånden. Textilien aus Baumwolle verdanken ihre Haltbarkeit den langen unverzweigten Cellulosemolekçlen, die in parallel verlaufenden Verbånden angeordnet sind. Die so entstandenen molekularen Seile (Photo, Abb. 2.17 c) sind wie geschaffen dafçr, um Zugkråfte aufzufangen. Wie Glycogen und Stårke besteht Cellulose ausschlieûlich aus Glucose-Einheiten, unterscheidet sich aber in seinen Eigenschaften erheblich von diesen anderen Polysacchariden, weil die Glucose-Einheiten mehr çber (1 ? 4)-Verbindungen (Bindung 3 in Abb. 2.17 c) als çber
(1 ? 4)-Verbindungen miteinander verknçpft sind. Seltsamerweise besitzen vielzellige Tiere bis auf wenigen Ausnahmen kein Enzym zum Abbau von Cellulose, welche das auf der Erde am weitesten verbreitete organische Material ist und viel chemische Energie enthålt. Tiere wie Termiten und Schafe, die ¹sich damit durchschlagenª, Cellulose zu verdauen, kænnen das, weil sie Bakterien und Protozoen beherbergen, die das erforderliche Enzym, die Cellulase, synthetisieren.

Vier Arten von biologischen Molekçlen

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Nicht alle biologischen Polysaccharide bestehen aus Glucose-Einheiten. +   ist ein unverzweigtes Polymer des Zuckers )-Acetylglucosamin, der von der Struktur her der Glucose åhnelt, aber anstelle einer Hydroxylgruppe eine Acetylaminogruppe besitzt, die mit dem zweiten C-Atom des Rings verknçpft ist.

Chitin ist ein unter Wirbellosen weit verbreitetes Strukturmolekçl, das besonders håufig im Auûenskelett von Insekten, Spinnen und Krustentieren vorkommt. Es ist ein strapazierfåhiges, unverwçstliches, aber trotzdem flexibles Material, das etwa bestimmten Kunststoffarten åhnelt. Insekten schulden einen Groûteil ihres Erfolgs diesem åuûerst anpassungsfåhigen Polysaccharid (Abb. 2.18). Eine andere Gruppe von Polysacchariden mit komplexerer Struktur sind die :%

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n Abb. 2.18. 8     9     &!    C      9     + ;   . ? 1

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

  (oder :: ). Im Gegensatz zu anderen Polysacchariden haben sie die Struktur ±A±B±A±B±, wobei A und B zwei verschiedene Zucker darstellen. Das am besten untersuchte GAG ist Heparin, das bei einer Gewebeverletzung von Lungen- und anderen Gewebezellen sezerniert wird. Es unterbindet die Blutgerinnung, und verhindert dadurch die Bildung von Thromben, die den Blutfluss zum Herzen oder in die Lungen blockieren kænnen. Das Heparin bringt dieses Kunststçck fertig, indem es einen Hemmstoff (Antithrombin) eines fçr die Blutgerinnung erforderlichen Schlçsselenzyms (Thrombin) aktiviert. Heparin, das normalerweise aus dem Gewebe von Schweinen extrahiert wird, wurde jahrzehntelang dazu benutzt, um bei den Patienten nach græûeren Operationen die Bildung von Blutgerinnseln zu verhindern. Im Gegensatz zum Heparin befinden sich die meisten GAGs in den Zellzwischenråumen; ihre Strukturen und Funktionen werden wir ausfçhrlich in Kap. 7.1 erærtern. Die komplexesten Polysaccharide findet man in den Zellwånden von Pflanzen (Kap. 7.6). 2.5.2 Lipide Lipide sind eine vielseitige Gruppe unpolarer biologischer Molekçle. Alle kænnen jedoch in organischen Læsungsmitteln wie Chloroform oder Benzol gelæst werden und sind wasserunlæslich ± eine Eigenschaft, die viele ihrer verschiedenartigen biologischen Funktionen erklårt. Zu den fçr die Zellfunktion wichtigen Lipiden gehæren Fette, Steroide und Phospholipide.
 Fette bestehen aus einem Glycerinmolekçl, das çber Esterbindungen mit drei Fettsåuren verknçpft ist; das gesamte Molekçl wird als ! % %  bezeichnet (Abb. 2.19 a). Beschåftigen wir uns als erstes mit der Struktur der
 1 . Fettsåuren sind lange, nicht verzweigte Kohlenwasserstoffketten mit einer einzigen Carboxylgruppe an einem Ende (Abb. 2.19 b). Weil die beiden Enden eines Fettsåuremolekçls jeweils vællig anders strukturiert sind, haben sie auch unterschiedliche Eigenschaften. Die Kohlenwasserstoffkette ist hydrophob, die Carboxylgruppe (±COOH), die bei physiologischem pH-Wert eine negative Ladung trågt, dagegen hydrophil. Molekçle, die sowohl hydrophobe als auch hydrophile Bereiche aufweisen, bezeichnet man als

    ; solche Molekçle haben ungewæhnliche, biologisch wichtige Eigenschaften. Welche Eigenschaften Fettsåuren besitzen, wird klar, wenn man sich den Einsatz eines vertrau-

n Abb. 2.19 a±d.      &  a      ,I  I  +   , I          !   '1    I    + 1              8$I        &  (  "    %'&!   &  b %  & "   &   &  5E ) 



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 ten Produkts vor Augen fçhrt: der aus Fettsåuren bestehenden Seife. Fçr die Herstellung von Seifen hat man bis ins letzte Jahrhundert hinein Tierfett in starken Basen (NaOH oder KOH) erhitzt, um die Bindungen zwischen den Fettsåuren und dem Glycerin aufzubrechen. Heutzutage werden die meisten Seifen synthetisch hergestellt. Seifen verdanken ihre Fåhigkeit, Fett zu læsen, der Tatsache, dass ihr hydrophobes Ende in das Fett eindringen und gleichzeitig ihr hydrophiles Ende mit dem umgebenden Wasser reagieren kann. Dadurch werden die Fettsubstanzen in Komplexe (Mizellen) eingeschlossen und in dieser Form so fein im Wasser verteilt, dass sie abgespçlt werden kænnen (Abb. 2.20). Fettsåuren unterscheiden sich in der Långe ihrer Kohlenwasserstoffketten sowie darin, ob sie Doppelbindungen enthalten oder nicht. Die Fettsåuren in den Zellen bestehen aus 14 bis 20 Kohlenstoffatomen. Fettsåuren ohne Doppelbindungen wie Stearinsåure (Abb. 2.19 b) bezeichnet man als  1 , solche mit Doppelbindungen als  1 . Doppelbindungen (in -Konfiguration)

fçhren in die Fettsåurekette Knicke ein. Daher wird es immer schwieriger, diese langen Fettsåuren mæglichst dicht zu packen, je mehr Doppelbindungen sie enthalten. Dadurch sinkt die Temperatur, bei der fettsåurehaltige Lipide schmelzen. Tristearin, dessen Fettsåuren keine Doppelbindungen aufweisen (Abb. 2.19 c), ist ein håufiger Bestandteil tierischer Fette und bleibt auch bei Werten çber der Raumtemperatur noch in festem Zustand. Bei pflanzlichen Fetten ist dagegen ihre Fçlle an Doppelbindungen dafçr verantwortlich, dass diese Fette sowohl in der Pflanzenzelle als auch im Lebensmittelladen flçssig bleiben; diese Fette werden daher auch als ¹vielfach ungesåttigtª bezeichnet. Fette, die bei Raumtemperatur flçssig sind, nennt man ;. Abbildung 2.19 d zeigt die Struktur von Leinsamenæl, einem stark flçchtigen Lipid, das aus Leinsamen extrahiert wird und selbst bei einer sehr viel tieferen Temperatur als Tristearin noch flçssig bleibt. Festes Backfett wie Margarine stellt man her, indem man die Doppelbindungen ungesåttigter Pflanzenæle chemisch mit Wasserstoffatomen reduziert; dieser Prozess wird als

Vier Arten von biologischen Molekçlen

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n Abb. 2.20. %          &     %    %  !            &       " '        "   B  '    " '  '    (     )B        ?!   & " '     G

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2%  bezeichnet. Ein Molekçl Fett kann drei identische Fettsåuren enthalten (Abb. 2.19 c) oder aus verschiedenen Fettsåuretypen zusammengesetzt sein (Abb. 2.19 d). Die meisten natçrlich vorkommenden Fette wie Olivenæl oder Butter sind ein Molekçlgemisch aus verschiedenen Fettsåurearten. Fette enthalten sehr viel chemische Energie. Ein Gramm Fett liefert mehr als doppelt soviel Energie wie ein Gramm Kohlenhydrate (die Grçnde dafçr werden in Kap. 3.1 erærtert). Kohlenhydrate dienen vor allem als kurzzeitige, schnell verfçgbare Energiequellen, wåhrend Fettreserven langfristig Energie speichern. Im Kærper einer Person mittlerer Græûe stehen schåtzungsweise 0,5 kg Kohlenhydrate ± vor allem in Form von Glycogen ± zur Verfçgung. Diese Menge an Kohlenhydraten liefert ungefåhr 2000 kcal Energie. Mit einem Tag anstrengender Arbeit kann man damit praktisch seinen gesamten Kohlenhydratspeicher aufbrauchen. Dem stehen durchschnittlich ungefåhr 16 kg Fett pro Person gegençber, was 144 000 kcal Energie entspricht. Wie wir alle wissen, kann es sehr lange dauern, bis dieser Fettvorrat aufgebraucht ist. Weil Fette keine polaren Gruppen besitzen, læsen sie sich åuûerst schlecht in Wasser und werden in Zellen in Form trockener Fetttræpfen

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

gespeichert. Da Lipidtræpfchen im Gegensatz zu Glycogengranula kein Wasser enthalten, sind sie eine åuûerst kompakte Speicherform. Viele Tieren speichern Fette in speziellen Zellen,   %, deren Cytoplasma mit einem oder einigen wenigen groûen Lipidtræpfchen angefçllt ist. Adipocyten zeigen die bemerkenswerte Fåhigkeit, ihr Volumen an die unterschiedlichsten, jeweils vorhandenen Fettmengen anpassen zu kænnen. &  Steroide bestehen aus einem charakteristischen Kohlenwasserstoffgerçst mit vier Ringen. Eines der wichtigsten Steroide ist +   , ein Bestandteil der Zellmembranen von Tieren und Grundbaustein fçr die Synthese einer Reihe von Steroidhormonen wie Testosteron, Progesteron und Ústrogen (Abb. 2.21). In Pflanzenzellen findet man kaum Cholesterin, weshalb pflanzliche Úle als ¹cholesterinfreiª bezeichnet werden, Pflanzenzellen kænnen aber groûe Mengen an verwandten Substanzen enthalten. /      In Abb. 2.22 ist die chemische Struktur eines håufigen Phospholipids dargestellt. Das Molekçl åhnelt einem Fett (Triacylglycerin), hat aber nur

n Abb. 2.22.  #   # I   

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zwei statt drei Fettsåureketten und ist daher ein  %% . Die dritte Hydroxylgruppe des Glyceringerçsts ist kovalent an eine Phosphatgruppe gebunden, die, wie man in Abb. 2.22 sieht, wiederum kovalent mit einer kleinen polaren Gruppe wie einem Cholin verknçpft ist. Daher besitzen Phospholipide anders als Fettmolekçle zwei Enden mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften: Das Ende mit der Phosphatgruppe hat einen ausgeprågt hydrophilen Charakter, wåhrend das andere Ende mit den zwei Fettsåureenden einen ausgesprochen hydrophoben Charakter besitzt. Da sich Phospholipide vor allem in Zellmembranen befinden und die Eigenschaften der Zellmembranen von ihren Phospholipidbestandteilen abhången, werden wir sie spåter zusammen mit den Zellmembranen in Kap. 4.3 besprechen. 2.5.3 Proteine

n Abb. 2.21.  %   %   %          (  ;  %    4 

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Proteine sind die Makromolekçle, die fçr praktisch såmtliche Zellaktivitåten verantwortlich sind. Sie sind die molekularen Hilfsmittel und Maschinen, die alles in Schwung halten. Man schåtzt, dass die typische Såugerzelle bis zu 10 000 verschiedene Proteine besitzt, die vielfåltige Funktionen erfçllen. So sorgen sie als Enzyme dafçr, dass Stoffwechselreaktionen wesentlich schneller ablaufen, wirken als Seile strukturverstårkend und bieten innerhalb und auûerhalb von Zellen mechanische Unterstçtzung (Abb. 2.23 a), erfçllen als Hormone, Wachstumsfaktoren und Genaktivatoren viele verschiedene re-

 gulatorische Aufgaben, bestimmen als Membranrezeptoren und Transportmolekçle, worauf eine Zelle anspricht und welche Art von Substanzen in eine Zelle eindringen und sie verlassen, und bilden als kontraktile Filamente sowie molekulare Motoren die Maschinerie fçr biologische Bewegungen. Zu ihren weiteren zahlreichen Aufgaben gehært es beispielsweise auch, Antikærper, Giftstoffe und Blutgerinnsel zu bilden, Licht zu absorbieren und zu brechen (Abb. 2.23 b) sowie Substanzen von einem Teil des Kærpers in einen anderen zu transportieren. Wie kann ein Molekçltyp so viele verschiedene Funktionen haben? Die Erklårung dafçr liegt in den praktisch unendlich vielen molekularen Strukturen, welche die Gruppe der Proteine annehmen kann. Jedes Einzelprotein hat allerdings eine einzigartige und hochgradig geordnete Struktur, die es ihm ermæglicht, eine bestimmte Funktion auszufçhren. Besonders wichtig ist dabei, dass Proteine aufgrund ihrer Formen und Oberflåchen gezielt mit anderen Molekçlen in Wechselwirkungen treten kænnen. Mit anderen Worten: Proteine sind hochgradig $   . So kann zum Beispiel ein bestimmtes Enzym, das DNA schneidet, einen DNA-Abschnitt mit einer bestimmten Sequenz von acht Nucleotiden erkennen, wåhrend es alle anderen 65 535 mæglichen Sequenzen mit acht Nucleotiden ignoriert.

a n Abb. 2.23 a, b. '     ( ,    

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Vier Arten von biologischen Molekçlen

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  /     Proteine sind Polymere aus Aminosåure-Monomeren. Jedes Protein hat eine einzigartige Aminosåuresequenz, die dem Molekçl seine spezielle Fåhigkeiten verleiht. Viele dieser Fåhigkeiten werden schon allein dann offensichtlich, wenn man sich die chemischen Eigenschaften der Aminosåuren eines Proteins ansieht. Fçr den Proteinaufbau werden in der Regel 20 verschiedene Aminosåuren genutzt; dies gilt fçr Viren ebenso wie fçr den Menschen. Die Struktur der Aminosåuren låsst sich unter zwei Gesichtspunkten betrachten: man kann zum einen herausstellen, was allen gemeinsam ist, und zum anderen, was jede fçr sich so einzigartig macht. Wir beginnen mit den Gemeinsamkeiten.   &    1 Alle Aminosåuren besitzen eine Carboxyl- und eine Aminogruppe, die durch ein einzelnes Kohlenstoffatom, das
-Kohlenstoffatom, voneinander getrennt sind (Abb. 2.24 a, b). In einer neutralen wåssrigen Læsung verliert die
-Carboxylgruppe ein Proton und ist daher negativ geladen (±COO±), wåhrend die Aminogruppe ein Proton aufnimmt und dadurch positiv geladen ist (±NH+3 ) (Abb. 2.24 b). Wie wir in Kap. 2.5.1 gesehen haben, kænnen Kohlenstoffatome, die mit vier verschiedenen Gruppen verbunden sind, zwei verschiedene     (Stereoisomere) annehmen, die durch Aufeinanderlegen nicht in Ûbereinstimmung zu bringen sind.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

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Bei der Proteinsynthese wird jede Aminosåure mit zwei anderen Aminosåuren zu einem langen, kontinuierlichen unverzweigten Polymer verknçpft, der /% . Die Aminosåuren, aus denen eine Polypeptidkette besteht, werden çber /   aneinandergehångt; dabei wird die Carboxylgruppe einer Aminosåure mit der Aminogruppe ihrer benachbarten Aminosåure unter Eliminierung eines Wassermolekçls verknçpft (Abb. 2.24 c). Eine Polypeptidkette aus einer Reihe von Aminosåuren, die çber Peptidbindungen miteinander verknçpft sind, besteht aus folgendem Grundgerçst: c n Abb. 2.24 a±c.  &  a ) %?  b               (  & "    ;        ;           +  ::H1 c   #   

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Aminosåuren haben ebenfalls asymmetrische Kohlenstoffatome. Mit Ausnahme des Glycins ist das
-Kohlenstoffatom der Aminosåuren mit vier verschiedenen Gruppen verbunden, so dass jede Aminosåure entweder in der D- oder L-Form vorliegt (Abb. 2.25). Fçr die Proteinsynthese am Ribosom werden ausschlieûlich L-Aminosåuren verwendet. Zur ¹Selektionª der L-Aminosåuren muss es bereits sehr frçh in der zellulåren Evolution gekommen sein; daran hat sich çber Milliarden von Jahren nichts veråndert. Mikroorganismen benutzen dagegen D-Aminosåuren, um bestimmte kleine Peptide beispielsweise der Zellwand zu synthetisieren; dazu gehæren auch verschiedene Antibiotika (wie etwa Gramicidin A).

Im Durchschnitt besteht eine Polypeptidkette aus etwa 450 Aminosåuren. Das långste bekannte Polypeptid gibt es im Muskelprotein Titin; es besteht aus çber 30 000 Aminosåuren. Sind die Aminosåuren erst einmal in eine Polypeptidkette eingebaut, nennt man sie  . Den Rest an einem Ende der Kette, dem )!  , bildet eine Aminosåure mit einer freien (ungebundenen)
-Aminogruppe, wåhrend der Rest am entgegengesetzten Ende, dem +!  , eine freie
-Carboxylgruppe aufweist. Ûber die Aminosåuren hinaus gehæren zu vielen Proteinen noch andere Bestandteile, die erst nach der Polypeptidsynthese angehångt werden: etwa Kohlenhydrate (zur Bildung von Glycoproteinen), Gruppen, die Metall enthalten (und Metalloproteine bilden)

 sowie organische Gruppen (beispielsweise Flavoproteine).   #    9 &  Das Grundgerçst oder die Hauptkette des Polypeptids wird aus dem Aminosåureanteil gebildet, der allen Aminosåuren gemeinsam ist. Welche &  oder : (Abb. 2.24) am
-Kohlenstoffatom hångt, ist bei den 20 Bausteinen ganz unterschiedlich, aber gerade dieser Variabilitåt verdanken die Proteine letztlich ihre unterschiedlichen Strukturen und Aktivitåten. Wenn man die verschiedenen Aminosåureseitenketten insgesamt betrachtet, so zeigen sie eine groûe Vielfalt an Strukturmerkmalen, die von vollståndig geladen bis zu hydrophob reichen; auûerdem enthalten sie ein breites Spektrum an kovalenten und nicht kovalenten Bindungen. Wie im folgenden Kapitel erærtert wird, kænnen die Seitenketten der ¹aktiven Zentrenª von Enzymen viele verschiedene organische Reaktion erleichtern (katalysieren). Die verschiedenartigen Eigenschaften der Aminosåureseitenketten sind sowohl fçr die    Wechselwirkungen, die fçr die Struktur und Aktivitåt des Molekçls verantwortlich sind, als auch fçr die    Wechselwirkungen wichtig, von denen die Beziehung eines Polypeptids zu anderen Molekçlen ± mæglicherweise auch anderen Polypeptiden ± abhångt (Kap. 2.5.3). Man unterscheidet die Aminosåuren nach der Beschaffenheit ihrer Seitenketten. Es gibt allgemein vier Gruppen: polar und geladen, polar und ungeladen, unpolar sowie solche mit besonderen Eigenschaften (Abb. 2.26). /    0 Zu den Aminosåuren dieser Gruppe gehæren Asparaginsåure, Glutaminsåure, Lysin und Arginin. Diese vier Aminosåuren besitzen Seitenketten, die vollståndig geladen sind; das heiût, es sind Seitenketten mit relativ starken organischen Såuren und Basen. In Abb. 2.27 sind die Ionisierungsreaktionen der Glutaminsåure und des 8%  skizziert. Bei einem physiologischen pH-Wert befinden sich die Seitenketten dieser Aminosåuren fast immer in einem vollståndig geladenen Zustand. Daher kænnen sie Ionenbindungen mit anderen geladenen Molekçle in der Zelle eingehen. So sind beispielsweise die positiv geladenen Argininreste der Histonproteine çber Ionenbindungen mit den negativ geladenen Phosphatgruppen der DNA verbunden (Abb. 2.3). 2    wird ebenfalls als polare geladene Aminosåure angesehen, obwohl sie bei einem physiologischen pH-Wert meist nur teilweise geladen ist. Wegen seiner Fåhigkeit, in physiologischem Milieu Protonen an sich zu ziehen oder zu verlieren, ist Histidin tat-

Vier Arten von biologischen Molekçlen

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såchlich ein besonders wichtiger Rest im aktiven Zentrum vieler Proteine (Beispiel in Abb. 3.13). /    0 Weil die Seitenketten dieser Aminosåuren partiell negativ oder positiv geladen sind, kænnen sie mit anderen Molekçlen, unter anderem auch mit Wasser, Wasserstoffbrçcken eingehen. Diese Aminosåuren sind oft sehr reaktiv. Zu dieser Gruppe gehæren       und :   (die Amide der Asparaginsåure und Glutaminsåure, Kap. 2.4.1), !   , &  sowie !% .  0 Die Seitenketten dieser Aminosåuren sind hydrophob und kænnen keine elektrostatischen Bindungen eingehen oder mit Wasser reagieren. Zu dieser Gruppe gehæren die Aminosåuren   , .  , 8 , 6  , !%  , / %    und   . Die Seitenketten dieser unpolaren Aminosåuren enthalten generell keinen Sauerstoff oder Stickstoff. Sie unterscheiden sich vor allem in ihren Græûen und Formen. Deshalb kann die eine oder andere von ihnen in eine bestimmte Lçcke im Innern eines Proteins eingepasst sein, wo die Aminosåuren dann aufgrund von van-der-Waals-Kråften und hydrophoben Wechselwirkungen miteinander assoziiert sind.          1 ± Glycin, Prolin und Cystein ± haben ganz spezielle Eigenschaften, die sie von den anderen unterscheiden. Gerade weil ihre Seitenkette nur aus einem Wasserstoffatom besteht, ist :%  eine sehr wichtige Aminosåure. Wegen dieser fehlenden Seitenkette entsteht durch einen Glycinrest eine Stelle, an der sich die Gerçste von zwei Polypeptiden (oder zwei Abschnitten desselben Polypeptids) sehr nahe kommen kænnen. Darçber hinaus ist Glycin flexibler als andere Aminosåuren; so wird es mæglich, dass sich Teile des Gerçsts bewegen oder ein Scharnier bilden kænnen. Das Besondere an /  ist eine
-Aminogruppe, die zu ei-

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

n Abb. 2.26.     % (  &     :0  & "   &     #    (    (   2   '       &       ?             &    &  ' 

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Vier Arten von biologischen Molekçlen

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nem Ringsystem gehært und es zu einer Iminosåure macht. Prolin ist eine hydrophobe Aminosåure, die nicht ohne weiteres in eine Sekundårstruktur mit regelmåûiger Anordnung ± wie beispielsweise eine
-Helix ± hineinpasst (Kap. 2.5.3). +%  , das eine reaktive Sulfhydrylgruppe (±SH) aufweist, ist håufig çber eine     (±SS±) kovalent an einen anderen Cysteinrest gekoppelt. Disulfidbrçcken entstehen oft zwischen zwei Cysteinen, die innerhalb eines PolypeptidGrundgerçsts weit voneinander entfernt sind

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oder sogar auf zwei unterschiedlichen Polypeptiden liegen. Sie tragen dazu bei, die komplizierten Proteinformen zu stabilisieren, besonders die, welche sich auûerhalb von Zellen befinden und daher zusåtzlichem physikalischem und chemischem Stress ausgesetzt sind. In den Proteinen kommt meist nur eine Auswahl der in diesem Kapitel beschriebenen Aminosåuren vor; auûerdem sind die verschiedenen Aminosåuren nicht gleichmåûig verteilt. In den Proteinen findet man darçber hinaus auch noch einige andere Aminosåuren; sie entstehen durch Abwandlung der Seitenketten der 20 Grundaminosåuren, allerdings erst nach deren Einbau in eine Polypeptidkette. Deswegen bezeichnet man sie auch als           . Sie kænnen die Eigenschaften und Funktionen eines Proteins erheblich veråndern ± vor allem durch Modifikation seiner Wechselwirkungen mit anderen Molekçlen. Aufgrund der posttranslationellen Verånderungen kann aus einem einzelnen Polypeptid eine Reihe unterschiedlicher biologischer Molekçle hervorgehen. Der ionisierte, polare oder unpolare Charakter von Aminosåureseitenketten ist åuûerst wichtig fçr die Struktur und Funktion der Proteine. Bei den meisten læslichen Proteinen ± also solchen, die nicht in Membranen sitzen ± befinden sich die polaren Reste auf der Molekçloberflåche, wo sie mit dem umgebenden Wasser assoziiert sein kænnen und so zur Læslichkeit des Proteins in wåssriger Læsung beitragen (Abb. 2.28 a). Die unpolaren Reste befinden sich dagegen çberwiegend im Zentrum des Proteins (Abb. 2.28 b). Die hydrophoben Reste im Proteininnern liegen håufig dicht an dicht, wodurch sie eine Art dreidimensionales Puzzle bilden, von dem Wassermolekçle generell ausgeschlossen sind. Die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Seitenketten dieser Reste sind ein entscheidender Faktor fçr die Proteinfaltung (Kap. 2.5.3) und tragen wesentlich zur allgemeinen Stabilitåt des Proteins bei. Bei vielen Enzymen ragen reaktive polare Gruppen in das unpolare Innere hinein und ermæglichen so, dass das Enzym katalytisch aktiv ist. So kann etwa eine unpolare Umgebung ionische Wechselwirkungen zwischen geladenen Gruppen verstårken, die in einer wåssrigen Umgebung aufgrund der konkurrierenden Wassermolekçle abgeschwåcht wçrden. Einige Reaktionen, die in Wasser nur unmerklich langsam vorankåmen, laufen innerhalb des Proteins im Bruchteil einer Sekunde ab.   /   Nirgendwo in der Biologie kann man besser zeigen, wie stark die Funktion von der Form ab-

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

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hångt, als bei den Proteinen. Proteine sind riesige, komplizierte Molekçle, aber in einem beliebigen vorgegebenen Umfeld sind ihre Strukturen eindeutig definiert und vorhersagbar. Indem jede Aminosåure eines Proteins eine vorbestimmte Position innerhalb dieses riesigen Molekçls einnimmt, erhålt das Protein die Struktur und das Reaktionsvermægen, die es fçr seine jeweilige Aktivitåt benætigt. Man kann die Proteinstruktur auf mehreren Organisationsebenen beschreiben, bei denen jeweils ein anderer Aspekt betont wird und die jeweils von unterschiedlichen Formen der Wechselwirkung abhången. Ûblicherweise unterscheidet man vier solcher Ebenen: die Primår-' Sekundår-, Tertiår- und Quartårstruktur. Die erste, die Primårstruktur, betrifft die Aminosåuresequenz eines Proteins, wåhrend sich die drei anderen Ebenen auf die Organisation des Molekçls im Raum beziehen. Um die Aktionsmechanismen und die biologische Funktion eines Proteins verstehen zu kænnen, muss man unbedingt wissen, wie ein Protein aufgebaut ist.

die Anzahl der Aminosåuren in der Kette ist. Weil die meisten Polypeptide aus çber 100 Aminosåuren bestehen ± einige sogar aus mehreren Tausend ±, sind die Variationsmæglichkeiten an Sequenzen praktisch unbegrenzt. Die Information çber die genaue Anordnung der Aminosåuren in jedem einzelnen Protein, das ein Organismus synthetisieren kann, ist im Genom des entsprechenden Organismus codiert. Wie wir spåter noch sehen werden, steckt in der Aminosåuresequenz die Information, die erforderlich ist, um die dreidimensionale Form des Molekçls und damit seine Funktion festzulegen. Die Abfolge der Aminosåuren ist daher çberaus wichtig, und es kann zu Problemen fçhren, wenn sie aufgrund genetischer Mutationen in der DNA veråndert wird. Das frçheste und am besten untersuchte Beispiel dafçr ist eine Verånderung der Aminosåuresequenz des Håmoglobins, die zur &  $ 1  fçhrt. Zu dieser schweren vererbbaren Form der Anåmie kommt es nur deshalb, weil eine einzige Aminosåure des Håmoglobin-Molekçls ausgetauscht wird: An die Stelle eines geladenen Glutaminsåurerestes tritt ein unpolarer Valinrest. Diese Verånderung in der Håmoglobinstruktur hat dramatische Folgen fçr die Form der roten Blutkærperchen, die statt einer Scheibenform die

/ 1  Die Primårstruktur eines Polypeptids ist die spezifische lineare Aminosåurefolge der Kette. Mit 20 verschiedenen Bausteinen kænnen 20n verschiedene Polypeptide gebildet werden, wobei



Vier Arten von biologischen Molekçlen

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von Hunderten von Organismen einschlieûlich des Menschen ermittelt. Aufgrund dieser Informationen werden Forscher letztlich såmtliche Proteine kennen lernen, die ein Organismus herstellen kann. Nach wie vor ist es allerdings çberaus schwierig, aufgrund der Primårsequenzdaten etwas çber die hæheren Ebenen der Proteinstruktur auszusagen.

n Abb. 2.29. ;             B   (   #  "   %  ! &       %          II    6/5 +?        ( - , ,' "   8   ; 8 .  1

Form einer Sichel annehmen (Abb. 2.29); dadurch kommt es håufiger zu einem Verschluss kleiner Blutgefåûe, was Schmerzen und lebensbedrohliche Krisen verursachen kann. Nicht alle Aminosåureverånderungen haben derart dramatische Konsequenzen, wie man daran erkennen kann, dass ein Protein bei verwandten Organismen unterschiedliche Aminosåuresequenzen haben kann. Inwieweit Verånderungen in der Primårsequenz toleriert werden, hångt davon ab, inwieweit die Proteinform oder die entscheidenden funktionellen Reste veråndert wurden. Anfang der 1950er Jahre haben Frederick Sanger und seine Mitarbeiter an der Cambridge University erstmals die Aminosåuresequenz eines Proteins bestimmt. Sie hatten fçr ihre Untersuchung Rinderinsulin ausgewåhlt, weil dieses leicht verfçgbar war und auûerdem sehr klein ist: Es besteht aus zwei Polypeptidketten von 21 und 30 Aminosåuren. Die &<$  

6   war eine herausragende Leistung auf dem neuen Gebiet der Molekularbiologie. Sie zeigte, dass Proteine, die kompliziertesten Zellmolekçle, eine definierbare Substruktur besitzen, die im Gegensatz zu derjenigen der Polysaccharide weder regelmåûig noch repetitiv ist. Jedes einzelne Polypeptid ± gleich, ob es Insulin oder ein anderes Protein ist ± hat eine pråzise Aminosåuresequenz, die bei allen Molekçlen immer gleich ist. Aufgrund der Entwicklung von Techniken zur schnellen DNA-Sequenzierung (Kap. 18.13) kann man die Primårstruktur eines Polypeptids aus der Nucleotidsequenz des codierenden Gens ableiten. In den letzten Jahren wurden die vollståndigen genomischen Sequenzen

&1  Såmtliche Materie hat eine råumliche Ausdehnung und ist daher dreidimensional. Durch die Verknçpfung einer enormen Anzahl von Atomen erhalten die Proteine eine komplizierte Form. Der Begriff    bezieht sich auf die dreidimensionale Anordnung der Atome eines Molekçls, d. h. auf ihre råumliche Organisation. Die Sekundårstruktur beschreibt die Konformation bestimmter Bereiche einer Polypeptidkette. Die ersten Untersuchungen çber die Sekundårstruktur von Proteinen wurden von Linus Pauling und Robert Corey vom California Institute of Technology durchgefçhrt. Nachdem Pauling und Corey die Strukturen einfacher Peptide, die nur aus wenigen Aminosåuren bestanden, untersucht hatten, kamen sie zu dem Schluss, dass Polypeptidketten bevorzugt eine Konformation annehmen, bei der zwischen benachbarten Aminosåuren eine maximale Anzahl an Wasserstoffbrçcken ausgebildet wird. Zwei Konformationen wurden zur Diskussion gestellt. Bei der einen Konformation nahm das Polypeptidgerçst die Form einer zylindrischen, verdrehten Spirale, einer so genannten  3a4 2 -, an (Abb. 2.30 a). Das Rçckgrat befindet sich im Innern der Helix, wåhrend die Seitenketten nach auûen ragen. Die Helix wird durch Wasserstoffbrçcken stabilisiert, die sich zwischen den Atomen einer Peptidbindung und den auf der Spirale darçber oder darunter liegenden Atomen ausbilden (Abb. 2.30 b). Die in den 1950er Jahren entstandenen Ræntgenbeugungsmuster von Proteinen beståtigten dann die Existenz der
-Helix ± erst fçr das Protein Keratin, das man in Haaren findet, spåter fçr verschiedene sauerstoffbindende Proteine wie Myoglobin und Håmoglobin (Abb. 2.34). Oberflåchen von gegençberliegenden Seiten einer
-Helix kænnen ganz unterschiedliche Eigenschaften haben. In wasserlæslichen Proteinen befinden sich die polaren Reste der åuûeren Oberflåche einer
-Helix håufig in Kontakt mit dem Læsungsmittel, wåhrend die nach innen gerichtete Oberflåche in der Regel unpolare Seitenketten aufweist. Als zweite Konformation schlugen Pauling und Corey das 7 3b4
  vor, bei dem mehrere Polypeptidabschnitte nebeneinander

A:

Die chemischen Grundlagen des Lebens

n Abb. 2.30 a,b.
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liegen. Im Gegensatz zur spiraligen, zylindrischen Form der
-Helix weist bei einem -Faltblatt das Rçckgrat jedes Polypeptidabschnitts (oder -Strangs) einen Knick nach dem anderen auf (Abb. 2.31 a). Wie die
-Helix enthålt auch das -Faltblatt in der Regel zahlreiche Wasserstoffbrçcken, die allerdings senkrecht zur Långsachse der Polypeptidkette ausgerichtet sind und von einem Strang zum anderen herçberragen (Abb. 2.31 b). Wie die
-Helix findet man auch das -Faltblatt in vielen verschiedenen Proteinen. Weil -Strånge sehr lang gestreckt sind, kann das -Faltblatt gut Zugkråfte aushalten. Seide besteht aus einem Protein mit einem groûen Anteil von -Faltblattstrukturen; die Seidenfasern verdanken ihre Stårke vermutlich diesem Strukturmerkmal. Erstaunlicherweise ist eine einzige Faser eines Seidenspinners, die nur etwa ein Zehntel so dick ist wie ein menschliches Haar, fçnf

n Abb. 2.31 a, b.     a -  # I  

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Mal so stark wie eine Stahlfaser mit einem vergleichbaren Gewicht. Die Anteile einer Polypeptidkette, die weder eine
-Helix noch -Faltblattstrukturen aufweisen, bestehen aus Gelenkverbindungen, Wendepunkten, Schleifen oder fingerartigen Ausstçlpungen. Oft sind das die flexibelsten Bereiche einer Polypeptidkette mit der græûten biologischen Aktivitåt. So sind beispielsweise Antikærper bekannt fçr ihre spezifischen Wechselwirkungen mit anderen Molekçlen (Antigenen), die durch eine Reihe von Schleifen an einem Ende des Antikærpermolekçls vermittelt werden (Abb. 17.12 und 17.13). Die verschiedenartigen Sekundårstrukturen wurden in Abb. 2.32 grob skizziert:
-Helices als helikal verlaufende Bånder, -Strånge als flåchige Pfeile und Verbindungselemente als dçnne Strånge. ! 1  Die nåchste Ebene oberhalb der Sekundårstruktur ist die Tertiårstruktur, welche die Konformation des gesamten Proteins wiedergibt. Wåhrend der Sekundårstruktur vor allem die Wasserstoffbrçcken zwischen den Atomen der Peptidbindungen des jeweiligen Rçckgrats Halt verleihen,



n Abb. 2.32. &    ;   
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wird die Tertiårstruktur durch eine Reihe nichtkovalenter Bindungen zwischen den verschiedenen Seitenketten des Proteins stabilisiert. Wåhrend die Sekundårstruktur çberwiegend auf einige wenige Konformationen beschrånkt ist, gibt es praktisch unendlich viele Tertiårstrukturen. Welche Tertiårstruktur ein Protein genau hat, wird in der Regel mithilfe der  

 %  ermittelt.5 Bei dieser Methode ± die ausfçhrlicher in den Kap. 3.2 und 18.8 beschrieben wird ± wird ein Kristall des Proteins mit einem dçnnen Bçndel von Ræntgenstrahlen beschossen und die Strahlung, die an den Elektronen der Atome des Proteins gestreut wird, wird auf einer strahlungsempfindlichen Platte oder mit einem Detektor aufgefangen; so entsteht ein Bild aus Punkten, wie es in Abb. 2.33 zu sehen ist. Wenn ein Wissenschaftler dieses Streuungsmuster einer komplizierten mathematischen Analyse unterwirft, kann er daraus die ursprçngliche Struktur ableiten, die das Muster hervorgebracht hat. 5

Man kann die dreidimensionale Struktur kleiner Proteine (mit einem Molekulargewicht von unter 30) auch mithilfe einer NMR-Spektroskopie bestimmen, die nicht in diesem Buch besprochen wird (in der Beilage zur Juli-Ausgabe von Nature Struct. Biol 1998 sowie in Nature Struct. Biol 7:982, 2000 findet man Rezensionen zu dieser Technik)

Vier Arten von biologischen Molekçlen

A/

n Abb. 2.33. ;B         ?I     #     " '    ( ;B          #       '"  

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Aufgrund ihrer Gesamtkonformation unterscheidet man meist    / , die eine stark långliche Form haben, von 1 / , die kompakt sind. Die meisten Proteine, die wie die Kollagene und Elastine des Bindegewebes auûerhalb lebender Zellen strukturelle Bedeutung haben, sind faserfærmig; dazu gehæren auch die Keratine im Haar, in der Haut und den Fingernågeln sowie die Seide. Diese Proteine kænnen gut Zug- und Scherkråfte aushalten. Dagegen sind die meisten Proteine im Innern von Zellen kugelfærmig. %     1 / "  

 ! 1     '0 Die Polypeptidketten globulårer Proteine haben sich zu komplexen Formen gefaltet und verdreht. Dadurch kommt es, dass entfernte Bereiche aus der linearen Aminosåuresequenz letztlich dicht beieinander liegen und çber verschiedene Bindungsarten miteinander verknçpft werden. 1957 gelang es John Kendrew und seinen Mitarbeitern an der Cambridge University, einen ersten Blick auf die Tertiårstruktur eines globulåren Proteins zu werfen, indem sie durch Ræntgenstrukturanalysen ein Ræntgenstrahlenbeugungsmuster er-

A6

Die chemischen Grundlagen des Lebens

zeugten, wie man es in Abb. 2.33 sieht. Das Protein, das sie vorstellten, war Myoglobin. Myoglobin fungiert im Muskelgewebe als &      . Das Sauerstoffmolekçl ist an ein Eisenatom im Zentrum einer Håmgruppe gebunden. (Die Håmgruppe ist ein Beispiel fçr eine     : ± einen Teil eines Proteins, der nicht aus Aminosåuren besteht, sondern erst nach der Synthese am Ribosom an die Polypeptidkette angehångt wird.) Es ist die Håmgruppe des Myoglobins, die den meisten Muskelgeweben ihre rote Farbe verleiht. Bei der ersten Strukturuntersuchung des Myoglobins war die Auflæsung des Punktmusters noch gering, aber immerhin war schon zu erkennen, dass das Molekçl kompakt (kugelfærmig) und die Polypeptidkette auf komplizierte Weise in sich selbst zurçckgefaltet ist. Es gab keine Hinweise auf eine Ordnung oder Symmetrie innerhalb des Molekçls, wie man sie etwa bei der Beschreibung der DNA-Doppelhelix gefunden hatte. Das war nicht çberraschend, wenn man bedenkt, welch einzigartige Funktion die DNA hat, wåhrend Proteinmolekçle verschiedenartigste Aufgaben erfçllen. Im ersten groben Profil des Myoglobins zeigten sich acht stabfærmige Bereiche einer
-Helix von 7±24 Aminosåuren Långe. Zusammen besitzen etwa 75% der 153 Aminosåuren in der Polypeptidkette eine
-helicale Konformation. Das ist ein ungewæhnlich hoher Prozentsatz im Vergleich zu anderen Proteinen, die seitdem untersucht wurden. Es wurden keine -Faltblatt-Strukturen gefunden. Weitere Analysen des Myoglobins anhand von zusåtzlichen Ræntgenstrahlbeugungsdaten lieferten ein wesentlich detaillierteres Bild des Molekçls (Abb. 2.34 a). So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass sich die Håmgruppe in einer Tasche einer hydrophoben Seitenkette befindet, die eine Bindung des Sauerstoffs ermæglicht, ohne dass das Eisenatom oxidiert wird (und Elektronen verliert). Myoglobin enthålt keine Disulfidbrçcken; die Tertiårstruktur des Proteins wird nur durch nichtkovalente Wechselwirkungen aufrechterhalten. Man fand såmtliche Arten von nichtkovalenten Bindungen, von denen man annimmt, dass sie zwischen Seitenketten von Proteinen ausgebildet werden: Wasserstoffbrçcken, Ionenbindungen und van-der-Waals-Kråfte (Abb. 2.35). Im Gegensatz zum Myoglobin enthalten die meisten globulåren Proteine sowohl
-Helices als auch -Faltblatt-Strukturen. Wie in diesen frçhen bahnbrechenden Arbeiten gezeigt wurde, besitzt jedes Protein eine einzigartige Tertiårstruktur, die mit seiner Aminosåuresequenz und seiner biologischen Funktion in Verbindung gebracht werden kann.

a

b n Abb. 2.34 a, b.      %  ?I    a  , &   G ?I          &      
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/ 1   90 Etwa 80% der eukaryotischen Proteine sind aus zwei oder mehr råumlich getrennten Modulen oder 1  zusammengesetzt, die sich unabhångig voneinander falten. So besteht beispielsweise das Såugerenzym Phospholipase C (Abb. 2.36 Mitte) aus vier verschiedenen Domånen, die in der Zeichnung farblich voneinander abgesetzt sind.



Vier Arten von biologischen Molekçlen

AD

n Abb. 2.35.      (   " '    #        

Die verschiedenen Domånen eines Polypeptids entsprechen oft Bereichen, die teilweise unabhångig voneinander ihre Funktion erfçllen. So kænnen sie etwa an unterschiedliche Faktoren wie an ein Coenzym und ein Substrat oder an einen DNA-Strang und ein anderes Protein binden oder sich relativ unabhångig voneinander bewegen. Viele Polypeptide, die mehr als eine Domåne besitzen, sind, wie man glaubt, im Laufe der Evolution durch die Fusion von Genen entstanden, die verschiedene Urproteine codierten, wobei jede Domåne einen Teil repråsentiert, der einmal ein eigenståndiges Molekçl war. Zu jeder Domåne der Phospholipase C von Såugern hat man beispielsweise in einem anderen Protein eine homologe Einheit gefunden (Abb. 2.36). Einige Domånen scheinen wåhrend der Evolution weit verbreitet worden zu sein, weil sie in den verschiedensten Proteinen auftauchen, die in anderen Bereichen nur wenig oder çberhaupt keine Anzeichen einer evolutionåren Verwandtschaft zeigen. Durch die Verbreitung der Domånen entstehen neue Proteine mit einzigartigen Aktivitåtsmustern. In der Regel sind Såugerproteine håufig græûer und haben mehr Domånen als Proteine von weniger komplexen Organismen wie Taufliegen oder Hefe. Auf den ersten Blick scheint die dreidimensionale Architektur von Proteinen nahezu hoffnungslos kompliziert zu sein. Aber je mehr Tertiårstrukturen die Biochemiker bestimmen, umso mehr Substrukturen oder  9 werden ent-

n Abb. 2.36. #       %      &   %&  !I #   8     (  & "  (      &    I   &  !I      & -  &  !I      &      #  " '          '  ' +  < 9  ." %  8 +5JJA1 % D<5HA1

deckt, die immer wiederkehren und aus einer definierten Anordnung von
-Helices und/oder -Faltblåttern bestehen. Eines der håufigsten Motive, das an verschiedenen Stellen im Buch erwåhnt wird, ist die superspiralisierte Helix (  ; Abb. 2.37). In diesem Motiv sind zwei oder mehr
-Helices wie verdrillte Kabelstrånge umeinander gewunden. Wie man am faserfærmigen Schwanz eines Myosinmolekçls erkennt (Abb. 2.37 a) halten superspiralisierte Helices oft zwei separate Polypeptide zusammen, so dass ein eng miteinander verwobener Komplex entsteht.
-Helices, die als superspiralisierte Helices miteinander wechselwirken, haben eine charakteristische Primårstruktur; diese ist durch eine Sequenz von sieben Aminosåuren gekennzeichnet, die sich regelmåûig wiederholt. Der erste und vierte Rest (die mit  und  markiert sind) der Wiederholungssequenz haben unpolare Seitenketten und befinden sich auf einer Seite der Helix, wo sie mit entsprechenden Resten einer benachbarten Helix hydrophobe Wechselwir-

AH

Die chemischen Grundlagen des Lebens

n Abb. 2.37 a±c. # ( <        9 $ + 1 a G     ?I      "           9 $  !'  (      
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kungen eingehen kænnen (Abb. 2.37 b, c). Man kænnte es so umschreiben, als besåûe die eine Helix eine Reihe von ¹Knæpfenª und die andere eine Reihe von ¹Læchernª, in welche die Knæpfe passen. Zusammen bilden die umeinander gewundenen Helices eine relativ starre, stabfærmige Struktur. In den letzten Jahren hat das Interesse an der Proteinstruktur explosionsartig zugenommen. Ungefåhr 20 000 dreidimensionale Proteinstrukturen wurden bereits beschrieben. Aufgrund neuerer Fortschritte in der Proteinkristallisation und der Technik der Ræntgenstrahlbeugung nimmt die Anzahl der veræffentlichten Strukturen von Jahr zu Jahr zu. Dennoch åhnelt die çberwiegende Mehrheit der neu beschriebenen Strukturen den bereits bekannten Strukturen. Wie in Kap. 2.5.4 erærtert wird, kann man Proteine (oder die Domånen, aus denen sie bestehen) Familien zuordnen, deren Mitglieder allesamt åhnlich strukturiert sind. Bei allen Domånen, die einer Familie zugeordnet werden, besitzt das Rçckgrat ungefåhr dieselbe Konformation; daher sagt man, sie haben dieselbe
. Wie Gensequenzierer alle Gene eines Genoms sequenzieren wollen, so wollen Strukturbiologen alle mæglichen Faltungen beschreiben, die es in der Natur gibt. Wir wissen nicht, wie viele verschiedene Faltungen es in der Welt der Proteine

gibt. Schåtzungen sprechen von etwa 5000, von denen ungefåhr 1000 bereits beschrieben wurden. Mit der Identifizierung immer neuer Proteine werden immer mehr Faltungen aufgedeckt, aber bei vielen von denen, die noch beschrieben werden mçssen, wird sich dies als ein hartes Stçck Arbeit erweisen, weil sie entweder nur bei sehr wenigen Proteinen vorkommen oder weil sie eine Struktur besitzen, die nur sehr schwer zu kristallisieren ist. %    .1   9 / 0 Obwohl die Ræntgenkristallographie sehr detaillierte Bilder liefert, sind diese doch statisch und halten nur einen bestimmten Zeitpunkt fest. Proteine sind jedoch weder statisch noch unflexibel, sondern zeigen betråchtliche interne Bewegungen. Weil sie so klein sind ± ihre Græûe liegt im Nanobereich ±, kænnen Proteine durch die Energie in ihrer Umgebung stark beeinflusst werden. Zufållige, geringfçgige Schwankungen in der Anordnung der Bindungen innerhalb eines Proteins erzeugen eine ståndige thermische Bewegung innerhalb des Molekçls. Mithilfe spektroskopischer Untersuchungen wie der Kernspinresonanztechnik kann man dynamische Bewegungen innerhalb von Proteinen verfolgen; daraus geht hervor, dass Wasserstoffbrçcken verschoben werden, externe Seitenketten Wellenbewegungen vollfçhren und sich die aromatischen Ringe des Tyrosins und Phenylalanins vollståndig um eine der Einfachbindungen drehen. Wie wichtig solche Bewegungen fçr die Funktion eines Proteins sein kænnen, zeigen Untersuchungen an der Acetylcholinesterase, dem Enzym, das fçr den Abbau von Acetylcholin-Molekçlen verantwortlich ist, die zurçckbleiben, wenn ein Impuls von einer Nervenzelle auf eine andere çbertragen worden ist (Kap. 4.8). Als erstmals die Tertiårstruktur der Acetylcholinesterase durch eine Ræntgenstrukturanalyse bekannt wurde, war nicht erkennbar, wie Acetylcholin-Molekçle ins katalytische Zentrum des Enzyms gelangen kænnen, das sich am Boden eines tiefen Molekçleinschnitts befindet. Genauer gesagt, war der enge Zugang zu der Stelle vollståndig durch eine Reihe sperriger Aminosåureseitenketten blockiert. Mithilfe von Supercomputern gelang es Wissenschaftlern, die spontanen Bewegungen von Tausenden von Atomen innerhalb des Enzyms zu rekonstruieren. Diese Simulationsprozesse lieûen die Vermutung aufkommen, dass sich Seitenketten im Innern des Proteins kråftig bewegen und dadurch schnell ein ¹Torª geæffnet und wieder geschlossen wird, durch das Acetylcholin-Molekçle ins katalytische Zentrum des Enzyms diffundieren kænnen (Abb. 2.38).



Vier Arten von biologischen Molekçlen

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summe von Millionen Konformationsånderungen sind, die in den kontraktilen Proteinen unserer Muskeln stattfinden.

n Abb. 2.38. I   '        !I  I      9   !'  (     )   !I     <   

 

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Vorhersagbare (nicht zufållige) Bewegungen innerhalb eines Proteins, die durch die Bindung eines ganz bestimmten Molekçls ausgelæst werden, bezeichnet man als    1 . Vergleicht man die Polypeptide, die in den Abb. 3 a und 3 b in der Rubrik ¹Experimentelle Verfahrenª am Ende dieses Kapitels dargestellt sind, so erkennt man, welche dramatische Konformationsånderung in einem bakteriellen Protein (GroEL) ausgelæst wird, wenn es mit einem anderen Protein (GroES) in Wechselwirkungen tritt. Praktisch jede Aktivitåt, an der ein Protein beteiligt ist, wird von Konformationsånderungen innerhalb des Molekçls begleitet. Zu welcher Konformationsånderung es im Protein Myosin bei einer Muskelkontraktion kommt, erkennt man in den Abb. 9.61 und 9.62. In diesem Fall fçhrt die Bindung von Myosin an ein Aktin-Molekçl zu einer geringfçgigen Drehung des Myosinkopfes um 20 8, wodurch das damit verbundene Aktinfilament seine Position um 5±10 nm veråndert. Um eine Vorstellung von der Bedeutung dieses dynamischen Prozesses zu bekommen, sollte man sich vor Augen fçhren, dass unsere Kærperbewegungen letztlich die Gesamt-

= 1  Wåhrend mehrere Proteine wie das Myoglobin nur aus einer Polypeptidkette bestehen, sind die meisten Proteine aus mehr als einer Kette oder     zusammengesetzt. Die Untereinheiten kænnen çber kovalente Disulfidbrçcken miteinander verknçpft sein, meist werden sie jedoch durch nichtkovalente Bindungen zusammengehalten, wie sie in der Regel zwischen hydrophoben ¹Bereichenª auf den komplementåren Oberflåchen benachbarter Polypeptid vorkommen. Von Proteinen, die aus Untereinheiten zusammengesetzt sind, sagt man, sie håtten eine = 1 . Je nach Protein kænnen die Polypeptidketten gleich oder verschieden sein. Ein Protein, das aus zwei identischen Untereinheiten besteht, bezeichnet man als Homodimer, ein Protein aus zwei verschiedenen Untereinheiten als Heterodimer. Abbildung 2.39 a zeigt ein Båndermodell eines homodimeren Proteins. Die beiden Untereinheiten des Proteins sind unterschiedlich gefårbt; die hydrophoben Reste, welche die komplementåren Kontaktstellen bilden, sind mit Gelb und Blau gekennzeichnet. Håmoglobin, das Protein der roten Blutkærperchen, das den Sauerstoff transportiert, ist das am besten untersuchte Protein mit vielen Untereinheiten. Ein Molekçl des menschlichen Håmoglobins besteht aus zwei
- und zwei -Globin-Polypeptiden (Abb. 2.39 b), von denen jedes ein Molekçl Sauerstoff bindet. Die Entschlçsselung der dreidimensionalen Struktur des Håmoglobins durch Max Perutz von der Cambridge University war 1959 einer der ersten Meilensteine der molekularbiologischen Forschung. Perutz zeigte, dass jedes der vier Globin-Polypeptide des Håmoglobin-Molekçls eine Tertiårstruktur aufweist, welche der des Myoglobins åhnelt. Diese Tatsache deutete stark darauf hin, dass die beiden Proteine aus einem gemeinsamen Vorlåufer mit einem einheitlichen Mechanismus der Sauerstoff-Bindung hervorgegangen sind. Perutz verglich auch die beiden Formen, die das Håmoglobin annimmt, wenn es mit Sauerstoff beladen ist bzw. keinen Sauerstoff trågt. Dabei entdeckte er, dass sich das gebundene Eisenatom aufgrund der Bindung des Sauerstoffs mehr zur Ebene der Håmgruppe hin bewegt. Diese scheinbar belanglose Positionsverlagerung eines einzelnen Atoms zieht an einer
-Helix, mit der das Eisen verbunden ist, was wiederum zu einer Reihe von immer græûeren Bewegungen innerhalb und zwischen den Untereinheiten fçhrt. Diese Beobach-

AE

Die chemischen Grundlagen des Lebens

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b n Abb. 2.39 a, b. #   Q&  a ?  

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tung zeigte zum ersten Mal, dass die komplizierten Funktionen von Proteinen unter Umstånden durch winzige Konformationsverånderungen hervorgerufen werden kænnen.

 '  $'   /  Obwohl das Håmoglobin aus vier Untereinheiten besteht, wird es immer noch als einzelnes Protein angesehen, das nur eine Funktion hat. Man kennt aber viele Beispiele, bei denen verschiedene Proteine mit jeweils einer spezifischen Funktion zusammen einen viel græûeren    - bilden. Einer der ersten Multiproteinkomplexe, der entdeckt und untersucht wurde, war der Komplex der Pyruvatdehydrogenase des Bakteriums   , der aus 60 Polypeptidketten und drei verschiedenen Enzymen besteht (Abb. 2.40). Die Enzyme des Komplexes katalysieren eine Reihe von Reaktionen, die zwei Stoffwechselwege verbinden, die Glycolyse und den Citratzyklus (Abb. 5.7). Weil die Enzyme eng miteinander assoziiert sind, kann das Produkt eines Enzyms direkt zum nåchsten Enzym in der Reaktionskette weitergeleitet werden, ohne im wåssrigen Medium der Zelle verdçnnt zu werden. Die Multiproteinkomplexe in der Zelle sind nicht durchweg so stabil wie etwa der der Pyruvatdehydrogenase. In Wirklichkeit gilt eher die allgemeine Regel, dass die meisten Proteine mit anderen Proteinen sehr dynamisch wechselwirken, indem sie je nach den Bedingungen, die zum jeweiligen Zeitpunkt in der Zelle herrschen, sich mit ihnen verbinden oder sich wieder von ihnen læsen. Proteine, die miteinander wechselwirken, haben håufig komplementåre Oberflåchen. Oft passt ein herausstehender Teil eines Molekçls in eine entsprechende Tasche seines Gegençbers. Wenn beide Molekçle erst einmal

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n Abb. 2.40 a, b. #I( I  <  ?  !I  $ a           (  &  #I( I  ) $    -   ) $     H0 # I   "    (     !I    %    ?    ' ( ' D ? b  ?  #I( I   ) $      ) $    

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 eng miteinander in Kontakt gekommen sind, wird ihre Wechselwirkung durch nichtkovalente Bindungen stabilisiert. Das rætlich gefårbte Objekt in Abb. 2.41 a ist eine SH3-Domåne; man findet sie in çber 200 verschiedenen Proteinen, die an der molekularen Signalgebung beteiligt sind. Die Oberflåche einer SH3-Domåne weist flache hydrophobe ¹Taschenª auf, in die komplementåre ¹Knæpfeª hineinpassen, die aus anderen Proteinen herausragen (Abb. 2.41 b). Man kennt eine groûe Anzahl verschiedener struktureller Domånen, die wie SH3 als Adaptoren Wechselwirkungen zwischen Proteinen ermæglichen. In vielen Fållen werden die

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n Abb. 2.41 a, b. # # G  '  a  ? "       &      @  &   ( ,   !'           #       B  ?     %9/&  !I # I   /@9) " 

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Vier Arten von biologischen Molekçlen

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Protein-Protein-Wechselwirkungen çber Modifikationen wie das Anhången einer Phosphatgruppe an eine entscheidende Aminosåure reguliert, was die Fåhigkeit, einen Proteinpartner zu binden, stark verbessern oder verschlechtern kann. Je mehr komplexe molekulare Aktivitåten entdeckt wurden, umso deutlicher zeigte sich, wie wichtig die Wechselwirkungen zwischen Proteinen ist. So werden beispielsweise so unterschiedliche Prozesse wie die DNA-Synthese, die ATPBildung sowie die Weiterverarbeitung der RNA durch ¹molekulare Maschinenª durchgefçhrt, die aus einer groûen Anzahl von miteinander wechselwirkenden Proteinen bestehen, von denen die einen stabile Beziehungen, die anderen dagegen vorçbergehende Verbindungen eingehen. Die meisten Wissenschaftler, die Protein-Protein-Wechselwirkungen untersuchen, wollen wissen, ob das Protein, an dem sie arbeiten, nennen wir es Protein X, mit einem anderen Protein, Protein Y, reagiert. Diese Art Frage kann man mit Hilfe eines * $+$(Y2H)-Systems beantworten, einer Technik, die in Kap. 18.7 erærtert wird und in Abb. 18.27 abgebildet ist. Dabei werden die Gene, welche die beiden zu untersuchenden Proteine codieren, in dieselbe Hefezelle eingebracht. Wenn die Hefezelle dann ein bestimmtes Reporterprotein aufweist, was durch einen gut sichtbaren Farbwechsel der Hefezelle angezeigt wird, dann mçssen die beiden fraglichen Proteine im Hefezellkern miteinander reagiert haben. In den letzten Jahren haben sich mehrere wissenschaftliche Arbeitsgruppen daran gemacht, in groû angelegten Versuchen die Wechselwirkungen zwischen Proteinen eines ganzen Organismus zu bestimmen. So mæchte man etwa beispielsweise såmtliche Wechselwirkungen zwischen den circa 6000 Proteinen, die das Genom der Båckerhefe     codiert, erfassen. Da inzwischen das gesamte Genom dieser Hefe sequenziert wurde, ist jedes Gen des Genoms als einzelner DNAAbschnitt verfçgbar, den man klonieren und entsprechend seiner Fragestellung verwenden kann. Daher sollte es mæglich sein, mit Hilfe des Y2H-Tests såmtliche im Hefegenom codierten Proteine jeweils in Zweiergruppen auf eventuelle Wechselwirkungen hin zu çberprçfen. Obwohl dafçr die unglaubliche Anzahl von 18 Mio. verschiedener Tests (6000 ´ 6000 ´ 2±1) erforderlich waren, wurde dieses Experiment durchgefçhrt und vor mehreren Jahren veræffentlicht. Unter den Millionen mæglicher Kombinationen wurden 4549 Wechselwirkungen zwischen insgesamt 3278 Proteinen gefunden. Obwohl der Y2H-Test in den letzten 15 Jahren als das wichtigste Mittel zur Untersuchung von

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

Protein-Protein-Wechselwirkungen diente, ist dieser Test doch indirekt (Abb. 18.27) und sehr unzuverlåssig. In der eben beschriebenen Untersuchung eines gesamten Genoms wurden beispielsweise bestimmte Wechselwirkungen zwischen spezifischen Proteinen nicht entdeckt, obwohl man weiû, dass sie stattfinden. Mit anderen Worten: Der Y2H-Test liefert eine erhebliche Anzahl falsch negativer Ergebnisse. Darçber hinaus ist auch bekannt, dass der Y2H-Test eine signifikante Anzahl falsch positiver Befunde liefert, d. h. er zeigt an, dass zwei Proteine miteinander reagieren kænnen, obwohl man aus anderen Untersuchungen weiû, dass sie es unter normalen Zellbedingungen nicht tun. Mithilfe verschiedener Arten von Korrekturverfahren ist man zu dem Ergebnis gekommen, dass die tatsåchliche Zahl an verschiedenen Protein-ProteinWechselwirkungen in der Hefe wahrscheinlich zwischen 15 000 und 25 000 liegt. Offenbar stehen die meisten Hefeproteine in der Regel in Beziehung zu mehreren Partnern. Die Befunde der groû angelegten Untersuchungen zu Protein-Protein-Wechselwirkungen kann man in Form eines Netzwerks darstellen, wie es in Abb. 2.42 zu sehen ist, in dem die potentiellen Bindungspartner eines bestimmten Proteins mit einer SH3-Domåne zu sehen sind (Abb. 2.41 a); auûerdem wird deutlich, wie komplex solche Wechselwirkungen auf der Ebene

n Abb. 2.42.  2 !'  ( # # G   '  -        G  ' !'   !'  9   "   "&
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des gesamten Organismus sind. In dieser besonderen Abbildung sind nur die Wechselwirkungen dargestellt, die durch zwei vollkommen unterschiedliche Tests (Y2H sowie ein weiteres Verfahren) nachgewiesen wurden, wodurch die Schlussfolgerungen sehr viel zuverlåssiger sind, als wenn sie nur auf einer einzigen Methode beruhen wçrden. Was erfahren wir aus solchen groû angelegten Studien çber zellulåre Aktivitåten, auûer dass wir eine lange Liste $  Wechselwirkungen erhalten? Das Wichtigste ist, dass sie eine Orientierung fçr weitere Untersuchungen liefern. Aufgrund von Projekten, in denen Genome sequenziert wurden, kennen die Wissenschaftler die Aminosåuresequenzen einer riesigen Anzahl von Proteinen, von denen man zuvor oft gar nicht wusste, dass sie çberhaupt existieren. Welche Funktion haben diese Proteine? Ein Ansatz, die Funktion eines Proteins herauszufinden, besteht darin zu ermitteln, mit welchen Proteinen es assoziiert ist. Wenn man beispielsweise zeigen kann, dass ein bekanntes Protein eine Rolle bei der DNA-Replikation spielt, und man herausfindet, dass ein unbekanntes Protein mit dem bekannten reagiert, dann gehært wahrscheinlich auch das unbekannte Protein zum DNA-Replikationsapparat. Daher liefern diese groû angelegten Y2H-Studien (sowie andere, in denen andere Tests zum Einsatz kommen), unabhångig von ihren Beschrånkungen, einen Ausgangspunkt, um unzåhlige vorher unbekannte Protein-ProteinWechselwirkungen zu untersuchen ± und jede dieser Wechselwirkungen kann den Wissenschaftlern den Zugang zu einem vorher unbekannten biologischen Prozess eræffnen. /   Mit der Entschlçsselung der Tertiårstruktur des Myoglobins Ende der 1950er Jahre begann man, die Komplexitåt der Proteinarchitektur zu begreifen. Das fçhrte sofort zu der Frage: Wie kann eine solch komplizierte, aufgefaltete, asymmetrische Struktur in der Zelle entstehen? Erste Einblicke in dieses Problem erhielt man 1956, als Christian Anfinsen an den National Institutes of Health (NIH) durch Zufall eine interessante Beobachtung machte. Anfinsen untersuchte die Eigenschaften der Ribonuclease A, eines kleinen Enzyms, das aus einer einzigen Polypeptidkette mit 124 Aminosåuren und vier Disulfidbrçcken besteht, die verschiedene Bereiche der Kette miteinander verbinden. Die Disulfidbrçcken eines Proteins lassen sich normalerweise durch ein Reduktionsmittel wie Mercaptoethanol (CH3CH2SH) læsen (reduzieren), das jede Disulfidbrçcke in zwei Sulfhydryl-(SH-)Gruppen verwandelt (siehe Redukti-



Vier Arten von biologischen Molekçlen

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onsschema auf Kap. 2.5.3). Anfinsen fand heraus, dass das Molekçl erst partiell entfaltet werden musste, damit das Reduktionsmittel an alle Disulfidbrçcken herankam. Den Prozess, bei dem ein Protein seine Faltung und Organisation verliert, bezeichnet man als   . Dieser Prozess kann mit vielen unterschiedlichen Mitteln ausgelæst werden, die alle die verschiedenen Wechselwirkungen, welche die Tertiårstruktur eines Proteine stabilisieren, beeintråchtigen; dazu gehæren unter anderem: Detergenzien, organische Læsungsmittel, Strahlung, Hitze sowie Verbindungen wie Harnstoff und Guanidinchlorid. Als Anfinsen der Ribonuclease Mercaptoethanol und konzentrierten Harnstoff zusetzte, fand er heraus, dass das Pråparat keine enzymatische Aktivitåt mehr aufwies, was man erwarten sollte, wenn die Proteinmolekçle vollståndig ihre Faltung verloren haben. Als er aber den Harnstoff und das Mercaptoethanol wieder aus der Læsung entfernt hatte, entdeckte er zu seiner Ûberraschung, dass die Molekçle ihre normale enzymatische Aktivitåt wiedererlangt hatten. Die aktiven Ribonuclease-Molekçle, die sich aus dem ungefalteten Zustand heraus erneut gebildet hatten, unterschieden sich weder strukturell noch funktionell von den korrekt gefalteten (d. h. nativen) Molekçlen vom Beginn des Experiments (Abb. 2.43). Nachdem Anfinsen diese Vorgånge

eingehend analysiert hatte, kam er zu dem Schluss, dass die lineare Aminosåuresequenz såmtliche Informationen fçr die Bildung der dreidimensionalen Konformation des Polypeptids enthålt. Mit anderen Worten: Die Ribonuclease kann von sich aus die richtige Faltung annehmen. Wie im folgenden Kapitel erærtert wird, streben Prozesse einen Zustand geringerer Energie an. Dieser Vorstellung zufolge ist die Tertiårstruktur, die eine Polypeptidkette nach der Faltung annimmt, die Struktur mit der geringsten Energie; daher ist sie die thermodynamisch stabilste Struktur, die diese Kette einnehmen kann. Es gab zahlreiche Kontroversen zur Frage der Proteinfaltung. In einer ging es darum, wie die verschiedenen Stadien des Faltungsprozesses im Einzelnen ablaufen. In dem in Abb. 2.44 a veranschaulichten Verlauf wird die Proteinfaltung durch Wechselwirkungen zwischen benachbarten Resten ausgelæst, wodurch ein Groûteil der Sekundårstruktur des Molekçls ausgeprågt wird. Sobald die
-Helices und -Faltblåtter vorhanden sind, beruht die weitere Faltung auf hydrophoben Wechselwirkungen, die unpolare Reste zwingen, gemeinsam in das Zentrum des Proteins auszuweichen. Einem anderen in Abb. 2.44 b dargestellten Modell zufolge besteht das erste wichtige Ereignis der Proteinfaltung darin, dass das Polypeptid kollabiert und eine kompakte

n Abb. 2.43.           ;     ( ;  ?  +                 1 '   ( ?    E  9 

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

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Aus Sicht des Menschen

Proteinfaltung mit tædlichen Folgen Im April 1996 erschien im medizinischen Journal ,   eine Arbeit, die bei einem Groûteil der europåischen Bevælkerung Alarm auslæste. In dem Artikel wurde eine Untersuchung an zehn Personen beschrieben, die an der Creutzfeld-Jakob-Krankheit (CJD) erkrankt waren, einer seltenen tædlichen Krankheit, die das Gehirn angreift und zu einem Verlust der Bewegungskoordination und zu Schwachsinn fçhrt. Wie bei vielen anderen Krankheiten gibt es zwei Formen der CJD: Sie kann als Erbkrankheit und daher in bestimmten Familien gehåuft auftreten, oder aber auch spontan bei Personen ausbrechen, bei denen kein familiårer Hintergrund fçr diese Krankheit zu erkennen ist. Im Gegensatz zu praktisch allen anderen Erbkrankheiten kann man sich eine CJD aber auch zuziehen. Menschen, denen dies passiert ist, hatten bis vor kurzem noch Organe oder Organprodukte erhalten, die von jemandem stammten, bei dem die CJD unentdeckt geblieben war. Bei den Fållen, die 1996 in ,   beschrieben wurden, hatten sich die Personen die Krankheit ebenfalls angesteckt ± allerdings offenbar, weil sie Jahre vorher kontaminiertes Rindfleisch gegessen hatten. Das kontaminierte Rindfleisch stammte von Tieren aus englischer Zucht, die an einer neurodegenerativen Erkrankung litten. Diese Erkrankung hatte dazu gefçhrt, dass die Tiere ihre Bewegungskoordination verloren hatten und sich sonderbar verhielten. Die Krankheit wurde bald als ¹Rinderwahnsinnª bekannt. Es gibt allerdings etliche Unterschiede zwischen den Symptomen der CJD, die durch den Verzehr von kontaminiertem Rindfleisch verursacht wird, und denen, die bei den klassischen Formen der Krankheit auftreten. Bis Ende 2003 konnten çber 125 Fålle von CJD auf kontaminiertes europåisches Rindfleisch zurçckgefçhrt werden; es werden weiterhin Anstrengungen unternommen, um das Ausmaû der Epidemie zu ermitteln. Man kann eine familiår bedingte Krankheit immer auf einen Fehler in einem Gen zurçckfçhren, wohingegen Krankheiten, die durch eine Kontamination verursacht werden, immer durch einen Erreger ausgelæst werden. Wie kann es sein, dass ein und dieselbe Krankheit sowohl vererbt werden kann als auch ansteckend ist? Die Antwort auf diese Frage zeichnete sich im Laufe der letzten Jahrzehnte im-

mer klarer ab. Diese Entwicklung begann mit Beobachtungen, die D. Carleton Gajdusek in den 1960er Jahren bei Eingeborenen in PapuaNeu-Guinea gemacht hatte, die unter einer seltsamen Krankheit litten. Gajdusek zeigte, dass sich diese Insulaner wåhrend eines Begråbnisrituals, bei dem sie das Hirn von kurz vorher verstorbenen Verwandten aûen, eine tædliche neurodegenerative Erkrankung zugezogen hatten, die sie ¹Kuruª nannten. Bei der Autopsie der Gehirne von Patienten, die an Kuru gestorben waren, beobachtete man eine charakteristische pathologische Verånderung, die als   #$    bezeichnet wurde: Bestimmte Hirnregionen waren voller mikroskopisch kleiner Læcher, wodurch das Gewebe einem Schwamm åhnelte. Bald erkannte man, dass die Gehirne der Inselbewohner, die Kuru gehabt hatten, unter dem Mikroskop erstaunliche Øhnlichkeiten mit Gehirnen von Personen aufwiesen, die an CJD erkrankt waren. Diese Beobachtung fçhrte sofort zu einer entscheidenden Frage: Enthielt das Gehirn von Personen, die an CJD litten, einen Erreger, obwohl man doch wusste, dass CJD eine Erbkrankheit ist? 1968 zeigte Gajdusek, dass sich bei einem geeigneten Labortier, dem man Extrakte aus Biopsiematerial des Gehirns von Patienten spritzte, die an CJD verstorben waren, tatsåchlich eine spongiforme Enzephalopathie entwickelte, die der bei Kuru oder CJD åhnelte. Offensichtlich enthielten die Extrakte einen Erreger, von dem man damals annahm, es sei ein Virus. 1982 veræffentlichte Stanley Prusiner von der University of California, San Francisco, einen Artikel, in dem er die Hypothese vertrat, dass das fçr CJD verantwortliche Agens im Gegensatz zu Viren keine Nucleinsåure enthalten und stattdessen nur aus Protein bestehen wçrde. Er nannte das Protein ¹/ ª. Diese ¹  $ ª-Hypothese wurde zuerst mit groûer Skepsis aufgenommen, weitere Untersuchungen von Prusiner und anderen Wissenschaftlern lieferten aber zahlreiche Belege, welche diese ursprçngliche Vermutung erhårteten. Anfangs ging man davon aus, dass das Prionprotein eine externe Substanz ist, so etwas wie eine virusåhnliche Partikel ± allerdings ohne Nucleinsåure. Es zeigte sich aber bald, dass das Prionprotein von einem -)-Gen auf den Chromosomen der kærpereigener Zellen codiert wird. Dieses Gen wird im normalen



Vier Arten von biologischen Molekçlen

Hirngewebe exprimiert und codiert ein ¹zellulåres Prionproteinª (PrPC), das sich an der Oberflåche von Nervenzellen befindet. Die genaue Funktion des PrPC ist weiterhin unbekannt. Gehirne von Menschen, die an CJD erkrankt sind, enthalten eine Variante dieses Proteins, ein Prionprotein Scrapie (PrPSc). Anders als das normale PrPC håuft sich die modifizierte Version des Proteins in Nervenzellen an und bildet dort Aggregate, die zum Tod der Zellen fçhren. In gereinigtem Zustand haben PrPC und PrPSc ganz unterschiedliche Eigenschaften. PrPC ist noch ein monomeres Molekçl, das in Salzlæsung gelæst und leicht durch Enzyme, die Proteine abbauen, zerstært werden kann. PrPSc-Molekçle dagegen interagieren miteinander und bilden dabei unlæsliche Fibrillen, die sich enzymatisch nicht abbauen lassen. Aufgrund dieser Unterschiede kænnte man erwarten, dass diese beiden Formen des PrP-Proteins aus ganz unterschiedlichen Aminosåuresequenzen bestehen; das ist aber nicht der Fall. Die beiden Formen kænnen dieselbe Aminosåuresequenz haben, sie unterscheiden sich aber darin, wie sich ihre Polypeptidketten zu einem dreidimensionalen Proteinmolekçl auffalten (Abb. 1). Wåhrend a

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n Abb. 1 a, b.        +##81     +##%1 #       #  + a !' b1      # I   " '       & M !   B "   (                          ##8 '   B " '&  ##%  B      "  ! ,   

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ein PrPC-Molekçl fast nur aus
-helicalen Bereichen besteht, die çber Spiralen miteinander verbunden sind, bestehen ungefåhr 45% des PrPScMolekçls aus -Faltblattstrukturen. PrP kann in vitro von einer læslichen, durch Protease abbaubaren Konformation in unlæsliche, Proteaseresistente Aggregate umgewandelt werden, indem man einfach nur die Bedingungen im Reagenzglas åndert.3 Es ist nicht schwer zu verstehen, dass ein mutiertes Polypeptid nicht so stabil ist und eher eine anomale PrPSc-Konformation annimmt. Doch wie kann ein solches Protein infektiæs sein? Nach der vorherrschenden Hypothese kann ein anomales Prionmolekçl (PrPSc) an ein normales Prion (PrPC) binden und dann als Vorlage dienen, nach der sich dann das normale Protein in eine anomale Form faltet. Man kann diesen Prozess in einem Reagenzglas demonstrieren: Gibt man PrPSc zu einer PrPC-Pråparation, so kænnen die PrPC-Molekçle eindeutig die Konformation der PrPScMolekçle annehmen. Dieser Hypothese zufolge beginnt mit dem Auftreten eines anomalen Proteins im Kærper ± entweder aufgrund einer seltenen falschen Faltung bei einer vereinzelt auftretenden Krankheit oder çber kontaminiertes Operationsbesteck ± eine Kettenreaktion, in der normale Proteinmolekçle in der Zelle allmåhlich in anomale Prione umgewandelt werden. CJD ist eine seltene Erkrankung, die durch ein Protein mit auûergewæhnlichen Infektionseigenschaften ausgelæst wird. Die AlzheimerKrankheit (AD) ist dagegen eine håufige Erkrankung, an der 10% aller Menschen erkranken, die çber 65 Jahre alt sind, und vielleicht 40% aller Personen, die 80 Jahre oder ålter sind. Personen, die AD haben, leiden an Gedåchtnisverlust, sind verwirrt und haben Defizite im Denkvermægen. CJD und AD haben eine Reihe wichtiger Merkmale gemeinsam. Beides sind tædliche neurodegenerative Erkrankungen, die entweder vererbt werden kænnen oder sporadisch auftreten. Wie bei CJD enthålt das Gehirn eines Alzheimer-Patienten fibrillåre Ablagerungen eines unlæslichen Materials, das als %  bezeichnet wird (Abb. 2). In beiden Krankheiten bilden sich die toxischen fibrillåren Ablagerungen durch die Assoziation mehrerer identischer, çberwiegend aus -Faltblatt-Strukturen bestehender Polypeptide. Es gibt aber auch viele grundlegende Unterschiede zwischen beiden Krankheiten: Die Proteine, aus denen die pathogenen Aggregate bestehen,

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

n Abb. 2. ?     ( 9 '    #  "     !  )       +? ; F# 1

haben nichts miteinander zu tun, es sind ganz unterschiedliche Bereiche des Gehirns betroffen, und das Protein, das fçr AD verantwortlich ist, verhålt sich nicht wie ein Erreger (d. h. es ist nicht çbertragbar). Die meisten Anzeichen sprechen dafçr, dass die Alzheimer-Erkrankung durch die Bildung des % b/  (A) verursacht wird. A gehært ursprçnglich zu einem græûeren Protein namens % .1/  (APP), das sich durch die Membran der Nervenzelle zieht. Das A-Peptid wird aus dem APP-Molekçl nach einer Spaltung durch zwei spezifische Enzyme, die - und -Secretase, freigesetzt (Abb. 3). Die Långe von A variiert etwas. Die vorherrschende Form (A40) hat eine Långe von 40 Aminosåuren, es gibt aber auch eine nicht so håufige Art (A42) mit zwei zusåtzlichen hydrophoben Resten. Beide Peptide kænnen in læslicher Form vorkommen, die vor allem aus
-Helices besteht; A42 neigt jedoch dazu, spontan wieder eine andere Konformation anzunehmen, die einen groûen Anteil an -Faltblatt-Strukturen aufweist. Die A42-Variante hat das Potenzial, die Alzheimer-Krankheit auszulæsen, weil sie dazu neigt, mit sich selbst kleine Komplexe (Oligomere) oder groûe Aggregate zu bilden, die man unter dem Elektronenmikroskop als Fibrillen erkennen kann. Es bestehen noch betråchtliche Meinungsverschiedenheiten darçber, ob die læslichen Oligomere oder die unlæslichen Aggregate toxischer fçr die Nervenzellen sind. Auf jeden Fall tragen Personen, die an einer vererbbaren Form von AD leiden, eine Mutation, die zu einer verstårkten Bildung des A42-Peptids fçhrt. Die Ûberproduktion von A42 kann durch Mutationen im !-Gen oder in Genen

n Abb. 3.    #    #  ' ( !'  !I "       %   "    I  & #  + ##1          

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(.' /) verursacht werden, die Untereinheiten der -Secretase codieren. Personen mit solchen Mutationen zeigen bereits in recht jungem Alter, in der Regel in ihren 50er Jahren, Krankheitssymptome. Was wåre, wenn man die Bildung des -Amyloids verhindern oder es aus dem Gehirn beseitigen kænnte, sobald es sich dort abgelagert hat? Kænnte man mit einer solchen Therapie Menschen vor dieser Krankheit schçtzen oder diejenigen behandeln, die bereits Krankheitssymptome zeigen? Einer der besten Ansåtze zur Entwicklung von Behandlungsmæglichkeiten fçr menschliche Krankheiten besteht darin, Labortiere, vor allem Måuse, zu finden, die åhnliche Krankheiten bekommen, und diese Tiere dazu zu verwenden, die Effektivitåt potenzieller Therapien zu testen. Tiere mit einer Krankheit, die einer Krankheit des Menschen åhnelt, bezeichnet man als !  . Die Gehirne von alternden Måusen zeigen, aus welchen Grçnden auch immer, keinerlei Anzeichen von Amyloid-Ablagerungen,



Vier Arten von biologischen Molekçlen

wie man sie bei Menschen findet; bis 1995 gab es kein Tiermodell fçr AD. In diesem Jahr fanden Wissenschaftler heraus, dass sie einen Mausstamm herstellen konnten, bei dem sich im Gehirn senile Plaques bilden und der bei Aufgaben, die ein Gedåchtnis erforderten, schlecht abschnitt. Sie schufen diesen Stamm, indem sie der Maus gentechnisch ein mutiertes menschliches !-Gen einsetzten, eines, das dafçr verantwortlich ist, dass AD familiår gehåuft auftritt. Diese genetisch verånderten (transgenen) Måuse haben sich als von unschåtzbarem Wert fçr das Austesten potenzieller AD-Therapien erwiesen. 1999 veræffentlichten Dale Schenk und seine Mitarbeiter bei Elan Pharmaceuticals einen auûergewæhnlichen Befund. Sie hatten entdeckt, dass man die Bildung der Amyloid-Plaques bei Måusen, die das mutierte menschliche !Gen besaûen, verhindern kann, indem man den Tieren mehrfach gerade die Substanz spritzt, die das Problem verursacht: Aggregate des A42-Peptids. Im Prinzip haben die Wissenschaftler die Måuse gegen die Krankheit immunisiert, d. h. geimpft. Wenn junge (6 Wochen alte) Måuse mit A42 immunisiert wurden, lagerte sich in ihrem Gehirn, wenn sie ålter wurden, kein Amyloid ab. Wenn åltere (13 Monate alte) Måuse, in deren Gehirn sich bereits græûere Mengen Amyloid abgelagert hatten, mit A42 immunisiert wurden, konnte ein betråchtlicher Anteil der fibrillåren Ablagerungen aus dem Nervensystem abgebaut werden. Noch wichtiger war, dass die geimpften Måuse bei Gedåchtnisçbungen besser abschnitten als ihre nicht immunisierten Geschwister. Der çberwåltigende Erfolg dieser Experimente an Måusen sowie das Ausbleiben von Nebenwirkungen nach der Impfung veranlasste staatliche Kontrollbehærden, beschleunigt klinische Phase-I-Tests fçr den A42-Impfstoff zu genehmigen. Ein klinischer Test der Phase I ist der erste Schritt, wenn man ein neues Medikament oder Verfahren fçr den Menschen testet, und wird normalerweise erst nach Jahren von vorklinischen Tests an Zellkulturen und Tiermodellen durchgefçhrt. Phase-I-Tests werden nur an wenigen Menschen durchgefçhrt und sind mehr dazu da, die Sicherheit des Verfahrens zu çberprçfen, als dazu, seine Effizienz bei der Krankheitsbekåmpfung zu belegen. Keine der Personen in den beiden getrennten Phase-I-Tests mit dem A42-Impfstoff zeigte nach der Injektion des Amyloid-Peptids irgendwelche Nebenwirkungen. Daher erlaubte

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man den Forschern zur Phase II der klinischen Tests çberzugehen, an der mehr Personen teilnehmen und die dazu dient, die Effektivitåt des Verfahrens oder des Medikaments zu bestimmen. Dieser spezielle PhaseII-Test wurde als randomisierte, placebokontrollierte Doppelblindstudie durchgefçhrt. Bei dieser Art von Untersuchung n werden die Patienten        $  auf zwei Gruppen aufgeteilt, die gleich behandelt werden, auûer dass einer Gruppe das Therapeutikum (Proteine, Antikærper, Arzneimittel usw.), das untersucht werden soll, verabreicht wird, wåhrend die andere Gruppe ein /  erhålt (eine inaktive Substanz, die keine therapeutische Wirkung hat). n wird die Studie als     durchgefçhrt, was bedeutet, dass weder Ørzte noch Patienten wissen, wer das Therapeutikum und wer das Placebo erhålt. Am Phase-II-Test fçr den A42-Impfstoff nahmen in den USA und Europa çber 350 Personen teil, bei denen eine milde bis mittelstarke Form der AD diagnostiziert worden war. Nachdem sie zwei Injektionen von synthetischem -Amyloid (oder ein Placebo) erhalten hatten, zeigte sich bei 6% der Patienten eine potenziell lebensbedrohliche Form der Hirnentzçndung. Die meisten dieser Patienten wurden erfolgreich mit Steroiden behandelt. Obwohl der Versuch wegen dieser ernsthaften Nebenwirkungen abgebrochen wurde, wurden die Patienten, die den Impfstoff erhalten hatten, weiter untersucht. Es gibt Grund zur Hoffnung. Die Autopsie bei einer Patientin, die an den Komplikationen der Entzçndung starb, ergab, dass die in bestimmten Bereichen ihres Gehirns vorhandene Amyloid-Plaques çberwiegend verschwunden waren. Dieser Bericht lieû darauf schlieûen, dass die aufgrund der Impfung gebildeten Antikærper in ihr Gehirn eingedrungen waren und die gewçnschte Wirkung erzielt hatten, genau wie bei den ursprçnglichen Untersuchungen an Måusen. Noch wichtiger war, dass Tests an 30 Patienten der Studie çberzeugende Hinweise darauf erbrachten, dass der Impfstoff das Fortschreiten der Krankheit erheblich verlangsamt. Augenblicklich besteht das Ziel darin, eine sicherere Impfstrategie zu entwickeln. Tierstudien beispielsweise zeigen, dass durch die Injektion bestimmter Fragmente des A-Peptids Antikærper gegen die Amyloid-Plaques gebildet werden, ohne dass eine Entzçndung ausgelæst

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

wird. Der sicherste Weg, der wahrscheinlich bald an Menschen getestet wird, ist der, dass man gegen A gerichtete Antikærper spritzt, die auûerhalb des Kærpers gebildet wurden. Ein solcher Ansatz wird als 

9 6   bezeichnet, weil die betreffende Person die zur Therapie eingesetzten Antikærper nicht selber bildet. Es hat sich bereits gezeigt, dass transgene Måuse durch die passive Immunisierung ihr Gedåchtnis wiedererlangen kænnen. Wenn sich diese Strategie als sicher und in den klinischen Versuchphasen I und II als effizient erweisen sollte, wird es zu Phase-III-Tests kommen, die in der Regel der letzte Schritt vor der staatlichen Genehmigung sind. Im PhaseIII-Versuchsstadium, an dem in der Regel sehr viele Personen (1000 oder mehr an verschiedenen Forschungszentren) beteiligt sind, wird die Effektivitåt der neuen Behandlungsmethode mit gångigen Ansåtzen verglichen. Es wurden noch verschiedene andere Behandlungsstrategien fçr die Therapie der AD vorgeschlagen. Zwei derartige Strategien wurden aufgrund epidemiologischer Studien entwickelt ± Studien, bei denen versucht wird, die Verbreitung einer bestimmten Krankheit mit einer speziellen Verhaltensweise der Mitglieder einer groûen Bevælkerungsgruppe zu korrelieren. Mehrere epidemiologische Studien haben gezeigt, dass Personen, die entweder entzçndungshemmende Medikamente, die keine Steroide enthalten (Kap. 2.5.3), besonders Ibuprofen, oder Statine genommen haben, Medikamente, die das Cholesterin senken, deutlich weniger an Alzheimer erkranken. Ûberraschenderweise scheinen nicht alle Medikamente, die den Cholesterinspiegel senken oder Entzçndungen hemmen, gegen AD zu schçtzen, so dass unklar bleibt, wie die Medikamente, die eine

Struktur ausbildet; erst dann kann sich erkennbar eine Sekundårstruktur entwickeln. Neuere Arbeiten deuten darauf hin, dass die beiden in Abb. 2.44 skizzierten Mæglichkeiten zwei Extreme darstellen und dass die meisten Proteine bei ihrer Faltung eine Art Mittelweg einschlagen, bei dem gleichzeitig die Sekundårstruktur ausgebildet und das Protein komprimiert wird. Wenn die Information fçr die Faltung in der Aminosåuresequenz eines Proteins verschlçsselt ist, fçhren Sequenzverånderungen mæglicherweise zu einer anderen Proteinfaltung, so dass ein Molekçl mit einer anomalen Tertiårstruktur entsteht. Tatsåchlich kennt man viele Mutationen,

positive Wirkung zeigen, wirken. Trotzdem sind beide Arten von Medikamenten bereits fçr den Einsatz beim Menschen zugelassen und regelmåûig von Zigmillionen Menschen genommen worden, weshalb sie ideale Therapeutika sind. Groûangelegte kontrollierte Versuchsreihen, in denen gezielt ihre Fåhigkeit, AD zu verhindern, untersucht werden soll, laufen bereits. Andere Arten von Medikamenten werden fçr die AD-Behandlung in Erwågung gezogen. Dazu gehæren n Verbindungen, welche die enzymatische Aktivitåt der - oder -Secretase hemmen, wodurch auch weniger A42 gebildet wçrde, n Verbindungen, die verhindern, dass A42 eine Konformation annimmt, die reich an -Faltblattstrukturen ist und leicht Aggregate bildet, n Verbindungen wie Clioquinol, die (durch Chelatbildung) Zink- oder Kupferionen entfernen. Diese beiden Ionen sind normalerweise in Amyloid-Plaques vorhanden; man nimmt daher an, dass sie die Plaquebildung begçnstigen. Bei transgenen Måuse, die dazu neigen, Alzheimer-Symptome zu entwickeln, fçhrt Clioquinol zu einer deutlichen Verringerung der Amyloid-Ablagerungen im Gehirn und einer generellen Verbesserung der Gesundheit. Aufgrund solcher Versuche wird das Medikament augenblicklich in klinischen Studien an Patienten mit schwachen bis mittelstarken AD-Symptomen getestet. Angesichts der groûen Vielfalt an potenziellen Therapien, die getestet werden, kann man mit gutem Grund optimistisch sein, dass es bald eine Behandlungsmæglichkeit fçr die Alzheimer-Krankheit geben wird.

die fçr Erbkrankheiten verantwortlich sind und die dreidimensionale Struktur eines Proteins veråndern. In einigen Fållen kann eine falsche Proteinfaltung tædliche Folgen haben. Zwei Beispiele solcher tædlich verlaufenden neurodegenerativen Krankheiten, die durch eine falsche Proteinfaltung hervorgerufen werden, werden im folgenden Beitrag ¹Aus Sicht des Menschenª vorgestellt.   7    + 0 Nicht alle Proteine kænnen spontan von sich aus ihre endgçltige Tertiårstruktur annehmen ± das liegt nicht daran, dass die Primårstruktur dieser Proteine etwa nicht die erforderlichen Informationen fçr die richtige Faltung enthielte, sondern



Vier Arten von biologischen Molekçlen

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n Abb. 2.45. ?   8    !   #     !   %   , $    

daran, dass die Proteine bei der Faltung daran gehindert werden mçssen, in den vollgestopften Kompartimenten der Zelle unspezifisch mit anderen Molekçlen zu reagieren. Es sind daher mehrere Proteinfamilien entstanden, deren Funktion darin besteht, nicht oder falsch gefalteten Proteinen dabei zu helfen, ihre richtige dreidimensionale Konformation einzunehmen. Diese ¹Hilfsproteineª nennt man   +  : Sie erkennen und binden gezielt an kurze Bereiche hydrophober Aminosåuren, die håufig auûen auf Proteinen im nicht nativen Zustand sitzen, in Proteinen mit einer nativen Konformation jedoch verborgen sind. Abbildung 2.45 zeigt die Aktivitåten mehrerer Gruppen molekularer Chaperone, die im Cytosol eukaryotischer Zellen operieren. Polypeptidketten werden an Ribosomen synthetisiert, wobei ausgehend vom N-Terminus der Kette immer eine Aminosåure nach der anderen aneinander gereiht wird (Schritt 1, Abb. 2.45). Chaperone der Hsp70-Familie binden an die långer werdenden Polypeptidketten, wenn diese an einem Kanalausgang an der groûen Untereinheit des Ribosoms auftauchen (Schritt 2). Man nimmt an, dass Hsp70-Chaperone diese erst zum Teil fertiggestellten (d. h. wachsenden) Polypeptide daran hindern, sich an fçr sie ungeeigneten Wechselwirkungen zu beteiligen, die dazu fçhren wçrden, dass sie entweder an andere Proteine im Cytosol binden oder sich     . Sobald die Synthese abgeschlossen ist (Schritt 3), werden viele dieser Proteine einfach vom Chaperon ins Cytosol entlassen, wo sie spontan ihre native Faltung annehmen (Schritt 4). Viele der græûeren Polypeptide werden jedoch von den Hsp70-Proteinen an einen anderen Chaperontyp, nåmlich an ein +   (Schritt 5) çbergeben. Chaperonine sind zylindrische Proteinkomplexe mit einem zentralen Hohlraum, in

dem sich neu synthetisierte Polypeptide falten kænnen, ohne von anderen Makromolekçlen in der Zelle gestært zu werden. TriC ist ein Chaperonin, von dem man annimmt, dass es die Faltung von bis zu 15% der Polypeptide, die in Såugerzellen synthetisiert werden, unterstçtzt. Wie Hsp70 und die Chaperonine entdeckt wurden und wie sie wirken, wird ausfçhrlich im Beitrag ¹Experimentelle Verfahrenª erærtert.   :   /  Bei all der Aufmerksamkeit, welche die Sequenzierung des Genoms in den letzten Jahren erhalten hat, kann man leicht die Tatsache aus den Augen verlieren, dass Gene in erster Linie nur fçr die Informationsspeicherung verantwortlich sind, wåhrend Proteine die Aktivitåten der Zelle steuern. Aufgrund der jçngeren Erfolge bei der Genomsequenzierung besitzen wir mittlerweile ein vollståndigeres Bild von der Welt der Proteine. Das menschliche Genom umfasst etwa 30 000 Gene, von denen jedes viele verschiedene Proteine codieren kann.6 Bis heute wurde nur ein Bruchteil dieser Molekçle charakterisiert. Das gesamte Arsenal an Proteinen, das ein Mensch oder ein anderer Organismus synthetisiert, wird als / des Organismus bezeichnet. Man benutzt den Begriff ¹Proteomª auch fçr den Gesamtheit aller Proteine in einem bestimmten Gewebe, einer Zelle oder einem Zellorganell. Weil augenblicklich ungeheuer viele Proteine untersucht werden, haben die Wissenschaftler versucht, Techniken zu entwickeln, mit denen sie die Eigenschaften oder Aktivitåten einer sehr groûen Anzahl von Proteinen auf ein6 Es gibt mehrere Mæglichkeiten, wie aus einem einzelnen Gen mehr als ein Polypeptid entstehen kann. Zwei der bekanntesten Mechanismen, das alternative Spleiûen und die posttranslationale Modifikation, werden in anderen Kapiteln des Buches erærtert.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

mal in einem einzigen Experiment bestimmen kænnen. Der neue Begriff der /  wurde geprågt, um das expandierende Gebiet der Proteinbiochemie zu charakterisieren. In dem Begriff schwingt mit, dass diverse Proteingruppen in groû angelegten Studien mithilfe von Hochtechnologien und Supercomputern untersucht werden. Das ist im Grunde derselbe Ansatz, der sich im letzten Jahrzehnt bei der Untersuchung der Genome bewåhrt hat. Die Untersuchung der Proteomik ist jedoch schon von vornherein sehr viel komplizierter als die Untersuchung der Genome, weil es sehr viel schwerer ist, mit Proteinen als mit DNA zu arbeiten. Physikalisch gesehen unterscheiden sich die Gene nicht wesentlich voneinander, wåhrend jedes Protein einmalige chemische Eigenschaften besitzt und unterschiedlich behandelt werden muss. Proteinbiochemiker haben immer schon versucht, zu jedem Protein eine Reihe von Fragen zu beantworten. Dazu gehæren: Welche spezifische Aktivitåt zeigt das Protein   und wie ermæglicht diese Aktivitåt, dass eine Zelle bestimmte Funktionen, wie etwa sich zu bewegen oder ihre DNA zu replizieren, ausfçhren kann? Welche dreidimensionale Struktur hat das Protein? Wann taucht das Protein in der Entwicklung des Organismus auf und in welchen Zelltypen? Wo ist es in der Zelle lokalisiert? Wird das Protein nach der Synthese durch Anhången chemischer Gruppen (beispielsweise Phosphate oder Zucker) modifiziert und, falls das so ist, wie wirkt sich das auf seine Aktivitåt aus? Wie viel Protein ist vorhanden und wie lang dauert es, bis es abgebaut wird? Øndert sich die

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Proteinkonzentration bei physiologischen Aktivitåten oder aufgrund einer Krankheit? Mit welchen anderen Proteinen in der Zelle tritt es in Wechselwirkung? Jahrzehntelang haben Biologen versucht, diese Fragen zu beantworten ± meist aber jeweils nur fçr ein Protein. Bei der Proteomik versuchen die Wissenschaftler åhnliche Fragen aber in einer umfassenderen Weise mit stårker automatisierten Verfahren in græûerem Maûstab zu beantworten (Abb. 2.46). Wir haben bereits gesehen, wie mit einem systematischen Ansatz Protein-Protein-Wechselwirkungen untersucht werden kænnen (Kap. 2.5.3). Wir wollen uns nun der auf den ersten Blick entmutigenden Aufgabe zuwenden, die unendlich vielen Proteine, die eine bestimmte Zelle synthetisiert, zu identifizieren. In Abb. 2.47 erkennt man Ausschnitte von zwei Gelen, auf denen ein Gemisch verschiede-

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 ner Proteine aufgetrennt wurde, das aus demselben Teil des Gehirns eines Menschen (Abb. 2.46 a) oder Schimpansen (Abb. 2.46 b) extrahiert wurde. Die Proteine wurden durch eine zweidimensionale Polyacrylamidgel-Elektrophorese (ausfçhrliche Beschreibung in Kap. 18.7) aufgetrennt. Die Gele enthalten Hunderte verschieden gefårbter Flecken, von denen jeder ein einzelnes Protein oder hæchstens einige wenige Proteine mit sehr åhnlichen physikalischen Eigenschaften repråsentiert, die daher nur schwer aufzutrennen sind. Dieses Verfahren, das Mitte der 1970er Jahren entwickelt wurde, war das erste und ist immer noch eines der besten, um eine groûe Anzahl von Proteinen aus einem Gemisch aufzutrennen. Es ist offensichtlich, dass praktisch såmtliche Flecken auf einem Gel ein entsprechendes Pendant im anderen Gel haben; Flecken, die in beiden Gelen vorhanden sind, stammen von homologen Proteinen beider Spezies. Bestimmte Flecken sind mit roten Zahlen markiert. Die nummerierten Flecken entsprechen Proteinen, die in beiden Gelen unterschiedlich gelaufen sind, entweder weil die Proteine an eine etwas andere Stelle gewandert sind, was passiert, wenn die Proteine der beiden Organismen unterschiedliche Aminosåuresequenzen aufweisen (angedeutet durch die blauen Pfeile mit den beiden Pfeilspitzen), oder weil die Proteine in den Gehirnen der beiden Organismen in nachweislich unterschiedlichen Mengen vorkommen (grçne Pfeile). In jedem Fall geben diese Experimente aus dem Gebiet der Proteomik einen Ûberblick darçber, in wieweit sich die Proteinexpression in unserem Gehirn von der bei unserem nåchsten lebenden Verwandten unterscheidet. Es ist das eine, Proteine voneinander zu trennen, aber ganz etwas anderes, jedes aufgetrennte Molekçl auch zu identifizieren. In den letzten Jahren ist es durch die Kombination zweier Technologien ± Massenspektrometrie und Hochleistungscomputer ± mæglich geworden, auf einem Gel wie den in Abb. 2.47 abgebildeten eines der Proteine oder auch såmtliche Proteine zu identifizieren. Wie ausfçhrlicher in Kap. 18.7 erærtert wird, ist die Massenspektrometrie ein Verfahren, mit dem man das Gewicht eines Molekçls oder von Fragmenten eines Molekçls genau bestimmen kann; diese Daten kann man dann dazu benutzen, um das Molekçl zu identifizieren. Angenommen wir wollten genau das Protein identifizieren, das sich in dem Fleck mit der roten Nummer 1 befindet. Man kann das Protein, das den fraglichen Fleck bildet, aus dem Gel herausschneiden und mit dem Enzym Trypsin verdauen, welches das Polypeptid in Peptide spaltet, die an ihrem Carboxyl-Terminus entwe-

Vier Arten von biologischen Molekçlen

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der einen Lysin- oder Arginin-Rest haben. Wenn man diese Peptide in ein Massenspektrometer gibt, werden sie in ionisierte Gase verwandelt und entsprechend dem Verhåltnis von ihrer Masse zu ihrer Ladung (m/z) aufgetrennt. Die Ergebnisse werden als eine Reihe von Maxima mit bekanntem m/z-Verhåltnis dargestellt, wie das in Abb. 2.48 zu sehen ist. Das Peakmuster liefert einen åuûerst spezifischen / 

    dieses Proteins. Wie kann jedoch ein Protein aufgrund dieses Peptidmassenfingerprints identifiziert werden? Die Herstellung von Peptidmassenfingerprints ist ein Element der neuen Proteomik-Technologie, ein anderes macht sich die Fortschritte in

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

der Computertechnologie zu Nutze. Sobald ein Genom sequenziert ist, kann man die Aminosåuresequenzen der codierten Proteine vorhersagen. Diese Liste ¹virtueller Proteineª kann man einer theoretischen Trypsinspaltung unterwerfen sowie die Gewichte der dabei entstandenen virtuellen Peptide berechnen und in eine Datenbank eingeben. Anschlieûend kann man die Peptidgewichte eines gereinigten Proteins, die im Massenspektrometer ermittelt wurden, mit den Gewichten vergleichen, die leistungsstarke Supercomputer aufgrund hypothetischer Spaltprozesse aller im Genom codierten Polypeptide vorhersagen. In den meisten Fållen kann man das isolierte und massenspektrometrisch untersuchte Protein çber eine derartige Suche in der Datenbank direkt finden. Das in den Gelen von Abb. 2.47 mit der Zahl 1 markierte Protein beispielsweise ist das Enzym Aldosereductase. Massenspektrometer kænnen in einem Arbeitsgang nicht nur ein gereinigtes Protein untersuchen, sondern kænnen auch Proteine in komplexen Gemischen analysieren (Kap. 18.7). Lassen Sie uns kurz erærtern, wie man mithilfe der letztgenannten Technologie die medizinische Praxis verbessern kann. 2002 berichteten Emanuel Petricoin, Lance Liotta und ihre Mitarbeiter am National Cancer Institute çber eine Untersuchung, in der sie mithilfe der Massenspektrometrie die Proteine im Blut von Patientinnen mit Eierstockkrebs mit denen im Blut gesunder Personen verglichen haben. Dabei fanden sie heraus, das beide Proteingruppen Unterschiede zeigten. Das Blut von Frauen mit Eierstockkrebs zeigte ein charakteristisches Peakmuster, das zahlreiche Proteine repråsentierte, deren Identitåt man nicht kannte. Als erst einmal der ¹Fingerabdruck des Eierstockkrebsesª ermittelt worden war, untersuchten die Forscher das Blut von 116 Frauen, von denen 50 Eierstockkrebs hatten, der sich bei 18 Personen noch im Frçhstadium befand. Anhand des ¹Fingerabdrucks des Eierstockkrebsesª als Kriterium konnten sie alle 50 Krebspatienten identifizieren, die erkrankt waren, was zeigt, dass der Test eine Sensitivitåt von 100% besitzt. Man hofft, aufgrund dieser Befunde, einen einfachen, nichtinvasiven Test entwickeln zu kænnen, um diese tædliche Krebsform in einem frçheren Stadium erkennen zu kænnen. Solch eine Vorsorgeuntersuchung håtte weitreichende Folgen, weil der Eierstockkrebs selten bereits in einem Frçhstadium erkannt wird, wenn er noch behandelt werden kann. Mit der klinischen Studie soll 2004 begonnen werden. Das Blut des Menschen enthålt Tausende von Proteinen, von denen die meisten nur in gerin-

ger Konzentration vorhanden sind. Wahrscheinlich hinterlassen viele, wenn nicht die meisten Erkrankungen des Menschen verråterische Muster von Blutproteinen, anhand derer man nach einer entsprechenden Krankheit oder einem bestimmten Typ von Erreger fahnden kænnte. Eines Tages wird es vielleicht mæglich sein, mit einem einfachen Bluttest eine Herz-, Leber- oder Nierenerkrankung in einem frçhen Stadium nachweisen zu kænnen, so dass man sie behandeln kann, bevor sie sich zu einer lebensgefåhrlichen Erkrankung entwickelt. Proteomische Studien bieten der medizinischen Praxis weitaus mehr Vorteile als lediglich bessere Vorsorgeuntersuchungen. Wahrscheinlich tragen Proteine, die man nur in kranken Geweben, jedoch nicht in den entsprechenden gesunden Geweben findet, mit zur Entstehung der Krankheit bei. Wenn diese Proteine erst einmal bekannt sind, kann man ihre Bedeutung fçr die Krankheitsentwicklung erforschen. Wenn klar ist, dass ein bestimmtes Protein wie etwa das Bcr-Abl-Protein, das bestimmte Leukåmien verursacht, ein entscheidender Krankheitsauslæser ist (Kap. 16.4), dann kænnte man unter Umstånden Medikamente entwickeln, die gegen dieses spezielle Protein gerichtet sind. Die Arzneimittel, die heutzutage auf dem Markt sind, sind gegen ungefåhr 500 verschiedene Proteine gerichtet, diese Anzahl kænnte jedoch in naher Zukunft aufgrund der Proteomik-Technologie erheblich zunehmen. Techniken zur Auftrennung von Proteinen und massenspektrometrische Verfahren sagen nichts çber die Funktion eines Proteins aus. Wissenschaftler an akademischen Instituten oder in biotechnologischen Firmen arbeiten zunehmend an der Entwicklung von Verfahren, mit denen man nicht nur jeweils die Funktion eines einzigen Proteins, sondern gleich in groûem Maûstab die Funktion zahlreicher Proteine bestimmen kann. Dabei sind mehrere neue Methoden entwickelt worden, die diesen Zweck erfçllen sollen. Wir wollen hier nur eine erærtern: den Einsatz von /    %

oder /   . Bei einem Protein-Mikroarray wird eine feste Oberflåche verwendet, meist ein Objekttråger aus Glas, der mit mikroskopisch kleinen Flecken çberzogen ist, die jeweils ein einzelnes Protein enthalten. Zur Herstellung der Protein-Mikroarrays werden winzige Volumina einzelner Proteine auf spezifische Stellen auf dem Objekttråger aufgetragen, so dass die Proteine wie in Abb. 2.49 a angeordnet sind. Die etwa 6000 Hefeproteine, die das Hefegenom codiert, passen so leicht als einzelne Flecken auf einen einzigen Glasobjekttråger.



Vier Arten von biologischen Molekçlen

Sobald der Protein-Mikroarray erstellt ist, kann man die Proteine, die sich darauf befinden, auf verschiedenartige Aktivitåten hin untersuchen. Nehmen wir nur mal die Rolle der Ca2+-Ionen. Diese spielen bei vielen Aktivitåten eine Schlçsselrolle, etwa bei der Ausbildung eines Nervenimpulses, der Freisetzung von Hormonen ins Blut sowie der Muskelkontraktion. In all diesen Fållen erzielen Ca2+-Ionen ihre Wirkung, indem sie sich an ein Calcium bindendes Protein heften. Wie in Kapitel 15 erærtert wird, ist Calmodulin ein wichtiges Calcium bindendes Protein ± selbst in der einzelligen Hefe. Abbildung 2.49 b zeigt einen kleinen Bereich eines Mikroarrays von Hefeproteinen, der in Gegenwart von Ca2+-Ionen mit dem Protein Calmodulin inkubiert wurde. Die grçn fluoreszierenden Proteine des Arrays waren wåhrend der Inkubation an Calmodulin gebunden und sind daher wahrscheinlich an der Signalgebung des Calciums beteiligt. Bei dieser speziellen Proteinsuche wurden 33 neue Proteine gefunden, die an Calmodulin binden. Mithilfe solcher Experimenten eræffnet die Proteomik eine Mæglichkeit, zahlrei-

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che Proteine zu analysieren, deren Funktion immer noch unbekannt ist. Man nimmt an, dass man Proteinchips eines Tages auch dazu verwenden wird, um nach Proteinen zu suchen, die fçr bestimmte Krankheiten charakteristisch sind. Diese Proteine wçrden hæchstwahrscheinlich zuerst massenspektrometrisch identifiziert werden, wie das schon in Zusammenhang mit dem Eierstockkrebs beschrieben wurde. Ob ein bestimmtes, fçr eine Krankheit charakteristisches Protein in einer Blutoder Urinprobe vorkommt und wie viel von diesem Protein vorhanden ist, låsst sich am einfachsten dadurch ermitteln, dass man seine Wechselwirkung mit einem spezifischen Antikærper austestet. Darauf basiert beispielsweise der PSA-Test, der zur Prostatakrebs-Vorsorgeuntersuchung bei Månnern eingesetzt wird. PSA ist ein Protein, das man im Blut gesunder Månner findet, dessen Konzentration aber bei Personen, die an Prostatakrebs erkrankt sind, erhæht ist. Man bestimmt die PSA-Konzentration, indem man misst, wie viel Protein aus der Blutprobe an Anti-PSA-Antikærper bindet. Es wird erwar-

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tet, dass biotechnologische Firmen in naher Zukunft Mikroassays mit Antikærpern herstellen werden, die an eine Reihe verschiedener Blutproteine binden kænnen. Ob çberhaupt solche Proteine vorliegen und wie viel jeweils davon vorhanden ist, ist dann ein Anzeichen dafçr, ob jemand an der einen oder anderen Krankheit aus einem breiten Krankheitsspektrum erkrankt ist. /    Aufgrund der Fortschritte in der Molekularbiologie kann man mittlerweile andere Proteine als diejenigen, die von Lebewesen hervorgebracht werden, entwerfen und in Massenproduktion herstellen. Man kann mit gångigen DNA-Synthesemethoden kçnstlich ein Gen kreieren, mit dessen Hilfe dann ein Protein mit einer gewçnschten Aminosåuresequenz synthetisiert wird. Das Problem besteht aber darin, in Erfahrung zu bringen, welches aus der praktisch unbegrenzten Vielfalt an mæglichen Proteinen, die man herstellen kænnte, irgendeine nçtzliche Funktion besitzt. Stellen Sie sich beispielsweise eine pharmazeutische Firma vor, die ein Protein herstellen will, das an die Oberflåche des AIDS-Virus bindet und es aus einer wåssrigen Læsung wie etwa dem Blutstrom entfernt. Nehmen wir an, Computerprogramme kænnten vorhersagen, welche Form ein solches Protein haben mçsste, um an die virale Oberflåche binden zu kænnen. Wie mçsste die Aminosåuresequenz aussehen, damit ein solches Protein gebildet wird? Um diese Frage zu beantworten, muss man die Regeln, denen das Verhåltnis von Primår- zu Tertiårstruktur unterliegt, sehr gut kennen. In den letzten Jahren hat es groûe Fortschritte bei der Synthese kçnstlicher Gene gegeben, deren Peptidprodukte relativ einfache Sekundårstrukturen wie etwa Bçndel von
-Helices oder 2±3 Strånge von -Faltblattstrukturen annahmen. Versuche, aus dem Nichts komplexere Polypeptidstrukturen zu kreieren, haben sich jedoch als sehr viel schwieriger erwiesen. Wissenschaftler erleben beispielsweise, dass die Form, die eine bestimmte Sequenz innerhalb eines vollståndigen Proteins annehmen wird, schwer vorherzusagen ist. Eine åhnliche Abfolge von Aminosåuren kann in verschiedenen Proteinen ± je nachdem, wie sie von anderen Molekçlabschnitten beeinflusst wird ± zu unterschiedlichen Sekundårstrukturen fçhren. Diese Schwierigkeiten fçhren uns einerseits immer wieder die hochgradige Komplexitåt der Proteine und andererseits unser beschrånktes Wissen darçber vor Augen, auf welche Weise die Natur eine lineare genetische Information in ein dreidimensionales Protein çbersetzt.

Ein alternativer Ansatz, ein neues Protein zu schaffen, besteht darin, Proteine abzuåndern, die bereits von Zellen synthetisiert wurden. Aufgrund neuerer Entwicklungen in der DNA-Technologie kænnen Wissenschaftler ein einzelnes Gen aus den Chromosomen des Menschen isolieren, seinen Informationsgehalt auf eine ganz genau festgelegte Weise åndern und dann das modifizierte Protein mit seiner verånderten Aminosåuresequenz synthetisieren. Diese (      kann sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der angewandten Biologie fçr viele Zwecke eingesetzt werden. Wenn beispielsweise ein Forscher wissen will, welche Bedeutung ein bestimmter Rest fçr die Faltung oder Funktion eines Polypeptids hat, kann er das Gen so mutieren, dass eine Aminosåure durch eine mit einer anderen Ladung, mit hydrophobem Charakter oder anderen Wasserstoffbrçcken ersetzt wird. Dann kann man untersuchen, wie sich diese Substitution auf die Struktur und Funktion des modifizierten Proteins auswirkt. Wie wir in diesem Buch immer wieder sehen werden, ist die Oligonucleotidmutagenese von unschåtzbarem Wert fçr die Analyse spezifischer Funktionen kleinerer Bereiche von praktisch såmtlichen fçr Biologen interessanten Proteinen. Mithilfe der Oligonucleotidmutagenese werden auch die Strukturen klinisch interessanter Proteine modifiziert, um ihre Effizienz zu erhæhen oder unerwçnschte Nebeneffekte zu beseitigen. So befindet sich beispielsweise im Blut das Protein Thrombin ± ein Enzym, das je nach den Umstånden die Bildung von Blutgerinnseln færdern oder auch verhindern kann. Wissenschaftlern ist es gelungen, eine Variante des Thrombin-Molekçls herzustellen, die noch die Gerinnung hemmt, aber fast jegliche koagulationsfærdernde Aktivitåt verloren hat. Dieses gentechnologisch verånderte Protein ist ein vielversprechendes Mittel zur Behandlung bei Schlaganfållen und bei Krankheitsbildern koronarer Herzkrankheiten wie Angina pectoris oder Herzinfarkt. .  /      $     Den jçngsten Fortschritten in der molekularen Biologie ist nicht nur die Herstellung neuer Proteine zu verdanken. Eine weitere klinische Anwendung betrifft die Entwicklung neuer Arzneimittel, die aufgrund ihrer Bindung an Proteine deren Aktivitåt hemmen. Pharmazeutische Unternehmen haben Zugang zu chemischen ¹Bibliothekenª mit Hunderttausenden verschiedener organischer Verbindungen, die entweder aus

 Pflanzen oder Mikroorganismen isoliert oder chemisch synthetisiert wurden. Eine Mæglichkeit, nach einem potentiellen Arzneimittel zu suchen, besteht darin, das fragliche Protein mit verschiedenen Kombinationen dieser Verbindungen zusammen zu geben und herauszufinden, welche Verbindungen, wenn çberhaupt, hochaffin daran binden kænnen. Ein anderer Ansatz, den man anwenden kann, wenn die Tertiårstruktur eines Proteins schon bekannt ist, besteht darin, mit Computern virtuelle Arzneimittelmolekçle herzustellen, die aufgrund ihrer Græûe und Form in die sichtbaren Risse und Spalten des Proteins passen und es so inaktivieren. Um diese Technologie zu veranschaulichen, werfen wir am besten einen Blick auf die neuartigen Aspirin åhnelnden Molekçle, die so zusammengesetzt wurden, dass die vom Aspirin (Acetylsalicylsåure) hervorgerufenen unerwçnschten Nebenwirkungen bei ihnen ausbleiben. Die entzçndungshemmende Wirkung des Aspirins beruht auf seiner Fåhigkeit, ein Enzym (die Cyclooxygenase-2 oder COX-2) zu hemmen, das fçr die Synthese bestimmter hormonartiger Verbindungen (Prostaglandine) benætigt wird, die Entzçndungen, Schmerzen und Fieber auslæsen. Bei einer långeren Einnahme von Aspirin oder einem anderen nicht steroidhaltigen entzçndungshemmenden Arzneimittel (NSAIDs wie Ibuprofen und Naproxen) kann die Magenschleimhaut angegriffen werden, weil diese Mittel ein verwandtes Enzym (die Cyclooxygenase-1 oder COX-1) hemmen, das zur Gesunderhaltung einer ganzen Reihe von Organen beitrågt. Obwohl diese beiden Enzyme einander sehr åhneln, gibt es zumindest einen entscheidenden Unterschied in ihrer Aspirin-Bindungsstelle: Bei COX-1 befindet sich an Position 523 ein Isoleucin, bei COX-2 dagegen ein Valin. Die Seitenkette des Isoleucins ist sperriger als beim Valin, so dass die Bindungsstelle fçr das Medikament kleiner ist als bei COX-2 (Abb. 2.50 a). Aufgrund dieses Unterschieds konnten aspirinartige Verbindungen geschaffen werden, die sehr viel stårker an COX-2 als an COX-1 binden (Abb. 2.50 b). Die ersten beiden COX-2-spezifischen Hemmstoffe, die unter den Markennamen Celebrex und Vioxx in den Handel kamen, haben sich als sicher und effizient erwiesen, besonders bei Patienten mit einer Arthritis, die dieses Medikament håufig nehmen mçssen. Im Gegensatz zum Aspirin senken allerdings COX-2-spezifische Hemmstoffe nicht das Risiko von Herz- und Schlaganfållen, was durch die Hemmung von COX-1 in den Blutplåttchen ermæglicht wird. Vor kurzem wurde im Gehirn ein drittes verwandtes Enzym, COX-3, entdeckt. Es gibt Anzeichen dafçr, dass COX-3

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der lang gesuchte Angriffspunkt fçr das Schmerzmittel Acetaminophen (Tylenol) ist. 

  #9  9 /  Anpassungen sind Merkmale, welche die Ûberlebenschancen eines Organismus in einem bestimmten Umfeld erhæhen. Proteine sind biochemische Adaptationen, die genauso einer natçrlichen Selektion und evolutionårem Wandel unterworfen sind wie andere Arten von Merkmalen,

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beispielsweise die Augen oder das Skelett. Das zeigt sich am besten, wenn man die homologen Proteine von Organismen vergleicht, die unter ganz unterschiedlichen Umweltbedingungen leben. So sind beispielsweise bei den Proteinen halophiler (salzliebender) Archaebakterien Aminosåuren ausgetauscht worden, wodurch sie auch bei sehr hohen Salzkonzentrationen (bis zu 4 M KCl) im Cytosol ihre Læslichkeit und Funktion behalten. Im Gegensatz zu den entsprechenden Proteinen in anderen Organismen befinden sich auf der Oberflåche der halophilen Variante des Proteins Malatdehyrogenase Asparagin- und Glutaminsåurereste, deren Carboxylgruppe mit dem Salz um Wassermolekçle konkurrieren kænnen (Abb. 2.51). Man nimmt an, dass viele, wenn nicht die meisten Aminosåuresubstitutionen, die sich in Proteinen mit der Zeit ansammeln, neutrale Verånderungen sind, das heiût, zufållige Modifikationen, welche die Leistungsfåhigkeit des Molekçls nicht beeintråchtigen. Wird etwa eine unpolare Aminosåure im Zentrum eines Protein gegen eine andere ausgetauscht, so beeinflusst das die Struktur oder Funktion dieses Molekçls wahrscheinlich kaum. Tatsåchlich kænnen homologe Proteine verschiedener Organismen prak-

n Abb. 2.51.             &     !I ?  I             '        '     ;   ?  " 

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tisch dieselben Formen und Faltungsmuster haben, obwohl sie vollkommen andere Aminosåuresequenzen aufweisen. Je weniger zwei Organismen evolutionår miteinander verwandt sind, desto mehr unterscheiden sich die Aminosåuresequenzen ihrer Proteine. In einigen Fållen gab es in einem besonders wichtigen Proteinbereich nur einige entscheidende Aminosåuren, die bei allen Organismen gleich waren, bei denen man das Protein untersucht hatte. So zeigte beispielsweise ein Vergleich von 226 Globin-Sequenzen, dass nur zwei Reste in all diesen Polypeptiden erhalten geblieben sind: einer ist ein Histidinrest, der eine entscheidende Rolle bei der Bindung und Freisetzung von O2 spielt. Diese Beobachtung zeigt, dass sich die Sekundår- und Tertiårstrukturen der Proteine im Verlauf der Evolution sehr viel langsamer åndern als ihre Primårstrukturen. Wir haben gesehen, dass im Lauf der Evolution in verschiedenen Organismen unterschiedliche Proteinvarianten entstanden sind. Die Evolution hat aber auch innerhalb einzelner Organismen zu diversen Proteinvarianten gefçhrt. Nehmen wir ein spezielles Protein mit einer bestimmten Funktion wie das Globin, Kollagen oder die Cyclooxygenase. Das menschliche Genom codiert von jedem dieser Proteine mehrere verschiedene Varianten. In den meisten Fållen sind die unterschiedlichen Versionen eines Proteins, die 6 , Anpassungen an die Funktion in unterschiedlichen Geweben oder unterschiedlichen Entwicklungsstadien. So besitzt beispielsweise der Mensch sechs verschiedene Gene fçr das kontraktile Protein Aktin. Zwei dieser Isoformen befinden sich in der glatten Muskulatur, eine in der Skelettmuskulatur, eine im Herzmuskel und zwei in praktisch allen anderen Zelltypen. Je mehr Aminosåuresequenzen und Tertiårstrukturen von Proteinen bekannt wurden, desto offensichtlicher wurde es, dass die meisten Proteine zu viel græûeren
   (oder &    ) von verwandten Molekçlen gehæren. Die Gene, welche die verschiedenen Mitglieder einer Proteinfamilie codieren, stammen, wie man annimmt, von einem einzigen Urgen ab, das im Verlauf der Evolution mehrfach verdoppelt wurde (Abb. 10.25). Ûber lange Zeitråume hinweg drifteten die Nucleotidsequenzen der verschiedenen Kopien auseinander und es entstanden Proteine mit verwandten (homologen) Strukturen. Viele Proteinfamilien bestehen aus einer erstaunlichen Vielfalt an Proteinen, die verschiedenste Funktionen erhalten haben. Wegen der Expansion der Proteinfamilien ist eine groûe Vielfalt an Proteinen entstanden, die in



Vier Arten von biologischen Molekçlen

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den Genomen der heute lebenden komplexen Pflanzen und Tiere codiert ist. 2.5.4 Nucleinsåuren Nucleinsåuren sind Makromolekçle, die aus langen Ketten (&1) von Monomeren, den ) , bestehen. Die Funktion der Nucleinsåuren liegt vor allem in der Speicherung und Ûbertragung genetischer Information, sie kænnen aber auch strukturelle oder katalytische Aufgaben çbernehmen. Lebewesen besitzen zwei Typen von Nucleinsåuren:  -%  

1 3)4 und   1 3 )4. Wie bereits in Kapitel 1 erwåhnt, dient die DNA in allen zellulåren Organismen als genetisches Material, wåhrend diese Rolle bei vielen Viren die RNA çbernimmt. Die in der DNA gespeicherte Information steuert die Aktivitåten der Zelle durch die Bildung von Messenger-RNAs (Kap. 11). Im vorliegenden Kapitel wollen wir die Grundbausteine der Nucleinsåuren am Beispiel einer einzelstrångigen RNA untersuchen. Die DNA-Struktur wird dann in Kap. 10 in Zusammenhang mit ihrer Schlçsselrolle fçr die chemischen Grundlagen des Lebens abgehandelt. Jedes Nucleotid in einem RNA-Strang besteht aus drei Elementen (Abb. 2.52 a):

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n Einer Ribose, einem Zucker mit fçnf Kohlenstoffatomen, n einer stickstoffhaltigen Base, in deren Ring Stickstoffatome enthalten sind, n einer Phosphatgruppe. Der Zucker bildet zusammen mit der stickstoffhaltigen Base ein ) ; daher werden die Nucleotide eines RNA-Strangs auch als Ribonucleosid-Monophosphate bezeichnet. Das Phosphat ist mit dem 5'-Kohlenstoffatom des Zuckers und die stickstoffhaltige Base mit dem 1'-Kohlenstoff des Zuckers verknçpft. Wåhrend der Synthese eines Nucleinsåurestrangs wird die Hydroxylgruppe, die mit dem 3'-Kohlenstoffatom des Zuckers eines Nucleotids verknçpft ist, çber eine Esterbindung mit der Phosphatgruppe verbunden, die mit dem 5'-Kohlenstoff des nåchsten Nucleotids der Kette verknçpft ist. Daher sind die Nucleotide einer RNA (oder DNA) çber Zucker-Phosphat-Bindungen miteinander verknçpft (Abb. 2.52b), die als >'?'/        bezeichnet werden, weil das Phosphatatom mit zwei Sauerstoffatomen ± eines von jedem der beiden benachbarten Zucker ± verestert ist.

b n Abb. 2.52 a, b. 2   2  &    ;2  a 2    ?  "      2   & &      2           <    "    

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

Ein RNA-(oder DNA-)Strang besteht aus vier verschiedenartigen Nucleotiden, die man anhand ihrer stickstoffhaltigen Base unterscheiden kann. In Nucleinsåuren findet man zwei Arten von Basen: Pyrimidine und Purine (Abb. 2.53). /%     sind kleiner und bestehen aus einem einzigen Ring. /  sind græûer und bestehen aus zwei Ringen. RNAs enthalten zwei verschiedene Purine,   und :  , sowie zwei verschiedene Pyrimidine, +%  und   . In der DNA wird das Uracil durch Thymin ersetzt, einem Pyrimidin, an dessen Ring eine zusåtzliche Methylgruppe hångt (Abb. 2.53). Obwohl RNAs aus einem zusammenhångenden Einzelstrang bestehen, kænnen sie sich an sich selbst zurçckfalten und so Molekçle bilden, die ausgeprågte doppelstrångige Bereiche und komplexe dreidimensionale Strukturen haben. Das kann man an den beiden RNAs in Abb. 2.54 erkennen. Die RNA, deren Sekundårstruktur in Abb. 2.54 a zu sehen ist, gehært zur kleinen Untereinheit des bakteriellen Ribosoms (Abb. 2.55). Ribosomale RNAs sind keine Molekçle, die genetische Information enthalten; sie fungieren vielmehr als strukturelle Gerçste, an die sich die Proteine des Ribosoms anheften kænnen, sowie als Elemente, welche die verschiedenen læslichen Bestandteile, die fçr die Proteinsynthese erforderlich sind, erkennen und binden. Eine der ri-

a n Abb. 2.54 a, b. ;2 B   !        a    ;2  B !    

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bosomalen RNAs der groûen Untereinheit dient als Katalysator fçr die Reaktion, bei der Aminosåuren wåhrend der Proteinsynthese miteinander verbunden werden. RNAs, die eine katalytische Funktion haben, werden als RNA-Enzyme oder $% bezeichnet. In Abb. 2.54 b ist die Tertiårstruktur des 2  $% dar-

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Die Bildung komplexer makromolekularer Strukturen

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gestellt, das seinen eigenen RNA-Strang spalten kann. In beiden in Abb. 2.54 dargestellten Beispielen werden die doppelstrångigen Bereiche durch Wasserstoffbrçcken zwischen den Basen zusammengehalten. Nach demselben Prinzip werden auch die beiden Strånge eine DNA-Molekçls zusammengehalten. Nucleotide sind nicht nur wichtige Nucleinsåurebausteine, sondern haben auch wichtige eigenståndige Funktionen. Der græûte Teil der Energie, die jedes Lebewesen in jedem Augenblick verbraucht, stammt aus dem Nucleotid       3!/4. Welche Struktur und welche Schlçsselrolle im Zellstoffwechsel ATP besitzt, wird im folgenden Kapitel beschrieben. :       3:!/4 ist ein weiteres Nucleotid mit enormer Bedeutung fçr die Zellaktivitåten. GTP bindet an viele verschiedene Proteine (G-Proteine) und dient als Schalter, der ihre Aktivitåten auslæst (fçr ein Beispiel s. Abb. 11.50).

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2.6 Die Bildung komplexer makromolekularer Strukturen Inwieweit kann man die Erfahrungen aus den Untersuchungen der Proteinarchitektur auf komplexere Zellstrukturen anwenden? Kænnen Strukturen, die wie Membranen, Ribosomen und Elemente des Cytoskeletts aus verschiedenartigen Untereinheiten bestehen, sich auch von sich aus formieren? Inwieweit låsst sich die subzellulåre Organisation einfach dadurch erklåren, dass die Einzelteile in der stabilsten Anordnung zusammengefçgt wurden? Wie die Zellorganellen zusammengesetzt werden, ist kaum bekannt, es ist aber aufgrund der folgenden Beispiele offensichtlich, dass sich verschiedene Typen von Untereinheiten zu Arrangements hæherer Ordnung zusammenfinden kænnen.

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

2.6.1 Der Aufbau der Partikel und ribosomalen Untereinheiten des Tabakmosaikvirus Dass Molekçle durch einen bestimmten Prozess von sich aus ihre endgçltige Form annehmen kænnen, erkennt man am besten daran, dass dieser Prozess unter physiologischen Bedingungen auch auûerhalb der Zelle ( ) mæglich ist, sofern nur solche Makromolekçle vorhanden sind, aus denen die Struktur letztlich besteht. 1955 zeigten Heinz Fraenkel-Conrat und Robley Williams von der University of California, Berkeley, dass TMV-Partikel ± lange RNA-Molekçle (etwa 6600 Nucleotide), die jeweils innerhalb einer helicalen Kapsel aus 2130 identischen Proteinuntereinheiten eine Helix bilden (Abb. 1.20) ± dazu fåhig sind. Bei ihren Experimenten reinigten sie separat RNA und Proteine des TMV, mischten diese unter geeigneten Bedingungen zusammen und erhielten nach einer kurzen Inkubationszeit fertige infektiæse Partikel. Obwohl in den letzten Jahren umstritten war, in welcher Reihenfolge sich die Ereignisse abspielen, ist man sich çberwiegend einig darçber, dass die beiden Bestandteile såmtliche Informationen fçr die Bildung der Partikel enthalten. Ribosomen bestehen wie TMV-Partikel aus RNA und Proteinen. Im Gegensatz zu dem einfacheren TMV enthalten Ribosomen allerdings mehrere unterschiedliche RNA-Typen sowie eine græûere Anzahl unterschiedlicher Proteine. Alle Ribosomen bestehen ± unabhångig davon, aus welcher Zelle sie stammen ± aus zwei verschieden groûen Untereinheiten. Obwohl die ribosomalen Untereinheiten in Zeichnungen oft symmetrisch dargestellt werden, sind sie in Wirklichkeit hæchst unregelmåûig geformt, wie man in Abb. 2.55 sehen kann. Die groûe (oder 50S) ribosomale Untereinheit von Bakterien besteht aus zwei Molekçlen RNA und ungefåhr 32 verschiedenen Proteinen. Die kleine (oder 30S) ribosomale Untereinheit enthålt nur ein RNA-Molekçl sowie 21 verschiedene Proteine. Welche Struktur und Funktion Ribosomen haben, wird ausfçhrlich in Kap. 11.6 erærtert. Es war ein Meilenstein in der Ribosomen-Forschung, als es Masayasu Nomura und seinen Mitarbeitern an der University of Wisconsin Mitte der 1960er Jahre gelang, vollståndige voll funktionsfåhige 30S-Untereinheiten neu zusammenzusetzen, indem sie die 21 gereinigten Proteine der kleinen Untereinheit mit gereinigter ribosomaler RNA fçr die kleine Untereinheit mischten. Offenbar besitzen die Bestandteile der kleinen Untereinheit såmtliche Informationen darçber, wie die gesamte Partikel zusammenge-

setzt wird. Eine Analyse der Zwischenprodukte, die wåhrend der Wiederherstellung   gebildet werden, deutet darauf hin, dass die Untereinheit Schritt fçr Schritt in einer Weise zusammenbaut wird, die der   stark åhnelt. Zumindest eines der Proteine der kleinen Untereinheit (S16) scheint nur fçr den Zusammenbau des Ribosoms zuståndig zu sein. Entfernt man dieses Protein aus dem Rekonstitutionsgemisch, so wird der Zusammenbau zwar stark verlangsamt, aber die Bildung voll funktionsfåhiger Ribosomen nicht unterbunden. Im nåchsten Jahrzehnt gelang es, die groûe Untereinheit des bakteriellen Ribosoms zu rekonstituieren. Man darf dabei jedoch nicht vergessen, dass es ungefåhr zwei Stunden dauert, bis das Ribosom   bei 50 8C fertig ist, wåhrend das Bakterium dieselbe Struktur bei einer Temperatur von nur 10 8C in nur wenigen Minuten zusammensetzt. Eventuell benutzt das Bakterium etwas, das dem Forscher, der von gereinigten Bestandteilen ausgeht, nicht zur Verfçgung steht. Am Zusammenbau des Ribosoms innerhalb der Zelle sind mæglicherweise weitere Faktoren beteiligt, die wie etwa die Chaperone, die in der Rubrik ¹Experimentelle Verfahrenª beschrieben werden, die Proteinfaltung unterstçtzen. Tatsåchlich mçssen fçr die Bildung von Ribosomen in einer   %   Zelle vorçbergehend viele Proteine miteinander assoziiert sein, die in der endgçltigen Partikel nicht mehr benætigt werden; auûerdem muss ungefåhr die Hålfte der Nucleotide der groûen ribosomalen Vorlåufer-RNA entfernt werden (Abb. 11.3). Daher fehlt den Bestandteilen der reifen eukaryotischen Ribosomen die Information, mit der sie sich   wieder aus sich selbst heraus formieren kænnen.

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Die Bildung komplexer makromolekularer Strukturen

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Experimentelle Verfahren

Chaperone helfen Proteinen, sich richtig zu falten 1962 berichtete F.M. Ritossa, ein italienischer Biologe, der die Entwicklung der Taufliege  untersuchte, von einem sonderbaren Befund.1 Als er die Temperatur, bei der sich Taufliegenlarven entwickeln, von den çblichen 25 8C auf 32 8C anhob, wurde eine Reihe neuer Stellen auf den Riesenchromosomen der Larvenzellen aktiviert. Wie wir noch in Kap. 10 sehen werden, liefern die Riesenchromosomen dieser Insektenlarven einen visuellen Beweis fçr die Genexpression (Abb. 10.8). Die Ergebnisse deuteten darauf hin, dass durch die Temperaturerhæhung die Expression neuer Gene induziert wurde, ein Befund, der ein Jahrzehnt spåter durch die Charakterisierung verschiedener Proteine beståtigt wurde, die in den Larven nach einer Temperaturerhæhung auftraten.2 Man fand schnell heraus, dass diese so genannte 2 $     nicht nur bei Taufliegen auftritt, sondern in vielen verschiedenen Zellen von praktisch jeder Art von Organismus ausgelæst werden kann ± von Bakterien bis zu Pflanzen und Tieren. Eine genauere Ûberprçfung ergab, dass man die Proteine, die wåhrend der Reaktion gebildet wurden, nicht nur in den mit einem Hitzeschock behandelten Zellen fand, sondern geringere Konzentration davon auch in Zellen unter normalen Bedingungen. Welche Funktion haben diese 2 $     32  4? Diese Frage wurde mithilfe einer Reihe von Untersuchungen beantwortet, die scheinbar nichts miteinander zu tun hatten. Wie wir in Kap. 2.6.1 gesehen haben, kænnen sich einige komplexe Strukturen mit mehreren Untereinheiten ± etwa ein bakterielles Ribosom oder ein Tabakmosaikviruspartikel ± aus gereinigten Untereinheiten von sich aus wieder neu formieren. In den 1960er Jahren konnte man zeigen, dass die Proteine, aus denen Bakteriophagen (Abb. 1.21 c) bestehen, ebenfalls eine erstaunliche Fåhigkeit zur Selbstmontage besitzen, dass sie aber in der Regel nicht in der Lage sind,   von sich aus einen komplexen aktiven Viruspartikel zu bilden. Experimente zum Zusammenbau von Phagen in Bakterienzellen haben beståtigt, dass Phagen dafçr die Hilfe von Bakterien benætigen. 1973 zeigte sich beispielsweise, dass ein bestimmter mutierter Bakterienstamm namens % beim Zusammenbau normaler Pha-

gen nicht helfen konnte. Je nach Phagentyp wurde entweder der Kopf oder Schwanz des Phagen falsch zusammengesetzt.3,4 Diese Studien sprachen dafçr, dass ein vom Bakterienchromosom codiertes Protein am Zusammenbau der Phagen beteiligt ist, obwohl dieses Wirtsprotein in den endgçltigen Phagenpartikeln fehlt. Da es offenbar nicht zur Unterstçtzung beim Phagenaufbau diente, musste das fçr den Phagenaufbau erforderliche bakterielle Protein irgendeine Rolle bei der normalen Zellaktivitåt spielen ± welche genau blieb allerdings unklar. Weitere Untersuchungen zeigten, dass der %-Locus im bakteriellen Chromosom in Wirklichkeit aus zwei verschiedenen Genen besteht: %, und %, die die beiden Proteine GroEL und GroES codieren. Unter dem Elektronenmikroskop zeigte sich, dass das gereinigte GroEL-Protein eine zylindrische Form besitzt und aus zwei runden Scheiben aufgebaut ist. Jede Scheibe besteht aus sieben Untereinheiten, die symmetrisch um die zentrale Achse herum angeordnet sind (Abb. 1).5,6 Mehrere Jahre spåter ergab eine Untersuchung an Erbsen, dass es in Chloroplasten von Pflanzen ein åhnliches Protein gibt, das den Zusammenbau unterstçtzt.7 Rubisco ist ein groûes Protein in Chloroplasten, das die Reaktion katalysiert, bei der aus der Atmosphåre

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

aufgenommene CO2-Molekçle im Rahmen der Photosynthese kovalent mit organischen Molekçlen verbunden werden (Kap. 6.6). Rubisco besteht aus 16 Untereinheiten: acht kleinen Untereinheiten (Molekulargewicht 14 000) und acht groûen Untereinheiten (Molekulargewicht 55 000). Man fand heraus, dass groûe RubiscoUntereinheiten, die innerhalb des Chloroplasten synthetisiert werden, nicht frei vorkommen, sondern mit einem riesigen Proteinkomplex aus identischen Untereinheiten mit einem Molekulargewicht von 60 000 assoziiert sind. In ihrem Artikel erærterten die Wissenschaftler die Mæglichkeit, dass der Komplex aus der groûen Rubisco-Untereinheit und dem 60 000-Polypeptid ein Zwischenprodukt beim Zusammenbau eines vollståndigen Rubisco-Molekçls sein kænnte. Parallele Forschungsarbeiten an Såugerzellen haben ebenfalls ergeben, dass es Proteine gibt, die den Zusammenbau von Proteinen mit mehreren Untereinheiten færdern. Wie Rubisco bestehen auch Antikærper aus einem Komplex von zwei verschiedenen Typen von Untereinheiten: kleineren leichten und græûeren schweren Ketten. Die schweren Ketten eines Antikærperkomplexes verhalten sich genauso wie die groûen Untereinheiten von Rubisco, die mit einem anderen Protein assoziiert werden, das man nachher im Komplex nicht mehr findet.8 Dieses Protein, das mit neu synthetisierten schweren Ketten assoziiert ist, aber nicht mit schweren Ketten, die bereits an leichte Ketten gebunden sind, wurde als 7     oder BiP bezeichnet. BiP hat, wie sich spåter zeigte, ein Molekulargewicht von 70 000. Bisher haben wir zwei Forschungsrichtungen kennen gelernt: eine, die sich der Hitzeschockreaktion widmete, und die andere, die sich mit Proteinen befasste, die den Proteinzusammenbau færdern. Diese beiden Gebiete wurden 1986 vereinigt, als man zeigen konnte, dass eines der Proteine, das eine ganz wichtige Rolle bei der Hitzeschockreaktion spielt und das wegen seines Molekulargewichts 2 $

   @A 32 @A4 genannt wurde, identisch ist mit BiP, dem Protein, das am Zusammenbau der Antikærper beteiligt ist.9 Bereits vor der Entdeckung der Hitzeschockreaktion wusste man, dass die Proteinstruktur temperaturempfindlich ist und dass bereits eine geringe Temperaturerhæhung ausreicht, dass diese empfindlichen Molekçle ihre Faltung verlieren. Durch diesen Prozess gelangen hydrophobe Reste, die vorher im Inneren des Proteins verborgen waren, nach auûen. Ge-

nauso wie Fettmolekçle in einer Suppenschçssel zu einem Fettauge verschmelzen, ergeht es auch Proteinen mit hydrophoben Anteilen auf ihrer Oberflåche. Daher werden, wenn eine Zelle einem Hitzeschock ausgesetzt wird, læsliche Proteine denaturiert und bilden Aggregate. 1985 zeigte eine Arbeit, dass neu synthetisierte hsp70-Molekçle nach einer Temperaturerhæhung in Zellkerne eindringen, sich dort an die Aggregate von Kernproteinen heften und dann die Aggregate wie molekulare Stemmeisen auflæsen.10 Wegen ihrer Rolle als Helfer beim Zusammenbau von Proteinen, bei denen sie unerwçnschte Wechselwirkungen unterbinden, bezeichnet man hsp70 und verwandte Molekçle als   + .11 Es zeigte sich bald, dass das bakterielle Hitzeschockprotein GroEL und das Protein fçr den Zusammenbau von Rubisco in Pflanzen homologe Proteine sind. Genauer gesagt befinden sich in beiden Proteinen an fast der Hålfte aller çber 500 Reste des jeweiligen Molekçls dieselben Aminosåuren.12 Aufgrund der Tatsache, dass die beiden Proteine, die beide zur 2 BA+     gehæren, so viele identische Aminosåuren haben, wird deutlich, dass sie in den beiden Zelltypen åhnliche essentielle Funktionen haben. Aber welche? Damals glaubte man, dass ihre Hauptfunktion darin bestçnde, den Zusammenbau von Komplexen mit mehreren Untereinheiten wie etwa Bakteriophagen oder Rubisco zu ermæglichen. Diese Sichtweise ånderte sich aufgrund von Experimenten, bei denen molekulare Chaperone in Mitochondrien untersucht wurden. Es war bekannt, dass neu im Cytosol synthetisierte mitochondriale Proteine die åuûeren Mitochondrienmembranen in einer entfalteten, ausgestreckten monomeren Form durchqueren mçssen. Man fand eine Mutante, welche die Aktivitåt eines anderen Mitglieds der Hsp60-Chaperonfamilie ånderte, die sich in Mitochondrien befand. In Zellen, die dieses mutierte Chaperon enthielten, konnten Proteine, die in die Mitochondrien transportiert worden waren, nicht ihre aktive Form annehmen.13 Selbst Proteine, die nur aus einer einzigen Polypeptidkette bestehen, konnten nicht ihre native Konformation einnehmen. Diese Befunde haben die Auffassung von der Funktion der Chaperone von Grund auf veråndert: Heute glaubt man nicht mehr, dass sie den Zusammenbau bereits gefalteter Untereinheiten in græûere Komplexe færdern, sondern ist der Ansicht, dass sie die Polypeptidketten bei ihrer Faltung unterstçtzen.



Die Bildung komplexer makromolekularer Strukturen

Die Befunde dieser und anderer Untersuchungen zeigten, dass in Zellen mindestens zwei græûere Familien molekular Chaperone vorhanden sind: die Hsp70-Chaperone wie BiP sowie die Hsp60-Chaperone wie Hsp60, GroEL und das Rubisco-assembly-Protein (die auch als +   bezeichnet werden). Wir wollen uns auf die Hsp60-Chaperonine wie GroEL konzentrieren, die am besten untersuchen sind. Wie 1979 erstmals deutlich wurde, ist GroEL ein riesiger molekularer Komplex aus 14 Polypeptid-Untereinheiten, die in zwei aufeinander gestapelten Ringen angeordnet sind.5,6 15 Jahre nach diesen ersten elektronenmikroskopischen Aufnahmen wurde die dreidimensionale Struktur des GroEL-Komplexes mithilfe einer Ræntgenstrukturanalyse ermittelt.14 Die Untersuchung zeigte, dass sich mitten im GroEL-Zylinder ein Hohlraum befindet. Spåtere Studien zeigten, dass dieser Hohlraum aus zwei getrennten Kammern besteht, jeweils eine an jedem Ende des Komplexes. Jede Kammer befindet sich im Zentrum eines der Ringe des GroEL-Komplexes und ist groû genug, um ein Polypeptid aufzunehmen, das sich gerade faltet. Aufgrund elektronenmikroskopischer Untersuchungen wissen wir auch etwas çber die Funktion eines zweiten Proteins, GroES, das mit GroEL wechselwirkt. Wie GroEL ist auch GroES ein ringfærmiges Protein mit sieben Untereinheiten, die symmetrisch um eine zentrale Achse herum angeordnet sind. GroES besteht allerdings nur aus einem Ring, und seine Unter-

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einheiten sind viel kleiner (Molekulargewicht 10 000) als die von GroEL (Molekulargewicht 60 000). GroES bildet eine Kappe oder Kuppel, die oben auf eines der beiden Enden eines GroEL-Zylinders passt (Abb. 2). Wenn sich GroES an ein Ende von GroEL heftet, fçhrt das zu einer drastischen Konformationsånderung des GroEL-Proteins, durch die sich das Volumen der Kammer im Innern an diesem Ende des Komplexes deutlich vergræûert.15 Wie wichtig diese Konformationsånderung ist, haben erstaunlich deutlich Ræntgenstrukturanalysen aus den Labors von Arthur Horwich und Paul Sigler an der Yale University offenbart.16 Wie in Abb. 3 zu sehen ist, ist die Bin-

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Die chemischen Grundlagen des Lebens

dung der GroES-Kappe mit einer Drehung der apikalen (roten) Domåne der Untereinheiten, aus denen der GroEL-Ring am Ende des GroELZylinders besteht, um 608 verbunden. Durch die Anheftung von GroES wird mehr als nur eine Konformationsånderung ausgelæst, durch die die GroEL-Kammer vergræûert wird. Vor der Anheftung von GroES ragen aus der Wand der GroEL-Kammer hydrophobe Reste, die der Wand einen hydrophoben Charakter verleihen. Nichtnative Polypeptide besitzen ebenfalls auf ihrer Auûenseite hydrophobe Reste, wåhrend diese bei nativen Polypeptiden im Innern verborgen sind. Weil hydrophobe Oberflåchen leicht Wechselwirkungen eingehen, bleibt die Oberflåche nichtnativer Polypeptide an der hydrophoben Auskleidung der GroEL-Kammer hången. Durch die Bindung von GroES an GroEL werden die hydrophoben Reste der GroELWand verdeckt und eine Reihe polarer Reste freigelegt, wodurch sich der Charakter der Kammerwand åndert. Durch diese Verånderung wird ein nichtnatives Polypeptid, das çber hydrophobe Wechselwirkungen mit der GroELWand verbunden war, in den freien Raum der Kammer abgedrångt. Wenn sich das Polypeptid

von der Kammerwand gelæst hat, kann es in diesem beschçtzten Raum seine richtige Konformation annehmen. Nach etwa 15 Sekunden trennt sich die GroES-Kappe vom GroEL-Ring und das Polypeptid wird aus der Kammer geschleudert. Hat das Polypeptid zu diesem Zeitpunkt noch nicht seine native Konformation erreicht, kann es erneut an dasselbe oder ein anderes GroEL binden ± und der Prozess beginnt von vorne. Ein Modell, das einige Schritte veranschaulicht, zu denen es vermutlich bei der von GroEL und GroES gefærderten Faltung kommt, findet man in Abb. 4. In einer Bakterienzelle kænnen Hunderte verschiedener Proteine mit GroEL wechselwirken.17 Wie ist es mæglich, dass ein Chaperon so viele verschiedene Polypeptide bindet? Die GroELBindungsstelle besitzt eine hydrophobe Oberflåche, die groûenteils aus zwei
-Helices der apikalen Domåne besteht. Diese Domåne kann praktisch an jede Sequenz mit hydrophoben Resten binden, die bei einem teilweise oder vollkommen falsch gefalteten Polypeptid noch nicht verborgen sind.18 Wenn man die Kristallstruktur des ungebundenen GroEL-Molekçls mit der des GroEL-Molekçls vergleicht, das an meh-

n Abb. 4. %        % " !       9I !       ( .  %   !  # I     G 

 "    .  !'     ) " '        '    ! '    -  )              ;  .) $   ( # I        )  +% 51        I  ;    ) '      %)  !   )   &     G      ) " '   ( BC  '    ( # I  (   G B           ;  

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Die Bildung komplexer makromolekularer Strukturen

rere unterschiedliche Peptide gebunden ist, zeigt sich, dass die Bindungsstelle in der apikalen Domåne einer GroEL-Untereinheit ihre Position danach ausrichten kann, an welche Partner sie gebunden ist. Dieser Befund belegt, dass die Bindungsstelle eine strukturelle Flexibilitåt besitzt, die es ihr ermæglicht, ihre Form der des jeweiligen Polypeptid anzupassen, mit dem es wechselwirken muss. Wir halten Proteine fçr hochspezialisierte Molekçle mit einem enormen Einfluss auf nur sehr wenige Ereignisse. Die meisten Enzyme beispielsweise kænnen die Reaktionsgeschwindigkeit enorm beschleunigen ± aber nur bei einer oder nur wenigen verwandten Reaktionen. GroEL dagegen kann ein breites Spektrum unterschiedlicher Proteine bei seiner Faltung unterstçtzen, was ihm den Namen ¹Faltungsmaschine fçr viele, aber Meister von keinemª eingetragen hat.19 Nach dieser Vorstellung ist die GroEL-GroES-Struktur ein ¹Kompromissª, der es dem Chaperonin ermæglicht, vielen verschiedenen Proteinen in einem gewissem Ausmaû zu helfen, ohne irgendein Protein wesentlich unterstçtzen zu kænnen. Diese Vorstellung zum GroEL-GroES-Komplex wird durch eine Untersuchung untermauert, in der mithilfe der Oligonucleotidmutagenese ein kritischer Rest, Tyr71 in GroES, veråndert wurde, dessen Seitenkette aus der Decke der Faltungskammer herausragt.20 Wegen seines aromatischen Rings ist Tyrosin leicht hydrophob (Abb. 2.26). Wird Tyr 71 durch eine positiv oder negativ geladene Aminosåure ersetzt, kann diese GroEL-GroESVariante besser die Faltung eines spezifischen fremden Polypeptids, des grçn fluoreszierenden Proteins (GFP), unterstçtzen. Tyr71-Substitutionen, die diese Fåhigkeit verbessern, sorgen allerdings gleichzeitig dafçr, dass das Chaperonin seinen natçrlichen Substraten nicht so gut bei der Faltung helfen kann. Je stårker somit das Chaperonin auf eine Wechselwirkungen mit GFP spezialisiert ist, desto mehr verliert es seine generelle Fåhigkeit, Proteinen bei der Faltung zu assistieren, die eine andere Struktur aufweisen. Aufgrund dieses Befundes kann man vermuten, dass einzelne Aminosåuren in der Wand der Faltungskammer auf irgendeine Weise an der Faltung beteiligt sind. Mit anderen Worten: Chaperonine machen mehr, als nur eine passive Kammer zu bilden, in der sich Proteine ungestært falten kænnen. Man sollte daran denken, dass Chaperone keine Informationen çber den Faltungsprozess çbermitteln, sondern Proteine daran hindern,

50/

ihre normale Faltungsweise aufzugeben und sich falsch zu falten oder Aggregate zu bilden. Es hat sich bewahrheitet, was Anfinsen vor Jahrzehnten entdeckt hat: Mit der Aminosåuresequenz ist die dreidimensionale Proteinstruktur vorgegeben. Literatur 1. Ritossa F (1962) A new puffing pattern induced by temperature shock and DNP in Drosophila. Experentia 18:571±573 2. Tissieres A, Mitchell HK, Tracy UM (1974) Protein synthesis in salivary glands of Drosophila melanogaster: Relation to chromosomal puffs. J Mol Biol 84:389±398 3. Sternberg N (1973) Properties of a mutant of Escherichia coli defective in bacteriophage lambda head formation (groE). J Mol Biol 76:1±23 4. Georgopoulos CP et al (1973) Host participation in bacteriophage lambda head assembly. J Mol Biol 76:45±60 5. Hohn T et al (1979) Isolation and characterization of the host protein groE involved in bacteriophage lambda assembly. J Mol Biol 129:359±373 6. Hendrix RW (1979) Purification and properties of groE, a host protein involved in bacteriophage assembly. J Mol Biol 129: 375±392 7. Barraclough R, Ellis RJ (1980) Protein synthesis in chloroplasts. IX Biochim Biophys Acta 608:19±31 8. Haas IG, Wabl M (1983) Immunoglobulin heavy chain binding protein. Nature 306:387±389 9. Munro S, Pelham HRB (1986) An Hsp70-like protein in the ER: Identity with the 78 kD glucose-regulated protein and immunoglobin heavy chain binding protein. Cell 46:291±300 10. Lewis MJ, Pelham HRB (1985) Involvement of ATP in the nuclear and nucleolar functions of the 70kD heat-shock protein. EMBO J 4:3137±3143 11. Ellis J (1987) Proteins as molecular chaperones. Nature 328:378±379 12. Hemmingsen SM et al (1988) Homologous plant and bacterial proteins chaperone oligomeric protein assembly. Nature 333:330±334 13. Cheng MY et al (1989). Mitochondrial heat-shock protein Hsp60 is essential for assembly of proteins imported into yeast mitochondria. Nature 337:620±625 14. Braig K et al (1994) The crystal structure of the bacterial chaperonin GroEL at 2.8A. Nature 371:578±586 15. Chen S et al (1994) Location of a folding protein and shape changes in GroEL-GroES complexes. Nature 371:261±264 16. Xu Z, Horwich AL. Sigler PB (1997) The crystal structure of the asymmetric GroEL-GroES-(ADP)7 chaperonin complex. Nature 388:741±750 17. Houry WA et al (1999) Identification of in vivo substrates of the chaperonin GroEL. Nature 402:147±154 18. Chen l, Sigler P (1999). The crystal structure of a GroEL/peptide complex: plasticity as a basis for substrate diversity. Cell 99:757±768 19. Erbse A et al (2003) A folding machine for many but a master of none. Nature Struct Biol 10:84±86 20. Wang JD et al (2002) Directed evolution of substrateoptimized GroEL/S chaperonins. Cell 111:1027±1039

506

Die chemischen Grundlagen des Lebens

Zusammenfassung C 9  7  '  $

      . Kovalente Bindungen sorgen fçr stabile Beziehungen, die sich herausbilden, wenn sich Atome ihre Elektronen auf der åuûeren Schale teilen und so jedes seine Schale auffçllen kann. Kovalente Bindungen kænnen Einfach-, Doppeloder Dreifachbindungen sein, je nachdem, wie viele Elektronenpaare sich die Atome teilen. Wenn die Elektronen zwischen den an der Bindung beteiligten Atomen nicht exakt aufgeteilt werden, trågt das Atom mit der græûeren Anziehungskraft (das stårker elektronegative Atom) eine partiell negative Ladung, wåhrend das andere Atom eine teilweise positive Ladung aufweist. Molekçle ohne polare Bindungen haben einen unpolaren oder hydrophoben Charakter und sind daher wasserunlæslich. Molekçle mit polarisierten Bindungen haben einen polaren oder hydrophilen Charakter, wodurch sie sich im Wasser læsen. Biologisch wichtige polare Molekçle enthalten ein oder mehrere elektronegative Atome, normalerweise O, N, S oder P (Kap. 2.1). )  9  7       9  '   $   1 $' 

    9    9   7          $'   $'     . Nichtkovalente Bindungen sind entscheidend fçr den Strukturerhalt biologischer Molekçle und fçr die Vermittlung ihrer dynamischen Aktivitåten. Zu den nichtkovalenten Bindungen gehæren Ionenbindungen, Wasserstoffbrçcken und vander-Waals-Kråfte. Ionenbindungen bilden sich zwischen positiv und negativ geladenen Gruppen; Wasserstoffbrçcken bilden sich zwischen einem kovalent gebundenen Wasserstoffatom (das eine partiell positive Ladung trågt) und einem kovalent gebundenen Stickstoff- oder Sauerstoffatom (mit einer partiell negativen Ladung); van-der-Waals-Kråfte bilden sich zwischen zwei Atomen, die aufgrund einer vorçbergehenden asymmetrischen Elektronenverteilung zeitweise geladen sind. Unpolare Molekçle oder unpolare Anteile græûerer Molekçle assoziieren in wåssrigem Milieu håufig miteinander und bilden hydrophobe Wechselwirkungen. Zu diesen verschiedenen Typen nichtkovalenter Wechselwirkungen gehæren die Assoziation von DNA und Proteine çber Ionenbindungen, die Assoziation zweier DNAStrånge çber Wasserstoffbrçcken sowie die

Bildung des hydrophoben Kerns læslicher Proteine aufgrund von hydrophoben Wechselwirkungen und von van-der-Waals-Kråften (Kap. 2.1.1).  8      $    #      

 0 Die kovalenten Bindungen eines Wassermolekçls sind stark polarisiert. Daher ist Wasser ein ausgezeichnetes Læsungsmittel, das praktisch mit allen polaren Molekçlen Wasserstoffbrçcken bilden kann. Wasser bestimmt aber auch wesentlich sowohl die Struktur biologischer Molekçle als auch die Arten von Wechselwirkungen, die sie eingehen kænnen. Der pH-Wert einer Læsung ist ein Maû fçr ihre Wasserstoffionenkonzentration. Die meisten biologischen Prozesse sind sehr empfindlich gegençber dem pH-Wert, weil Verånderungen in der Wasserstoffionenkonzentration sich auf das Ausmaû der Ionisierung der biologischen Molekçle auswirken. Zellen werden durch Puffer ± Verbindungen, die mit Wasserstoff- oder Hydroxylionen reagieren ± vor Schwankungen des pH-Wertes bewahrt (Kap. 2.2.4).         $      7      . Jedes Kohlenstoffatom kann an bis zu vier andere Atome binden ± auch an andere Kohlenstoffatome. Aufgrund dieser Eigenschaft kænnen sich groûe Molekçle bilden, deren Gerçst aus einer Kette von Kohlenstoffatomen besteht. Molekçle, die nur aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen, nennt man Kohlenwasserstoffe. Die meisten biologisch wichtigen Molekçle enthalten funktionelle Gruppen mit einem oder mehreren elektronegativen Atomen, durch die das Molekçl polarer, leichter wasserlæslich und reaktiver wird (Kap. 2.4). #   9  9   :   

     % " 8  " /    )  10     %          D  3/%

  4"    

  0 Kohlenhydrate dienen vor allem als Speicher chemischer Energie und als belastbares Baumaterial fçr biologische Strukturen. Einfache biologische Zucker bestehen aus einem Gerçst von drei bis sieben Kohlenstoffatomen, von denen jedes mit einer Hydroxylgruppe verknçpft ist ± bis auf eines, das eine Carbonylgruppe trågt. Zucker mit fçnf oder mehr Kohlenstoffatomen bilden durch eine intramolekulare Reaktion ein ringfærmiges Molekçl.



Zusammenfassung

Aufgrund dieser Kohlenstoffatome im Zuckergerçst, die mit vier verschiedenen Gruppen verbunden sind, kommt es zur Ausbildung von Stereoisomeren ± einem Paar von Isomeren, die man nicht zur Deckung bringen kann. Anhand des asymmetrischen Kohlenstoffatoms, das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernt ist, entscheidet sich, ob es sich um einen d- oder l-Zucker handelt. Zucker werden çber glycosidische Bindungen miteinander zu Disacchariden, Oligosacchariden oder Polysacchariden verbunden. Tiere speichern Zucker vor allem als verzweigtes Polysaccharid Glycogen ± eine schnell verfçgbare Energiequelle. Pflanzen speichern Glucosereserven in Form von Stårke, einer Mischung aus unverzweigter Amylose und verzweigtem Amylopectin. Die meisten Zucker in Glycogen und Stårke sind çber eine
(1 ? 4) Bindung miteinander verbunden. Cellulose, ein strukturelles Polysaccharid und wichtiger Zellwandbestandteil, wird von Pflanzenzellen gebildet. Die Glucosemonomere in der Cellulose sind çber (1 ? 4)-Bindungen miteinander verbunden, die von Cellulase gespalten werden, einem Enzym, das Tiere nicht besitzen. Chitin ist ein strukturelles Polysaccharid, das aus )-Acetylglucosamin-Monomeren besteht (Kap. 2.5). 8      9 1  

 %         &  & 
 . Fette bestehen aus einem Glycerinmolekçl, das mit drei Fettsåuren verestert ist. Fettsåuren unterscheiden sich in ihrer Kettenlånge sowie der Anzahl und Position ihrer Doppelbindungen (ungesåttigte Bindungen). Fette enthalten sehr viel chemische Energie; ein Gramm Fett enthålt mehr als doppelt soviel Energie wie ein Gramm eines Kohlenhydrats. Steroide sind eine Lipidgruppe mit einem charakteristischen Kohlenwasserstoffgerçst aus vier Ringen. Zu den Steroiden gehæren Cholesterin sowie zahlreiche Hormone (beispielsweise Testosteron, Ústrogen und Progesteron), die vom Cholesterin abgeleitet sind. Phospholipide sind Lipidmolekçle, die Phosphatgruppen enthalten und ein hydrophobes und ein hydrophiles Ende haben; sie sind von zentraler Bedeutung fçr die Struktur und Funktion von Zellmembranen (Kap. 2.5.2). /    "   9       
        1   "    /   $ /%  9 0 Das vielfåltige Proteinspektrum umfasst Enzyme,

50D

Strukturelemente, Membranrezeptoren, Steuerungsfaktoren fçr Gene, Hormone, Transportmolekçle und Antikærper. In welcher Reihenfolge die 20 verschiedenen Aminosåuren zu einem Protein zusammengesetzt werden, ist in der Nucleotidsequenz der DNA festgelegt. Alle 20 Aminosåuren haben eine gemeinsame Struktur, die aus einem
-Kohlenstoff besteht, der mit einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe sowie mit unterschiedlichen Seitenketten verbunden ist. Es gibt vier Typen von Seitenketten: Solche, die bei einem physiologischen pH-Wert geladen sind; solche, die polar, aber ungeladen sind und Wasserstoffbrçcken bilden kænnen; solche, die unpolar sind und mithilfe von van-der-WaalsKråften wechselwirken; ferner die drei Aminosåuren Prolin, Cystein und Glycin, die ganz spezielle Eigenschaften besitzen (Kap. 2.5.3).       &   /    9 9  # $   - 1    0 Die Aminosåuresequenz eines Polypeptids bestimmt die Primårstruktur; die dreidimensionale Struktur (Konformation) der Abschnitte des Polypeptidgerçsts entspricht der Sekundårstruktur; aus der Konformation des gesamten Polypeptids ergibt sich die Tertiårstruktur; und, wenn ein Protein aus mehr als einer Polypeptidkette besteht, ergibt sich aus der Anordnung der Untereinheiten die Quartårstruktur. Die
-Helix und das -Faltblatt, stabile Sekundårstrukturen mit der maximalen Anzahl an Wasserstoffbrçcken, findet man in vielen Proteinen. Die Tertiårstruktur eines Proteins ist åuûerst komplex und einzigartig bei jedem der verschiedenen Proteintypen. Die meisten Proteine sind insgesamt kugelfærmig, wobei das Polypeptid eine kompakte Form annimmt, in der sich bestimmte Reste an strategisch wichtigen Stellen befinden, damit das Protein seine spezifische Aufgabe erfçllen kann. Die meisten Proteine bestehen aus zwei oder mehr Domånen, die voneinander strukturell und funktionell unabhångig sind. Mithilfe der Oligonucleotidmutagenese, bei der bestimmte Nucleotide ausgetauscht werden, kænnen Wissenschaftler herausfinden, welche Rolle bestimmte Aminosåurereste spielen. In den letzten Jahren ist das neue Gebiet der Proteomik entstanden, bei der mithilfe moderner Technologien wie der Massenspektrometrie und åuûerst schnellen Rechnern verschiedene Eigenschaften einer groûen Anzahl von Proteinen untersucht werden. So wurden beispielsweise die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen allen etwa 6000 im Hefe-

50H

Die chemischen Grundlagen des Lebens

genom codierten Proteinen im groûen Maûstab analysiert (Kap. 2.5.3).   6  "     "      /%     9         "    / 1       0 Einige Proteine kænnen von sich aus ihre endgçltige Konformation annehmen, andere benætigen die Hilfe unspezifischer Chaperone, die verhindern, dass partiell gefaltete Zwischenprodukte Aggregate bilden (Kap. 2.5.3). )  1   1 6    "    &1 9 )     0 Jedes Nucleotid eines Strangs besteht aus einem Zucker, einem Phosphat und einer stickstoffhaltigen Base. Die Nucleotide werden çber Bindungen zwi-

schen der 3'-Hydroxylgruppe des Zuckers des einen Nucleotids und der 5'-Phosphatgruppe des benachbarten Nucleotids verknçpft. Sowohl RNA als auch DNA bestehen aus vier verschiedenen Nucleotidbausteinen; man unterscheidet die Nucleotide anhand ihrer Basen, die entweder ein Pyrimidin (Cytosin oder Uracil/Thymin) oder Purin (Adenin oder Guanin) sein kænnen. DNA ist eine doppelstrångige Nucleinsåure. RNA ist generell einzelstrångig, obwohl der Einzelstrang oft an sich selbst zurçckgefaltet ist und daher doppelstrångige Bereiche aufweist. Die Information der Nucleinsåure ist in der spezifischen Nucleotidsequenz codiert, aus der ein Strang besteht (Kap. 2.5.4).

Zur Selbstçberprçfung 1. Es kommt zu einer Sichelzellanåmie, wenn eine Glutaminsåure durch ein Valin ersetzt wird. Was wçrde passieren, wenn durch die Mutation ein Leucin an diese Stelle tråte? Oder eine Asparaginsåure? 2. Welche der Aminosåuren Glycin, Isoleucin und Lysin wçrde sich wahrscheinlich in einer sauren wåssrigen Læsung am besten læsen? Welche am schlechtesten? 3. Wie viele Strukturisomere kann ein Molekçl mit der Formel C5H12 bilden? Oder mit der Formel C4H8? 4. Glyceraldehyd ist die einzige Aldotetrose mit drei Kohlenstoffatomen; es gibt zwei Stereoisomere dieses Molekçls. Welche Struktur hat Dihydroxyaceton, die einzige Ketotriose? Wie viele Stereoisomere gibt es davon? 5. Bakterien veråndern bekanntlich die Fettsåuretypen, die sie synthetisieren, wenn sich die Temperatur in ihrer Umgebung åndert. Welche Arten von Verånderungen erwarten Sie in Fettsåuren, wenn die Temperatur sinkt? Warum wçrde das fçr ihre Anpassungsfåhigkeit sprechen? 6. Geben Sie an, wo sich im Polypeptidgerçst ±C±C±N±C±C±N±C±C±NH2 die
-Kohlenstoffatome befinden. 7. Welche der folgenden Behauptungen sind wahr? Wenn man den pH-Wert einer Læsung erhæht, (1) verhindert man die Dissoziation einer Carbonsåure, (2) wird eine

8.

9.

10.

11.

12.

Aminogruppe stårker geladen, (3) erhæht sich die Dissoziation einer Carbonsåure, (4) verringert man die Ladung einer Aminogruppe. In welcher der vier Aminosåuregruppen kænnen die Seitenketten die meisten Wasserstoffbrçcken bilden? Welche Gruppe hat das græûte Potenzial, Ionenbindungen zu bilden? Hydrophobe Wechselwirkungen? Wenn die drei Enzyme des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes isoliert wåren und keinen Komplex bilden wçrden, wie wçrde sich das auf die Geschwindigkeit der durch diese Enzyme katalysierten Reaktionen auswirken? Stimmen Sie der Behauptung zu, dass weder Ribonuclease noch Myoglobin eine Quartårstruktur haben? Warum oder warum nicht? Wie viele verschiedene Tripeptide kann es geben? Wie viele Carboxylenden haben die Polypeptidketten eines Håmoglobin-Molekçls? Sie haben ein Pentapeptid mit vier Glycinresten und einem Lysinrest isoliert, der sich am C-Terminus des Peptids befindet. Beantworten Sie mithilfe der Informationen aus der Legende zu Abb. 2.27 folgende Frage: Welche Struktur hat das Peptid bei pH 7, wenn der pK-Wert der Seitenkette des Lysins bei 10 und der pK-Wert der endståndigen Carboxylgruppe bei 4 liegt? Welche Struktur hat es bei pH 12?



Weiterfçhrende Literatur

13. Die Seitenketten der Glutaminsåure (pK 4,3) und Arginin (pK 12,5) kænnen unter bestimmten Bedingungen eine Ionenbindung eingehen. Zeichnen Sie die relevanten Anteile der Seitenketten und geben Sie an, ob bei den folgenden pH-Werten Ionenbindungen gebildet werden kænnen oder nicht: (1) pH 4; (2) pH 7; (3) pH 12; (4) pH 13. 14. Kann eine hochkonzentrierte Salzlæsung Ribonuclease denaturieren? Warum oder warum nicht? 15. Wie Sie der Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª entnommen haben, kænnen (1) Mutationen im -)-Gen die Wahrscheinlichkeit erhæhen, dass ein Polypeptid die PrPSc-Konformation annimmt und somit eine CJD auslæst, und kann (2) die Aufnahme des PrPSc-Prions zu einer Infektion fçhren, die ebenfalls CJD verursacht. Wie låsst sich das Auftreten seltener sporadischer CJD-Fålle bei Personen erklåren, die keine entsprechende genetische Veranlagung haben? 16. Ein Einwand von Wissenschaftlern, die bei Prionenerkrankungen nicht an die ¹$   $ ª-Hypothese glauben, ist der, dass

50A

die Menschen am håufigsten zwischen 50 und 60 Jahren und nicht spåter an CJD erkranken. Warum gibt es ± unter Berçcksichtigung Ihrer Antwort auf die vorige Frage ± einen Zusammenhang zwischen dem Alter der Patienten und der zugrunde liegenden Krankheitsursache? 17. Wie wir in Kap. 2.5.4 gesehen haben, haben sich in der Evolution Proteinfamilien entwickelt, die aus verwandten Molekçlen mit åhnlichen Funktionen bestehen. Man kennt auch einige Beispiele, in denen Proteine mit sehr åhnlichen Funktionen Primår- und Tertiårstrukturen haben, die keinerlei Anzeichen einer evolutionåren Verwandtschaft aufweisen. Subtilisin und Trypsin beispielsweise, zwei Enzyme, die Proteine spalten (Proteasen), zeigen keinerlei Anzeichen einer Homologie ± bis auf die Tatsache, dass sie ihre Substrate auf dieselbe Weise angreifen. Wie låsst sich diese Ûbereinstimmung erklåren? 18. Stimmen Sie der Behauptung zu, dass viele verschiedene Aminosåuresequenzen im Grunde dieselbe Tertiårstruktur haben kænnen? Welche Tatsachen sprechen fçr diese These?

2.7 Erweitern sie Ihr Verståndnis, indem sie Karps Weiterfçhrende Literatur Internetseite www.wiley.com/college/karp

Internetseite ¹Zell- und Molekularbiologieª besuchen. Dort finden Sie '  die gestellten
  $ & ,     , die schwierige Sachverhalte und Begriffe verdeutlichen,   , die Ihnen bei Prçfungsvorbereitungen helfen, sowie 8  zu interessanten Seiten im Netz. Zusåtzlich zu der Literaturliste unten kann man auf der Internetseite auch noch '  8 finden.

Allgemeine Biochemie Berg JM, Stryer L, Tymoczko JL (2003) Biochemie. Spektrum, Heidelberg Nelson DL et al (2000) Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd ed. Freeman & Worth, New York Voet D, Voet JG (2004) Biochemistry 4. Ausg., 2 Bd. Wiley & Sons, New York

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

3

3.1 Bioenergetik 3.2 Enzyme, die biologischen Katalysatoren 3.3 Stoffwechsel Aus Sicht des Menschen: Das wachsende Problem der Antibiotikaresistenz

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Die Wechselbeziehung zwischen Struktur und Funktion zeigt sich auf allen Ebenen biologischer Organisation ± man findet sie bei den Molekçlen ebenso wie bei den Organismen. Wie wir im letzten Kapitel gesehen haben, besitzen die Proteine eine komplizierte dreidimensionale Struktur, die davon abhångt, dass sich die einzelnen Aminosåurereste genau an der richtigen Position befinden. In diesem Kapitel werden wir uns der groûen Proteingruppe der Enzyme zuwenden und betrachten, wie sie aufgrund ihrer komplexen Architektur die Geschwindigkeit bio-

logischer Reaktionen drastisch erhæhen kænnen. Um zu verstehen, wie Enzyme solche Leistungen vollbringen kænnen, muss man sich den Energiefluss beim Ablauf einer chemischen Reaktion vor Augen fçhren, was uns zum Thema Thermodynamik bringt. Ein kurzer Ûberblick çber die Prinzipien der Thermodynamik trågt ebenfalls dazu bei, viele Zellprozesse wie die Wanderung von Ionen durch Membranen, die Synthese von Makromolekçlen und den Aufbau cytoskelettaler Netzwerke zu erklåren, die in diesem und in den folgenden Kapiteln erærtert werden. Wie wir

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

noch sehen werden, låsst die thermodynamische Analyse eines Systems sofort erkennen, ob Ereignisse spontan ablaufen kænnen, und gibt uns, falls das nicht der Fall ist, ein Maû dafçr, wie viel Energie eine Zelle aufbringen muss, damit der Prozess ablaufen kann. Im letzten Abschnitt dieses Kapitels werden wir darauf eingehen, wie aus einzelnen chemischen Reaktionen ganze Stoffwechselwege entstehen und wie die Energieund Grundstoffzufuhr durch bestimmte Stoffwechselwege gesteuert werden kann.

3.1 Bioenergetik In einer lebenden Zelle ist immer etwas los. In ihr werden beispielsweise alle mæglichen Makromolekçle aus Rohmaterialien zusammengesetzt, es fallen Abfallprodukte an, die ausgeschieden werden, genetische Informationen werden vom Zellkern ins Cytoplasma transportiert, Vesikel vom Golgi-Apparat zur Plasmamembran geschleust und Ionen durch Zellmembranen gepumpt. Um all diese Aktivitåten auf Dauer durchfçhren zu kænnen, verbraucht eine Zelle Energie, mit der sie versorgt werden muss. Die Wissenschaft von den verschiedenen Arten der Energieumwandlung in Lebewesen bezeichnet man als 7  . 3.1.1 Die Gesetze der Thermodynamik und der Begriff der Entropie Als #  definiert man die Fåhigkeit, Arbeit zu leisten, d. h. etwas zu åndern oder zu bewegen. ! %   ist die Lehre von den

Energieverånderungen, die mit Ereignissen im Universum verbunden sind. Auf den folgenden Seiten werden wir uns auf eine Reihe von Begriffen konzentrieren, mit denen sich vorhersagen låsst, welche Richtung Ereignisse einschlagen und ob noch zusåtzlich Energie benætigt wird oder nicht, damit das betreffende Ereignis stattfinden kann. Mit thermodynamischen Messungen låsst sich allerdings nicht feststellen, wie schnell ein bestimmter Prozess ablåuft oder mithilfe welcher spezifischen Mechanismen eine Zelle den Prozess durchfçhrt.  E0 2 

$  ! %    E0 2 

$  ! %   ist das Gesetz der Energieerhaltung. Es besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Energie kann jedoch von einer Form in eine andere '  werden. Wenn wir eine elektrische Uhr an die Steckdose anschlieûen, wird elektrische Energie in mechanische Energie verwandelt (Abb. 3.1 a), und wenn in einem Ofen Heizæl verbrannt wird, wird chemische Energie in thermische Energie umgewandelt. Zellen kænnen ebenfalls Energie umwandeln. Wie wir noch in spåteren Kapiteln erærtern werden, wird die in bestimmten biologischen Molekçlen wie ATP gespeicherte chemische Energie n in mechanische Energie umgewandelt, wenn sich Organellen von einem Platz in der Zelle an einen anderen bewegen, n in elektrische Energie umgewandelt, wenn Ionen durch eine Membran flieûen, n in thermische Energie umgewandelt, wenn bei der Kontraktion einer Muskelzelle Wårme entsteht (Abb. 3.1 b).


n Abb. 3.1 a±c.       '  a 4 '             " b 4'            

     " c 4'         .  



Bioenergetik

555

n Abb. 3.2 a, b.  &         

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Die wichtigste Energieumwandlung in der Welt der Biologie ist die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie, der Prozess der Photosynthese, bei dem die Energie gewonnen wird, die direkt oder indirekt die Aktivitåten fast aller Lebensformen ermæglicht.1 Eine Reihe von Tieren wie Glçhwçrmchen und Laternenfische kann chemische Energie wieder in Licht verwandeln (Abb. 3.1 c). Unabhångig vom Umwandlungsprozess bleibt allerdings die Gesamtmenge an Energie im Universum konstant. Um Energieumwandlungen im Bereich der Materie zu beschreiben, mçssen wir das Universum in zwei Bereiche aufteilen: Das &% , das untersucht wird, sowie das çbrige Universum, das wir als  bezeichnen. Man kann unterschiedlich definieren, was ein System ist: Es kann ein bestimmter Raum im Universum oder eine bestimmte Menge Materie sein. So kann beispielsweise eine lebende Zelle ein System sein. Die Energieverånderungen, zu denen es wåhrend eines Ereignisses in einem System kommt, manifestieren sich auf zweierlei Weise: als eine Verånderung des Wårmegehalts eines Systems oder als Verrichtung von Arbeit. Das System verliert oder gewinnt zwar unter Um-

stånden Energie, doch nach dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik muss dies durch einen entsprechenden Gewinn oder Verlust in der Umgebung ausgeglichen werden, so dass die Energiemenge im Universum konstant bleibt. Die Energie des Systems wird als  #  (E4 bezeichnet, deren Verånderung bei einer Umwandlung als D (Delta ) bezeichnet wird. Man kann den 1. Hauptsatz der Thermodynamik mit der Gleichung D = 0 ± 1 beschreiben, wobei 0 die Wårmeenergie und 1 die Arbeitsenergie ist. Je nachdem, um welchen Prozess es sich handelt, kann die innere Energie des Systems am Ende græûer, gleich oder geringer als zu Beginn sein; das hångt davon ab, in welcher Beziehung das System zu seiner Umgebung steht (Abb. 3.2). Mit anderen Worten: D kann positiv, Null oder negativ sein. Stellen Sie sich als System den Inhalt eines Reaktionsgefåûes vor. Solange sich der Druck oder das Volumen des Inhalts nicht åndert, hat weder das System an seiner Umgebung gearbeitet, also etwas veråndert oder bewegt, noch umgekehrt. In diesem Fall ist die innere Energie, wenn Wårme absorbiert wurde, græûer bzw., wenn Wårme freigesetzt wurde, geringer als zu Beginn. Reaktionen, bei denen Wårme freigesetzt wird, bezeichnet man als - , solche, bei denen Wårme aufgenommen wird, als  ; beide Reaktionstypen sind sehr håufig. Weil D fçr eine bestimmte Reaktion positiv oder negativ sein kann, kænnen wir daraus

1 Von einigen Gemeinschaften von Organismen weiû man, dass sie von der Photosynthese unabhångig sind. Dazu zåhlen Gemeinschaften, die in den Schwarzen Rauchern am Boden des Meeresbodens leben und ihren Energiebedarf durch bakterielle Chemosynthese decken.

112

Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

nicht ablesen, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein bestimmtes Ereignis eintritt. Um herauszufinden, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Umwandlung erfolgt, mçssen wir einige weitere Begriffe einfçhren. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Ereignisse im Universum eine Richtung haben. Sie neigen dazu, ¹abwårtsª von einem energiereicheren zu einem energieårmeren Zustand zu verlaufen. Daher nimmt die Energie, die fçr die Verrichtung zusåtzlicher Arbeit zur Verfçgung steht, bei einer Energieumwandlung ab. Felsen fallen von Klippen herunter auf den Erdboden und kænnen dort nur noch sehr eingeschrånkt zusåtzliche Arbeit verrichten; es ist sehr unwahrscheinlich, dass sie aus eigener Kraft wieder nach oben auf die Klippen zurçckkehren. Genauso ziehen sich entgegengesetzte Ladungen normalerweise an und stoûen sich nicht ab, oder Wårme stræmt von einem wårmeren zu einem kålteren Kærper und nicht umgekehrt. Man sagt, solche Ereignisse erfolgen spontan, ein Ausdruck, der besagt, dass sie thermodynamisch gçnstig sind und ohne Energiezufuhr von auûen ablaufen. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik war ursprçnglich fçr Wårmemaschinen konzipiert. Der Hauptsatz beinhaltet die Vorstellung, dass es thermodynamisch unmæglich ist, ein Perpetuum mobile zu konstruieren. Mit anderen Worten: Eine Maschine kann nicht 100%ig effizient sein, was nætig wåre, damit sie ohne zusåtzliche Energie immer weiter låuft. Ein gewisser Anteil der Energie geht unwiederbringlich verloren, wenn die Maschine arbeitet. Øhnliches gilt auch fçr Lebewesen. Wenn beispielsweise eine Giraffe an den Blåttern eines Baumes knabbert oder ein Læwe eine Giraffe verzehrt, bleibt der græûte Teil der chemischen Nahrungsenergie fçr das Tier, das frisst, unerreichbar. Die verfçgbare Energie nimmt im Verlauf eines Prozesses ab, weil das Universum bei jeder Energieçbertragung zu verstårkter Zufålligkeit oder Unordnung hin tendiert. Diese Zunahme der Unordnung misst man mit dem Begriff der Entropie, und der Verlust an verfçgbarer Energie wird als
D ausgedrçckt, wobei D der zwischen dem Anfangs- und Endzustand erfolgten Ønderung in der Entropie entspricht. Entropie ist mit den zufålligen Bewegungen von Materiepartikeln verbunden, mit denen, weil sie zufållig sind, keine gerichtete Arbeit geleistet werden kann. Dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik zufolge nimmt bei jedem Ereignis die Entropie im Universum zu. Wenn man beispielsweise ei-

nen Zuckerwçrfel in eine Tasse mit heiûen Wasser wirft, gehen die Molekçle spontan aus einem geordneten Zustand im Kristall in einen viel ungeordneteren Zustand çber, bei dem sich die Zuckermolekçle çberall in der Læsung verteilen (Abb. 3.3 a). Wenn sich die Molekçle des Zuckerwçrfels in der Flçssigkeit læsen, nimmt sowohl ihre Bewegungsfreiheit als auch die Entropie des Systems zu. Der Wechsel aus einem geordneten in einen ungeordneten Zustand beruht auf der Molekularbewegung. Die Zuckermolekçle verteilen sich letztlich gleichmåûig im verfçgbaren Raum, weil der Zustand einer gleichmåûigen Verteilung am wahrscheinlichsten ist.




 n Abb. 3.3 a, b. Ereignisse gehen mit einer Zunahme der Entropie im Universum einher. a Ein Zuckerwçrfel besteht aus einer hochgradig strukturierten Anordnung von Saccharose-Molekçlen, bei denen die Bewegungsfreiheit der einzelnen Molekçle eingeschrånkt ist. Wenn sich der Wçrfel auflæst, erhæht sich die Bewegungsfreiheit der einzelnen Molekçle erheblich, und sie verteilen sich aufgrund ihrer ungerichteten Bewegung gleichmåûig im gesamten verfçgbaren Raum. Sobald das eingetreten ist, gibt es keine weiteren Tendenzen zur Umkehr dieser Verteilung mehr, und das System befindet sich in einem Zustand hæchster Entropie. b Zufållig in einer Læsung verteilte Zuckermolekçle kænnen wieder einen geordneten Zustand annehmen ± allerdings nur, wenn sich die Entropie der Umgebung erhæht, wozu es kommt, wenn die Wassermolekçle von dem geordneteren Zustand, den sie in der wåssrigen Phase aufweisen, durch Verdunsten in einen ungeordneteren Zustand çbergehen

 Ein weiteres Beispiel fçr eine Zunahme der Entropie ist die Freisetzung von Wårme; dazu kommt es beispielsweise innerhalb der Zelle bei der Oxidation von Glucose oder aufgrund der Reibung, die entsteht, wenn Blut durch ein Gefåû flieût. Wenn Lebewesen thermische Energie freisetzen, erhæht sich die Geschwindigkeit der ungerichteten Bewegung der Atome und Molekçle; diese Energie kann nicht zur Verrichtung zusåtzlicher Arbeit umgeleitet werden. Da die Energie der molekularen und atomaren Bewegungen mit der Temperatur steigt, erhæht sich auch die Entropie. Nur am absoluten Nullpunkt (±273 8C), wenn såmtliche Bewegungen erstarren, ist die Entropie gleich Null. Wie bei anderen spontanen Ereignissen mçssen wir zwischen dem System und seiner Umgebung unterscheiden. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt nur, dass die Gesamtentropie im Universum zunimmt. In einem Teil des Universums (dem System) kann dagegen die Unordnung auf Kosten seiner Umgebung abnehmen. So kann etwa beim gelæsten Zucker die Entropie abnehmen, wenn er durch Verdunstung des Wasser erneut kristallisiert (Abb. 3.3 b). Infolgedessen nimmt dann allerdings die Entropie in der Umgebung zu. Die erhæhte Bewegungsfreiheit der Wassermolekçle in der Gasphase gleicht den Freiheitsverlust der Molekçle in den Zuckerkristallen mehr als aus. Das Leben funktioniert nach einem åhnlichen Prinzip. Lebewesen kænnen ihre eigene Entropie senken, indem sie die Entropie in ihrer Umgebung erhæhen. Die Entropie in einem Organismus sinkt, wenn etwa in einer Muskelzelle aus relativ einfachen Molekçlen wie Aminosåuren komplexere Molekçle wie das Protein Myoglobin entstehen. Dafçr muss dann die Entropie in der Umgebung steigen; dies wird dadurch erreicht, dass komplexe, geordnete Molekçle wie das in der Leber oder dem Muskelgewebe gespeicherte Glycogen in Wårme umgewandelt werden und kleinere, weniger geordnete Verbindungen (wie CO2 und H2O) in die Umwelt freigesetzt werden. Aufgrund dieser Eigenschaft ihres Stoffwechsels gelingt es den Lebewesen, zumindest vorçbergehend einen so hochgeordneten und unwahrscheinlichen Zustand aufrechtzuerhalten. Ein anderes Maû fçr den Energiezustand eines Lebewesens ist der Informationsgehalt seiner Makromolekçle. Was Information ist, ist schwer zu definieren, aber leicht zu erkennen. Als Maû fçr die Information kann man den Organisationsgrad nehmen, in dem die Untereinheiten einer Struktur angeordnet sind. Wåhrend beispielsweise Proteine und Nucleinsåuren mit ihrer spezifischen hochgradig geordneten linearen Ab-

Bioenergetik

55/

folge von Untereinheiten nur wenig Entropie enthalten, ist ihr Informationsgehalt hoch. Um diesen Zustand aufrechterhalten zu kænnen, muss Energie aufgewandt werden. Greifen wir nur mal ein DNA-Molekçl in einer Leberzelle heraus. Diese Zelle hat Dutzende verschiedener Proteine, deren einzige Aufgabe darin besteht, an der DNA entlang zu patrouillieren, um nach Schåden Ausschau zu halten und diese zu reparieren (ausfçhrliche Erærterung in Kap. 13.2). Die Nucleotide einer aktiven Zelle kænnen so schwer geschådigt werden, dass der Informationsgehalt der DNA ohne den Energieaufwand schnell sinken wçrde. Wie bereits in ¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.1.2 erærtert wurde, haben diejenigen Organismen, welche die unausweichliche Entropiezunahme besser aufhalten kænnen, eine hæhere Lebenserwartung. 3.1.2 Freie Enthalpie Zusammen besagen der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Energie im Universum konstant ist, aber die Entropie unaufhærlich zunimmt und einem Maximum entgegenstrebt. 1878 hatte der amerikanische Chemiker J. Willard Gibbs die Aussagen der ersten beiden Hauptsåtze zusammengefasst und mit der Gleichung D3 = D%+2D ausgedrçckt, wobei D% (Delta G) die Ønderung der Freien Enthalpie ist ± d. h. die im Laufe eines Prozesses auftretende Verånderung in der Energie, die zur Verrichtung von Arbeit zur Verfçgung steht; D3 entspricht der Verånderung der #   oder des Gesamtenergiegehalts des Systems (fçr unsere Zwecke gleichzusetzen mit D), 2 ist die absolute Temperatur (K = 8C+273), und DS die Entropieånderung des Systems. Die Gleichung besagt, dass sich die Verånderung in der Gesamtenergie zusammensetzt aus der Summe der Verånderungen, die sich bei der fçr die Arbeit einsetzbaren Energie (D%) sowie bei der nicht fçr weitere Arbeit verfçgbaren Energie (2D) ergeben. Wenn man die Gleichung umstellt ± D% = D3± 2D 4, liefert sie ein Maû fçr die Spontaneitåt eines bestimmten Prozesses. Damit kann man vorhersagen, in welche Richtung und bis zu welchem Ausmaû ein Prozess verlaufen wird. Bei allen   Energieumwandlungen muss D% negativ sein; d. h. der Prozess muss sich in Richtung eines Zustands geringerer Freier Enthalpie bewegen. Wie groû D% ist, sagt etwas darçber aus, wie viel Energie maximal noch fçr einen weiteren Prozess zur Verfçgung steht, låsst aber nicht erkennen, wie schnell der Prozess ablåuft. Prozesse, die spontan ablaufen kænnen, d. h. Pro-

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

zesse, die thermodynamisch begçnstigt sind (und ein ±D% aufweisen), bezeichnet man als -. Ein Prozess mit einem positiven D% kann dagegen nicht spontan ablaufen. Solche Vorgånge sind thermodynamisch ungçnstig und werden als  bezeichnet. Wie wir noch sehen werden, kann man auch erreichen, dass Reaktionen, die normalerweise endergon sind, ablaufen, indem man sie mit Prozessen koppelt, bei denen Energie freigesetzt wird. D3 und D kænnen je nachdem, in welcher Beziehung System und Umgebung zueinander stehen, fçr eine bestimmte Umwandlung positiv oder negativ sein. (D3 ist positiv, wenn das System Wårme aufnimmt, und negativ, wenn Wårme verloren geht; D ist positiv, wenn die Unordnung im System zunimmt, und negativ, wenn es stårker geordnet wird.) Das Wechselspiel zwischen D3 und D låsst sich am besten an der Umwandlung von Eis in Wasser zeigen. Der Ûbergang des Wassers vom flçssigen in den festen Zustand ist mit einer Abnahme der Entropie (D ist negativ, s. Abb. 3.4) und der Enthalpie

(D3 ist negativ) verbunden. Damit es zu dieser Umwandlung kommt (d. h., damit D% negativ wird), muss D3 negativer sein als 2D ± was nur unter 0 8C mæglich ist. Diese Beziehung kann man in Tabelle 3.1 ablesen, in der jeweils die Werte fçr die verschiedenen Parameter angegeben sind, wenn ein Mol Wasser bei 10 8C, 0 8C oder ±10 8C in Eis umgewandelt wird. In såmtlichen Fållen hat Eis unabhångig von der Temperatur weniger Energie als die Flçssigkeit (D3 ist negativ). Bei der hæheren Temperatur ist jedoch der Entropie-Term in der Gleichung (2D) negativer als der Term fçr die Enthalpie; daher ist die Ønderung der Freien Enthalpie positiv, weshalb der Prozess spontan nicht ablåuft. Bei 0 8C befindet sich das System im Gleichgewicht; bei ±10 8C ist der Gefrierprozess bevorzugt, d. h. D% ist negativ. .1 
  #           Nachdem wir jetzt einen allgemeinen Begriff von der Freien Enthalpie gewonnen haben, kænnen wir unser Wissen auf chemische Reaktionen in der Zelle anwenden. Alle chemischen Reaktionen in der Zelle sind reversibel; daher mçssen wir zwei Reaktionen berçcksichtigen, die gleichzeitig ablaufen: eine vorwårts und die andere rçckwårts. Nach dem Massenwirkungsgesetz ist die Geschwindigkeit einer Reaktion proportional zur Konzentration ihrer Reaktionspartner. Betrachten Sie beispielsweise folgende hypothetische Reaktion: A+B > C+D

n Abb. 3.4. G  G

  "    " '  G

         &        '    ' 

      



    

  " '       " '      " '  %         +K 2 I" #  F# ; 

  1

Die Geschwindigkeit der Hinreaktion ist direkt proportional zum Reaktionsprodukt der molaren Konzentrationen von A und B. Man kann die Geschwindigkeit der Hinreaktion mit 1[A][B] ausdrçcken, wobei 1 eine Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion ist. Die Geschwindigkeit der Rçckreaktion ist gleich 2[C][D]. Alle chemischen Reaktionen steuern ± wenn auch langsam ± auf einen Gleichgewichtszustand zu, d. h. auf einen Punkt, an dem die Geschwindigkeit der Hinreaktion der der Rçckreaktion ent-

n Tabelle 3.1. , I   & 

    4'  (   G

 ,   + 881 D + F 1

D9 + F 1

D% + F ] 881

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D + F 1

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 spricht. Im Gleichgewichtszustand werden pro Zeiteinheit genauso viele Molekçle A und B in die Molekçle C und D umgewandelt wie umgekehrt. Daher gilt im Gleichgewichtszustand 1[A][B] = 2[C][D] was man auch folgendermaûen schreiben kann 1/2 = [C][D]/[A][B] Das bedeutet: Im Gleichgewichtszustand kann man das Verhåltnis der Konzentration der Reaktionsprodukte zur Konzentration der Reaktionsteilnehmer berechnen. Dieses Verhåltnis, 1/2, bezeichnet man als :  '      Keq (mitunter auch nur K). Mithilfe der Gleichgewichtskonstanten kann man vorhersagen, welche Reaktionsrichtung (vor- oder rçckwårts) unter bestimmten Bedingungen begçnstigt ist. Nehmen wir beispielsweise an, wir untersuchen die obige Reaktion und haben gerade die vier Substanzen (A, B, C, D) zusammengemischt, so dass jede zu Beginn mit einer Konzentration von 0,5 M vorliegt. [C][D]/[A][B] = [0,5][0,5]/[0,5][0,5] = 1 In welche Richtung die Reaktion verlåuft, hångt von der Gleichgewichtskonstanten ab. Wenn 5 6 græûer als 1 ist, werden in der Reaktion eher die Produkte C und D als A und B gebildet. Wenn beispielsweise 5 6 = 9,0 ist, dann haben die Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte im Gleichgewicht bei diesem speziellen Reaktionsansatz eine Konzentration von 0,25 beziehungsweise 0,75 M. [C][D]/[A][B] = [0,75][0,75]/[0,25][0,25] = 9 Wenn dagegen 5 6 kleiner als 1 ist, wird statt der Hinreaktion verstårkt die Rçckreaktion ablaufen, so dass die Konzentrationen von A und B auf Kosten der von C und D steigen. Daraus folgt, dass die Richtung, in der die Reaktion insgesamt in irgendeinem Augenblick verlåuft, von den relativen Konzentrationen der beteiligten Molekçle abhångt und berechnet werden kann, wenn 5 6 bekannt ist. Wir wollen zum Thema Energetik zurçckkehren. Das Verhåltnis der Reaktionsteilnehmer zu den Reaktionsprodukten im Gleichgewichtszustand wird durch die Menge an Freier Enthalpie bestimmt, welche die Reaktionsteilnehmer gegençber den Reaktionsprodukten besitzen. Solange die gesamte Freie Enthalpie der Reaktionsteilnehmer græûer ist als die gesamte Freie En-

Bioenergetik

55D

thalpie der Reaktionsprodukte, ist D% negativ und es entstehen in der Reaktion die Reaktionsprodukte. Je græûer D% ist, desto weiter ist die Reaktion vom Gleichgewichtszustand entfernt und desto mehr Arbeit kann das System leisten. Wenn die Reaktion weiterlåuft, nimmt der Unterschied an Freier Enthalpie zwischen den Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten solange ab (D% wird weniger negativ), bis er im Gleichgewichtszustand verschwunden ist (D% = 0) und keine Arbeit mehr geleistet werden kann. Weil D% fçr eine bestimmte Reaktion vom Reaktionsansatz zu einem bestimmte Zeitpunkt abhångt, eignet sich dieser Term nicht, um die Energetik verschiedener Reaktionen miteinander zu vergleichen. Um Reaktionen vergleichen und verschiedene Arten von Berechnungen anstellen zu kænnen, hat man die Konvention getroffen, wonach entscheidend ist, wie stark sich die Freie Enthalpie bei einer Reaktion unter einer Reihe von &    åndert. Fçr biochemische Reaktionen hat man als Bedingungen willkçrlich eine Temperatur von 25 8C und einen Druck von 101,3 kPa festgelegt sowie eine Konzentration von 1,0 M fçr alle Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte ± bis auf Wasser, fçr das eine Konzentration von 55,6 M, und H+, fçr das eine Konzentration von 10±7 (pH 7,0) angenommen wird.2 Die G    &     3D%8'4 zeigt an, wie viel Freie Enthalpie freigesetzt wird, wenn aus Reaktionsteilnehmern unter Standardbedingungen Reaktionsprodukte entstehen. Weil aber, wie man weiû, in der Zelle keine Standardbedingungen herrschen, muss man vorsichtig sein, wenn man die Werte fçr die Unterschiede in der freien Standardenthalpie zur Berechnung der Energetik der Zelle heranzieht. Fçr die Beziehung zwischen der Gleichgewichtskonstanten und der Ønderung der freien Standardenthalpie gilt: D%8' = ±-2 ln 5'eq Wenn man den natçrlichen Logarithmus (ln) in log 10 umwandelt, ergibt sich D%8' = ±2,303-2 log 5'eq

2 D%8' gilt fçr die Standardbedingungen bei pH 7, wåhrend D%8 fçr Standardbedingungen bei 1,0 M H+ (pH 0,0) gilt. Die Bezeichnung 5'eq bedeutet ebenfalls, dass die Reaktion bei pH 7 ablåuft.

55H

Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

n 9abelle 3.2.  !  !'   D)8'  '' M   :D 88 '' M

D)8' + F 1

H

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506

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50

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50

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50

wobei - die Gaskonstante (1,987 cal/mol´K) und 2 die absolute Temperatur (298 K) ist.3 Erinnern wir uns daran, dass der log von 1,0 Null ist. Daher ergibt sich aus der obigen Gleichung, dass Reaktionen mit einer Gleichgewichtskonstanten von çber 1,0 negative D%8'-Werte haben, was darauf hinweist, dass sie unter &     spontan ablaufen kænnen. Reaktionen mit Gleichgewichtskonstanten von unter 1 haben positive D%8'-Werte und kænnen unter Standardbedingungen nicht spontan ablaufen. Mit anderen Worten: Wenn bei der folgenden Reaktion A+B > C+D D%8' negativ ist, verlåuft die Reaktion nach rechts, wenn die Reaktionsteilnehmer und -produkte bei pH 7 in einer Konzentration von 1,0 M vorliegen. Je negativer der Wert ist, desto weiter schreitet die Reaktion in diese Rich-

3

Die rechte Seite der Gleichung gibt an, wie viel Freie Enthalpie verloren geht, wenn die Reaktion von den Standardbedingungen auf den Gleichgewichtszustand zustrebt.

tung fort, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Unter denselben Bedingungen verlåuft die Reaktion nach links, wenn D%8' positiv ist; in diesem Fall ist dann die Rçckreaktion begçnstigt. Welche Beziehung zwischen D%8' und 5'eq besteht, zeigt Tabelle 3.2. G 
  #    &'    Eine der wichtigsten chemischen Reaktionen in der Zelle ist die Hydrolyse von ATP (Abb. 3.5). In der Reaktion ATP+H2O ? ADP+Pi åndert sich die freie Standardenthalpie zwischen den Reaktionsprodukten und Reaktionsteilnehmern um ±7,3 kcal/mol. Daher ist klar, dass die ATP-Hydrolyse unter Standardbedingungen stark begçnstigt (exergon) ist; d. h. die Reaktion besitzt im Gleichgewicht ein hohes [ADP]/[ATP]Verhåltnis. Es gibt mehrere Grçnde, warum diese Reaktion so favorisiert ist; einer davon wird in Abb. 3.5 deutlich. Die elektrostatische Abstoûung durch die vier eng benachbarten negativen Ladungen in ATP4± wird durch die Bildung von ADP3± etwas abgeschwåcht. Es ist wichtig, sich den Unterschied zwischen D% und D%8' klar zu machen. D%8' ist ein feststehender Wert fçr eine bestimmte Reaktion, der die Richtung angibt, in der diese Reaktion ablåuft, wenn im System Standardbedingungen herrschen wçrden. Da aber in einer Zelle nie Standardbedingungen herrschen, eignen sich die

n Abb. 3.5. ,#9I I   (      # !

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  D)8'G  ( NA"/  F +N/0"D -F 1

 D%8'-Werte nicht, um vorherzusagen, in welche Richtung eine bestimmte Reaktion in einem bestimmten Moment in einem bestimmten Zellkompartiment ablåuft. Dafçr muss man D% kennen, das von den zu der Zeit herrschenden Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte abhångt. Bei 25 8C gilt D% = D%8'+2,303 -2 log [C][D]/[A][B] D% = D%8'+2,303 (1,987 cal/mol´K) ´ (298 K) log [C][D]/[A][B] D% = D%8'+(1,4 kcal/mol) log [C][D]/[A][B] wobei [A], [B], [C] und [D] die aktuellen Konzentrationen sind. Aus der Berechnung von D% geht hervor, in welcher Richtung die Reaktion in der Zelle ablåuft und wie weit sich die bestimmte fragliche Reaktion dem Gleichgewichtszustand nåhert. Typische zellulåre Konzentrationen von Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten bei der ATP-Hydrolyse sind etwa [ATP] = 10 mM; [ADP] = 1 mM; [Pi] = 10mM. Setzt man diese Werte in die Gleichung ein, so ergibt sich: D% = D%8'+2,303-2 log [ADP][Pi]/[ATP] D% = ±7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) log ´ [10±3][10±2]/[10±2] D% = ±7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) (±3) D% = ±11,5 kcal/mol (oder ±46,2 kJ/mol) Obwohl der D%8'-Wert fçr die ATP-Hydrolyse ±7,3 kcal/mol betrågt, liegt der typische D%Wert fçr diese Reaktion in der Zelle bei etwa ±12 kcal/mol, weil in der Zelle immer ein hohes [ADP]/[ATP]-Verhåltnis vorliegt. In Zellen laufen viele Reaktionen mit positiven D%8'-Werten ab, weil das Konzentrationsverhåltnis von Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten den Ablauf der Reaktionen begçnstigt. Das kann auf zweierlei Weise erreicht werden. An der ersten zeigt sich, wie wichtig der Unterschied zwischen D% und D%8' ist, und die zweite låsst erkennen, wie die Zufuhr gespeicherter chemischer Energie dafçr sorgt, dass Reaktionen mit positiven D%8'-Werten in der Zelle stattfinden kænnen. Betrachten wir die Glycolyse (Abb. 3.23), in welcher Dihydroxyacetonphosphat in Glycerinaldehyd-3-Phosphat umgewandelt wird. Obwohl der D%8'-Wert fçr diese Reaktion bei +1,8 kcal/ mol liegt, wird das Reaktionsprodukt in der Zelle gebildet. Die Reaktion låuft ab, weil das Verhåltnis von Reaktionsteilnehmern zu Reaktionsprodukten durch andere Zellreaktionen auf ei-

Bioenergetik

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nem Wert gehalten wird, der oberhalb des Wertes liegt, den die Gleichgewichtskonstante vorgibt. Solange das der Fall ist, bleibt D% negativ, und die Reaktion verlåuft spontan unter Bildung von Glycerinaldehyd-3-Phosphat ab. Daran zeigt sich eine wichtige Eigenschaft des Zellstoffwechsels: Einzelne Reaktionen kænnen nicht isoliert betrachtet werden, als liefen sie gesondert in einem Reaktionsgefåû ab. In der Zelle finden Hunderte von Reaktionen gleichzeitig statt. Und sie hången alle zusammen, weil das Reaktionsprodukt der einen Reaktion zum Substrat der nåchsten Reaktion in der Reaktionsfolge wird; und so geht es den gesamten Stoffwechselweg entlang und dann weiter zum nåchsten. Um zu gewåhrleisten, dass auf Kosten von Dihydroxyacetonphosphat Glycerinaldehyd-3-Phosphat gebildet wird, findet die Reaktion an einer Stelle im Stoffwechselweg statt, an der das Reaktionsprodukt von der nåchsten Reaktion in der Reaktionskette schnell genug abgefangen wird; dadurch bleibt das Konzentrationsverhåltnis der beiden Molekçle zueinander unveråndert gçnstig.          -    Reaktionen mit stark positiven D%8'-Werten werden in der Regel durch Zufuhr von Energie ermæglicht. Nehmen wir zum Beispiel die Bildung der Aminosåure Glutamin aus der Glutaminsåure durch das Enzym Glutaminsynthetase: Glutaminsåure+NH3 ? Glutamin D%8' = +3,4 kcal/mol Diese endergone Reaktion findet in der Zelle statt, weil Glutaminsåure in Wirklichkeit durch zwei nacheinander verlaufende exergone Reaktionen in Glutamin umgewandelt wird: 1. Reaktion: 2. Reaktion:

Glutaminsåure +ATP ? Glutamylphosphat +ADP Glutamylphosphat +NH3 ? Glutamin+Pi

Gesamtreaktion: Glutaminsåure+ATP+NH3 ? Glutamin+ADP +Pi D%8' = ±3,9 kcal/mol Die Glutaminsynthese ist, wie man sagt, an die ATP-Hydrolyse . Solange die Differenz zwischen dem negativen D% fçr die ATP-Hydrolyse und dem positiven D% fçr die Glutaminsynthese aus Glutaminsåure negativ ist, kann mit der ¹bergabª verlaufenden ATP-Hydrolyse die ¹bergaufª verlaufende Synthese von Glutamin

55E

Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

ermæglicht werden. Um die beiden chemischen Reaktionen miteinander zu koppeln, wird aus dem Produkt der ersten Reaktion das Substrat der zweiten. Die beiden Reaktionen werden durch ein  

 '   miteinander verbunden ± in diesem Fall durch Glutamylphosphat. Im Prinzip handelt es sich dabei um die exergone Hydrolyse von ATP, die allerdings in zwei Schritten erfolgt. Im ersten Schritt wird auf die Glutaminsåure eine Phosphatgruppe çbertragen, die dann im zweiten Schritt durch NH3 ersetzt wird. Aufgrund der ATP-Hydrolyse kænnen in der Zelle Reaktionen ablaufen, die zur Bildung von Molekçlen wie Glutamin fçhren, weil die ATPKonzentration im Verhåltnis zur ADP-Konzentration auf einem viel hæheren Niveau als im Gleichgewichtszustand gehalten wird. Das kann man anhand folgender Berechnungen zeigen. Wie bereits erwåhnt, liegt die Konzentration von Pi in der Zelle in der Regel bei 10 mM. Um unter diesen Bedingungen das [ADP]/[ATP]-Verhåltnis im Gleichgewichtszustand zu berechnen, kænnen wir den D%-Wert fçr den Gleichgewichtszustand gleich Null setzen; dann erhalten wir fçr das [ADP]/[ATP]-Verhåltnis folgende Gleichung (s. o.):

fçr die Trennung der Ladungen an einer Membran, die Anreicherung gelæster Stoffe, die Bewegung von Filamenten in einer Muskelzelle sowie die Erzeugung von Wårme (Abb. 3.6). ATP kann fçr derart unterschiedliche Prozesse benutzt werden, weil seine endståndige Phosphatgruppe auf eine Vielzahl verschiedener Molekçltypen wie Aminosåuren, Zucker, Lipide und Proteine çbertragen werden kann. Bei den meisten gekoppelten Reaktionen wird die Phosphatgruppe in einem ersten Schritt von ATP auf einen Akzeptor çbertragen und dann in einem zweiten Schritt wieder entfernt (Abb. 4.45).

D% = D%8'+(1,4 kcal/mol) log [ADP][Pi]/[ATP] 0

= ±7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) ´ log[ADP][10±2]/[ATP]

0

= ±7,3 kcal/mol+(1,4 kcal/mol) ´ (log 10±2+log[ADP]/[ATP])

+7,3 kcal/mol = (1,4 kcal/mol) (±2) +(1,4 kcal/mol) log[ADP]/[ATP]) log[ADP]/[ATP]) = 10,1 kcal/mol/1,4 kcal/mol = 7,2 [ADP]/[ATP] = 1,6´107 Dementsprechend wçrde man im Gleichgewichtszustand eine ADP-Konzentration erwarten, die 107-mal græûer ist als die ATP-Konzentration, in Wirklichkeit liegt die ATP-Konzentration in den meisten Zellen aber 10- bis 100-mal çber der ADP-Konzentration. Das ist ein åuûerst wichtiger Punkt, weil das Konzentrationsverhåltnis zwischen ATP und ADP entscheidend ist. Wenn eine Zelle ein Gemisch aus gleich viel ATP, ADP und Pi enthalten wçrde, wåre es egal, wie viel ATP vorhanden wåre, weil die Zelle unter solchen Bedingungen ohnehin keine Arbeit verrichten kann. Die ATP-Hydrolyse ermæglicht die meisten endergonen Prozesse in der Zelle ± etwa fçr chemische Reaktionen, wie die gerade beschriebene,

n Abb. 3.6 a±e.      ,#9I I       ,# ! ( '   '  "  a  ?  !  ! 7 b       B    %

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a Der Stoffwechsel im Gleichgewichtszustand im Vergleich zum Stoffwechsel im Flieûgleichgewicht Da Reaktionen einen Gleichgewichtszustand anstreben, sinkt die Freie Enthalpie, die fçr Arbeit zur Verfçgung steht, auf ein Minimum und die Entropie erreicht einen maximalen Wert. Daher gilt: Je weiter eine Reaktion vom Gleichgewichtszustand entfernt ist, desto weniger geht ihre Fåhigkeit, Arbeit zu verrichten, fçr den Anstieg der Entropie verloren. Die Reaktionen des Zellstoffwechsel verlaufen im Wesentlichen auûerhalb des Gleichgewichtszustands, so dass auch das Verhåltnis der Reaktionsprodukte zu den Reaktionspartnern in der Regel nicht den Werten im Gleichgewichtszustand entspricht. Das bedeutet jedoch nicht, dass es nicht auch Zellreaktionen gibt, die im oder nahe dem Gleichgewichtszustand ablaufen. Tatsåchlich kænnen sich sogar viele Reaktionen eines Stoffwechselweges fast im Gleichgewichtszustand befinden (Abb. 3.24). Doch zumindest eine, oft auch mehrere Reaktionen eines Stoffwechselweges sind von ihrem Gleichgewichtszustand weit entfernt, wodurch sie praktisch irreversibel sind. Das sind die Reaktionen, die dem Stoffwechselweg die Richtung vorgeben. An diesen Reaktionen setzt denn auch die Regulation der Zelle an, weil, je nachdem, ob die Aktivitåt der Enzyme, welche diese Reaktionen katalysieren, stimuliert oder gehemmt wird, erheblich mehr oder weniger Material auf diesem Stoffwechselweg verarbeitet werden kann. Diese Grundprinzipien der Thermodynamik wurden anhand abiotischer geschlossener Systeme (ohne Austausch von Materie zwischen dem System und seiner Umgebung) unter reversiblen Gleichgewichtsbedingungen aufgestellt. Die besonderen Umstånde des Zellstoffwechsels erfordern allerdings eine andere Sichtweise. Der Zellstoffwechsel kann sich selbst unter irreversiblen Bedingungen, die nicht dem Gleichgewichtszustand entsprechen, aufrechterhalten, weil die Zelle anders als bei Reaktionen in einem Reaktionsgefåû ein offenes System ist. Aus dem Kreislauf oder aus Kulturmedien erhålt die Zelle permanent Materialien und Energie. Wie viel der Zelle von auûen zugefçhrt werden muss, wird deutlich, wenn man einfach einmal den Atem anhålt. Wir sind auf eine ununterbrochene Sauerstoffzufuhr von auûen angewiesen, weil Sauerstoff ein åuûerst wichtiger Reaktionspartner im Zellstoffwechsel ist. Dank des kontinuierlichen Stroms von Sauerstoff und von anderen Substanzen in die Zelle und wieder aus ihr heraus kann sich der Zellstoffwechsel im Zustand des Flieûgleichgewichts halten (Abb. 3.7). In einem Flieû-

Bioenergetik

119




 n Abb.    Flieûgleichgewicht im Vergleich zum Gleichgewichtszustand.  Solange diese Amæbe Nåhrstoffe von auûen aufnehmen kann, erhålt sie die nætige Energie, um die Konzentrationen bestimmter Verbindungen in einem Flieûgleichgewicht zu halten, das vom Gleichgewichtszustand weit entfernt sein kann. Die ATP- und ADPKonzentrationen im Flieûgleichgewicht werden durch die farbigen Punkte und das Histogramm angedeutet.  Wenn die Amæbe stirbt, nåhern sich die ATP- und ADP-Konzentrationen (sowie die der anderen biochemischen Substanzen) ihrem Verhåltnis im Gleichgewichtszustand

gleichgewicht sind die Konzentrationen der Reaktionspartner und -produkte relativ konstant, obwohl sich die einzelnen Reaktionen nicht unbedingt im Gleichgewicht befinden mçssen. Weil Reaktionsprodukte einer Reaktion zu Substraten der nåchsten Reaktion werden, kænnen die Konzentrationen aller Stoffwechselzwischenprodukte im Wesentlichen konstant bleiben, solange von auûen neue Substrate zugefçhrt und Endprodukte entfernt werden.

5:0

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

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3.2 Enzyme, die biologischen Katalysatoren Ende des 19. Jahrhunderts entbrannte eine heftige Debatte darçber, ob fçr die Herstellung von Ethanol intakte Hefezellen benætigt werden oder nicht. Auf der einen Seite der Auseinandersetzung stand der organische Chemiker Justus von Liebig, der der Meinung war, dass die Gårungsreaktionen, bei denen der Alkohol entsteht, sich nicht grundsåtzlich von den organischen Reaktionen unterscheiden, die im Reaktionsgefåû ablaufen. Dagegen vertrat der Biologe Louis Pasteur die Ansicht, dass die Gårung nur innerhalb einer intakten, hoch organisierten lebenden Zelle stattfinden kænne. 1897, zwei Jahre nach Pasteurs Tod, stellten Hans Bçchner, ein Bakteriologe, und sein Bruder Eduard, ein Chemiker, ¹Hefesaftª her; um diesen Extrakt zu gewinnen, hatten sie Hefezellen mit Sandkærnern zermahlen und dann die Mixtur durch Filterpapier gegossen. Diesen Hefesaft wollten sie aufbewahren, um ihn spåter zu benutzen. Nachdem eine Konservierung des Extrakts mit keimtætenden Mitteln fehlgeschlagen war, versuchten sie, den Saft durch Zusatz von Zucker vor dem Verderben zu bewahren, ein Verfahren, das auch zur Konservierung von Marmeladen und Gelees angewandt wird. Statt die Læsung haltbar zu machen, bildete der Hefesaft

mit dem Zucker jedoch Gase und gårte tagelang. Nach einer weiteren Untersuchung entdeckte Eduard, dass bei der Gårung Ethanol sowie Kohlendioxidgase gebildet wurden. Bçchner hatte gezeigt, dass fçr die Gårung keine intakten Zellen nætig waren. Bald fand man allerdings heraus, dass sich die Gårung erheblich von den Reaktionen unterschied, welche die organischen Chemiker durchfçhrten. Fçr die Gårung benætigte man spezielle Katalysatoren, die es in der abiotischen Welt nicht gibt. Diese Katalysatoren nannte man #$% (nach 78 9, den griechischen Wærtern fçr ¹in Hefeª). Enzyme haben im Stoffwechsel die Funktion eines Vermittlers und sind fçr praktisch jede Zellreaktion verantwortlich. Ohne Enzyme wçrden Stoffwechselreaktionen so langsam ablaufen, dass man sie nicht wahrnehmen kænnte. Den ersten Hinweis darauf, dass Enzyme Proteine sind, erbrachte 1926 James Sumner von der Cornell University, als er aus Jackbohnen das Enzym Urease kristallisierte und seine Zusammensetzung bestimmte. Obwohl dieser Befund zu der damaligen Zeit nicht viel Anklang fand, zeigte sich bald, dass auch mehrere andere Enzyme Proteine sind. Daher wurde in den nåchsten Jahrzehnten allgemein angenommen, dass såmtliche biologischen Katalysatoren Proteine sind. In letzter Zeit stellte sich allerdings heraus, dass bestimmte biologische Reaktionen von RNA-Molekçlen katalysiert werden. Um Unklarheiten zu vermeiden, ist der Begriff ¹Enzymª nach wie vor den Proteinkatalysatoren vorbehalten, wåhrend fçr RNA-Katalysatoren der Begriff ¹Ribozymª verwendet wird. Wir werden uns in diesem Kapitel auf die Besprechung der Proteinkatalysatoren beschrånken und die Eigenschaften von RNA-Katalysatoren in Kap. 11 erærtern. Enzyme sind zwar Proteine, viele von ihnen aber konjugierte Proteine ± d. h. sie enthalten Anteile, die nicht aus Proteinen bestehen, +  , die anorganisch (Metalle) oder organisch (+$%) sein kænnen. Wenn Cofaktoren vorhanden sind, sind sie wichtig fçr die Enzymfunktion und fçhren Aktivitåten aus, fçr die sich Aminosåuren nicht eignen. Beim Myoglobin beispielsweise ist, wie wir bereits im letzten Kapitel gesehen haben, das Eisenatom der Håmgruppe die Stelle, an welcher der Sauerstoff gebunden und so lange gespeichert wird, bis er im Zellstoffwechsel benætigt wird.



Enzyme, die biologischen Katalysatoren

'$! Die Eigenschaften von Enzymen Wie alle Katalysatoren haben Enzyme folgende Eigenschaften: n Sie werden nur in geringen Mengen benætigt. n Sie werden im Verlauf der Reaktion nicht irreversibel veråndert, weshalb jedes Enzym an einzelnen Reaktionen wiederholt beteiligt sein kann. n Sie beeinflussen nicht die Thermodynamik der Reaktion. Der letzte Punkt ist besonders wichtig. Enzyme sind keine Energielieferanten fçr eine chemische Reaktion und haben daher keinen Einfluss darauf, ob eine Reaktion thermodynamisch vorteilhaft (exergon) oder nachteilig (endergon) ist. Enzyme haben darçber hinaus auch keinen Einfluss auf das Verhåltnis von Reaktionsprodukten zu Reaktionsteilnehmern im Gleichgewichtszustand. Das sind vielmehr Eigenschaften der miteinander reagierenden Substanzen. Als Katalysatoren kænnen Enzyme nur die Geschwindigkeit erhæhen, mit der eine begçnstigte chemische Reaktion ablåuft. Zwischen der Græûe von D% fçr eine bestimmte Reaktion und der Geschwindigkeit, mit der diese Reaktion ablåuft, muss nicht unbedingt ein Zusammenhang bestehen. Die Græûe von D% sagt nur etwas aus çber den Unterschied an Freier Enthalpie zwischen dem Ausgangszustand und dem Gleichgewichtszustand. Sie ist vollkommen unabhångig davon, welcher Stoffwechselweg eingeschlagen wird oder wie lange es dauert, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die Oxidation der Glucose beispielsweise ist ein åuûerst exergoner Prozess, was man daran ablesen kann, wie viel Energie bei der Verbrennung der Glucose frei wird. Glucosekristalle kann man jedoch praktisch unbegrenzte Zeit in einem Zimmer liegen lassen, ohne dass es in nennenswertem Umfang zu einer Umwandlung in energieårmere Substanzen kåme. Mit anderen Worten: Glucose ist    stabil, auch wenn sie  %   unstabil ist. Selbst wenn der Zucker gelæst werden sollte, wçrde er nicht schnell zersetzt, solange die Læsung steril bleibt. Wenn man jedoch ein paar Bakterien hinzufçgen wçrde, wçrde der Zucker in kurzer Zeit von den Bakterien aufgenommen und enzymatisch abgebaut.

5:5

Enzyme sind bemerkenswert gute und leistungsfåhige Katalysatoren. Katalysatoren wie Såure, metallisches Platin und Magnesium, die organische Chemiker im Labor einsetzen, beschleunigen Reaktionen im Allgemeinen hundert- bis tausendfach gegençber dem Reaktionsverlauf ohne Katalysator. Enzyme erhæhen dagegen die Reaktionsgeschwindigkeit um das 108bis 1013fache (Tabelle 3.3). Wenn man von diesen Zahlen ausgeht, schaffen Enzyme in einer Sekunde das, was ohne Enzyme drei bis 300 000 Jahre dauern wçrde. Noch erstaunlicher ist, dass sie diese Leistung bei der måûigen Temperatur und dem pH-Wert vollbringen, wie man sie in der Zelle findet. Darçber hinaus sind Enzyme im Gegensatz zu den anorganischen Katalysatoren, wie sie Chemiker einsetzen, åuûerst spezifisch darin, welche Reaktionspartner sie binden und welche Reaktionen sie katalysieren kænnen. Die Reaktionsteilnehmer, an die ein Enzym bindet, nennt man &  . Befindet sich beispielsweise das Enzym Hexokinase in einer Læsung mit Hunderten von niedermolekularen Verbindungen sowie seinem Substrat Glucose, erkennt das Enzym nur die Glucosemolekçle und geht mit ihnen eine Reaktion ein. Praktisch gesehen, kænnten die anderen Verbindungen ebenso gut fehlen. Diese Art von Spezifitåt ± gleich, ob zwischen Enzymen und ihren Substraten oder zwischen anderen Proteintypen und den Substanzen, an die sie binden ± ist entscheidend dafçr, dass die fçr das Leben erforderliche Ordnung erhalten bleibt. Enzyme besitzen allerdings nicht nur eine hohe Aktivitåt und Spezifitåt, sie lenken den Stoffwechsel auch noch so, dass Reaktionen, die von Enzymen katalysiert werden, sehr geordnet ablaufen: Es entstehen nur die richtigen Produkte. Das ist åuûerst wichtig, weil die Bildung chemischer Nebenprodukte rasch dazu fçhren wçrde, dass etwas so Fragiles wie eine Zelle abstirbt. Und als weiterer Vorteil kann die enzymatische Aktivitåt im Gegensatz zu der anderer Katalysatoren so gesteuert werden, dass die speziellen Bedçrfnisse, die eine Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, befriedigt werden. Wie sich in diesem und auch in weiteren Kapiteln immer wieder zeigen wird, sind die Enzyme einer Zelle eine wirklich erstaunliche Ansammlung winziger molekularer Maschinen.

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

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'$$ Ûberwindung der Schwelle der Aktivierungsenergie Wieso sind Enzyme so effiziente Katalysatoren? Um dies herauszufinden, steht man als erstes vor der Frage, warum thermodynamisch begçnstigte Reaktionen ohne Enzyme nicht von selbst mit relativ groûer Geschwindigkeit ablaufen. Selbst ATP, dessen Hydrolyse so exergon verlåuft, ist in der Zelle im Grund stabil, bis es in einer regulierten Enzymreaktion abgebaut wird. Wenn das nicht so wåre, wåre ATP fçr die Zelle kaum von Nutzen. Fçr eine chemische Umwandlung mçssen bestimmte kovalente Bindungen in den Reaktionspartnern aufgelæst werden. Damit das passiert, mçssen die Reaktionsteilnehmer gençgend kinetische Energie (Bewegungsenergie) haben, um ein Hindernis çberwinden zu kænnen, die   9    3E4. Das wird im Diagramm von Abb. 3.8 deutlich, in dem man die Hæhe der Aktivierungsenergie am Verlauf der Kurven ablesen kann. Die Reaktionsteilnehmer einer chemische Reaktion werden oft mit einem Objekt verglichen, das oben auf einer Klippe liegt und nahe dran ist, herunterzufallen. Bliebe das Objekt sich selbst çberlassen, wçrde es hæchstwahrscheinlich fçr alle Zeiten dort bleiben.

Wenn allerdings jemand vorbeikåme und das Objekt mit gençgend Energie versehen wçrde, um die Reibung oder irgendein anderes kleines Hindernis auf seinem Weg zu çberwinden, und dafçr sorgen wçrde, dass es an den Rand der Klippe gelangen wçrde, wçrde es spontan herunterfallen. Sobald die kinetischen Barrieren beseitigt sind, besitzt das Objekt das Potenzial, einen niedrigeren Energiezustand zu erreichen. Bei Raumtemperatur befinden sich die Molekçle einer Læsung in einem Zustand ungerichteter Bewegung, wobei jedes von ihnen in einem bestimmten Augenblick eine bestimmte Menge kinetischer Energie besitzt. Die Energieverteilung einer Molekçlpopulation entspricht einer glockenfærmigen Kurve (Abb. 3.9): Einige haben nur wenig Energie, andere sehr viel mehr. Molekçle bleiben nur fçr kurze Zeit energiereich (aktivierte Molekçle), weil sie ihre çberschçssige Energie beim Aufeinandertreffen mit anderen Molekçlen verlieren. Wir wollen eine Reaktion betrachten, in der aus einem Molekçl zwei Molekçle werden. Wenn ein bestimmtes Molekçl, das an der Reaktion beteiligt ist, gençgend Energie besitzt, um die Aktivierungsschwelle zu çberwinden, kann es in zwei Reaktionsprodukte gespalten werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit hångt davon ab, wie viele der an der Reaktion beteiligten Molekçle zu einem bestimmten Zeit-

a

n
 3.8. Aktivierungsenergie und enzymatische Reaktionen. Obwohl die Bildung von Glucose-6-phosphat thermodynamisch begçnstigt ist (D
8' = ±4 kcal/mol), mçssen die Reaktionsteilnehmer gençgend Energie besitzen, um einen aktivierten Zustand zu erreichen, in dem die fçr die Reaktion erforderlichen atomaren Umstrukturierungen vorgenommen werden kænnen. Wie viel von dieser so genannten Aktivierungsenergie (A) erforderlich ist, kann man an der Hæhe der Kurve ablesen. Die Aktivierungsenergie ist

n Abb. 3.9. Auswirkung einer Absenkung der Aktivierungsenergie auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die glockenfærmige Kurve gibt an, wie viel Energie in einer Molekçlpopulation in einem Reaktionsansatz bei zwei unterschiedlichen Temperaturen vorhanden ist. Wenn man die Mischung erhitzt oder einen enzymatischen Katalysator zusetzt, erhæht man die Anzahl der an der Reaktion beteiligten Molekçle, die gençgend Energie besitzen, um in die Reaktion einzugehen. Wårme erhæht die Reaktionsgeschwindigkeit, weil sie den Energiegehalt der Molekçle erhæht, wåhrend ein Enzym dasselbe erreicht, indem es die fçr die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie senkt

Enzyme, die biologischen Katalysatoren

123

kein feststehender Wert, sondern åndert sich je nach Reaktionsweg. A ist sehr viel geringer, wenn die Reaktionsteilnehmer an einen enzymatischen Katalysator binden. (Dieses Diagramm zeigt einen einfachen einstufigen Reaktionsmechanismus. Viele enzymatische Reaktionen verlaufen aber in zwei oder mehr Schritten, wobei Zwischenprodukte gebildet werden (Abb. 3.13). Jeder Reaktionsschritt hat eine charakteristische A sowie einen eigenen Ûbergangszustand)

punkt gençgend kinetische Energie haben. Eine Mæglichkeit, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhæhen, besteht darin, die Energie der Reaktionspartner zu erhæhen. Das kann man im Labor am einfachsten erreichen, indem man den Reaktionsansatz erwårmt (Abb. 3.9). Fçhrt man allerdings einer enzymatischen Reaktion Wårme zu, kommt es zu einer schnellen Inaktivierung des Enzyms, weil dieses denaturiert wird. Wenn sich Reaktionsteilnehmer auf dem Scheitelpunkt einer Energieschwelle befinden und im Begriff sind, in Reaktionsprodukte umgewandelt zu werden, sagt man, dass sie sich in einem Ûbergangszustand befinden (Abb. 3.8). An diesem Punkt bilden die Reaktionsteilnehmer vorçbergehend einen aktivierten Komplex, in dem Bindungen geknçpft und wieder gelæst werden. Wir kænnen die Eigenschaften einer solchen Struktur im Ûbergangszustand am Beispiel der Umwandlung der D- und L-Stereoisomere des Prolins zeigen ± einer Reaktion, die das bakterielle Enzym Prolinracemase katalysiert.

5:6

Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

'$' Das aktive Zentrum und die Spezifitåt der Molekçle

Bei dieser Reaktion geht in beide Richtungen ein Proton vom
-Kohlenstoffatom des Prolins verloren. Aufgrund dessen besitzt die Struktur im Ûbergangszustand ein negativ geladenes Carbanion, bei dem alle drei Bindungen des Kohlenstoffatoms in einer Ebene liegen. Im Gegensatz zum Unterschied in der freien Standardenthalpie, der fçr eine Reaktion immer gleich ist, ist die Aktivierungsenergie, die benætigt wird, um den Ûbergangszustand zu erreichen, kein feststehender Wert, sondern åndert sich, je nachdem, welcher Reaktionsmechanismus benutzt wird. Enzyme katalysieren Reaktionen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Daher fçhren Enzyme im Gegensatz zur Wårmekatalyse dazu, dass ihre Substrate åuûerst reaktiv sind, ohne dass sie auf ein besonders hohes Energieniveau gehoben werden mçssen. Abbildung 3.9 zeigt einen Vergleich des jeweiligen Prozentsatzes an reaktionsfåhigen Molekçlen bei einer enzymatisch katalysierten und einer nicht katalysierten Reaktion. Enzyme kænnen die Aktivierungsenergie herabsetzen, indem sie stårker an den Komplex im Ûbergangszustand als an die Reaktionsteilnehmer binden; auf diese Weise wird dieser aktivierte Komplex stabilisiert und seine Energie herabgesetzt. Die Bedeutung des Ûbergangszustands kann man auf verschiedene Arten zeigen:

Als Katalysatoren beschleunigen Enzyme sowohl die Bildung als auch das Aufbrechen von Bindungen. Um diese Aufgabe erfçllen zu kænnen, sind sie fest in die Reaktionsvorgånge zwischen den Reaktionspartnern eingebunden. Dazu bilden die Enzyme mit den Reaktionspartnern einen Komplex, den #$%&  3#&4 -. Abbildung 3.10 zeigt eine Skizze eines ESKomplexes; Bilder von ES-Komplexen findet man auf dem Bild zu Beginn des Kapitels sowie in Abb. 3.14. In den meisten Fållen erfolgt die Assoziation zwischen Enzym und Substrat nichtkovalent, obwohl man viele Beispiele kennt, in denen es vorçbergehend zu einer kovalenten Bindung kommt. Den Teil des Enzymmolekçls, der direkt an der Bindung des Substrats beteiligt ist, bezeichnet man als ¹  9 ª. Das aktive Zentrum und das Substrat haben komplementåre Oberflåchen, so dass sie bei der Bindung so exakt wie die Stçcke eines Puzzles zusammenpassen. Die Bindung des Substrats an das Enzym erfolgt çber dieselben Arten von nichtkovalenten Wechselwirkungen (Ionenbindungen,

n Verbindungen, die dem Ûbergangszustand einer Reaktion åhneln, hemmen diese Reaktion oft sehr effektiv, weil sie so fest an das katalytische Zentrum des Enzyms binden kænnen. n Antikærper wirken normalerweise nicht wie Enzyme, sondern binden stattdessen einfach mit hoher Affinitåt an Molekçle. Antikærper, die mit einer Verbindung verknçpft sind, die einem Ûbergangszustand einer Reaktion åhnelt, kænnen jedoch håufig wie Enzyme agieren und den Abbau dieser Verbindung katalysieren. Wenn der Komplex im Ûbergangszustand in Reaktionsprodukte umgewandelt ist, nimmt die Affinitåt des Enzyms fçr das gebundene Molekçl ab und die Reaktionsprodukte werden freigesetzt.

n Abb. 3.10.    !I% ) $  %    (   #I(  I    ;  +  /:/1"     !'  %  " #   I( +##1  #"   !I      !I % +%1) $   " '    ;    " #I(  ,#"    

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 3.11 a±d. Das aktive Zentrum eines Enzyms. a Schema des aktiven Zentrums des Enzyms Ribulosebisphosphat-Carboxylase mit den verschiedenen Stellen fçr die Wechselwirkung zwischen den gebundenen Substraten (RuBP und CO2) und bestimmten Aminosåureseitenketten des Enzyms. Diese nichtkovalenten Wechselwirkungen bestimmen nicht nur die Substratbindungungseigenschaften des aktiven Zentrums, sondern veråndern auch die Eigenschaft des Substrats so, dass es beschleunigt in Reaktionsprodukte umgewandelt wird. b Karte der Elektronendichte des aktiven Zentrums einer viralen Thymidinkinase samt dem Substrat Deoxythymidin in der Kartenmitte (
). Die Linien des Rastermusters entsprechen den åuûeren Råndern der Elektronenorbitale der Atome, aus denen das Substrat und die Seitenketten des Enzyms bestehen; sie verdeutlichen, welchen Raum die Atome im aktiven Zentrum einnehmen. c, d Beispiele dafçr, wie pråzise die Teile von Enzym und Substrat bei der Katalyse zusammenpassen. Diese beiden Beispiele zeigen, in welche råumliche Nåhe zum Substrat () c eine Glutaminsåure (  ) und d ein Histidin (  ) des Enzyms Triosephosphat-Isomerase gelangen. (a: Nach: Harris DA (1995) Bioenergetics at a Glance. Blackwell S. 88; b: Nachdruck mit Erlaubnis von Brown DG Sanderson MR et al (1995) Nature Str Biol 2:878; c, d: Nachdruck mit Erlaubnis von Knowles JR (2001) Nature 350:122; b, d: ° 1995, Macmillan Magazines)

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

&$  1 verantwortlich. Wie bereits erwåhnt, kænnen die meisten Enzyme nur an ein einziges oder wenige nahe verwandte biologische Molekçle binden. '$ Mechanismen der enzymatischen Katalyse Wie kann ein Enzym dafçr sorgen, dass eine Reaktion hundertmal pro Sekunde ablåuft, die ohne Enzym nur mit nicht nachweisbarer Geschwindigkeit stattfindet? Verantwortlich dafçr ist der Enzym-Substrat-Komplex, der es ermæglicht, dass das Substrat beziehungsweise die Substrate der Læsung entnommen und an der Oberflåche des groûen katalytisch aktiven Molekçls festgehalten werden. Sobald sich das Substrat dort befindet, kænnen seine physikalischen und chemischen Eigenschaften vielfåltig beeinflusst werden; einige dieser Einflçsse werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.      &  

Angenommen, Sie werfen eine Handvoll Schrauben und Muttern in einen Sack und schçtteln den Sack dann fçnf Minuten lang. Es ist hæchst unwahrscheinlich, dass irgendein Schraubenende nach dieser Aktion fest mit einer Mutter verbunden ist. Wenn Sie dagegen in die eine Hand eine Schraube und in die andere eine Mutter nehmen, kænnen sie die Schraube rasch in die Mutter drehen. Wenn man Schraube und Mutter richtig hålt, hat man die Entropie des Systems erheblich verringert ± genauso senken auch Enzyme die Entropie ihrer Substrate. An der Oberflåche eines Enzyms gebundene Substrate werden in genau der Ausrichtung, in der sie miteinander reagieren kænnen, sehr nahe zusammengebracht (Abb. 3.12 a). Wenn die Reaktionspartner dagegen in Læsung sind, kænnen sie alle mæglichen Seitwårtsbewegungen und Drehungen vollfçhren; auf diese Weise treffen selbst diejenigen, die gençgend Energie besitzen, nicht zwangslåufig so aufeinander, dass der Ûbergangszustand gebildet wird. G    9 1   &  

Enzyme bestehen aus Aminosåuren mit vielen verschiedenen Arten von Seitenketten (R-Gruppen); das Spektrum reicht von vollståndig geladen bis hochgradig unpolar. Wenn ein Substrat an der Oberflåche eines Enzym gebunden ist, beeinflussen die benachbarten Seitenketten des Enzyms die Elektronenverteilung im Substrat (Abb. 3.12 b). Dadurch erhæht sich das Reaktionsvermægen des Substrats, der wåhrend der Reaktion gebildete Ûbergangskomplex stabili-






 n Abb. 3.12 a±c.   ?B   " ' !I ;       < a     %  &!    7 b       &    

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siert sich. Zu diesen Ønderungen kommt es ohne Zufuhr externer Energie wie Wårme. Es gibt im Prinzip mehrere Mechanismen, mit denen die Reaktivitåt von Substraten aufgrund einer Assoziation mit Enzymen erhæht wird. Im Grunde åhneln diese Mechanismen denen, die organische Chemiker beschreiben, wenn sie die Mechanismen organischer Reaktionen in einem Reaktionsgefåû untersuchen. So kann man beispielsweise die Geschwindigkeit von Reaktionen durch Verånderungen im pH-Wert stark beeinflussen. Obwohl Enzyme den pHWert in ihrem Medium nicht veråndern kænnen, enthalten sie doch zahlreiche Aminosåuren mit sauren oder basischen Seitenketten. Diese Gruppen kænnen vom Substrat Protonen çbernehmen oder ihm geben, auf diese Weise den elektrostatischen Charakter des Substrats veråndern und es reaktiver machen. Die aktiven Zentren zahlreicher Enzyme enthalten Seitenketten mit einer partiell positiven

 oder negativen Ladung. Solche Gruppen kænnen mit einem Substrat vorçbergehend eine kovalente Enzym-Substrat-Bindung eingehen. Chymotrypsin, ein Enzym, das im Dçnndarm Proteine aus der Nahrung spaltet, arbeitet so. Welche Reaktionen aufeinander folgen, wenn das Chymotrypsin eine Peptidbindung in einem Protein hydrolysiert, zeigt Abb. 3.13. Dabei spielen drei Aminosåuren aus dem aktiven Zentrum des Enzyms ± ein Serin, ein Histidin und eine Asparaginsåure ± eine entscheidende Rolle. In Abb. 3.13 ist die Reaktion in zwei Schritte aufgeteilt. Im ersten (Abb. 3.13 a) greift auf der Enzymseite das elektronegative Sauerstoffatom aus der Seitenkette eines Serins ein Kohlenstoffatom des Substrats an. Infolgedessen wird die Peptidbindung des Substrats hydrolysiert und zwischen dem Serin und dem Substrat eine kovalente Bindung hergestellt, wobei der çbrige Teil des Substrats als eines der Reaktionsprodukte freigesetzt wird. Wie in der Legende zur Abbildung erærtert wird, hångt die Fåhigkeit des Serins, diese Reaktion auszufçhren, von einem Histidinrest in der Nåhe ab, der dadurch, dass er das Proton von der Hydroxylgruppe des Serins anzieht, die Elektronegativitåt des Sauerstoffatoms der Gruppe erhæht. Im zweiten Schritt (Abb. 3.13 b) wird die kovalente Bindung zwischen Enzym und Substrat hydrolysiert. Dadurch wird das Enzym wieder frei und der Rest des Substrats als zweites Reaktionsprodukt freigesetzt. Obwohl Aminosåureseitenketten an vielen verschiedenen Reaktionen beteiligt sein kænnen, eignen sie sich nicht gut dazu, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Wie wir noch im folgenden Abschnitt (und ausfçhrlicher in den Kap. 5 und 6) sehen werden, ist die Ûbertragung von Elektronen das zentrale Moment in den Redoxreaktionen, die im Zellstoffwechsel eine so zentrale Rolle spielen. Um diese Reaktionen zu katalysieren, besitzen die entsprechenden Enzyme Cofaktoren (Metallionen oder Coenzyme), welche die Reaktivitåt der Substrate erhæhen, indem sie Elektronen abziehen oder abgeben. #$ 9 &   &   Obwohl das aktive Zentrum eines Enzyms komplementår zu seinem Substrat sein kann, haben verschiedene Untersuchungen gezeigt, dass sich die Positionen bestimmter Atome im Enzym verschieben, sobald es an das Substrat gebunden ist. In vielen Fållen åndert sich die Konformation so, dass die Komplementaritåt von Enzym und Reaktionsteilnehmer noch verbessert wird (induzierte Anpassung) und die entscheidenden reaktiven Gruppen des Enzyms an die richtige Stelle kommen. Ein Beispiel fçr diese Art von

Enzyme, die biologischen Katalysatoren

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

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 3    : ist in Abb. 3.14 dargestellt. Wenn sich bestimmte Bindungen innerhalb des Substrats erst einmal im ¹Griffª eines Enzyms befinden, kænnen sie einer physischen oder elektrischen Spannung ausgesetzt sein. Dadurch wird das Substrat destabilisiert, worauf es den Ûbergangszustand annimmt, in dem die Spannung geringer ist (Abb. 3.12 c).    9    1    %   '   Wenn man genau wissen will, wie ein Enzym eine bestimmte Reaktion katalysiert, muss man fçr das Enzym wie fçr das Substrat die verschiedenen Ønderungen in der Struktur der Atome und Elektronen beschreiben, zu denen es wåhrend des Reaktionsverlaufs kommt. Wie wir im letzten Kapitel gesehen haben, kann man mithilfe von Ræntgenstrukturanalysen detailliert die Struktur eines groûen Enzyms ermitteln. Da 40±60% des Volumens eines typischen Proteinkristalls aus eingeschlossenem Læsungsmittel bestehen, haben die meisten kristallisierten Enzyme immer noch eine groûe enzymatische Aktivitåt. Es sollte daher mæglich sein, mithilfe der Ræntgenstrahlbeugung die Reaktionsmechanismen zu studieren. Einen græûeren Nachteil gibt es allerdings: die Versuchsdauer begrenzt den Einsatz des Verfahrens. Bei einer normalen kristallographischen Untersuchung mçssen die Enzymkristalle stunden- oder tagelang Ræntgenstrahlen ausgesetzt werden, bis die nætigen Daten zusammen sind. Dann erhålt man ein Bild von der Struktur des Molekçls, das çber die Zeit gemittelt ist. Aufgrund jçngerer Entwicklungen ist es allerdings inzwischen mæglich, mithilfe von Ræntgenstrukturanalysen auch die kurzzeiti-

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gen strukturellen Ønderungen zu beobachten, zu denen es im aktiven Zentrum kommt, wenn ein Enzym einen einzelnen Reaktionszyklus katalysiert. Zu diesem Ansatz, der $         , gehært beispielsweise Folgendes: n Verwendung åuûerst intensiver Ræntgenstrahlen, die von einem Synchroton erzeugt werden, einer Anlage, mit der Kernphysiker subatomare Partikel untersuchen. Auf diese Weise kann man die Bestrahlung mit Ræntgenstrahlen auf wenige Pikosekunden verkçrzen; das entspricht dem Zeitrahmen, den ein Enzym benætigt, um eine einzelne chemische Umwandlung zu katalysieren. n Abkçhlung der Enzymkristalle auf Temperaturen von 20±40 8C çber dem absoluten Nullpunkt. Dadurch wird die Reaktion zehnmilliardenfach verlangsamt und somit die Verweildauer der temporåren Zwischenprodukte stark verlångert. n Einsatz von Techniken, mit denen eine Reaktion zur gleichen Zeit im gesamten Kristall ausgelæst wird, so dass sich såmtliche Enzymmolekçle des Kristalls gleichzeitig im selben Reaktionszustand befinden. So kann man beispielsweise bei einer Reaktion, in der ATP das Substrat ist, die Enzymkristalle mit ATP-Molekçlen infiltrieren, die inaktiviert wurden, indem man sie çber eine photoempfindliche Bindung mit einer inerten Gruppe (etwa einer Nitrophenylgruppe) verknçpfte. Wenn die Kristalle dann einem kurzen Lichtpuls ausgesetzt werden, werden alle ¹einge-

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Enzyme, die biologischen Katalysatoren

sperrtenª ATP-Molekçle freigesetzt und damit wird an allen aktiven Zentren des gesamten Kristalls gleichzeitig eine Reaktion ausgelæst. n Einsatz von Enzymen mit Mutationen, die durch eine Oligonucleotidmutagenese (Kap. 2.5.3) gezielt eingebracht wurden; dies beeintråchtigt in spezifischen Reaktionsstadien die Kinetik des Prozesses und erhæht so die biologische Halbwertszeit bestimmter Zwischenprodukte. n Strukturbestimmung mit einer sehr starken Auflæsung (etwa 80 pm), bei der man Wasserstoffbrçcken und die Ûbertragung von Protonen erkennen kann, die es bei vielen Reaktion gibt. Durch eine Kombination dieser Verfahren ist es Wissenschaftlern gelungen, die dreidimensionale Struktur eines Enzyms wåhrend der aufeinander folgenden Stadien einer einzigen katalysierten Reaktion zu bestimmen. Wenn man diese einzel-








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nen ¹Schnappschçsseª aneinander reiht, entsteht ein ¹Filmª, in dem die verschiedenen Zwischenprodukte der Katalyse zu sehen sind, die im Verlauf der Reaktion auftreten und wieder verschwinden. Abbildung 3.15 zeigt ein Beispiel dafçr, welche Daten mithilfe dieser Ansåtze gesammelt werden kænnen. '$. "ymkinetik Enzyme sind ganz unterschiedlich dazu geeignet, Reaktionen zu katalysieren. Welche katalytische Aktivitåt ein Enzym besitzt, erkennt man, wenn man sich seine    ansieht, also die Geschwindigkeit, mit der es eine Reaktion unter verschiedenen experimentellen Bedingungen katalysiert. 1913 veræffentlichten Leonor Michaelis und Maud Menten einen Artikel çber den mathematischen Zusammenhang zwischen der Substratkonzentration und der Geschwindigkeit enzymatischer Reaktionen. Dafçr maûen sie, wie viel Reaktionsprodukte in einem bestimmten Zeitraum gebildet (oder Substrat verbraucht) n Abb. 3.15 a±c. ?I   = >         !     B   ;B    '  ?I +?1%  < &   % "      8@?    9&      "    % ! (              !  8@?   +8@     ?    % ' @:"       4 

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

wurden. Diese Beziehung kann man in einer Gleichung (s. unten) ausdrçcken, die eine Hyperbel ergibt (Abb. 3.16). Statt dieser theoretischen Herangehensweise an die Enzymkinetik kænnen wir diese Kurve auch auf praktische Weise erhalten, wie man das fçr jedes Enzym tut, das man untersucht. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen, inkubiert man bei entsprechender Temperatur einen Ansatz, in dem såmtliche erforderlichen Inhaltsstoffe enthalten sind, bis auf denjenigen, der die Reaktion startet, sobald er hinzugefçgt wird. Wenn bei Reaktionsbeginn kein Reaktionsprodukt im Ansatz vorhanden ist, dann erhålt man mit der Anzahl der Reaktionsprodukte, die pro Zeiteinheit gebildet werden, ein Maû fçr die Reaktionsgeschwindigkeit. Es gibt allerdings mehrere Umstånde, die diese Methode erschweren kænnen. So verringert sich bei einer zu langen Inkubationszeit die Substratkonzentration deutlich. Darçber hinaus kann ein Reaktionsprodukt, das gebildet wird, durch die Rçckreaktion, die das Enzym ebenfalls katalysiert, wieder in Substrat verwandelt werden. Daher bestimmt man am besten die     '   , d. h. die Geschwindigkeit zu dem Zeitpunkt, an dem die Reaktion bereits låuft, aber noch kein Reaktionsprodukt entstanden ist. Um genaue Werte fçr die Anfangsgeschwindigkeit zu bekommen, inkubiert man kurz und verwendet empfindliche Messmethoden.

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Um eine Kurve wie in Abb. 3.16 zu erhalten, bestimmt man die Anfangsgeschwindigkeit bei mehreren Inkubationsansåtzen, die gleich viel Enzym, aber immer hæhere Substratkonzentrationen enthalten. Aus der Kurve geht klar hervor, dass die Anfangsgeschwindigkeit stark von der Substratkonzentration abhångt. Bei geringen Substratkonzentrationen treffen die Enzymmolekçle in einem bestimmten Zeitraum relativ selten auf Substrat. Das Enzym befindet sich sozusagen im ¹Leerlaufª ± d. h. die Anzahl der Substratmolekçle ist geschwindigkeitsbestimmend. Bei hohen Substratkonzentrationen treffen die Enzyme schneller auf Substratmolekçle, als diese in Reaktionsprodukte verwandelt werden kænnen. Dann arbeiten die einzelnen Enzymmolekçle mit maximaler Leistungsfåhigkeit; dann sind die Enzymmolekçle geschwindigkeitsbestimmend. Daher erreicht das Enzym, je græûer die Substratkonzentration im Reaktionsansatz ist, einen Såttigungszustand. Die Anfangsgeschwindigkeit bei diesem theoretischen Såttigungspunkt bezeichnet man als  -  

 '    3V -4. Am einfachsten ist die katalytische Aktivitåt eines Enzyms anhand seiner  $  zu bestimmen, die man aufgrund von ;max berechnen kann. Die Wechselzahl (oder   %   

  cat) gibt an, wie viele Substratmolekçle ein Enzymmolekçl pro Zeiteinheit maximal in Reaktionsprodukte umwandeln kann. Enzyme haben in der Regel eine Wechselzahl (pro Sekunde) von 1 bis 103; allerdings sind auch Werte von çber 106 (fçr die Carboanhydrase) bekannt (Tabelle 3.3). Aufgrund dieser Werte ist klar, dass relativ wenige Enzymmolekçle schnell eine relativ groûe Anzahl von Substratmolekçlen in Reaktionsprodukte verwandeln kænnen. Neben dem ;max-Wert kann man aus einem Diagramm wie in Abb. 3.16 noch einen weiteren wichtigen Wert, die       3K4, ablesen; sie entspricht der Substratkonzentration bei halbmaximaler Reaktionsgeschwindigkeit. Wie der Name schon sagt, ist 5M fçr ein bestimmtes Enzym konstant und daher unabhångig von der Substrat- oder Enzymkonzentration. Welche Beziehung zwischen ;max und 5M besteht, kann man am besten beurteilen, wenn man sich die Michaelis-Menten-Gleichung ansieht, mit deren Hilfe man die Kurve in Abb. 3.16 auftragen kann. ; = ;max [S]/[S]+5M Dieser Gleichung zufolge entspricht die Reaktionsgeschwindigkeit (;) der halbmaximalen Reaktionsgeschwindigkeit (;max/2), wenn die Sub-

 stratkonzentration [S] gleich 5M ist. Somit gilt 5M = [S], wenn ; = ;max/2. In den meisten Fållen ist der Wert fçr 5M ein Maû fçr die Affinitåt des Enzyms fçr sein Substrat. Je græûer 5M ist, umso græûer ist die Substratkonzentration, die erforderlich ist, um ;max/2 zu erreichen, und umso geringer ist somit auch die Affinitåt des Enzyms fçr sein Substrat. Bei den meisten Enzymen hat 5M einen Wert zwischen 10±1 und 10±7 M, ein typischer Wert liegt bei etwa 10±4 M. Andere Faktoren, von denen die Enzymkinetik stark abhångt, sind der pH-Wert und die Temperatur des Inkubationsansatzes. Jedes Enzym hat einen optimalen pH-Wert und eine optimale Temperatur, bei der es maximal aktiv ist (Abb. 3.17). Um eine Hyperbel wie in Abb. 3.16 zu erhalten und um die Werte fçr ;max und 5M genau bestimmen zu kænnen, mçssen zahlreiche Punkte aufgetragen werden. Eine einfachere und genauere Beschreibung erhålt man, wenn man die Geschwindigkeit und die Substratkonzentration reziprok gegeneinander auftrågt, wie es Hans Lineweaver und Dean Burk vorgeschlagen haben. Wenn man das tut, wird aus der Hyperbel eine Gerade (Abb. 3.18), deren Abschnitt auf der x-Achse ±1/5M, deren Abschnitt auf der y-Achse 1/;max und deren Steigung 5M/;max entspricht. Man kann die Werte von 5M und ;max dann leicht bestimmen, indem man die aus relativ wenigen Punkten erstellte Linie extrapoliert. 2   #$% 2   #$% sind Molekçle, die an ein Enzym binden und seine Aktivitåt senken kænnen. Die Zelle braucht Hemmstoffe (Inhibitoren), um die Aktivitåt vieler ihrer Enzyme zusteuern, Biochemiker benutzen Hemmstoffe, um die Eigenschaften von Enzymen zu untersuchen, und viele biochemische Firmen stellen Enzyminhibitoren her, die als Arzneimittel, Antibiotika oder Pestizide eingesetzt werden. Man kann die Hemmstoffe fçr Enzyme in zwei Gruppen einteilen: reversible und nicht reversible. Reversible Hemmstoffe wiederum kænnen kompetitiv oder nichtkompetitiv sein. 69  2  binden sehr fest an ein Enzym, wobei sie oft eine kovalente Bindung mit einem seiner Aminosåurereste eingehen. Aspirin ist ein irreversibler Hemmstoff der Cyclooxygenase (Kap. 2.5.3), weil es einen entscheidenden Serinrest im aktiven Zentrum des Enzyms acetyliert. Eine Reihe von Nervengasen wie Diisopropylphosphofluoridat sowie die phosphorhaltigen organischen Pestizide sind irreversible Hemmstoffe der Acetylcholinesterase. Dieses Enzym spielt eine entscheidende Rolle beim

Enzyme, die biologischen Katalysatoren

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Abbau von Acetylcholin, das als Neurotransmitter die Muskelkontraktion auslæst. Wenn das Enzym gehemmt wird, wird der Muskel ununterbrochen stimuliert und bleibt auf Dauer kontrahiert. Wie wir im Exkurs ¹Aus Sicht des Menschenª noch sehen werden, ist das Antibiotikum Penicillin ein irreversibler Hemmstoff eines Schlçsselenzyms fçr den Bau der Bakterienzellwand.

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

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?eversible Hemmstoffe binden dagegen nur lose an ein Enzym und werden daher auch leicht wieder verdrångt.   9 2  sind reversible Inhibitoren, die mit einem Substrat um den Zugang zum aktiven Zentrum des Enzyms konkurrieren. Da ein Substrat eine Struktur hat, die komplementår zum aktiven Zentrum ist, an das es bindet, mçssen kompetitive Hemmstoffe dem Substrat soweit åhneln, dass sie um dieselbe Bindungsstelle konkurrieren kænnen, sich aber von ihm soweit unterscheiden, dass sie nicht in ein Reaktionsprodukt umgewandelt werden (Abb. 3.19). Wenn man die Molekçle analysiert, die mit dem Substrat um die Bindungsstelle am Enzym konkurrieren kænnen, erfåhrt man etwas çber die Struktur des aktiven Zentrums und die Art der Wechselwirkungen zwischen dem natçrlichen Substrat und seinem Enzym. Auf der kompetitiven Enzymhemmung basiert, wie das folgende Beispiel zeigt, die Wirkung eines breiten Spektrums an gångigen Arzneimitteln. Das Angiotensin-Converting-Enzyme (ACE) ist ein proteolytisches Enzym, das von Angiotensin I, einem Peptid mit 10 Resten, zwei Reste abspaltet, so dass Angiotensin II entsteht. Menschen mit erhæhten Angiotensin-II-Konzentrationen haben ein erhæhtes Risiko fçr hohen Blutdruck (Hypertonie). In den 1960er Jahren begannen John Vane und seine Mitarbeiter bei der Firma Eli Lilly nach Verbindungen zu suchen, die ACE hemmen kænnten. Frçhere Studien hatten ergeben, dass das Gift der brasilianischen Grubenotter Hemmstoffe proteolytischer Enzyme enthålt, und man fand heraus, dass eine

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Verbindung dieses Gifts, ein Peptid namens Teprotid,

Teprotid (Peptidbindungen rot)

ein starker kompetitiver Inhibitor von ACE ist. Obwohl man zeigen konnte, dass Teprotid bei Patienten mit Hypertonie den Blutdruck senkt, war es als Arzneimittel nicht sehr geeignet, weil ein Peptid bei oraler Einnahme schnell abgebaut wird. Weitere Bemçhungen, Hemmstoffe des Enzyms zu entwickeln, die keine Peptidstruktur besitzen, fçhrten zur Synthese einer Verbindung namens Captopril,



Enzyme, die biologischen Katalysatoren

das erste wirksame Medikament gegen Bluthochdruck, das çber eine Bindung an ACE wirkt. Wie effektiv ein kompetitiver Inhibitor ist, hångt von seiner Affinitåt zum Enzym ab. Unabhångig davon kann eine kompetitive Hemmung çberwunden werden, wenn das Verhåltnis von Substrat zu Hemmstoff groû genug ist. Mit anderen Worten: Wenn Enzym und Hemmstoff im Vergleich zu Enzym und Substrat relativ selten aufeinander treffen, ist die Wirkung des Inhibitors nur gering. Bei einer ausreichenden Substratkonzentration kann das Enzym trotz eines kompetitiven Inhibitors theoretisch weiterhin seine Maximalgeschwindigkeit erreichen. Bei     9 2 konkurrieren Substrat und Inhibitor nicht um dieselbe Bindungsstelle; vielmehr wirkt der Hemmstoff dann im Allgemeinen an einer anderen Stelle als am aktiven Zentrum des Enzyms. Wie stark die Hemmung ist, hångt nur von der Konzentration des Hemmstoffs ab und ist vollkommen unabhångig von der Substratkonzentration. Da in Gegenwart eines nichtkompetitiven Inhibitors ein




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bestimmter Anteil der Enzymmolekçle zu einem bestimmten Zeitpunkt inaktiv sein muss, kænnen die Enzymmolekçle nicht ihre Maximalgeschwindigkeit erreichen. Wie nichtkompetitive und kompetitive Hemmstoffe die Enzymkinetik beeinflussen, zeigt Abb. 3.20. In einem Fall ist ;max verringert und im anderen 5M erhæht. In beiden Fållen ist die Steigung (5M/;max) hæher als bei der ungehemmten Reaktion. Wie wir noch in Kap. 3.3.4 sehen werden, verwenden Zellen eine Form der nichtkompetitiven Hemmung, um die Aktivitåt der wichtigsten Stoffwechselenzyme zu regulieren (Abb. 3.29).

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n Abb. 3.20 a, b.  

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

Box 3a

Aus Sicht des Menschen

Das wachsende Problem der Antibiotikaresistenz Vor nicht allzu langer Zeit war man noch allgemein der Ansicht, bakterielle Infektionen kænnten die Gesundheit der Menschen nicht mehr ernsthaft gefåhrden. Bakterielle Erkrankungen wie Tuberkulose, Pneumonie, Gonorrhæ sowie Dutzende andere konnten durch die Einnahme von irgendeinem der zahlreichen Antibiotika geheilt werden ± Verbindungen, die gezielt Bakterien tæten, ohne den menschlichen Wirt, in dem sich die Bakterien vermehren, zu schådigen. Angesichts dieses Erfolges reduzierten die pharmazeutischen Unternehmen ihren Forschungsaufwand zur Entwicklung neuer Arten von Antibiotika und wandten sich anderen Aufgaben zu. Mittlerweile zeigt sich jedoch nur allzu deutlich, dass es zu frçh war, vom Ende der bakteriellen Erreger zu sprechen. Die Ausbildung bakterieller Resistenzen ist ein ausgezeichnetes Beispiel fçr natçrliche Selektion. Durch den weltweiten Einsatz (und Missbrauch) dieser Arzneimittel wurden empfindliche Zellen getætet, so dass nur die seltenen resistenten çbrig blieben, mit denen sich dann die Reihen wieder fçllten. Die Folge davon war eine merkliche Zunahme antibiotikaresistenter Bakterienståmme darunter auch derjenigen, die Lungenentzçndung, Tuberkulose oder Sepsis auslæsen. Hier wollen wir uns kurz die Wirkungsweise von Antibiotika ansehen ± besonders solchen, die Enzyme angreifen, mit denen sich dieses Kapitel ja befasst ± sowie die Entwicklung einer bakteriellen Resistenz. Die meisten Antibiotika sind natçrliche Substanzen, die Mikroorganismen produzieren, um andere Mikroorganismen zu tæten. Folgende Elemente der Bakterienzellen haben sich dabei als besonders gute Angriffsziele erwiesen: n #$%"     &%        '     0 Penicillin und seine Derivate åhneln in ihrer Struktur den Substraten einer Familie von Transpeptidasen; diese Enzyme katalysieren die abschlieûenden Verknçpfungsreaktionen, die der Zellwand ihre Festigkeit verleihen. Ohne diese Reaktionen kann

keine stabile Zellwand gebildet werden. Penicillin hemmt die Transpeptidasen irreversibel. Das Antibiotikum passt in das aktive Zentrum dieser Enzyme, wodurch ein kovalent gebundener Komplex entsteht, der nicht aufgelæst werden kann. Das Antibiotikum Vancomycin (das ursprçnglich aus einem Mikroorganismus stammt, der in Bodenproben aus Borneo gefunden wurde) hemmt die Transpeptidasen, indem es an das Substrat der Enzyme, ein Peptid, und nicht an das Enzym selbst bindet. Normalerweise endet das Substrat der Transpeptidase mit einem D-Alanin-D-Alanin-Dipeptid. Um gegençber Vancomycin resistent zu werden, muss ein Bakterium ein anderes Endstçck synthetisieren, an welches das Medikament nicht bindet ± das ist ein langwieriger Prozess, in dessen Verlauf mehrere neue enzymatische Aktivitåten entwickelt werden mçssen. Daher ist Vancomycin das Antibiotikum, gegen das Bakterien bisher noch am wenigsten Resistenzen entwickeln konnten; aus diesem Grunde kann es im åuûersten Notfall verwendet werden, wenn alle anderen Antibiotika versagen. Leider sind in den letzten Jahren Vancomycin-resistente Ståmme von mehreren pathogenen Bakterien, unter anderem auch        und     , aufgetreten. Diese resistenten Ståmme findet man håufig in Krankenhausstationen, weshalb es immer schwieriger wird, Infektionen zu behandeln, die man sich im Krankenhaus zugezogen hat. Man nimmt an, dass die Selektion auf vancomycinresistente Ståmme darauf zurçckzufçhren ist, dass in Europa bei der Tierfçtterung håufig ein verwandtes Antibiotikum (Avoparcin) zugesetzt wurde. Hygieniker raten Krankenhåusern dringend, bessere Hygienemaûnahmen zu ergreifen und drången den Gesetzgeber, den Einsatz von Antibiotika in der Landwirtschaft zu verbieten. n 7     &%  "    7        6   9 "           0 Obwohl pro- und eukaryotische Zellen ein åhnliches System besitzen, um ihre genetische Information zu speichern und zu benutzen, gibt es zwischen den beiden Zelltypen doch viele grundlegende Unterschie-



Enzyme, die biologischen Katalysatoren

de, die sich die Pharmakologen zu Nutze machen. Streptomycin und die Tetracycline beispielsweise binden zwar an pro-, aber nicht an eukaryotische Ribosomen. Chinolone, ein seltenes Beispiel fçr vollkommen synthetische Antibiotika (die also nicht auf natçrlichen Produkten basieren), hemmen das Enzym DNA-Gyrase, das fçr die DNAReplikation von Bakterien erforderlich ist. Ciprofloxacin (Markenbezeichnung Cipro) ist das Chinolon, das am håufigsten verschrieben wird. Cipro war das Medikament, das allen verabreicht wurde, die mit den Anthraxsporen in Kontakt gekommen waren, die im Herbst 2001 mit der Post verschickt worden waren (Abb. 1). Es war deshalb das Medikament der Wahl, weil es erst kurz vorher entwickelt worden war. Daher war es unwahrscheinlich, dass die fçr den Angriff verantwortliche(n) Person(en) Bakteriensporen besessen haben kænnte(n), die bereits gegen Cipro resistent geworden waren. Das kann bei kçnftigen Terrorakten anders sein. 2000 wurde in den USA ein vollkommen neuer Typ eines synthetischen Antibiotikums zugelassen ± das erste seit etwa 35 Jahren. Dieses Antibiotikum mit dem Namen Linezolid (Markenname Zyvox) wirkt nur auf bakterielle Ribosomen und greift in die Proteinsynthese ein. Nach

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etwa einem Jahr wurde erstmals eine Resistenz gegençber Zyvox bei     beschrieben. Viele Wissenschaftler hoffen, dass Zyvox nur im åuûersten Notfall verwendet wird, damit mæglichst wenig Ståmme Resistenzen dagegen entwickeln. n #$%"      $    & '      % 0 Sulfonamide beispielsweise sind effiziente Antibiotika, weil sie der Verbindung -Aminobenzoesåure (PABA) stark åhneln,

die Bakterien enzymatisch in das essentielle Coenzym Folsåure umwandeln. Da Menschen kein Enzym besitzen, das Folsåure synthetisiert, mçssen sie dieses essentielle Coenzym mit der Nahrung aufnehmen; daher kænnen Sulfonamide den menschlichen Stoffwechsel nicht stæren. Bakterien werden auf ganz unterschiedliche Weise resistent gegençber Antibiotika. Viele dieser Mechanismen kann man anhand von Penicillin veranschaulichen. Penicillin ist ein -Lactam, das heiût, es besitzt einen charakteristischen viergliedrigen -Lactam-Ring (farbig markiert).

Bereits 1940 entdeckten Forscher, dass bestimmte Bakterien ein Enzym namens -Lactamase (oder Penicillinase) besitzen, das den Lactam-Ring æffnen kann; dadurch wird die Verbindung fçr Bakterien ungefåhrlich. Als Penicillin im 2. Weltkrieg erstmals als Antibiotikum eingefçhrt wurde, besaû keines der pathogenen Bakterien ein -Lactamase-Gen. Das kann man çberprçfen, indem man die DNA von Bakterien aus Laborkulturen untersucht, die bereits vor der Øra der Antibiotika angelegt wurden. Heutzutage findet man das Lactamase-Gen in einem breiten Spektrum von bakteriellen Erregern. Die Penicillinresistenz be-

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

ruht çberwiegend auf der -Lactamase-Produktion dieser Zellen. Wie sind diese Spezies zu dem Gen gekommen? Die weite Verbreitung des -Lactamase-Gens zeigt deutlich, wie leicht Gene von einem Bakterium zum anderen weitergegeben werden kænnen ± nicht nur unter Zellen einer bestimmten Art, sondern auch zwischen unterschiedlichen Spezies. Dafçr gibt es mehrere Wege. Einer davon ist die Konjugation (Abb. 1.13), bei der DNA von einer Bakterienzelle auf eine anderen çbertragen wird; ein anderer die Transduktion, bei der ein bakterielles Gen durch ein Virus von einer Zelle zur anderen çbertragen wird; ein weiterer die Transformation, bei der eine Bakterienzelle nackte DNA aus dem sie umgebenden Medium aufnehmen kann. Die Pharmakologen haben versucht, der Verbreitung der -Lactamase entgegenzuwirken, indem sie Penicillin-Derivate wie Cefuroxim synthetisiert haben, die gegençber dem hydrolytischen Enzym stårker resistent sind. Wie zu erwarten war, sind aufgrund der natçrlichen Selektion schnell Bakterien entstanden, deren -Lactamase die neuen Antibiotika spalten kann. So kann, wie Julian Davies von der University of British Columbia es formuliert hat, ¹ein einziger Basenaustausch in einem Gen, das eine bakterielle -Lactamase codiert, pharmazeutische Forschungsarbeiten im Wert von 100 Millionen Dollar zunichte machenª. Nur begrenzten Erfolg hatte man mit dem Ansatz, Patienten mit zwei verschiedenen Medikamenten zu behandeln: einem penicillinartigen Antibiotikum, das die Transpeptidase hemmt, sowie einem anderen Enzymhemmer wie Clavulansåure, der die -Lactamase hemmt. Nicht alle Bakterien, die gegençber Penicillin resistent sind, besitzen ein -LactamaseGen. Einige sind resistent, weil sie ihre Zellwånde so veråndert haben, dass das Antibiotikum nicht eindringen kann. Andere, weil sie das Antibiotikum gezielt wieder ausschleusen

kænnen, sobald es in die Zelle eingedrungen ist. Wieder andere sind resistent, weil ihre Transpeptidasen so modifiziert sind, dass sie das Antibiotikum nicht mehr binden kænnen. So wird beispielsweise die bakterielle Meningitis durch das Bakterium )      verursacht, von dem man noch nicht weiû, ob es eine -Lactamase besitzt. Dennoch werden diese Bakterien resistent gegençber Penicillin, weil ihre Transpeptidasen die Affinitåt fçr das Antibiotikum verloren haben. Das Problem der Arzneimittelresistenz ist nicht auf bakterielle Erkrankungen beschrånkt, sondern ist auch ein wesentliches Thema bei der Aids-Therapie. Im Gegensatz zu Bakterien, deren Replikationsenzyme sehr genau arbeiten, macht das Replikationsenzym des Aids-Virus (HIV), die 9  !    , zahlreiche Fehler, die zu einer hohen Mutationsrate fçhren. Diese hohe Fehlerquote (etwa 1 Fehler pro 10.000 replizierten Basen) erhæht zusammen mit der enormen Vermehrung des Virus (in einer Person entstehen tåglich çber 108 neue Viruspartikel) die Wahrscheinlichkeit, dass in einem Patienten mit fortschreitender Infektion Varianten auftreten, die gegençber einem Medikament resistent sind. Dieses Problem kann man auf zweierlei Weise bekåmpfen: n Indem die Patienten mehrere verschiedene Medikamente nehmen, die gegen verschiedene virale Enzyme gerichtet sind. Dies verringert erheblich die Wahrscheinlichkeit, dass eine Variante auftritt, die gegençber allen Medikamenten resistent ist. n Indem man Arzneimittel entwickelt, die mit den stark konservierten Anteilen eines Zielenzyms wechselwirken, also den Anteilen, in denen es aufgrund von Mutationen hæchstwahrscheinlich zu einem Defekt im Enzym kommt. Dieser Punkt unterstreicht, wie wichtig es ist, die Struktur und Funktion des Zielenzyms zu kennen und zu wissen, wie das potenzielle Medikament mit dem Ziel reagiert (Abschnitt 2.5.3).

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3.3 Stoffwechsel Der Stoffwechsel besteht aus einer Reihe biochemischer Reaktionen in der Zelle, darunter auch einer enormen Vielfalt an molekularen Umwandlungsprozessen. Die meisten dieser Reaktionen gehæren zu den Stoffwechselwegen, Abfolgen chemischer Reaktionen, bei denen jede dieser Reaktionen von einem bestimmten Enzym katalysiert wird und das Reaktionsprodukt einer Reaktion das Substrat der nåchsten Reaktion ist. Normalerweise sind die Enzyme eines Stoffwechselweges auf einen spezifischen Bereich der Zelle wie etwa die Mitochondrien oder das Cytosol begrenzt. Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass die Enzyme eines Stoffwechselweges oft physisch miteinander verbunden sind, so dass im Verlauf der Reaktionen das Reaktionsprodukt des einen Enzyms jeweils direkt als Substrat zum aktiven Zentrum des nåchsten Enzyms weitergeleitet wird. Die Verbindungen, die bei jeder Reaktion eines Stoffwechselweges entstehen, sind Stoffwechselzwischenprodukte oder Metaboliten, aus denen letztlich ein Endprodukt entsteht. Endprodukte sind Molekçle, die eine bestimmte Funktion in der Zelle haben ± wie etwa eine Aminosåure, die in ein Polypeptid eingebaut werden kann, oder ein Zuckermolekçl, das wegen seines Energiegehalts benætigt wird. Die Stoffwechselwege einer Zelle sind an verschiedenen Punkten miteinander vernetzt, so dass eine Verbindung, die auf einem Weg entstanden ist, in verschiedene Richtungen dirigiert werden kann, je nachdem, wo im Augenblick gerade Bedarf in der Zelle besteht. Wir wollen uns in diesem Abschnitt auf die Teile des Stoffwechsels konzentrieren, durch die es in der Zelle zur Ûbertragung und Nutzung von chemischer Energie kommt, weil dieses Thema im Verlauf dieses Buches immer wieder zur Sprache kommen wird.

Stoffwechsel

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wechselwegen freigesetzte Energie vorçbergehend in zwei Formen gespeichert: als energiereiche Phosphate (vor allem ATP) und als energiereiche Elektronen (vor allem in Form von NADPH). Bei anabolen Stoffwechselprozessen werden dagegen aus einfacheren Ausgangsmaterialien komplexere Verbindungen synthetisiert. Diese Prozesse benætigen Energie und nutzen die chemische Energie, die bei exergonen katabolen Stoffwechselprozessen freigesetzt wird. Abbildung 3.21 zeigt stark vereinfacht, wie die wichtigsten anabolen und katabolen Wege miteinander vernetzt sind. Makromolekçle werden zunåchst in ihre jeweiligen Bausteine zerlegt (hydrolysiert) (Stadium I, Abb. 3.21). Sobald die Makromolekçle in ihre Bestandteile ± Amino-

3.3.1 Ein Ûberblick çber den Stoffwechsel Es gibt zwei Arten von Stoffwechselwegen. Katabole Stoffwechselwege sorgen dafçr, dass komplexe Molekçle abgebaut werden und einfachere Produkte entstehen. Damit erfçllen sie zwei Funktionen: Sie sorgen dafçr, dass das Rohmaterial bereitgestellt wird, aus dem andere Molekçle synthetisiert werden kænnen, und sie liefern chemische Energie, die fçr viele Zellaktivitåten benætigt wird. Wie wir noch ausfçhrlich erærtern werden, wird die bei katabolen Stoff-

n Abb. 3.21. Drei Phasen des Stoffwechsels. Die katabolen Stoffwechselwege (grçne Pfeile, die nach unten zeigen) vereinigen sich, bilden gemeinsame Zwischenprodukte und fçhren in Phase III zur ATP-Synthese. Die anabolen Stoffwechselwege (blaue Pfeile, die nach oben zeigen) starten mit einigen Vorstufen aus Phase III und synthetisieren unter Verbrauch von ATP viele verschiedene Zellmaterialien. Die Stoffwechselwege fçr Nucleinsåuren sind viel komplizierter und hier nicht dargestellt. (Aus: Lehninger AL (1975) Biochemistry. 2. Ausg. Worth, New York)

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

såuren, Zucker und Fettsåuren ± zerfallen sind, kann die Zelle diese Bausteine direkt wieder dazu verwenden, um n andere Makromolekçle vom selben Typ herzustellen (Stadium I), n sie in andere Verbindungen umzuwandeln und so andere Reaktionsprodukte herzustellen, n sie weiter abzubauen (Stadien II und III, Abb. 3.21) und ihnen einen Teil ihrer Freien Enthalpie zu entziehen. Je nachdem, welche Verbindung abgebaut wird, unterscheiden sich die Abbauwege der verschiedenen Bausteine von Makromolekçlen. Letztlich werden jedoch alle diese Molekçle in eine kleine Anzahl verschiedener Verbindungen umgewandelt, die alle auf åhnliche Weise verstoffwechselt werden kænnen. Obwohl katabole Stoffwechselwege also von Makromolekçlen mit sehr unterschiedlichen Strukturen ausgehen, werden diese Substanzen letztlich alle in dieselben niedermolekularen Metaboliten umgewandelt. Daher sagt man, dass die katabolen Stoffwechselwege 9 . Erstaunlicherweise findet man die in diesem Kapitel beschriebenen chemischen Reaktionen und Stoffwechselwege praktisch in allen lebenden Zellen ± von den einfachsten Bakterien bis zu den komplexesten Pflanzen und Tieren. Offensichtlich haben sich diese Stoffwechselwege schon sehr frçh im Verlauf der biologischen Evolution entwickelt und sind die ganze Zeit çber erhalten geblieben. ''$ B7dation und Reduktion ± eine Sache der Elektronen Beim Abbau wie bei der Biosynthese gibt es entscheidende Reaktionen, in denen Elektronen von einem Reaktionsteilnehmer auf einen anderen çbertragen werden. Reaktionen, in denen die Elektronenzahl der Reaktionsteilnehmer veråndert wird, nennt man (-           oder kurz -  . Bei einer solchen Reaktion gehen Elektronen verloren oder werden gewonnen. Betrachten Sie die Umwandlung von metallischem Eisen (Fe0) in zweiwertiges Eisen (Fe2+), bei der das Eisenatom ein Elektronenpaar abgibt und dadurch positiv geladen wird. Wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen verliert, sagt man, es wird -  . Die Reaktion ist reversibel, zweiwertiges Eisen

kann durch Aufnahme eines Elektronenpaars wieder in metallisches Eisen, einen stårker negativ geladenen Zustand, umgewandelt werden. Wenn ein Atom ein oder mehrere Elektronen aufnimmt, sagt man, es wird $ . Damit metallisches Eisen oxidiert wird, muss es eine Substanz geben, welche die freiwerdenden Elektronen aufnimmt. Umgekehrt muss es, damit zweiwertiges Eisen reduziert wird, eine Substanz geben, welche die erforderlichen Elektronen abgibt. Mit anderen Worten: Die Oxidation eines Reaktionsteilnehmers muss mit der Reduktion eines anderen Reaktionsteilnehmers einhergehen und umgekehrt. Beim Eisen kænnte eine solche Reaktion beispielsweise so aussehen Fe0+Cu2+ ? Fe2++Cu0 Die Substanz, die bei einer Redoxreaktion oxidiert wird, d. h. die die Elektronen verliert, bezeichnet man als    , wåhrend man die Substanz, die reduziert wird und somit Elektronen erhålt, als (-      bezeichnet. Bei der Oxidation oder Reduktion von Metallen wie Eisen oder Kupfer gehen die Elektronen vællig verloren oder werden vollståndig gewonnen. Das kann bei den meisten organischen Verbindungen aus folgendem Grund nicht passieren: An der Oxidation und Reduktion organischer Substrate im Zellstoffwechsel sind Kohlenstoffatome beteiligt, die kovalent mit anderen Atomen verbunden sind. Wenn sich zwei verschiedene Atome ein Elektronenpaar teilen, werden die Elektronen, wie bereits in Kapitel 2 erærtert wurde, von einem der beiden Atome in der polarisierten Bindung stårker angezogen. In einer C-H-Bindung zieht das Kohlenstoffatom die Elektronen zu sich herçber; daher kann man sagen, dass sich das Kohlenstoffatom in einem reduzierten Zustand befindet. Befindet sich das Kohlenstoffatom dagegen beispielsweise in einer C-O oder C-N-Bindung mit einem stårker elektronegativen Atom, werden die Elektronen vom Kohlenstoffatom abgezogen; dann ist das Kohlenstoffatom in einem oxidierten Zustand. Da Kohlenstoff auf seiner åuûeren Schale vier Elektronen besitzt, die es mit anderen Atomen teilen kann, kann es die verschiedensten Oxidationszustånde annehmen. Das kann anhand einer Reihe von Molekçlen mit nur einem Kohlenstoffatom veranschaulicht werden (Abb. 3.22), bei denen der Zustand des Kohlenstoffatoms von vollståndig reduziert wie im Methan (CH4) bis zu vollståndig oxidiert wie im Kohlendioxid (CO2) reicht. Fçr eine erste Abschåtzung des relativen Oxidationszustands eines organischen Molekçls



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n Abb. 3.22.   @$ !   )  

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verrechnet man die Anzahl der Wasserstoffatome pro Kohlenstoffatom mit derjenigen der Sauerstoff- und Stickstoffatome pro Kohlenstoffatom. Wie wir bald sehen werden, ist der Oxidationszustand der Kohlenstoffatome eines organischen Molekçls ein Maû fçr den Gehalt an Freier Enthalpie in diesem Molekçl.

stoffwechsel von Pflanzen und Tieren. Bei der vollståndigen Oxidation von Glucose wird sehr viel Freie Enthalpie frei:

''' Energiegewinnung und -verbrauch Die chemischen Brennstoffe, mit denen wir unsere Úfen betreiben und Autos fahren, sind stark reduzierte organische Verbindungen wie Erdgas (CH4) und Petroleumderivate. Wenn diese Molekçle in Gegenwart von Sauerstoff verbrannt und die Kohlenstoffatome stårker oxidiert werden ± etwa zu Kohlendioxid oder Kohlenmonoxidgasen ±, wird Energie freigesetzt. Wie stark eine Verbindung reduziert ist, ist auch ein Maû fçr ihre Fåhigkeit, in der Zelle chemische Arbeit zu leisten. Je mehr Wasserstoffatome man einem ¹Brennstoffª-Molekçl entziehen kann, desto mehr ATP kann letztlich produziert werden. Kohlenhydrate sind so energiereich, weil sie an  | einandergereihte H±C ±OH -Einheiten enthal|

ten. Fette enthalten aufgrund ihrer Ketten aus   | noch stårker reduzierten H±C ±H -Einheiten |

sogar noch mehr Energie. Wir wollen uns im Folgenden auf Kohlenhydrate konzentrieren. Als einziger Baustein von Stårke und Glycogen ist Glucose ein Schlçsselmolekçl im Energie-

C6H12O6+6O2 ? 6CO2+6H2O D%8' = ±686 kcal/mol Zum Vergleich: Um ADP in ATP zu verwandeln, wird relativ wenig Freie Enthalpie benætigt,: ADP+Pi ? ATP+H2O

D%8' = +7,3 kcal/mol

Diese Zahlen verdeutlichen, dass durch die vollståndige Oxidation eines Molekçls Glucose zu CO2 und H2O gençgend Energie freigesetzt wird, um eine groûe Anzahl von ATP-Molekçlen zu bilden. Wie wir in Kap. 5 sehen werden, entstehen pro Molekçl Glucose, das unter den Bedingungen, die in den meisten Zellen herrschen, oxidiert wird, bis zu etwa 36 Molekçle ATP. Um diese Menge an ATP-Molekçlen zu produzieren, wird das Zuckermolekçl in vielen kleinen Schritten abgebaut. Diese Schritte, in denen sich die Freie Enthalpie zwischen den Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten relativ stark åndert, kann mit Reaktionen gekoppelt sein, in denen ATP gebildet wird. Der Abbau der Glucose besteht im Grunde aus zwei Phasen, die bei allen aeroben Organismen praktisch gleich sind. Die erste Phase, die Glycolyse, erfolgt in der læslichen Phase des Cytoplasmas, dem Cytosol, und fçhrt zur Bildung von Pyruvat. Die zweite Phase ist der +    !   1$% , der in den Mitochondrien eukaryotischer Zellen und im Cytosol

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

von Prokaryoten ablåuft und schlieûlich dazu fçhrt, dass die Kohlenstoffatome zu Kohlendioxid oxidiert werden. Die chemische Energie der Glucose wird çberwiegend in Form energiereicher Elektronen gespeichert, die entfernt werden, wenn die Substratmolekçle im Verlauf der Glycolyse oder des Citratzyklus oxidiert werden. Es ist die Energie dieser Elektronen, die letztlich fçr die ATP-Synthese genutzt wird. Wir wollen uns auf den folgenden Seiten auf die einzelnen Schritte der Glycolyse konzentrieren, der ersten Phase in der Oxidation der Glucose, die ohne Beteiligung von Sauerstoff ablåuft. Das ist vermutlich der Stoffwechselweg, den unsere ersten anaeroben Vorfahren zur Energiegewinnung genutzt haben, und es ist nach wie vor der wichtigste anabole Stoffwechselweg der heute lebenden anaeroben Organismen. Zur Ergånzung der Geschichte der Glucoseoxidation werden wir in Kap. 5 noch die Struktur der Mitochondrien und ihre Rolle bei der aeroben Atmung erærtern. :%%   !/7  In Abb. 3.23 sind die Reaktionen der Glycolyse samt der Enzyme, die sie katalysieren, zusammengestellt. Bevor wir auf die einzelnen Reaktionen zu sprechen kommen, mæchte ich eine wichtige Anmerkung in Bezug auf die Thermodynamik des Stoffwechsels machen. In einer frçheren Erærterung wurde Wert auf den Unter-

schied zwischen D% und D%8' gelegt. Der D%Wert fçr eine bestimmte Reaktion gibt die Reaktionsrichtung in der Zelle vor. Aktuelle Messungen der Konzentration der Zwischenprodukte in der Zelle kænnen zeigen, wie groû D% zu einem bestimmten Zeitpunkt fçr eine Reaktion ist. In Abb. 3.24 sind die typischen D%-Werte angegeben, die fçr die Reaktionen der Glycolyse gemessen wurden. Im Gegensatz zu den D%8'-Werten aus Abb. 3.23 liegen die D%-Werte bei fast allen Reaktionen etwa bei Null; die Reaktionen befinden sich daher ± bis auf drei Ausnahmen ± fast im Gleichgewichtszustand. Die drei Reaktionen, die nicht in der Nåhe des Gleichgewichtszustands ablaufen und daher in der Zelle praktisch irreversibel sind, bilden sozusagen die treibende Kraft, welche die jeweiligen Zwischenprodukte in einer bestimmten Richtung durch die Glycolyse schleust. 1905 untersuchten zwei britische Chemiker, Arthur Harden und William Young, den Abbau von Glucose in Hefezellen, ein Vorgang, bei dem CO2-Gasblåschen entstehen. Harden und Young beobachteten, dass schlieûlich immer weniger Blåschen gebildet wurden und die Blåschenbildung dann ganz aufhærte, obwohl noch gençgend Glucose vorhanden war, die umgewandelt werden konnte. Offenbar waren einige andere essentielle Bestandteile der Nåhrlæsung aufgebraucht. Nachdem sie eine Reihe von Substanzen

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  Das Profil der Freien Enthalpie bei der Glycolyse in menschlichen Erythrocyten. Såmtliche Reaktionen liegen am oder in der Nåhe des Gleichgewichtszustands ± auûer denen, die von der Hexokinase, der Phosphofructokinase und der Pyruvatkinase katalysiert werden; nur in den letzteren åndert sich die Freie Enthalpie stark. In der Zelle muss bei allen Reaktionen die Freie Enthalpie sinken; die geringfçgige Zunahme an Freier Enthalpie, die man hier bei mehreren Schritten beobachten kann, ist auf Messfehler bei der Konzentration der Zwischenprodukte in den Experimenten zurçckzufçhren. (Aus: Lehninger AL (1975) Biochemistry. 2. Ausg. Worth, New York)

ausprobiert hatten, fanden die Chemiker, dass die Reaktion erneut einsetzte, wenn sie organische Phosphate zugaben. Daraus schlossen sie, dass Phosphate bei der Reaktion verbraucht werden, das erste Anzeichen dafçr, dass im Stoffwechsel Phosphatgruppen eine Rolle spielen. Wie wichtig die Phosphatgruppe ist, wird in den ersten Reaktionen der Glycolyse deutlich. Die Glycolyse beginnt damit, dass der Zucker unter Verbrauch eines ATP-Molekçls mit einer Phosphatgruppe verknçpft wird (Schritt 1, Abb. 3.23). Man kann den Verbrauch von ATP in diesem Stadium als eine Art energetischer Investition betrachten ± die Kosten, die aufgebracht werden mçssen, um mit der Oxidation der Glucose beginnen zu kænnen. Durch die Phosphorylierung wird der Zucker aktiviert, so dass er an den folgenden Reaktionen teilnehmen kann, bei denen Phosphatgruppen umarrangiert und auf andere Akzeptormolekçle çbertragen werden. Durch die Phosphorylierung sinkt auûerdem die Glucosekonzentration im Cytoplasma, was dazu fçhrt, dass ununterbrochen Zucker aus dem Blut

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in die Zelle diffundiert. Glucose-6-phosphat wird in Fructose-6-phosphat und dann unter Verbrauch eines zweiten ATP-Molekçls in Fructose1,6-bisphosphat umgewandelt (Schritte 2, 3). Das Bisphosphat mit seinen sechs Kohlenstoffatomen wird in zwei Monophosphate mit drei Kohlenstoffatomen gespalten (Schritt 4); dadurch wird die erste exergone Reaktion ermæglicht, an welche die ATP-Synthese gekoppelt werden kann. Wir wollen uns jetzt der Bildung von ATP zuwenden. ATP wird auf zwei grundverschiedenen Wegen gebildet, die man beide anhand einer chemischen Reaktion aus der Glycolyse veranschaulichen kann: der Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat in 3-Phosphogylcerat (Schritte 6, 7). Insgesamt entspricht die Reaktion einer Oxidation eines Aldehyds zu einer Carbonsåure (Beispiel Abb. 3.22); sie verlåuft in zwei Schritten, die von zwei verschiedenen Enzymen katalysiert werden (Abb. 3.25). Das erste dieser Enzyme benætigt einen Cofaktor, der kein Protein enthålt (ein Coenzym), namens NicotinamidAdenin-Dinucleotid (NAD), um die Reaktion katalysieren zu kænnen. Wie in diesem und den folgenden Kapiteln deutlich wird, spielt NAD eine entscheidende Rolle im Energiestoffwechsel, weil es Elektronen aufnimmt und abgibt. Die erste Reaktion (Abb. 3.25 a, b) ist eine Oxidation-Reduktion, bei der zwei Elektronen und ein Proton (entsprechend einem Hydridion : H±) von Glycerinaldehyd-3-phosphat (das oxidiert wird) auf NAD+ (das reduziert wird) çbertragen werden. Die reduzierte Form des Coenzyms ist NADH (Abb. 3.26). Ein Enzym, das eine solche Reaktion katalysiert, bezeichnet man als
    ; das Enzym, das die oben genannte Reaktion katalysiert, ist die    
   . Das NAD+-Molekçl, das sich vom Vitamin Niacin ableitet, agiert als lose mit der Dehydrogenase assoziiertes Coenzym, welches das Hydridion (d. h. die Elektronen und das Proton) aufnehmen kann. Das in der Reaktion gebildete NADH wird dann vom Enzym freigesetzt und gegen ein neues Molekçl NAD+ ausgetauscht. Wir werden auf diese Reaktion schon bald wieder zurçckkommen, uns aber erst einmal weiter mit den Folgen der Bildung von NADH beschåftigen. NADH gilt als eine energiereiche Verbindung, weil es so leicht Elektronen auf andere Molekçle çbertragen kann, die Elektronen anziehen. (Man sagt, NADH habe im Vergleich zu anderen Elektronenakzeptoren der Zelle ein hohes Elektronençbertragungspotenzial, s. Tabelle 5.1.) Vom NADH aus werden die Elektronen normalerweise çber eine Reihe von in die

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel






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Membran eingebetteten Elektronençbertrågern weiterçbertragen, die eine #    bilden. Wenn die Elektronen entlang dieser Kette wandern, erreichen sie einen immer geringeren Zustand Freier Enthalpie und werden letztlich auf molekularen Sauerstoff çbertragen, wobei sie diesen zu Wasser reduzieren. Die beim Elektronentransport freigesetzte Energie wird dazu verwandt, um çber einen Prozess, der als

-   9 /   %  bezeichnet wird, ATP zu bilden. Der Elektronentransport sowie die oxidative Phosphorylierung werden ausfçhrlicher in Kap. 5 erærtert. Neben der indirekten Form der ATP-Bildung, an der NADH und eine Elektronentransportkette beteiligt sind, umfasst die Umwandlung von Glycerinaldehyd-3-phosphat zu 3-Phosphoglycerat auch noch eine direkte Form der ATP-Bildung.



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>m zweiten Schritt dieser Gesamtreaktion (Schritt 7, Abb. 3.23 und Abb. 3.25 c) wird eine Phosphatgruppe des 1,3-Bisphosphoglycerats auf ADP çbertragen und so ein Molekçl ATP gebildet. Die Reaktion katalysiert das Enzym /    %   . Diese direkte Form der ATPBildung bezeichnet man als &      % , weil dabei eine Phosphatgruppe von einem Substrat (in diesem Fall 1,3-Bisphosphoglycerat) auf ADP çbertragen wird. Die çbrigen Reaktionen der Glycolyse (Schritte 8±10), zu denen noch eine zweite Substratkettenphosphorylierung von ADP (Schritt 10) gehært, sind in Abb. 3.23 zu sehen. Die Substratkettenphosphorylierung von ADP veranschaulicht einen wichtigen Punkt in Bezug auf ATP. Seine Bildung ist nicht  stark endergon. ATP ist also nicht so energiereich, dass es nur unter groûem Aufwand bei Stoffwechselreaktionen gebildet werden kænnte. Bei zahlreichen phosphorylierten Molekçlen weist die Hydrolyse einen stårker negativen D%8'-Wert auf als die von ATP. In Abb. 3.27 sind die D%8'-Werte fçr die Hydrolyse mehrerer phosphorylierter Verbindungen einander gegençbergestellt. Jeder Donor, der weiter oben in der Skala steht, kann ein Molekçl, das weiter unten steht, phosphorylieren; dabei entspricht der D%8'-Wert dieser Reaktion der Differenz zwischen den beiden Werten aus der Abbildung. Beispielsweise liegt der D%8'-Wert fçr den Transfer einer Phosphatgruppe vom 1,3-Bisphosphoglycerat auf ADP unter Bildung von ATP bei ±4,5 kcal/mol (±11,8 kcal/mol+7,3

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kcal/mol). Mit diesem !  $  hat man eine gute Vergleichsmæglichkeit fçr verschiedene Donoren und Akzeptoren ± unabhångig davon, ob Protonen, Elektronen, Sauerstoff oder Phosphatgruppen çbertragen werden. Die Molekçle weiter oben in der Skala, deren Freie Enthalpie græûer ist (græûere ±D%8'-Werte) haben eine geringere Affinitåt fçr die Gruppe, die çbertragen wird, als die, welche weiter unten in der Skala stehen. Je geringer die Affinitåt ist, desto besser eignet sich das Molekçl als Donor. Je græûer die Affinitåt ist, desto besser eignet es sich als Akzeptor. Ein wichtiges Merkmal der Glycolyse ist, dass in ihr auch ohne Sauerstoff eine begrenzte Anzahl von ATP-Molekçlen synthetisiert werden kann. Weder fçr die Substratkettenphosphorylierung des ADP durch 1,3-Bisphosphoglycerat noch fçr eine spåtere durch Phosphoenolpyruvat (Schritt 10, Abb. 3.23) wird Sauerstoff benætigt. Somit kann man die Glycolyse als eine  
 der ATP-Bildung betrachten, d. h. dass in ihr auch ohne molekularen Sauerstoff weiterhin ATP gebildet werden kann. In der Glycolyse entstehen pro Molekçl Glycerinaldehyd-3-phosphat, das zu Pyruvat oxidiert wird, durch Substratkettenphosphorylierung zwei Molekçle ATP. Da aus jedem Molekçl Glucose zwei Molekçle Glycerin-

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

aldehyd-3-phosphat hervorgehen, werden pro Molekçl Glucose, das zu Pyruvat oxidiert wird, vier ATP-Molekçle produziert. Andererseits mçssen zwei Molekçle ATP hydrolysiert werden, damit die Glycolyse starten kann, so dass die Zelle insgesamt pro oxidierter Glucose zwei Molekçle ATP gewinnt. Die Gesamtreaktion der Glycolyse kann man folgendermaûen formulieren: Glucose+2 ADP +2 Pi+2 NAD+ ? 2 Pyruvat+2 ATP+2 NADH+2 H++2 H2O Pyruvat, das Endprodukt der Glycolyse, ist eine Schlçsselverbindung, weil sie am Ûbergang vom anaeroben (vom Sauerstoff unabhångigen) zum aeroben (vom Sauerstoff abhångigen) Stoffwechselweg steht. Ohne molekularen Sauerstoff wird Pyruvat fermentiert, was im folgenden Abschnitt erærtert wird. Ist jedoch Sauerstoff vorhanden, wird Pyruvat, wie in Kap. 5 beschrieben wird, bei der aeroben Atmung weiter abgebaut.   (-    9 /%9    :1 Wie wir gesehen haben, erhålt die Zelle durch die Glycolyse pro Molekçl Glucose, das in Pyruvat umgewandelt wird, netto eine geringe Anzahl an ATP-Molekçlen. Da die Reaktionen der Glycolyse jedoch sehr schnell ablaufen, kann eine Zelle auf diese Weise recht viel ATP bilden. Eine Reihe von Zellen wie Hefezellen, Tumorzellen und Muskelzellen sind bei der ATP-Bildung sogar weitgehend auf die Glycolyse angewiesen. Dabei gibt es allerdings ein Problem, mit dem diese Zellen fertig werden mçssen. Eines der Produkte der Oxidation von Glycerinaldehyd3-phosphat ist NADH. NADH wird auf Kosten eines der Reaktionsteilnehmer, NAD+, gebildet, von dem in Zellen nur geringe Mengen zur Verfçgung stehen. Da NAD+ ein begehrter Reaktionspartner in dieser wichtigen Glycolysereaktion ist, muss es aus NADH wiedergewonnen werden. Wenn das nicht passiert, kann Glycerinaldehyd-3-phosphat nicht weiter oxidiert werden, und alle weiteren Reaktionen der Glycolyse fallen aus. Ohne Sauerstoff kann NADH allerdings nicht mithilfe der Elektronentransportkette zu NAD+ oxidiert werden, weil Sauerstoff als letzter Elektronenakzeptor in der Kette benætigt wird. Zellen kænnen allerdings NAD+ durch :1 regenerieren, wobei Elektronen von NADH auf Pyruvat, das Endprodukt der Glycolyse, oder auf eine Verbindung çbertragen werden, die vom Pyruvat abstammt (Abb. 3.28). Wie die Glycolyse findet auch die Gårung im Cytosol eukaryotischer Zellen statt. Fçr die meisten von O2 abhångigen Organismen ist die Gårung eine Notlæsung, um auch bei niedriger Sauerstoffkonzentration NAD+

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zu bilden, damit die Glycolyse weiterlaufen und weiter ATP produziert werden kann. Welches Produkt bei der Gårung entsteht, hångt vom Zelltyp oder von der Art des Organismus ab. Wenn sich Muskelzellen immer wieder kontrahieren mçssen, wird die Sauerstoffkonzentration zu gering, um den Anforderungen des Zellstoffwechsels gençgen zu kænnen. Unter diesen Bedingungen regenerieren Skelettmuskelzellen NAD+, indem sie Pyruvat in Lactat umwandeln. Wenn spåter wieder gençgend Sauerstoff zur Verfçgung steht, kann das Lactat erneut in Pyruvat umgewandelt werden, um weiter oxidiert zu werden. Anaerob lebende Hefezellen læsen dieses Problem mit einer anderen Stoffwechselvariante: Sie wandeln, wie Abb. 3.28 zeigt, Pyruvat in Ethanol um. Obwohl die Gårung fçr viele Organismen ein notwendiger Stoffwechselprozess ist und einige anaerobe Organismen ihre Stoffwechselenergie ausschlieûlich daher beziehen, bietet die Gly-

 colyse im Vergleich zur vollståndigen Oxidation der Glucose zu Kohlendoxid und Wasser nur einen bescheidenen Energiegewinn. Wenn ein Mol Glucose vollståndig oxidiert wird, werden 686 Kilokalorien frei. Wenn dagegen dieselbe Menge Glucose unter Standardbedingungen in Ethanol umgewandelt wird, werden nur 57 Kilokalorien freigesetzt, und wenn sie in Lactat umgewandelt wird, sogar nur 47 Kilokalorien. In jedem Fall entstehen durch die Oxidation in Glycolyse und Gårung pro Glucose nur zwei Molekçle ATP; çber 90% der Energie gehen mit dem Fermentationsprodukt verloren ± was sich beispielsweise daran zeigt, dass Ethylalkohol leicht entzçndlich ist. In den ersten Phasen des Lebens auf der Erde, als es noch keinen Sauerstoff gab, waren Glycolyse und Gårung wahrscheinlich die wichtigsten Stoffwechselwege, mit denen primitive prokaryotische Zellen ihre Energie aus Zucker gewonnen haben. Nach dem Auftreten der Cyanobakterien stieg die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphåre drastisch an, so dass sich eine aerobe Stoffwechselstrategie entwickeln konnte. Infolgedessen konnten die Reaktionsprodukte der Glycolyse vollståndig oxidiert und viel mehr ATP gewonnen werden. In Kapitel 5 werden wir sehen, wie das mæglich ist, wenn wir die Struktur und Funktion der Mitochondrien erærtern.   1   Die Energie, die erforderlich ist, um komplexe biologische Molekçle wie Proteine, Fette und Nucleinsåuren zu synthetisieren, stammt çberwiegend aus dem ATP, das in der Glycolyse und beim Elektronentransport gebildet wird. Viele dieser Materialien, vor allem Fette und andere Lipide, sind aber stårker reduziert als die Zwischenprodukte, aus denen sie aufgebaut sind. Fçr die Synthese von Fetten mçssen Metabolite reduziert werden; das geschieht durch die Ûbertragung energiereicher Elektronen von NADPH ± einer Verbindung, deren Struktur der von NADH åhnelt, die aber eine zusåtzliche Phosphatgruppe besitzt (Beschreibung in der Legende zu Abb. 3.26). Das NADPH-Reservoir der Zelle bildet seine   1   ± ein wichtiges Maû fçr den Energieanteil der Zelle, der genutzt werden kann. Den Einsatz von NADPH kann man anhand einer Schlçsselreaktion der Photosynthese veranschaulichen:

Stoffwechsel

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In dieser Reaktion wird ein Elektronenpaar (samt einem Proton) von NADPH auf das Substrat 1,3-Bisphosphoglycerat çbertragen, wobei ein Kohlenstoffatom reduziert wird (rot hervorgehoben). Die oxidierte Form von NADPH, NADP+, wird durch folgende Reaktion aus NAD+ gebildet: NAD++ATP ? NADP++ADP NADPH kann durch Reduktion von NADP+ entstehen. Wie NADH ist auch NADPH wegen seines groûen Elektronençbertragungspotenzials eine energiereiche Verbindung. Durch die Ûbertragung von Freier Enthalpie in Form dieser Elektronen gelangt der Akzeptor in einen stårker reduzierten, energiereicheren Zustand. In der Aufteilung des Reduktionsvermægens auf zwei getrennte, aber verwandte Molekçle, NADH und NADPH, spiegelt sich eine Trennung ihrer primåren Funktionen im Stoffwechsel wider. NADH und NADPH werden als Coenzyme von verschiedenen Enzymen erkannt. Enzyme, die auf anabolen Stoffwechselwegen als Reduktionsmittel dienen, erkennen NADPH als ihr Coenzym, wåhrend Enzyme, die in katabolen Stoffwechselwegen als Dehydrogenasen fungieren, NAD+ erkennen. Obwohl sie ganz unterschiedlich eingesetzt werden, kann ein Coenzym das andere durch die folgende Reaktion reduzieren, die vom Enzym !  %  katalysiert wird: NADH+NADP+ ? NAD++NADPH Wenn gençgend Energie vorhanden ist, ist die Bildung von NADPH begçnstigt; dadurch werden Elektronen zur Verfçgung gestellt, die fçr die Biosynthese neuer Makromolekçle, die fçr das Wachstum essentiell sind, benætigt werden. Wenn aber nur wenig Energie zur Verfçgung steht, werden die meisten energiereichen Elektronen des NADH fçr die ATP-Bildung benutzt und nur soviel NADPH gebildet, wie mindestens fçr die Biosynthese erforderlich ist. '' Regulation des Stoffwechsels Die Menge an ATP, die in einer Zelle in einem bestimmten Moment vorhanden ist, ist çberraschend gering. Eine Bakterienzelle enthålt beispielsweise ungefåhr 1 Mio. ATP-Molekçle, deren biologische Halbwertszeit sehr kurz ist (und in der Græûenordnung von ein bis zwei Sekunden liegt). Angesichts dieses begrenzten Vorrats kann das ATP-Molekçl nicht der Hauptenergiespeicher sein. Die Energiereserven einer Zelle werden

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

vielmehr in Form von Polysacchariden und Fetten gespeichert. Wenn die Konzentration an ATP zu sinken beginnt, werden Reaktionen ausgelæst, die auf Kosten der energiereichen Speicherformen die ATP-Bildung erhæhen. Ebenso werden Reaktionen, die normalerweise zur ATP-Bildung fçhren, bei hohen ATP-Konzentrationen unterbunden. Die Zellen steuern diese wichtigen energiefreisetzenden Reaktionen, indem sie in einer Reihe von Stoffwechselwegen bestimmte Schlçsselenzyme regulieren. Die Funktion eines Proteins ist eng mit seiner Struktur (d. h. Konformation) verbunden. Es ist daher nicht çberraschend, dass Zellen ihre Proteinaktivitåt regulieren, indem sie die Konformation der entscheidenden Proteinmolekçle veråndern. Bei den Enzymen wird die katalytische Aktivitåt durch eine Modifikation der Struktur des aktiven Zentrums gesteuert. Zwei gångige Mechanismen, um die Form des aktiven Zentrums eines Enzyms zu veråndern, sind die 9        und die       , die beide eine wesentliche Rolle bei der Steuerung der Oxidation der Glucose spielen.4 .1  $%     9 1  9       Mitte der 1950er Jahre untersuchten Edmond Fischer und Edwin Krebs von der University of Washington die Phosphorylase, ein Enzym, das man in Muskelzellen entdeckt hatte und das Glycogen in seine Glucoseuntereinheiten spaltet. Es gab eine inaktive und eine aktive Form des Enzyms. Fischer und Krebs stellten einen groben Extrakt aus Muskelzellen her und fanden heraus, dass sie inaktive Enzymmolekçle des Extrakts aktivieren konnten, indem sie dem Reaktionsgefåû einfach ATP zusetzten. Eine weitere Untersuchung ergab, dass ein zweites Enzym im Extrakt vorhanden war ± ein ¹Umwandlungsenzymª, wie sie es nannten ±, das eine Phosphatgruppe vom ATP auf eine der 841 Aminosåuren çbertrug, aus denen die Phosphorylase besteht. Durch die Phosphatgruppe ånderte sich die Form des aktiven Zentrums des Enzyms; auûerdem wurde seine katalytische Aktivitåt erhæht. Weitere Forschungsarbeiten zeigten, dass die 9       von Enzymen, wie man beim Anhången oder Entfernen von Phosphatgruppen sehen kann, ein genereller Mechanismus ist, um die Aktivitåt von Enzymen zu ver4 Der Stoffwechsel wird auch çber die Regulation der Enzymkonzentration gesteuert. Mit welcher relativen Geschwindigkeit Enzyme synthetisiert und abgebaut werden, wird in spåteren Kapiteln erærtert.

åndern. Enzyme, die Phosphatgruppen auf andere Proteine çbertragen, bezeichnet man als Proteinkinasen; sie regulieren so unterschiedliche Funktionen wie die Aktivitåt von Hormonen, die Zellteilung oder die Genexpression. Das ¹Umwandlungsenzymª, das Krebs und Fischer gefunden hatten, wurde spåter Phosphorylase-Kinase genannt; seine Regulation wird in Kap. 15.3 erærtert. Es gibt zwei grundlegend verschiedene Typen von Proteinkinasen: der eine Typ hångt Phosphatgruppen an spezielle Tyrosinreste in einem Substratprotein, der andere an spezielle Serin- oder Threoninreste im Substrat. Wie wichtig Proteinkinasen sind, spiegelt sich in der Tatsache wider, dass etwa 2% aller Gene einer Hefezelle (113 von ungefåhr 6200) Mitglieder dieser Enzymgruppe codieren. G  #$%  9 1         Bei der        wird die Aktivitåt eines Enzyms durch eine Verbindung gehemmt oder angeregt, die an das      bindet, eine Stelle, die vom aktiven Zentrum des Enzyms råumlich getrennt ist. Wie bei einer Reihe von Dominosteinen, die nacheinander umfallen, låuft, sobald eine Verbindung an das allosterische Zentrum gebunden hat, eine ¹Welleª durch das Protein, durch die ± ob auf der gegençberliegenden Seite des Enzyms oder sogar auf einem anderen Polypeptid im Protein ± die Form des aktiven Zentrums definiert geåndert wird. Je nachdem, um welches Enzym und welchen allosterischen Modulator es sich handelt, kann die Formverånderung des aktiven Zentrums seine katalytischen Fåhigkeiten anregen oder hemmen. An der allosterischen Modulation wird deutlich, wie eng die Beziehung zwischen der molekularen Struktur und der Funktion ist. Winzige Verånderungen in der Struktur des Enzyms, die durch den allosterischen Modulator ausgelæst werden, kænnen zu deutlichen Verånderungen in der Enzymaktivitåt fçhren. Zellen sind hocheffiziente Produktionsståtten, in denen weder Energie noch Material zur Herstellung von Verbindungen verschwendet wird, die nicht gebraucht werden. Einer der Hauptmechanismen, wie Zellen anabole Synthesewege abschalten, ist eine Art der allosterischen Modulation, die  . Dabei wird das Enzym, das den ersten Schritt in einem solchen Stoffwechselweg katalysiert, zeitweise inaktiviert, wenn das Endprodukt dieses Stoffwechselwegs ± etwa eine Aminosåure ± eine bestimmte Konzentration erreicht hat. Das kann man sich anhand des einfachen Stoffwechselweges in Abb. 3.29 vor Augen fçhren, in dem zwei



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Substrate, A und B, in das Endprodukt E umgewandelt werden. Wenn die Konzentration des Reaktionsprodukts E steigt, bindet E an das allosterische Zentrum des Enzyms BC und fçhrt zu einer Konformationsånderung seines aktiven Zentrums, durch welche die Enzymaktivitåt sinkt. Durch die Rçckkopplungshemmung wird die biosynthetische Aktivitåt einer Zelle direkt und hochempfindlich gesteuert. !       &' $

 Im Folgenden werden wir kurz auf den anabolen Stoffwechselweg eingehen, der zur Synthese der Glucose (: ) fçhrt; an ihm werden einige wichtige Aspekte der Biosynthese deutlich. Die meisten Zellen kænnen Glucose zur

Stoffwechsel

56A

gleichen Zeit aus Pyruvat synthetisieren und als ihre wichtigste chemische Energiequelle oxidieren. Wie ist es mæglich, dass Zellen diese beiden gegenlåufigen Stoffwechselwege gleichzeitig einschlagen kænnen? Erst einmal ist wichtig, dass die Reaktionen der Gluconeogenese nicht einfach eine Umkehr der Glycolyseschritte sind, obwohl Enzyme eine Reaktion in beide Richtungen katalysieren kænnen. In der Glycolyse gibt es drei thermodynamisch irreversible Reaktionen (Abb. 3.24), die irgendwie umgangen werden mçssen. Selbst wenn såmtliche Reaktionen der Glycolyse in entgegengesetzter Richtung ablaufen kænnten, wåre das fçr die Zelle nicht unbedingt die beste Art, ihre Stoffwechselaktivitåten zu regeln, weil sie die beiden Stoffwechselwege nicht unabhångig voneinander steuern kænnte. Sie kænnte dann nicht die Synthese der Glucose abschalten, um den Glucose-Abbau anzukurbeln, weil in beiden Richtungen dieselben Enzyme aktiv wåren. Wenn man Abbau und Synthese der Glucose miteinander vergleicht, wird klar, dass einige Reaktionen identisch sind, auch wenn sie in entgegengesetzter Richtung verlaufen, wåhrend andere ganz verschieden sind (Schritte 1±3, Abb. 3.30). Die thermodynamischen und regulatorischen Probleme, welche die Zelle hat, weil sie dieselben Molekçle gleichzeitig synthetisieren und abbauen kann, werden dadurch gelæst, dass bei den zwei entgegengesetzten Stoffwechselwegen jeweils unterschiedliche Schlçsselreaktionen von verschiedenen Enzymen katalysiert werden. Wir kænnen das besser erkennen, wenn wir die entscheidenden Enzyme der Glycolyse und Gluconeogenese nåher betrachten. Wie in Schritt 2 auf Abb. 3.30 deutlich wird, katalysiert die /     , ein Enzym der Glycolyse, folgende Reaktion, Fructose-6-phosphat+ATP ? Fructose-1,6-bisphosphat+ADP die einen DG8'-Wert von ±3,4 kcal/mol hat und daher praktisch irreversibel ist. Die Reaktion hat einen so stark negativen DG8'-Wert, weil sie mit der Hydrolyse von ATP gekoppelt ist. Bei der Gluconeogenese wird die Bildung von Fructose6-phosphat durch das Enzym
 E"B 7      durch eine einfache Hydrolyse katalysiert: Fructose-1,6-bisphosphat+H2O $ Fructose-6-phosphat+Pi DG8' = ±3,9 kcal/mol

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

eines Schlçsselenzyms der Gluconeogenese, wird dagegen durch erhæhte AMP-Konzentrationen gehemmt.5 Dank dieser verschiedenen Regulationsmæglichkeiten schwankt die ATP-Konzentration im Allgemeinen nicht, sondern bleibt hoch, auch wenn der Bedarf sehr unterschiedlich ist. Wir haben uns in diesem Kapitel auf die Speicherung der chemischen Energie in Form von ATP und seine Verwendung im Stoffwechsel konzentriert. Die im ATP gespeicherte Energie wird in zahlreichen verschiedenen Prozessen (Beispiel: Abb. 3.6) eingesetzt, von denen viele in diesem Buch besprochen werden. Man sollte hier noch anmerken, dass ATP nicht immer, wie in diesem Kapitel beschrieben wird, dazu benutzt wird, um phosphorylierte Zwischenprodukte wie Glutamylphosphat zu bilden. In einigen Fållen wird das Phosphat auch auf einen Aminosåurerest eines Proteins çbertragen, um ± wie etwa bei der Wanderung der Natrium- und Kaliumionen durch die Plasmamembran ± eine Konformationsånderung auszulæsen (Abb. 4.44).

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 3.30. Vergleich Glycolyse ± Gluconeogenese. Wåhrend die meisten Reaktionen in den beiden Stoffwechselwegen identisch sind, auch wenn sie in entgegengesetzte Richtungen laufen, werden die drei irreversiblen Reaktionen der Glycolyse (hier: Schritte 1±3) in der Gluconeogenese durch andere thermodynamisch vorteilhafte Reaktionen ersetzt

Die speziellen, oben beschriebenen Enzyme der Glycolyse und Gluconeogenese sind entscheidende Regulationsenzyme ihrer jeweiligen Stoffwechselwege. Obwohl ATP ein Substrat der Phosphofructokinase ist, dient es auch als allosterischer Hemmstoff, wåhrend AMP ein allosterischer Aktivator ist. Bei hohen ATP-Konzentrationen wird die Aktivitåt des Enzyms so weit verringert, dass in der Glycolyse kein ATP mehr gebildet wird. Sind dagegen die ADP- und AMPKonzentrationen hoch im Vergleich zur ATPKonzentration, wird die Aktivitåt des Enzyms erhæht und damit die ATP-Synthese angekurbelt. Die Aktivitåt der Fructose-1,6-bisphosphatase,

5 Die Aktivitåten der Phosphofructokinase und Fructose1,6-Bisphosphatase werden auch durch die Verbindung Fructose-2,6-bisphosphat gesteuert, die ein allosterischer Aktivator des ersten und ein kompetitiver Hemmstoff des zweiten Enzyms ist. Somit kann durch Ønderungen in der Konzentration des Fructose-2,6-bisphosphats zwischen den beiden gegenlåufigen Stoffwechselwegen Glycolyse und Gluconeogenese umgeschaltet werden. Man sollte noch erwåhnen, dass Synthese und Abbau von Fructose-2,6-bisphosphat ± zwei eigenståndige Reaktionen ± durch ein Enzym mit zwei verschiedenen Funktionen katalysiert werden; dieses Enzym besitzt in unterschiedlichen Domånen zwei verschiedene aktive Zentren.



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Zusammenfassung

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Zusammenfassung #      "   $ 9  0 Energie kann in unterschiedlicher Form gespeichert werden: in Form von chemischer, mechanischer oder thermischer Energie, Licht oder Elektrizitåt, die alle ineinander umgewandelt werden kænnen. Wenn Energie çbertragen wird, bleibt die Gesamtenergie im Universum immer konstant, wåhrend Freie Enthalpie ± d. h. Energie, mit der weiterhin Arbeit verrichtet werden kann ± verloren geht. Weil im Universum die Zufålligkeit und Unordnung zunimmt, geht nutzbare Energie in Form von Entropie verloren. Lebewesen sind Systeme mit geringer Entropie, die nur deshalb erhalten bleiben, weil sie ståndig von auûen Energie erhalten, die letztlich von der Sonne stammt (Kap. 3.1.1). &1     3-4 #       9  9       D
  #   $        
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    9  . In einer chemischen Reaktion entspricht D% dem Unterschied an Freier Enthalpie zwischen den Reaktionsteilnehmern und den Reaktionsprodukten. Je græûer D% ist, desto weiter ist die Reaktion vom Gleichgewichtszustand entfernt. Mit fortschreitender Reaktion nimmt D% ab, im Gleichgewichtszustand ist D% gleich Null. Um vergleichen zu kænnen, wie stark sich die Energie bei verschiedenen chemischen Reaktionen åndert, bestimmt man die Unterschiede in der Freien Enthalpie zwischen Reaktionsteilnehmern und Reaktionsprodukten fçr eine Reihe von Standardbedingungen und erhålt so

D%8', fçr das folglich gilt: D%8' = ±2,303 -2 ´ log K'eq. Reaktionen, deren Gleichgewichtskonstanten >1 sind, haben negative D%8'-Werte. Man sollte daran denken, dass D%8' ein fester Wert ist, der ausdrçckt, in welcher Richtung eine Reaktion bei Standardbedingungen ablåuft. Mit ihm låsst sich nicht feststellen, in welche Richtung eine Zellreaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt ablåuft; dafçr ist der D% -Wert zuståndig, der von den Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte zu diesem Zeitpunkt abhångt. In der Zelle kænnen auch Reaktionen mit positiven D%8'-Werten (wie die Reaktion, in der Dihydroacetonphosphat in Glycerinaldehyd-3phosphat umgewandelt wird) ablaufen, wenn das Verhåltnis der Reaktionsteilnehmer zu den Reaktionsprodukten græûer bleibt als der Wert, der von 5eq vorgegeben ist (Kap. 3.1.2).            !/ 2%%  3DG8' I *@">  J4      "           '. Wie das geschieht, låsst sich anhand der Glutaminsynthese aus Glutaminsåure und NH3 (D%8' = +3,4 kcal/mol) zeigen. Die Reaktion kann nur erfolgen, weil Glutamylphosphat, ein gemeinsames Zwischenprodukt gebildet wird. In solchen Prozessen kann die ATP-Hydrolyse eine wichtige Rolle spielen, weil das [ATP]/[ADP]-Verhåltnis in der Zelle erhæht ist und weit çber dem des Gleichgewichtszustands liegt, was zeigt, dass die Reaktionen im Zellstoffwechsel nicht unter Gleichgewichtsbedingungen ablaufen. Das heiût nicht, dass

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

alle Reaktionen daran gehindert werden, ihren Gleichgewichtszustand zu erreichen. Vielmehr haben bestimmte Schlçsselreaktionen eines Stoffwechselweges stark negative D%-Werte, wodurch sie in der Zelle praktisch irreversibel sind und den gesamten Stoffwechselweg in Gang halten kænnen. Die Konzentrationen der Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte kænnen in der Zelle relativ konstant auf Werten gehalten werden, die nicht dem Gleichgewichtszustand entsprechen (Flieûgleichgewicht), weil permanent Material aus dem Medium in die Zelle eingeschleust wird und ståndig Abfallprodukte entfernt werden (Kap. 3.1.2). #$%  / " '    :

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       '  '0 Wie alle echten Katalysatoren sind Enzyme nur in geringen Mengen vorhanden; sie werden im Verlauf der Reaktion nicht irreversibel veråndert und haben keinen Einfluss auf die Thermodynamik der Reaktion. Enzyme kænnen daher weder dafçr sorgen, dass eine Reaktion (mit positivem D%), die von alleine nicht ablaufen wçrde, ablåuft, noch kænnen sie das Verhåltnis von Reaktionsteilnehmern zu Reaktionsprodukten im Gleichgewichtszustand åndern. Als Katalysatoren kænnen Enzyme bei moderater Temperatur und einem pH-Wert, wie man ihn in der Zelle findet, nur die Geschwindigkeit gçnstiger Reaktionen beschleunigen. Charakteristisch fçr Enzyme sind darçber hinaus ihre Spezifitåt fçr ihre Substrate, eine hocheffiziente Katalyse praktisch ohne unerwçnschte Nebenprodukte sowie die Tatsache, dass ihre katalytische Aktivitåt reguliert werden kann (Kap. 3.2.1). #$% ' "      9     3E4   $ *       #  "     "                  $ ' 0 Daher besitzt in Gegenwart eines Enzyms ein viel græûerer Anteil der an der Reaktion beteiligten Molekçle die nætige Energie, um in Reaktionsprodukte verwandelt zu werden. Enzyme verringern A, indem sie einen Enzym-Substrat-Komplex bilden. Der Anteil des Enzyms, der an das Substrat oder die Substrate bindet, das aktive Zentrum, besitzt auch die notwendigen Aminosåureseitenketten und/oder Cofaktoren, um so auf die Substrate einzuwir-

ken, dass ihre chemische Umwandlung erleichtert wird. Zu den Mechanismen, die eine Katalyse erleichtern, gehært, dass Enzyme Reaktionsteilnehmer passend ausrichten kænnen; sie kænnen die Substrate stårker aktivieren, indem sie auf ihre Elektronen einwirken; und sie kænnen im Substrat Spannungen erzeugen, durch die bestimmte Bindungen innerhalb des Substrats geschwåcht werden (Kap. 3.2.2).  &'             "       0 Man kann diese Reaktionen in Stoffwechselwege aufteilen, die aus einer Abfolge von chemischen Reaktionen bestehen, in der jede Reaktion durch ein spezifisches Enzym katalysiert wird. Man unterscheidet grob zwei Arten von Stoffwechselwegen: katabole, in denen Verbindungen gelæst und Energie freigesetzt wird, sowie anabole, in denen mithilfe der in der Zelle gespeicherten Energie komplexere Verbindungen aufgebaut werden. Verschiedene Makromolekçle werden durch katabole Stoffwechselprozesse zu relativ wenigen niedermolekularen Zwischenprodukten abgebaut; diese liefern dann das Rohmaterial, von dem die divergent verlaufenden, anabolen Stoffwechselwege ausgehen. In beiden Arten von Stoffwechselwegen kommen Redoxreaktionen vor, in denen Elektronen von einem Substrat auf ein anderes çbertragen werden, wodurch sie den Reduktionsgrad des Rezipienten und den Oxidationsgrad des Donors erhæhen (Kap. 3.3).              "     $   

            ' "    1   D   #       0 Ein Mol Glucose setzt 686 kcal frei, wenn es vollståndig zu CO2 und H2O oxidiert wird, wåhrend fçr die Umwandlung von einem Mol ADP zu ATP nur 7,3 kcal benætigt werden. Daher kann durch die Oxidation eines Glucosemolekçls gençgend Energie gebildet werden, um eine groûe Anzahl von ATP-Molekçlen herzustellen. Das erste Stadium des Glucoseabbaus ist die Glycolyse, bei der Glucose unter Nettogewinn von zwei Molekçlen ATP und zwei Molekçlen NADH in Pyruvat umgewandelt wird. Die ATP-Molekçle werden durch eine Substratkettenphosphorylierung gebildet, bei der eine Phosphatgruppe von einem Substrat auf ADP çbertragen wird. Die NADHs entstehen durch Oxidation eines Aldehyds zu einer Carbonsåure samt Transfer eines Hydridions (ein Proton und zwei Elektronen) vom Substrat auf NAD+. In Gegenwart von O2 oxidieren die



Zur Selbstçberprçfung

meisten Zellen NADH mithilfe einer Elektronentransportkette und bilden ATP durch aerobe Atmung. Ohne O2 wird NAD+ durch Gårung regeneriert, wobei energiereiche Elektronen vom NADH zur Reduktion von Pyruvat verwendet werden. NAD+ muss regeneriert werden, damit die Glycolyse weiterlaufen kann (Kap. 3.3.3).   $%     9 1 '    '   $'         9                . Um eine kovalente Modifikation einzufçhren, wird meist in einer Reaktion, die von einer Proteinkinase katalysiert wird, eine Phosphatgruppe vom ATP auf eine oder mehrere Serin-, Threonin- oder Tyrosinreste des Enzyms çbertragen. Allosterische Modulatoren binden dagegen nichtkovalent an eine Stelle im Enzym, die vom aktiven Zentrum råumlich getrennt ist. Durch die Bindung des Modulators åndert sich die Konformation des aktiven Zent-

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rums, wodurch die katalytische Aktivitåt des Enzyms erhæht oder verringert wird. Ein gångiges Beispiel fçr eine allosterische Modulation ist die Rçckkopplungshemmung, bei der das Endprodukt eines Stoffwechselwegs allosterisch das erste Enzym hemmt, das fçr diesen Stoffwechselweg charakteristisch ist. Ein und dieselbe Verbindung kann in der Zelle durch einen katabolen Stoffwechselweg abgebaut werden und gleichzeitig das Endprodukt eines Biosyntheseweges sein. Glucose beispielsweise wird in der Glycolyse abgebaut und im Rahmen der Gluconeogenese synthetisiert. Wåhrend die meisten Enzyme in beiden Stoffwechselwegen vorkommen, gibt es jeweils drei Schlçsselenzyme, die nur in einem der beiden Stoffwechselwege vorkommen. Dadurch kann die Zelle beide Stoffwechselweg getrennt voneinander regulieren und Reaktionen, die sonst irreversibel wåren, rçckgångig machen (Kap. 3.3.4).

Zur Selbstçberprçfung 1. Wie wirkt sich eine Verringerung des pHWerts auf eine Reaktion aus, die von Chymotrypsin/von Lysozym katalysiert wird? Wie wirkt sich ein Anstieg des pH-Werts auf die beiden Reaktionen aus? 2. Eine Rçckkopplungshemmung veråndert in der Regel bevorzugt die Aktivitåt des ersten Enzyms eines Stoffwechselweges, nicht die eines spåteren Enzyms. Wieso zeugt das von einer Anpassungsfåhigkeit? 3. Erklåren Sie, nachdem Sie sich die Reaktionen der Glutaminbildung in Kap. 3.1.2 angesehen haben, warum folgende Aussagen zur dritten (Gesamt-)Reaktion jeweils wahr oder falsch sind. a. Wenn die Reaktion in entgegengesetzter Richtung verliefe, wçrde D%8' +3,9 kcal/ mol betragen. b. Wenn alle Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte zu Beginn eines Experiments die Standardbedingungen erfçllen wçrden, wçrde nach einer gewissen Zeit das [NH3]/[ADP]-Verhåltnis sinken. c. Wenn die Reaktion weiterlåuft, nåhert sich D%8' Null. d. Im Gleichgewichtszustand halten sich Vor- und Rçckreaktion die Waage und das [ATP]/[ADP]-Verhåltnis ist 1.

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e. In der Zelle kann Glutamin gebildet werden, wenn das [Glutamin]/[Glutaminsåure]-Verhåltnis çber 1 liegt. Sie haben gerade ein neues Enzym isoliert und die Reaktionsgeschwindigkeit bei drei verschiedenen Substratkonzentrationen gemessen. Sie finden heraus, dass pro Zeiteinheit bei allen drei Konzentrationen gleich viel Produkt gebildet wird. Was kann man daraus fçr die Bedingungen im Reaktionsansatz schlieûen? Lysozym ist ein Enzym, das langsam wirkt ± und etwa zwei Sekunden benætigt, um eine einzige Reaktion zu katalysieren. Wie groû ist die Wechselzahl des Lysozyms? Wenn in der Reaktion R „ P ein Mol des Reaktionsprodukts (P) dieselbe Freie Enthalpie besitzt wie ein Mol der Reaktionsteilnehmer (R), wie groû ist dann 5eq dieser Reaktion? Wie groû ist D%8'? Was bedeutet es fçr die Konzentrationsverhåltnisse, wenn man sagt, dass D% fçr die ATP-Hydrolyse in der Zelle bei etwa ±12 kcal/mol liegt, wåhrend D%8' ±7,3 kcal/mol betrågt? In der Zelle werden die Enzyme reguliert, deren Reaktionen in der Regel nicht unter Gleichgewichtsbedingungen ablaufen. Was

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Bioenergetik, Enzyme und Stoffwechsel

wçrde passieren, wenn ein Enzym allosterisch gehemmt wçrde, dessen Katalyse in der Nåhe des Gleichgewichtszustands erfolgt? Wie groû ist D%8' in der Reaktion A „ B, wenn 5'eq 103 ist? Wie groû ist D%8', wenn 5'eq 10±3 ist? Wie groû ist 5'eq der Hexokinase-Reaktion, die in Abb. 3.23 (Schritt 1) dargestellt ist? Die Reaktion Acetylphosphat+ADP „Acetat+ATP hat ein D%8' von ±2,8 kcal/mol. Acetylphosphat besitzt (mehr, weniger, genauso viel) Freie Enthalpie als/wie ATP gegençber der entsprechenden dephosphorylierten Verbindung; ADP hat im Vergleich zum Acetat (eine hæhere, geringere, gleich groûe) Affinitåt fçr Phosphat. (Kreisen Sie die richtigen Antworten ein.) Kænnte man, wenn die Reaktion XA+Y „ XY+A einen D%8'-Wert von +7,3 kcal/ mol hat, diese Reaktion in der Zelle dadurch ablaufen lassen, dass man sie mit einer ATP-Hydrolyse koppelt? Warum bzw. warum nicht? Man hat herausgefunden, dass bei der Reaktionsfolge A ? B ? C ? D die Gleichgewichtskonstante fçr die zweite Reaktion (B ? C) 0,1 ist. Sie wçrden erwarten, dass die Konzentration von C in einer lebenden Zelle (1) gleich B, (2) ein Zehntel von B, (3) weniger als ein Zehntel von B, (4) das 10Fache von B, (5) mehr als das 10Fache von B betrågt. (Kreisen Sie alle richtigen Antworten ein.) Die Reaktion der Verbindung X mit der Verbindung Y zu einer Verbindung Z ist thermodynamisch nicht begçnstigt (D%8' = + 5 kcal/mol). Zeichnen Sie die chemischen Reaktionen auf, die ablaufen wçrden, wenn man die Reaktion mithilfe von ATP ermæglichen wçrde. ATP hat sich zum zentralen Molekçl des Energiestoffwechsels entwickelt. Kænnte 1,3-Bisphosphoglycerat dieselbe Funktion erfçllen? Warum beziehungsweise warum nicht? Berechnen Sie den D%-Wert fçr eine ATPHydrolyse in einer Zelle, in der das [ATP]/ [ADP]-Verhåltnis auf 100:1 angestiegen ist, wåhrend die Pi-Konzentration weiterhin bei 10 mM liegt. Was wçrde es fçr das [ATP]/[ADP]-Verhåltnis bedeuten, wenn sich die Reaktion im Gleichgewichtszustand befindet und die Pi-Konzentration weiter bei 10 mM liegt. Wie groû wåre D%,

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wenn fçr alle Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte Standardbedingungen (1 M) gelten wçrden? Betrachten Sie die Reaktion: Glucose+Pi „ Glucose-6-phosphat +H2O; D%8' = +3 kcal/mol. Wie groû ist die Gleichgewichtskonstante 5'eq fçr diese Reaktion? (Anmerkung: Die Konzentration von Wasser soll vernachlåssigt werden.) Bedeutet der positive Wert von D%8' der obigen Reaktion, dass die Reaktion niemals spontan von links nach rechts verlaufen kann? Unter physiologischen Bedingungen ist [Glucose] = 5 mM, [Glucose-6-Phosphat] = 83 mM und [Pi] = 1 mM. Verlåuft die Reaktion aus Frage 16 unter diesen Bedingungen spontan von links nach rechts? Falls nicht, wie hoch mçsste die GlucoseKonzentration sein, damit die Reaktion von links nach rechts verlaufen kænnte, wenn die Konzentrationen der anderen Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte so bleiben, wie es oben angegeben ist? Betrachten Sie die Reaktion: Glutamat +Ammoniak „ Glutamin+H2O; D%8' = + 3,4 kcal/mol. Welches Verhåltnis von Glutamat/Glutamin ist erforderlich, damit die Reaktion spontan bei 25 8C von links nach rechts verlåuft, wenn die AmmoniakKonzentration 10 mM betrågt? Es sollte klar sein, dass Glutamin in einer Zelle nicht in der in Aufgabe 18 beschriebenen Reaktion synthetisiert werden kann. In der tatsåchlich stattfindenden Reaktion ist die Glutamin-Synthese an die ATP-Hydrolyse gekoppelt: Glutamat+Ammoniak +ATP „ Glutamin+ADP+Pi Wie groû ist D%8' bei dieser Reaktion? Nehmen Sie an, dass såmtliche Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte auûer Ammoniak in einer Konzentration von 10 mM vorliegen. Welche Ammoniak-Konzentration wåre nætig, damit die Reaktion çberwiegend in Vorwårtsrichtung verlåuft und insgesamt Glutamin gebildet wird? Ein nichtkompetitiver Inhibitor hindert das Enzym nicht daran, an sein Substrat zu binden. Was wçrde passieren, wenn man die Substratkonzentration in Gegenwart eines nichtkompetitiven Inhibitors erhæhen wçrde? Glauben Sie, dass ein nichtkompetitiver Inhibitor ;max oder 5M des Enzyms veråndert? Erklåren Sie das kurz.



Weiterfçhrende Literatur

21. 1926 kam James Sumner zu dem Schluss, dass Urease ein Enzym ist, weil Kristalle des Enzyms positiv bei Reagenzien reagierten, die mit Proteinen reagierten, und negativ bei Reagenzien, die mit Fetten, Kohlenhydraten und anderen Substraten reagierten. Andere Enzymologen, die der

ternetseite www.wiley.com/college/karp Erweitern sie Ihr Verståndnis, indem sie Karps Internetseite ¹Zell- und Molekularbiologieª besuchen. Dort finden Sie '  die gestellten
  $ & ,     , die schwierige Sachverhalte und Begriffe verdeutlichen,   , die Ihnen bei Prçfungsvorbereitungen helfen, sowie 8  zu interessanten Seiten im Netz. Zusåtzlich zu der Literaturliste unten kann man auf der Internetseite auch noch '  8 finden.

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Ansicht waren, dass ihre hochaktiven Enzymlæsungen keine Anzeichen fçr ein Protein zeigten, haben seine Schlussfolgerung angezweifelt. Wie sind diese beiden scheinbar gegensåtzlichen Befunde miteinander in Einklang zu bringen?

3.4 Weiterfçhrende Literatur #  Hammes GG (2000) Thermodynamics and Kinetics for the Biological Sciences Wiley & Sons, New York Harold FM (1986) The Vital Force: A Study of Bioenergetics. Freeman Harris DA (1995) Bioenergetics at a Glance. Blackwell, Oxford

#$%  &'  (siehe auch die in Kapitel 2 aufgefçhrten biochemischen Lehrbçcher)

Benkovic SJ, Hammes-Schiffer S (2003) A perspective on enzyme catalysis. Science 301:1196±1202 Falke JJ (2002) A moving story. Science 295:1480±1481 [dynamische Bewegungen wåhrend der Katalyse] Jencks WP (1997) From chemistry to biochemistry to catalysis to movement. Annu Rev Biochem 66:1±18 Knowles J (2003) Seeing is believing. Science 299:2002±2003 [çber enzymatische Katalyse] Kornberg A (1989) For the Love of Enzymes. Harvard Univ Press, Cambridge/MA Kraut DA et al (2003) Challenges in enzyme mechanism and energetics. Annu Rev Biochem 72:517±571 Kraut J (1988) How do enzymes work? Science 242:533±540 Palmer T (1995) Understanding Enzymes. Prentice-Hall Walsh C et al (2001) Reviews on biocatalysis. Nature 409: 226±268

Struktur und Funktion der Plasmamembran

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4.1 Ein Ûberblick çber die Funktionen der Plasmamembran 4.2 Eine kurze Geschichte der Untersuchungen zur Struktur der Plasmamembran 4.3 Die chemische Zusammensetzung der Membranen 4.4 Struktur und Funktionen von Membranproteinen 4.5 Membranlipide und die Fluiditåt der Membran 4.6 Dynamische Prozesse in der Plasmamembran 4.7 Wie Substanzen Zellmembranen passieren 4.8 Membranpotenziale und Nervenimpulse Aus Sicht des Menschen: Eine Erbkrankheit, die durch defekte Ionenkanåle verursacht wird Experimentelle Verfahren: Der Acetylcholinrezeptor ?   (   I   .   # I     + * '  !'  ?I I  

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Die Auûenwånde eines Hauses oder die Karosserie eines Autos sind stark und fest genug, um die Menschen darin vor der unkalkulierbaren und rauen Auûenwelt zu schçtzen. Man kænnte erwarten, dass die Auûenwand einer lebenden Zelle genauso wiederstandsfåhig und undurchdringlich ist, weil sie ebenfalls einen empfindlichen Inhalt vor einer unbelebten und oft unwirt-

lichen Umgebung schçtzen muss. Zellen sind jedoch durch eine dçnne, fragile Struktur von nur fçnf bis zehn Nanometer Dicke, die /    , von der Auûenwelt getrennt. Man mçsste etwa 5000 Plasmamembranen çbereinander stapeln, um auf die Dicke einer einzigen Seite dieses Buches zu kommen.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

<eil die Plasmamembran so dçnn ist, kann man nichts von ihr entdecken, wenn man sich im Lichtmikroskop einen Zellquerschnitt ansieht. Erst Ende der 1950er Jahre war die Technik der Pråparation und Fårbung von Gewebe so weit fortgeschritten, dass man die Plasmamembran unter dem Elektronenmikroskop erkennen konnte. Die ersten elektronenmikroskopischen Aufnahmen wie die von J. D. Robertson von der Duke University (Abb. 4.1 a) zeigten, dass die Plasmamembran aus drei Schichten besteht: aus zwei dunkel gefårbten åuûeren Schichten und einer hell gefårbten mittleren Schicht. Alle Membranen, die genauer untersucht wurden ± ob es nun Plasma-, Kern- oder cytoplasmatische Membranen (Abb. 4.1 b), Membranen von Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen waren ± wiesen dieselbe Feinstruktur auf. Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen boten jedoch





nicht nur einen optischen Eindruck von dieser elementar wichtigen Zellstruktur, sondern entfachten auûerdem eine heftige Debatte darçber, aus welchen Molekçlen die verschiedenen Membranschichten bestehen, eine Diskussion, die geradewegs zum Thema der Membranstruktur und -funktion fçhrte. Wie wir bald sehen werden, besitzen Zellmembranen eine Lipiddoppelschicht; die beiden dunkel gefårbten Schichten in den elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Abb. 4.1 entsprechen der inneren und åuûeren polaren Oberflåche der Doppelschicht (sie sind auf dem Bild zu Beginn des Kapitels gelb gefårbt). Wir werden spåter erneut auf die Membranstruktur zurçckkommen, uns aber erst einmal einen Ûberblick çber einige der wichtigsten Funktionen von Membranen im Leben einer Zelle verschaffen (Abb. 4.2).

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Ein Ûberblick çber die Funktionen der Plasmamembran

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4.1 Ein Ûberblick çber die Funktionen der Plasmamembran

n Abb. 4.2. Ûberblick çber die Membranfunktionen in einer Pflanzenzelle. (1) Ein Beispiel fçr eine Membrankompartimentalisierung, bei der hydrolytische Enzyme (saure Hydrolasen) in der von einer Membran umgebenen Vacuole gespeichert werden. (2) Beispiel fçr die Rolle cytoplasmatischer Membranen bei der Lokalisation von Enzymen. Die CO2-Fixierung in der Pflanzenzelle wird durch ein Enzym katalysiert, das mit der åuûeren Oberflåche der Thylakoidmembranen der Chloroplasten assoziiert ist. (3) Beispiel fçr die Bedeutung der selektiven Permeabilitåt von Membranen. Wassermolekçle kænnen die Plasmamembran schnell passieren, was dazu fçhrt, dass die Pflanzenzelle verfçgbaren Platz ausfçllt und Druck auf die Zellwand ausçbt. (4) Beispiel fçr den Transport gelæster Stoffe. Ein Transportprotein in der Plasmamembran pumpt Wasserstoffionen, die bei verschiedenen Stoffwechselprozessen im Cytoplasma entstehen, aus der Pflanzenzelle in den Extrazellularraum. (5) Beispiel fçr die Beteiligung von Membranen an der Informationsçbertragung von einer Seite zur anderen (Signalçbertragung). In diesem Fall sorgt ein Hormon (wie Abscisinsåure) durch seine Bindung an die åuûere Oberflåche der Plasmamembran dafçr, dass eine chemische Botschaft (wie IP3) ins Cytoplasma gelangt. Hier fçhrt IP3 zur Freisetzung von Ca2+-Ionen aus einem cytoplasmatischen Speicher. (6) Beispiel fçr die Bedeutung von Membranen bei der Kommunikation zwischen Zellen. Ûber Úffnungen zwischen benachbarten Pflanzenzellen, den Plasmodesmen, kann Material vom Cytoplasma einer Zelle direkt in das ihres Nachbarn gelangen. (7) Beispiel fçr die Rolle von Membranen bei der Energieumwandlung. ADP wird unter Mitwirkung der inneren Mitochondrienmembran in ATP umgewandelt

n
     Membranen sind kontinuierliche lçckenlose Schichten, die daher zwangslåufig Kompartimente bilden. Die Plasmamembran umhçllt den gesamten Inhalt einer Zelle, wåhrend die Kern- oder cytoplasmatischen Membranen diverse intrazellulåre Råume umgeben. In den verschiedenen, von Membranen umhçllten Kompartimenten einer Zelle befinden sich ganz unterschiedliche Inhaltsstoffe. Die Kompartimentalisierung durch die Membranen ermæglicht zum einen, dass in den Kompartimenten spezielle Aktivitåten stattfinden kænnen, die nicht von auûen gestært werden, und zum anderen, dass zellulåre Aktivitåten unabhångig voneinander reguliert werden. n           Membranen umschlieûen nicht nur Kompartimente, sondern sind auch selber ein Kompartiment. Solange sich Reaktionspartner in einer Læsung befinden, kann ihre Lage zueinander nicht fixiert werden, so dass ihre Wechselwirkung davon abhångt, dass sie zufållig aufeinandertreffen. Dank ihres Aufbaus bieten die Membranen der Zelle jedoch ein ausgedehntes System oder Grundgerçst, in dem Bestandteile so angeordnet werden kænnen, dass eine effiziente Wechselwirkung mæglich wird. n            Membranen sorgen dafçr, dass Molekçle nicht uneingeschrånkt von einer Seite zur anderen gelangen kænnen. Gleichzeitig bieten sie eine Kommunikationsmæglichkeit zwischen den Kompartimenten, die sie trennen. Man kann die Plasmamembran rund um eine Zelle mit einem Burg- oder Schlossgraben vergleichen: Beide stellen zwar generell ein Hindernis dar, haben aber regulierbare ¹Brçckenª, çber die bestimmte Elemente in den umschlossenen Lebensraum hineingelangen oder ihn verlassen kænnen. n         Die Plasmamembran verfçgt çber Mechanismen, um Substanzen von einer Seite der Membran auf die andere zu schleusen ± oft aus einem Bereich, in dem die gelæste Substanz

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

nur in geringer Konzentration vorliegt, in einen Bereich, wo eine sehr viel hæhere Konzentration dieser Substanz vorhanden ist. Die Transportmechanismen der Membran ermæglichen es der Zelle, Substanzen wie Zucker und Aminosåuren anzuhåufen, die fçr den Stoffwechsel und den Aufbau ihrer Makromolekçle erforderlich sind. Die Plasmamembran kann auch bestimmte Ionen transportieren, so dass quer zu ihr ein Ionengradient aufgebaut wird. Diese Fåhigkeit ist besonders entscheidend fçr Nerven- und Muskelzellen. n     - &  0 Die Plasmamembran spielt eine entscheidende Rolle bei der Reaktion einer Zelle auf externe Reize, ein Prozess, der als &     bezeichnet wird. Membranen besitzen $, die sich mit ganz bestimmten Molekçlen (den 8  ), die eine komplementåre Struktur haben, verbinden. Unterschiedliche Zelltypen weisen in ihren Membranen auch unterschiedliche Rezeptoren auf, so dass sie jeweils andere Liganden in ihrem Umfeld erkennen und auf sie reagieren. Aufgrund der Wechselwirkung des Rezeptors einer Plasmamembran mit einem externen Liganden kann die Membran ein Signal aussenden, das Aktivitåten im Innern der Zelle færdert oder hemmt. Beispielsweise kænnen Signale, die an der Plasmamembran erzeugt wurden, eine Zelle dazu bringen, mehr Glycogen zu bilden, sich auf eine Zellteilung vorzubereiten, sich auf eine hæhere Konzentration einer bestimmten Verbindung hin zu bewegen, Calcium aus internen Speichern freizusetzen oder mæglicherweise sogar Selbstmord zu begehen. n 6$1  ' 0 Bei vielzelligen Organismen vermittelt die Plasmamembran als Auûenschicht der jeweiligen lebenden Zelle die Wechselwirkungen zwischen der Zelle und ihren Nachbarn. Mithilfe der Plasmamembran kænnen Zellen einander erkennen und Signale çbermitteln, sich, falls erforderlich, aneinander heften oder aber Material und Informationen austauschen. n # ' 0 Membranen sind eng an den Vorgången beteiligt, bei denen eine Energieform in eine andere umgewandelt wird (Energieumwandlung). Die

grundlegendste Form der Energieumwandlung erfolgt bei der Photosynthese, bei der Membranpigmente Sonnenlichtenergie absorbieren, in chemische Energie umwandeln und in Kohlenhydraten speichern. Membranen wirken auch mit, wenn chemische Energie aus Kohlenhydraten und Fetten auf ATP çbertragen wird. Bei Eukaryoten befindet sich der Apparat fçr diese Formen der Energieumwandlung in den Chloroplasten- und Mitochondrienmembranen. Wir wollen uns in diesem Kapitel zwar auf die Struktur und Funktionen der Plasmamembran konzentrieren, man sollte sich aber klar machen, dass die hier erærterten Prinzipien fçr alle Zellmembranen gelten. Spezielle Aspekte der Struktur und Funktionen von Membranen in Mitochondrien, Chloroplasten, im Cytoplasma und im Kern werden in den Kap. 5, 6, 8 und 12 erærtert.

$ Eine kurze Geschichte der Untersuchungen zur Struktur der Plasmamembran In den 1890er Jahren erhielt Ernst Overton von der Universitåt Zçrich erste Einblicke in die chemische Zusammensetzung der åuûeren Grenzschicht einer Zelle. Overton wusste, dass sich unpolare gelæste Stoffe besser in unpolaren als in polaren Læsungsmitteln læsen und polare gelæste Stoffe ein kontråres Læsungsverhalten zeigen. Daraus folgerte er, dass eine Substanz, die vom Medium her in eine Zelle eindringt, zuerst sich in der åuûeren Grenzschicht dieser Zelle læsen muss. Um die Permeabilitåt der åuûeren Grenzschicht zu untersuchen, tauchte Overton Wurzelhaare von Pflanzen in Hunderte verschiedener Læsungen mit einer Vielzahl von gelæsten Stoffen ein. Dabei fand er heraus, dass ein gelæster Stoff umso schneller in die Zellen der Haarwurzeln eindringen konnte, je besser fettlæslich er war (Kap. 4.7.2). Er schloss daraus, dass das Læsungsvermægen der åuûeren Grenzschicht der Zelle dem eines Úls entspricht. 1925 postulierten erstmals die beiden niederlåndischen Wissenschaftler E. Gorter und F. Grendel, dass Zellmembranen eine Lipiddoppelschicht enthalten. Die Wissenschaftler extrahierten die Lipide aus den roten Blutkærperchen des Menschen und bestimmten die Græûe der Ober-

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Eine kurze Geschichte der Untersuchungen zur Struktur der Plasmamembran

flåche, die sie bedecken wçrden, wenn sie çber eine Wasseroberflåche verteilt wçrden (Abb. 4.3 a). Da ausdifferenzierte rote Blutkærperchen von Såugern weder Zellkerne noch cytoplasmatische Organellen besitzen, ist die Plasmamembran die einzige lipidhaltige Struktur. Man kann daher davon ausgehen, dass såmtliche aus den Zellen extrahierten Lipide aus der Plasmamembran der Zellen stammen. Das Verhåltnis der Wasseroberflåche, die vom extrahierten Lipid bedeckt wird, zur errechneten Oberflåche der roten Blutkærperchen, aus denen das Lipid extrahiert wurde, schwankte zwischen 1,8 : 1 und 2,2 : 1. Gorter und Grendel nahmen daher an, dass das Verhåltnis in Wirklichkeit 2 : 1 war, und folgerten daraus, dass die Plasmamembran eine bimolekulare Lipidschicht, also eine
    aufweisen mçsste (Abb. 4.3 b). Sie schlugen darçber hinaus vor, dass die polaren Gruppen jeder Molekularschicht nach auûen zum wåssrigen Medium hin gerichtet sind, wie es Abb. 4.3 b, c zeigt. Das wåre die thermo-

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dynamisch gçnstigste Konstellation, weil die polaren Kopfgruppen der Lipide mit den sie umgebenden Wassermolekçlen reagieren kænnten ± und gleichzeitig die hydrophoben Fettsåureketten vor dem Kontakt mit dem wåssrigen Umgebung geschçtzt wåren (Abb. 4.3c). Somit wåren die polaren Kopfgruppen auf der einen Seite dem Cytoplasma und auf der anderen dem Blutplasma zugewandt. Obwohl Gorter und Grendel mehrere experimentelle Fehler machten (die sich glçcklicherweise aufhoben), kamen sie zu dem richtigen Schluss, dass Membranen eine Lipiddoppelschicht besitzen. In den 1920er und 1930er Jahren gewannen die Zellphysiologen Hinweise darauf, dass zur Membranstruktur noch mehr gehæren muss als nur eine Lipiddoppelschicht. Man fand beispielsweise heraus, dass die Fettlæslichkeit nicht der einzige bestimmende Faktor dafçr ist, ob eine Substanz die Plasmamembran passieren kann oder nicht. Auûerdem hatten Berechnungen ergeben, dass die Oberflåchenspannung bei

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 4.3 a±c. Die Plasmamembran enthålt eine Lipiddoppelschicht. a Berechnung der Oberflåche eines Lipidpråparats. Wenn eine Probe von Phospholipiden in einem organischen Læsungsmittel wie Hexan gelæst und çber eine Wasseroberflåche verteilt wird, bilden die Phospholipidmolekçle auf dem Wasser eine Schicht von der Dicke eines Molekçls: eine monomolekulare Schicht. Die hydrophilen Gruppen der Molekçle in der Schicht weisen zur Wasserflåche hin, wåhrend ihre hydrophoben Ketten in die Luft ragen. Um abzuschåtzen, wie groû die Oberflåche wåre, die die Lipide abdecken wçrden, wenn sie Teil einer Membran wåren, kann man die Lipidmolekçle mithilfe beweglicher Barrieren auf eine mæglichst kleine Flåche zusammenschieben. Mit einer solchen Apparatur, die man nach ihrem Erfinder Langmuir benannt ist, kamen Gorter und Grendel zu

dem Schluss, dass rote Blutkærperchen gençgend Lipid enthalten, um eine Schicht mit der Dicke von zwei Molekçlen auf ihrer Oberflåche zu bilden: eine Doppelschicht. b Das Innere einer Membran enthålt, wie Gorter und Grendel als erste postuliert haben, eine bimolekulare Schicht von Phospholipiden, deren wasserlæsliche Kopfgruppen der åuûeren Oberflåche zugewandt und deren hydrophile Fettsåureschwånze nach innen gerichtet sind. Die Strukturen der Kopfgruppen sind in Abb. 4.6 a dargestellt. c Modell einer vollståndig hydrierten Lipiddoppelschicht aus dem Phospholipid Phosphatidylcholin. Die Kopfgruppen der Phospholipids sind
, die Wassermolekçle  und

 und die Fettsåureketten   gefårbt (c aus: Chiu SW (1997) Trends in Biochem Sci 22:341, ° 1997, mit Genehmigung von Elsevier Science)

5H0

Struktur und Funktion der Plasmamembran

Membranen sehr viel geringer war als bei reinen Lipidstrukturen. Diese geringere Oberflåchenspannung lieû sich dadurch erklåren, dass in der Membran Protein vorhanden ist. 1935 stellten Hugh Davson und James Danielli die Hypothese auf, dass die Plasmamembran aus einer Lipiddoppelschicht besteht, die sowohl auf der Innen- als auch auf der Auûenseite mit einer Lage kugelfærmiger Proteine çberzogen ist. Anfang der 1950er Jahre çberarbeiteten sie ihr Modell, um der selektiven Permeabilitåt der Membranen

Rechnung zu tragen, die sie untersucht hatten. In revidierter Form (Abb. 4.4 a) besagt die Hypothese von Davson und Danielli, dass die Lipiddoppelschicht auûer den åuûeren und inneren Proteinschichten auch noch Poren aufweist, die von Proteinen eingefasst sind. Diese Poren stellen Kanåle dar, durch die polare gelæste Stoffe und Ionen in die Zelle gelangen und sie verlassen kænnen. Aufgrund Ende der 1960er Jahre durchgefçhrter Experimente wurde ein neues Konzept der

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Die chemische Zusammensetzung der Membranen

Membranstruktur entwickelt, das bis in die Details vom Flçssigmosaikmodell von S. Jonathan Singer und Garth Nicolson von der University of California, San Diego repråsentiert wird (Abb. 4.4 b). Im




, das drei Jahrzehnte lang als das ¹zentrale Dogmaª der Membranbiologie galt, bleibt die Lipiddoppelschicht zwar nach wie vor das Kernstçck der Membran, es wird jedoch vermehrt Wert auf den physikalischen Zustand der Lipide gelegt. Anders als in frçheren Modellen befindet sich die Doppelschicht einer Flçssigmosaikmembran in einem flçssigen Zustand, so dass sich einzelne Lipidmolekçle innerhalb der Membranebene seitwårts bewegen kænnen. Im Unterschied zu frçheren Modellen stellt das Flçssigmosaikmodell die Struktur und Anordnung der Membranproteine als ein ¹Mosaikª aus einzelnen Partikeln dar, die sich durch die Membranschicht ziehen (Abb. 4.4 b). Als wichtigste Neuerung werden die Zellmembranen im Flçssigmosaikmodell als dynamische Strukturen angesehen, deren Elemente sich bewegen und zusammenfinden kænnen, um die verschiedensten vorçbergehenden oder semipermanenten Wechselwirkungen einzugehen. In den folgenden Abschnitten werden wir uns einige der Belege genauer ansehen, die zur Entwicklung und Beståtigung dieses dynamischen Bildes von der Membranstruktur gefçhrt haben, sowie auf einige jçngere Befunde eingehen, durch die das Modell aktualisiert wird (Abb. 4.4 c).

4.3 b, c), die vor allem als strukturelles Rçckgrat dient und dafçr sorgt, dass wasserlæsliche Substanzen nicht einfach aufgrund ihrer Molekularbewegung in die Zelle gelangen oder sie verlassen kænnen. Die Proteine der Membran erfçllen dagegen die meisten der in Abb. 4.2 zusammengestellten spezifischen Funktionen. Bei jedem Zelltyp enthalten die ausdifferenzierten Zellen eine besondere Gruppe von Membranproteinen, die fçr die speziellen Funktionen dieses Zelltyps erforderlich sind (Beispiel in Abb. 4.31 d). In einer Membran schwankt das Verhåltnis von Lipid zu Protein je nach dem Typ der Zellmembran (Plasmamembran, endoplasmatisches Retikulum oder Golgi-Apparat), der Art des Organismus (Bakterium, Pflanze oder Tier) oder dem Zelltyp (Knorpel, Muskel oder Leber). So besitzt beispielsweise die innere Mitochondrienmembran ein sehr hohes Protein-Lipid-Verhåltnis im Vergleich zur Plasmamembran roter Blutkærperchen, bei der das Verhåltnis wiederum hoch ist gegençber dem in den Membranen der Myelinscheide, die sich in vielen Lagen um eine Nervenzelle wickeln (Abb. 4.5). Zu einem Groûteil sind diese Unterschiede auf die jeweiligen Grundfunktionen dieser Membranen zurçckzufçhren. Die innere Mitochondrienmembran enthålt die Proteincarrier der Elektronentransportkette und daher im Vergleich zu anderen Membranen relativ wenig Lipid. Dagegen dient die Myelinscheide vor allem zur elektrischen Isolation der Nervenzelle, um die sie sich wickelt; diese Funktion erfçllt am besten eine dicke Lipidschicht mit einem hohen elektrischen Widerstand und einem mæglichst geringen Proteinanteil. Membranen enthalten auch Kohlenhydrate, die, wie Abb. 4.4 c zeigt, an Lipiden und Proteinen hången.

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4.3 Die chemische Zusammensetzung der Membranen Membranen sind Strukturen aus Lipiden und Proteinen, die durch nichtkovalente Bindungen zu einer dçnnen Schicht verbunden werden. Wie bereits erwåhnt, besteht die Membran im Inneren aus einer bimolekularen Lipidschicht (Abb.

5H5

4.3.1 Membranlipide Membranen enthalten ein breites Spektrum an Lipiden, die alle     sind und somit sowohl hydrophile als auch hydrophobe Bereiche aufweisen. Es gibt drei Haupttypen von Membranlipiden: Phosphoglyceride, Sphingolipide und Cholesterin. /   %  Die meisten Membranlipide besitzen eine Phosphatgruppe und gehæren daher zu den /      . Weil die meisten Phospholipide der Membranen ein Grundgerçst aus Glycerin besitzen, werden sie als /   %  bezeichnet (Abb. 4.6 a). Im Gegensatz zu Triglyceriden, die aus drei Fettsåuren bestehen (Kap. 2.5.2) und nicht amphipathisch sind, sind Membranglyceri-

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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de Diglyceride ± nur zwei Hydroxylgruppen des Glycerins sind mit Fettsåuren verestert, die dritte dagegen mit einer hydrophilen Phosphatgruppe. Besitzt das Molekçl auûer der Phosphatgruppe und den beiden Fettsåureketten keine weiteren Substitutionen, nennt man es Phosphatidsåure, die in den meisten Membranen aber praktisch nicht vorkommt. Bei Membranphosphoglyceriden hångt dagegen eine zusåtzliche Gruppe an der Phosphatgruppe, meist Cholin (wodurch /    %   (PC) entsteht) oder Ethanol-

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Die chemische Zusammensetzung der Membranen

amin (wodurch /    %    (PE) entsteht), Serin (wodurch /    %   (PS) entsteht) oder Inositol (wodurch /     %   (PI) entsteht). Jede dieser Gruppen ist klein und hydrophil und bildet zusammen mit der negativ geladenen Phosphatgruppe, an der sie hångt, an dem einen Ende des Molekçls eine sehr gut wasserlæsliche Domåne, die  . Beim physiologischen pH-Wert sind die Kopfgruppen von PS und PI insgesamt negativ geladen, wåhrend die von PC und PE neutral sind. Dagegen sind die Fettsåureketten hydrophobe, unverzweigte Kohlenwasserstoffe mit einer Långe von 16 bis 20 Kohlenstoffatomen (Abb. 4.6). Eine Fettsåure kann in der Membran vollkommen gesåttigt sein (d. h. keine Doppelbindungen enthalten), einfach ungesåttigt sein (d. h. nur eine Doppelbindung enthalten) oder vielfach ungesåttigt sein (d. h. mehr als eine Doppelbindung enthalten). Phosphoglyceride weisen håufig eine ungesåttigte und eine gesåttigte Fettsåurekette auf und sind mit den Fettsåureketten an dem einem Ende und einer polaren Kopfgruppe am anderen Ende ausgeprågt amphipathisch.

Abb. 4.5 dargestellte Myelinscheide weist einen hohen Anteil an einem speziellem Glycolipid auf, dem Galactocerebrosid (Abb. 4.6 b), das entsteht, wenn eine Galactose an ein Ceramid gehångt wird. Måuse, denen das Enzym fçr diese Reaktion fehlt, zeigen heftiges Muskelzittern bis hin zur Paralyse. Das Interesse an den Glycolipiden hat in den letzten Jahren zugenommen, nachdem man herausgefunden hat, dass Fumonisine, eine Gruppe von Pilztoxinen, die Synthese dieser Membranbestandteile hemmen. Fumonisine beeintråchtigen diverse Vorgånge wie das Zellwachstum, den Zelltod, die Wechselwirkungen zwischen Zellen sowie die Kommunikation zwischen der Zelle und ihrer Umgebung. Glycolipide spielen auch bei bestimmten Infektionskrankheiten eine Rolle; die Giftstoffe, welche Cholera und Botulismus verursachen, dringen beide in ihre Zielzelle ein, indem sie sich wie das Influenza-Virus zuerst an Ganglioside auf der Zelloberflåche heften.

&    Eine seltenere Gruppe der Membranlipide sind die &   , Derivate des Sphingosins, eines Aminoalkohols mit einer langen Kohlenwasserstoffkette (Abb. 4.6 b). Sphingolipide bestehen aus einem Sphingosin, das çber seine Aminogruppe an eine Fettsåure (R in Abb. 4.6 b) gekoppelt ist. Dieses Molekçl ist ein +  . Bei den verschiedenen, auf das Sphingosin zurçckgehenden Lipiden sind mit dem endståndigen Alkohol des Sphingosinanteils noch zusåtzliche Gruppen verestert. Wenn es sich dabei um Phosphorylcholin handelt, heiût das Molekçl &  % , das einzige Phospholipid in der Membran ohne Glycerinrçckgrat. Wenn ein Kohlenhydrat substituiert ist, bezeichnet man das Molekçl als :%  . Ist das Kohlenhydrat ein einfacher Zucker, nennt man das Glycolipid +  ; ist es ein Oligosaccharid, nennt man es :   . Weil alle Sphingolipide an einem Ende zwei lange hydrophobe Kohlenwasserstoffketten und am anderen einen hydrophilen Bereich haben, sind sie amphipathisch und åhneln in ihrer Gesamtstruktur im Grunde den Phosphoglyceriden. Glycolipide sind interessante Membranbestandteile. Man weiû relativ wenig çber sie, obwohl manches dafçr spricht, dass sie eine groûe Bedeutung fçr die Zelle haben, was weitere Untersuchungen anregen kænnte. Das Nervensystem enthålt besonders viele Glycolipide. Die in

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+    Bestimmte Membranen enthalten als weiteren Lipidbestandteil das Sterol +    (Abb. 2.21), dessen Anteil an den Lipidmolekçlen der Plasmamembran bei bestimmten Tierzellen bis zu 50% betragen kann. Die meisten Pflanzenzellen sowie såmtliche Bakterien enthalten dagegen kein Cholesterin. Cholesterin ist kleiner als andere Membranlipide und weniger amphipathisch. Wåhrend die kleinen hydrophilen Hydroxylgruppen der Cholesterinmolekçle zur Membranoberflåche hin ausgerichtet sind, ist der Rest des Molekçls in die Lipiddoppelschicht eingebettet (Abb. 4.7). Die hydrophoben Ringe des Cholesterinmolekçls sind flach und starr und beeintråchtigen die Bewegungen der Fettsåureschwånze der Phospholipide (Kap. 4.5). 7      7  8      Jede Art von Zellmembran hat eine eigene charakteristische Lipidzusammensetzung, die sich von den anderen im Lipidtyp, in der Beschaffenheit der Kopfgruppen und in der jeweiligen Art der Fettsåurekette(n) unterscheidet. Wegen dieser strukturellen Vielfalt enthalten einige biologische Membranen schåtzungsweise Hunderte chemisch unterschiedliche Arten von Phospholipiden. Wie groû der Anteil einiger der wichtigsten Lipidtypen bei einer Reihe von Membranen ist, zeigt Tabelle 4.1. Die Lipide einer Membran sind mehr als nur einfache Strukturelemente, sondern haben eine wichtige Bedeutung fçr die biologischen Eigenschaften der Membran. Die Lipidzusammensetzung hat Einfluss auf den

5H6

Struktur und Funktion der Plasmamembran

der Lipiddoppelschicht zusammengenommen çber eine Breite von etwa 3 nm erstrecken und dass mit jeder Reihe von Kopfgruppen (und der daran hångenden Hçlle aus Wassermolekçlen) weitere 1,5 nm dazukommen (s. die Abbildung am Anfang des Kapitels). Somit ist die gesamte Lipiddoppelschicht nur 6 nm dick. Dass die Membranen diese dçnne Doppelschicht amphipathischer Lipidmolekçle enthalten, hat beachtliche Auswirkungen auf die Zellstruktur und -funktion. Aus thermodynamischen Grçnden sind die Kohlenwasserstoffketten der Lipiddoppelschicht niemals dem umgebenden wåssrigen Milieu ausgesetzt. Daher haben Membranen nie ein freies Ende; sie verlaufen immer stetig und ohne Unterbrechungen, so dass sie in der Zelle ausgedehnte und zusammenhångende Netzwerke bilden. Wenn eine Plasmamembran einer Zelle mit einer feinen Mikronadel durchbohrt wird, schlieût sich die Membran sofort wieder, wenn man die Nadel herauszieht. Wegen der Flexibilitåt der Lipiddoppelschicht sind Membranen verformbar, was man erkennt, wenn sich ihre Gesamtform etwa bei der Zellbewegung (Abb. 4.8 a) oder Zellteilung (Abb. 4.8 b) åndert. Man nimmt an, dass die Lipiddoppelschicht die gesteuerte Fusion oder das Abknospen von Membranen erleichtert. Die Sekretion, bei der cytoplasmatische Vesikel mit der Plasmamembran fusionieren, umfasst ebenso wie die Befruchtung, bei der zwei Zellen miteinander verschmelzen (Abb. 4.8 c), Prozesse, bei denen zwei verschiedene Membranen aufeinandertreffen und eine zusammenhångende Schicht bilden (Abb. 8.32). Wie wichtig die Lipiddoppelschicht ist, um die richtige Zusammensetzung im Inneren einer Zelle aufrechtzuerhalten, die elektrischen Ladungen

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physikalischen Zustand einer Membran (Kap. 4.5) sowie die Aktivitåt bestimmter Membranproteine. Membranlipide dienen auch als Vorlåufer fçr hochaktive chemische Botenstoffe, welche die Zellfunktion regulieren (Kap. 15.3). Verschiedene Arten von Messungen zeigen, dass sich die Fettsåureketten der beiden Blåtter

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Die chemische Zusammensetzung der Membranen

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beiderseits einer Plasmamembran zu trennen, sowie fçr viele andere Zellaktivitåten, wird in diesem und folgenden Kapiteln deutlich werden. Ein anderes wichtiges Merkmal der Lipiddoppelschicht ist ihre Fåhigkeit, sich selbst zu organisieren, was man in einem Reaktionsgefåû besser zeigen kann als in einer lebenden Zelle. Wenn beispielsweise in einer wåssrigen Læsung etwas Phosphatidylcholin fein verteilt wird, lagern sich die Phospholipidmolekçle spontan zusammen und bilden die Wånde von flçssigkeitsgefçllten runden Vesikeln, den 8  . Diese Wånde bestehen aus einer durchgehenden Lipiddoppelschicht, die genauso aufgebaut ist wie die Lipiddoppelschicht einer natçrlichen Membran. Es hat sich erwiesen, dass Liposomen fçr die Membranforschung von unschåtzbarem Wert sind. Man kann etwa Membranproteine in sie einbauen und so deren Funktion in einer viel einfacheren Umgebung als einer natçrlichen Membran untersuchen. Liposomen werden auch daraufhin getestet, ob sie sich im Kærper als Transportmolekçle fçr Medikamente oder DNAMolekçle eignen. Man kann Medikamente oder die DNA an die Liposomenwand koppeln oder hohe Konzentrationen von ihnen ins Lumen geben (Abb. 4.9 a). Die Wånde der in diesen Untersuchungen eingesetzten Liposomen enthalten spezifische Proteine (wie Antikærper oder Hormone), mit denen die Liposomen selektiv an die Oberflåche bestimmter Zielzellen binden kænnen, zu denen Arzneimittel oder die DNA trans-

portiert werden sollen. Die meisten frçhen klinischen Untersuchungen mit Liposomen schlugen fehl, weil die Phagocyten des Immunsystems die injizierten Vesikel schnell wieder abbauten. Dieses Problem konnte durch die Entwicklung ¹getarnter Liposomenª gelæst werden, die mit einem synthetischen Polymer çberzogen sind, das die Liposomen vor einer Zerstærung durch das Immunsystem schçtzt (Abb. 4.9 b). Getarnte Liposomen, die Doxorubicin enthalten ± ein Mittel, das bei der Chemotherapie eingesetzt wird ±, sind zur Behandlung des Karposi-Sarkoms zugelassen; derzeit laufen auûerdem zahlreiche klinische Studien, um festzustellen, ob sie auch bei anderen Krebsformen wirksam sind. '$ =ohlenhydrate in der Membran Die Plasmamembranen eukaryotischer Zellen enthalten Kohlenhydrate, die kovalent an Lipide und Proteine gekoppelt sind (Abb. 4.4 c). Je nach Spezies und Zelltyp variiert der Kohlenhydratanteil der Plasmamembran zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent. Ûber 90% der Kohlenhydrate der Membranen sind kovalent an Proteine gebunden und bilden somit Glycoproteine; die çbrigen Kohlenhydrate sind kovalent an Lipide gebunden und bilden Glycolipide, die in Kap. 4.3.1 vorgestellt wurden. Wie in Abb. 4.4 c zu sehen ist, sind alle Kohlenhydrate der Plasmamembran zum Extrazellularraum hin ausgerich-

5HH

Struktur und Funktion der Plasmamembran



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tet.1 Die Kohlenhydrate der inneren Zellmembran weisen ebenfalls nicht zum Cytosol hin ± der Grund dafçr wird in Abb. 8.14 erklårt. 1

Es sei hier darauf hingewiesen, dass Phosphatidylinositol zwar eine Zuckergruppe enthålt (Abb. 4.6), hier aber nicht als Teil des Kohlenhydratanteils der Membran betrachtet wird.

Beim Kohlenhydrat der Glycoproteine handelt es sich um kurze verzweigte Oligosaccharide mit in der Regel weniger als 15 Zuckern pro Kette. Im Gegensatz zu den meisten Kohlenhydraten mit einem hohen Molekulargewicht (wie Glycogen, Stårke oder Cellulose), die als Polymere nur aus einem einzigen Zucker bestehen, kænnen die an Membranproteine und -lipide gekoppelten Oligosaccharide in ihrer Zusammensetzung und Struktur stark variieren. Oligosaccharide kænnen ± hauptsåchlich çber zwei Verknçpfungsarten ± an mehrere verschiedene Aminosåuren gekoppelt sein (Abb. 4.10). Diese aus dem Molekçl herausragenden Kohlenhydrate spielen eine wichtige Rolle sowohl bei der Vermittlung von Wechselwirkungen einer Zelle mit ihrer Umgebung (Kap. 7) als auch bei der Verteilung der Membranproteine auf die verschiedene Zellkompartimente (Kap. 8). Die Kohlenhydrate der Glycolipide aus der Plasmamembran der roten Blutkærperchen legen fest, ob jemand die Blutgruppe A, B, AB oder 0 hat (Abb. 4.11). Hat eine Person die Blutgruppe A, so besitzt sie ein Enzym, das ein )-Acetylgalactosamin an das Ende der Kette anhångt, wåhrend eine Person mit Blutgruppe B ein Enzym besitzt, das eine Galactose mit dem Kettenende verbindet. Diese beiden Enzyme werden von alternativen Versionen desselben



Struktur und Funktionen von Membranproteinen

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4.4 Struktur und Funktionen von Membranproteinen

n Abb. 4.11.      @ *      " "    0 " & (   !      "  (    ?        ?       B        9      @   "          ?    +            1 !  &      "   0    #                   + <   7  2 < ,  I   7  <   7 <  7  2 < ,  I   1

Gens codiert, erkennen aber unterschiedliche Substrate. Menschen mit Blutgruppe AB besitzen beide Enzyme, wåhrend Menschen mit Blutgruppe 0 kein Enzym haben, das einen der beiden Zucker ans Ende anheften kænnte.

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Je nach Zelltyp oder Zellorganell kann eine Membran Hunderte verschiedener Proteine enthalten. Jedes Membranprotein hat seine eigene Art, sich gegençber dem Cytoplasma auszurichten, so dass sich die Eigenschaften der beiden Membranoberflåchen stark voneinander unterscheiden. In der Plasmamembran beispielsweise ragen die Abschnitte der Membranproteine, die mit anderen Zellen oder extrazellulåren Liganden wie Hormonen oder Wachstumsfaktoren wechselwirken, in den extrazellulåren Raum hinein, wåhrend die Bereiche der Membranproteine, die mit cytoplasmatischen Molekçlen wie G-Proteinen oder Proteinkinasen wechselwirken (Kap. 15), ins Cytoplasma ragen. Man kann die Membranproteine in drei verschiedene Gruppen einteilen, die sich darin unterscheiden, wie weit sie in die Lipiddoppelschicht integriert sind (Abb. 4.12). Dazu gehæren: n 6  /  ziehen sich durch die Lipiddoppelschicht. Integrale Proteine sind !    ; d. h. sie durchziehen die Lipiddoppelschicht von einer Seite zur anderen und haben daher Domånen, die sowohl auf der extrazellulåren als auch auf der cytoplasmatischen Seite der Membran herausragen. Einige integrale Proteine haben nur ein Segment, das sich durch die Membran zieht, wåhrend andere mehrfach die Membran durchlaufen. Aufgrund der bisher sequenzierten Genome nimmt man an, dass etwa 30% aller codierten Proteine integrale Proteine sind. n /   /  befinden sich auf der cytoplasmatischen oder extrazellulåren Seite vollkommen auûerhalb der Lipiddoppelschicht, sind aber çber nichtkovalente Bindungen mit der Membranoberflåche assoziiert. n 8  9  /  befinden sich auf der cytoplasmatischen oder extrazellulåren Seite auûerhalb der Lipiddoppelschicht, sind aber kovalent mit einem Lipidmolekçl verbunden, das innerhalb der Lipiddoppelschicht liegt.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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betteten Domånen haben meist hydrophile Oberflåchen, die mit wasserlæslichen Substanzen (niedermolekularen Substraten, Hormonen und anderen Proteinen) an der Membrangrenze wechselwirken. Mehrere groûe Familien von Membranproteinen besitzen im Innern einen Kanal, durch den die Lipiddoppelschicht durchquert werden kann, ohne das wåssrige Milieu verlassen zu mçssen. Die Wånde dieser Kanåle enthalten in der Regel an strategisch wichtigen Punkten hydrophile Reste. Wie wir spåter noch sehen werden, mçssen integrale Proteine nicht an bestimmten Stellen fixiert sein, sondern kænnen sich unter Umstånden seitwårts in der Membran bewegen.  .       :   %  Die Vorstellung, dass Proteine Membranen durchziehen und nicht einfach auûen auf der Doppelschicht sitzen, entstand vor allem aufgrund von Befunden, die mit der Technik des :   gemacht wurden (Kap. 18.2). Bei diesem Verfahren wird Gewebe zu ei-

 nem festen Block eingefroren, der dann mit einer Messerklinge in zwei Teile gespalten wird. Dabei verlåuft die Bruchlinie håufig zwischen den beiden Lagen der Lipiddoppelschicht (Abb. 4.13 a). Nach der Auftrennung der Membranen werden die zugånglichen Oberflåchen mit Metall çberzogen, um einen    herzustellen, den man unter dem Elektronenmikroskop betrachten kann (Abb. 18.17). Wie Abb. 4.13 b zeigt, åhnelt die Kopie einem Straûenbelag aus Kieselsteinen, den ¹ 

$  /   ª. Da die Bruchebene mitten durch die Doppelschicht verlåuft, sind diese Partikel meist integrale Proteine, die sich mindestens durch die Hålfte des Lipidkerns erstrecken. Wenn die Bruchlinie auf einen bestimmten Partikel trifft, umgeht sie ihn eher, als dass sie ihn aufbricht. Daher bleibt das Protein bei der Auftrennung der Membranschichten in der einen Hålfte der Plasmamembran stecken (Abb. 4.13 c) und hinterlåsst in der anderen Hålfte eine entsprechende Vertiefung (Abb. 7.30 c). Einer der groûen Vorteile der Gefrierbruchtechnik ist, dass man mit ihr die mikroskopisch kleinen Stellen untersuchen kann, an denen die Homogenitåt der Membran durchbrochen ist. Solche Unterschiede in Teilen der Membran ragen aus den Kopien heraus und kænnen identifiziert werden (wie man an der Kopie einer  <  in Abb. 7.3 d erkennen kann). Bei biochemischen Analysen fallen dagegen solche Unterschiede unter den Tisch.

Struktur und Funktionen von Membranproteinen

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$ 4tersuchung der Struktur und Eigenschaften integraler Membranproteine Wegen ihrer hydrophoben Transmembrandomånen lassen sich integrale Membranproteine nur schwer in læslicher Form isolieren. Um diese Proteine aus der Membran zu læsen, muss man normalerweise Detergenzien wie das ionische (geladene) Detergens SDS benutzen, das Proteine denaturiert, oder nichtionische (ungeladene) Detergenzien wie Triton-X-100, das die Tertiårstruktur eines Proteins im Allgemeinen nicht angreift.

n Abb. 4.13 a±c.     "      ! 4         a G   ? 

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cken. Einige der technischen Probleme bei der Pråparation kristalliner Membranproteine konnten mit Hilfe neuer Methoden und unter græûten Anstrengungen çberwunden werden. In einer jçngeren Untersuchung gelang es beispielsweise Wissenschaftlern, qualitativ hochwertige Kristalle eines bakteriellen Transportproteins herzustellen, nachdem man çber 95 000 verschiedene Kristallisationsbedingungen getestet und verbessert hatte. Trotz der zunehmenden Erfolge bei der Proteinkristallisation sind die Wissenschaftler bei den meisten Proteinen immer noch auf indirekte Ansåtze zur Bestimmung der dreidimensionalen Organisation angewiesen. In den folgenden Absåtzen werden wir einige dieser Methoden genauer beleuchten.

2 Bei vielen integralen Membranproteinen befindet sich ein græûerer Anteil im Cytoplasma oder im Extrazellularraum. In vielen Fållen wurde dieser læsliche Anteil von seiner Transmembrandomåne abgespalten, kristallisiert und seine Tertiårstruktur bestimmt. Dieser Ansatz liefert zwar wertvolle Daten çber das Protein, aber keine Informationen darçber, wie das Protein in der Membran ausgerichtet ist.

7  "  '      !    /      Welcher Teil eines integralen Plasmamembranproteins ragt ins Cytoplasma hinein und welcher aus der Zelle heraus? Das kann man experimentell mithilfe von Substanzen bestimmen, die nicht in die Membran eindringen, aber die Proteine entweder markieren oder modifizieren. Was wçrde etwa passieren, wenn man eine Pråparation intakter Zellen mit einem proteolytischen Enzym wie Trypsin behandelte, das zu groû ist, um in die Plasmamembran eindringen zu kænnen (Abb. 4.16 a, obere Reihe)? Die Anteile der Membranproteine auf der Auûenseite der Lipiddoppelschicht wçrden durch das Enzym abgespalten werden, wåhrend die Anteile in der Doppelschicht oder auf der cytoplasmatischen Seite der Membran nicht angegriffen wçrden.



Struktur und Funktionen von Membranproteinen





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-helicale Sekundårstruktur annehmen.3 Wie eine einzelne Transmembranhelix chemisch zusammengesetzt ist, zeigt Abb. 4.17 am Beispiel der zweidimensionalen Struktur von Glycophorin A, einem wichtigen integralen Protein der Plasmamembran von Erythrocyten. Von den 20 Aminosåuren, aus denen die einzige
-Helix des Glycophorins besteht (Aminosåuren 74±93 in Abb. 4.18), haben bis auf drei alle hydrophobe Seitenketten (bzw. im Fall der Glycin-Reste ein H-Atom); Ausnahmen sind Serin und Threonin, die nicht geladen sind. Wenn man die Aminosåuresequenz eines integralen Membranproteins kennt, kann man normalerweise mithilfe eines 2%   herausfinden, welche Proteinbereiche sich in der Membran befinden. Dazu wird jeder Position im Polypeptid ein Wert zugeordnet, der ein Maû fçr die 2%  $ 1 der Aminosåure an die-

6  $  9 !   1 Welche Abschnitte der Polypeptidkette sind tatsåchlich in die Lipiddoppelschicht eingebettet? Wo sich diese !   1 befinden, kann man generell aufgrund der Aminosåuresequenz des Proteins herausfinden, die man aus der Nucleotidsequenz eines isolierten Gens ableiten kann. Die Proteinabschnitte, von denen man vorhersagen kann, dass sie sich durch die Membran ziehen, bestehen in der Regel aus 20 bis 30 vorwiegend unpolaren Aminosåuren, die

3 Wie bereits in Kap. 2.5.3 erwåhnt wurde, ist die Konformation der
-Helix begçnstigt, weil sich dabei zwischen benachbarten Aminosåureresten eine maximale Anzahl von Wasserstoffbrçcken ausbilden kann und so eine åuûerst stabile (energiearme) Konfiguration entsteht. Das ist besonders wichtig fçr ein transmembranes Polypeptid, das von Fettsåureketten umgeben ist und daher keine Wasserstoffbrçcken mit einem wåssrigen Læsungsmittel ausbilden kann. Transmembranhelices sind mindestens 20 Aminosåuren lang, weil das Polypeptid mindestens so lang sein muss, um eine 3 nm breite Lipiddoppelschicht durchqueren zu kænnen.

172

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  Glycophorin A, ein integrales Protein mit einer einzelnen Transmembrandomåne. Die einzelne
-Helix, die sich durch die Membran zieht, besteht çberwiegend aus hydrophoben Resten. Die vier positiv geladenen Aminosåurereste der cytoplasmatischen Domåne der Membran bilden Ionenbindungen mit den negativ geladenen Kopfgruppen der Lipide. Auf der extrazellulåren Seite wurden


 
       


    
 
        
 
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Kohlenhydrate an einige Aminosåurereste des Membranproteins angehångt (s. Ausschnitt). Bis auf eines sind alle 16 Oligosaccharide kleine
-gekoppelte Ketten (die Ausnahme ist ein groûes Oligosaccharid, das bei Position 26 an den Asparaginrest gekoppelt ist). Die Funktion des Glycophorins in den Erythrocytenmembranen wird in Kap. 4.6.3 erærtert

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  Hydropathieplot fçr Glycophorin A, ein Protein, das sich einmal durch die Membran erstreckt. Man bestimmt die Hydrophobizitåt, indem man misst, wie viel Freie Enthalpie erforderlich ist, um jedes Segment des Polypeptids aus einem unpolaren Læsungsmittel in ein wåssriges Umfeld zu transferieren. Bei positiven Werten ist Energie erforderlich (+Ds), was dafçr spricht, dass diese Segmente aus Aminosåureabschnitten mit vor allem unpolaren Seitenketten bestehen. Peaks oberhalb der roten Linie sind Anzeichen fçr eine Transmembrandomåne



Struktur und Funktionen von Membranproteinen

5A/

Die Transmembrandomånen haben nicht bei allen integralen Membranproteinen die Form von
-Helices. Eine Reihe von Membranproteinen besitzt einen relativ groûen Kanal, der von kreisfærmig angeordneten -Strången umgeben ist, die sich durch die Membran ziehen und eine Fassstruktur bilden (Abb. 5.4). Bisher wurden wåssrige Kanåle aus -Fåssern nur in den åuûeren Membranen von Bakterien, Mitochondrien und Chloroplasten gefunden. 7    1            

Angenommen, Sie haben ein Gen fçr ein integrales Membranprotein isoliert und aufgrund seiner Nucleotidsequenz herausgefunden, dass es offensichtlich vier
-Helices enthålt, die sich durch die Membran ziehen. Dann wollen Sie mæglicherweise wissen, wie diese Helices zueinander angeordnet sind und welche Aminosåureseitenketten bei jeder Helix nach auûen den Lipiden zugewandt sind. Obwohl man das ohne genaue Strukturmodelle nur schwer herausfinden kann, kann man doch schon eine Menge durch eine Oligonucleotidmutagenese erfahren, bei der man das Gen, welches das Protein codiert, gezielt veråndert (Kap. 18.13). So ist es mit diesem Verfahren beispielsweise mæglich, Aminosåurereste in benachbarten Helices gegen Cysteinreste auszutauschen. Wie in Kap. 2.5.3 erærtert wurde, kænnen zwei Cysteinreste eine kovalente Disulfidbrçcke bilden. Wenn zwei Transmembranhelices eines Polypeptids jeweils einen Cysteinrest besitzen und die beiden Cysteinreste miteinander eine Disulfidbrçcke bilden kænnen, dann dçrfen diese Helices nicht sehr weit voneinander entfernt sein. Die Ergebnisse einer sequenzspezifischen Quervernetzung der Lactose-Permease, einem Zuckertransportprotein aus den Zellmembranen von Bakterien, sind in Abb. 4.19 dargestellt. Es stellte sich heraus, dass sich die Helix VII ganz in der Nåhe der Helices I und II befindet. Wenn ein Wissenschaftler die råumlichen Zusammenhånge zwischen den Aminosåuren in einem Membranprotein untersucht, erhålt er unter Umstånden nicht nur Strukturdaten, sondern auch Informationen darçber, welche dynamischen Prozesse sich ereignen, wenn das Protein aktiv wird. Um etwas çber den Abstand zwischen ausgewåhlten Resten eines Proteins herauszubekommen, kann man beispielsweise chemische Gruppen einfçhren, deren Eigenschaften sich mit dem råumlichen Abstand voneinander veråndern. ) -  sind chemische Gruppen mit einem ungepaarten Elektron, das bei einer #     $3#& 4&   ein cha-

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rakteristisches Spektrum erzeugt. Eine NitroxidGruppe kann an jeder beliebigen Stelle des Proteins eingefçhrt werden; man muss diese Stelle nur zuerst mutieren und dann das Nitroxid an die -SH-Gruppe des Cysteinrests anhången. Abbildung 4.20 zeigt, wie mithilfe dieses Verfahrens Konformationsånderungen in einem Membranprotein nachgewiesen wurden, dessen Kanal sich auf Verånderungen im pH-Wert des Mediums hin æffnet. Das fragliche Protein, ein K+-Kanal eines Bakteriums, ist ein Tetramer aus vier identischen Untereinheiten. Um die cytoplasmatische Úffnung des Kanals herum befinden sich vier Transmembranhelices, je eine von jeder Untereinheit des Proteins. Abbildung 4.20 a zeigt die ESRSpektren, die sich ergeben, wenn in jede Transmembranhelix nahe des cytoplasmatischen Endes ein Nitroxid eingefçhrt wurde. Die rote Linie zeigt, welches Spektrum man bei pH 6,5 erhålt, wenn der Kanal geschlossen ist, wåhrend die blaue Linie das Spektrum bei pH 3,5 zeigt, wenn der Kanal offen ist. Die Form der jeweiligen Linie hångt von der Nåhe der Nitroxide zueinander ab.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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Bei pH 6,5 ist das Spektrum breiter, weil die Nitroxidgruppen in den vier Untereinheiten bei diesem pH-Wert nåher zusammen sind, weshalb ihre ESR-Signale nicht so intensiv sind. Diese Befunde sprechen dafçr, dass die markierten Reste aus den vier Untereinheiten bei der Aktivierung des Kanals weiter auseinander geschoben werden (Abb. 4.20 b). Aufgrund des græûeren Durchmessers der Kanalæffnung kænnen dann Ionen aus dem Cytoplasma den eigentlichen Gang (rot) im Innern des Kanals erreichen, der nur K+-Ionen durchlåsst (Erærterung in Kap. 4.7.2). Wie man in Abb. 18.8 sieht, kann man auch mithilfe einer anderen Technik namens FRET bestimmen, wie sich der Abstand zwischen den markierten Gruppen innerhalb eines Proteins veråndert. ' -eriphere Membranproteine Periphere Membranproteine sind mit der Membran çber schwache elektrostatische Bindungen assoziiert (Abb. 4.12 b). Sie kænnen normalerweise durch Extraktion mit hochkonzentrierten Salzlæsungen in Læsung gebracht werden; damit schwåcht man die elektrostatischen Bindungen, çber welche die peripheren Proteine an der

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Membran gehalten werden. Man kann nicht immer eine klare Trennungslinie zwischen integralen und peripheren Proteinen ziehen, weil viele integrale Membranproteine aus mehreren Polypeptiden bestehen, von denen einige die Lipiddoppelschicht durchdringen, wåhrend andere an der Peripherie bleiben. Die am besten untersuchten peripheren Proteine befinden sich auf der Innenseite (cytosolischen Seite) der Plasmamembran, wo sie ein Netzwerk von Fibrillen bilden, das als eine Art ¹Membranskelettª dient (Abb. 4.31 d). Dadurch fungieren sie als mechanische Stçtze der Membran und als Anker fçr integrale Membranproteine. Andere periphere Proteine auf der Innenseite der Plasmamembran sind Enzyme, spezielle Beschichtungen (Abb. 8.25) oder Faktoren, die Signale çber Membranen çbertragen (Abb. 15.15). Mit der Auûenseite der Plasmamembran assoziierte periphere Proteine gehæren in der Regel zur extrazellulåren Matrix, deren vielfåltige Funktionen in Kapitel 7 erærtert werden (Abb. 7.5). Periphere Proteine stehen normalerweise in einem dynamischen Verhåltnis zur Membran, weil sie je nachdem, welche Bedingungen vorherrschen, entweder fçr die Membran rekrutiert oder von der Membran freigesetzt werden.



Membranlipide und die Fluiditåt der Membran

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4.5 Membranlipide und die Fluiditåt Man unterscheidet mehrere Arten von lipidver- der Membran  % &1 8erankerte Membranproteine

ankerten Membranproteinen. Viele Proteine auf der Auûenseite der Plasmamembran sind mit der Membran çber ein kleines komplexes Oligosaccharid verbunden, das an ein Molekçl Phosphatidylinositol verknçpft ist, welches seinerseits in das åuûere Blatt der Lipiddoppelschicht eingebettet ist (Abb. 4.12 c). Periphere Membranproteine mit dieser Art von Glycosylphosphatidylinositol-Verbindung bezeichnet man als :/6 9  / . Sie wurden entdeckt, als man zeigen konnte, dass bestimmte Membranproteine durch eine Phospholipase freigesetzt werden kænnen, die speziell inositolhaltige Phospholipide erkennt und abspaltet. Neben verschiedenen Rezeptoren, Enzymen und Zelladhåsionsproteinen ist auch das normale zellulåre Scrapie-Protein PrPC (¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.5.3) ein GPI-verankertes Molekçl. Eine seltene Form von Anåmie, die paroxysmale nåchtliche Håmoglobinurie, beruht auf einem Fehler in der GPI-Synthese, durch den die roten Blutkærperchen leicht lysiert werden. Eine andere Proteingruppe auf der %      Seite der Plasmamembran ist mit der Membran çber eine oder mehrere lange Kohlenwasserstoffketten verankert, die in die innere Lage der Lipiddoppelschicht eingebettet sind (Abb. 4.12 c samt Legende). Mindestens zwei Proteine, die mit der Plasmamembran auf diese Weise assoziiert sind (Src und Ras), sind an der Transformation einer normalen Zelle zu einer malignen Zelle beteiligt.

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Der physikalische Zustand des Lipids in einer Membran wird durch seine Fluiditåt (oder Viskositåt) charakterisiert.4 Stellen Sie sich eine einfache kçnstliche Doppelschicht aus Phosphatidylcholin und Phosphatidylethanolamin vor, deren Fettsåuren çberwiegend ungesåttigt sind. Herrscht in der Doppelschicht eine konstante Temperatur von etwa 37 8C, befindet sich das Lipid in einem relativ fluiden Zustand (Abb. 4.21 a). Bei dieser Temperatur kænnte man die Lipiddoppelschicht am besten als ein zweidimensionales Flçssigkristall charakterisieren. Wie in einem Kristall behalten die Molekçle ihre vorgegebene Anordnung bei; in diesem Fall neigen die Långsachsen der Molekçle dazu, sich parallel auszurichten, einzelne Phospholipide kænnen sich aber um ihre Achse drehen oder sich seitwårts in der Doppelschichtebene bewegen. Wenn man die Temperatur langsam senkt, wird ein Punkt erreicht, an dem sich die Doppelschicht merklich veråndert (Abb. 4.12 b). Die Flçssigkristallphase weicht einem Zustand, in dem das Lipid als gefrorenes kristallines Gel vorliegt und die Bewegungen der Phospholipid-Fettsåureketten stark eingeschrånkt sind. Die Temperatur, bei der es zu dieser Verånderung kommt, bezeichnet man als C   0 Welche Ûbergangstemperatur eine bestimmte Doppelschicht besitzt, hångt davon ab, wie dicht die Lipidmolekçle in ihr gestaffelt sind; dabei kommt es wiederum darauf an, aus welchen Lipiden die Doppelschicht besteht. Gesåttigte Fettsåuren åhneln geraden flexiblen Ståben, die Kette der -ungesåttigten Fettsåuren ist dagegen da, wo sich die Doppelbindungen befinden, gekrçmmt (Abb. 2.19 und 4.21). Daher kænnen Phospholipide mit gesåttigten Ketten dichter gestaffelt werden als solche mit ungesåttigten Ketten. Je mehr Doppelbindungen die Fettsåuren der Doppelschicht enthalten, desto    ist die Temperatur, bei der die Doppelschicht den Gelzustand erreicht. Beim Molekçl Stearinsåure senkt beispielsweise eine einzige zusåtzlich eingefçhrte Doppelbindung den Schmelzpunkt auf

4 Die Begriffe Fluiditåt und Viskositåt bezeichnen gegensåtzliche Eigenschaften. Wåhrend Fluiditåt ein Maû dafçr ist, wie leicht etwas flieût, ist Viskositåt ein Maû dafçr, wie schwer etwas flieût.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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nahezu 60 8C (Tabelle 4.2).5 Ein anderer Faktor, der die Fluiditåt der Doppelschicht beeinflusst, ist die Långe der Fettsåureketten. Je kçrzer die Fettsåureketten eines Phospholipids sind, desto niedriger liegt der Schmelzpunkt. Der physikalische Zustand der Membran hångt auch vom Cholesterin ab. Wegen ihrer Ausrichtung in der Doppelschicht (Abb. 4.7) stæren die Cholesterinmolekçle die dicht gestaffelten Fettsåureketten und beeintråchtigen ihre Mobilitåt. Cholesterin verhindert håufig eindeutige Ûbergangstemperaturen und erzeugt einen Zustand mittlerer Fluiditåt. In physiologischer Hinsicht erhæht Cholesterin die Haltbarkeit einer Membran, verringert aber ihre Permeabilitiåt.

5 Wie sich die Schmelztemperatur veråndert, je nachdem wie viele Doppelbindungen eine Fettsåure enthålt, kann man an gångigen Nahrungsmitteln beobachten. Wåhrend Pflanzenæle im Kçhlschrank flçssig bleiben, ist Margarine fest. Pflanzenæle enthalten mehrfach ungesåttigte Fettsåuren, wåhrend die Fettsåuren der Margarine durch einen chemischen Prozess gesåttigt werden, bei dem die Doppelbindungen der als Ausgangsmaterial verwendeten Pflanzenæle hydriert wurden.

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.! Die Bedeutung der Fluiditåt einer Membran Wie wirkt sich der physikalische Zustand der Lipiddoppelschicht auf die biologischen Eigenschaften der Membran aus? Die Fluiditåt der Membran ist der optimale Mittelweg zwischen einer starren, geordneten Struktur ohne jegliche Mobilitåt und einer vollkommen flçssigen, nicht viskæsen Flçssigkeit, in der die Membranbestandteile nicht ausgerichtet werden kænnten und eine strukturelle Gliederung sowie eine mechanische Stçtze fehlen wçrden. Darçber hinaus kænnen dank der Fluiditåt Wechselwirkungen in der Membran stattfinden. So kænnen beispielsweise Cluster von Membranproteinen sich an bestimmten Stellen in der Membran sammeln und spezielle Strukturen wie interzellulåre Verbindungen, lichtabsorbierende photosynthetisch aktive Komplexe und Synapsen bilden. Auûerdem kænnen Molekçle, die miteinander wechselwirken, aufgrund der Membranfluiditåt aufeinandertreffen, die notwendigen Reaktionen ausfçhren und sich dann wieder trennen. Die Fluiditåt spielt auch eine wesentliche Rolle beim Zusammenbau der Membran, ein Thema, das in Kap. 8 behandelt wird. Membranen gehen nur aus bereits vorhandenen Membranen hervor und wachsen dadurch, dass Lipid- und Proteinelemente in die flçssige Matrix der Membranschicht integriert werden. Viele der elementarsten Zellprozesse wie Zellbewegung, Zellwachstum, Zellteilung, Bildung interzellulårer Verbindungen, Sekretion und Endocytose hången davon ab, dass sich die Membranbestandteile bewegen, und wåren wahrscheinlich unmæglich, wenn die Membranen starr und fest wåren.

 .$ Die Aufrechterhaltung der Membranfluiditåt Die Temperatur der meisten Organismen (auûer den Vægeln und Såugern) schwankt mit der Temperatur ihrer Umgebung. Da es fçr viele Aktivitåten essentiell ist, dass die Zellmembranen in einem flçssigen Zustand bleiben, reagieren die Zellen auf sich veråndernde Bedingungen damit, dass die Phospholipide, aus denen die Membranen bestehen, gegen andere Phospholipidtypen ausgetauscht werden. Die Aufrechterhaltung der Membranfluiditåt, fçr die es vielfåltige Belege gibt, ist ein Beispiel fçr eine Homæostase auf Zellebene. Wenn man beispielsweise die Temperatur einer Zellkultur senkt, veråndern die Zellen ihren Stoffwechsel. Als Erstes bauen Enzyme die Membranen um, so dass die Zellen kålteresistenter werden. Beim Umbau werden aus Einfachbindungen in Fettsåureketten Doppelbindungen und die Ketten zwischen den verschiedenen Phospholipidmolekçlen umverteilt, so dass solche mit zwei ungesåttigten Fettsåuren entstehen, was den Schmelzpunkt der Doppelschicht stark herabsetzt. Die Einfçhrung von Doppelbindungen anstelle von Einfachbindungen wird durch 

  katalysiert. Fçr die Umverteilung sorgen /     , welche die Fettsåuren vom Glycerinrçckgrat abspalten, sowie %   , die sie auf ein anderes Phospholipid çbertragen. Darçber hinaus schaltet die Zelle auf die Synthese anderer Arten von Phospholipiden um und produziert bevorzugt solche, die mehr ungesåttigte Fettsåuren enthalten. Durch die Aktivitåten der verschiedenen Enzyme werden die physikalischen Eigenschaften der Zellmembranen den in ihrer Umgebung vorherrschenden Bedingungen angepasst. Dass die Fluiditåt der Membranen durch die Anpassung der Fettsåurezusammensetzung erhalten bleibt, konnte schon an vielen verschiedenen Organismen gezeigt werden; dazu gehæren Winterschlaf haltende Såugertiere, Fische im Teich mit erheblichen Unterschieden in der Kærpertemperatur zwischen Tag und Nacht, kålteresistente Pflanzen sowie Bakterien, die in heiûen Quellen leben. Um zu beweisen, dass die Einfçhrung zusåtzlicher Doppelbindungen in die Fettsåuren die Toleranz gegençber niedrigen Temperaturen erhæht, hat man Experimente mit Ståmmen von Cyanobakterien durchgefçhrt, denen bestimmte Desaturasen fehlen. Wenn man die Wachstumsraten des Wildtyps und der mutierten Ståmme bei einer Inkubationstemperatur von 34 8C miteinander vergleicht, sieht man kaum einen Unterschied. Fållt die Temperatur allerdings auf

Membranlipide und die Fluiditåt der Membran

5AA

22 8C ab, verdoppeln sich die mutierten Zellen alle 59 Stunden, Zellen vom Wildtyp dagegen alle 22 Stunden. Wenn man das Gen fçr dieses Enzym ( !) in die mutierten Zellen einsetzt, beobachtet man eine Zunahme der Doppelbindungen in den Fettsåuren, und die Verdopplungszeit sinkt drastisch. 4.5.3 Die Asymmetrie der Membranlipide Die Lipiddoppelschicht besteht aus zwei unterschiedlichen Lagen mit jeweils deutlich anderer Lipidzusammensetzung. In einer Reihe von Experimenten, die zu diesem Befund gefçhrt haben, hat man sich zunutze gemacht, dass Enzyme, die Lipide abbauen, nicht in die Plasmamembran eindringen kænnen und daher nur Lipide abspalten kænnen, die sich in der åuûeren der beiden Schichten befinden. Wenn man zu einem intakten menschlichen Erythrocyten eine lipidabbauende Phospholipase gibt, werden zwar etwa 80% des Phosphatidylcholins (PC), aber nur 20% des Phosphatidylethanolamins (PE) und weniger als 10% des Phosphatidylserins (PS) der Membran hydrolysiert. Diese Daten sprechen dafçr, dass die åuûere Schicht im Vergleich zur inneren Schicht relativ viel PC (und Sphingomyelin), aber nur wenig PE und PS enthålt (Abb. 4.22). Daraus kann man schlieûen, dass die Lipiddoppelschicht wahrscheinlich aus zwei mehr oder weniger stabilen, unabhångigen Monolayern mit verschiedenen physikalischen und chemischen Eigenschaften besteht.

n Abb. 4.22.   I         #   +  8   1    #         II  +%?< %I 7 #8< #  I  7 #%< # I 7 #< # I   7 #< # I   7 8 < 8  1

5AE

Struktur und Funktion der Plasmamembran

<elche biologische Bedeutung die asymmetrische Lipidverteilung hat, weiû man bisher nur in wenigen Fållen. Alle Glycolipide befinden sich in der åuûeren Schicht, wo sie wahrscheinlich als Rezeptoren fçr extrazellulåre Liganden fungieren. Das in der inneren Schicht konzentrierte Phosphatidylserin ist bei einem physiologischen pH-Wert negativ geladen. Daher ist es ein Kandidat fçr die Bindung an die positiv geladenen Lysin- und Argininreste ± etwa die, die sich beispielsweise neben der die Membran durchziehenden
-Helix des Glycophorins A in Abb. 4.17 befinden. Wenn auf der Auûenseite alternder Lymphocyten PS auftritt, ist das ein Zeichen dafçr, dass die Zellen durch Makrophagen zerstært werden, wåhrend es beim Auftreten von PS auf der Auûenseite von Blutplåttchen zur Blutkoagulation kommt. Das in der Innenschicht konzentrierte Phosphatidylinositol spielt eine Schlçsselrolle bei der Ûbertragung von Reizen von der Plasmamembran ins Cytoplasma (Kap. 15.3). . Lipidflæûe Wir sind bisher davon ausgegangen, dass die Lipidmolekçle in jedem der beiden Monolayer der Lipiddoppelschicht gleichmåûig verteilt sind und dass nur die Proteine in der Membran ein Mosaik bilden. Tatsåchlich sprechen aber zahlreiche Hinweise aus den letzten Jahren dafçr, dass die åuûere Schicht der Plasmamembran bei vielen Zellen spezialisierte Bereiche oder  1  mit einer speziellen Lipidzusammensetzung aufweist. Wie man in den 1980er Jahren entdeckt hat, bleibt eine betråchtliche Fraktion von Membranlipiden zurçck, wenn man Zellkulturen mit kalten, nichtionischen Detergenzien wie Triton-X-100 extrahiert. Weitere Analysen deuten darauf hin, dass die Membranreste, die nach der ersten Extraktion mit Detergenzien çbrig bleiben, vor allem aus Cholesterin und Lipiden mit langen gesåttigten Fettsåureschwånzen, besonders Sphingolipiden, bestehen. Wenn man     Doppelschichten untersucht, so neigen Cholesterin und Sphingolipide dazu, sich eng zu Mikrodomånen zusammenzuschlieûen, die einen stårkeren Gelcharakter haben und besser geordnet sind als die umliegenden Bereiche, die vor allem aus Phosphoglyceriden bestehen. Wegen ihrer speziellen physikalischen Eigenschaften zeigen cholesterinreiche Mikrodomånen die Tendenz, auf der umgebenden kçnstlichen Doppelschicht mit ihrer hæheren Fluiditåt und geringeren Ordnung dahinzutreiben (Abb. 4.23 a). Daher werden diese cho-

lesterin- und sphingolipidhaltigen Stellen als K8  DL bezeichnet. Je nachdem, welche Proteine man den kçnstlichen Doppelschichten hinzufçgt, konzentrieren sich bestimmte Proteine in den Lipidflæûen, wåhrend andere eher auûerhalb bleiben. GPI-verankerte Proteine zeigen eine besondere Vorliebe fçr die geordneten Bereiche der Doppelschicht (Abb. 4.23 a). Ob Plasmamembranen lebender Zellen cholesterinreiche Lipidflæûe enthalten, hat unter Membranbiologen immer wieder zu heftigen Diskussionen gefçhrt. Neuere Studien beståtigen die Existenz dieser Lipidflæûe, lassen aber die Vermutung aufkommen, dass sie klein (10±25 nm Durchmesser) sind und ununterbrochen entstehen und auch wieder aufgelæst werden. Lipidflæûe sind vermutlich mehr als nur strukturelle Kompartimente innerhalb von Plasmamembranen. Es gibt die Hypothese, dass sie als treibende Plattformen bestimmte Proteine konzentrieren und so die Membran in funktionelle Einheiten gliedern (Abb. 4.23 b). So vermutet man beispielsweise, dass Lipidflæûe Rezeptoren auf der Zelloberflåche ein gçnstiges Umfeld bieten, um mit anderen Membranproteinen zu interagieren, die Signale aus dem extrazellulåren Raum in das Zellinnere çbertragen. Es wurde auch darçber spekuliert, ob zwei Proteine, die an der Ausprågung der AlzheimerKrankheit beteiligt sind, das Amyloid-VorlåuferProtein und die -Secretase (Abb. 3, ¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.5.3) vorzugsweise in Lipidflæûen konzentriert sind. Wenn das so wåre, wçrde es erklåren, warum Medikamente, die den Cholesterinwert senken, auch das Risiko verringern, an Alzheimer zu erkranken. Denn wegen der geringeren Cholesterinkonzentration wçrden auch weniger Flæûe entstehen und dadurch wahrscheinlich auch weniger Amyloid-Peptid gebildet, das fçr die Krankheitssymptome verantwortlich ist.

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Dynamische Prozesse in der Plasmamembran

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4.6 Dynamische Prozesse in der Plasmamembran

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Aus der bisherigen Erærterung geht hervor, dass die Lipiddoppelschicht in einem relativ flçssigen Zustand vorliegen kann. Daher kann sich ein Phospholipid in einer Schicht relativ einfach seitwårts bewegen. Man kann die Mobilitåt einzelner Lipidmolekçle in der Doppelschicht der Plasmamembran direkt unter dem Mikroskop beobachten, indem man die polaren Kæpfe der Lipide mit Goldpartikeln oder fluoreszierenden Verbindungen markiert (Abb. 4.28). Man schåtzt, dass ein Phospholipid ein bis zwei Sekunden benætigt, um von einem Ende eines Bakteriums zum anderen zu diffundieren. Dagegen hat ein Phospholipidmolekçl, das sich in Richtung der anderen Schicht bewegt, eine biologische Halbwertszeit von Stunden oder Tagen. Von allen Bewegungen, die einem Phospholipid mæglich sind, wird somit sein Wechsel auf die andere Seite der Membran am meisten behindert (Abb. 4.24). Dieser Befund ist nicht çberraschend. Damit es zu einer solchen Transversalbewegung kommt, muss die hydrophile Kopfgruppe des Lipids die innere hydrophobe Membranschicht passieren, was thermodynamisch ungçnstig ist. Zellen besitzen jedoch
, Enzyme, die bestimmte Phospholipide aktiv von einer

b n Abb. 4.23 a, b. Lipidflæûe. a Oberseite einer Lipiddoppelschicht aus Phosphatidylcholin, das als schwarzer Hintergrund erscheint, und Sphingomyelinmolekçlen, die sich spontan zu den orange gefårbten Flæûen zusammenschlieûen. Die gelben Spitzen geben die Positionen eines GPI-verankerten Proteins an, das fast nur mit Flæûen assoziiert ist. Dieses Bild wurde mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommen, das die Hæhe der verschiedenen Teile der Probe in molekularem Maûstab misst. b Schema eines Lipidfloûes in einer Zelle. Die åuûere Schicht des Floûes besteht vor allem aus Cholesterin und Sphingolipiden (rote Kopfgruppen). Phosphatidylcholinmolekçle (blaue Kopfgruppen) mit langen gesåttigten Fettsåuren konzentrieren sich ebenfalls håufig in diesem Bereich. Das Floû enthålt ein GPI-verankertes Protein. Die Lipide der Auûenschicht des Floûes haben Einfluss darauf, wie sich die Lipide in der Innenschicht organisieren. So findet man in der Innenschicht çberwiegend Cholesterin und Glycerophospholipide mit gesåttigten Fettsåureschwånzen. In der Innenschicht konzentrieren sich håufig lipidverankerte Proteine wie die srcKinase, die an der Signalgebung in der Zelle mitwirkt (a aus: Saslowsky DE et al (2002) J Biol Chem 277, Frontseite von Nr. 30; mit freundlicher Genehmigung von J. Michael Edwardson)

n Abb. 4.24. Bewegungsmæglichkeiten von Phospholipiden in einer Membran. Die Bewegungsarten der Phospholipide in einer Membran sowie der ungefåhre Zeitrahmen fçr diese Bewegungen. Die Phospholipide bewegen sich nur sehr langsam von einer Schicht in die andere, kænnen aber innerhalb einer Schicht schnell seitwårts diffundieren

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

Schicht in die andere schleusen. Diese Enzyme kænnten mit fçr die Ausbildung der Lipidasymmetrie verantwortlich sein und auch die langsame passive Bewegung durch die Membran hindurch aufheben. Weil die Lipide die Matrix stellen, in der die integralen Proteine einer Membran eingebettet sind, ist es fçr die Mobilitåt der integralen Proteine wichtig, in welchem physikalischen Zustand sich die Lipide befinden. Als gezeigt wurde, dass sich integrale Proteine in der Membranebene bewegen kænnen, war dies ein Meilenstein fçr die Konzeption des Flçssigmosaikmodells. Die dynamischen Eigenschaften der Membranproteine konnten mit verschiedenen Verfahren demonstriert werden. /! Die Diffusion der Membranproteine nach der Zellfusion Die   ist ein Verfahren, durch das man zwei verschiedene Zelltypen oder Zellen zweier verschiedener Spezies zu einer Zelle mit einem gemeinsamen Cytoplasma und einer einzigen zusammenhångenden Plasmamembran verschmelzen kann. Zellen werden dazu angeregt, miteinander zu fusionieren, indem man ihre Auûenseite ¹klebrigª macht, so dass ihre Plasmamembranen aneinander hången bleiben. Dass kann auf verschiedene Weise erreichen: indem man n bestimmte inaktivierte Viren zusetzt, die sich an die Membranoberflåche heften, n die Verbindung Polyethylenglycol zusetzt, n ihnen einen schwachen elektrischen Schock versetzt. Die Zellfusion hat in der Zellbiologie eine wichtige Rolle gespielt und wird auch augenblicklich noch bei einer Technik eingesetzt, die von unschåtzbarem Wert fçr die Pråparation spezifischer Antikærper ist (Kap. 18.14). Bei den ersten Experimenten, die zeigten, dass sich die Membranproteine innerhalb der Membranebene bewegen kænnen, machten sich Larry Frye und Michael Edidin von der Johns Hopkins University 1970 die Zellfusion zunutze. Sie fusionierten Maus- und Menschzellen und verfolgten die Bewegungen spezieller Proteine in der Plasmamembran, nachdem beide Membranen vereint waren. Um die Verteilung der Membranproteine der Maus und des Menschen jeweils zu verschiedenen Zeiten nach der Fusion

zu beobachten, pråparierten sie Antikærper gegen den einen oder anderen Proteintyp und verknçpften sie kovalent mit fluoreszierenden Farbstoffen. Die Antikærper gegen die Mausproteine wurden mit einem Farbstoff verbunden, der grçn fluoresziert, und die Antikærper gegen menschliche Proteine mit einem rot fluoreszierenden Farbstoff. Nachdem die Antikærper den fusionierten Zellen zugesetzt worden waren, hefteten sie sich an die Mensch- beziehungsweise Mausproteine, weshalb man deren Lage mit einem Fluoreszenzmikroskop ermitteln konnte (Abb. 4.25 a). Zum Zeitpunkt der Fusion schien die Plasmamembran halb vom Mensch und halb von der Maus abzustammen; das heiût, die beiden Proteintypen befanden sich noch in ihrer jeweiligen Hålfte (Schritt 3, Abb. 4.25 a, b). Mit zunehmender Zeit nach der Fusion wanderten die Membranproteine durch Seitwårtsbewegungen in der Membran in die andere Hålfte. Nach etwa 40 Minuten waren die Proteine beider Spezies gleichmåûig çber die gesamte Membran der Hybridzelle verteilt (Schritt 4, Abb. 4.25 a). Als man das Experiment bei niedrigerer Temperatur wiederholte, nahm die Viskositåt der Lipiddoppelschicht zu und die Mobilitåt der Membranproteine sank (Abb. 4.25 c). Diese ersten Zellfusionsexperimente hinterlieûen den Eindruck, dass sich die integralen Membranproteine praktisch unbeschrånkt bewegen konnten. Wie wir bald sehen werden, haben weitere Untersuchungen gezeigt, dass die dynamischen Prozesse in der Plasmamembran viel komplexer sind, als man das zuerst gedacht hatte. 4.6.2 Einschrånkungen der Proteinund Lipidmobilitåt Es gibt verschiedene Techniken, mit denen Wissenschaftler die Bewegung von Molekçlen in Membranen lebender Zellen unter einem Lichtmikroskop verfolgen kænnen. Bei der
  $$     8     3
/4 (Abb. 4.26 a) werden integrale Membranbestandteile in Zellkulturen zunåchst durch Kopplung mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert. Man kann ein bestimmtes Membranprotein mit einer spezifischen Sonde wie etwa einem fluoreszierenden Antikærper markieren. Anschlieûend legt man die Zellen unter das Mikroskop und bestrahlt sie mit einem stark gebçndelten Laserstrahl, der die fluoreszierenden Molekçle, auf die er trifft, bleicht und auf der Zelloberflåche einen runden Fleck (meist mit einem Durchmesser von 1 lm) hinterlåsst, der fast nicht mehr fluoresziert. Wenn die markierten Proteine in



Dynamische Prozesse in der Plasmamembran

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der Membran mobil sind, sollte der bestrahlte Kreis aufgrund der ungerichteten Bewegung dieser Molekçle allmåhlich wieder fluoreszieren. Wie schnell es dazu kommt (Abb. 4.26 b), ist ein direktes Maû fçr die Diffusionsgeschwindigkeit (die mit dem Diffusionskoeffizienten  ausgedrçckt wird) der beweglichen Molekçle. Wie weit die ursprçngliche Fluoreszenz wiederhergestellt wird (ausgedrçckt als Prozentsatz der ursprçnglichen Intensitåt), liefert ein Maû dafçr, wie viel Prozent der markierten Molekçle frei diffundieren kænnen. Frçhe Untersuchungen mit der FRAP deuteten darauf hin, dass

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n Membranproteine in der Plasmamembran sehr viel langsamer wandern als in einer reinen Lipiddoppelschicht n ein erheblicher Anteil der Membranproteine (30±70%) nicht wieder in den bestrahlten Kreis zurçckkehren kann. Die FRAP-Technik hat aber auch ihre Nachteile. Man kann mit ihr nur verfolgen, wie schnell sich eine relativ groûe Anzahl markierter Molekçle (Hunderte bis Tausende) im Durchschnitt bewegt, wenn sie çber eine relativ groûe Entfernung (etwa 1 lm Durchmesser des bestrahlten Kreises) diffundiert. Daher kænnen Wissenschaftler mit FRAP nicht unterscheiden, ob Proteine wirklich unbeweglich sind oder in der vorgegebenen Zeit nur eine begrenzte Entfernung

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

zurçcklegen kænnen. Um dieses Problem zu læsen, wurden andere Verfahren entwickelt, mit denen Wissenschaftler die Bewegungen einzelner Proteinmolekçle çber sehr kurze Entfernungen beobachten und herausfinden kænnen, was sie eventuell behindert. Bei der 7'

 %   $ /   3    , SPT) markiert man einzelne Membranproteinmolekçle ± normalerweise mit Goldpartikeln (mit einem Durchmesser von etwa 40 nm), die mit Antikærpern beschichtet sind ±, und verfolgt die Bewegungen der markierten Molekçle mit einem vom Computer unterstçtzten Videomikroskop (Kap. 18.1). Die Ergebnisse dieser Untersuchung hången oft davon ab, welches Protein gerade beobachtet wird:



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n Einige Membranproteine bewegen sich ungerichtet durch die Membran (Abb. 4.27, Protein A), allerdings generell sehr viel langsamer als in einer kçnstlichen Lipiddoppelschicht. (Wçrde die Beweglichkeit der Proteine nur auf physikalischen Parametern wie der Viskositåt der Lipide und der Proteingræûe beruhen, so wçrde man erwarten, dass Proteine mit einem Diffusionskoeffizienten von etwa 10±8 bis 10±9 cm2 s±1 und nicht mit 10±10 bis 10±12 cm2 s±1 wandern wçrden, wie man das bei Molekçlen dieser Gruppe beobachtet.) Ûber die Frage, warum der Diffusionskoeffizient geringer ist, wurde diskutiert. n Einige Membranproteine kænnen sich nicht bewegen und gelten als unbeweglich (Abb. 4.27; Protein B). n In einigen Fållen steuert ein bestimmtes Protein sehr gezielt irgendeinen Teil der Zelle an (Abb. 4.27; Protein C). So kænnte etwa ein bestimmtes Membranprotein dazu neigen, sich zum vorderen oder hinteren Ende einer wandernden Zelle zu begeben. n Bei den meisten Untersuchungen zeigt die græûte Proteinfraktion zwar eine Molekularbewegung innerhalb der Membran, deren Geschwindigkeit mit der freien Diffusion (Diffusionskoeffizient von 5´10±9 cm2 s±1) zu vereinbaren ist, aber die Molekçle kænnen sich nicht mehr als wenige Zehntel Mikrometer frei bewegen. Ûber långere Strecken diffundieren die Molekçle zwar, aber offenbar aufgrund eines Systems von Hindernissen langsamer. Um welche Hindernisse es sich dabei handelt, wird in den folgenden Abschnitten erærtert.

 &  7'    9    Offenbar kænnen sich Proteine aus der Plasmamembran nicht vollkommen frei auf dem ¹Lipidmeerª bewegen, sondern unterliegen den verschiedensten Einflçssen, die ihre Mobilitåt begrenzen. Einige Membranen sind voller Proteine, so dass die Molekularbewegung des einen Molekçls durch die des nåchsten behindert wird (Abb. 4.27, Protein D). Man geht davon aus, dass Faktoren direkt unterhalb der cytoplasmatischen Seite der Membran am stårksten auf integrale Membranproteine einwirken. Bei vielen Zellen besitzt die Plasmamembran ein Netzwerk aus Fibrillen oder ein ¹Membranskelettª aus peripheren Proteinen, die sich auf der cytoplasmatischen Membranseite befinden. Ein bestimmter Anteil der integralen Membranproteine ist entweder an das Membranskelett angeheftet (Abb. 4.27, Protein B) oder wird auf andere Weise durch dieses behindert. Inzwischen weiû man mehr çber Membranhindernisse, weil eine neue Technik entwickelt wurde, mit der die Wissenschaftler integrale Proteine einfangen und mithilfe einer Kraft, deren Græûe bekannt ist, durch die Plasmamembran ziehen kænnen. Diese Technik, bei der eine    / $ eingesetzt wird, nutzt die winzigen optischen Kråfte eines gebçndelten Laserstrahls aus. Die integralen Proteine, die untersucht werden sollen, werden mit Kçgelchen versehen, die mit Antikærpern beschichtet sind und als Griffe dienen, die der Laserstrahl fassen kann. Man hat allgemein die Erfahrung gemacht, dass man ein integrales Protein mit optischen Pinzetten eine begrenzte Strecke lang ziehen kann, bis das Protein auf ein Hindernis trifft, wodurch es dem Laser entgleitet. Wenn das Protein frei ist, springt es in der Regel zurçck, was darauf schlieûen låsst, dass die Hindernisse elastisch sind. Um die Faktoren zu untersuchen, welche die Mobilitåt von Membranproteinen behindern, hat man unter anderem Zellen genetisch so veråndert, dass sie andere Membranproteine synthetisieren. Integrale Proteine, deren cytoplasmatische Anteile genetisch entfernt wurden, legen oft græûere Entfernungen zurçck als die unmodifizierten Pendants, was zeigt, dass sich die Hindernisse auf der cytoplasmatischen Seite der Membran befinden. Diese Befunde sprechen dafçr, dass das unter der Membran liegende Skelett um Teile der Membran ein Netzwerk von Zåunen errichtet; dadurch entstehen Kompartimente, welche die Strecke, die ein integrales Protein zurçcklegen kann, begrenzen (Abb. 4.27, Protein E). Durch Lçcken in den Zåunen gelan-

Dynamische Prozesse in der Plasmamembran

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gen Proteine allerdings von einem Kompartiment zum anderen. Man nimmt an, dass sich solche Úffnungen auftun und wieder verschwinden ± je nach den dynamischen Verånderungen innerhalb des Netzwerkes, dessen Teile sich voneinander læsen und erneut miteinander verflechten. Aufgrund solcher Membrankompartimente bleiben bestimmte Proteinkombinationen mæglicherweise nahe genug zusammen, um leichter miteinander interagieren zu kænnen. Integrale Proteine, denen der Teil, der normalerweise in den Extrazellularraum ragt, fehlt, wandern in der Regel sehr viel schneller als das entsprechende Wildtyp-Protein. Das spricht dafçr, dass Materialien auûerhalb der Zelle, in denen sich der externe Anteil des Proteinmolekçls verheddern kann, die Wanderung eines Transmembranproteins durch die Doppelschicht verlangsamen (Abb. 4.27, Protein F).     1      Weil Proteine riesig sind, ist es nicht verwunderlich, dass ihre Beweglichkeit innerhalb der Lipiddoppelschicht eingeschrånkt sein kann. Phospholipide sind dagegen klein und bilden das eigentliche Gefçge der Lipiddoppelschicht. Man kænnte annehmen, dass sie sich vollkommen un-

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

fusion des Phospholipids behindern. Wenn sich aber das Membranskelett unterhalb der Lipiddoppelschicht befindet, wie kann es dann die Bewegungen des Phospholipids stæren? Die Autoren dieser Untersuchung vermuten, dass die Zåune aus Reihen von integralen Membranproteinen bestehen, deren cytoplasmatische Domånen mit dem Membranskelett verbunden sind. Das entspråche in etwa der Einpferchung von Pferden und Rindern durch einen Lattenzaun, dessen Pfosten in den Boden gerammt sind.

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gehindert bewegen kænnen, mehrere Untersuchungen sprechen aber dafçr, dass auch die Diffusion der Phospholipide begrenzt ist. Wenn man einzelne Phospholipidmolekçle einer Plasmamembran markiert und ihre Bewegung mit einem lichtstarken Videomikroskop verfolgt, erkennt man, dass die Molekçle kurzzeitig eingeschrånkt sind und dann von einem umgrenzten Bereich in einen anderen springen. Abbildung 4.28 a zeigt, welchen Weg ein einzelnes Phospholipid in der Plasmamembran in 56 ms zurçcklegt. Computeranalysen sprechen dafçr, dass das Phospholipid in einem Kompartiment frei diffundiert (violett), dann çber den ¹Zaunª in ein benachbartes Kompartiment springt (blau) und çber einen weiteren Zaun in ein angrenzendes Kompartiment (grçn) und so weiter. Behandelt man die Membran mit Substanzen, die das darunter liegende Membranskelett zerstæren, so verschwinden auch einige Zåune, welche die Dif-

 1    1 Untersuchungen der dynamischen Vorgånge in der Membran wie die oben geschilderten werden meist an der relativ homogenen Plasmamembran auf der Ober- oder Unterseite einer Zelle durchgefçhrt, die sich in einer Kulturschale befindet. Die meisten Membranen haben jedoch eine ganz charakteristische Proteinzusammensetzung und -mobilitåt, besonders in Zellen, deren verschiedene Oberflåchen spezielle Aufgaben haben. So sind beispielsweise die Epithelzellen der Darmwand oder der mikroskopisch kleinen Nierentubuli stark polarisierte Zellen, deren verschiedenen Oberflåchen unterschiedliche Funktionen erfçllen (Abb. 4.29). Untersuchungen zeigen, das die apikale Plasmamembran, die selektiv Substanzen aus dem Lumen aufnimmt, andere Enzyme besitzt als die seitliche Plasmamembran, die mit benachbarten Epithelzellen wechselwirkt, oder die basale Plasmamembran, die am darunter liegenden extrazellulåren Substrat (einer Basalmembran) haftet. In anderen Fållen finden sich die Rezeptoren fçr Neurotransmitter gehåuft in den Plasmamembranbereichen von Synapsen (Abb. 4.55), wåhrend die Rezeptoren fçr die Lipoproteine niedriger Dichte in solchen Anteilen der Plasmamembran konzentriert sind, die darauf spezialisiert sind, die Internalisierung zu erleichtern (Abb. 8.38). Von all den verschiedenen Zelltypen, die man in Såugern findet, sind vielleicht die Spermien am stårksten differenziert. Ein reifes Spermium besteht aus Kopf, Mittelteil und Schwanz, die alle jeweils eigene spezielle Funktionen haben. Ein Spermium ist, obwohl es in eine Reihe unterschiedlicher Bereiche gegliedert ist, mit einer kontinuierlichen Plasmamembran çberzogen, die, wie man mit einer Vielzahl von Verfahren herausgefunden hat, ein Mosaik verschiedener Typen lokalisierter Domånen bildet. Wenn man beispielsweise zum Spermium eine Reihe spezifischer Antikærper gibt, so lagert sich jeder Antikærper in einem charakteristischen Muster an die Zelloberflåche, worin sich die einzigartige Verteilung der speziellen Proteinantigene in der Plasmamembran widerspiegelt (Abb. 4.30).

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Dynamische Prozesse in der Plasmamembran

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  Unterschiedliche Funktionen der Plasmamembran einer Epithelzelle. Die apikale Oberflåche dieser Darmepithelzelle enthålt integrale Proteine, die am Ionentransport sowie der Hydrolyse von Disacchariden wie Saccharose und Lactose beteiligt sind; in der seitlichen

Oberflåche befinden sich integrale Proteine, die an interzellulåren Wechselwirkungen mitwirken; die basale Oberflåche besitzt integrale Proteine, die bei der Assoziation der Zelle mit der darunter liegenden Basalmembran eine Rolle spielen





 n
   Differenzierung der Plasmamembran eines Såugerspermiums, dargestellt mithilfe fluoreszierender Antikærper. Drei Paare mikroskopischer Aufnahmen, von denen jedes mithilfe fluoreszierender Antikærper zeigt, wie ein bestimmtes Protein auf der Zelloberflåche verteilt ist. Die drei Proteine befinden sich in unterschiedlichen Tei-

len der kontinuierlichen Spermienmembran. Jedes Aufnahmenpaar zeigt das Fluoreszenzmuster des gebundenen Antikærpers sowie eine Phasenkontrastaufnahme derselben Zelle.  Schema, das die Proteinverteilung zusammenfasst. ( aus: Myles DG, Primakoff P, Bellv AR (1981) Cell 23:434, mit Genehmigung der Cell Press)

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

/' Die Struktur der Plasmamembran am Beispiel des roten Blutkærperchens Von allen verschiedenen Membrantypen ist die Plasmamembran des menschlichen Erythrocyten (des roten Blutkærperchens) bisher am grçndlichsten untersucht worden, so dass man sie am besten kennt (Abb. 4.31). Es gibt mehrere Grçnde, weshalb man gerade diese Membran so gern fçr Untersuchungen nimmt. Es ist nicht teuer, an die Zellen heranzukommen, und man kann sie leicht in groûen Mengen aus dem Blut isolieren. Sie liegen bereits als einzelne Zellen vor und mçssen nicht aus einem komplexen Gewebe herausgelæst werden. Im Vergleich mit anderen Zelltypen sind Erythrocyten einfach gebaut und haben weder eine Kernmembran noch cytoplasmatische Membranen, die bei anderen Zellen zwangslåufig die Pråparationen der Plasmamembran kontaminieren. Darçber hinaus lassen sich intakte gereinigte Plasmamembranen von Erythrocyten einfach dadurch gewinnen, dass man die Zellen in eine verdçnnte (hypotonische) Salzlæsung gibt. Auf diesen osmotischen Schock hin nehmen die Zellen Wasser auf und schwellen an, ein Phånomen, das als 21%  bezeichnet wird. Da die Oberflåche jeder Zelle zunimmt, wird die Zelle durchlåssig und der Inhalt ± fast ausschlieûlich gelæstes Håmoglobin ± stræmt aus der Zelle heraus; zurçck bleibt die Plasmamembran in Form eines so genannten ¹ª (Abb. 4.31 b). Wenn die Plasmamembranen der Erythrocyten isoliert wurden, kænnen die Proteine in Læsung gebracht und aufgetrennt (fraktioniert) werden, wodurch man eine bessere Vorstellung von der Vielfalt der Proteine in der Membran gewinnt. Die Fraktionierung der Membranproteine kann mithilfe einer Polyacrylamidgel-Elektrophorese (PAGE) in Gegenwart des ionischen Detergens Natriumdodecylsulfat (SDS) erfolgen. (Das Verfahren der SDS-PAGE wird in Kap. 18.7 beschrieben.) Aufgrund des SDS bleiben die integralen Proteine in Læsung, und die Proteine, mit denen es assoziiert ist, erhalten darçber hinaus noch zahlreiche negative Ladungen. Weil die Anzahl der geladenen SDS-Molekçle pro Gewichtseinheit des Proteins relativ konstant ist, werden die Molekçle nach ihrem Molekulargewicht aufgetrennt. Die græûten Proteine wandern am langsamsten durch das Molekularsieb des Gels. Die wichtigeren Proteine der Erythrocytenmembran werden in der SDS-PAGE in etwa ein Dutzend deutlich sichtbarer Banden aufgetrennt (Abb. 4.31 c). Unter den Proteinen befindet sich eine Vielzahl von Enzymen (wie Glyceraldhyd-

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Dynamische Prozesse in der Plasmamembran

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

3-Phosphat-Dehydrogenase, ein Enzym der Glycolyse), Transportproteinen (fçr Ionen und Zucker) sowie Gerçstproteinen (wie Spectrin). 6  /   #% %  Im Modell der Plasmamembran des Erythrocyten (Abb. 4.31 d) sind die wesentlichen Proteine zu sehen. Die håufigsten integralen Proteine dieser Membran sind ein Paar kohlenhydrathaltiger, die Membran durchziehender Proteine, die unter Bande 3 und Glycophorin A firmieren. Wie hochkonzentriert diese Proteine in der Membran vorliegen, kann man auf der Gefrierbruch-Aufnahme in Abb. 4.13 erkennen. Das Bande-3-Protein, das nach seiner Position in der Gelelektrophorese benannt wurde (Abb. 4.31 c), liegt als Dimer aus zwei identischen Untereinheiten vor. Jede Untereinheit zieht sich mindestens ein Dutzend Mal durch die Membran und enthålt eine relativ geringe Menge an Kohlenhydraten (6±8% des Molekulargewichts). Bande-3-Protein dient als Kanal, çber den durch die Membran hindurch passiv Anionen ausgetauscht werden. Wenn Blut durch die Gewebe flieût, wird Kohlendioxid im Blutplasma gelæst; dabei kommt es zur folgenden Reaktion: H2O + CO2 ? H2CO3 ? HCO±3 + H+ Die Bicarbonat-Ionen (HCO±3) gelangen im Austausch gegen Chlorid-Ionen, die die Zelle verlassen, in den Erythrocyten. In der Lunge, wo Kohlendioxid freigesetzt wird, verlåuft die Reaktion in entgegengesetzter Richtung: Bicarbonat-Ionen verlassen den Erythrocyten im Austausch gegen Chlorid-Ionen. HCO±3 und Cl± wandern offenbar in entgegengesetzter Richtung durch einen Kanal im Zentrum eines jeden Bande-3-Dimers. Glycophorin A war das erste Membranprotein, dessen Aminosåuresequenz ermittelt wurde. Wie die Polypeptidkette des Glycophorin A in der Plasmamembran angeordnet ist, zeigt Abb. 4.17. (Andere verwandte Glycophorine wie B, C, D oder E liegen ebenfalls in der Membran vor, allerdings in sehr viel geringeren Konzentrationen.) Im Gegensatz zu Bande 3 zieht sich Glycophorin A nur einmal durch die Membran und weist einen Kohlenhydratçberzug auf, der an die Zweige eines Buschs erinnert und aus 16 Oligosaccharidketten besteht, die zusammen etwa 60% des Molekulargewichts ausmachen. Man nimmt an, dass die Hauptfunktion der Glycophorine auf die groûe Anzahl an negativen Ladungen an der Sialinsåure zurçckzufçhren ist, dem Zuckerrest am Ende jeder Kohlenhydratkette. Wegen dieser Ladungen stoûen sich die roten Blutkærperchen gegenseitig ab, was die Zellen

daran hindert, miteinander zu verklumpen, wenn sie durch die winzigen Gefåûe im Kærper zirkulieren. Erstaunlicherweise zeigen Menschen, die weder Glycophorin A noch B in ihren roten Blutkærperchen haben, keinerlei Krankheitssymptome. Gleichzeitig sind bei diesen Personen jedoch die Bande-3-Proteine stårker glycosyliert, was offenbar die ansonsten fehlenden negativen Ladungen ausgleicht, mit denen die Wechselwirkungen zwischen den Zellen verhindert werden. Glycophorin ist zufållig auch der Rezeptor, çber den Protozoen, welche Malaria auslæsen, in Erythrocyten eindringen. Daher nimmt man an, dass Personen, deren Erythrocyten kein Glycophorin A und B aufweisen, vor Malaria geschçtzt sind. Anhand der Unterschiede in der Aminosåuresequenz des Glycophorins ergibt sich, ob jemand die Blutgruppe A, B oder 0 hat.      #% % Die peripheren Proteine der Plasmamembran des Erythrocyten befinden sich auf der Innenseite, wo sie ein fibrillåres Membrangerçst bilden (Abb. 4.31 d, e). Dieses Gerçst ist maûgeblich daran beteiligt, dass der Erythrocyt eine bikonkave Form erhålt und dass die Bewegung der integralen Membranproteine eingeschrånkt wird. Der wichtigste Bestandteil des Gerçsts ist ein langgezogenes, fibræses Protein namens &  ± ein etwa 100 nm langes Heterodimer, das aus einer
- und einer -Untereinheit besteht, die umeinander gewickelt sind. Zwei solcher Dimere sind an ihren Kopfenden zu einem 200 nm langen tetrameren Filament verbunden, das sowohl flexibel als auch elastisch ist. Spectrin ist çber nichtkovalente Bindungen an %  (die grçnen Kugeln in Abb. 4.31 d), ein anderes peripheres Protein, auf der Innenseite der Membran geheftet; Ankyrin wiederum ist nichtkovalent an die cytoplasmatische Domåne eines Bande3-Molekçls gebunden. Wie man auf Abb. 4.31 d und e erkennt, bilden die Spectrinfilamente ein hexagonales oder pentagonales Muster. Ein solches Netzwerk entsteht, weil die beiden Enden jedes Spectrinfilaments mit einem Bçndel von Proteinen verknçpft sind, zu dem auch ein kurzes  - und !% -Filament gehæren ± Proteine, die charakteristischerweise an der Kontraktion beteiligt sind. Man hat nachweisen kænnen, dass 1%   1 " eine Reihe von Erbkrankheiten, bei denen die Erythrocyten eine verkçrzte Lebensdauer und anomale Formen haben, auf Mutationen im Ankyrin oder Spectrin zurçckzufçhren sind. Wenn die peripheren Proteine aus den Erythrocyten-Ghosts extrahiert werden, zerfållt die Membran in kleine Vesikel, was dafçr spricht,



Wie Substanzen Zellmembranen passieren

dass das innere Proteinnetzwerk erforderlich ist, um die Integritåt der Membran zu bewahren. Erythrocyten sind Zellen, die mit dem Blut durch den Kærper zirkulieren und dabei unter Druck durch mikroskopisch kleine Kapillaren gepresst werden, deren Durchmesser sehr viel kleiner ist als derjenige der Erythrocyten selbst. Um diese Engstellen Tag fçr Tag passieren zu kænnen, mçssen die roten Blutkærperchen stark verformbar und stabil sein sowie Scherkråfte aushalten kænnen, die sie zu zerreiûen drohen. Das Netzwerk aus Spectrin und Actin verleiht der Zelle die nætige Stårke, Elastizitåt und Geschmeidigkeit, um diese anspruchsvolle Aufgabe zu erfçllen. Als man das Membrangerçst des Erythrocyten entdeckte, hielt man es fçr eine einzigartige Struktur, die zu der besonderen Form und mechanischen Beanspruchung dieses Zelltyps passte. Bei der Untersuchung anderer Zellen stieû man jedoch auf vergleichbare Membrangerçste, die ebenfalls Mitglieder der Spectrin- und Ankyrin-Familien enthielten, was dafçr spricht, dass innere Membrangerçste weit verbreitet sind. Dystrophin beispielsweise ist ein Mitglied der Spectrinfamilie, das man im Membrangerçst von Muskelzellen findet. Mutationen im Dystrophin fçhren zu einer Muskeldystrophie, einer verheerenden Krankheit, durch die Kinder in ihrer Beweglichkeit eingeschrånkt, schlieûlich bewegungsunfåhig werden und sterben. Wie bei der cystischen Fibrose (¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 4.7.4) ist der Krankheitsverlauf am schlimmsten, wenn Mutationen zum vælligen Ausfall des Proteins in der Zelle fçhren. Die Plasmamembranen von Muskelzellen, die kein Dystrophin besitzen, werden offenbar durch den mechanischen Stress zerstært, der bei der Muskelkontraktion auf sie ausgeçbt wird. Deswegen sterben die Muskelzellen ab und werden letztlich nicht mehr ersetzt.

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4.7 Wie Substanzen Zellmembranen passieren Weil die Inhaltsstoffe einer Zelle vollkommen von einer Plasmamembran umgeben sind, muss jegliche Kommunikation zwischen Zelle und Extrazellularraum çber diese Struktur laufen. Dabei hat die Plasmamembran gewissermaûen eine Doppelfunktion. Einerseits muss sie die gelæsten Stoffe in der Zelle halten, damit sie nicht einfach in den Extrazellulårraum auslaufen, andererseits muss sie einen gewissen notwendigen Stoffaustausch zwischen der Zelle und ihrer Umgebung ermæglichen. Dass die Zelle geladene und polare gelæste Stoffe verliert, verhindert die Lipiddoppelschicht der Membran, die fçr diese Aufgabe wie geschaffen ist. Daher mçssen einige spezielle Maûnahmen getroffen werden, um die Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Nåhrstoffen, Ionen, Abfallprodukten und anderen Verbindungen zu ermæglichen. Es gibt im Grunde zwei Mæglichkeiten, wie Substanzen eine Membran passieren kænnen: passiv per Diffusion oder aktiv durch einen Transportprozess, bei dem Energie verbraucht wird. Beide Bewegungsarten fçhren zu einem Nettostrom eines bestimmten Ions oder einer bestimmten Verbindung. Der Begriff )  deutet an, dass die Bewegungen der Substanz in die Zelle hinein (#  ) und aus der Zelle heraus (

) nicht gleich groû sind, sondern dass die eine gegençber der anderen çberwiegt. Man kennt mehrere Prozesse, mit deren Hilfe Substanzen Membranen durchqueren kænnen: n Die einfache Diffusion durch die Lipiddoppelschicht, n die einfache Diffusion durch einen wåssrigen von Proteinen ausgekleideten Kanal, n die durch einen Proteintransporter erleichterte Diffusion, n den aktiven Transport, fçr den eine energieabhångige ¹Proteinpumpeª benætigt wird, die Substanzen gegen einen Konzentrationsgradienten anreichern kann (Abb. 4.32). Wir werden uns ihnen der Reihe nach zuwenden, wollen aber erst einmal die Energetik der Bewegungen gelæster Stoffe untersuchen.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

Wie stark sich die Freie Enthalpie åndert, wenn ein ungeladener gelæster Stoff (ein Nichtelektrolyt) eine Membran passiert, hångt davon ab, wie steil der Konzentrationsgradient ist, das heiût, wie groû der Konzentrationsunterschied zwischen beiden Seiten der Membran ist. Folgende Gleichung beschreibt die Bewegung eines Nichtelektrolyten in die Zelle: D% = -2 ln [Ci]/[Co] a

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c

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D% = 2,303 -2 log10 [Ci]/[Co], wobei D% die Ønderung der Freien Enthalpie (Kap. 3.1), - die Gaskonstante und 2 die absolute Temperatur ist, und [Ci]/[Co] das Verhåltnis der Konzentration an gelæsten Stoffen auf der Innen- (i) und der Auûenseite (o) der Membran angibt. Bei 25 8C gilt:

e n Abb. 4.32 a±e.     ?   "      B  % !  ?   M   B   BC      !   ;   )!       a    

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2! Die Energetik der Bewegung gelæster Stoffe Die    ist ein spontaner Vorgang, bei dem eine Substanz aus einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich mit niedriger Konzentration gelangt, wodurch letztlich der Konzentrationsunterschied zwischen beiden Regionen aufgehoben wird. Wie wir in Kap. 3.1.1 erærtert haben, hångt die Diffusion von der ungerichteten thermischen Bewegung gelæster Stoffe ab und ist ein exergoner Prozess, der durch eine Zunahme der Entropie begçnstig wird. Wir wollen uns bei der folgenden Erærterung auf die Diffusion von Substanzen durch Membranen beschrånken.

D% = 1,4 kcal/mol´log10 [Ci]/[Co] Wenn das Verhåltnis von [Ci]/[Co] unter 1 liegt, sind sowohl der entsprechende Logarithmus als auch D% negativ, und der Nettoeinstrom gelæster Stoffe ist thermodynamisch begçnstigt (exergon). Wenn etwa die externe Konzentration eines gelæsten Stoffes zehnmal græûer ist als die interne Konzentration, gilt: D% = ±1,4 kcal/mol. Daher entspricht die Erhaltung eines zehnfachen Konzentrationsgradienten einer Energiespeicherung von 1,4 kcal/mol. Wenn ein gelæster Stoff in die Zelle gelangt, sinkt der Konzentrationsgradient, die gespeicherte Energie verringert sich, und D% wird niedriger, bis es im Gleichgewicht Null erreicht. (Um D% fçr den Ausstrom eines gelæsten Stoffes aus der Zelle zu berechnen, åndert man den Term fçr das Konzentrationsverhåltnis in [Co]/[Ci]. Wenn der gelæste Stoff ein Elektrolyt ± und damit geladen ± ist, muss der Ladungsunterschied zwischen den beiden Kompartimenten berçcksichtigt werden. Aufgrund der gegenseitigen Abstoûung gleich geladener Ionen, ist es fçr ein Elektrolyt thermodynamisch ungçnstig, von einem Kompartiment in ein anderes zu wechseln, dessen Gesamtladung das gleiche Vorzeichen hat. Trågt die Ladung des Elektrolyts dagegen ein Vorzeichen, das dem des Kompartiments, in das es wandert, entgegengesetzt ist, ist der Prozess thermodynamisch begçnstigt. Je græûer der Ladungsunterschied (der Potenzialunterschied oder die Spannung) zwischen zwei Kompartimenten ist, desto græûer ist auch der Unterschied an Freier Enthalpie. Somit hångt die Tendenz eines Elektrolyts, von einem Kompartiment ins andere zu wechseln, von zwei Gra-

 dienten ab: einem chemischen Gradienten, der durch den Konzentrationsunterschied der Substanz zwischen den beiden Kompartimenten bestimmt wird, und dem elektrischen Gradienten, der vom Ladungsunterschied abhångt. Zusammen bilden diese Unterschiede den      :  . Wie stark sich die Freie Enthalpie bei der Diffusion eines Elektrolyts in die Zelle åndert, kann man nach folgender Gleichung berechnen: D% = -2 ln [Ci]/[Co] + 7
Dm Dabei ist 7 die Ladung des gelæsten Stoffes,
die Faraday-Konstante (23,06 kcal/V´Øquivalent, wobei ein Øquivalent der Menge an Elektrolyten entspricht, die ein Mol eines einwertigen Stoffes aufweist) und Dm der Potenzialunterschied (in Volt) zwischen den beiden Kompartimenten. Wir haben im vorigen Beispiel gesehen, dass D% bei 25 8C und einem zehnfachen Konzentrationsunterschied eines Nichtelektrolyten an einer Membran ±1,4 kcal/mol betrågt. Angenommen, der Konzentrationsgradient bestçnde aus Na+-Ionen, deren Konzentration auûerhalb der Zelle zehnmal so hoch wåre wie im Cytoplasma. Weil an einer Zellmembran normalerweise eine Spannung von etwa ±70 mV (Kap. 4.8.1) besteht, betrçge die Ønderung der Freien Enthalpie fçr den Einstrom eines Mols Na+-Ionen in die Zelle unter diesen Bedingungen D% = ±1,4 kcal/mol + 7
Dm D% = ±1,4 kcal/mol + (1)(23,06 kcal/V´mol) (±0,07 V) D% = ±3,1 kcal/mol Somit leisten der Konzentrationsunterschied und das elektrische Potenzial unter den gerade beschriebenen Bedingungen fast den gleichen Beitrag zur Speicherung der Freien Enthalpie an der Membran. Das Wechselspiel zwischen Konzentrationsund Potenzialunterschied kann man an der Diffusion der Kalium-Ionen (K+) aus der Zelle erkennen. Der Ausstrom des Ions wird durch einen K+-Konzentrationsgradienten begçnstigt, bei dem die K+-Konzentration in der Zelle hæher ist, aber durch den elektrischen Gradienten erschwert, der entsteht, weil die Diffusion des K+-Ions die Negativladung der Zelle vergræûert. Wir werden dieses Thema weiter erærtern, wenn wir in Kap. 4.8.2 zu den Membranpotenzialen und Nervenimpulsen kommen.

Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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2$ Diffusion von Substanzen durch Membranen Bevor ein Nichtelektrolyt passiv durch eine Plasmamembran diffundieren kann, mçssen zwei Voraussetzungen erfçllt sein. Die Substanz muss auf einer Seite der Membran hæher konzentriert sein als auf der anderen Seite, und die Membran muss fçr diese Substanz permeabel sein. Eine Membran kann fçr einen bestimmten gelæsten Stoff permeabel sein, entweder weil dieser Stoff direkt die Lipiddoppelschicht durchdringen kann oder weil der Stoff durch eine wåssrige Pore wandern kann, welche die Membran durchzieht und den gelæsten Stoff davor bewahrt, mit den Lipidmolekçlen der Doppelschicht in Berçhrung zu kommen. Wir wollen mit Ûberlegungen zur ersten Mæglichkeit beginnen, bei der sich eine Substanz auf dem Weg durch die Membran in der Lipiddoppelschicht læsen muss. Dabei rçckt als erstes die Polaritåt eines gelæsten Stoffes ins Blickfeld. Ein einfaches Maû fçr die Polaritåt (oder fehlende Polaritåt) einer Substanz ist ihr .   $ , d. h. das Verhåltnis der Læslichkeit der Substanz in einem unpolaren Læsungsmittel wie Octanol oder einem Pflanzenæl im Vergleich zu der in Wasser, wenn das unpolare Læsungsmittel mit Wasser gemischt ist. Abbildung 4.33 zeigt den Zusammenhang zwischen Verteilungskoeffizient und der Membranpermeabilitåt fçr eine Reihe von Chemikalien und Arzneimitteln. Es liegt auf der Hand, dass ein Stoff eine Membran umso schneller durchquert, je leichter er sich in Fett læst. Ein weiterer Faktor, der bestimmt, wie schnell eine Verbindung eine Membran durchqueren kann, ist ihre Græûe. Wenn zwei Molekçle etwa den gleichen Verteilungskoeffizienten haben, passiert das kleinere Molekçl die Lipiddoppelschicht einer Membran schneller als das græûere. Sehr kleine ungeladene Molekçle wandern sehr schnell durch Zellmembranen. Daher sind die Membranen hæchst durchlåssig fçr kleine anorganische Molekçle wie O2, CO2, NO und H2O, die vermutlich zwischen zwei benachbarten Phospholipiden hindurchschlçpfen. Dagegen kænnen græûere polare Molekçle wie Zucker, Aminosåuren oder phosphorylierte Zwischenprodukte eine Membran kaum passieren. Somit ist die Lipiddoppelschicht der Plasmamembran eine gut funktionierende Barriere, die diese wichtigen Metaboliten daran hindert, die Zelle zu verlassen. Einige dieser Molekçle wie Zucker und Aminosåuren mçssen aus dem Blut in Zellen gelangen, was allerdings durch einfache Diffusion nicht mæglich ist. Daher muss es spezielle

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

n
 4.33. Zusammenhang zwischen Verteilungskoeffizient und Membranpermeabilitåt. In diesem Experiment wurde gemessen, wie schnell einige chemische Verbindungen und Arzneimittel die Plasmamembran von Zellen passieren kænnen, welche die Kapillaren des Gehirns auskleiden. Die Substanzen gelangen dorthin, indem sie die Lipiddoppelschicht dieser Zellen durchqueren. Der Verteilungskoeffizient gibt das Verhåltnis von der Læslichkeit eines gelæsten Stoffes in Octanol zu seiner Læslichkeit in Wasser wieder. Die Permeabilitåt wird als Durchdringungsvermægen (P) in cm s±1 ausgedrçckt. Bei allen Verbindungen bis auf wenige wie Vinblastin und Vincristin ist die Fåhigkeit, in die Zelle einzudringen, direkt proportional zur Fettlæslichkeit. (Aus: Abbott NJ, Romero IA (1996) Molec Med Today 2:110; ° 1996, mit Erlaubnis von Elsevier Science)

Mechanismen fçr ihre Passage durch die Plasmamembran geben. Solche Mechanismen ermæglichen es der Zelle, das Eindringen von Substanzen çber ihre Oberflåche zu regulieren. Wir werden spåter auf diese Membraneigenschaft zurçckkommen.
       Wassermolekçle wandern sehr viel schneller durch eine Zellmembran als gelæste Ionen oder kleine polare organische Stoffe in Læsung, welche die Membran praktisch nicht passieren kænnen. Wegen dieses Unterschieds im Durchdringungsvermægen von Wasser im Vergleich zu gelæsten Substanzen bezeichnet man Membranen auch als   . Wasser dringt leicht durch eine semipermeable Membran, wenn diese sich zwischen einem Bereich mit einer niedrigeren Konzentration an   und einem Bereich mit hæherer Konzentration befindet. Man kann diesen Prozess, die , leicht nachweisen, indem man eine Zelle in eine

Læsung gibt, die einen Stoff, der nicht die Membran passieren kann, in einer anderen Konzentration als in der Zelle enthålt. Wenn zwei Kompartimente mit unterschiedlichen Konzentrationen an gelæsten Stoffen von einer semipermeablen Membran getrennt sind, bezeichnet man das Kompartiment mit der hæheren Konzentration als   (oder  ) und das Kompartiment mit der geringeren Konzentration an gelæsten Stoffen als  (oder ). Wenn man eine Zelle in eine hypotonische Læsung gibt, nimmt die Zelle per Osmose rasch Wasser auf und schwillt an (Abb. 4.34 a). In einer hypertonischen Læsung verliert sie in Folge der Osmose dagegen schnell Wasser und schrumpft (Abb. 4.34 b). Diese einfachen Beobachtungen zeigen, dass das Volumen einer Zelle çber den Unterschied zwischen der Konzentration an gelæsten Stoffen in und auûerhalb der Zelle reguliert wird. Das Anschwellen und Schrumpfen von Zellen in leicht hypotonischen und hypertonischen Medien ist nur ein vorçbergehender Prozess. Innerhalb weniger Minuten erholen sich die Zellen wieder und haben dann wieder ihr normales Volumen. In einem hypotonischen Medium erholt sich die Zelle, weil sie Ionen verliert und dabei ihren inneren osmotischen Druck verringert. In einem hypertonischen Medium erlangt eine Zelle wieder ihr ursprçngliches Volumen, indem sie Ionen aus dem Medium aufnimmt. Wenn die Konzentration an gelæsten Stoffen im Zellinnern (was einer hohen Konzentration an gelæsten Proteinen entspricht) der auûerhalb der Zelle entspricht, sind die Flçssigkeiten innen und auûen  (oder ); daher ist dann weder ein Ausstræmen noch Einstræmen von Wasser zu beobachten (Abb. 4.34 c). Die Osmose spielt bei zahlreichen Kærperfunktionen eine wichtige Rolle. Unser Verdauungstrakt beispielsweise sezerniert tåglich mehrere Liter Flçssigkeit, welche die Zellen, die unseren Darm auskleiden, per Osmose resorbieren. Wenn diese Flçssigkeit ± etwa aufgrund eines starken Durchfalls ± nicht wieder aufgenommen wçrde, wçrde man sehr schnell austrocknen. Pflanzen nutzen die Osmose auf vielfåltige Weise. Im Gegensatz zu Tierzellen, die generell isotonisch gegençber dem Medium sind, in dem sie sich befinden, sind Pflanzenzellen im Allgemeinen hypertonisch gegençber dem Medium, das sie umgibt. Daher dringt Wasser in die Zellen ein, wodurch sich im Zellinneren ein Druck (  ) aufbaut, der gegen die Zellwånde drçckt (Abb. 4.35 a). Der Turgordruck trågt zur Straffung von nichtverholzten Pflanzen und nichtverholzten Pflanzenteilen wie den Blåttern



Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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ei. Wenn man eine Pflanzenzelle in ein hypertonisches Medium gibt, schrumpft sie, weil sich die Plasmamembran von der sie umgebenden Zellwand ablæst, ein Prozess, der als / %  bezeichnet wird (Abb. 4.35 b). Aufgrund des Wasserverlusts bei der Plasmolyse verlieren Pflanzen ihren Halt und erschlaffen. Viele Zellen sind so durchlåssig fçr Wasser, dass dies nicht mehr mit einer einfachen Diffusion durch die Lipiddoppelschicht zu erklåren ist. 1992 fanden Peter Agre und seine Mitarbeiter an der Johns Hopkins University eine Gruppe von integralen Proteinen, die <  , welche die passive Bewegung von Wasser von einer Seite der Plasmamembran zur anderen ermæglichen. Jede Aquaporinuntereinheit enthålt in der Mitte einen Kanal, der vor allem von hydrophoben Aminosåureresten gesåumt wird und hochspezifisch fçr Wassermolekçle ist. Jeder Kanal kann pro Sekunde von Milliarden Wassermolekçlen passiert werden, die quasi im Gånsemarsch, eins hinter dem anderen, durch den Kanal wandern. H+-Ionen, die normalerweise an einer solchen Kette von Wassermolekçlen entlang springen, kommen bei diesen offenen Poren jedoch nicht mit durch. Neuere ræntgenkristallographische Untersuchungen geben erste Hinweise auf den Mechanismus, der diese Kanåle so selektiv werden låsst. Ganz in der Nåhe der engsten Stelle enthålt die Kanalwand exakt platzierte positive Ladungen, die die Sauerstoffatome der Wassermolekçle anziehen, wenn sie durch die Engstelle im Protein sausen. Durch diese Wech-

selwirkungen werden die Wasserstoffbrçcken zerstært, die benachbarte Wassermolekçle normalerweise verbinden.

Damit werden gleichzeitig die Verbindungen gekappt, die es den Protonen ermæglichen, von einem Wassermolekçl zum nåchsten zu springen. Aquaporine findet man besonders håufig in Zellen, bei denen die Passage des Wassers von entscheidender Bedeutung fçr die physiologischen Aktivitåt des Gewebes ist; dazu zåhlen beispielsweise die Zellen in Nierenkanålchen oder Pflanzenwurzeln. Das Hormon Vasopressin, das die Wasserretention in den Sammelrohren der Niere anregt, wirkt çber solche Kanåle. Einige Fålle der erblichen Form von        konnten auf Mutationen in diesen Aquaporinkanålen zurçckgefçhrt werden. Menschen, die an dieser Krankheit leiden, scheiden riesige Mengen Urin aus, weil ihre Nieren nicht auf Vasopressin ansprechen.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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     9 6    Geladene Substanzen wie die kleinen Ionen Na+, K+, Ca2+ oder Cl± kænnen die Lipiddoppelschicht, das Kernstçck biologischer Membranen, praktisch nicht passieren. Dennoch ist es bei vielen Zellaktivitåten entscheidend, dass sich diese Ionen schnell durch die Membranen bewegen (   8 1  ); dazu zåhlen die Erzeugung und Weiterleitung von Nervenimpulsen, die Sekretion von Substanzen in den Extrazellularraum, die Muskelkontraktion, die Regulation des Zellvolumens sowie die Úffnung der Stomata in Pflanzenblåttern. Wie zu erwarten, kænnen Mutationen in Genen fçr Ionenkanåle

viele schwere Krankheiten verursachen (Tabelle 1 in ¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 4.7.4). 1955 postulierten Alan Hodgkin und Richard Keynes von der Cambridge University erstmals, dass Zellmembranen 6 1 enthalten, d. h. Membranæffnungen, die fçr spezifische Ionen durchlåssig sind. Ende der 1960er Jahre und in den 1970er Jahren fanden Bertil Hille von der University of Washington und Clay Armstrong von der University of Pennsylvania erste Belege dafçr, dass es solche Kanåle gibt. Den endgçltigen Beweis lieferten Ende der 1970er Jahre und Anfang der 1980er Jahre die Arbeiten von Bert Sakmann und Erwin Neher vom Max-Planck-Insitut, die Verfahren entwickelten, um den Ionenstrom in einem einzelnen Ionenkanal registrieren zu kænnen. Dies gelang mithilfe von Elektroden in sehr fein ausgezogenen Mikropipetten, die auf die åuûere Zelloberflåche aufgesetzt und durch den Sog an der Membran festgehalten wurden. Man kann dann die Spannung an der Membran auf jeden gewçnschten Wert einstellen und den Strom messen, der in dem kleinen Membranstçck innerhalb der Pipette flieût (Abb. 4.36). Mit dieser Vorrichtung gelang es erstmals, die Aktivitåten einzelner Proteinmolekçle zu untersuchen. Heute kennen Biologen eine irritierende Vielfalt an Ionenkanålen, von denen jeder aus integralen Membranproteinen besteht, die eine wåssrige Pore bilden. Die meisten Ionenkanåle sind hochspezifisch und lassen nur einen bestimmten Ionentyp durch. Wie bei der passiven Diffusion anderer Arten gelæster Stoffe durch die Membran diffundieren auch Ionen durch einen Kanal immer bergab ± d. h. von einem Zustand hæherer Energie zu einem Zustand niedriger Energie. Die meisten bisher entdeckten Ionenkanåle kænnen offen oder geschlossen sein; solche Kanåle bezeichnet man als  . Das Úffnen und Schlieûen der Tore unterliegt einer komplizierten physiologischen Regulation und kann durch viele verschiedene Faktoren ausgelæst werden, die vom jeweiligen Kanal abhången. Es gibt zwei Hauptgruppen gesteuerter Kanåle: n &     1, deren Konformationszustand von den jeweiligen Ladungsunterschieden der Ionen beiderseits der Membran abhångt. n 8     1, deren Konformation von der Bindung eines spezifischen Molekçls (des Liganden) abhångt, bei dem es sich normalerweise nicht um den gelæsten Stoff handelt, der den Kanal passiert.

a

Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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b

a n
 4.36 a, b. Messung der Leitfåhigkeit eines Ionenkanals mithilfe der Patch-clamp-Technik. a Bei dieser Methode setzt man eine exakt geschliffene Mikropipette aus Glas auf einen Teil der åuûeren Zelloberflåche auf und saugt den Rand der Pipette fest auf die Plasmamembran. Weil die Pipette als Elektrode (eine Mikroelektrode) ausgelegt ist, kann an das Membranstçck, das von der Pipette eingeschlossen wird, eine Spannung angelegt und der daraufhin einsetzende Ionenstrom durch die Membrankanåle gemessen werden. Wie auf der Abbildung zu sehen ist, kann die Mikropipette ein Membranstçck einschlieûen, in dem sich nur ein einziger Ionenkanal befindet. Auf diese

Weise kænnen Wissenschaftler das Úffnen und Schlieûen eines einzelnen gesteuerten Kanals samt seiner Leitfåhigkeit bei unterschiedlicher Spannung verfolgen. b Die mikroskopische Aufnahme zeigt eine Patch-clamp-Aufzeichnung von einer einzelnen Photorezeptorzelle der Retina eines Salamanders. Ein Teil der Zelle wird in eine Mikropipette aus Glas gesogen, wåhrend eine zweite Mikropipetten-Elektrode (
 ) ein kleines Stçck der Plasmamembran eines anderen Zellbereichs umschlieût und abdichtet (b aus: Lamb TD, Matthews HR, Torre V (1986) J Physiology 372:319. Genehmigter Nachdruck)

Einige ligandengesteuerte Kanåle sind offen (oder geschlossen), wenn sich ein Molekçl an die Auûenseite des Kanals heftet, andere sind offen (oder geschlossen), wenn ein Ligand an die Innenseite des Kanal gebunden ist. Neurotransmitter wie Acetylcholin etwa wirken auf die Auûenseite bestimmter Kationenkanåle ein, wåhrend zyklische Nucleotide wie cAMP auf der Innenseite bestimmter Kalziumionenkanåle wirken. Wir werden uns im Folgenden auf die Struktur und Funktion von Kaliumionenkanålen konzentrieren, weil sie am besten untersucht sind. 1998 lieferten Roderick MacKinnon und seine Mitarbeiter von der Rockefeller University das erste Bild eines Ionenkanalproteins mit atomarer Auflæsung: Es zeigte einen bakteriellen K+-Ionenkanal namens KcsA. Auf diesen Meilenstein folgte eine Reihe von Untersuchungen, durch die man hinter die Mechanismen kam, mit denen diese erstaunlichen molekularen Maschinen çberwiegend K+-Ionen und keine Na+-Ionen auswåhlen und gleichzeitig K+-Ionen mit einer unglaublich hohen Leitfåhigkeit durch die Membranen schleusen. Wie wir in Kçrze sehen wer-

den, geht man davon aus, dass Ionenselektivitåt und Leitfåhigkeit im bakteriellen Kanal vermutlich nach åhnlichen Mechanismen ablaufen, wie man sie in den viel græûeren Kanålen von Såugern findet. Offensichtlich wurden die Grundprobleme bei der Funktion von Ionenkanålen bereits relativ frçh in der Evolution gelæst, obwohl dann çber kurz oder lang doch noch vieles verbessert wurde. Der KcsA-Kanal besteht aus vier Untereinheiten, von denen zwei in Abb. 4.37 dargestellt sind. Jede Untereinheit aus Abb. 4.37 umfasst zwei Transmembranhelices (M1 und M2) sowie eine Pore (P) am extrazellulåren Ende des Kanals. P besteht aus einer kurzen Porenhelix, die etwa ein Drittel der Kanalbreite einnimmt, sowie einer nichthelicalen Schleife (hellbraun in Abb. 4.37), die einen engen
  einfasst; der Filter wird so genannt, weil er die Aufgabe hat, nur K+-Ionen durchzulassen. Ausgekleidet wird der Selektivitåtsfilter von einem stark konservierten Pentapeptid: Gly-Tyr-Gly-Val-Thr ± oder GYGVT in dem Code, der mit Einzelbuchstaben arbeitet.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

<enn man sich die Ræntgenkristallstruktur des KcsA-Kanals ansieht, erkennt man, dass der Selektivitåtsfilter von den Carbonylgruppen (C=O) im Rçckgrat des konservierten Pentapeptids (Grundgerçst in Kap. 2.5.3) ausgekleidet wird. Die konservierten Reste des Selektivitåtsfilters bilden fçnf aufeinanderfolgende Ringe von Sauerstoffatomen (vier Ringe aus Carbonylsauerstoffen aus dem Polypeptid-Grundgerçst und einen Ring aus den Sauerstoffatomen der Threoninseitenkette). Jeder Ring besteht aus vier Sauerstoffatomen (eines von jeder Untereinheit) und hat einen Durchmesser von etwa 0,3 nm; damit ist er etwas græûer als der Durchmesser eines K+-Ions (0,27 nm), das seine normale Hydrathçlle verloren hat. Daher kænnen die elektronegativen O-Atome auf der Innenseite des Selektivitåtsfilters die Hçlle aus Wassermolekçlen ersetzen, die bei jedem K+-Ion, das in die Pore eindringt, abgestreift wird. In diesem Modell besitzt der Selektivitåtsfilter vier potenzielle K+-Ionenbindungsstellen. Wie der obere Teil von Abb. 4.37 zeigt, befindet sich ein K+-Ion, das an eine dieser vier Stellen gebunden ist, in der Mitte eines Raums, der oben und unten von jeweils vier O-Atomen begrenzt wird. Jedes K+-Ion, das sich an einer dieser Stellen befindet, kann also von acht O-Atomen des Selektivitåtsfilters ausgerichtet werden. Der Selektivitåtsfilter ist zwar genau auf ein dehydriertes K+-Ion abgestimmt, aber sehr viel græûer als der Durchmesser eines dehydrierten Na+-Ions (0,19 nm). Folglich kann ein Na+-Ion nicht optimal mit den acht Sauerstoffatomen wechselwirken, die fçr seine Stabilitåt in der Pore erforderlich wåren. Daher kænnen die kleineren Na+-Ionen die hæhere Energieschwelle nicht çberwinden, was nætig wåre, um durch die Pore zu schlçpfen. Von den vier potenziellen K+-Ionenbindungsstellen, die es gibt, sind jeweils nur zwei gleichzeitig besetzt. Man nimmt an, dass sich immer zwei Kaliumionen gleichzeitig von den Stellen 1 und 3 zu den Stellen 2 und 4 bewegen ± wie das in der Ausschnittsvergræûerung oben in Abb. 4.37 skizziert ist. Wenn ein drittes K+-Ion in den Selektivitåtsfilter eintritt, kommt es zu einer elektrostatischen Abstoûung, durch die das am entgegengesetzten Ende des Filters gebundene Ion hinausgeworfen wird. Verschiedenen Untersuchungen zufolge haben die Ionen beim Ûbergang von einer Bindungsstelle zur anderen praktisch keine Energieschwelle zu çberwinden, was erklårt, warum sie so extrem schnell durch die Membran flieûen. Insgesamt gesehen bieten diese Schlussfolgerungen zur K+-Ionenselektivitåt und -leitfåhigkeit ein wunderbares Beispiel dafçr, wie viel man çber eine biologische Funk-

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 tion erfahren kann, wenn man die molekulare Struktur kennt. Der in Abb. 4.37 skizzierte KcsA-Kanal hat genau wie eukaryotische Kanåle eine Úffnung, noch ist aber unklar, welche Faktoren das Úffnen und Schlieûen dieses Tors in der Bakterienzelle regulieren. Wie sich der KcsA-Kanal bei einem sehr niedrigen pH-Wert æffnet, zeigt Abb. 4.20. Die in Abb. 4.37 dargestellte KcsA-Struktur ist genau genommen die geschlossene Konformation des Proteins (obwohl im Kanal Ionen zu sehen sind). Bisher ist es noch nicht gelungen, den KcsA-Kanal in offener Konformation zu kristallisieren; dies schaffte man bisher nur bei der offenen Form eines homologen prokaryotischen K+-Kanals (namens MthK), dessen Struktur auf diese Weise bestimmt wurde. Vergleiche zwischen der offenen MthK-Struktur und der geschlossenen Struktur des homologen Proteins KcsA deuten stark darauf hin, dass diese Kanåle çber Konformationsånderungen an den cytoplasmatischen Enden der inneren (M2)-Helices gesteuert werden. In der geschlossenen Konformation, wie wir sie in den Abb. 4.37 und 4.38 links sehen, sind die M2-Helices gerade und verlaufen çber Kreuz; auf diese Weise bilden sie ein ¹Helixbçndelª, das die cytoplasmatische Seite der Pore verschlieût. In dem Modell in Abb. 4.38 æffnet sich der Kanal, wenn die M2-Helices an einem bestimmten Punkt, einem Glycinrest, der als Scharnier dient, abknicken. Da wir jetzt wissen, wie diese prokaryotischen K+-Kanåle funktionieren, kænnen wir die Struktur und Funktion der komplizierteren eukaryotischen Kanaltypen besser verstehen, bei denen vermutlich åhnliche Mechanismen ablaufen. Es wurden bereits Gene fçr eine Reihe von unterschiedlichen spannungsgesteuerten K+- (oder Kv-) Kanålen isoliert und die molekulare Struktur ihrer Proteine analysiert. Diese eukaryotischen Kv-Kanåle enthalten membranassoziierte Helices namens S1-S6, deren zweidimensionale

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Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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Strukturen in Abb. 4.39 zu sehen sind. Diese sechs Helices kann man zwei funktionell unterschiedlichen Domånen zuteilen: n Einer /1, welche dieselbe Grundstruktur aufweist wie der gesamte bakterielle Kanal in Abb. 4.37 und den Selektivitåtsfilter fçr die Passage der K+-Ionen enthålt. Die Helices 1 und 2 sowie das P-Segment des KcsA-Kanals von Abb. 4.37 sind homolog zu den Helices S5 und S6 und dem P-Segment der spannungsgesteuerten eukaryotischen Kanåle aus Abb. 4.39. Wie die M2-Helices von KcsA kleiden auch die S6-Helices einen Groûteil der Pore aus und ihre Konformation bestimmt, ob der Kanal geæffnet oder geschlossen ist. n Einer 1 $ &  

 aus den Helices S1±S4, welche die Spannung an der Plasmamembran registriert (s. unten). Wie der KcsA-Kanal besteht auch ein einzelner eukaryotischer Kv-Kanal aus vier homologen Untereinheiten, die symmetrisch um die zentrale ionenleitende Pore angeordnet sind. Wie wir noch in den Abschnitten çber die Aktionspotenziale und Nervenimpulse (Kap. 4.8) erærtern werden, werden Kv-Kanåle durch eine Spannungsånderung geæffnet. Das Tor eines Kv-Kanals wird von den inneren Enden der S6-Helices gebildet und vermutlich auf åhnliche Weise geæffnet und geschlossen wie die M2-Helices des Bakterienkanals (Abb. 4.38). Die S4-Helix, in deren Polypeptidkette sich mehrere positiv geladene Aminosåurereste befinden (Vergræûerung in Abb. 4.39), dient als Hauptspannungsmesser. Solange an der Membran das negative Ruhepotenzial herrscht (Kap. 4.8.1), bleibt das Tor zum Kanal geschlossen. Nimmt das Potenzial einen positiveren Wert an (Depolarisation, Kap. 4.8.2), wird auf die S4-Helix eine elektrische Kraft ausgeçbt. Dadurch, so nimmt man an, bewegt sich die S4-Helix derart, dass ihre positiv geladenen Reste von einer Position, in der sie dem Cytoplasma ausgesetzt sind, sich in eine Position verlagern, in der sie sich an der Auûenseite der Zelle befinden (Abb. 4.41). Wie kann die S4-Helix mit ihrer Bewegung das Kv-Tor æffnen? Dazu mçssen wir die dreidimensionale Struktur des Kv-Kanals betrachten. Abbildung 4.40 zeigt zwei vollkommen unterschiedliche Modelle von einer der Untereinheiten dieser Kanåle. Das in Abb. 4.40 a dargestellte

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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Modell kann man als den ¹Klassikerª bezeichnen, der auf jahrelangen elektrophysiologischen und nichtkristallographischen Studien des Kanals beruht. In diesem Modell sind die vier mit der Membran assoziierten Segmente der spannungsmessenden Domåne (S1±S4) als typische Transmembranhelices dargestellt, die sich durch die Doppelschicht erstrecken. 2003 veræffentlichten MacKinnon und seine Mitarbeiter eine Ræntgenstrukturanalyse eines spannungsgesteuerten prokaryotischen K+-Kanals, von dem man annimmt, dass er dieselbe Grundstruktur wie sein eukaryotisches Pedant aus Abb. 4.39 besitzt. Dieses Modell ist in Abb. 4.40 b zu sehen (die
-Helices sind als Zylinder dargestellt, damit klarer wird, wie sie ausgerichtet sind). Der wichtigste Unterschied zwischen den beiden Modellen betrifft die Lage der spannungsmessenden S4-Helix. Anstatt im Wesentlichen senkrecht zur Membranebene zu stehen, wie das im klassischen Modell der Fall ist, liegt die S4-Helix (und die sie begleitende S3-Helix) hier annåhernd parallel zur Membranebene. Diese beiden vollkommen unterschiedlichen Modelle sprechen ± wie in Abb. 4.41 deutlich wird ± fçr ganz unterschiedliche Arten der Spannungsmessung im Kv-Kanal. Dem klassischen Modell zufolge bewegt sich die S4-Helix im Schutz des Proteins wie eine Schraube oder ein Kolben in der Membran ¹auf und niederª (Abb. 4.41 a). Nach dem Modell, das auf der Ræntgenstrukturanalyse beruht, bewegt sich die S4-Helix dagegen wie

ein Paddel, das in die Lipiddoppelschicht eintaucht und zwischen der extra- und der intrazellulåren Membranseite hin- und hergeschwenkt wird, wie es in Abb. 4.41 b zu sehen ist. Kritiker des Paddelmodells halten diese Struktur fçr ein Artefakt, das bei der Kristallisation des Proteins entstanden ist. Wie bei allen fruchtbaren wissenschaftlichen Auseinandersetzungen arbeiten die Forscher nun verstårkt an entscheidenden Experimenten, um die beiden Modelle aus den Abbildungen 4.40 und 4.41 besser gegeneinander abgrenzen zu kænnen. Obwohl diese Kontroverse mæglicherweise bereits beendet ist, wenn das Buch veræffentlicht wird, ist sie doch ein ausgezeichnetes Beispiel dafçr, welch unterschiedliche Ergebnisse man mit verschiedenen experimentellen Ansåtzen erhalten kann. Wie auch immer die Bewegung der S4-Helix nach der Depolarisation der Membran im Einzelnen ablåuft, im Endeffekt fçhrt sie zu einer Konformationsånderung im Protein, durch die auf die S6-Helices ein Zug ausgeçbt und das Tor geæffnet wird. Sobald der Kanal offen ist, kænnen ihn pro Millisekunde çber 100 KaliumIonen passieren. Das entspricht in etwa der Geschwindigkeit, welche die Ionen erreichen wçrden, wenn sie in einer Læsung frei diffundieren kænnten. Wegen des starken Ioneneinstroms veråndern sich bereits bei der Úffnung relativ weniger K+-Kanåle die elektrischen Eigenschaften der Membran erheblich. Wenn der Kanal fçr einige Millisekunden geæffnet war, wird der Ein-






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Struktur und Funktion der Plasmamembran

strom der K+-Ionen ¹automatischª durch eine Inaktivierung gestoppt. Um diesen Prozess zu verstehen, mçssen wir neben den beiden Transmembrandomånen, die wir vorgestellt haben, noch einen anderen Teil des Kv-Kanals betrachten. Der Kanal wird inaktiviert, indem der N-terminale, cytoplasmatische Anteil des Polypeptids durch die Úffnung der Pore wandert. Wie in Abb. 4.42 a skizziert ist, geht man davon aus, dass das am Ende einer herabhångenden Kette gelegene Inaktivierungspeptid durch eines der vier ¹Fensterª zwischen den langen Verbindungsstçcken, welche die S1-Helices in der Membran mit einer ¹hångendenª cytoplasmatischen Domåne verbinden, in die Pore gelangt. Wenn sich eines dieser herabhångenden Inaktivierungspeptide nach oben in die Porenæffnung schiebt (Abb. 4.42 a), wird der Ionendurchfluss unterbunden und der Kanal inaktiviert. In einem darauf folgenden Stadium des Zyklus wird das Inaktivierungspeptid freigesetzt und die Kanalæffnung geschlossen. Aus diesen Angaben geht hervor, dass der Kaliumkanal drei verschiedene Zustånde ± offen, inaktiviert und geschlos-





sen ± haben kann, was in Abb. 4.42 b schematisch dargestellt ist. Es gibt viele verschiedene Formen von Kaliumkanålen. Erstaunlicherweise findet man bei "   , einem Nematoden, dessen Kærper nur aus 1000 Zellen besteht, çber 90 verschiedene Gene fçr K+-Kanåle. Offenbar besitzt eine einzelne Zelle ± gleich, ob sie zu einem Nematoden, einem Menschen oder einer Pflanze gehært ± eine Vielzahl verschiedener K+-Kanåle, die sich bei unterschiedlichen Spannungszustånden æffnen und schlieûen. Darçber hinaus kann die Spannung, die erforderlich ist, um einen bestimmten K+-Kanal zu æffnen oder zu schlieûen, variieren, je nachdem ob das Kanalprotein phosphoryliert ist oder nicht, was wiederum durch Hormone oder andere Faktoren reguliert wird. Es ist offensichtlich, dass die Funktion eines Ionenkanals von einer vielfåltigen, komplexen Gruppe von Regulationselementen gesteuert wird. Die Struktur und Funktion eines ganz andern Typs von Ionenkanal, des ligandengesteuerten nicotinischen Acetylcholinrezeptors, wird in den ¹Experimentellen Verfahrenª am Ende des Kapitels behandelt.

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Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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2' Erleichterte Diffusion Substanzen diffundieren immer von der Seite mit der hæherer Konzentration auf die Seite mit der niedrigeren Konzentration durch eine Membran ± allerdings nicht immer durch die Lipiddoppelschicht oder durch einen Kanal. Oft bindet die diffundierende Substanz zuerst selektiv an ein Transportprotein, das sich durch die Membran erstreckt und eine erleichterte Diffusion katalysiert, einen K   ª. Man nimmt an, dass diese Bindung auf der einen Seite der Membran zu einer Konformationsånderung des Proteins fçhrt, so dass fçr den gelæsten Stoff der Weg zur anderen Membranseite frei wird und er dann entlang seines Konzentrationsgradienten diffundieren kann. Abbildung 4.43 zeigt ein Beispiel fçr diesen Mechanismus. Weil     passiv operieren, also nicht auf die Kopplung an ein Energie freisetzendes System angewiesen sind, færdern sie den Strom gelæster Stoffe in beide Richtungen gleich gut. In welche Richtung ein Stoff letztlich diffundiert, hångt davon ab, in welcher Konzentration er auf den beiden Membranseiten jeweils vorliegt. Die      , wie dieser Prozess genannt wird, åhnelt in vieler Hinsicht einer enzymatisch katalysierten Reaktion. Wie Enzyme besitzen auch     eine Spezifitåt fçr die Molekçle, die sie transportieren, und kænnen beispielsweise zwischen D- und L-Stereoisomeren unterscheiden (Kap. 2.5.1). Auûerdem zeigen sowohl Enzyme als auch Transporter Såttigungskinetiken (Abb. 4.44). Anders als Ionenkanåle, durch die pro Sekunde Millionen Ionen durchschlçpfen kænnen, kænnen die meisten     nur Hunderte bis Tausende gelæste Molekçle pro Sekunde durch die Membran schleusen. Ein anderes wichtiges Kennzeichen der     ist, dass wie bei Enzymen und Ionenkanålen ihre Aktivitåt reguliert werden kann. Die erleichterte Diffusion ist besonders wichtig, wenn es polaren gelæsten Stoffen wie Zucker und Aminosåuren, welche die Lipiddoppelschicht nicht durchdringen kænnen, ermæglicht werden soll, in die Zelle einzutreten oder sie wieder zu verlassen. Das wird im folgenden Abschnitt deutlich.  :   "   7          Glucose ist die wichtigste direkte Energiequelle des Kærpers. Die meisten Såugerzellen enthalten ein Membranprotein, das die Diffusion der Glucose vom Blutstrom in die Zelle erleichtert (Abb.

n Abb. 4.43.    

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4.43). Dadurch, dass der Zucker, nachdem er ins Cytoplasma gelangt ist, phosphoryliert und so die Glucosekonzentration in der Zelle gesenkt wird, bleibt ein Gradient erhalten, der die kontinuierliche Diffusion von Glucose in die Zelle begçnstigt. Menschen haben mindestens fçnf verwandte Proteine (Isoformen), die den Glucosetransport erleichtern. Diese Isoformen namens

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

GLUT1 bis GLUT5 unterscheiden sich in ihren kinetischen und regulatorischen Eigenschaften voneinander und kommen jeweils in anderen Geweben vor. Das Hormon Insulin wird von endokrinen Zellen der Bauchspeicheldrçse gebildet, die eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des richtigen Blutzuckerspiegels spielen. Wenn die Glucosekonzentration im Blut ansteigt, wird Insulin sezerniert, was die Aufnahme von Glucose in verschiedene Zielzellen, besonders in die Zellen des Skelettmuskels und die Fettzellen, færdert. Alle Zellen, die auf Insulin reagieren, haben eine gemeinsame Isoform fçr den erleichterten Glucosetransport: GLUT4. Wenn die Insulinkonzentration gering ist, sitzen nur relativ wenige Glucosetransporter auf der Oberflåche dieser Zellen. Die Transporter befinden sich dann in den Membranen der cytoplasmatischen Vesikel. Steigt die Insulinkonzentration aufgrund eines erhæhten Blutzuckerspiegels an, sorgt das Hormon in den Zielzellen dafçr, dass die Vesikel aus dem Cytoplasma an die Zelloberflåche gelangen, wo die Transporter in die Plasmamembran eingebaut werden und Glucose in die Zelle schleusen (Abb. 15.21). 2 ktiver Transport Es gibt kein Leben unter Gleichgewichtsbedingungen (Kap. 3.1.2). Nirgendwo wird das deutlicher als bei der ungleichen Ionenverteilung beiderseits der Plasmamembran. In der Regel liegt die K+-Konzentration in einer Såugerzelle bei etwa 100 mM, wåhrend sie auûerhalb der Zelle nur etwa 5 mM betrågt. Daher gibt es einen steilen K+-Konzentrationsgradienten an der Plasmamembran, der die Diffusion von K+ aus der Zelle heraus begçnstigt. Natrium-Ionen sind ebenfalls sehr ungleich an der Plasmamembran verteilt, der Gradient verlåuft jedoch in entgegengesetzter Richtung: Auûerhalb der Zelle betrågt die Na+-Konzentration etwa 150 mM, in der Zelle dagegen 10±20 mM. Bei Ca2+ ist der Konzentrationsunterschied noch græûer: Wåhrend die Konzentration im Cytosol bei 10±7 liegt, ist sie auûerhalb der Zelle 10 fach geringer. So steile Konzentrationsgradienten kænnen weder mit einer einfachen noch mit einer erleichterten Diffusion, sondern nur mit Hilfe eines  9 !    entstehen. Wie die erleichterte Diffusion hångt auch der aktive Transport von integralen Membranproteinen ab, die einen bestimmten gelæsten Stoff selektiv binden und ihn in einem Prozess, der durch Konformationsånderungen im Protein

hervorgerufen wird, durch die Membran schleusen. Im Gegensatz zur erleichterten Diffusion erfordert der Transport eines gelæsten Stoffes gegen einen Gradienten allerdings Energie. Daher ist die endergone Bewegung von Ionen oder anderen gelæsten Stoffen durch die Membran gegen einen Konzentrationsgradienten an exergone Prozesse wie die ATP-Hydrolyse, die Lichtabsorption, den Elektronentransport oder den Strom anderer Substanzen entlang ihres Gradienten gekoppelt. Proteine, die einen aktiven Transport durchfçhren, werden oft als ¹Pumpenª bezeichnet.      9 !  

   !/2%%  1957 entdeckte Jens Skou, ein dånischer Physiologe, in den Nervenzellen einer Krabbe ein ATPhydrolysierendes Enzym, das nur aktiv war, solange auch Na+- und K+-Ionen vorhanden waren. Skou stellte die richtige These auf, dass das fçr die ATP-Hydrolyse verantwortliche Enzym auch die beiden Ionen aktiv transportiert. Das Enzym wurde als Na+/K+-ATPase oder )     / bezeichnet. Anders als bei der proteinvermittelten Bewegung einer erleichterten Diffusion, bei der die Substanzen gleich gut in beide Richtungen transportiert werden, schleust der aktive Transport die Ionen nur in eine Richtung. Die Na+/K+-ATPase sorgt dafçr, dass es auûerhalb der Zelle einen groûen Ûberschuss an Na+-Ionen und innerhalb der Zelle einen groûen Ûberschuss an K+-Ionen gibt. Die positiven Ladungen dieser beiden Kationen werden durch die negativen Ladungen verschiedener Anionen ausgeglichen, so dass die extra- und intrazellulåren Kompartimente græûtenteils elektrisch neutral sind. Auûerhalb der Zelle bilden græûere Konzentrationen an Chlorid-Ionen das Gegengewicht zu den Na+-Ionen, wåhrend die zahlreichen K+-Ionen in der Zelle vor allem durch çberschçssige negative Ladungen von Proteinen und Nucleinsåuren ausgeglichen werden. Zahlreiche Untersuchungen sprechen dafçr, dass das durch die Aktivitåt der Na+/K+-ATP entstandene Verhåltnis von Na+/K+ nicht 1 : 1, sondern 3:2 betrågt (Abb. 4.45). Mit anderen Worten: Fçr jedes hydrolysierte ATP werden drei Natrium-Ionen aus der Zelle heraus- und zwei Kalium-Ionen in die Zelle hineingepumpt. Durch diese Verteilung der Na+- und K+-Ionen erzeugt die Na+/K+-ATPase eine Spannung, was bedeutet, dass sie an der Ladungstrennung an der Membran direkt beteiligt ist. Die Na+/K+-ATPase ist ein Beispiel fçr eine Ionenpumpe vom P-Typ. Das ¹Pª steht fçr Phosphorylierung und deutet



Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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darauf hin, dass die bei der ATP-Hydrolyse wåhrend des Pumpzyklus freigesetzte Phosphatgruppe auf einen Asparaginsåurerest des Transportproteins çbertragen wird, wodurch es wiederum im Protein zu einer wichtigen Konformationsånderung kommt. Konformationsånderungen sind nætig, um die Affinitåt des Proteins fçr die beiden Kationen, die transportiert werden, zu åndern. Sehen wir uns die Aktivitåt des Proteins genauer an. Es muss die Natrium- oder KaliumIonen aus einem Bereich aufnehmen, in dem sie in niedriger Konzentration vorliegen; die Affinitåt des Proteins zu den beiden Ionen muss daher relativ hoch sein. Dann muss das Protein die Ionen an der anderen Seite der Membran freisetzen, wo ihre Konzentration sehr viel hæher ist. Um das zu schaffen, muss die Affinitåt des Proteins fçr das betreffende Ion sinken. Somit muss das Protein auf den beiden Seiten der Membran fçr jedes Ion jeweils eine unterschiedliche Affinitåt haben. Dies wird durch eine Phosphorylierung erreicht, durch die sich die Form des Proteins åndert. Wie im folgenden Abschnitt er-

låutert wird, werden die Ionenbindungsstellen durch diese Konformationsånderung auf der jeweils anderen Membranoberflåche zugånglich. Die Abb. 4.45 zeigt einen hypothetischen Pumpzyklus der Na+/K+-ATPase. Wenn das Protein auf der Innenseite der Zelle drei Na+-Ionen bindet (Schritt 1) und phosphoryliert wird (Schritt 2), geht es von der E1- in die E2-Konformation çber (Schritt 3). Dadurch wird die Bindungsstelle zum extrazellulåren Raum hin zugånglich, und das Protein verliert seine Affinitåt fçr Na+-Ionen, die dann auûerhalb der Zelle freigesetzt werden. Sobald die drei Na+-Ionen freigesetzt sind, nimmt das Protein zwei KaliumIonen auf (Schritt 4), wird dephosphoryliert (Schritt 5) und nimmt erneut seine ursprçngliche Konformation E1 an (Schritt 6). In diesem Zustand æffnet sich fçr die gebundenen Ionen ein Zugang zur Innenseite der Membran und die Bindungsstelle verliert ihre Affinitåt fçr K+Ionen, die daraufhin in der Zelle freigesetzt werden. Der Zyklus beginnt dann erneut von vorne.

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Struktur und Funktion der Plasmamembran


nieren und damit beginnen, Såure zu sezernieren (Abb. 4.46). Magensåure hilft nicht nur bei der Verdauung, sondern kann auch Sodbrennen verursachen. Prilosec, ein Medikament, das viel gegen Sodbrennen eingesetzt wird, wirkt, indem es im Magen die H+/K+-ATPase hemmt. Andere Mittel gegen Sodbrennen (wie Zantac, Pepcid oder Tagamet), welche die Såurebildung unterbinden, hemmen nicht direkt die H+/K+-ATPase, sondern blockieren einen Rezeptor auf der Oberflåche der Parietalzellen. So wird verhindert, dass die Zellen durch das Hormon aktiviert werden. Im Gegensatz zu den Pumpen vom P-Typ nutzen Pumpen vom V-Typ die Energie aus dem ATP, ohne ein phosphoryliertes Proteinzwischenprodukt zu bilden. Pumpen vom V-Typ schleusen Wasserstoff-Ionen durch die Wånde von cytoplasmatischen Organellen und Vacuolen (daher die Bezeichnung V-Typ). Man findet sie in den Membranen von Lysosomen, in den sekretorischen Granula und in den Vacuolen von Pflanzenzellen, aber bei vielen verschiedenen Zelltypen auch in der Plasmamembran. So hilft beispielsweise eine Pumpe vom V-Typ in den Plasmamembranen von Nierentubuli, das Såure-Base-Gleichgewicht im Kærper aufrechtzuerhalten, indem sie in den Urin, der dort aus dem Primårharn entsteht, Protonen sezerniert. Von der Struktur her åhneln die Pumpen vom V-Typ der ATP-Synthase aus Abb. 5.23. Eine andere komplexe Proteingruppe, die aktiv Ionen transportiert, sind die 7+!    oder !/7  

!  , die so heiûen, weil alle Mitglieder dieser Superfamilie eine gemeinsame homologe ATP-Bindungsdomåne besitzen. Der ABC-Transporter, der bisher am grçndlichsten untersucht wurde, wird in der folgenden Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª beschrieben.  9 6      9 8    3      (frçher 3  ) ist ein Archaebakterium, das in extrem salzigem Milieu lebt, wie man es im Toten Meer findet. Wenn es unter anaeroben Bedingungen wåchst, nimmt die Plasmamembran dieser Prokaryoten aufgrund eines besonderen Proteins, des Bacteriorhodopsins, eine violette Farbe an. Wie Abb. 4.47 zeigt, enthålt Bacteriorhodopsin Retinal, dieselbe prostethische Gruppe wie sie in Rhodopsin, dem lichtabsorbierenden Protein in den Ståbchen der Wirbeltierretina vorkommt. Die Absorption der Lichtenergie durch die Retinalgruppe læst im Protein eine Reihe von Konformationsånderungen aus, die dazu fçhren, dass



Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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ein Proton von der Retinalgruppe durch einen Kanal im Protein in den Extrazellularraum gelangt (Abb. 4.47). Das Proton, das von dem durch Licht angeregten Retinal stammt, wird durch ein anderes Proton ersetzt, das aus dem Cytoplasma auf das Protein çbertragen wird. Letztlich fçhrt dieser Vorgang zu einem Protonenfluss aus dem Cytoplasma in den Extrazellularraum, der zu einem steilen H+-Gradienten beiderseits der Plasmamembran fçhrt. Mithilfe dieses Gradienten phosphoryliert spåter ein ATP-synthetisierendes Enzym ADP, was im nåchsten Kapitel beschrieben wird.

wird, wie in Abb. 4.48 zu sehen ist, Glucose gegen einen Konzentrationsgradienten durch die apikale Plasmamembran der Epithelzellen hindurch transportiert. Ein  1 aktives Transportsystem (die Na+/K+-ATPase) in der basalen und seitlichen Plasmamembran sorgt dafçr, dass die Na+-Konzentration in den Zellen sehr gering bleibt, indem es die Natrium-Ionen gegen einen Konzentrationsgradienten aus der Zelle pumpt. Die Tendenz der Natrium-Ionen, wieder entlang ihres Konzentrationsgradienten durch die apikale Plasmamembran zurçckzudiffundieren, nutzt die Epithelzelle dazu, um den Cotransport von Glucosemolekçlen in die Zelle gegen einen Konzentrationsgradienten zu ermæglichen. Daher spricht man bei den Glucosemolekçlen von einem 1  9 !  . In diesem Fall bindet das Transportprotein namens ) MJ: +   auf der åuûeren Oberflåche der apikalen Plasmamembran zwei Natrium-Ionen und ein Glucosemolekçl. Wenn die Natrium-Ionen auf der Innenseite der Zelle in die Læsung mit der geringeren NatriumKonzentration gelangen, åndert das Protein seine Konformation und verliert seine Affinitåt fçr das Glucosemolekçl, das dann in der Zelle freigesetzt wird. Sobald sie auf der Innenseite sind, diffundieren die Glucosemolekçle durch die Zelle und werden mithilfe der erleichterten Diffu-

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 9  6   Durch den Aufbau von Konzentrationsgradienten wie den Na+-, K+- und H+-Gradienten kann in der Zelle Freie Enthalpie gespeichert werden. Die in den Ionengradienten gespeicherte potentielle Energie wird in der Zelle auf unterschiedliche Weise dazu benutzt, Arbeit zu verrichten ± etwa, um andere gelæste Stoffe zu transportieren. Nehmen wir als Beispiel die physiologische Aktivitåt des Darms. In seinem Lumen hydrolysieren Enzyme Polysaccharide mit groûem Molekulargewicht in einfache Zucker, die dann von den Epithelzellen des Darms absorbiert werden. Durch einen +   mit Natrium-Ionen

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

Box 4 a

Aus Sicht des Menschen

Eine Erbkrankheit, die durch defekte Ionenkanåle verursacht wird Mehrere schwere Erbkrankheiten konnten auf Mutationen in Genen zurçckgefçhrt werden, die Proteine fçr Ionenkanåle codieren (Tabelle 1). Die meisten der in Tabelle 1 aufgefçhrten Krankheiten betreffen die Ionenbewegungen durch die Plasmamembran erregbarer Zellen (d. h. Muskel-, Nerven- oder Sinneszellen), so dass die Zellen nur noch eingeschrånkt Impulse (Aktionspotenziale, Kap. 4.8.2) erzeugen oder çbertragen kænnen. Der am besten untersuchte und am håufigsten vererbte Ionenkanaldefekt, die cystische Fibrose (Mukoviszidose), wird dagegen durch einen fehlerhaften Ionenkanal in Epithelzellen verursacht. Durchschnittlich eine von 25 Personen nordeuropåischer Abstammung besitzt eine Kopie des mutierten Gens, das eine cystische Fibrose auslæsen kann. Weil sie bei einem mutierten Gen keine Symptome haben, ist es den meisten Personen mit einer heterozygoten Mutation nicht bewusst, dass sie Tråger des Gens sind. Daher ist etwa eines von 2500 Kindern aus dieser Bevælkerungsgruppe (1/25´1/25´1/4) fçr diesen Locus homozygot rezessiv und wird mit einer cystischen Fibrose geboren. Obwohl bei der cystischen Fibrose verschiedene Organe wie der Darm, die Bauchspeicheldrçse, die Schweiûdrçsen sowie der Reproduktionstrakt betroffen sind, zeigen sich die schwersten Symptome vor allem an den Atemwegen. CFPatienten bilden einen eingedickten, klebrigen Schleim, der nur schwer abzuhusten ist. Die Patienten leiden in der Regel unter chronischen Lungeninfektionen und Entzçndungen, welche die Lungenfunktion immer mehr einschrånken. 1989 wurde das fçr die cystische Fibrose verantwortliche Gen isoliert. Nachdem die Sequenzen des CF-Gens bestimmt und daraus die Aminosåuresequenz des entsprechenden Polypeptids abgeleitet worden war, war klar, dass das Polypeptid zur Superfamilie der ABCTransporter gehært. Das Protein wurde als     8 1        =    

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kçnstliche Lipiddoppelschichten eingebaut worden war; dadurch konnte man zeigen, dass es sich um einen Chloridkanal handelt, der durch zyklisches AMP reguliert wird, und nicht um einen Transporter. Weitere Untersuchungen machten deutlich, dass CFTR auch an der Weiterleitung von Bicarbonat (HCO3±)Ionen beteiligt ist. Die Zellen von CF-Patienten zeigen einen ungewæhnlich geringen Ausstrom von Chloridund/oder Bicarbonat-Ionen, wobei der Defekt im Einzelnen davon abhångt, welche Stelle im Protein genau mutiert ist. Nach wie vor kann man jedoch nicht mit Sicherheit sagen, wie es aufgrund dieses Fehlers auf der molekularen Ebene zu den chronischen Lungeninfektionen kommt. Dafçr hat es zahlreiche Erklårungsversuche gegeben: n Normalerweise fçhrt die Bewegung der Salze bei Epithelzellen zu einem osmotisch bedingten Wasseraustritt; bei einem CFTR-Defekt ist jedoch der Cl±-Ausstrom geringer, so dass sich auch der Flçssigkeitsfilm verringert, der die Epithelzellen in den Atemwegen çberzieht. Wenn weniger Oberflåchenfilm vorhanden ist, wird der sezernierte Schleim viskæser; dies kænnte die Funktion der Cilien beeintråchtigen, welche die Bakterien mit ihren Bewegungen aus den Atemwegen heraustreiben. n Unter den Bakterien, welche die Atemwege von CF-Patienten infizieren, ist  $

     das håufigste und aggressivste (Abb. 1). Dieses Bakterium findet man kaum in den Atemwegen von Personen, die an anderen Arten von Lungenleiden erkranken, und es ist nicht klar, warum CFPatienten so anfållig fçr dieses Bakterium sind. Untersuchungen deuten darauf hin, dass      an das extrazellulåre Ende des CFTR-Proteins bindet, und man vermutet, dass die Epithelzellen das Bakterium dann in sich aufnehmen und zerstæren kænnten. Dies gelingt mæglicherweise nicht, wenn das CFTR-Protein in der Plasmamembran fehlt, was bei vielen CF-Patienten der Fall ist (s.u.), so dass sie ihren Respirationstrakt nicht von diesem Bakterium freihalten kænnen. Auûerdem wird vermutet, dass die verringerte Bicarbonat-Ionen-Sekretion den pH-Wert des Flçssigkeitsfilms, der die Atemwege çberzieht, senken und so gçnstige Bedingungen fçr ein bakterielles Wachstum schaffen kænnte.

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Im letzten Jahrzehnt haben die Wissenschaftler çber 800 verschiedene Mutationen gefunden, die zur cystischen Fibrose fçhren. Viele dieser Ønderungen wurden daraufhin untersucht, wie sie sich auf die Proteinstruktur auswirken (Abb. 2). Fast 70% aller Allele, die in den USA fçr die cystische Fibrose verantwortlich sind, haben dieselbe genetische Verånderung: DF508. Diesen Allelen fehlen in einer der nucleotidbindenden Domånen des CFTR-Polypeptids drei DNA-Basenpaare, die an Position 508 ein Phenylalanin codieren. Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass CFTR-Polypeptide, denen diese spezielle Aminosåure fehlt, in den Membranen des endoplasmatischen Retikulums nicht richtig prozessiert werden und nie auf die Oberflåche der Epithelzellen kommen. Infolgedessen haben CFPatienten, die homolog fçr das DF508-Allel sind, in ihren Plasmamembranen keine CFTRChloridkanåle; bei ihnen ist die Erkrankung besonders schwer. Andere CF-Patienten mit weniger schweren Formen von CF besitzen mutierte Allele, die ein CFTR codieren, das zwar auf der Zelloberflåche exprimiert wird, dessen Leitfåhigkeit fçr Chlorid aber gering ist. Bei den mildesten Formen kommt es zu Unfruchtbarkeit mit nur geringen oder keinen Schåden an wesentlichen Kærperorganen. Einer Schåtzung zufolge muss die DF508-Mutation vor çber 50 000 Jahren aufgetreten sein, um so weit verbreitet zu sein. Die Tatsache, dass das CF-Gen so håufig ist, legt die Vermutung nahe, dass heterozygote Tråger gewisse selektive Vorteile gegençber denjenigen haben, die kein

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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defektes Gen besitzen. Man hat die Hypothese aufgestellt, dass CF-Heterozygote vor der Cholera geschçtzt sind, einer Krankheit, die mit einer çbermåûigen Flçssigkeitssekretion der Darmwand einhergeht. Ein Problem an dieser Hypothese ist, dass vor den 1820er Jahren die Choleraepidemien in Europa nicht erfasst wurden. Eine andere Hypothese geht davon aus, dass Heterozygote vor Typhus geschçtzt sind, weil das fçr diese Krankheit verantwortliche Bakterium sich schlecht an die Darmwånde anheften kann, wenn diese weniger CFTR-Molekçle enthalten. Seitdem das fçr CF verantwortliche Gen isoliert wurde, ist es ein wichtiges Ziel der CF-Forscher, eine Gentherapie zu entwickeln, d. h. das defekte Gen durch eine normale Kopie zu ersetzen. Die cystische Fibrose eignet sich gut fçr die Gentherapie, weil die schwersten Symptome der Krankheit auf einer mangelhaften Aktivitåt der Epithelzellen beruhen, welche die Atemwege såumen und daher fçr Mittel zugånglich sind, die man durch Inhalation eines Aerosols aufnehmen kann. Es wurden klinische Studien mit mehreren unterschiedlichen Formen von Ûbertragungssystemen durchgefçhrt. In einer Gruppe von Versuchen wurde das normale CFTR-Gen in die DNA eines defekten Adenovirus eingebaut, eines Virustyps, der normalerweise die oberen Atemwege infiziert. Man sorgte dann dafçr, dass die rekombinanten Viruspartikel die Zellen der Atemwege infizieren

konnten, um das normale Gen auf die Zellen mit dem Gendefekt zu çbertragen. Ein groûer Nachteil des Adenovirus-Einsatz ist der, dass die virale DNA (samt dem normalen CFTRGen) nicht in die Chromosomen der infizierten Wirtszelle eingebaut wird und daher das Virus mehrfach verabreicht werden muss. Dadurch læst das Verfahren håufig eine Immunreaktion aus, durch die das Virus eliminiert und eine Lungenentzçndung ausgelæst wird. In anderen Studien wurde die DNA, die das normale CFTRGen codiert, an positiv geladene Liposomen gekoppelt (Kap. 4.3.1), die mit den Plasmamembranen der Zellen in den Atemwegen fusionieren und ihre DNA so in das Cytoplasma schleusen kænnen. Gegençber den Viren hat die lipidvermittelte Freisetzung zwar den Vorteil, bei den Patienten auch nach wiederholter Anwendung nicht so håufig Schåden aufgrund einer Immunreaktion hervorzurufen, ihr Nachteil ist allerdings, dass sie die Zielzellen nicht so effektiv genetisch veråndert. Bis heute hat keine der klinischen Studien zur Gentherapie zu einer deutlichen Verbesserung der physiologischen Prozesse oder der Krankheitssymptome gefçhrt. Wenn die CF mithilfe einer Gentherapie behandelt werden soll, mçssen effektivere DNAÛbertragungssysteme entwickelt werden, die einen græûeren Prozentsatz der Zellen in den Atemwegen genetisch veråndern.



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Wie Substanzen Zellmembranen passieren

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fçhren wir uns am besten kurz die Energetik des Na+/Glucose-Cotransporters vor Augen. Erinnern Sie sich (Kap. 4.7.2), dass die Freie Enthalpie beim Einstrom von einem Mol Na+-Ionen in die Zelle sich um ±3,1 kcal/mol åndert; somit wåren pro zwei Mol Na+-Ionen 6,2 kcal verfçgbar, um ein Mol Glucose gegen einen Konzentrationsgradienten in die Zelle zu transportieren. Wie bereits erwåhnt (Kap. 4.7.1), lautet die Formel fçr die Bewegung eines Nichtelektrolyten wie Glucose durch die Membran: D% = -2 ln [Ci]/[Co]

sion durch die basale Membran geschleust (Kap. 4.7.3). Um abschåtzen zu kænnen, welche Kraft Ionengradienten entwickeln, wenn sie andere Arten von gelæsten Stoffen in der Zelle anreichern,

D% = 2,303 -2 log10 [Ci]/[Co] Mit dieser Gleichung kænnen wir berechnen, wie steil der Glucose(X)-Gradient ist, den dieser Cotransporter erzeugen kann. Bei 25 8C gilt:

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

±6,2 kcal/mol = 1,4 kcal/mol´log10 ? log10 ? = ±4,43 ? = 1/23 000 Aus dieser Berechnung ergibt sich, dass der Na+/Glucose-Cotransporter die Glucose gegen einen mehr als 20 000fachen Konzentrationsgradienten in die Zelle transportieren kann. Pflanzenzellen sind auf sekundåre Transportsysteme angewiesen, um viele unterschiedliche Nåhrstoffe wie Saccharose, Aminosåuren und Nitrate aufzunehmen. In Pflanzenzellen ist die Aufnahme dieser Verbindungen mehr an den Einstrom von H+-Ionen als von Na+-Ionen in die Zelle gekoppelt. Der sekundåre aktive Glucosetransport in die Epithelzellen des Darms oder der Saccharose in eine Pflanzenzelle sind Beispiele fçr einen &%, bei dem zwei verschiedene Arten von Molekçlen (Na+ und Glucose oder H+ und Saccharose) in eine Richtung transportiert werden. Es sind aber auch bereits zahlreiche Proteine fçr den sekundåren Transport isoliert worden, die fçr einen   verantwortlich sind, bei dem zwei verschiedene Arten von Molekçlen in entgegengesetzte Richtungen transportiert werden. So halten Zellen beispielsweise oft den richtigen pH-Wert im Cytoplasma aufrecht, indem sie den ¹bergabª laufenden Na+-Einstrom mit einem H+-Ausstrom koppeln. Proteine, die fçr einen Antiport sorgen, nennt man gewæhnlich     .

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4.8 Membranpotenziale und Nervenimpulse Alle Organismen reagieren auf Reize von auûen, eine Eigenschaft, die als Erregbarkeit bezeichnet wird. Selbst eine einzellige Amæbe reagiert, wenn man sie mit einer feinen Glasnadel anstæût: Sie zieht ihre Pseudopodien ein, rundet sich ab und wandert in eine andere Richtung. Die Erregbarkeit einer Amæbe hångt von denselben elementaren Membraneigenschaften ab, die auch zur Entstehung und Weiterleitung von Nervenimpulsen fçhren, dem Thema des restlichen Kapitels. )9$ (oder )) sind darauf spezialisiert, Informationen zu sammeln, weiterzuleiten und zu çbertragen, was in Form von elektrischen Impulsen geschieht, die schnell weitergeleitet werden. Abbildung 4.49 zeigt die Grundstruktur eines typischen Neurons. Der Zellkern des Neurons befindet sich in einem breiteren Bereich, dem Zellkærper, der das Stoffwechselzentrum der Zelle darstellt und in dem die meisten ihrer Inhaltsstoffe gebildet werden. Von den Zellkærpern der meisten Neurone gehen feine Auslåufer aus, die  , die von auûen, in der Regel von anderen Neuronen ankommende Informationen empfangen. Darçber hinaus entspringt am Zellkærper noch ein einzelner kråftiger Auslåufer, das -, das die vom Zellkærper ausgehenden Impulse zu der/den Zielzelle(n) weiterleitet. Wåhrend einige Axone nur wenige Mikrometer lang sind, ziehen sich andere mehrere Meter durch einen groûen Vertebraten wie etwa eine Giraffe oder einen Wal. Die meisten Axone spalten sich an ihren Enden in kleinere Fortsåtze auf und enden jeweils in einer )9 , eine spezialisierten Stelle, an der Impulse vom Neuron auf die Zielzelle çbertragen werden. Einige Neurone in Gehirn



n Abb. 4.49.  %   2 ( !  %          2     I      $ G   BC  ! "     ?I 

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haben Tausende von Nervenendigungen, wodurch diese Hirnzellen mit Tausenden potenzieller Zielzellen Informationen austauschen kænnen. Wie bereits in Kapitel 4.3.1 erwåhnt, sind die meisten Wirbeltierneuronen in eine lipidreiche %     eingewickelt, deren Funktion spåter beschrieben wird. 5!  Ruhepotenzial Wenn es wie bei der Innen- und Auûenseite einer Plasmamembran auf der einen Seite einen Ûberschuss an positiven Ionen und auf der anderen einen Ûberschuss an negativen Ionen gibt, herrscht zwischen beiden Seiten ein Spannungsunterschied oder ein Unterschied im elektrischen Potenzial. Man kann die Spannung an der Plasmamembran messen, indem man eine feine Glas- oder   in das Cytoplasma einer Zelle und eine andere Elektrode in die extrazellulåre Flçssigkeit auûerhalb der Zelle eintaucht und dann beide Elektroden mit einem Spannungsmesser verbindet, einem Instrument, das einen Ladungsunterschied zwischen zwei Punkten misst (Abb. 4.50). Als dieses Experiment an einem Riesenaxon eines Kalmars erstmals durchgefçhrt wurde, wurde ein Potenzialunterschied von etwa 70 Millivolt (mV) gemessen, wobei die Innenseite negativ gegençber der

Membranpotenziale und Nervenimpulse

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Auûenseite war (angedeutet durch ein Minuszeichen: ±70 mV). Membranpotenziale findet man nicht nur bei Nervenzellen, sondern bei allen Zelltypen, wobei die Græûenordnung zwischen etwa ±15 und ±100 mV schwankt. Bei nicht erregbaren Zellen, also solchen, die weder Nervennoch Muskelzellen sind, wird diese Spannung einfach als  $  bezeichnet. Bei einer Nerven- oder Muskelzelle nennt man dieses Potenzial dagegen  $ , weil es sich, wie im folgenden Abschnitt erærtert wird, sehr stark åndern kann. Wie groû die Spannung an einer Plasmamembran ist und wo die positiv, wo die negativ geladene Seite ist, kann man anhand der Konzentrationsunterschiede der Ionen beiderseits der Membran sowie durch einen Vergleich ihrer jeweiligen Permeabilitåt bestimmen. Wie bereits frçher in diesem Kapitel erwåhnt, pumpt die Na+/K+-ATPase Na+ aus der Zelle heraus und K+ in die Zelle hinein; dabei entstehen die steilen Gradienten dieser beiden Ionen quer zur Plasmamembran. Wegen dieser Gradienten kænnte man annehmen, dass Kalium- und Natrium-Ionen wieder çber ihre jeweiligen Ionenkanåle aus

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

der Zelle heraus- bzw. in die Zelle hineinstræmen (Kap. 4.7.2). In der çberwiegenden Mehrheit sind die Ionenkanåle, die in der Plasmamembran einer   Nervenzelle geæffnet sind, jedoch selektiv fçr K+ und werden daher auch oft als M&  1 bezeichnet. K+-Sickerkanåle gehæren offenbar zu einer Familie von K+-Kanålen, die keinen S4-Spannungsmesser (Kap. 4.7.2) haben und nicht auf Spannungsånderungen reagieren kænnen. Weil K+-Ionen die einzigen geladenen Ionen mit nennenswerter Membranpermeabilitåt in einer ruhenden Nervenzelle sind, bleibt bei ihrem Ausstrom durch die Membran ein Ûberschuss an negativen Ladungen auf der cytoplasmatischen Seite der Membran. Wåhrend der Konzentrationsgradient an der Membran einen permanenten K+-Ausstrom begçnstigt, begçnstigt der elektrische Gradient, der dadurch entsteht, dass auf der Innenseite ein Ûberschuss an negativen Ladungen herrscht, dass die K+-Ionen in der Zelle zurçckgehalten werden. Wenn diese beiden gegensåtzlichen Kråfte ausgeglichen sind, befindet sich das System im Gleichgewicht und insgesamt gesehen wandern keine weiteren K+-Ionen mehr durch die Membran. Mithilfe der folgenden Nernst-Gleichung kann man das Membranpotenzial (;m) berechnen, das man im Gleichgewichtszustand messen wçrde, wenn die Plasmamembran einer Nervenzelle nur fçr K+-Ionen permeabel wåre.6 In diesem Fall entspricht ;m dem Gleichgewichtspotenzial fçr Kalium (K): K = 2,303 -2/7
´ log10 [Ko+]/[K+i ] Beim Riesenaxon des Kalmars liegt die interne [K+i ] bei etwa 350 mM, wåhrend die externe [Ko+] bei circa 10 mM liegt; daher gilt bei 25 8C und 7 = +1 (fçr das einwertige K+-Ion): K = 59 log10 0,028 = ±91 mV Eine åhnliche Berechnung des Gleichgewichtspotenzials fçr Natrium (Na) wçrde einen Wert von etwa +55 mV ergeben. Weil die Spannungsmessungen an der ruhenden Nervenmembran in Vorzeichen und Græûenordnung dem gerade berechneten Gleichgewichtspotenzial fçr Kalium åhneln (±70 mV), gilt die Bewegung der KaliumIonen an der Membran als wichtigstes Element bei der Bestimmung des Ruhepotenzials. Der Unterschied zwischen dem berechneten Gleich6 Die Nernst-Gleichung leitet sich von der Gleichung in Kapitel 4.7.1 ab, wenn man D% gleich Null setzt, was passiert, wenn sich die Ionenbewegungen im Gleichgewicht befinden. Walter Nernst war ein deutscher Physikochemiker, der 1920 den Nobelpreis erhielt.

gewichtspotenzial fçr K+ (±91 mV) und dem gemessenen Ruhepotenzial (±70 mV, Abb. 4.50) ist auf eine geringfçgige Permeabilitåt der Membran fçr Na+ und Cl± zurçckzufçhren. 5$  ktionspotenzial Unser heutiges Verståndnis von Membranpotenzialen und Nervenimpulsen beruht auf Forschungsarbeiten an Riesenaxonen von Kalmaren. Sie wurden Ende der 1940er Jahre und Anfang der 1950er Jahre von einer Gruppe britischer Physiologen durchgefçhrt wurden, zu deren bekanntesten Vertretern Alan Hodgkin, Andrew Huxley und Bernard Katz gehærten. Diese Axone, die einen Durchmesser von etwa 1 mm haben, leiten die Impulse mit sehr hoher Geschwindigkeit weiter, so dass der Kalmar Raubtieren rasch entkommen kann. Wenn die Membran eines ruhenden Kalmaraxons stimuliert wird, indem man sie mit einer feinen Nadel reizt oder ihr einen minimalen Stromstoû versetzt, æffnen sich einige ihrer Natriumkanåle und ermæglichen es einer begrenzten Anzahl von Natrium-Ionen, in die Zelle zu diffundieren. Diese Gelegenheit fçr positiv geladene Ionen, in die Zelle zu wandern, verringert das Membranpotenzial, so dass es weniger negativ wird. Weil diese Verånderung der Spannung an der Membran zu einer Abnahme der Polaritåt zwischen den beiden Seiten der Membran fçhrt, bezeichnet man sie als  

 . Wenn die Membran durch den Reiz um nur wenige Millivolt depolarisiert wird ± sagen wir von ±70 auf ±60 mV ±, kehrt sie schnell wieder zu ihrem Ruhepotenzial zurçck, sobald der Reiz aufhært (Abb. 4.51 a, linke Box). Wenn dagegen der Reiz die Membran çber einen bestimmten Punkt hinaus depolarisiert, læst das eine neue Folge von Ereignissen aus. Der & '' dafçr liegt bei etwa ±50 mV. Bei einer solchen Spannungsånderung æffnen sich dann die spannungsgesteuerten Natriumkanåle, so dass die Natrium-Ionen sowohl entlang ihres Konzentrations- als auch ihres elektrischen Gradienten frei in die Zelle diffundieren (Abb. 4.51 a, mittlere Graphik oben). Die erhæhte Permeabilitåt der Membran fçr Na+-Ionen und der entsprechende Einstrom positiver Ladungen in die Zelle fçhrt dazu, dass sich das Potenzial kurzzeitig umkehrt (Abb. 4.51 b) und etwa +40 mV erreicht, was fast dem Gleichgewichtspotenzial fçr Na+ (+55 mV) entspricht (Abb. 4.50). Nach etwa 1 ms werden die Natriumkanåle spontan inaktiviert und der weitere Einstrom von Na+-Ionen blockiert. Allgemein geht man

 davon aus, dass dafçr die ungerichtete Diffusion eines Inaktivierungspeptids in die Úffnung der Kanalpore verantwortlich ist ± åhnlich wie es in Kap. 4.70.2 fçr K+-Kanåle beschrieben ist. Inzwischen fçhrt die Verånderung des Membranpotenzials durch den Na+-Einstrom zur Úffnung der spannungsgesteuerten Kaliumkanåle (Abb. 4.51 a, rechte Graphik oben). Infolgedessen diffundieren Kalium-Ionen entlang ihres steilen Konzentrationsgradienten frei aus der Zelle heraus. Aufgrund der geringeren Permeabilitåt der Membran fçr Na+ und der erhæhten Permeabilitåt fçr K+ erreicht das Membranpotenzial wieder einen Wert von etwa ±80 mV und damit fast das Gleichgewichtspotenzial fçr K+ (Abb. 4.50). Aufgrund des groûen negativen Membranpotenzials schlieûen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanåle wieder (Abb. 4.42 b), und damit kehrt die Membran in ihren Ruhezustand zurçck. Insgesamt werden diese Verånderungen im Membranpotenzial als   $  bezeichnet (Abb. 4.51 b). Die gesamte Abfolge an Ønderungen wåhrend des Aktionspotenzials dauert im Axon des Kalmars nur etwa 5 ms und in myelinisierten Nervenzellen von Såugern noch nicht einmal 1 ms. Da sich die Natriumkanåle nach ihrer Inaktivierung mehrere Millisekunden lang nicht wieder æffnen kænnen, hat die Membran nach einem Aktionspotenzial eine kurze     $ , in der sie nicht wieder stimuliert werden kann. Obwohl sich die Spannung an der Membran beim Aktionspotenzial dramatisch åndert, ist an n 

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Membranpotenziale und Nervenimpulse

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jedem Aktionspotenzial nur jeweils ein geringer Prozentsatz der Ionen beiderseits der Membran beteiligt. Die auffålligen Verånderungen im Membranpotenzial, die man in Abb. 4.51 b sieht, werden nicht durch Konzentrationsverånderungen der Na+- und K+-Ionen auf den beiden Seiten der Membran hervorgerufen ± diese sind unbedeutend. Sie werden vielmehr durch Ladungsverschiebungen in die eine oder andere Richtung verursacht, die auf der kurzzeitigen Verånderung in der Permeabilitåt fçr diese Ionen beruhen. Diese Na+- und K+-Ionen, die wåhrend eines Aktionspotenzials ihre Plåtze an der Membran tauschen, werden schlieûlich wieder von der Na+/K+-ATPase zurçckgepumpt.





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Struktur und Funktion der Plasmamembran

Selbst wenn die Na+/K+-ATPase blockiert ist, kann ein Neuron oft weiterhin Tausende von Impulsen feuern, bevor der durch die Aktivitåt der Pumpe erzeugte Ionengradient abgebaut ist. Wenn die Membran eines Neurons bis zum Schwellenwert depolarisiert wurde, wird ohne weitere Stimulation ein volles Aktionspotenzial ausgelæst. Dieses Merkmal einer Nervenzellfunktion wird als  )   : $ bezeichnet. Es gibt nichts dazwischen; eine Depolarisation unterhalb des Schwellenwerts ist nicht in der Lage, ein Aktionspotenzial auszulæsen, wåhrend eine Depolarisation bis zum Schwellenwert automatisch eine maximale Reaktion hervorruft. Bemerkenswert ist ebenfalls, dass ein Aktionspotenzial keine Energie benætigt, sondern allein auf den Ionenstrom entlang des jeweiligen elektrochemischen Gradienten hin erfolgt. Die N+/K+-ATPase benætigt Energie, um quer zur Plasmamembran den steilen Ionengradienten aufzubauen, doch sobald dieser vorhanden ist, kænnen die verschiedenen Ionen durch die Membran flieûen, wenn die jeweiligen Ionenkanåle geæffnet sind. Der Ionenfluss durch die Plasmamembran von Nervenzellen bildet die Grundlage fçr die neurale Kommunikation. Bestimmte lokale Betåubungsmittel wie Procain und Novocain wirken, indem sie Ionenkanåle in den Membranen von Sinneszellen und Neuronen schlieûen. Solange diese Ionenkanåle geschlossen sind, kænnen die betroffenen Zellen keine Aktionspotenziale mehr hervorrufen und somit auch das Gehirn nicht darçber informieren, was in der Haut oder an den Zåhnen passiert. 5' 3eiterleitung von Aktionspotenzialen als Impuls Bis zu diesem Punkt haben wir uns bei der Erærterung auf Ereignisse an einer bestimmten

Stelle an der Membran der Nervenzelle beschrånkt, an der eine experimentelle Depolarisation das Aktionspotenzial ausgelæst hat. Sobald ein Aktionspotenzial ausgelæst wurde, bleibt es nicht an einer bestimmten Stelle, sondern wird als Nervenimpuls die gesamte Zelle entlang bis zu den Nervenendigungen weitergeleitet. Nervenimpulse werden entlang einer Membran weitergeleitet, weil sich ein Aktionspotenzial, das an einer Stelle stattfindet, auch auf die benachbarte Stelle auswirkt. Die starke Depolarisation, von der ein Aktionspotenzial begleitet wird, erzeugt einen Ladungsunterschied entlang der inneren und åuûeren Oberflåche der Plasmamembran (Abb. 4.52). Deshalb wandern positive Ionen an der Auûenseite der Membran zu der Stelle, an der die Depolarisation stattgefunden hat, wåhrend sie sie an der Innenseite verlassen (Abb. 4.52). Dieser lokal begrenzte Stromfluss fçhrt dazu, dass der benachbarte Membranbereich direkt vor dem Aktionspotenzial depolarisiert wird. Weil die mit dem Aktionspotenzial verbundene Depolarisation sehr massiv ist, wird der angrenzende Membranbereich leicht çber den Schwellenwert hinaus depolarisiert, wodurch sich die Natriumkanåle in dieser Nachbarregion æffnen und ein weiteres Aktionspotenzial erzeugen. Einmal angeregt laufen daher die Aktionspotenziale nacheinander das gesamte Neuron entlang, ohne an Intensitåt zu verlieren, und erreichen ihre Zielzelle mit derselben Stårke, die sie schon an ihrem Ausgangspunkt hatten. Weil alle Impulse, die entlang eines Neurons laufen, dieselbe Stårke haben, kænnen stårkere Reize keine ¹græûerenª Impulse auslæsen als schwåchere Reize. Trotzdem kænnen wir deutliche Unterschiede in der Reizstårke ausmachen. Die Fåhigkeit zwischen Sinnesreizen zu unterscheiden, beruht auf mehreren Faktoren. So kann beispielsweise ein stårkerer Reiz wie kochend heiûes Wasser mehr Nervenzellen aktivie-

n Abb. 4.52. G     

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Membranpotenziale und Nervenimpulse

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en als ein schwåcherer Reiz wie warmes Wasser. Ein stårkerer Reiz aktiviert darçber hinaus auch Neuronen mit einem hohen Schwellenwert, die im Ruhezustand bleiben wçrden, wenn der Reiz schwåcher wåre. Die Reizstårke findet auch Ausdruck im Muster und der Frequenz, mit der Aktionspotenziale entlang eines bestimmten Neurons çbertragen werden. In den meisten Fållen gilt: Je stårker der Reiz, desto mehr Impulse werden ausgelæst. #       :  '    Je græûer der Durchmesser eines Axons, desto geringer ist der Widerstand gegençber dem lokalen Stromfluss und desto schneller kann ein Aktionspotenzial die Nachbarbereiche der Membran aktivieren. Einige Wirbellose wie Kalmare und Ræhrenwçrmer haben Riesenaxone, die diesen Tieren bei Gefahr die Flucht erleichtern. Es gibt allerdings eine Grenze fçr diese evolutionåre Entwicklung. Weil die Geschwindigkeit der Weiterleitung mit der Quadratwurzel der Zunahme des Durchmessers wåchst, kann ein Axon mit einen Durchmesser von 480 lm ein Aktionspotenzial nur vier mal so schnell weiterleiten wie eines mit einem Durchmesser von 30 lm. Wåhrend der Evolution der Wirbeltiere konnte die Weiterleitungsgeschwindigkeit weiter gesteigert werden, als das Axon in eine Myelinscheide eingewickelt wurde (Abb. 4.5 und 4.49). Weil die Myelinscheide aus vielen Schichten lipidhaltiger Membranen besteht, ist sie optimal geeignet, um zu verhindern, dass Ionen die Plasmamembran çberqueren. Darçber hinaus befinden sich fast alle Na+-Ionenkanåle eines myelinisierten Neurons in den nicht umwickelten Bereichen oder 9    &   zwischen den benachbarten Schwannschen Zellen oder

Oligodendrocyten, aus denen die Scheide besteht (Abb. 4.49). Daher sind die Ranvierschen Schnçrringe die einzigen Stellen, an denen ein Aktionspotenzial erzeugt werden kann. Ein Aktionspotenzial an einem Schnçrring læst ein Aktionspotenzial am nåchsten Schnçrring aus (Abb. 4.53), was dazu fçhrt, dass der Impuls von Schnçrring zu Schnçrring springt, ohne die dazwischen liegende Membran aktivieren zu mçssen. Wird ein Impuls auf diese Weise weitergeleitet, spricht man von einer

    #   . Impulse werden mit Geschwindigkeiten von bis zu 120 Metern pro Sekunde entlang eines myelinisierten Axons weitergeleitet ± und damit çber 20-mal schneller als in einem unmyelinisierten Neuron mit demselben Durchmesser. Wie wichtig die Myelinisierung ist, kann man in dramatischer Weise an der Multiplen Sklerose (MS) erkennen, einer Krankheit, bei der die Myelinscheide, die in verschiedenen Teilen des Nervensystems Axone umhçllt, zerstært wird. Die Krankheit manifestiert sich in der Regel bei jungen Erwachsenen; den Patienten zittern die Hånde, und sie haben Probleme beim Gehen und Sehen. 5 Signalçbertragung im Nervensystem: Wie der synaptische Spalt çberbrçckt wird Neuronen sind mit ihren Zielzellen çber spezialisierte Verbindungsstellen, so genannte &% 

, verbunden. Wenn man eine Synapse sorgfåltig untersucht, erkennt man, dass die beiden Zellen nicht direkt miteinander in Kontakt stehen, sondern durch einen engen Spalt von etwa 20±50 nm voneinander getrennt sind. Diese

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

Lçcke nennt man den %    & . Der Impuls wird von einer 1 %     (einer Sinnes- oder Nervenzelle) bis zur Synapse weitergeleitet und dort dann immer von einer   %     (einer Nerven-, Muskeloder Drçsenzelle) aufgefangen. Abbildung 4.54 zeigt eine Reihe von Synapsen zwischen den Endverzweigungen eines Axons und einer Skelettmuskelzelle; diese Art von Synapsen bezeichnet man als  1 . 0

Wie kann ein Impuls von einem pråsynaptischen Neuron çber den synaptischen Spalt hinweg auf die postsynaptische Zelle çberspringen? Aus Untersuchungen, die vor Jahrzehnten durchgefçhrt wurden, ging hervor, dass an der Ûbertragung eines Impulses von einer Zelle auf eine andere eine chemische Substanz beteiligt ist. Die Nervenendigungen der axonalen Verzweigungen scheinen unter dem Elektronenmikroskop zahlreiche %    .  fçr die Speicherung der chemischen Transmitter, die auf die postsynaptischen Zellen einwirken, zu enthalten (Abb. 4.54 linke Vergræûerung). Zwei der am besten untersuchten Neurotransmitter sind Acetylcholin und Noradrenalin, welche die Impulse im Kærper auf die Skelett- und Herzmuskulatur çbertragen. Die Abfolge der Prozesse bei der synaptischen Ûbertragung kann man folgendermaûen zusammenfassen (Abb. 4.55). Wenn ein Impuls eine Nervenendigung erreicht (Schritt 1, Abb. 4.55), fçhrt die damit verbundene Depolarisation zur Úffnung einer Reihe von spannungsgesteuerten Ca2+-Kanålen in der Plasmamembran dieses Teils der pråsynaptischen Nervenzelle (Schritt 2, Abb. 4.55). Im Neuron ist wie in allen Zellen normalerweise die Konzentration an Calcium-Ionen nur sehr gering (etwa 100 nM). Wenn sich die Kanåle æffnen, diffundieren Calcium-Ionen aus der Extrazellularflçssigkeit in die Nervenendigung des Neurons; dadurch steigt die Konzentration der Calcium-Ionen in begrenzten Mikrodomånen nahe der Kanåle çber 1000 fach an. Aufgrund der erhæhten Calciumionenkonzentra-

tion kommt es zu einer schnellen Fusion eines oder einiger weniger in der Nåhe liegender synaptischer Vesikel mit der Plasmamembran, wodurch Neurotransmittermolekçle in den synaptischen Spalt freigesetzt werden (Schritt 3, Abb. 4.55). Nach der Freisetzung aus den synaptischen Vesikeln diffundieren die Molekçle des Neurotransmitters durch den engen Spalt und binden selektiv an Rezeptoren, die dicht an dicht direkt auf der anderen Seite des Spalts in der postsynaptischen Plasmamembran sitzen (Schritt 4, Abb. 4.55). Je nachdem, an welchen Rezeptortyp der Neurotransmitter auf der Membran der Zielzelle bindet, kann eine der beiden gegensåtzlichen Wirkungen haben: n Durch die Bindung des Transmitters kænnen in der Membran kationenspezifische Kanåle geæffnet werden, was vor allem zu einem Einstrom von Natrium-Ionen und einem positiveren Membranpotenzial fçhrt. Diese Depolarisation der postsynaptischen Membran  die Zelle, so dass sie eher bereit ist, auf diesen oder spåtere Reize mit einem eigenen Aktionspotenzial zu reagieren (Schritte 5a und 6, Abb. 4.55). n Durch die Bindung des Transmitters kænnen in der Membran anionenspezifische Kanåle geæffnet werden, was vor allem zu einem Einstrom von Chlorid-Ionen und einem negativeren (hyperpolarisierten) Membranpotenzial fçhrt. Aufgrund der Hyperpolarisation der postsynaptischen Membran sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass die Zelle ein Aktionspotenzial erzeugt, weil ein græûerer Natriumeinstrom erforderlich ist, um den Schwellenwert der Membran zu erreichen (Schritt 5b, Abb. 4.55). Die meisten Nervenzellen in Gehirn erhalten von vielen verschiedenen pråsynaptischen Neuronen sowohl excitatorische als auch inhibitorische Signale. Die Summe all dieser gegensåtzlichen Einflçsse entscheidet dann darçber, ob im postsynaptischen Neuron ein Impuls erzeugt wird oder nicht. Alle Nervenendigungen eines bestimmten Neurons setzen immer den- oder dieselben Neurotransmitter frei. Ein bestimmter Neurotransmitter kann aber an einer bestimmten postsynaptischen Membran stimulierend wirken und an einer anderen hemmend. Acetylcholin bei-



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spielsweise hemmt beim Herzen die Kontraktilitåt, das heiût, die Fåhigkeit, sich zusammenziehen, wåhrend es sie bei Skelettmuskeln færdert. Der wichtigste excitatorische Neurotransmitter im Gehirn ist Glutamat, wåhrend der Neurotransmitter Gammaaminobuttersåure (GABA) dort vor allem hemmt. Eine Reihe von Narkosemitteln sowie Valium und seine Derivate wirken, indem sie an den GABA-Rezeptor binden und die Aktivitåt des primåren ¹Ausª-Schalters des Gehirns verstårken.

    9   &%   Es ist wichtig, dass ein Neurotransmitter nur eine kurze biologische Halbwertszeit hat, nachdem er von einem pråsynaptischen Neuron freigesetzt wurde; sonst wçrde die Wirkung des Neurotransmitters långer anhalten und das postsynaptische Neuron kænnte sich nicht erholen. Es gibt zwei Mæglichkeiten, einen Neurotransmitter aus der Synapse zu entfernen: durch Enzyme, welche die Neurotransmittermolekçle im synaptischen Spalt abbauen, oder durch Proteine, welche die

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

n
 4.55. Reihenfolge der Ereignisse an einer Synapse, wenn mithilfe von Acetylcholin (ACh) als Neurotransmitter ein Impuls çbertragen wird. Wåhrend der Schritte 1±4 gelangt ein Nervenimpuls zur Nervenendigung des Axons, es æffnen sich die Calciumkanåle, was zu einem Ca2+-Einstrom fçhrt, und die synaptischen Vesikel setzen Acetylcholin frei, das an die Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran bindet. Wenn die Bindung des Neurotransmitters (wie in 5a) zu einer Depolarisation der postsynaptischen

Membran fçhrt, wird dort mæglicherweise ein Nervenimpuls gebildet (6). Wenn es dagegen aufgrund der Bindung des Neurotransmitters zu einer Hyperpolarisierung der postsynaptischen Membran kommt (5b), wird die Zielzelle gehemmt, so dass es schwerer wird, durch eine erneute excitatorische Stimulation einen Impuls in der Zielzelle zu erzeugen. Der Abbau des Neurotransmitters durch Acetylcholinesterase ist nicht dargestellt

Neurotransmittermolekçle zurçck zu den pråsynaptischen Nervenenden schleusen ± ein Prozess, der als
çckspeicherung bezeichnet wird. Dank des Abbaus oder der Rçckspeicherung der Neurotransmittermolekçle wirkt ein Impuls nicht långer als wenige Millisekunden. Ist der Abbau oder die Rçckspeicherung der Neurotransmitter beeintråchtigt, kann es zu einschneidenden Folgen fçr physiologische Vorgånge und das Verhalten kommen. Das im synaptischen Spalt lokalisierte Enzym Acetylcholinesterase hydrolysiert Acetylcholin. Wenn dieses Enzym beispielsweise durch das Nervengas DFP gehemmt wird, reagiert der Kærper aufgrund der anhaltend hohen Konzentrationen von Acetylcholin mit heftigen Muskelkontraktionen. Kokain dagegen beeintråchtigt die Rçckspeicherung des Neurotransmitters Dopamin, den bestimmte Nervenzellen in einem Bereich des Gehirns freisetzen, der als limbisches System bezeichnet wird. Im limbischen System befinden sich die ¹Spaûª- und ¹Belohnungszentrenª des Gehirns. Das lange Verbleiben des Dopamin in den synaptischen Spalten des limbischen Systems låsst vorçbergehend ein Gefçhl von Euphorie aufkommen sowie den starken Wunsch, die Aktivitåt zu wiederholen. Mit der wiederholten Einnahme der Droge werden die angenehmen Wirkungen nach und nach geringer, wåhrend

sich die suchtfærdernden Eigenschaften der Droge verstårken. Amphetamine wirken ebenfalls auf Neuronen, die Dopamin freisetzen; man nimmt an, dass sie die pråsynaptischen Nervenendigungen zu einer çbermåûigen Freisetzung von Dopamin anregen und gleichzeitig die Rçckspeicherung der Neurotransmittermolekçle aus dem synaptischen Spalt behindern. Måuse, denen der Dopamintransporter (DAT), das Protein, das fçr die Rçckspeicherung von Dopamin verantwortlich ist, gentechnologisch entfernt wurde, zeigen ein åhnliches Verhalten wie normale Måuse, denen man Kokain oder Amphetamine verabreicht hat. Verabreicht man den Tieren, denen das DAT-Gen fehlt, Kokain oder Amphetamine, åndert dies nicht noch zusåtzlich etwas an ihrem Verhalten. Die aktive Verbindung im Marihuana (D9-Tetrahydrocannabinol) wirkt çber einen vollkommen anderen Mechanismus. Sie bindet an Cannabinoid(CB1)-Rezeptoren auf den pråsynaptischen Nervenendigungen bestimmter Neurone im Gehirn, wodurch die Wahrscheinlichkeit sinkt, dass diese Neurone Neurotransmitter freisetzen. CB1-Rezeptoren wechselwirken normalerweise mit endocannabinoiden Verbindungen, die nach der Depolarisation von postsynaptischen Neuronen gebildet werden. Diese Substanzen diffundieren çber den synaptischen Spalt ¹zurçckª zur pråsynapti-

 schen Membran, wo sie an CB1-Rezeptoren binden und die synaptische Aktivitåt unterbinden. CB1-Rezeptoren befinden sich in vielen Hirnbereichen wie dem Hippocampus und dem Cerebellum, was erklårt, warum Marihuana auf das Gedåchtnis und die Bewegungskoordination wirkt. /  $ 1  &%   Synapsen sind mehr als nur einfach Verbindungselemente zwischen benachbarten Neuronen. Sie sind auch wesentlich dafçr verantwortlich, auf welchen Routen die Impulse durch das Nervensystem geschickt werden. Die Milliarden Synapsen im komplexen Nervensystem eines Såugers wirken wie Tore, die entlang der verschiedenen Wege aufgestellt sind und es ermæglichen, dass einige Informationen von einem Neuron zum anderen gelangen, wåhrend sie andere Informationen zurçckhalten oder sie in andere Richtungen lenken. Synapsen gelten zwar oft als starr und unverånderlich, kænnen aber in Wirklichkeit eine erstaunliche Dynamik entwickeln, die als ¹Plastizitåt der Synapsenª bezeichnet wird. Diese Plastizitåt ist besonders wichtig im Såuglingsalter und der Kindheit, wenn die neuronalen Schaltkreise des Gehirns ihre endgçltige Form erhalten. Man kann die Plastizitåt der Synapsen am besten in Untersuchungen an Neuronen aus dem Hippocampus beobachten, einem Teil des Gehirns, der fçr das Lernen und Kurzzeitgedåchtnis essentiell ist. Der Hippocampus ist eine der wesentlichen Gehirnregionen, die bei der Alzheimer-Krankheit (¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.5.3) zerstært werden. Wenn die Neuronen im Hippocampus wiederholt kurzzeitig stimuliert werden, werden die Synapsen, die diese Neuronen mit ihren Nachbarn verbinden, ¹gestårktª: Es kommt zu einer Langzeitpotenzierung ( $    , LTP), die Tage, Wochen oder auch noch långer andauern kann. Die LTP-Forschung hat sich auf den NMDA-Rezeptor konzentriert ± einen von mehreren Rezeptortypen, an die der excitatorische Neuro-

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transmitter Glutamat bindet. Wenn Glutamat an einen postsynaptischen NMDA-Rezeptor bindet, æffnet sich ein interner Kationenkanal, der den Einstrom von Ca2+-Ionen in das postsynaptische Neuron ermæglicht, was eine Kaskade von biochemischen Verånderungen auslæst, die zu einer Stårkung der Synapse fçhrt. Synapsen kænnen nach einer LTP auch schwåchere Reize çbertragen und in postsynaptischen Zellen stårkere Reaktionen hervorrufen. Diese Verånderungen spielen, wie man glaubt, eine wesentliche Rolle bei der Codierung von neu erlernten Informationen oder Erinnerungen in den neuronalen Schaltkreisen des Gehirns. Wenn Labortiere Medikamente erhalten, die eine LTP unterbinden ± etwa solche, welche die Aktivitåt der NMDA-Rezeptors stæren ±, kænnen sie nur noch sehr eingeschrånkt neue Informationen aufnehmen. Es gibt noch zahlreiche andere Grçnde, warum die Untersuchung der Synapsen so wichtig ist. So nimmt man beispielsweise an, dass eine Reihe von Krankheiten des Nervensystems wie die Myasthenia gravis, die Parkinson-Krankheit, Schizophrenie und sogar die Depression auf Fehlfunktionen von Synapsen beruhen.

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Box 4 b

Experimentelle Verfahren

Der Acetylcholinrezeptor 1843 verlieû Claude Bernard im Alter von 30 Jahren die kleine Stadt in Frankreich, in der er als Apotheker und aufstrebender Dramatiker gelebt hatte, und fuhr nach Paris, um dort seine literarische Karriere weiter zu verfolgen. Aber anders als geplant schrieb er sich an der medizinischen Fakultåt ein und wurde stattdessen der beste Physiologe des 19. Jahrhunderts. Zu seinen vielen Interessen gehærte auch die Frage, wie Nerven die Kontraktion von Skelettmuskeln stimulieren. Bei seinen Untersuchungen arbeitete er unter anderem auch mit Curare, einem hochgiftigen Mittel, das aus tropischen Pflanzen isoliert und seit Jahrhunderten von den eingeborenen sçdamerikanischen Jågern benutzt wurde, um Giftpfeile herzustellen. Bernard fand heraus, dass Curare zwar Skelettmuskeln låhmt, dabei aber weder die Weiterleitung der Impulse durch die Nerven zum Muskel noch die Kontraktionsfåhigkeit der Muskeln nach direkter Stimulation beeintråchtigt. Daraus schloss Bernard, dass Curare irgendeine Wirkung auf die Region ausçben mçsse, in der es zum Kontakt zwischen Nerv und Muskel kommt. Diese Hypothese wurde von John Langley, einem Physiologen an der Cambridge University, beståtigt und ergånzt. Langley untersuchte einerseits, inwieweit das Nikotin, eine andere aus Pflanzen gewonnene Substanz, isolierte Skelettmuskeln des Froschs zur Kontraktion anregen konnte, andererseits, ob Curare die Nikotinwirkung hemmen wçrde. 1906 kam Langley zu dem Schluss, dass ¹der Nervenimpuls nicht çber eine elektrische Entladung vom Nerv zum Muskel wandert, sondern durch die Sekretion einer speziellen Substanz am Ende des Nervsª.1 Er schlug vor, dass dieser ¹chemische Transmitterª an eine ¹rezeptive Substanzª auf der Oberflåche der Muskelzellen bindet ± an dieselbe Stelle, an die auch Nikotin und Curare binden. Diese Hypothesen erwiesen sich als weitsichtig. Langleys Vermutung, dass der Reiz durch eine chemische Substanz vom Nerv auf den Muskel çbertragen wird, hat der in Ústerreich geborene Physiologe Otto Loewi 1921 in einem genialen Experiment beståtigt. Den experimentellen Aufbau dazu hatte Loewi in einem Traum vor sich gesehen. Die Herzfrequenz eines Wirbeltiers wird von zwei antagonisti-

schen Nerven gesteuert. Loewi isolierte ein Froschherz, bei dem beide Nerven intakt waren. Wenn er den inhibitorischen Nerv (Vagus) reizte, wurde aus dem Herzpråparat eine Chemikalie in eine Salzlæsung freigesetzt, die man in ein Medium ablaufen lieû, in dem ein zweites isoliertes Herz schwamm. Die Herzfrequenz des zweiten Herzens sank daraufhin so drastisch, als ob sein eigener inhibitorischer Nerv aktiviert worden wåre.2 Loewi nannte die Substanz, die fçr die Hemmung des Froschherzens verantwortlich war, ¹Vagusstoffª. Innerhalb weniger Jahre konnte Loewi zeigen, dass die chemischen und physiologischen Eigenschaften des Vagusstoffs denen des Acetylcholin entsprachen; daraus schloss er, dass es sich bei der Substanz, die von den Enden der Nervenzellen, aus denen der Vagusnerv besteht, freigesetzt wurde, um Acetylcholin (ACh) handelte. 1937 besuchte David Nachmansohn, ein Neurophysiologe von der Sorbonne, die Weltausstellung in Paris, wo er mehrere lebende elektrische Fische der Spezies 2  $  sah, die dort gezeigt wurden. Diese Zitterrochen haben elektrische Organe, die so starke Stromstæûe (40±60 Volt) aussenden, dass sie damit potenzielle Beutetiere tæten kænnen. Damals untersuchte Nachmansohn gerade das Enzym Acetylcholinesterase; dieses Enzym baut das ACh ab, das von den Enden der motorischen Nerven freigesetzt worden ist. Nachmansohn, dem klar war, dass die elektrischen Organe dieses Fisches aus modifiziertem Skelettmuskelgewebe hervorgegangen sind (Abb. 1), fragte, ob er einige dieser Fische haben kænnte, wenn die Ausstellung zu Ende wåre. Bereits die Ergebnisse des ersten Tests zeigten, dass das elektrische Organ auûerordentlich viel Acetylcholinesterase enthielt.3 Auûerdem fand man sehr viele nicotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChR)a; an diesen Rezeptor, der a

Der Rezeptor wird als nicotinisch bezeichnet, weil er von Nikotin und Acetylcholin aktiviert werden kann ± im Gegensatz zu muscarinischen Acetylcholinrezeptoren parasympathischer Nervensynapsen, die durch Muscarin, aber nicht durch Nikotin aktiviert werden kænnen und durch Atropin, aber nicht durch Curare gehemmt werden. Der Kærper von Rauchern ist an hohe Nikotinkonzentrationen gewæhnt. Die Entzugserscheinungen, die sich einstellen, wenn Raucher mit dem Rauchen aufhæren, treten auf, weil die postsynaptischen Neuronen mit ihren nAChRs nicht mehr im gewohnten Ausmaû stimuliert werden.



Membranpotenziale und Nervenimpulse

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auf postsynaptischen Membranen von Skelettmuskeln vorhanden ist, binden die von den Enden motorischer Nervenzellen freigesetzten ACh-Molekçle. Wenn man einen bestimmten Aspekt der Zellstruktur oder -funktion untersucht, kann es von unschåtzbarem Wert sein, wenn man ein ideales System findet. Die elektrischen Organe dieses Fisches waren ± wie die folgende Erærterung zeigen wird ± praktisch die einzige Quelle, um Material fçr die Untersuchung des nAChR zu erhalten. Der nAChR ist ein integrales Membranprotein. Verfahren, mit denen man solche Proteine isolieren kann, wurden erst in den 1970er Jahren entwickelt. Wie in Kap. 18 erærtert wird, benætigt man fçr die Reinigung eines bestimmten Proteins einen Test, mit dem man messen kann, wie viel von diesem Protein in einer bestimmten Fraktion vorhanden ist. Ideal fçr den Test auf nAChR war eine Verbindung, die selektiv und fest an dieses spezielle Protein bindet. 1963 fanden Chen-Yuan Lee und seine Mitarbeiter an der National Taiwan University eine solche Verbindung. Es war
-Bungarotoxin, eine Substanz aus dem Gift einer taiwanesischen Schlange. Das
-Bungarotoxin verursacht Låhmungserscheinungen, indem es fest an die nAChRs auf der postsynaptischen Membran von Skelettmuskelzellen bindet und so die Reaktion des Muskels auf ACh blockiert.4 Nachdem ein markiertes
-Bungarotoxin, das in einem Test eingesetzt werden konnte, elektrische Organe als Quelle sowie ein Detergens, das Membranproteine in Læsung bringen

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konnte, zur Verfçgung stand, gelang es einigen Wissenschaftlern Anfang der 1970er Jahre, die Acetylcholinrezeptoren zu isolieren. In einer dieser Studien5 wurden die Membranen, die den nAChR enthalten, isoliert, indem man die elektrischen Organe in einem Mixer homogenisierte und die Suspension zentrifugierte, um die Membranfragmente abzuzentrifugieren. Aus diesen Membranfragmenten extrahierte man mithilfe von Triton-X-100 die Membranproteine (Kap. 4.4.2). Dann lieû man das Gemisch durch eine Såule voller winziger Kçgelchen laufen; diese Kçgelchen waren mit einer synthetischen Verbindung çberzogen, deren Ende von der Struktur her ACh åhnelte (Abb. 2 a). Beim Durchlauf der gelæsten Proteingemischs blieben nur nAChR und Acetylcholinesterase (AChE), die beiden Proteine, die Bindungsstellen fçr Acetylcholin aufweisen, an den Kçgelchen hången. Die çbrigen 90% des Proteinextrakts banden nicht an die Kçgelchen, sondern liefen einfach durch die Såule und wurden aufgesammelt (Abb. 2 b). Nachdem diese Gruppe von Proteinen durchgelaufen war, wurde eine 10±3 M Flaxedil-Læsung durch die Såule geschickt, die selektiv den nAChR von den Kçgelchen entfernte und die AChE zurçcklieû. Mit diesem Verfahren wurde der Acetylcholinrezeptor aufgrund seiner Bindung an
-Bungarotoxin in einem einzigen Schritt mehr als 150 fach angereichert. Ein solches Verfahren wird als   1       bezeichnet; seine generelle Anwendung wird in Kap. 18.7 erærtert. Der nåchste Schritt bestand darin, Genaueres çber die Struktur des Acetylcholinrezeptors herauszufinden. Untersuchungen im Labor von Arthur Karlin an der Columbia University ergaben, dass der nAChR ein Pentamer ist, ein Protein, das aus fçnf Untereinheiten besteht. Jeder Rezeptor enthålt zwei Kopien einer Untereinheit namens
und jeweils eine Kopie von der -, - und D-Untereinheit. Man konnte die Untereinheiten unterscheiden, indem man die Membranproteine mit Triton-X-100 extrahierte, den nAChR çber eine Affinitåtschromatographie reinigte und dann das gereinigte Protein einer Polyacrylamidgel-Elektrophorese (SDS-PAGE, Erærtertung in Kapitel 18.7) unterwarf, in der die einzelnen Polypeptide ihrer Græûe nach aufgetrennt wurden (Abb. 3).6 Die vier verschiedenen Untereinheiten erwiesen sich als homolog zueinander, jede Untereinheit enthielt vier homologe Transmembranhelices (M1±M4).

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Struktur und Funktion der Plasmamembran



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Ein weiterer wichtiger Meilenstein bei der Untersuchung des nAChR war der Beweis, dass der gereinigte Rezeptor sowohl eine Bindungsstelle fçr ACh als auch ein Kationenkanal ist. Jahre zuvor hatte Jean-Pierre Changeux vom Institut Pasteur in Paris die Hypothese aufgestellt, dass die Bindung von ACh an den Rezeptor zu einer Konformationsånderung fçhrt, durch die ein Ionenkanal im Protein geæffnet wird. Der Einstrom von Na+-Ionen durch den Kanal kænnte dann zu einer Depolarisation der Membran und zur Aktivierung der Muskelzelle fçhren. In der zweiten Hålfte der 1970er Jahre gelang es Changeux und seinen

Mitarbeitern, gereinigte nAChR-Molekçle in kçnstliche Lipidvesikel einzubauen.7 Mithilfe von Vesikeln, die verschiedene Konzentrationen von markierten Natrium- und Kalium-Ionen enthielten, konnten sie zeigen, dass die Bindung von ACh an die Rezeptoren in der Lipiddoppelschicht einen Strom von Kationen durch die ¹Membranª auslæste. Damit war bewiesen, dass ¹das reine Protein in der Tat såmtliche Strukturelemente enthålt, die fçr die chemische Ûbertragung eines elektrischen Signals nætig sind: eine Acetylcholinbindungsstelle, einen Ionenkanal sowie einen Mechanismus, der diese Aktivitåten miteinander koppeltª.



Membranpotenziale und Nervenimpulse

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Wåhrend der letzten beiden Jahrzehnte haben sich die Wissenschaftler darauf konzentriert, die Struktur des nAChR und zu entschlçsseln, wie sich der Ionenkanal aufgrund der Bindung von Acetylcholin æffnet. Bei der Strukturanalyse wurden unterschiedliche Wege eingeschlagen. In einem Ansatz haben Wissenschaftler mithilfe der isolierten Gene die Aminosåuresequenzen bestimmt und dann durch eine Oligonucleotidmutagenese die jeweiligen Abschnitte des Polypeptids identifiziert, die sich durch die Membran ziehen, an den Neurotransmitter binden oder den Ionenkanal bilden. Diese nichtkristallographischen Untersuchungen zur molekularen Architektur eines Proteins åhneln prinzipiell denen, die in Kap. 4.4 beschrieben wurden. Ein weiterer Ansatz bediente sich des Elektronenmikroskops. Die ersten flçchtigen Eindrçcke vom nAChR stammten von elektronenmikroskopischen Aufnahmen von den Membranen der elektrischen Organe (Abb. 4).8 Die

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Rezeptoren schienen die Form eines Ringes mit 8 nm Durchmesser und einem zentralen Kanal von 2 nm Durchmesser zu haben und ragten aus der Lipiddoppelschicht in den externen Raum hinein. Nigel Unwin und seine Mitarbeiter am Medical Research Council of England entwickelten nach und nach ein immer detaillierteres Modell vom nAChR.9±13 Mithilfe der Elektronenkristallographie (Kap. 18.8), bei der elektronenmikroskopische Aufnahmen von gefrorenen Membranen aus elektrischen Organen mathematisch analysiert werden, charakterisierte Unwin die Anordnung der fçnf Untereinheiten rund um einen zentralen Kanal (Abb. 5). Der Ionenkanal besteht aus einer engen Pore (0,7±0,8 nm Durchmesser), deren Wand von fçnf inneren M2-
-Helices, jede aus einer anderen der umgebenden Untereinheiten, gebildet wird. Man geht davon aus, dass sich die Porenæffnung etwa in der Mitte der Membran befindet ± dort, wo jede der M2-
-Helices nach innen geknickt ist (am Scheitelpunkt des V-færmigen Balkens in Abb. 5 b) und der inaktivierte Rezeptor einen Knick bekommt. In jedem Knick ragt die Seitenkette eines Leucinrests nach innen. Bei diesem Modell bilden die Leucinreste der fçnf inneren Helices einen engen hydrophoben Ring, der die Ionen daran hindert, die Membran zu durchqueren. Die Pore æffnet sich, sobald zwei

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

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ACh-Molekçle, eines pro
-Untereinheit, gebunden sind. Die Bindungsstellen fçr ACh befinden sich jeweils in einer Tasche einer
-Untereinheit (Abb. 5b). Um zu untersuchen, zu welchen Verånderungen im nAChR es bei der Úffnung des

Kanals kommt, fçhrte Unwin folgendes Experiment durch.11 Pråparationen von nAChR-reichen Membranen wurden auf ein Stçtzgitter gelegt, das in einen Behålter, der mit flçssigem Stickstoff gekçhltes Ethan enthielt, eingetaucht wurde. Dadurch gefroren die Membranen. Etwa 5 ms, bevor sie die Oberflåche des Gefrierbades erreichten, wurden die Gitter mit einer ACh-Læsung besprçht; das Acetylcholin band an die Rezeptoren und læste die fçr die Úffnung des Kanals nætige Konformationsånderung aus. Durch den Vergleich der elektronenmikroskopischen Aufnahmen von nAChRs, die im offenen beziehungsweise geschlossenen Zustand eingefroren worden waren, fand Unwin heraus, dass es aufgrund der ACh-Bindung zu einer geringfçgigen Konformationsånderung in den extrazellulåren Domånen der Rezeptoruntereinheiten nahe der ACh-Bindungsstellen kommt. Diese Konformationsånderung pflanzt sich im Protein fort und fçhrt dazu, dass die
-Helices, welche die Pore umgeben, anders ausgerichtet werden (Abb. 6). Wie sich die Konformation der inneren, die Pore auskleidenden Helices åndert, wenn der Ionenkanal offen beziehungsweise geschlossen ist, erkennt man bei einem Vergleich der weiûen und blauen Balken, die ganz rechts in Abb. 6 b çber die Helix projiziert wurden. Neuere und ausfçhrlichere Modelle der Struktur und des Steuerungsmechanismus des nAChR findet man in den Referenzen 12 und 13.



Membranpotenziale und Nervenimpulse

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Literatur

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1. Langley JN (1906) On nerve endings and on special excitable substances in cells. Proc R Soc London B Biol Sci 78:170±194 2. Loewi O (1921) Ûber humorale Ûbertragbarkeit der Herznervenwirkung. Pflçgers Arch 214:239±242 [Unter Harvey Lect. 28:218±233, 193 findet man einen Review zu Loewis Arbeiten, den er selbst in Englisch geschrieben hat] 3. Marnay A (1937) Cholinesterase dans l'organe lectrique de la torpille. Compte Rend 126:573±574 [Einen Review zu Nachmansohns Arbeiten findet man in seinem Buch Chemical and Molecular Basis of Nerve Action, 2. Ausg. Academic Press, 1975] 4. Chang CC, Lee C-Y (1963) Isolation of the neurotoxins from the venom of &       and their modes of neuromuscular blocking action. Arch Int Pharmacodyn Ther 144:241±257 5. Olsen RW, Meunier JC, Changeux JP (1972) Progress in the purification of the cholinergic receptor protein from       by affinity chromatography. FEBS Lett 28:96±100 6. Weill CL, McNamee MG, Karlin A (1974) Affinitylabeling of purified acetylcholine receptor from 2$    . Biochem Biophys Res Commun 61:997±1003 7. Popot JL, Cartaud J, Changeux J-P (1981) Reconstitution of a functional acetylcholine receptor. Eur J Biochem 118:203±214 8. Schiebler W, Hucho F (1978) Membranes rich in acetylcholine receptor: Characterization and reconstitution to excitable membranes from exogenous lipids. Eur J Biochem 85:55±63 9. Brisson A, Unwin N (1984) Tubular crystals of acetylcholine receptor. J Cell Biol 99:1202±1211 10. Unwin N (1993) Acetylcholine receptor at 9 â resolution. J Mol Biol 229:1101±1124 11. Unwin N (1995) Acetylcholine receptor channel imaged in the open state. Nature 373:37±43 12. Unwin N et al (2002) Activation of the nicotinic acetylcholine receptor involves a switch in conformation of the
subunits. J Mol Biol 319:1165±1176 13. Miyazawa A, Fujiyoshi Y, Unwin N (2003) Structure and gating mechanism of the acetylcholine receptor pore. Nature 423:949±955

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

Zusammenfassung             /       9  1D  '            0 Die Plasmamembran trennt die lebende Zelle von ihrer Umgebung; sie stellt ein selektiv permeables Hindernis dar, das den Austausch bestimmter Substanzen ermæglicht und gleichzeitig den anderer unterbindet; sie enthålt Vorrichtungen, mit deren Hilfe Substanzen von einer Seite der Membran auf die andere transportiert werden; sie besitzt Rezeptoren, an welche spezifische Liganden aus dem externen Raum binden und welche die Informationen an die Kompartimente in der Zelle weiterleiten; sie vermittelt Wechselwirkungen mit anderen Zellen; sie stellt ein Netzwerk zur Verfçgung, in dem Molekçle angeordnet werden kænnen; in ihr wird Energie von einer Form in eine andere çberfçhrt (Kap. 4.1).   ' 9    &    8    /   "  7       9  7  $

  '. Die Membran ist eine geschlossene Hçlle aus einer Lipiddoppelschicht, die aus einer bimolekularen Schicht amphipathischer Lipide besteht, deren polare Kopfgruppen nach auûen und deren hydrophile Fettsåureschwånze nach innen gerichtet sind. Zu den Lipiden gehæren: n Phosphoglyceride wie Phosphatidylcholin, n Lipide, die wie das Phospholipid Sphingomyelin und die Kohlenhydrate enthaltenden Cerebroside und Ganglioside (Glycolipide) auf dem Sphingosin-Grundgerçst aufgebaut sind, n Cholesterin. Man kann die Proteine der Membran in drei Gruppen unterteilen: n integrale Proteine, die in die Lipiddoppelschicht hineinragen und sie durchdringen ± mit Anteilen, die sowohl auf der cytoplasmatischen als auch auf der extrazellulåren Membranseite herausragen, n periphere Proteine, die sich vollkommen auûerhalb der Lipiddoppelschicht befinden, aber mit den polaren Kopfgruppen der Lipiddoppelschicht oder mit der Oberflåche eines integralen Proteins nichtkovalent assoziiert sind,

n lipidverankerte Proteine, die sich auûerhalb der Lipiddoppelschicht befinden, aber kovalent mit einem Lipid verknçpft sind, das zur Doppelschicht gehært. Die Transmembransegmente der integralen Proteine bilden in der Regel eine
-Helix, die çberwiegend aus hydrophoben Resten besteht. (Kap. 4.3).      %   &"     &    $      #    0 So sind alle Kohlenhydratketten der Membran vom Cytosol weg orientiert; viele integrale Proteine besitzen auf ihrer Auûenseite Stellen, die mit extrazellulåren Liganden wechselwirken, und auf ihrer Innenseite Stellen, die mit peripheren Proteinen wechselwirken, die einen Teil des inneren Membranskeletts bilden; auch der Anteil der Phospholipide ist in beiden Hålften der Doppelschicht sehr unterschiedlich. Wie die Proteine in der Membran organisiert sind, zeigen am besten Gefrierbruchabdrçcke, bei denen die Zellen eingefroren, ihre Membranen durch Bruchebenen, die durch die Mitte der Doppelschicht verlaufen, gespalten und die freiliegenden Innenflåchen mithilfe eines Metallabdrucks sichtbar gemacht werden (Kap. 4.4.1). Der physikalische Zustand der Lipiddoppelschicht ist entscheidend fçr die Seitwårtsbewegungen der Phospholipide und integralen Proteine. Die Viskositåt der Doppelschicht sowie die Temperatur, bei der es zum Ûbergang in die Gelphase kommt, hången davon ab, wie viele Doppelbindungen die Fettsåureketten der Phospholipide aufweisen und wie lang sie sind. Die Aufrechterhaltung der Fluiditåt der Membran ist fçr viele Zellaktivitåten wie die Signalçbertragung, die Zellteilung sowie die Bildung spezialisierter Membranbereiche entscheidend. Die Lateraldiffusion von Proteinen in der Membran, die ursprçnglich durch eine Zellfusion bewiesen wurde, kann man mithilfe von Verfahren messen, bei denen man die Proteinbewegungen anhand von fluoreszierenden Verbindungen oder elektronendichten Markern verfolgt. Messungen der Diffusionskoeffizienten integraler Proteine deuten darauf hin, dass die meisten von ihnen Einflçssen unterworfen sind, die ihre Mobilitåt einschrånken. Die Bewegungsmæglichkeiten von Proteine kænnen durch ihre Assoziation mit anderen integralen



Zusammenfassung

Coteinen oder mit peripheren Proteinen auf der Membranoberflåche begrenzt sein. Wegen dieser verschiedenen Einschrånkungen besitzen Membranen ein betråchtliches Maû an organisatorischer Stabilitåt, die fçr verschiedene Membranbereiche unterschiedlich sein kann (Kap. 4.5).   /     #% %  1 $' '      / " 7  >  :%   " '       

 &     / 0 Jede Bande-3-Untereinheit zieht sich mindestens ein Dutzend Mal durch die Membran und enthålt im Innern einen Kanal, çber den Bikarbonat- und Chloridanionen ausgetauscht werden. Glycophorin A ist ein stark glycosyliertes Protein mit unbekannter Funktion und einer einzelnen Transmembrandomåne, die aus einer hydrophoben
-Helix besteht. Die Hauptkomponente des Membranskeletts, das fibræse Protein Spectrin, gibt durch Wechselwirkung mit anderen peripheren Proteinen der Membran Halt und schrånkt die Diffusion der integralen Proteine ein (Kap. 4.6.3).   /      9   0 :  &              

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      1"                9 !   0 Die Diffusion ist ein energieunabhångiger Prozess, bei dem ein gelæster Stoff entlang seines elektrochemischen Gradienten wandert, wobei die im Gradienten gespeicherte Freie Enthalpie aufgebraucht wird. Kleine gelæste anorganische Stoffe wie O2, CO2 und H2O sowie gelæste Stoffe mit einem groûen Verteilungskoeffizienten (hohe Fettlæslichkeit) kænnen die Lipiddoppelschicht leicht passieren. Ionen und polare gelæste organische Stoffe wie Zucker und Aminosåuren benætigen spezielle Transportmolekçle, um in die Zelle einzudringen oder sie wieder zu verlassen (Kap. 4.7.1). 

 '                 7        $       & 3 %     4    7    $   

  & 3 %      40 Die Osmose spielt bei vielen physiologischen Aktivitåten eine entscheidende Rolle. Bei Pflanzen beispielsweise erzeugt der Einstrom von Wasser einen Turgordruck gegen die Zellwand und kann so zum besseren Halt

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einer unverholzten Pflanze beitragen (Kap. 4.7.2). 6       /        9 $  9 / 

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0 Ionenkanåle werden in der Regel entweder çber eine Spannung oder çber chemische Liganden wie Neurotransmitter reguliert. Eine Analyse eines bakteriellen Ionenkanals (KcsA) hat gezeigt, dass Sauerstoffatome aus dem Grundgerçst des Polypeptids die normalerweise mit K+-Ionen assoziierten Wassermolekçle ersetzen kænnen, wodurch das Protein selektiv K+-Ionen durch seinen Zentralkanal schleusen kann. In den spannungsgesteuerten K+-Kanålen befindet sich ein geladener Helixabschnitt, der sich in Abhångigkeit von der Membranspannung bewegt und so den Kanal æffnet oder schlieût (Kap. 4.7.2).             9 !      /     "        &"       ' "   $     '    0
    benætigen fçr ihre Aktivitåt keine Energie und schleusen gelæste Stoffe entlang eines Konzentrationsgradienten in beide Richtungen durch die Membran. Man geht davon aus, dass sie bei ihren Operationen ihre Konformation åndern, wodurch die Bindungsstelle fçr die gelæsten Stoffe jeweils auf einer der beiden Membranseiten zugånglich ist. Der Glucosetransporter ist ein    , der bei erhæhten Insulinkonzentrationen vermehrt in die Plasmamembran eingebaut wird. Proteine fçr den aktiven Transport benætigen Energie, um Ionen und gelæste Stoffe gegen einen Konzentrationsgradienten zu transportieren. Aktive Transporter vom P-Typ wie die Na+/K+-ATPase werden durch den Transfer einer Phosphatgruppe vom ATP zum Transporter aktiviert, weil sich dadurch ihre Affinitåt gegençber dem transportierten Ion åndert. Sekundåre aktive Transportsysteme transportieren mithilfe der in einem Ionengradienten gespeicherten Energie einen zweiten gelæsten Stoff gegen einen Gradienten. So ist beispielsweise der aktive Transport von Glucose durch die apikale Oberflåche einer Darmepithelzelle an den Cotransport von Na+ entlang seines elektrochemischen Gradienten gekoppelt (Kap. 4.7.3 und 4.7.4).   $   /   "  '    $ /    1     M  "

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

1      0 Das Ruhepotenzial einer typischen Nerven- oder Muskelzelle betrågt etwa ±70 mV (innen negativ). Wenn die Membran einer erregbaren Zelle nach Ûberschreiten des Schwellenwertes depolarisiert wird, treten Ereignisse ein, die zur Úffnung der gesteuerten Na+-Kanåle und einem Einstrom von Na+ fçhren, was man an der Spannungsumkehr an der Membran erkennen kann. Innerhalb von Millisekunden, nachdem die Na+-Tore geæffnet wurden, werden sie erneut geschlossen und die gesteuerten Kaliumkanåle geæffnet, was dazu fçhrt, dass K+ ausstræmt und das Ruhepotenzial wiederhergestellt wird. Diese Abfolge græûerer Ønderungen im Membranpotenzial nach der Depolarisation læst ein Aktionspotenzial aus (Kap. 4.8.2).      $     ' "  $     '  0 Aktionspotenziale pflanzen sich weiter fort, weil die Depolarisation, von der ein Aktionspotenzial

an einer Stelle der Membran begleitet wird, ausreicht, um den benachbarten Membranabschnitt zu depolarisieren, was an dieser Stelle erneut ein Aktionspotenzial auslæst. In einem myelinisierten Axon kann ein an einem Ranvierschen Schnçrring ausgelæstes Aktionspotenzial gleich die Membran am nåchsten Schnçrring depolarisieren, so dass das Aktionspotenzial schnell von einem Schnçrring zum nåchsten springen kann. Wenn das Aktionspotenzial die Nervenendigungen eines Axons erreicht hat, æffnen sich die Tore der Calciumkanåle in der Plasmamembran, so dass Ca2+ einstræmen kann. Daraufhin fusionieren die Membranen von sekretorischen Vesikeln, die Neurotransmitter enthalten, mit der darçber liegenden Plasmamembran. Der Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran, wodurch die Zielzelle de- oder hyperpolarisiert wird (Kap. 4.8.3).

Zur Selbstçberprçfung 1. Welche Typen von integralen Proteinen befinden sich zwar in der Plasmamembran einer Epithelzelle, aber nicht in der eines Erythrocyten? Inwiefern spiegeln sich in solchen Unterschieden die verschiedenen Aktivitåten dieser Zellen wider? 2. Viele verschiedene Zelltypen besitzen Rezeptoren, die an Steroidhormone binden. Wo in der Zelle befinden sich solche Rezeptoren? Wo in der Zelle befindet sich der Insulinrezeptor? Warum? 3. Als erstmals ein dreischichtiger Aufbau der Plasmamembran beschrieben wurde, galten die Bilder als Beståtigung des Davson-Danielli-Modells zur Struktur der Plasmamembran. Warum wurden diese mikroskopischen Aufnahmen so interpretiert? 4. Angenommen, Sie wollten mithilfe von Liposomen Arzneimittel in einen bestimmten Zelltyp im Kærper beispielsweise in eine Fett- oder Muskelzelle çbertragen. Gibt es eine Mæglichkeit, die Spezifitåt des Liposoms zu erhæhen? 5. Wieso kænnen die Oligosaccharide auf der Oberflåche der Plasmamembran im Gegensatz zu Polysacchariden wie Stårke und Glycogen spezifische Wechselwirkungen einge-

hen? Wie kommt dieses Merkmal konkret zum Tragen, wenn vor einer Bluttransfusion die Blutgruppe des Empfångers bestimmt wird? 6. Das Enzym Trypsin kann die hydrophilen Anteile von Membranproteinen abbauen, aber nicht die Lipiddoppelschicht passieren und in eine Zelle eindringen. Wegen dieser Eigenschaften hat man Trypsin in Verbindung mit einer SDS-PAGE dazu benutzt, um zu bestimmen, welche Proteine eine extrazellulåre Domåne besitzen. Beschreiben Sie, wie man mithilfe von Trypsin experimentell bestimmen kann, auf welcher Seite der Erythrocytenmembran Proteinteile herausragen. 7. Betrachten sie die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Erythrocyten in Abb. 4.31 a. Die Form dieser abgeflachten Zellen, die auf jeder Seite eine kreisfærmige Delle aufweisen, wird als bikonkav bezeichnet. Welchen physiologischen Vorteil besitzt ein bikonkaver Erythrocyt gegençber einer kugelfærmigen Zelle? 8. Angenommen, Sie inkubieren eine Bakterienkultur bei 15 8C und erhæhen dann die Temperatur der Kultur auf 37 8C. Wie wirkt sich das auf die Zusammensetzung der Fett-



Zur Selbstçberprçfung

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såuren in der Membran aus? Auf die Ûbergangstemperatur der Lipiddoppelschicht? Auf die Aktivitåt der Desaturasen in der Membran? Welche Lipide aus Abb. 4.6 bewegen sich, Ihrer Meinung nach, wohl am schnellsten in Querrichtung zur Doppelschicht? Welche am langsamsten? Warum? Wenn Sie experimentell feststellen wçrden, dass sich Phosphatidylcholin am schnellsten transversal bewegen wçrde, wie wçrden Sie das erklåren? Wie schnell bewegen sich Phospholipide im Vergleich zu integralen Proteinen in transversaler Richtung? Warum? Wo liegt der Unterschied zwischen einer zweidimensionalen und einer dreidimensionalen Darstellung eines Membranproteins? Wie erhålt man die unterschiedlichen Profile und mit welchen kann man am meisten anfangen? Warum gibt es so viel mehr Proteine, von denen man die zweidimensionale Struktur kennt? Wenn Sie in das Riesenaxon eines Kalmars eine winzige Menge einer Læsung von 0,1 M NaCl und 0,1 M KCl injizieren wçrden, in der die Na+- und K+-Ionen radioaktiv markiert wåren, welche der radioaktiv markierten Ionen wçrden zuerst im Meereswassermedium auftauchen, wenn das Neuron im Ruhezustand bliebe? Wenn das Neuron dazu angeregt worden wåre, eine Reihe von Aktionspotenzialen weiterzuleiten? Wegen der hohen Diffusionsrate des Wassers durch die Lipiddoppelschicht war es schwierig, Proteine mit Wasserkanålen (d. h. Aquaporinen) zu isolieren. Warum erschwert das die Isolation von Aquaporinen? Gibt es eine Mæglichkeit, die Diffusion von Wasser durch die Lipiddoppelschicht von der durch Aquaporine zu unterscheiden? Der beste Ansatz zur Untersuchung des Verhaltens von Aquaporinen, bestand darin, die Aquaporin-Gene in Froschoocyten zu exprimieren. Gibt es irgendeinen Grund, warum sich diese Eizellen einer im Teich lebenden Amphibie besonders fçr solche Studien eignen? Wieso unterscheiden sich die Diffusionskoeffizienten von Membranlipiden weniger vom Diffusionskoeffizienten fçr die freie Diffusion als die Diffusionskoeffizienten integraler Proteinen in denselben Membranen? Angenommen, die Plasmamembran einer Zelle wåre plætzlich gleichermaûen fçr Na+

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und K+ permeabel und beide Ionen håtten einen etwa gleich groûen Konzentrationsgradienten. Wçrden Sie erwarten, dass beide Ionen gleich schnell die Membran durchqueren? Warum oder warum nicht? Die meisten im Meer lebenden Wirbellosen nehmen osmotisch weder Wasser auf noch geben sie welches ab, wåhrend die meisten Wirbeltiere in einem stark salzhaltigen Milieu permanent Wasser verlieren. Worauf beruht vermutlich dieser Unterschied und welche unterschiedlichen evolutionåren Wege der beiden Gruppen spiegeln sich darin wider? Wie groû ist die Konzentration eines gelæsten Stoffes in einer Pflanzenzelle im Vergleich zu der in der Extrazellularflçssigkeit? Gilt dasselbe auch fçr Tierzellen? Wie wçrde es sich auf die Weiterleitung eines Impulses auswirken, wenn sich die Na+-Kanåle sofort wieder æffnen wçrden, nachdem sie sich bei einem Aktionspotenzial geschlossen haben? Wie groû wåre das Gleichgewichtspotenzial fçr Kalium bei 25 8C, wenn die externe K+-Konzentration bei 200 mM und die interne Konzentration bei 10 mM liegen wçrde? Bei 37 8C? Wie in Kap. 4.7.4 erærtert wurde, schleust der Na+/Glucose-Cotransporter pro Glucosemolekçl zwei Na+-Ionen durch die Membran. Wie wçrde es sich auf die Glucosekonzentration auswirken, die der Transporter abtrågt, wenn das Verhåltnis statt 2 : 1 1 : 1 betragen wçrde? Ein Transmembranprotein hat in der Regel folgende Eigenschaften: (1) der Anteil der sich durch die Membrandoppelschicht erstreckt, besteht aus mindestens 20 Aminosåuren und çberwiegend oder ausschlieûlich aus unpolaren Resten; (2) im Anteil, çber den das Protein auf der Auûenseite verankert ist, gibt es zwei oder mehr aufeinanderfolgende saure Reste; und (3) der Anteil, çber den das Protein auf der cytoplasmatischen Seite verankert ist, enthålt zwei oder mehr aufeinanderfolgende basische Reste. Stellen Sie sich ein Transmembranprotein mit folgender Sequenz vor: NH2-MLSTGVKRKGAVLLILLFPWMVAGGPLFWLAADESTYKGS-COOH Zeichnen Sie auf, wie dieses Protein in der Plasmamembran sitzen wçrde. Markieren sie den N- und C-Terminus sowie die ex-

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Struktur und Funktion der Plasmamembran

terne und cytoplasmatische Seite der Membran (den Einbuchstabencode fçr Aminosåuren finden Sie in Abb. 2.26). 21. Bei vielen wirbellosen Meeresbewohnern, wie etwa dem Kalmar, åhnelt die Extrazellularflçssigkeit dem Meerwasser; daher haben sie eine viel hæhere intrazellulåre Ionenkonzentration als Såugetiere. Die Ionenkonzentrationen eines Kalmarneurons liegen bei 

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Sind irgendwelche Ionen im Gleichgewicht, wenn das Ruhepotenzial der Plasmamembran ;m = ±70 mV betrågt? Wie weit in mV ausgedrçckt ist jedes Ion vom Gleichgewicht entfernt? In welche Richtung verliefe fçr jeden Ionentyp der Nettostrom durch einen offenen Kanal, der fçr das jeweilige Ion permeabel ist?

ternetseite www.wiley.com/college/karp Erweitern sie Ihr Verståndnis, indem sie Karps Internetseite ¹Zell- und Molekularbiologieª besuchen. Dort finden Sie '  die gestellten
  $ & ,     , die schwierige Sachverhalte und Begriffe verdeutlichen,   , die Ihnen bei Prçfungsvorbereitungen helfen, sowie 8  zu interessanten Seiten im Netz. Zusåtzlich zu der Literaturliste unten kann man auf der Internetseite auch noch '  8 finden.

22. Die Græûe des Membranpotenzials einer Zelle wird durch die relative Permeabilitåt der Membran fçr verschiedene Ionen bestimmt. Wenn Acetylcholin an seine Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran einer Muskelzelle bindet, fçhrt das dazu, dass sich alle Kanåle, die gleichermaûen fçr Natrium und Kalium permeabel sind, æffnen. Unter diesen Bedingungen gilt: ;m = (;K++;Na+)/2 Wenn fçr die Muskelzelle gilt: [K+in] = 140 mM, [Na+in] = 10 mM, [Na+out] = 150 mM und [K+out] = 5 mM, wie groû ist dann das Membranpotenzial der neuromuskulåren Verbindung eines durch Acetylcholin stimulierten Muskels? 23. Transmembrandomånen bestehen aus einzelnen
-Helices oder einem -Faltblatt mit einer Fassstruktur. Warum eignet sich eine einzelne
-Helix besser als ein einzelnes -Faltblatt dazu, sich durch die Doppelschicht zu ziehen? Sehen sie sich dazu die Abb. 2.30 und 2.31 an. 24. Ihnen ist bekannt, wie die Selektivitåt des K+-Kanals fçr K+-Ionen zustande kommt. Schlagen Sie aufgrund dieses Wissens einen Mechanismus vor, durch den der Na+-Kanal fçr sein Ion selektiv wird. 25. Wie schnell bewegen sich Ionen, die einen Kanal passieren, im Vergleich zu Ionen, die aktiv von einer Pumpe vom P-Typ transportiert werden. Warum?

4.9 Weiterfçhrende Literatur   & 
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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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5.1 Struktur und Funktion der Mitochondrien 5.2 Der oxidative Stoffwechsel in den Mitochondrien 5.3 Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATPProduktion 5.4 Der Protonenfluss und die Erzeugung einer protonenmotorischen Kraft 5.5 Der Apparat fçr die ATP-Synthese 5.6 Peroxisomen Aus Sicht des Menschen: Die Bedeutung des anaeroben und aeroben Stoffwechsels fçr das kærperliche Training Krankheiten aufgrund defekter Mitochondrien oder Peroxisomen ?      %&     "   $     !    B   & ' "     9         ?  + 1    ?   8I   +1      ?           "       (    2 !'    ;   +( [

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>n den ersten 2 Mrd. Jahren, in denen es auf der Erde Leben gab, enthielt die Atmosphåre çberwiegend reduzierte Molekçle wie molekularen Wasserstoff (H2), Ammoniak (NH3) und H2O. In dieser Phase wurde die Erde von   (    bevælkert ± Organismen, die ihre Energie aus sauerstoffunabhångigen (anaeroben) Stoffwechselprozessen wie der Glycolyse oder Gårung (Abb. 3.23 und 3.28) bezogen und nutzten. Vor etwa 2,7 Mrd. Jahren tauchten dann die Cyanobakterien auf ± eine neue Art von Organismus, der mithilfe eines neuartigen Photosyn-

theseprozesses Wassermolekçle spalten und molekularen Sauerstoff (O2) freisetzen konnte. Wie bereits in ¹Aus Sicht des Menschenª in Kapitel 2.1.2 erærtert wurde, kann molekularer Sauerstoff sehr toxisch sein, weil er zusåtzliche Elektronen aufnimmt und mit einer Vielzahl von biologischen Molekçlen reagiert. Der Sauerstoff in der Atmosphåre muss ein starker natçrlicher Selektionsfaktor gewesen sein. Mit der Zeit haben sich Arten entwickelt, die nicht nur vor der schådlichen Wirkung des molekularen Sauerstoffs geschçtzt waren, sondern auch Stoffwech-

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

selprozesse entwickelt hatten, in denen das Molekçl fçr sie von groûem Vorteil war. Ohne die Fåhigkeit, Sauerstoff zu nutzen, konnten die Organismen nur begrenzt Energie aus der Nahrung gewinnen und mussten energiereiche Produkte wie Milchsåure und Ethanol wieder ausscheiden, weil sie nicht in der Lage waren, sie weiter abzubauen. Dagegen konnten Organismen, die O2 verstoffwechseln konnten, diese Verbindungen vollståndig zu CO2 und H2O oxidieren und dabei sehr viel mehr der in ihnen steckenden Energie fçr sich gewinnen. Diese Organismen, die von Sauerstoff abhångig wurden, waren die ersten  (   der Erde; aus ihnen gingen spåter all die sauerstoffabhångigen Pround Eukaryoten hervor, die heute noch leben. Eukaryoten besitzen spezialisierte Organellen, die    , in denen sie mit dem Sauerstoff Energie gewinnen. Wie in Kap. 1 erærtert wurde, sprechen zahlreiche Daten dafçr, dass die Mitochondrien aus einem sehr frçhen aeroben Bakterium hervorgegangen sind, das sich im Cytoplasma einer anaeroben Wirtszelle niedergelassen hatte.

Im Gegensatz zu den meisten Organellen im Cytoplasma sind Mitochondrien groû genug, um sie im Lichtmikroskop erkennen zu kænnen (Abb. 5.1 a). Dass sie in Zellen vorhanden sind,

ist seit çber 100 Jahren bekannt. Bereits vor 1900 wurden Mitochondrien aus Geweben isoliert, indem man die Zellen mit einer feinen Nadel æffnete; schon damals hat man zahlreiche Eigenschaften dieser Organellen beschrieben. Man konnte beispielsweise zeigen, dass Mitochondrien osmotisch aktiv sind, d. h. dass sie in einem hypotonischen Medium anschwellen und in einem hypertonischen Medium schrumpfen. Diese Eigenschaft sprach dafçr, dass Mitochondrien von einer semipermeablen Membran umgeben sind, die der Zellmembran nicht unåhnlich ist. Die Mitochondrienstruktur kann je nach Zelltyp stark variieren. Das reicht von Mitochondrien, die wie einzelne, wurstfærmige Organellen aussehen (Abb. 5.1 b) und zwischen einem und vier Mikrometer lang sind, bis zu Mitochondrien, die ein hochverzweigtes, miteinander verbundenes tubulåres Netzwerk bilden. Man erkennt diese Art von mitochondrialer Struktur auf der mikroskopischen Aufnahme zu Beginn des Kapitels. Beobachtungen von fluoreszenzmarkierten Mitochondrien in lebenden Zellen haben ergeben, dass sie dynamisch sind und ihre Form stark veråndern kænnen. Besonders wichtig ist, dass Mitochondrien miteinander fusionieren oder sich teilen kænnen (Abb. 5.2). Wahrscheinlich entscheidet das jeweilige Gleichgewicht zwischen Fusion und Teilung, welche Gestalt und Form ein Mitochondrium besitzt. Mitochondrien machen 15±20% des Volumens einer durchschnittlichen Leberzelle eines Såugers aus. Sie sind oft mit fettsåurehaltigen Últropfen

a b n Abb. 5.1 a±c. ?  a            #     &  "   %    ?  b ,  

        

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.! Struktur und Funktion der Mitochondrien



n Abb. 5.2. ,   ( ?     ' ?       (   ?           $        (  "      ?      (   ?      ,   !

   

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assoziiert, von denen sie Rohmaterialien erhalten, die oxidiert werden sollen. Besonders auffållig sind die Mitochondrien in Spermien angeordnet, wo sie sich håufig im Mittelteil, direkt hinter dem Zellkern, befinden (Abb. 5.1 c). Ein Spermium bezieht die Energie fçr seine Bewegungen aus ATP, das in Mitochondrien produziert wird. Mitochondrien spielen auch in vielen Pflanzenzellen eine wesentliche Rolle; sie sind sowohl in nicht photosynthetisch aktiven Geweben als auch wåhrend der Dunkelphasen in photosynthetisch aktiven Blattzellen die wichtigsten ATP-Lieferanten. Wenn man sich die elektronenmikroskopische Aufnahme von Abb. 5.2 genauer ansieht, wird klar, dass ein Mitochondrium auûen von zwei Membranen umgeben ist, die als 1D und als       bezeichnet werden. Die åuûere Mitochondrienmembran hçllt das Mitochondrium vollkommen ein und bildet seine åuûere Grenzschicht. Im Inneren des Organells befinden sich die +  , eine Reihe doppelschichtiger Membranen, welche am Rand des Organells auf die innere Mitochondrienmembran stoûen. Die Rolle der Mitochondrien als Energieumwandler ist eng mit den Membranen der Cristae verbunden, die auf den elektronenmikroskopischen Aufnahmen dieser Organellen meist besonders ins Auge fallen. Die Cristae enthalten einen Groûteil der Membranoberflåche samt des Apparats, der fçr die Atmung und ATP-Bildung

Struktur und Funktion der Mitochondrien

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erforderlich ist (Abb. 5.21). Wie die Cristae organisiert sind, erkennt man deutlicher auf der rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme in Abb. 5.3 a und der dreidimensionalen Rekonstruktion von Abb. 5.3 b. Bis vor kurzem ging man davon aus, dass die Cristae einfache Einstçlpungen der inneren Membran sind. Mittlerweile ist man aber allgemein der Ansicht, dass, wie man in Abb. 5.3 c erkennen kann, die innere Grenzmembran und die inneren Membranen der Cristae zwar eng miteinander verbunden sind, funktionell aber verschieden sind. Der Ûbersichtlichkeit halber werden die Cristae jedoch im weiteren Verlauf des Kapitels einfach als Teil der inneren Mitochondrienmembran behandelt. Die Membranen des Mitochondriums gliedern das Organell in zwei wåssrige Kompartimente, die   - im Inneren des Mitochondriums, und den 6   zwischen åuûerer und innerer Membran. Die Matrix besitzt aufgrund einer hohen Konzentration an wasserlæslichen Proteinen (bis zu 500 mg/mL) eine gelfærmige Konsistenz. Der Intermembranraum scheint in den mikroskopischen Aufnahmen und Diagrammen der Abb. 5.2 und 5.3 relativ klein zu sein, kann sich jedoch bei der aktiven Atmung weiter ausdehnen. .!! Mitochondrienmembranen Die åuûeren und die inneren Membranen haben ganz unterschiedliche Eigenschaften. Die åuûere Membran besteht dem Gewicht nach zu etwa 50% aus Lipiden und enthålt eine merkwçrdige Kombination von Enzymen, die an so unterschiedlichen Aktivitåten wie der Oxidation von Adrenalin, dem Abbau von Tryptophan und der Verlångerung von Fettsåuren beteiligt sind. Dagegen enthålt die innere Membran çber 100 verschiedene Polypeptide und besitzt ein sehr hohes Protein-Lipid-Verhåltnis (çber 3 : 1 bezogen auf das Gewicht, was etwa einem Proteinmolekçl pro 15 Phospholipiden entspricht). In der inneren Membran befinden sich groûe Mengen des ungewæhnlichen Phospholipids Cardiolipin (Diphosphatidylglycerin, Struktur in Abb. 4.6), das fçr bakterielle Plasmamembranen charakteristisch ist, aus denen wahrscheinlich die innere Mitochondrienmembran hervorgegangen ist. Die åuûere Mitochondrienmembran ist vermutlich homolog zu einer åuûeren Membran, die bei bestimmten Bakterien zur Zellwand gehært (Abb. 5.4). Die åuûere Mitochondrienmembran und die åuûere Bakterienmembran enthalten beide / , integrale Proteine mit einem relativ groûen Kanal im Inneren (etwa 2±3 nm), der von

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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a n Abb. 5.3 a±c.  %  ?  a ;               

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einer -Faltblatt-Fassstruktur umgeben ist. Die Porine der åuûeren Mitochondrienmembran sind nicht statisch, wie man frçher dachte, sondern werden entsprechend der Bedingungen in der Zelle reversibel geschlossen. Wenn die Porinkanåle weit offen sind, ist die åuûere Membran fçr Molekçle wie ATP, NAD und das Coenzym A permeabel, die fçr den Energiestoffwechsel des Mitochondriums essentiell sind. Dagegen ist die innere Mitochondrienmembran hochgradig impermeabel; praktisch alle Molekçle und Ionen benætigen spezielle Membrantransporter, um in die Matrix zu gelangen. Von den zahlreichen Proteinen der inneren Mitochondrienmembran sind mehrere an der Aufnahme und Freisetzung von Calcium-Ionen beteiligt. Calcium-Ionen sind wichtige Auslæser fçr zellulåre Aktivitåten (Kap. 15.5). Neuere Studien haben beståtigt, dass die Mitochondrien

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(zusammen mit dem endoplasmatischen Retikulum) an der Regulation der Ca2+-Konzentration im Cytosol beteiligt sind. Wie wir in den folgenden Abschnitten erærtern werden, ist die Zusammensetzung und Organisation der inneren Mitochondrienmembran entscheidend fçr die bioenergetischen Aktivitåten des Organells. Die Architektur der inneren Membran und die offensichtliche Fluiditåt ihrer Doppelschicht erleichtern die Wechselwirkungen von Komponenten, die fçr die ATP-Synthese benætigt werden. .!$ Die mitochondriale Matrix Neben den verschiedenen Enzymen enthålt die mitochondriale Matrix auch Ribosomen und mehrere DNA-Molekçle, die in hæheren Pflanzen



Der oxidative Stoffwechsel in den Mitochondrien

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der extrem hydrophoben Proteine der inneren Mitochondrienmembran codieren. Wir werden im weiteren Verlauf des Kapitels wieder auf den molekularen Aufbau der Mitochondrienmembran zurçckkommen, wollen aber zuerst die Rolle dieser Organellen in den grundlegenden oxidativen Prozessen eukaryotischer Zellen betrachten, die in Abb. 5.5 zusammengestellt sind. Es ist vielleicht hilfreich, diesen Ûberblick eingehender zu betrachten und die dazugehærige Legende zu lesen, bevor man sich den folgenden ausfçhrlichen Beschreibungen dieser Stoffwechselwege zuwendet.

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n Abb. 5.4. #   (      C      #        &C  ? "  !  '  B    &C   ?  !  #  "  # "         

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und Tieren ringfærmig sind (Abb. 5.3 c). Somit besitzen die Mitochondrien ihr eigenes genetisches Material sowie den Apparat, um ihre eigenen RNAs und Proteine herzustellen. Diese nichtchromosomale DNA ist wichtig, weil sie eine kleine Anzahl mitochondrialer Polypeptide codiert (13 beim Menschen), die zusammen mit Polypeptiden, die von Genen im Kern codiert werden, fest in die innere Mitochondrienmembran eingebunden sind. Die mitochondriale DNA des Menschen codiert darçber hinaus auch zwei ribosomale RNAs und 22 tRNAs, die fçr die Proteinsynthese im Organell benætigt werden. Die Mitochondrien-DNA ist ein urzeitliches Relikt. Sie stammt von einem einzelnen aeroben Bakterium ab, das sich im Cytoplasma einer primitiven Zelle niedergelassen hatte, aus der letztlich alle eukaryotischen Zellen hervorgegangen sind (¹Experimentelle Verfahrenª, Kap. 1). Die meisten Gene dieses uralten Symbionten gingen entweder verloren oder wanderten im Verlauf der Evolution in den Kern der Wirtszelle. Zurçck blieben nur einige wenige Gene, die einige

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5.2 Der oxidative Stoffwechsel in den Mitochondrien In Kap. 3 haben wir die ersten Stadien der Oxidation der Kohlenhydrate beschrieben. Ausgehend von Glucose katalysieren die GlycolyseEnzyme im Cytosol die ersten Schritte des Oxidationsprozesses (Abb. 5.5). Die zehn Reaktionen der Glycolyse sind in Abb. 3.23 zu sehen; in Abb. 5.6 findet man eine Zusammenfassung der wichtigsten Schritte dieses Stoffwechselweges. In der Glycolyse wird nur ein Bruchteil der in der Glucose steckenden Freien Enthalpie fçr die Zelle verfçgbar; das reicht insgesamt nur zur Synthese von zwei ATP-Molekçlen pro Molekçl oxidierter Glucose (Abb. 5.6). Die meiste Energie bleibt im Pyruvat zurçck. Jedes Molekçl NADH, das bei der Oxidation von Glyceraldehyd3-phosphat (Reaktionen 6, Abb. 5.6) gebildet wird, besitzt auch ein Paar energiereicher Elektronen.1 Pyruvat und NADH, die beiden Produkte der Glycolyse, kænnen auf zwei vællig unter1 Nicht alle Biochemiker sind mit den Begriffen ¹energiereiche Elektronenª und ¹energiearme Elektronenª einverstanden. Diese Begriffe vermitteln jedoch ein Bild, mit dem man etwas anfangen kann. Wie in Kap. 5.3.1 beschrieben, werden energiereiche Elektronen nicht so stark festgehalten und daher leichter von einem Donor auf einen Akzeptor çbertragen als energiearme Elektronen.

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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schiedlichen Wegen weiter abgebaut werden; das hångt ganz davon ab, in welchem Zelltyp sie entstehen und ob Sauerstoff vorhanden ist oder nicht. In Gegenwart von O2 kænnen aerobe Organismen aus dem in der Glycolyse entstandenen Pyruvat und NADH noch groûe Mengen zusåtzlicher Energie gewinnen: genug, um çber 30 weitere ATP-Molekçle zu synthetisieren. Diese Energie wird in den Mitochondrien gewonnen (Abb. 5.5). Wir beginnen mit Pyruvat und besprechen erst spåter, was mit NADH passiert. Jedes in der Glycolyse gebildete Pyruvatmolekçl wird çber die innere Mitochondrienmembran in die Matrix transportiert, wo es zu einer Acetylgruppe mit zwei Kohlenstoffatomen (-CH3COO±) decarboxyliert wird. Die Acetylgruppe wird dann auf Coenzym A (eine komplexe organische Verbindung, die vom Vitamin Panthothensåure abstammt) çbertragen und so Acetyl-CoA gebildet.

Pyruvat+HS-CoA+NAD+ ? Acetyl-CoA+CO2+NADH+H+ Die Decarboxylierung von Pyruvat und die Ûbertragung der Acetylgruppe auf CoA (Abb. 5.5 und 5.7) werden von dem riesigen Multienzymkomplex Pyruvat-Dehydrogenase katalysiert, dessen Struktur in Abb. 2.40 zu sehen ist. .$! Der Citratzyklus Sobald Acetyl-CoA entstanden ist, wird es in einen zyklischen Stoffwechselweg eingespeist, der als Citratzyklus bezeichnet wird und in dem das Substrat oxidiert und seine Energie konserviert wird. Mit Ausnahme der an die innere Membran gebundenen Succinat-Dehydrogenase befinden sich såmtliche Enzyme des Citratzyklus in der læslichen Phase der Matrix (Abb. 5.5). Der Citratzyklus wird nach dem britischen Bioche-



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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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 miker Hans Krebs, der den Stoffwechselweg in den 1930er Jahren ausgearbeitet hat, auch als Krebszyklus bezeichnet. Als Krebs erstmals gençgend Belege fçr das Konzept eines Stoffwechselzyklus hatte, schickte er einen Artikel mit seinen Ergebnissen an die britische Zeitschrift )  . Einige Tage spåter erhielt er seine Arbeit zusammen mit einem Ablehnungsbescheid zurçck. Der Herausgeber war zu dem Schluss gekommen, dass sie nicht wichtig genug sei, um im Journal veræffentlicht zu werden. Im ersten Schritt des Citratzyklus wird die Acetylgruppe (zwei C-Atome) mit einem Oxalacetat (vier C-Atome) zu einem Citratmolekçl (sechs C-Atome) kondensiert (Abb. 5.7, Schritt 12). Im weiteren Verlauf des Zyklus wird das Citratmolekçl jeweils um ein Kohlenstoffatom abgebaut, bis wieder das Oxalacetatmolekçl (vier C-Atome) çbrig bleibt, das dann erneut mit einem Acetyl-CoA kondensiert werden kann. Die beiden Kohlenstoffatome, die im Citratzyklus

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Der oxidative Stoffwechsel in den Mitochondrien

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entfernt werden (es sind nicht dieselben, die mit der Acetylgruppe in den Zyklus eingespeist werden), werden vollståndig zu Kohlendioxid oxidiert. Wåhrend des Citratzyklus gibt es vier Reaktionen, in denen jeweils ein Elektronenpaar von einem Substrat auf ein Coenzym çbertragen wird, das Elektronen aufnimmt. In drei dieser Reaktionen wird NAD+ zu NADH, in einer FAD zu FADH2 reduziert (Abb. 5.7). Die Gesamtreaktion des Citratzyklus kann man folgendermaûen zusammenfassen: Acetyl-CoA+2 H2O+FAD+3 NAD++GDP+Pi ? 2 CO2+FADH2+3 NADH +3 H++GTP+HS-CoA Der Citratzyklus ist ein ganz entscheidender Stoffwechselweg. Wenn man seine Stellung im Gesamtstoffwechsel der Zelle betrachtet (Abb. 5.8 und 3.21), erkennt man, dass im Citratzyklus genau dieselben Verbindungen entstehen wie in

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

den meisten anderen katabolen Stoffwechselwegen der Zelle. Acetyl-CoA beispielsweise ist ein wichtiges Endprodukt einer Reihe kataboler Stoffwechselwege wie etwa des Abbaus von Fettsåuren zu 2C-Einheiten in der Matrix der Mitochondrien (Abb. 5.8 a). Diese 2C-Verbindungen treten als Acetyl-CoA in den Citratzyklus ein. Beim Abbau der Aminosåuren, der Grundbausteine der Proteine, entstehen ebenfalls Metaboliten des Citratzyklus (Abb. 5.8 b), die çber spezielle Transportsysteme in der inneren Mitochondrienmembran in die Matrix gelangen. Offensichtlich werden såmtliche energieliefernden Makromolekçle (Polysaccharide, Fette und Proteine) zu Stoffwechselzwischenprodukten des Citratzyklus abgebaut. Auf diese Weise wird das Mitochondrium zur zentralen Anlaufstelle, an der unabhångig vom Ausgangsmaterial die abschlieûenden Schritte fçr die Speicherung der Energie stattfinden. .$$ Die Bedeutung der reduzierten Coenzyme fçr die ATP-Synthese Aus der Gesamtgleichung des Citratzyklus geht eindeutig hervor, dass die reduzierten Coenzyme FADH2 und NADH die wesentlichen Stoffwechselprodukte sind. Auf sie werden die energiereichen Elektronen çbertragen, die den verschiedenen Substraten bei ihrer Oxidation entzogen wurden. Das (zusammen mit Pyruvat) im Rahmen der Glycolyse im Cytosol gebildete NADH kann jedoch nicht in die Mitochondrien eingefçhrt werden. Stattdessen wird mithilfe der Elektronen des NADH ein Stoffwechselzwischenprodukt mit geringem Molekulargewicht reduziert, das entweder (çber einen Stoffwechselweg, der als Malat-Aspartat-Shuttle bezeichnet wird) in das Mitochondrium gelangt und dort NAD+ zu NADH reduziert oder (çber einen Stoffwechselweg, der als Glycerinphosphat-Shuttle bezeichnet wird; Abb. 5.9) seine Elektronen auf FAD çbertrågt und so FADH2 bilden kann. Ûber diese beiden Wege kænnen die Elektronen des NADH aus dem Cytosol in die mitochondriale Elektronentransportkette eingeschleust und zur ATP-Bildung benutzt werden. Nachdem wir nun erklårt haben, wie im Rahmen der Glycolyse und des Citratzyklus NADH und FADH2 gebildet werden, kænnen wir zu den Reaktionsschritten zurçckkehren, in denen diese reduzierten Coenzyme zur Bildung von ATP verwendet werden. Man kann den Gesamtprozess in zwei Schritte unterteilten, die man folgendermaûen zusammenfassen kann (Abb. 5.10): &   E 30 ?0EA40 #    #  ' 9
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Der oxidative Stoffwechsel in den Mitochondrien

ersten einer Reihe von Elektronencarriern in der Elektronentransportkette der inneren Mitochondrienmembran çbertragen. Die Elektronen durchlaufen die Atmungskette çber eine Reihe von Reaktionen, bei denen Energie freigesetzt wird. Diese Reaktionen gehen mit energieverbrauchenden Konformationsånderungen in Elektronencarriern einher, mit deren Hilfe die Protonen durch die innere Mitochondrienmembran nach auûen geschleust werden. Infolgedessen wird die Energie, die beim Elektronentransport freigesetzt wird, beiderseits der Membran in Form eines elektrochemischen Protonengradienten gespeichert. Letztlich werden die energiearmen Elektronen auf den terminalen Elektronenakzeptor, molekularen Sauerstoff (O2), çbertragen, der dadurch zu Wasser reduziert wird. &   F 30 ?0EA40 C   !/ %  

 #$%  /   '              $ und liefern so die Energie fçr die Phosphorylierung von ADP zu ATP. 1961 hat Peter Mitchell von der University of Edinburgh erstmals die Hypothese aufgestellt, dass die Protonenbewegungen fçr die ATP-Bildung wichtig ist. Die Experimente, die dazu gefçhrt haben, dass der          " wie Mitchell es nannte, akzeptiert wurde, werden in den ¹Experimentellen Verfahrenª beschrieben, die man unter www.wiley.com/karp im Netz finden kann. Mit den beiden, hier nur skizzierten Schritten werden wir uns in einem Groûteil des restlichen Kapitels ausfçhrlicher befassen.

Box 5 a

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Jedes Elektronenpaar, das çber die Elektronentransportkette von NADH auf Sauerstoff çbertragen wurde, setzt gençgend Energie frei, um damit etwa drei Molekçle ATP zu bilden. Jedes Paar, das von FADH2 çbertragen wird, setzt gençgend Energie frei, um etwa zwei Molekçle ATP zu produzieren. Wenn man alle ATPs zusammenzåhlt, die von einem Molekçl Glucose gebildet werden, das çber die Glycolyse und den Citratzyklus vollkommen abgebaut wird, so kommt man auf 36 ATPs ± einschlieûlich des GTP, das in jeder Runde des Citratzyklus entsteht (Schritt 16, Abb. 5.7). Wie viel ATP wirklich pro oxidiertem Molekçl Glucose gebildet wird, hångt von den jeweiligen Aktivitåten der Zelle ab. Welche Bedeutung die Glycolyse im Vergleich zum Citratzyklus, d. h. der anaerobe gegençber dem aeroben oxidativen Stoffwechsel fçr den Skelettmuskel des Menschen hat, wird in der anschlieûenden Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª erærtert.

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Aus Sicht des Menschen

Die Bedeutung des anaeroben und aeroben Stoffwechsels fçr das kærperliche Training Die Muskelkontraktion erfordert viel Energie. Die meiste Energie wird dazu verwendet, die Actin- und Myosin-Filamente aneinander entlang gleiten zu lassen, wie das in Kapitel 9 beschrieben wird. Die Energie fçr die Muskelkontraktion stammt aus ATP. Wenn sich ein Skelettmuskel maximal kontrahiert, steigt die Geschwindigkeit der ATP-Hydrolyse um mehr als den Faktor 100 gegençber dem nicht kontrahierten Zustand an. Der durchschnittliche Skelettmuskel des Menschen hat gençgend ATP, um sich zwei bis fçnf Sekunden lang kråftig zu kontrahieren. Aber auch schon,

wenn ATP hydrolysiert wird, ist es wichtig, dass zusåtzlich ATP gebildet wird, weil sonst das ATP/ADP-Verhåltnis und damit die fçr die Kontraktion zur Verfçgung stehende Energie geringer wçrde. Muskelzellen speichern daher Creatinphosphat (CrP), eine der Verbindungen, deren Phosphatçbertragungspotenzial græûer als das von ATP ist (Abb. 3.27); mithilfe von Creatinphosphat kann dann auf folgende Weise ATP gebildet werden: CrP + ADP ? Cr + ATP In Skelettmuskeln ist normalerweise gençgend Creatinphosphat gespeichert, um etwa 15 Sekunden lang fçr eine erhæhte ATP-Konzentration zu sorgen. Weil die Muskelzellen nur eine begrenzte Menge an ATP und Creatinphosphat

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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besitzen, muss fçr eine intensive oder langanhaltende Muskelaktivitåt zusåtzlich ATP çber den oxidativen Stoffwechsel gebildet werden. Die Skelettmuskeln des Menschen bestehen generell aus zwei Fasertypen (Abb. 1): Fasern, die sich sehr schnell (etwa 15±40 ms), und solche, die sich langsamer zusammenziehen (etwa 40±100 ms). Die schnellen Fasern enthalten, wie man unter dem Elektronenmikroskop sehen kann, praktisch keine Mitochondrien, woraus zu schlieûen ist, dass diese Zellen wohl kaum viel ATP durch aerobe Atmung erzeugen kænnen. Langsame Fasern enthalten dagegen groûe Mengen Mitochondrien. Diese beiden Fasertypen des Skelettmuskels eignen sich fçr unterschiedliche Aktivitåten. Wenn man Gewichte hebt oder sprintet, ist man vor allem auf die schnell kontrahierenden Fasern angewiesen, die mehr Kraft erzeugen kænnen als die langsamen. Schnelle Fasern gewinnen fast ihr gesamtes ATP anaerob çber die Glycolyse. Obwohl die Glycolyse im Vergleich zur Atmung nur etwa 5% der ATP-Molekçle pro oxidierter Glucose liefert, wird anaerob schneller ATP produziert als bei der aeroben Atmung, weil die Glycolyse viel schneller ablåuft als der Citratzyklus und der Elektronentransport. Die Probleme, die es bei der ATP-Synthese çber die Glycolyse gibt, bestehen darin, dass die (in Form von Glycogen) fçr die Faser verfçgbare Glucose schnell aufgebraucht ist und dabei ein unerwçnschtes Endprodukt, die Milchsåure, entsteht. Diesem letzten Aspekt wollen wir uns nåher zuwenden.

Rufen Sie sich dafçr ins Gedåchtnis zurçck, dass durch Gårung NAD+ gebildet werden muss, damit die Glycolyse weiterlaufen kann (Kap. 3.3.3). Die Muskelzellen erzeugen NAD+, indem sie Pyruvat, das Endprodukt der Glycolyse, zu Milchsåure reduzieren. Die Milchsåure diffundiert zum græûten Teil vom aktiven Muskel ins Blut, wo sie zur Leber transportiert und wieder in Glucose umgewandelt wird. Die in der Leber gebildete Glucose geht ins Blut çber, wo sie zu den aktiven Muskeln zurçckkehren kann, um weiterhin dafçr zu sorgen, dass die Glycolyse schnell ablaufen kann. Die Bildung der Milchsåure geht jedoch im Muskelgewebe mit einer Verringerung des pHWertes (von pH 7,00 auf 6,35) einher, was zu den Schmerzen und Kråmpfen fçhren kann, die mit eifrigem Trainieren verbunden sind. Wahrscheinlich sind der geringere pH-Wert sowie die Tatsache, dass die Glycogenspeicher leer sind, dafçr verantwortlich, dass beim Trainieren im anaeroben Bereich rasch das Gefçhl aufkommt, dass die Muskeln ermçden. Wenn man dagegen, anstatt Gewichte zu heben oder zu sprinten, aerob trainiert wie etwa beim Radfahren oder schnellen Gehen, kann man diese sportliche Betåtigung viel långer durchhalten, ohne dass die Muskeln schmerzen oder ermçden. Ein aerobes Training ist, wie der Name schon sagt, so ausgelegt, dass die Muskeln kontinuierlich aerob arbeiten, das heiût, das nætige ATP weiterhin çber den Elektronentransport und die oxidative Phosphorylierung erzeugen. Aerobe Ûbungen beruhen çberwiegend auf der Kontraktion der langsamen Skelettmuskelfasern. Mit diesen Fasern kann man zwar nicht so viel Kraft ausçben, dafçr kænnen sie aber lange Zeit ohne Unterbrechung eingesetzt werden, weil sie permanent ATP produzieren, ohne dass Milchsåure entsteht. Beim aeroben Training werden erst einmal Glucosemolekçle verfeuert, die als Glycogen in den Muskeln selber gespeichert werden. Doch bereits nach wenigen Minuten sind die Muskeln mehr und mehr auf freie Fettsåuren angewiesen, die aus dem Fettgewebe ins Blut gelangen. Je långer das Training dauert, desto græûer wird die Abhångigkeit von Fettsåuren. Nach 20 Minuten intensiver kærperlicher Bewegung im aeroben Bereich stammt schåtzungsweise etwa die Hålfte aller von den Muskeln verbrauchten Kalorien aus dem Fett. Aerobe Sportarten wie Joggen, schnelles Gehen, Schwimmen oder Radfahren sind daher eine der besten Mæglichkeiten ¹abzuspeckenª.



Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATP-Produktion

Jeder Muskel hat eine anderes Verhåltnis von schnellen und langsamen Fasern. Die Haltungsmuskeln des Rçckens, die wir benætigen, um stehen zu kænnen, haben einen hæheren Anteil an langsamen Fasern als die Armmuskeln, die man braucht, um etwas zu werfen oder zu heben. Das genaue Verhåltnis von schnellen zu langsamen Fasern in einem bestimmten Muskel ist genetisch festgelegt und von Mensch zu Mensch verschieden, weshalb sich einzelne Personen bei bestimmten Sportarten auszeichnen. So haben beispielsweise Weltklassesprinter und -gewichtheber in ihren

.' Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATP-Produktion Mitochondrien werden oft als winzige Kraftwerke bezeichnet. Wie diese gewinnen Mitochondrien Energie aus organischem Material und speichern sie vorçbergehend in Form von elektrischer Energie. Genauer gesagt, wird mithilfe der aus den Substraten gewonnenen Energie an der inneren Mitochondrienmembran ein Ionengradient aufgebaut. Solch ein Gradient ist eine Energieform, die Arbeit leisten kann. Wir haben in Kap. 4 gesehen, wie Darmzellen mithilfe eines Ionengradienten an ihrer Plasmamembran Zucker und Aminosåuren aus dem Darmlumen herausschleusen; Nervenzellen leiten mithilfe eines åhnlichen Gradienten Nervenimpulse. Um einen Ionengradienten als Energieform nutzen zu kænnen, sind mehrere Elemente erforderlich; dazu gehæren ein System zur Erzeugung eines Gradienten, eine Membran, an welcher der Gradient aufrechterhalten werden kann, sowie der Apparat, der den Gradienten zur Verrichtung von Arbeit nutzen kann. Mitochondrien nutzen fçr zahlreiche energieverbrauchende Aktivitåten einen Ionengradienten an ihrer inneren Membran; an erster Stelle ist hier die ATP-Synthese zu nennen. Wenn ATP mithilfe von Energie synthetisiert wird, die aus Elektronen freigesetzt wird, welche aus der Oxidation von Substraten stammen, bezeichnet man diesen Prozess als -   9 /   %  (Zusammenfassung: Abb. 5.10). Man kann die oxidative Phosphorylierung mit der Substratkettenphosphorylierung vergleichen, bei der ATP direkt aufgrund des Transfers einer Phosphatgruppe von einem Substratmolekçl auf ADP entsteht (Kap. 3.3.3). Einer Schåtzung zufolge sorgt

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Muskeln einen hæheren Anteil an schnellen Fasern als Langstreckenlåufer. Auûerdem fçhrt Training fçr Sportarten wie Gewichtheben zu einer unproportional starken Anreicherung der schnellen Fasern. Das Herzmuskelgewebe muss seine Aktivitåt ebenfalls verstårken, wenn man sich sehr anstrengt. Doch im Gegensatz zum Skelettmuskelgewebe kann das Herz ATP nur çber den aeroben Stoffwechsel bilden. Fast 40% des cytoplasmatischen Raums einer Herzmuskelzelle des Menschen sind angefçllt mit ATP-synthetisierenden Mitochondrien.

die oxidative Phosphorylierung in unserem Kærper jeden Tag fçr die Bildung von çber 2 ´1026 Molekçlen (>160 kg) ATP. Die Entschlçsselung des Grundmechanismus der oxidativen Phosphorylierung war eine der Glanzleistungen auf dem Gebiet der Zell- und Molekularbiologie. Es wird noch immer daran gearbeitet, die fehlenden Lçcken zu schlieûen. Um den Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung zu verstehen, muss man zuerst darçber nachdenken, wie bei der Oxidation eines Substrats Energie freigesetzt werden kann. 5.3.1 Redoxpotenziale Wenn man eine Reihe von Oxidationsmitteln miteinander vergleicht, kann man sie nach ihrer Elektronenaffinitåt anordnen: Je græûer diese Affinitåt ist, desto stårker ist das Oxidationsmittel. Reduktionsmittel kann man ebenfalls entsprechend ihrer Elektronenaffinitåt anordnen: Je geringer ihre Affinitåt ist (je leichter sie Elektronen abgeben), desto stårkere Reduktionsmittel sind sie. Um dafçr messbare Græûen zu finden, werden Reduktionsmittel entsprechend ihres #  $  angeordnet; Substanzen mit einem hohen Elektronençbertragungspotenzial wie NADH sind starke Reduktionsmittel, wåhrend solche mit einem geringen Elektronençbertragungspotenzial wie H2O schwache Reduktionsmittel sind. Oxidationsund Reduktionsmittel bilden ein Paar, wie NAD+ und NADH, das sich in der Anzahl ihrer Elektronen unterscheidet. Starke Reduktionsmittel sind mit schwachen Oxidationsmitteln gekoppelt und umgekehrt. So ist beispielsweise NAD+ (aus dem NAD+/NADH-Paar) ein schwaches Oxidationsmittel, wåhrend O2 (aus dem O2/H2O-Paar) ein starkes Oxidationsmittel ist.

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

<eil es durch den Elektronenfluss zu einer Ladungstrennung kommt, kann man die Affinitåt der Substanzen fçr Elektronen mit Spannungsmessern bestimmen (Abb. 5.11). Dabei misst man fçr ein bestimmtes Paar das (-        /$  (oder -$ ) gegençber dem Potenzial irgendeines Standardpaares. Als Standardpaar wurde willkçrlich Wasserstoff (H+/H2) festgelegt. Genauso wie man bei der Ønderung der Freien Enthalpie mit DG8, der Ønderung der Freien Standardenthalpie unter bestimmten feststehenden Bedingungen, einen Bezugspunkt eingefçhrt hat, hat man auch fçr Redoxpaare solche Standardbedingungen definiert. Das Standardredoxpotenzial 0 fçr ein bestimmtes Paar entspricht der von einer Messzelle (in der nur Mitglieder eines Paares vorhanden sind) erzeugten Spannung, wobei in der Messzelle alle Mitglieder eines Paares in Standardkonzentrationen vorliegen und Standardbedingungen herrschen (wie in Abb. 5.11). Als Standardkonzentrationen gelten 1,0 M fçr gelæste Stoffe und Ionen sowie 101,3 kPa (1 atm) Druck fçr Gase (wie H2) bei 25 8C. Das Standardredoxpotenzial fçr die Redoxreaktion des Wasserstoffs (2 H++2 Elektronen ? H2) betrågt 0,00 V. In Tabelle 5.1 findet man die Redoxpotenziale einiger biologisch wichtiger Paare. Beim Wasserstoffpaar liegt der Wert in der Tabelle nicht bei 0,00, sondern bei ±0,42 V. Dieser Wert gilt fçr eine H+-Konzentration von 10±7 (pH 7,0) und nicht fçr 1,0 M (pH 0,0), da eine solche Konzentration physiologisch bedeutungslos ist. Das Standardredoxpotenzial bei pH 7 wird mit dem Symbol '0 und nicht mit 0 angegeben. Das Vorzeichen des Potenzials (positiv oder negativ) der Paare ist willkçrlich gewåhlt; das wird in verschiedenen Fachbereichen unterschiedlich gehandhabt. Wir wollen folgende Ûbereinkunft treffen: Bei Paaren, bei denen die Reduktionsmittel bessere Elektronendonoren sind, ist das Redoxpotenzial stårker negativ. So betrågt beispielsweise das Standardredoxpotenzial fçr das NAD+/NADH-Paar ±0,320 V (Tabelle 5.1). Acetaldehyd ist ein stårkeres Reduktionsmittel als NADH, und das Acetat-Acetaldehyd-Paar hat ein Standardredoxpotenzial von ±0,580 V. Bei Paaren, deren Oxidationsmittel bessere Elektronenakzeptoren sind als NAD+, d. h. die eine græûere Elektronenaffinitåt haben als NAD+, ist das Redoxpotenzial stårker positiv. Genau wie bei irgendwelchen anderen spontanen Reaktionen geht auch bei Redoxreaktionen Freie Enthalpie verloren. Die Ønderung der freien Standardenthalpie wåhrend einer Reaktion vom Typ A(ox)+B(red) „ A(red)+B(ox)

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Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATP-Produktion

kann man nach folgender Gleichung anhand der Standardredoxpotenziale der beiden Paare berechnen, die an der Reaktion beteiligt sind: D%8' = ±
D'0 Dabei ist die Anzahl der in der Reaktion çbertragenen Elektronen,
die Faraday-Konstante (23,063 kcal/V´mol) und D0' die Differenz in Volt zwischen den Standardredoxpotenzialen der beiden Paare. Je græûer der Unterschied im Standardredoxpotenzial zwischen zwei Paaren ist, desto weiter schreitet die Reaktion unter Standardbedingungen in Richtung der Bildung von Reaktionsprodukten fort, bevor ein Gleichgewichtszustand erreicht wird. Wir wollen uns die Reaktion genauer ansehen, in der NADH, ein starkes Reduktionsmittel, durch molekularen Sauerstoff, ein starkes Oxidationsmittel, oxidiert wird.

ermæglichen, in der das ATP/ADP-Verhåltnis sehr viel græûer ist als bei Standardbedingungen. Im Mitochondrium wird diese Energie in einer Reihe kleiner Schritte unter Freisetzung von Energie von NADH auf ATP çbertragen. Diese Schritte werden fçr den Rest des Kapitels im Mittelpunkt stehen. In den Mitochondrien werden von mehreren Substanzen des Citratzyklus wie Isocitrat,
-Ketoglutarat, Malat und Succinat Elektronen auf NAD+ (oder FAD) çbertragen. Die ersten drei dieser Metaboliten haben Redoxpotenziale mit relativ stark negativen Werten (Tabelle 5.1), die ausreichen, um    Elektronen auf NAD+ zu çbertragen.2 Dagegen geht mit der Oxidation von Succinat zu Fumarat, die ein stårker positives Redoxpotenzial hat, eine Reduktion von FAD, eines Coenzyms mit einer græûeren Elektronenaffinitåt als NAD+, einher. .'$ Elektronentransport

NADH+1/2 O2+H+ ? H2O+NAD+ Die Standardredoxpotenziale der beiden Paare sind: 1/2 O2+2H++2 ± ? H2O NAD++2H++2 ± ? NADH+H+

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'0 = +0,82 V 0' = ±0,32 V

Die Spannungsånderung der Gesamtreaktion entspricht dem Unterschied zwischen beiden 0' -Werten (D0' ): D'0 =+0,82 V ± (±0,32 V) = 1,14 V was ein Maû dafçr ist, wie viel Freie Enthalpie freigesetzt wird, wenn NADH unter Standardbedingungen mithilfe von molekularem Sauerstoff oxidiert wird. Wenn man diesen Wert in die obige Gleichung einsetzt, ergibt sich nach D%'0 = (±2)(23,063 kcal/V´mol)(1,14 V) = ±52,6 kcal/mol oxidiertes NADH eine Ønderung der freien Standardenthalpie (D%'0) von ±52,6 kcal/mol. Wie bei anderen Reaktionen hången die wirklichen D%-Werte davon ab, welche Konzentrationen der Reaktionspartner und Reaktionsprodukte (oxidierte und reduzierte Formen der Verbindungen) zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle vorliegen. Unabhångig davon scheint die Abnahme an Freier Enthalpie eines Elektronenpaars, das von NADH auf molekularen Sauerstoff (D%0' = ±52,6 kcal/ mol) çbergeht, auszureichen, um die Bildung mehrerer Molekçle ATP (D%'0 = +7,3 kcal/mol) selbst unter den Bedingungen in der Zelle zu

Fçnf der neun in Abb. 5.7 dargestellten Reaktionen werden von Dehydrogenasen katalysiert, Enzymen, die ein Elektronenpaar von Substraten auf Coenzyme çbertragen. Bei vier dieser Reaktionen entsteht NADH, bei einer FADH2. Anschlieûend dissoziieren die in der Mitochondrienmatrix gebildeten NADH-Molekçle von ihren jeweiligen Dehydrogenasen und binden an die NADH-Dehydrogenase, ein integrales Protein der inneren Mitochondrienmembran (Abb. 5.17). Die Succinat-Dehydrogenase, das Enzym, das die Bildung von FADH2 (Abb. 5.7, Reaktion 17) katalysiert, ist dagegen ± anders als die çbrigen Enzyme des Citratzyklus ± ein Bestandteil der inneren Mitochondrienmembran. In beiden Fållen werden die mit NADH oder FADH2 assoziierten energiereichen Elektronen in der inneren Mitochondrienmembran çber eine Reihe spezifischer Elektronencarrier, die dort die #    (oder  ) bilden, weiterçbertragen.

2 Wie in Tabelle 5.1 angedeutet, ist das Standardredoxpotenzial (0' ) des Paares Oxalacetat/Malat græûer als das von NAD+/NADH. Daher kann Malat nur dann zu Oxalacetat oxidiert werden, wenn das Verhåltnis der Reaktionsprodukte zu den Reaktionsteilnehmern geringer ist als unter Standardbedingungen. Das D% dieser Reaktion bleibt negativ, solange im Bereich um das aktive Zentrum des Enzyms herum die Malat- und/oder NAD+-Konzentration die von Oxalacetat oder NADH çbersteigt. Diese Situation entspricht der bei der Bildung von Glyceraldehyd-3-phosphat aus Dihydroxyacetonphosphat (Kap. 3.1.2).

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

.'' 9ypen von Elektronencarriern Die Elektronentransportkette besteht aus fçnf Typen von membranståndigen Elektronencarriern: Flavoproteine, Cytochrome, Kupferatome, Ubichinon und Eisen-Schwefel-Proteine. Mit Ausnahme des Ubichinons sind alle Redoxzentren in der Atmungskette, die Elektronen annehmen und abgeben, prosthetische Gruppen, d. h. Elemente, die keine Aminosåuren enthalten, aber eng mit Proteinen assoziiert sind. n
 9  bestehen aus einem Polypeptid, das eng mit einer von zwei verwandten prosthetischen Gruppen verbunden ist: entweder Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD) oder Flavin-Mono-Nucleotid (FMN) (Abb. 5.12 a). Die prosthetischen Gruppen der Flavoproteine, die vom Riboflavin (Vitamin B2) abstammen, kænnen jeweils zwei Protonen und Elektronen aufnehmen und abgeben. Die wichtigsten Flavoproteine der Mitochondrien sind die NADH-Dehydrogenase der Elektronentransportkette und die Succinat-Dehydrogenase des Citratzyklus. n +%  sind Proteine mit prosthetischen Håmgruppen (wie die, welche in Kap. 2.50.3 fçr Myoglobin beschrieben werden). Das Eisenatom einer Håmgruppe wechselt nach Aufnahme oder Abgabe eines einzelnen Elektrons reversibel zwischen den Oxidationszustånden Fe3+ und Fe2+ (Abb. 5.12 b). Es gibt in der Elektronentransportkette drei unterschiedliche Cytochromtypen, ,  und , die sich aufgrund ihrer Substitutionen an der Håmgruppe (angedeutet durch die blauen Anteile in Abb. 5.12 b) unterscheiden. n   , alle in einem einzigen Proteinkomplex der inneren Mitochondrienmembran (Abb. 5.19), nehmen ein einzelnes Elektron auf oder geben es ab, wenn sie zwischen den Oxidationszustånden Cu2+ und Cu3+ wechseln. n    (UQ oder Coenzym Q) ist ein fettlæsliches Molekçl mit einer langen hydrophoben Kette aus Isopren-Einheiten mit fçnf Kohlenstoffatomen (Abb. 5.12 c). Wie die Flavoproteine kann jedes Ubichinon zwei Elektronen und Protonen aufnehmen und abgeben. Das teilweise reduzierte Molekçl ist das freie Radikal Ubisemichinon und das vollståndig reduzierte Molekçl

ist Ubichinol (UQH2). Ubichinon bleibt in der Lipiddoppelschicht der Membran, in der es schnell seitwårts diffundieren kann. n # & '/  sind eisenhaltige Proteine, deren Eisenatome sich nicht in einer Håmgruppe befinden, sondern in einem # & ' mit anorganischen Schwefelatomen verknçpft sind. Die håufigsten Zentren enthalten entweder zwei oder vier Eisen- und Schwefelatome ± gekennzeichnet als [2Fe-2S] beziehungsweise [4Fe-4S] ±, die çber Cysteinreste mit dem Protein verbunden sind (Abb. 5.13). Obwohl ein einzelnes Zentrum mehrere Eisenatome haben kann, kann der Gesamtkomplex nur ein einziges Elektron aufnehmen oder abgeben. Wie groû das Redoxpotenzial eines Eisen-Schwefel-Zentrums ist, hångt von der Hydrophobizitåt und Ladung der Aminosåurereste in seiner direkten Umgebung ab. Die Potenziale der Eisen-Schwefel-Proteingruppe insgesamt liegen innerhalb eines Spektrums von etwa ±700 mV bis +300 mV, je nachdem wie groû die Spanne ist, çber welche die Elektronen hinweg transportiert werden. Bisher hat man in Mitochondrien çber ein Dutzend EisenSchwefel-Zentren gefunden. Die Carrier in der Elektronentransportkette sind so angeordnet, dass ihr Redoxpotenzial immer weiter ansteigt (Abb. 5.14). Jeder Carrier wird durch die Aufnahme von Elektronen vom vorherigen Carrier in der Kette reduziert und spåter durch die Abgabe von Elektronen an den nåchsten Carrier oxidiert. Somit werden die Elektronen von einem Carrier auf den nåchsten çbertragen und verlieren bei dieser ¹Talfahrtª entlang der Kette Energie. Das letzte Glied in dieser Stafette von Donoren und Akzeptoren ist O2, das durch die Aufnahme von Elektronen, deren Energie aufgebraucht ist, zu Wasser reduziert wird. In welcher Reihenfolge die Carrier in der Elektronentransportkette genau angeordnet sind, haben Britton Chance und seine Mitarbeiter an der University of Pennsylvania mit einer Reihe von Hemmstoffen herausgefunden, die den Elektronentransport an bestimmten Stellen entlang der Route blockieren. Das Prinzip dieser Experimente ist in Abb. 5.15 skizziert. Jedes Mal wurde den Zellen ein Hemmstoff zugesetzt und der Oxidationszustand der verschiedenen Elektronencarrier in den blockierten Zellen ermittelt. Dazu kann man ein Spektrometer verwenden, das die Lichtabsorption einer Probe bei ver-



Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATP-Produktion

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schiedenen Wellenlången misst. Anhand dieser Messung låsst sich feststellen, ob sich ein bestimmter Carrier im oxidierten oder reduzierten Zustand befindet. In dem in Abb. 5.15 dargestellten Fall blockiert die Zugabe von Antimycin A den Elektronentransport so, dass NADH, FMNH2, QH2 und Cyt  reduziert und die Cytochrome  und  oxidiert sind. Dieser Befund spricht dafçr, dass sich NAD, FMN, Q und Cyt  stromaufwårts von der Blockadestelle befinden. Bei einem Hemmstoff (wie Rotenon), der zwischen FMN und Q wirkt, wåren dagegen nur NADH und FMNH2 reduziert. Man konnte somit die Reihenfolge der Carrier bestimmen, indem man untersuchte, welche Bestandteile in Gegen-

wart verschiedener Inhibitoren reduziert und welche oxidiert waren. Wie leicht Elektronen von einem Carrier zum nåchsten transportiert werden, hångt von der Potenzialdifferenz zwischen den beiden Redoxzentren, die Geschwindigkeit des Transfers hångt dagegen von den katalytischen Aktivitåten der beteiligten Proteine ab. Diese Unterscheidung zwischen Thermodynamik und Kinetik åhnelt der, die in Kap. 3.2.1 in Bezug auf die Enzymaktivitåt erærtert wurde. Untersuchungen sprechen dafçr, dass Elektronen zwischen benachbarten Redoxzentren betråchtliche Strecken (1±2 nm) zurçcklegen kænnen. Dabei flieûen sie wahrscheinlich durch spezielle ¹Tunnelsystemeª

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Die Zellatmung und das Mitochondrium



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aus einer Abfolge von kovalenten Bindungen und Wasserstoffbrçcken, die sich çber Teile von mehreren Aminosåureresten hinweg erstrecken. Ein Beispiel fçr einen solchen postulierten Weg, an dem Cytochrom  beteiligt ist, zeigt Abb. 5.16.

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#  - Wenn die innere Mitochondrienmembran durch Detergenzien aufgelæst wurde, kann man die verschiedenen Elektronencarrier aus vier verschiedenen asymmetrischen, transmembranen Komplexen isolieren: den Komplexen I, II, III und IV (Abb. 5.17). Jeder dieser vier Komplexe hat im gesamten Oxidationsprozess eine spezielle Funktion. Zwei Elemente der Elektronentransportkette, Cytochrom  und Ubichinon, gehæren allerdings zu keinem der vier Komplexe. Wåhrend Ubichinon einen Molekçlpool bildet, der in der Lipiddoppelschicht gelæst ist, ist Cytochrom  ein læsliches Protein im Intermembranraum. Man nimmt an, dass Ubichinon und Cytochrom  in oder entlang der Membran wandern und so Elektronen zwischen den groûen, relativ unbeweglichen Proteinkomplexen hin- und hertransportieren. Wenn sie dann in einem der groûen Multiproteinkomplexe sind, wandern die Elekt-



Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATP-Produktion

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onen auf definierten Wegen (Abb. 5.16) zwischen benachbarten Redoxzentren, deren Lage zueinander festgelegt ist. Wenn NADH Elektronen abgibt, gelangen diese çber Komplex I in die Atmungskette, der die Elektronen auf Ubichinon çbertrågt, wobei Ubichinol entsteht (Abb. 5.12 und 5.17). Im Gegensatz zu NADH, das von seinen læslichen Dehydrogenasen abdiffundieren kann, bleibt FADH2 kovalent an die Succinat-Dehydrogenase gebunden, die zum Komplex II gehært. Wenn der FADH2 Elektronen freisetzt, çberspringen diese das stromaufwårts liegende Ende der Kette, dessen Redoxpotenzial zu negativ ist, um die nicht so energiereichen Elektronen des Flavinnucleotids aufzunehmen, und werden direkt zum Ubichinon geleitet (Abb. 5.14). Wenn man die Redoxpotenziale der aufeinanderfolgenden Carrier in Abb. 5.14 untersucht, wird klar, dass beim Elektronentransport an drei Stellen græûere Mengen Freier Enthalpie freigesetzt werden. Jede dieser 

 befindet sich zwischen Carriern, die zu einem der drei Komplexe I, III und IV gehæren. Die Freie Enthalpie, die frei wird, wenn die Elektronen diese drei Stellen passieren, wird in einem Protonenstrom aus der Matrix durch die innere Membran in den Intermembranraum aufgefan-

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gen. Diese drei Proteinkomplexe werden daher oft als / bezeichnet. Mithilfe des Protonentransfers durch diese Elektronen transportierenden Komplexe entsteht der Protonengradient, der die ATP-Synthese ermæglicht. Um zu demonstrieren, wie gut diese erstaunlichen molekularen Maschinen in der Lage sind, als unabhångige protonentransferierende Einheiten zu agieren, isoliert man sie am besten jeweils und baut sie dann getrennt in kçnstliche Lipidvesikel ein. Mit einem entsprechenden Elektronendonor ausgestattet, kænnen diese proteinhaltigen Vesikel dann Elektronen aufnehmen und mithilfe der freigesetzten Energie Protonen çber die Vesikelmembran pumpen (Abb. 5.18). In den letzten Jahren hat es groûe Fortschritte bei der Entschlçsselung der molekularen Architektur såmtlicher Proteinkomplexe in der inneren Membran gegeben (Abb. 5.17 b). Wissenschaftler fragen sich nicht långer, wie diese Proteine aussehen, sondern versuchen, anhand der zahlreichen neuen Strukturdaten zu verstehen, wie sie funktionieren. Wir wollen kurz die Såugetiervarianten eines jeden der vier Elektronentransportkomplexe untersuchen, die zusammen etwa 70 verschiedene Polypeptide enthalten. Die bakteriellen Varianten sind erheblich einfacher als ihre Såugerpendants und bestehen auch aus weniger Untereinheiten. Die zusåtzlichen Untereinheiten der Såugerkomplexe enthalten keine Redoxzentren und spielen vermutlich eher bei der Regulation oder beim Zusammenbau des Komplexes als beim Elektronentransport eine Rolle. Mit anderen Worten: Der grundlegende Form des Elektronentransports bei der Atmung hat sich praktisch nicht geåndert, seit er vor Milliarden Jahren im Rahmen der Evolution unserer prokaryotischen Vorfahren entstanden ist. - 6 3 )2 % 4 Der Komplex I, mit dem die Elektronentransportkette beginnt, katalysiert die Ûbertragung eines Elektronenpaares von NADH zu Ubichinon (UQ), das dadurch zu Ubichinol (UQH2) wird. Die Såugervariante von Komplex I ist ein riesiges L-færmiges Konglomerat aus mindestens 45 verschiedenen Untereinheiten mit einem Molekulargewicht (MG) von 106. Sieben Untereinheiten ± alles hydrophobe Transmembranpolypeptide ± werden von Mitochondriengenen codiert und sind homolog zu den bakteriellen Polypeptiden. Wie in Abb. 5.17 b zu sehen, ist der Komplex I das einzige Element der Elektronentransportkette, dessen dreidimensionale Struktur zu dem Zeitpunkt, als dieses Buch geschrieben wurde, noch nicht ræntgenkristallographisch bestimmt worden ist. Komplex I enthålt: ein FMN-

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Die Zellatmung und das Mitochondrium



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Die Bedeutung der Mitochondrien fçr die ATP-Produktion

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enthaltendes Flavoprotein, das NADH oxidiert, mindestens sieben unterschiedliche Eisen-Schwefel-Zentren sowie zwei gebundene Molekçle Ubichinon. Man glaubt, dass pro Elektronenpaar, das den Komplex I passiert, vier Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum flieûen. - 66 3 &   % 4 Der Komplex II besteht aus vier Polypeptiden: zwei hydrophoben Untereinheiten, welche das Protein in der Membran verankern, sowie zwei hydrophilen Untereinheiten, welche die SuccinatDehydrogenase, ein Enzym aus dem Citratzyklus, bilden. Komplex II bietet die Mæglichkeit, weniger energiereiche Elektronen (eines mit nahezu 0 mV) von Succinat çber FAD auf Ubichinon zu çbertragen (Abb. 5.14 und 5.17). Auf ihrem Weg von FADH2 im aktiven Zentrum des Enzyms zu Ubichinon mçssen die Elektronen eine Strecke von 4 nm çber drei verschiedene Eisen-Schwefel-Cluster zurçcklegen. Komplex II besitzt auch eine Håmgruppe, von der man annimmt, dass sie Elektronen, die entkommen sind, anzieht und so verhindert, dass zerstærerische Superoxidradikale entstehen (¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.1.2). Der Elektro-

- 666 3 +%  bcE4 Der Komplex III katalysiert den Elektronentransport von Ubichinon zu Cytochrom . Experimentelle Messungen sprechen dafçr, dass fçr jedes Elektronenpaar, das den Komplex III passiert, vier Protonen çber die Membran gepumpt werden. Die Protonen werden dann in zwei Schritten in den Intermembranraum entlassen. Die Energie dafçr entsteht, wenn ein Elektronenpaar voneinander getrennt und auf verschiedenen Wegen durch den Komplex geschleust wird. Die beiden Protonen stammen aus dem Ubichinolmolekçl, das in den Komplex gelangt. Zwei weitere Protonen werden aus der Matrix entfernt und als Teil eines zweiten Ubichinolmolekçls durch die Membran geschleust. Diese Schritte werden ausfçhrlicher in Abb. 4 der ¹Experimentellen Verfahrenª beschrieben, die man im Netz auf der Internetseite www.wiley.com/college/karp abrufen kann. Drei Untereinheiten von Komplex III enthalten Redoxgruppen: Cytochrom  enthålt zwei Håm--Molekçle mit unterschiedlichen Redoxpotenzialen, Cytochrom 1 und einem Eisen-Schwefel-Protein. Cytochrom  wird als einziges Polypeptid des Komplexes von einem mitochondrialen Gen codiert. - 6. 3 +% c(-  4 Der letzte Schritt beim Elektronentransport in einem Mitochondrium besteht darin, dass entsprechend der folgenden Reaktion nacheinander Elektronen vom reduzierten Cytochrom  auf Sauerstoff çbertragen werden: 2 Cyt 2++2 H++1/2 O2 ? 2 Cyt 3++H2O Um ein ganzes Molekçl O2 zu reduzieren: 4 Cyt 2++4 H++O2 ? 4 Cyt 3++2 H2O Die Reduktion von O2 katalysiert Komplex IV, eine riesige Polypeptidansammlung, die als +%  (-   bezeichnet wird. Die Cytochrom-Oxidase war das erste Element der Elektronentransportkette, von dem man zeigen konnte, dass es als Protonenpumpe fungiert. Das wird durch das Experiment belegt, das in Abb. 5.18 skizziert ist. Dabei wurde das gereinigte Enzym in Vesikel mit einer kçnstlichen Lipiddoppelschicht eingebaut (Liposomen). Wenn man dem Medium reduziertes Cytochrom  zusetzte, wurden H+-Ionen aus den Vesikeln ausgeschleust. Dies war daran zu erkennen, dass der pH-Wert im umgebenden Medium sank. Der

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

Cotonentransfer ist ± ob in einem Liposom oder der inneren Mitochondrienmembran ± immer mit Konformationsånderungen verbunden, die darauf zurçckzufçhren sind, dass bei der Elektronençbertragung Energie freigesetzt wird. Man geht davon aus, dass fçr jedes O2-Molekçl, das die Cytochrom-Oxidase reduziert, acht Protonen aus der Matrix aufgenommen werden. Vier dieser Protonen werden fçr die Bildung von zwei Molekçlen Wasser verbraucht (s. oben), wåhrend die anderen vier Protonen durch die Membran geschleust und im Intermembranraum freigesetzt werden (Abb. 5.17). Daher lautet die Gesamtreaktion: 4 Cyt 2++8 H+(Matrix)+O2 ? 4 Cyt 3++2 H2O+4 H+(Cytosol) Man sollte noch besonders darauf hinweisen, dass eine Reihe potenzieller Atmungsgifte wie Kohlenmonoxid (CO), Azid (N3±) und Cyanid (CN±) toxisch sind, weil sie an die Håm-3Bindungsstelle der Cytochrom-Oxidase binden. (Kohlenmonoxid bindet darçber hinaus auch an die Håmgruppe des Håmoglobins.) #    7     +% (-   1996 wurde die dreidimensionale Struktur der Cytochrom-Oxidase aus dem Rinderherz mit einer Auflæsung von 0,28 nm ermittelt. Dieses riesige Molekçl besteht aus 13 Untereinheiten mit einem Molekulargewicht von insgesamt 204 000. Die drei græûten Polypeptide des Komplexes werden vom mitochondrialen Genom codiert und enthalten alle vier Redoxzentren des Proteins. Der Mechanismus des Elektronentransports durch den Komplex IV wurde schon intensiv untersucht ± vor allem in den Labors von Mšrten Wikstræm an der Universitåt von Helsinki in Finnland und von Gerald Babcock an der Michigan State University. Die Wissenschaftler stehen vor der nicht so leicht zu læsenden Aufgabe, eine Erklårung dafçr zu finden, wie Carrier, die nur einzelne Elektronen çbertragen kænnen, ein Molekçl O2 zu zwei Molekçlen Wasser reduzieren kænnen, ein Prozess, fçr den vier Elektronen (sowie vier Protonen) benætigt werden. Das Wichtigste ist, dass der Prozess sehr effizient ablaufen muss, weil die Zelle es mit sehr gefåhrlichen Substanzen zu tun hat; durch die unbeabsichtigte Freisetzung von teilweise reduzierten Sauerstoffmolekçlen kænnte praktisch jedes Makromolekçl in der Zelle geschådigt werden (¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.1.2).

Wie sich die Elektronen zwischen den Redoxzentren der Cytochrom-Oxidase bewegen, zeigt Abb. 5.19. Die Elektronen werden nacheinander vom Cytochrom  çber ein bimetallisches Kupferzentrum (CuA) der Untereinheit II auf eine Håmgruppe (Håm ) der Untereinheit I çbertragen. Von dort werden die Elektronen zum Redoxzentrum in der Untereinheit I weitergeleitet, das weniger als 0,5 nm entfernt eine zweite Håmgruppe (Håm 3) und ein weiteres Kupferatom (CuB) enthålt. Durch die Aufnahme der ersten beiden Elektronen wird das $'   a>+7 entsprechend folgender Gleichung reduziert ± 2+ 2+ + Fe3+ a3 +CuB +2 e ? Fe3 +CuB

Wenn das zweikernige Zentrum sein zweites Elektron aufgenommen hat, bindet ein O2-Molekçl an das Zentrum und nimmt ein Elektronenpaar auf, wobei wahrscheinlich ein reaktives Peroxi-Anion O22± gebildet wird. Fe2+±O

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? Fe3+±O± \ O± Cu2+

Das Peroxy-Ion ist die Verbindung mit der hæchsten Energie in der Reaktionsfolge; es reagiert schnell und zieht entweder von der Håmgruppe selbst oder von einem Aminosåurerest in der Nåhe ein drittes Elektron ab. Gleichzeitig nimmt das zweikernige Zentrum zwei Protonen aus der Matrix auf, spaltet die kovalente O-O-Bindung und reduziert eines der Sauerstoffatome. Fe4+=O2±

Cu2+±OH2

Durch die Passage eines vierten Elektrons und der Aufnahme von zwei weiteren Protonen aus der Matrix entstehen zwei Molekçle Wasser: Fe3+

Cu2++2 H2O

Fçr jedes Proton, das die Matrix verlåsst, bleibt ein Ûberschuss an negativer Ladung (in Form von einem OH±) zurçck, was gleich zum elektrochemischen Gradienten an der inneren Mitochondrienmembran beitrågt. Wie bereits erwåhnt, werden die aus der Matrix aufgenommenen Protonen unterschiedlich eingesetzt. Fçr jedes O2-Molekçl, das die Cytochrom-Oxidase zu 2 H2O reduziert, werden in dieser chemischen Reaktion vier H+-Ionen verbraucht und vier weitere H+-Ionen çber die innere Mitochondrienmembran geschleust. Die



Der Protonenfluss und die Erzeugung einer protonenmotorischen Kraft

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senschaftler haben in dem Molekçl potenzielle Protonenleitungen gefunden, deren Bedeutung aber noch nicht experimentell gesichert werden konnte. Leider kann man anhand statischer Strukturmodelle    nicht die dynamischen Prozesse aufklåren, die im aktiven Protein ablaufen. Mithilfe der bei der O2-Reduktion freigesetzten Energie åndert sich wahrscheinlich die Konformation, wodurch es auch zu Ønderungen im Ionisationsgrad und den genauen Positionen der Aminosåurenseitenketten in diesen Kanålen kommt. Diese Verånderungen kænnten wiederum die Bewegungen der H+-Ionen durch das Protein færdern.

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ersten vier Protonen kann man als ¹Substratª-Protonen und die anderen vier als ¹gepumpteª Protonen bezeichnen. Der Transfer beider Protonengruppen sorgt mit fçr den Aufbau eines elektrochemischen Gradienten an der Membran. Als die dreidimensionale Kristallstruktur der Cytochrom-Oxidase veræffentlicht war, konnte man untersuchen, welchen Weg die Substratund gepumpten Protonen mæglicherweise durch das riesige Protein nehmen. Anders als andere Ionen (wie Na+ oder Cl±), welche die gesamte Distanz selbst per Diffusion zurçcklegen mçssen, kænnen H+-Ionen im Austausch gegen andere Protonen, die sich auf dem Weg befinden, durch einen Kanal ¹hçpfenª. Man erkennt solche ¹Protonenleiterª daran, dass sie aus Reihen von sauren Resten, Resten, die çber Wasserstoffbrçcken miteinander verbunden sind, und eingeschlossenen Wassermolekçlen bestehen. Wis-

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5.4 Der Protonenfluss und die Erzeugung einer protonenmotorischen Kraft Wie wir gesehen haben, flieûen mithilfe der beim Elektronentransport freigesetzten Energie Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum und ins Cytosol. Der Protonenstrom durch die innere Membranen erzeugt eine Spannung, weil sich im Intermembranraum und Cytosol mehr positive und in der Matrix mehr negative

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

Ladungen ansammeln. Daher muss man beim Protonengradienten zwei Faktoren berçcksichtigen. Der eine ist der Konzentrationsunterschied an Wasserstoff-Ionen zwischen den beiden Seiten der Membran, der pH-Gradient (DpH). Der andere ist die Spannung (), die aufgrund der Ladungstrennung an der Membran erzeugt wird. Ein Gradient mit einer (chemischen) Konzentrations- und einer (elektrischen) Spannungskomponente ist ein     :   (Kap. 4.7.2). Man kann die Energie der beiden Komponenten des elektrochemischen Protonengradienten als      3D4 zusammenfassen, die in Millivolt gemessen wird. Dabei gilt Dp = ±2,3 (-2@
) DpH Weil 2,3 -2@
bei 25 8C 59 mV entspricht, kann man auch schreiben3 Dp = ±59 DpH Wie groû der Anteil des elektrischen Potenzials beziehungsweise des pH-Gradienten am Aufbau der protonenmotorischen Kraft ist, hångt von der jeweiligen Permeabilitåt der inneren Membran ab. Wenn beispielsweise wåhrend des Elektronentransports zusammen mit den Protonen noch negativ geladene Chlorid-Ionen ausstræmen, sinkt das elektrische Potenzial (), ohne dass sich der Protonengradient (DpH) åndert. Messungen in verschiedenen Labors lassen darauf schlieûen, dass Mitochondrien bei einer aktiven Atmung eine protonenmotorische Kraft von etwa 220 mV an der inneren Membran entwickeln. In Såugermitochondrien entfallen ungefåhr 80% der Freien Enthalpie von Dp auf die Spannungskomponente, die restlichen 20% entsprechen dem Konzentrationsunterschied an Protonen (etwa 0,5 bis 1 pH-Einheiten Unterschied). Wenn der Konzentrationsunterschied an Protonen sehr viel græûer wåre, wçrde sich das wahrscheinlich auf die Aktivitåt der cytoplasmatischen Enzyme auswirken. Man kann die Spannung an der inneren Mitochondrienmembran mithilfe von positiv geladenen fettlæslichen Farbstoffen sichtbar machen, die sich entsprechend des elektrischen Potenzials beiderseits der Membran verteilen (Abb. 5.20).

3 Mit anderen Worten: Ein Unterschied von einer pH-Einheit, also ein Unterschied von einem Faktor 10 in der + H -Konzentration çber die Membran hinweg, entspricht einer Potenzialdifferenz von 59 Millivolt und damit der Ønderung der Freien Enthalpie um 1,37 kcal/mol.

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Wenn die Zellen mit bestimmten fettlæslichen Agenzien, vor allem 2,4-Dinitrophenol (DNP), behandelt werden, oxidieren sie weiterhin Substrate, ohne allerdings ATP bilden zu kænnen. Mit anderen Worten: Durch DNP werden Glucose-Oxidation und ADP-Phosphorylierung  . Wegen dieser Eigenschaften benutzt man DNP in Labors håufig dazu, um die ATPSynthese zu blockieren. In den 1920er Jahren verschrieben einige Ørzte DNP sogar als Schlankheitsmittel. Wenn die korpulenten Patienten dieses Mittel einnahmen, oxidierten die Zellen weiterhin ihre Fettspeicher, ohne dabei allerdings normale ATP-Konzentrationen erreichen zu kænnen. Mit dieser Verschreibungspraxis war es zu Ende, als eine Reihe von Patienten, die das Medikament genommen hatten, starben. Mit der Formulierung der chemiosmotischen Theorie und dem Befund, dass Mitochondrien einen Protonengradienten aufbauen, war geklårt, wie

 DNP wirkt. Dieses Arzneimittel kann die Oxidation von der Phosphorylierung abkoppeln, weil es mit den Protonen eine Verbindung eingeht und die Protonen aufgrund seiner Fettlæslichkeit entlang ihres elektrochemischen Gradienten durch die innere Mitochondrienmembran schleust. Damit die protonenmotorische Kraft erhalten bleibt, muss die innere Mitochondrienmembran fçr Protonen praktisch undurchlåssig bleiben. Ansonsten wird der durch den Elektronentransport etablierte Gradient schnell abgebaut, weil die Protonen wieder in die Matrix zurçckkehren und die Energie in Form von Wårme freigesetzt wird. Es war eine Ûberraschung, als man herausfand, dass die innere Mitochondrienmembran bei bestimmten Zellen Proteine enthålt, die als natçrliche (endogene) Entkoppler wirken. Diese so genannten  /  (+/       ) findet man besonders håufig im braunen Fettgewebe von Såugern, das an der Wårmebildung beteiligt ist. Erwachsene haben praktisch kein braunes Fettgewebe mehr, aber in den Mitochondrien der Skelettmuskelzellen und bestimmter anderer Gewebe des Menschen befinden sich noch erhebliche Mengen an UCPs. Man hat den UCPs eine entscheidende Rolle bei der Festlegung der Grundumsatzes eines Menschen zugeschrieben, was vielleicht dazu beitrågt, die physiologische Grundlage der Fettsucht besser zu verstehen. Zwei Personen mit ganz unterschiedlichen UCPAktivitåten kænnen dieselbe Menge an Nahrung zu sich nehmen und oxidieren, aber die Person mit der hæheren UCP-Konzentration wird wahrscheinlich einen græûeren Anteil der freigesetzten Energie in Wårme statt in Fett umwandeln. Diese Ansicht wurde durch eine Studie beståtigt, bei der Måuse genetisch so veråndert wurden, dass sie groûe Mengen an menschlichem UCP synthetisierten. Obwohl diese Måuse mit der Nahrung 25-50% mehr Kalorien zu sich nahmen als Kontrolltiere, besaûen sie weniger Fettgewebe, weil sie mehr Energie verbrauchten. Diese Untersuchungen haben eine Suche nach Schlankheitsmitteln ausgelæst, die das Gewicht durch Anregung der UCP-Aktivitåt reduzieren. Die Experimente, die dazu gefçhrt haben, dass die protonenmotorische Kraft als wichtiger Faktor bei der ATP-Bildung angesehen wird, werden in den ¹Experimentellen Verfahrenª besprochen, die man unter www.wiley.com/college/ karp im Netz finden kann.

Der Apparat fçr die ATP-Synthese

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5.5 Der Apparat fçr die ATP-Synthese Nachdem wir erlåutert haben, wie durch den Elektronentransport çber die innere Mitochondrienmembran hinweg ein elektrochemischer Protonengradient erzeugt wird, kænnen wir uns wieder dem molekularen Apparat zuwenden, der die in diesem Gradienten gespeicherte Energie nutzt, um ADP zu phosphorylieren. Anfang der 1960er Jahre untersuchte Humberto Fernandez-Moran vom Massachusetts General Hospital Mitochondrien mit der kurz zuvor entwickelten Methode der Negativfårbung. Dabei fand er auf der Innen(Matrix)-Seite der inneren Membran eine Schicht von Kçgelchen, die aus der Membran herausragten und çber Stiele mit ihr verbunden waren (Abb. 5.21). Wenige Jahre spåter isolierte Efraim Racker von der Cornell University die Kçgelchen der inneren Membran und nannte sie    E oder einfach F1. Racker entdeckte, dass sich die F1-Kçgelchen wie ein Enzym verhielten, das ATP hydolysierte, also wie eine ATPase. Auf den ersten Blick schien das ein sonderbarer Befund zu sein. Warum sollten Mitochondrien so viel von einem Enzym besitzen, das die Substanz, die sie herstellen sollen, hydrolysiert? Wenn man bedenkt, dass die ATP-Hydrolyse die Rçckreaktion der ATP-Synthese ist, wird klarer, welche Funktion das F1-Kçgelchen hat: Es enthålt das katalytische Zentrum, in dem normalerweise ATP gebildet wird. Erinnern wir uns, dass n Enzyme keinen Einfluss auf die Gleichgewichtskonstante der Reaktion haben, die sie katalysieren, n Enzyme sowohl die Hin- wie die Rçckreaktion katalysieren kænnen.

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

n Abb. 5.21.      ,#%I          "        ,  

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Daher hångt die Richtung einer enzymatisch katalysierten Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt von den herrschenden Bedingungen ab. Das kann man schæn in Experimenten mit anderen ATPasen wie der Na+/K+-ATPase der Plasmamembran zeigen (Kap. 4.7.4). Als dieses Enzym in Kapitel 4 vorgestellt wurde, wurde gesagt, dass es mithilfe der Energie aus der ATPHydrolyse ± gegen die jeweiligen Gradienten ± Na+ aus der Zelle heraus- und K+ in die Zelle einschleust. Das ist in der Zelle die einzige Funktion des Enzyms. Unter experimentellen Bedingungen kann dieses Enzym allerdings statt der Hydrolyse die Bildung von ATP katalysieren (Abb. 5.22). Um solche Bedingungen zu erhalten, pråpariert man Ghosts von roten Blutkærperchen (Kap. 4.6.3) mit einer sehr hohen K+-Konzentration im Innern und sorgt fçr eine sehr hohe Na+-Konzentration im Medium; beide Konzentrationen mçssen weit çber den normalen Konzentrationen in unserem Kærper liegen. Unter diesen Bedingungen stræmt K+ aus der ¹Zelleª heraus und Na+ in die ¹Zelleª hinein. Beide Ionen wandern entsprechend ihrem jeweiligen Gradienten, anstatt gegen den Gradienten, wie man es normalerweise von lebenden Zellen kennt. Wenn die Ghosts ADP und Pi enthalten, wird aufgrund des Ionenflusses ATP gebildet und nicht hydrolysiert. Experimente wie dieses fçhren uns vor Augen, was die theoretische Reversibilitåt fçr enzymatisch katalysierte Reaktionen wirklich bedeutet. Sie zeigen auch, wie mithilfe eines Ionengradienten eine Reaktion ermæglicht werden kann, in der ADP zu ATP

n Abb. 5.22. $   ! B    ,#%I  ? (  "   2VF)V ,#   '   G     " 

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phosphoryliert wird ± also genau das, was in Mitochondrien passiert. Die treibende Kraft dafçr ist die durch den Elektronentransport erzeugte protonenmotorische Kraft. ..! Die Struktur der ATP-Synthase Die F1-Kugel ist zwar der katalytische Anteil des Enzyms, das im Mitochondrium ATP synthetisiert, aber das ist noch nicht alles. Das Enzym, das ATP synthetisiert, die so genannte !/&%  , ist ein pilzfærmiger Proteinkomplex (Abb. 5.23 a) mit zwei Hauptbestandteilen: einem kugelfærmigen F1-Kopf (von etwa 9 nm Durchmesser) und einem basalen Bereich F0, der in die innere Membran eingebettet ist. Hochauflæsende elektronenmikroskopische Aufnahmen deuten darauf hin, dass die beiden Teile çber zwei Achsen in der Mitte und am Rand miteinander verbunden sind (Abb. 5.23 b). Ein typisches Mitochondrium aus einer Såugerleber besitzt etwa 15 000 ATPSynthase-Molekçle. Homologe Varianten der ATP-Synthase findet man in der Plasmamembran von Bakterien, in der Thylakoidmembran von Pflanzenchloroplasten sowie in der inneren Membran von Mitochondrien. Die F1-Anteile der bakteriellen und mitochondrialen ATP-Synthasen sind hochgradig konserviert; beide enthalten fçnf verschiedene Polypeptide mit folgender stæchiometrischer Zusammensetzung:
33. Die
- und -Untereinheiten sind im F1-Kopf alternierend angeordnet ± åhnlich wie Stçcke einer Apfelsine (Abb. 5.23 b

 und 5.26 b). Auf zwei Aspekte sollte man fçr die spåtere Erærterung noch hinweisen: Jeder F1-Anteil besitzt fçr die ATP-Synthese drei katalytische Zentren, eine auf jeder -Untereinheit, und die -Untereinheit fçhrt von der åuûersten Spitze des F1-Kopfes durch die mittlere Achse zum





Der Apparat fçr die ATP-Synthese

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basalen F0-Element. Im mitochondrialen Enzym werden alle fçnf F1-Polypeptide von der KernDNA codiert, im Cytosol synthetisiert und nach der Translation ins Mitochondrium eingeschleust (Abb. 8.47). Der F0-Anteil der ATP-Synthase, der sich in der Membran befindet, besteht aus drei verschiedenen Polypeptiden mit folgendem stæchiometrischen Verhåltnis: 210±14 (Abb. 5.23 b). Die Anzahl der Untereinheiten im -Ring wird mit 10±14 angegeben, weil Strukturuntersuchungen ergeben haben, dass diese Anzahl variieren kann, je nachdem woher das Enzym stammt. Fçr die ATP-Synthasen aus den Mitochondrien der Hefe und aus   nimmt man mittlerweile 10 -Untereinheiten an, wåhrend man beim Chloroplasten zeigen konnte, dass das Enzym 14 Untereinheiten besitzt (Abb. 5.24). Die F0-Basis

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

enthålt einen Kanal, durch den Protonen aus dem Intermembranraum in die Matrix geleitet werden. Dass es einen Kanal durch die Membran gibt, wurde erstmals durch Experimente gezeigt, bei denen die innere Mitochondrienmembran zerstært wurde und sich aus den entstandenen Fragmenten Membranvesikel, die      /  " bildeten (Abb. 5.25 a). Intakte submitochondriale Partikel, in denen die ATPSynthase in die Vesikelmembran eingebettet ist, kænnen Substrate oxidieren, einen Protonengradienten aufbauen und ATP synthetisieren (Abb. 5.25 b). Wenn man allerdings die F1-Kugeln aus den Partikeln entfernt, kann die Vesikelmembran, selbst wenn weiterhin Substrat oxidiert und Elektronen transportiert werden, den Protonengradienten nicht mehr aufrechterhalten. Protonen, die beim Elektronentransport durch die Membran geschleust werden, kehren dann einfach wieder durch die ¹gekæpfteª ATP-Synthase zurçck, und die Energie geht verloren.

..$ 9-#*hese durch Bindungswechsel Wie kann ein elektrochemischer Protonengradient die fçr die ATP-Synthese erforderliche Energie liefern? Diese Frage beantwortete Paul Boyer von der UCLA 1979 mit einem vællig neuen Denkansatz; seine Hypothese vom      7  '  fand mittlerweile breite Anerkennung. Insgesamt besteht die Hypothese des Bindungswechsels aus mehreren Elementen, die wir hier der Reihe nach erærtern wollen. E0      /'  

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  1   9    !//  10 Wir stellen uns zellulåre Reaktion fçr gewæhnlich in einem wåssrigen Milieu vor, in dem die Wasserkonzentration 55 M betrågt und die Reaktionsteilnehmer und Reaktionsprodukte einfach im Medium gelæst sind. Unter diesen Bedingungen muss fçr die kovalen-

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n Abb. 5.24 a, b. @    ;   ,#%I   8     a ;         =  >  ; "   ,#%I  ( 8           !'            .    '         ;        

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

gleich. Den scheinbaren Widerspruch zwischen der asymmetrischen Enzymstruktur und der einheitlichen Katalyse erklårte Boyer mit der Behauptung, dass jedes der drei katalytischen Zentren nacheinander die gleichen L-, E- und O-Konformationen durchlåuft (Abb. 5.27). >0   !/&%   '          $    % " '    !   !/ &%     !   0 Um die aufeinander folgenden Verånderungen in der Konformation der katalytischen Zentren erklåren zu kænnen, postulierte Boyer, dass sich die
- und -Untereinheiten, die im F1-Kopf einen hexagonalen Ring von Untereinheiten bilden (Abb. 5.23), gegençber der zentralen Achse drehen. In diesem als      %  bezeichneten Modell liefert der Protonenfluss durch die Membran, die çber den Kanal in der F0-Basis erfolgt, den Antrieb fçr die Drehung. Die im Protonengradienten gespeicherte elektrische Energie wird dabei in die mechanische Energie der rotierenden Achse umgewandelt, die dann wiederum in die in ATP gespeicherte, chemische Energie çberfçhrt wird. 7" '    2%   9     7  ' 

       %   $ 1994 haben John Walker und seine Mitarbeiter am Medical Research Council in England mit ihrer Veræffentlichung eines detaillierten atomaren Modells des F1-Kopfes beachtliches Beweismaterial zur Unterstçtzung der Hypothese von Boyer geliefert. Zuerst einmal zeigte es die Struktur der verschiedenen katalytischen Zentren im statischen Enzym und beståtigte, dass sie sich in ihrer Konformation und Affinitåt fçr Nucleotide unterscheiden. In den katalytischen Zentren der drei -Untereinheiten wurden Strukturen gefunden, die der L-, E-, und O-Konformation entsprechen. Zweitens zeigte es, dass sich die -Untereinheit des Enzyms genau an der richtigen Stelle in der ATP-Synthase befindet, um Konformationsånderungen vom Membransektor in F0 zu den katalytischen Zentren in F1 zu çbertragen. Die -Untereinheit zieht sich wie ein Wellbaum vom F0-Sektor durch die Achse in eine zentrale Hæhlung in der F1-Kugel (Abb. 5.26 a), wo sie mit jeder der drei -Untereinheiten unterschiedlich in Kontakt kommt (Abb. 5.26 b). Das apikale Ende der -Untereinheit ist stark asymmetrisch. In jedem Augenblick wechselwirken unterschiedliche Seiten der -Untereinheit mit den verschiedenen -Untereinheiten und veranlassen diese dabei, unterschiedliche Konfor-

mationen (L, E und O) anzunehmen. Bei der Drehung interagiert jede Bindungsstelle der -Untereinheit nacheinander mit den drei -Untereinheiten von F1. In einem einzigen katalytischen Zyklus dreht sich die -Untereinheit einmal um die eigene Achse, wodurch jedes katalytische Zentrum nacheinander die L-, E- und O-Konformation durchlåuft. Dieser Mechanismus wird schematisch in Abb. 5.27 dargestellt und in der dazu gehærenden Legende ausfçhrlich besprochen. Wie Abb. 5.27 a zeigt, werden ADP und Pi zu ATP kondensiert, wenn sich die Untereinheit jeweils in der E-Konformation befindet. Wie in Abb. 5.23 b zu sehen ist, ist die -Untereinheit mit dem ¹unterenª Teil der -Untereinheit assoziiert und die beiden Untereinheiten drehen sich zusammen. In vielen verschiedenen Experimenten konnte die Rotation der -Untereinheit gegençber den
-Untereinheiten direkt gezeigt werden. Wenn man nur das glauben kann, was man mit eigenen Augen gesehen hat, dann ist die Arbeit von Masasuke Yoshida und seinen Mitarbeitern vom Tokyo Institut of Technology und der Keio Universitåt in Japan dafçr der beste Beweis. Diese Wissenschaftler entwickelten ein geniales System, um das Enzym bei der Katalyse der Rçckreaktion, die in der Zelle normalerweise nicht vorkommt, beobachten zu kænnen. Zuerst verånderten sie gentechnologisch den funktionellen Bereich der ATP-Synthase mit den 3
- und 3-Untereinheiten und einer -Untereinheit (
33) (Abb. 5.28). Dieser Polypeptidkomplex wurde dann mit dem Kopfteil an ein Deckglas fixiert, wåhrend an das Ende der -Untereinheit, die in das Medium hineinragt, ein kurzes fluoreszenzmarkiertes Actinfilament angehångt wurde (Abb. 5.28). Als man das Pråparat mit ATP inkubiert hatte und unter dem Mikroskop beobachtete, sah man, dass sich die fluoreszierenden Actinfilamente wie mikroskopisch kleine Propeller drehten. Als Antrieb diente die Energie, die freigesetzt wurde, wenn ATP-Molekçle an die katalytischen Zentren der -Untereinheiten gebunden und hydrolysiert wurden. Berechnungen der verbrauchten Energie und der geleisteten Arbeit deuten darauf hin, dass mindestens 90% der bei der ATP-Hydrolyse freigesetzten, chemischen Energie in mechanische Energie umgewandelt werden, durch welche sich dann das angeheftete Actinfilament dreht. Diese Experimente zeigen eindeutig, dass die ATP-Synthase ein åuûerst effizienter Drehmotor ist. In unserer Industriegesellschaft sind Rotationsmaschinen weit verbreitet. Wir benutzen rotierende Turbinen, Bohrer, Råder und Propeller, um nur einige wenige zu nennen. In Lebewesen

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 5.26 a, b. Die strukturellen Grundlagen fçr die Konformation im katalytischen Zentrum. a Ein Schnitt durch den F1-Kopf zeigt, wie seine drei Untereinheiten im Raum angeordnet sind. Die c-Untereinheit besteht aus zwei langgezogenen a-Helices, die zu einer superspiralisierten Helix umeinander gewickelt sind. Diese helicale Achse ragt in die zentrale Hæhlung von F1 hinein und zwischen die aund b-Untereinheiten auf jeder Seite hindurch. Welche Konformation das katalytische Zentrum der b-Untereinheit (links) annimmt, richtet sich nach ihrem Kontakt mit der c-Untereinheit. b Blick von oben auf den F1-Kopf; man erkennt, wie die sechs a- und b-Untereinheiten (rot bzw.

Der Apparat fçr die ATP-Synthese

263

b gelb) um die asymmetrische c-Untereinheit (blau) angeordnet sind. Die c-Untereinheit liegt so, dass sie sich gegençber den sie umgebenden Untereinheiten drehen kann. Es ist auch deutlich zu sehen, dass die c-Untereinheit mit jeder der drei b-Untereinheiten auf unterschiedliche Weise in Kontakt kommt und sie so dazu bringt, eine andere Konformation anzunehmen. bE entspricht der O-Konformation, bTP der L-Konformation und bDP der E-Konformation. (Genehmigter Nachdruck aus Abrahams JP et al; mit freundlicher Genehmigung von Walker JE (1994) Nature 370:624, 627. Copyright 1994, Macmillan Magazines)

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b n Abb. 5.27. Bindungswechsel fçr die ATP-Synthese. a Schema der Verånderungen in einem einzelnen katalytischen Zentrum wåhrend eines Katalysezyklus. Zu Beginn des Zyklus befindet sich das Zentrum in einer offenen (O)Konformation, in der die Substrate ADP und Pi in dieses Zentrum gelangen kænnen. In Schritt 1 wird aufgrund des Protonenflusses durch die Membran die lockere (L) Konformation angenommen, in der die Substrate lose gebunden sind. In Schritt 2 nimmt das Enzym nach weiteren Protonenbewegungen die enge (E)-Konformation an, in der die Affinitåt fçr die Substrate zunimmt und diese fest an das katalytische Zentrum gebunden werden. In Schritt 3, fçr den sich die Konformation nicht åndern muss, kondensieren das fest gebundene ADP und Pi spontan zu einem fest gebundenen ATP. In Schritt 4 fçhren weitere Pro-

tonenstræme zu einem Umklappen in die offene (O)-Konformation, in der die Affinitåt fçr ATP stark nachlåsst, so dass das Reaktionsprodukt aus dem Zentrum entlassen werden kann. Sobald sich ATP vom katalytischen Zentrum gelæst hat, kann dieses erneut Substrat binden und der Zyklus von vorne beginnen. b Schema, in dem man gleichzeitig die Verånderungen in den drei katalytischen Zentren des Enzyms verfolgen kann. Der Protonenfluss durch den F0-Anteil des Enzyms fçhrt zu einer Drehung der asymmetrischen c-Untereinheit, die den katalytischen Zentren drei verschiedene Seiten zuwendet. Wenn sich die c-Untereinheit dreht, læst sie in den katalytischen Zentren der b-Untereinheiten Konformationsverånderungen aus, wodurch jedes dieser katalytischen Zentren nacheinander die E-, O- und L-Konformation durchlåuft

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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A   !/&%  1997 hatte man zwar die genaue Funktionsweise des F1-Komplexes geklårt, die Beantwortung wesentlicher Fragen zur Struktur und Funktion des membranståndigen F0-Anteils des Enzyms stand aber noch aus. Zu den wichtigsten Fragen gehærte: Welchen Weg nehmen Protonen, wenn sie durch den F0-Komplex wandern, und wie fçhrt diese Bewegung zur Synthese von ATP? Es war postuliert worden, dass

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sind Rotationselemente jedoch åuûerst selten. Es gibt weder rotierende Organellen in eukaryotischen Zellen noch rotierende Gelenke bei Tieren oder Rotationsvorrichtungen fçr die Fçtterung in der biologischen Welt. Wir kennen tatsåchlich nur zwei biologische Strukturen mit Rotationselementen: ATP-Synthasen und bakterielle Flagellen (Abb. 1.14 a; kleines Bild), die man beide als ¹sich drehende Nanomaschinenª bezeichnen kænnte, weil ihre Græûe im Nanobereich liegt. Ingenieure haben begonnen, Apparate aus anorganischen Materialien im Nanobereich zu erfinden, die eventuell eines Tages verschiedene Arten submikroskopischer mechanischer Aktivitåten ausfçhren werden. Motoren im Nanobereich zu konstruieren, ist besonders schwer, und es wurden bereits Versuche unternommen, um mithilfe der ATP-Synthase einfache anorganische Apparate anzutreiben. Eines Tages werden die Menschen vielleicht einige ihrer empfindlichsten Geråte statt mit elektrischer Energie mit ATP betreiben.

n die -Untereinheiten der F0-Basis einen Ring bilden, der in der Lipiddoppelschicht sitzt (Abb. 5.23 b), n der -Ring direkt mit der -Untereinheit der Achse verbunden ist, n der Ring der -Untereinheiten aufgrund des ¹Bergabflussesª der Protonen sich durch die Membran drehen kann, n die Rotation des -Rings von F0 das Drehmoment fçr die Rotation der damit verbundenen -Untereinheit liefert, was dann letztlich zur Synthese und Freisetzung von ATP fçhrt. All diese Vermutungen wurden in den Jahren 1995 bis 2001 durch Befunde beståtigt. Wir wollen uns jeden dieser Punkte genauer ansehen. Eine Reihe von unter anderem ræntgenkristallographischen und rasterkraftmikroskopischen Befunden haben gezeigt, dass die -Untereinheiten tatsåchlich in einem Kreis angeordnet sind und einen ringfærmigen Komplex bilden (Abb. 5.24). Hochauflæsende elektronenmikroskopische Aufnahmen sprechen dafçr, dass sich die beiden -Untereinheiten und die einzelne -Untereinheit des F0-Komplexes auûerhalb des Rings der -Untereinheiten befinden, wie das in Abb. 5.23 b dargestellt ist. Man geht davon aus, dass die -Untereinheiten in erster Linie Strukturelemente der ATP-Synthase sind. Die beiden långlichen -Untereinheiten bilden eine     , welche die F0- und F1-Anteile des Enzyms verbindet (Abb. 5.23 b) und zusammen mit der -Untereinheit von F1 die
33-Untereinheiten in einer bestimmten Position fixiert, wåhrend sich die -Untereinheit im Zentrum des Komplexes dreht. Dass sich der -Ring von F0 bei der ATP-Synthese dreht, konnte durch Experimente an Membranpråparaten gezeigt werden, die beståtigten, dass sowohl der -Ring als auch die -Untereinheit wåhrend der enzymatischen Katalyse als

 ?otoren fungieren. Wie sind diese beiden ¹Bewegungselementeª miteinander verbunden? Jede -Untereinheit ist wie eine Haarnadel gebaut: Sie enthålt zwei Helices, die sich durch die Membran ziehen und durch eine hydrophile Schleife miteinander verbunden sind, die in Richtung des F1-Kopfes heraussteht. Man nimmt an, dass die hydrophilen Schleifen oben an den -Untereinheiten eine Bindungsstelle fçr die Basiselemente der - und -Untereinheiten bilden, die zusammen wie ein ¹Fuûª agieren, der mit dem -Ring verbunden ist (Abb. 5.23 b und 5.29). Aufgrund dieser Verbindung dreht sich mit dem -Ring auch die damit verbundene -Untereinheit. Auf welche Weise die H+-Bewegungen zur Rotation des -Rings fçhren, ist komplizierter und noch nicht ganz geklårt. Abbildung 5.29 zeigt im Modell, wie H+-Ionen durch den F0-Komplex flieûen kænnten. Man sollte bei der folgenden Erærterung dieses Modells daran denken, dass die Untereinheiten des -Rings sich nacheinander an einer feststehenden -Untereinheit vorbeidrehen und die Protonen von jeder -Untereinheit einzeln aus dem Intermembranraum aufgenommen und vollståndig im Kreis herum gefçhrt werden, bevor sie in die Matrix entlassen werden. In diesem Modell enthålt jede -Untereinheit zwei Kanalhålften, die nicht zusammenhången. Eine Kanalhålfte fçhrt vom Intermembranraum (Cytosol) in die Mitte der -Untereinheit und die andere von der Mitte der -Untereinheit in die Matrix. Man hat postuliert, dass jedes Proton vom Intermembranraum durch die eine Kanalhålfte wandert und auf der Oberflåche der angrenzenden -Untereinheit an einen negativ geladenen Asparaginsåurerest bindet (Abb. 5.29). Durch die Bindung des Protons an die Carboxylgruppe kommt es zu einer græûeren Konformationsånderung in der -Untereinheit, die dazu fçhrt, dass sich die Untereinheit ungefåhr 308 gegen den Uhrzeigersinn dreht. Die Bewegung der kurz zuvor protonisierten -Untereinheit bringt die benachbarte Untereinheit im Ring (die in einem frçheren Schritt protonisiert wurde) in eine Position, in der sie sich der zweiten Kanalhålfte der -Untereinheit gegençber befindet. Daraufhin setzt die Asparaginsåure ihr assoziiertes Proton frei, das in die Matrix diffundiert. Anschlieûend nimmt die -Untereinheit wieder ihre ursprçngliche Konformation an und kann dann erneut ein Proton aus dem Intermembranraum aufnehmen und den Zyklus wiederholen. Diesem Modell zufolge wirkt die Asparaginsåure jeder -Untereinheit wie ein rotierender Protonencarrier. Ein Proton springt an einem bestimmten Zugang auf den Carrier auf, wird

Der Apparat fçr die ATP-Synthese

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dann im Kreis herumgefçhrt und an einer bestimmten Ablieferungsstelle wieder freigesetzt. Der Ring dreht sich aufgrund von Konformationsånderungen, die mit der aufeinanderfolgenden Anlagerung und Ablæsung von Protonen am Asparaginsåurerest jeder -Untereinheit einhergehen. In Kap. 5.5.1 wurde erwåhnt, dass der -Ring 10 bis 14 Untereinheiten besitzt, je nachdem, woher er stammt. Der Einfachheit halber gehen wir hier von einem -Ring mit 12 Untereinheiten aus (Abb. 5.29). Dann wçrde der Ring durch die eben beschriebene Aufnahme und Abgabe von vier Protonen um 1208 gedreht. Dadurch wçrde sich die mit dem c-Ring verbundene -Untereinheit ebenfalls um 1208 drehen und der F1-Komplex daraufhin ein neu synthetisiertes ATP-Molekçl freisetzen. Stæchiometrisch

266

Die Zellatmung und das Mitochondrium

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 Ûberblick çber die wesentlichen Aktivitåten bei der aeroben Atmung in einem Mitochondrium

wçrde somit die Verlagerung von 12 Protonen zu einer vollståndigen Drehung des
-Rings und der c-Untereinheit um 3608 sowie der Synthese und Freisetzung von 3 ATP-Molekçlen fçhren. Wenn der Ring mehr oder weniger als 12 Untereinheiten aufweist, åndert sich das Verhåltnis von H+ zu ATP, was man aber leicht im Grundmodell der protonengetriebenen Drehung (Abb. 5.29) berçcksichtigen kann.4

           Obwohl die ATP-Synthese die wichtigste Aktivitåt der Mitochondrien sein dçrfte, sind diese Organellen noch an zahlreichen anderen Prozessen beteiligt, die Energie benætigen. Im Gegensatz zu den meisten Organellen, die fçr ihre Aktivi4

Fçr die Erærterung der Folgen, die sich aus einer anderen Anzahl von Untereinheiten ergeben, sei der Leser auf folgende Artikel verwiesen: (2001) Nature Revs Mol Cell Biol 2:669; (2002) Trends Biochem Sci 27:154; (2003) Biochem Biophys Acta 545:61.

tåten vor allem auf die ATP-Hydrolyse angewiesen sind, sind Mitochondrien auf eine andere Energiequelle angewiesen: die protonenmotorische Kraft. Diese ermæglicht beispielsweise die Aufnahme von ADP und Pi in die Mitochondrien im Austausch gegen ATP und H+. Diese und andere Aktivitåten, die wåhrend der aeroben Atmung stattfinden, sind in Abb. 5.30 zusammengestellt. Es gibt noch andere Beispiele: Mithilfe der Energie aus der protonenmotorischen Kraft kænnen Calcium-Ionen ins Mitochondrium geschleust werden, kann die Transhydrogenasereaktion ablaufen, bei der NADPH, die Reduktionseinheit der Zelle (Kap. 3.3.4), gebildet wird, und kænnen Polypeptide, die ein bestimmtes Ziel haben, aus der Matrix in das Mitochondrium gelangen (Kap. 8.9). Wie wir in Kap. 3 gesehen haben, spielt ATP eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Geschwindigkeit der Glycolyse und des Citratzyklus, indem es die Aktivitåt der Schlçsselenzyme reguliert. Im Mitochondrium ist die ADPKonzentration ein bestimmender Faktor fçr die Respirationsrate. Bei geringer ADP-Konzentration ist die ATP-Konzentration in der Regel hoch,



Peroxisomen

und es mçssen keine weiteren Substrate oxidiert werden, um die Atmungskette mit Elektronen zu beliefern. Unter diesen Bedingungen wird kaum ATP synthetisiert; daher kænnen keine Protonen mehr mithilfe der ATP-Synthase in die mitochondriale Matrix gelangen. Das fçhrt dazu, dass die protonenmotorische Kraft nachhaltig zunimmt, was wiederum das Pumpen von Protonen in der Elektronentransportkette sowie den Sauerstoffverbrauch der Cytochrom-Oxidase hemmt. Wenn das ATP/ADP-Verhåltnis sinkt, steigt der Sauerstoffverbrauch stark an. Man weiû zwar, dass die Atmungsgeschwindigkeit in den Mitochondrien von vielen Faktoren abhångt, aber kaum, wie die Atmung gesteuert wird.

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n Beide gehen durch Teilung aus bereits vorhandenen Organellen hervor, n beide Arten von Organellen schleusen fertige Proteine aus dem Cytosol ein (Kap. 8.9), n beide haben einen åhnlichen oxidativen Stoffwechsel. Mindestens ein Enzym, die Alanin-GlyoxylatAminotransferase, findet man sowohl in Mitochondrien einiger Såuger (wie Hunde und Kat-

3ederholung 5     %      ,#%I   :     %  %   ,#%I   ?     '   /     %    "     ?     '     6     %   I    ?    "   !    # 

  

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5.6 Peroxisomen /-  sind einfache membranumschlossene Vesikel (Abb. 5.31 a) mit einem Durchmesser von 0,1 bis 1,0 lm und mitunter einem dichten kristallinen Kern aus oxidativen Enzymen. Peroxisomen (oder    , wie sie auch genannt werden) sind multifunktionelle Organellen mit çber 50 Enzymen, die so verschiedene Aufgaben haben wie etwa die Oxidation sehr langer Fettsåureketten (VLCFAs:  $ $

 ; eine Kette enthålt in der Regel 24 bis 26 Kohlenstoffatome) und die Synthese von Plasmalogenen, einer ungewæhnlichen Gruppe von Phospholipiden, in denen eine der Fettsåuren çber eine Etherbindung statt einer Esterbindung mit Glycerin verknçpft ist. Plasmalogene findet man sehr håufig in Myelinscheiden, welche die Axone im Gehirn isolieren (Kap. 4.3.1). Fehler in der Plasmalogensynthese kænnen zu einer schweren neurologischen Fehlfunktion fçhren. Auch das Enzym Luciferase, welches das Licht erzeugt, das Glçhwçrmchen aussenden, stammt aus Peroxisomen. Peroxisomen werden in dieses Kapitel mit aufgenommen, weil sie mit den Mitochondrien mehrere Eigenschaften gemeinsam haben:

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b n Abb. 5.31 a, b. %   ( # $   a            # $

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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zen) als auch in den Peroxisomen anderer Såuger (wie Kaninchen und Menschen). Die Organellen wurden als ¹Peroxisomenª bezeichnet, weil in ihnen Wasserstoffperoxid (H2O2), ein sehr reaktionsfreudiges und toxisches Oxidationsmittel, synthetisiert und abgebaut wird. Wasserstoffperoxid wird von einer Reihe peroxisomaler Enzyme wie der Urat-Oxidase, Glycolat-Oxidase und den Aminosåureoxidasen gebildet, die ihre jeweiligen Substrate mithilfe von molekularem Sauerstoff oxidieren

(Abb. 5.31 b). Das in diesen Reaktionen gebildete H2O2 wird schnell wieder vom Enzym Katalase abgebaut, das in diesen Organellen in hohen Konzentrationen vorkommt. Wie wichtig die Peroxisomen fçr den menschlichen Stoffwechsel sind, wird in der folgenden Rubrik ¹Aus Sicht des Menschenª deutlich. Auch Pflanzen enthalten Peroxisomen. Såmlinge besitzen einen speziellen Typ von Peroxisom, das so genannte Glyoxysom (Abb. 5.32). Damit sich eine neue Pflanze entwickeln kann, sind die Såmlinge darauf angewiesen, dass gespeicherte Fettsåuren Energie und Material zur Verfçgung stellen. Eine der wichtigsten Stoffwechselaktivitåten dieser Keimlinge ist die Umwandlung gespeicherter Fettsåuren in Kohlenhydrate. Beim Abbau von gespeicherten Fettsåuren entsteht Acetyl-CoA, das mit Oxalacetat (OAA) zu Citrat kondensiert. Dieses wird dann mithilfe einer Reihe von Enzymen aus dem Glyoxylatzyklus, der im Glyoxysom ablåuft, in Glucose umgewandelt. Welche Bedeutung die Peroxisomen fçr den Stoffwechsel von Blattzellen haben, erlåutern wir in Kap. 6.6.

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Peroxisomen

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Aus Sicht des Menschen

Krankheiten aufgrund defekter Mitochondrien oder Peroxisomen     1962 berichtete Rolf Luft von der Universitåt Stockholm in einem Artikel çber eine Untersuchung der Mitochondrien einer Frau, die unter lang anhaltender Mçdigkeit und Muskelschwåche litt und bei der sowohl der Grundumsatz als auch die Kærpertemperatur erhæht war. Die aus dieser Patientin isolierten Mitochondrien unterlagen aus irgendeinem Grund nicht mehr der normalen Atmungsregulation. Wenn die ADP-Konzentration niedrig ist, hæren isolierte Mitochondrien normalerweise auf, Substrat zu oxidieren. In den Mitochondrien dieser Patientin blieb die Oxidationsrate dagegen unveråndert hoch, selbst wenn das ADP, das phosphoryliert werden sollte, fehlte, so dass sie, statt mechanische Arbeit zu leisten, Wårme erzeugten. Seit diesem ersten Artikel sind diverse Krankheiten bekannt geworden, die auf Abweichungen in der Struktur und Funktion von Mitochondrien zurçckzufçhren sind. Meist sind dabei Muskel- und Nervengewebe besonders betroffen, weil diese

Gewebe den græûten ATP-Bedarf haben. Je nach den Umstånden, die spåter erærtert werden, zeigen sich verschiedene Schweregrade; die Bandbreite reicht von Krankheiten, die bereits in der Kindheit zum Tod fçhren, çber Krankheiten, die zu Anfållen, Blindheit, Taubheit und/oder Zwischenfållen, die einem Schlaganfall åhneln, fçhren, bis zu leichten Krankheitserscheinungen, die von rascher Erschæpfung bei kærperlicher Bewegung oder bewegungsunfåhigen Spermien geprågt sind. Patienten mit schweren Erkrankungen weisen allgemein anomale Skelettmuskelfasern mit groûen peripheren Aggregaten von Mitochondrien auf (Abb. 1 a). Bei genauerer Untersuchung findet man in den Mitochondrien viele ungewæhnliche Einschlçsse, weshalb die Mitochondrien mitunter wie ein ¹Parkplatzª aussehen kænnen (Abb. 1 b). Ûber 95% der Polypeptide der Atmungskette werden von Genen aus dem Kern codiert; daher wçrde man erwarten, dass zahlreiche mitochondriale Krankheiten auf Mutationen im Kern zurçckzufçhren sind. Dennoch wurde erst 1995 die erste solcher krankheitsverursachenden Mutationen beschrieben und zwar im

a n Abb. 1 a, b. ?     %     a %               ?            #    '         #            (  &  =  >  "     #     ?  ! !    b              

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

Gen fçr die Untereinheit des Flavoproteins aus dem Enzym Succinat-Dehydrogenase, das zum Citratzyklus gehært. Seitdem hat man zwar noch weitere Mutationen im Kern mit mitochondrialen Krankheiten in Zusammenhang gebracht, aber einen weitaus hæheren Anteil dieser Erkrankungen auf Mutationen in der mitochondrialen DNA oder mtDNA zurçckgefçhrt. Die schwersten Krankheiten werden in der Regel durch Mutationen (oder Deletionen) in den Genen fçr die mitochondrialen Transfer-RNAs verursacht, die fçr die Synthese aller 13 in menschlichen Mitochondrien gebildeten Polypeptide erforderlich sind. Weil alle Gene in der mtDNA Proteine codieren, die fçr die oxidative Phosphorylierung benætigt werden, sollte man annehmen, dass alle Mutationstypen in der mtDNA zu åhnlichen Krankheitserscheinungen fçhren. Das ist aber nicht der Fall. Die Vererbung mitochondrialer Erkrankungen widerspricht auf vielfache Weise den Mendelschen Vererbungsregeln fçr die Gene im Kern. Die Mitochondrien in den Zellen eines menschlichen Embryos stammen alle von den Mitochondrien ab, die sich zur Zeit der Empfångnis im Ei befanden ± das Spermium ist also nicht beteiligt. Daher zeigen mitochondriale Krankheiten einen maternalen Erbgang.a Darçber hinaus kænnen die Mitochondrien einer Zelle sowohl normale (d. h. Wildtyp) als auch mutierte mtDNA enthalten, was als 2    bezeichnet wird. Wie viel mutierte mtDNA eine Person besitzt, kann von Organ zu Organ schwanken; doch normalerweise treten nur dann klinische Symptome auf, wenn in einem bestimmten Gewebe Mitochondrien mit fehlerhaften genetischen Informationen çberwiegen. Wegen dieser Variabilitåt kænnen Mitglieder einer Familie, die alle dieselbe Mutation in der mtDNA aufweisen, ganz unterschiedliche Symptome haben. Personen mit einem hæheren Anteil an mutierten Mitochondrien erkranken vermutlich schwerer. Als weiterer Unterschied zwischen Kernund Mitochondrien-DNA wird erstere durch eine Reihe von DNA-Reparatursystemen vor Schåden bewahrt (Kap. 13.2), die in Mitochon-

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Diese Aussage gilt wohl nicht uneingeschrånkt. 2002 wurde ein Fall einer mitochondrialen Krankheit veræffentlicht, die auf die Mitochondrien des Vaters zurçckzufçhren war.

drien generell fehlen. Mitochondriale DNA kann auch hæheren Konzentrationen von mutagenen Sauerstoffradikalen (¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.1.2) ausgesetzt sein. Aus den genannten Grçnden ist die Mutationsrate der mtDNA zehnmal so hoch wie die der Kern-DNA. Bei Zellen von ålteren Personen findet man tatsåchlich mehr Mutationen in der mtDNA als bei entsprechenden Zellen jçngerer Personen. Man hat vermutet, dass solche Mutationen zu einer anomalen mitochondrialen Funktion fçhren kænnten, was wiederum bestimmte spåt ausbrechende Erkrankungen oder sogar den Altersprozess selbst auslæsen kænnte (¹Aus Sicht des Menschenª in Kap. 2.1.2). Mitochondriale Mutationen håufen sich besonders in Zellen an, die, wie etwa die Zellen im Nerven- und Muskelgewebe, fçr einen langen Zeitraum im Kærper verbleiben. Einige håufige neurologische Krankheiten, die erst spåt ausbrechen, besonders die ParkinsonKrankheit (PD), kænnten durch degenerative Verånderungen der Mitochondrienfunktion verursacht werden. Diese Mæglichkeit wurde erstmals Anfang der 1980er Jahre ins Auge gefasst, als mehrere junge Drogenabhångige ins Krankenhaus kamen wegen eines plætzlichen Ausbruchs von schwerem Muskelzittern, wie er fçr ein fortgeschrittenes Stadium der Parkinson-Krankheit bei ålteren Patienten charakteristisch ist. Man fand heraus, dass sich diese Personen intravenæs synthetisches Heroin gespritzt hatten, das mit einer Verbindung namens MPTP kontaminiert war. Weitere Studien ergaben, dass MPTP den Komplex I der Atmungskette in den Mitochondrien schådigt, was zum Untergang der Nervenzellen in der Substantia nigra fçhrt, dem Gehirnbereich, der auch bei Patienten mit PD geschådigt ist. Als man die Zellen aus der Substantia nigra von Parkinson-Patienten untersuchte, zeigten sie ebenfalls eine deutliche und selektive Abnahme der Komplex-I-Aktivitåt. In neuerer Zeit haben Untersuchungen ergeben, dass bestimmte Pestizide, speziell Rotenon, ein bekannter Hemmstoff von Komplex I, mæglicherweise Risikofaktoren fçr die Entwicklung einer PD sind. Wenn man Ratten Rotenon verabreicht, werden deren Dopamin produzierenden Neuronen zerstært, was auch fçr die menschliche Krankheit charakteristisch ist. Dieser mæglichen Verbindung zwischen Rotenon und der Parkinson-Krankheit wird nachgegangen.



Peroxisomen

/-  Das Zellweger-Syndrom (ZS) ist eine seltene Erbkrankheit, die durch eine Vielzahl an neurologischen und visuellen Ausfållen sowie von Leberanomalien gekennzeichnet ist und bereits in der Kindheit zum Tod fçhrt. 1973 berichteten Sidney Goldfischer und seine Mitarbeiter vom Albert Einstein College of Medicine, dass die Leber- und Nierenzellen dieser Patienten keine Peroxisomen enthalten. Weitere Untersuchungen ergaben, dass die Zellen dieser Personen zwar Peroxisomen enthielten, dass es sich dabei aber um Membranhçllen, um ¹%ª handelte, also Organellen, denen die normalen peroxisomalen Enzyme fehlten. Diese Personen kænnen zwar peroxisomale Enzyme bilden, aber die Enzyme kænnen nicht in die Peroxisomen eingeschleust werden, so dass sie çberwiegend im Cytosol bleiben, wo sie ihre normalen Funktionen nicht erfçllen kænnen. Genetische Untersuchungen der Zellen von ZS-Patienten ergaben, dass die Krankheit durch Mutationen in mindestens 12 verschiedenen Genen verursacht werden kann, die alle Proteine fçr die Aufnahme peroxisomaler Enzyme aus dem Cytosol codieren. Als man Hefeståmme mit åhnlichen Defekten in der Peroxisomenentwicklung entdeckte, gab dies den Untersuchungen dieser Krankheit am Menschen erneut Auftrieb. Die fçr diese Defekte verantwortlichen Gene wurden bald isoliert ± zuerst aus Hefe, dann aus Menschen. Die Produkte dieser Gene fungieren entweder als Rezeptoren fçr peroxisomale Proteine oder gehæren zu dem Apparat, der diese Proteine çber die peroxisomale Membran transportiert

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(Kap. 8.9). Wird eine dieser Funktionen zerstært, entstehen nur leere Peroxisomen. Im Gegensatz zum Zellweger-Syndrom, bei dem eine breite Palette an peroxisomalen Funktionen betroffen sind, fehlt bei einer Reihe von Erbkrankheiten nur ein einziges peroxisomales Enzym. Eine dieser Krankheiten, die nur auf einem einzigen fehlerhaften Enzym beruhen, ist die Adrenoleukodystrophie (ALD), die 1993 im Film ¹Lorenzos Úlª thematisiert wurde. Jungen, die an ALD erkrankt sind, zeigen ab Mitte der Kindheit Symptome einer Insuffizienz der Nebennieren und einer neurologischen Fehlfunktion. Die Erkrankung beruht auf einem Defekt in einem Membranprotein, das sehr lange Fettsåureketten (VLCFAs) in die Peroxisomen transportiert, wo sie normalerweise abgebaut werden. Fehlt dieses Protein, håufen sich im Gehirn VLCFAs an und zerstæren dort die Myelinscheiden, welche die Nervenzellen isolieren. In ¹Lorenzos Úlª entdecken die Eltern des Jungen, der an ALD leidet, dass eine Ernåhrung, die reich an bestimmten Fettsåuren ist, das Fortschreiten der Krankheit verzægern kann. Folgeuntersuchungen kamen zu widersprçchlichen Ergebnissen, was den Wert dieser Ernåhrungsweise betrifft. Eine Reihe von ALD-Patienten wurde mit Erfolg behandelt, indem man ihnen Knochenmark transplantierte, das sie mit normalen Zellen versorgte, die VLCFAs abbauen kænnen, und Arzneimittel (wie Lovastatin) verschrieb, welche die VLCFA-Konzentration senken kænnen. Darçber hinaus sind klinische Studien zur Gentherapie geplant.

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

Zusammenfassung      D (         1D        1

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 3+  4"     :D                0 Die åuûere Membran ist so poræs, weil sie integrale Proteine, die Porine, enthålt. Die Architektur der inneren Membran und die offensichtliche Fluiditåt ihrer Doppelschicht erleichtern Wechselwirkungen von Komponenten, die fçr den Elektronentransport und die ATP-Synthese erforderlich sind. Die innere Membran umgibt eine gelartige Matrix, in der sich neben Proteinen ein genetisches System befindet, das aus DNA, RNA, Ribosomen sowie dem gesamten Apparat besteht, der fçr die Transkription und Translation der genetischen Information erforderlich ist. Viele Eigenschaften der Mitochondrien sind auf ihre vermutliche Evolution aus frçhzeitlichen symbiotischen Bakterien zurçckzufçhren (Kap. 5.1).         

-   9  '  "   /      9   % "
  /       #   '  '"    !/     ' 0 Pyruvat und NADH sind die beiden Reaktionsprodukte der Glycolyse. Pyruvat wird çber die innere Mitochondrienmembran geschleust, dann decarboxyliert und zusammen mit Coenzym A zur Synthese von Acetyl-CoA verwendet. Dieses wird dann mit Oxalacetat zu Citrat kondensiert, das dann in den Citratzyklus eingespeist wird. Wenn es die Reaktionen des Citratzyklus durchlåuft, werden aus dem Citrat zwei Kohlenstoffatome entfernt und als CO2 freigesetzt, der am stårksten oxidierten Form des Kohlenstoffatoms. Die den Substraten entzogenen Elektronen werden auf FAD und NAD+ çbertragen und so FADH2 und NADH gebildet. Fettsåuren werden zu Acetyl-CoA abgebaut, das in den Citratzyklus eingespeist wird, und alle 20 Aminosåuren werden entweder zu Pyruvat, Acetyl-CoA oder Metaboliten des Citratzyklus abgebaut. Daher ist der Citratzyklus der Stoffwechselweg, in den die wichtigsten katabolen Stoffwechselwege der Zelle mçnden (Kap. 5.2.1). #"   9 &   
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$"    2                 :   $ ' 0 Mithilfe des gesteuerten Protonenrçckflusses çber die Membran durch ein ATP-synthetisierendes Enzym wird am katalytischen Zentrum des Enzyms ATP gebildet. Jedes Elektronenpaar aus dem NADH setzt gençgend Energie fçr die Bildung von etwa drei ATPs frei, wåhrend die Energie, die von einem Elektronenpaar aus FADH2 freigesetzt wird, nur fçr die Bildung von zwei ATPs reicht (Kap. 5.2.1).   9  #    $ ' " '   # 9    3    4

   $ 3(-     4    ' " 1

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  0 Das Standardredoxpotenzial eines Paares wird unter Standardbedingungen gemessen und mit dem Paar H2/H+ verglichen. Das Standardredoxpotenzial von NADH/NAD+ betrågt ±0,32 V, worin sich die Tatsache widerspiegelt, dass NADH ein starkes Reduktionsmittel ist, also eines, das seine Elektronen leicht abgibt. Das Standardredoxpotenzial von H2O/O2 liegt bei +0,82 V; das erklårt sich dadurch, dass O2 ein starkes Oxidationsmittel ist, also eine groûe Elektronenaffinitåt aufweist. Der Unterschied von 1,14 V zwischen beiden Paaren liefert ein Maû dafçr, wie viel Freie Enthalpie entsteht (52,6 kcal/mol), wenn ein Elektronenpaar von NADH entlang der gesamten Elektronentransportkette auf O2 çbertragen wird (Kap. 5.3.1). 6  #     

 9    9 +   +%       21"  9     
 9 " # & '/  "    + 0 Flavoproteine und Chinone kænnen Wasserstoffatome aufnehmen und abgeben, Cytochrome, Kupferatome und Eisen-Schwefel-Proteine kænnen dagegen nur Elektronen aufnehmen und abgeben. Die Carrier der Elektronentransportkette sind so angeordnet, dass das positive Redoxpotenzial immer weiter ansteigt. Die verschiedenen Carrier sind in vier groûen Multiproteinkomplexen organisiert. Cytochrom  und Ubichinon sind mobil und kænnen Elektronen zwischen den græûeren Komplexen hin- und hertransportieren. Wenn Elektronenpaare die Komplexe I, III und IV entlang wandern, wird eine spezifische Anzahl von Protonen von der



Zusammenfassung

Matrix çber die Membran in den Intermembranraum geschleust. Mithilfe dieses Protonenflusses bauen die Elektronentransportkomplexe den Protonengradienten auf, in dem Energie gespeichert wird. Der letzte Komplex ist die Cytochrom-Oxidase, die Elektronen vom Cytochrom  auf O2 çbertrågt, und es so zu Wasser reduziert, ein Schritt, bei dem ebenfalls Protonen aus der Matrix abgezogen werden, so dass der Protonengradient noch steiler wird (Kap. 5.3.3).  /         $        /$       &    " 

 $   8  0 Der Protonengradient besteht daher aus zwei Komponenten ± einem Spannungs- und einem pHGradienten ±, deren Græûenordnung davon abhångt, inwieweit andere Ionen die Membran passieren. Zusammen bilden die beiden Anteile eine protonenmotorische Kraft (Dp). In Mitochondrien von Såugern liefert der Spannungsgradient etwa 80% der Freien Enthalpie von Dp und der pH-Gradient 20% (Kap. 5.4).  #$%"    !/7    %

"   D   - !/ &% 0 Die ATP-Synthase enthålt zwei verschiedene Elemente: einen F1-Kopf, der in die Matrix hereinragt und auch die katalytischen Zentren umfasst, sowie eine F0-Basis, die in die Lipiddoppelschicht eingebettet ist und einen Kanal bildet, durch den Protonen aus dem Intermembranraum in die Matrix geleitet wer-

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den. Nach der inzwischen allgemein akzeptierten Hypothese vom Bindungswechsel fçhrt der kontrollierte Protonenstrom durch den F0-Anteil des Enzyms zur Drehung der -Untereinheit des Enzyms, die sich durch die Achse zieht und die F0 und F1-Anteile des Enzyms verbindet. Die -Untereinheit dreht sich aufgrund der Rotation des -Rings der F0-Basis, die durch den Protonenstrom durch die Halbkanåle der
-Untereinheit ausgelæst wird. Durch die Drehung der -Untereinheit kommt es zu Konformationsånderungen in den katalytischen Zentren von F1, so dass ATP gebildet werden kann. Es gibt Hinweise darauf, dass die Energie nicht fçr die Phosphorylierung von ADP, sondern fçr die Freisetzung des ATPs aus dem aktiven Zentrum benætigt wird, zu der es aufgrund der induzierten Konformationsånderungen kommt. Auûer fçr die ATPSynthese liefert die protonenmotorische Kraft auch die nætige Energie fçr eine Reihe von Transportvorgången; dazu gehæren ein Austausch von ATP, das ins Cytosol freigesetzt wird, gegen ADP, das in die Mitochondrien aufgenommen wird, ferner die Aufnahme von Phosphat- und Calcium-Ionen sowie der Import mitochondrialer Proteine (Kap. 5.5.1). /-   %     . "   9             9   &'     '     " :%     1 (-      "   2F(F    (Kap. 5.6).

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

Zur Selbstçberprçfung 1. Betrachten Sie die Reaktion A:H+B ? B:H+A. Wenn das Verhåltnis [B:H]/[B] im Gleichgewichtszustand 2,0 entspricht, so kann man daraus schlieûen, dass (1) B:H das stårkste Reduktionsmittel der vier Komponenten ist; (2) das Redoxpotenzial des Paares (A:H/A) stårker negativ ist als das der Paares (B:H/B); (3) keine der vier Komponenten ein Cytochrom ist; (4) die mit B assoziierten Elektronen mehr Energie enthalten als die mit A assoziierten. Welche dieser Aussagen sind wahr? Zeichnen Sie eine der Teilreaktionen dieser Redoxreaktion auf. 2. Das membranumhçllte Vesikel eines submitochondrialen Partikels kann nach der Entfernung der F1-Kugeln (1) NADH oxidieren; (2) aus O2 H2O bilden; (3) einen Protonengradienten erzeugen; (4) ADP phosphorylieren. Welche dieser Aussagen sind wahr? Was wçrde sich, wenn çberhaupt, an der Antwort åndern, wenn intakte submitochondriale Partikel untersucht wçrden, die mit Dinitrophenol behandelt worden wåren? 3. Protein A ist ein Flavoprotein mit einem Redoxpotenzial von ±0,2 V. Protein B ist ein Cytochrom mit einem Redoxpotenzial von +0,1 V. a. Zeichnen sie die Teilreaktionen fçr jeden dieser beiden Elektronencarrier auf. b. Geben Sie an, zu welcher Reaktion es kommen wçrde, wenn man reduzierte A-Molekçle mit oxidierten B-Molekçlen mischen wçrde. c. Welche der beiden Verbindungen aus der Reaktion in Teil b låge in hæherer Konzentration vor, wenn die Reaktion einen Gleichgewichtszustand erreicht håtte? 4. Welche der folgenden Substanzen ist das stårkste Reduktionsmittel und welche das stårkste Oxidationsmittel: Ubichinon, Cytochrom , NAD+, NADH, O2, H2O? Welche hat die græûte Elektronenaffinitåt? 5. Wie wçrde sich es auf die protonenmotorische Kraft an der inneren Mitochondrienmembran auswirken, wenn festgestellt wçrde, dass Chlorid-Ionen die innere Mitochondrienmembran leicht passieren kænnten? 6. Sehen Sie sich den Energieabfall beim Elektronentransport in Abb. 5.14 an. Wie wçrde sich diese Kurve åndern, wenn der ursprçngliche Elektronendonor FADH2 und nicht NADH wåre?

7. Wçrden Sie erwarten, dass die protonenmotorische Kraft durch den Import von Pi abnimmt? Warum? 8. In der Zusammenstellung der Standardredoxpotenziale in Tabelle 5.1 ist das Paar Oxalacetat/Malat nicht so negativ wie das Paar NAD+/NADH. Wie lassen sich diese Werte mit dem Elektronentransport von Malat auf NAD+ im Citratzyklus in Einklang bringen? 9. Wie viele energiereiche Triphosphate entstehen bei der Substratkettenphosphorylierung in jedem Citratzyklus, wenn man nur die Reaktionen des Citratzyklus berçcksichtigt? Wie viele werden bei der oxidativen Phosphorylierung gebildet? Wie viele Molekçle CO2 werden freigesetzt? Wie viele Molekçle FAD werden reduziert? Wie viele Elektronenpaare werden von ihrem Substrat abgezogen? 10. Protonen flieûen in beiden Richtungen durch die innere Mitochondrienmembran. In eine Richtung flieûen sie aufgrund des Elektronentransports. Was veranlasst sie, in die andere Richtung zu flieûen? 11. Pro Elektronenpaar sinkt D%8 um ±52,6 kcal/mol; bei der ATP-Synthese nimmt D%8 um +7,3 kcal/mol zu. Wenn pro Elektronenpaar, das seinem Substrat entzogen wird, drei ATP gebildet werden, kann man dann daraus schlieûen, dass die oxidative Phosphorylierung nur einen Wirkungsgrad von 21,9/52,6 oder 42% hat? Begrçnden Sie Ihre Antwort. 12. Erwarten Sie, dass stoffwechselaktive isolierte Mitochondrien das Medium, in dem sie sich befinden, saurer oder alkalischer machen? Wçrde Ihre Antwort genauso ausfallen, wenn Sie mit submitochondrialen Partikeln und nicht mit Mitochondrien arbeiten wçrden? Warum? 13. Angenommen, fçr die Synthese eines ATPMolekçls mçssten drei Protonen transferiert werden. Berechnen Sie, wie viel Energie durch die Passage dreier Protonen in die Matrix freigesetzt wçrde (weitere Informationen dazu in Kap. 5.3.3). 14. Kænnten isolierte Mitochondrien mithilfe der Glucose-Oxidation ATP bilden? Warum oder warum nicht? Welche Verbindung wçrde man einer Læsung mit isolierten Mitochondrien zusetzen, damit ATP synthetisiert wçrde?



Weiterfçhrende Literatur

15. Berechnen Sie, wie viel Energie freigesetzt wçrde, wenn FADH2 durch molekularen O2 unter Standardbedingungen oxidiert wçrde. 16. Beantworten Sie aufgrund ihres Wissens çber die Organisation des Mitochondriums und der ATP-Synthese folgende Fragen und erklåren Sie jeweils kurz ihre Antworten. a. Wie wçrde es sich auf die ATP-Produktion auswirken, wenn man eine Substanz (Protonophor) zusetzen wçrde, die die Mitochondrienmembran fçr Protonen durchlåssig macht? b. Wie wçrde es sich auf den pH-Wert der mitochondrialen Matrix auswirken, wenn der Sauerstoffvorrat reduziert wçrde? c. Angenommen, der Glucosevorrat der Zelle ist weitgehend aufgebraucht. Wie wçrde sich das auf die CO2-Produktion der Mitochondrien auswirken? 17. Angenommen, Sie kænnten das Potenzial der inneren Mitochondrienmembran eines isolierten Mitochondriums veråndern. Sie messen, dass der pH-Wert der mitochondrialen Matrix bei 8,0 und der der Nåhrlæsung bei 7,0 liegt. Sie fixieren das Potenzial der inneren Membran bei +59 mV ±

ternetseite www.wiley.com/college/karp Erweitern sie Ihr Verståndnis, indem sie Karps Internetseite ¹Zell- und Molekularbiologieª besuchen. Dort finden Sie '  die gestellten
  $ & ,     , die schwierige Sachverhalte und Begriffe verdeutlichen,   , die Ihnen bei Prçfungsvorbereitungen helfen, sowie 8  zu interessanten Seiten im Netz. Zusåtzlich zu der Literaturliste unten kann man auf der Internetseite auch noch '  8 finden.

5.7 Weiterfçhrende Literatur & 
       Babcock GT (1999) How oxygen is activated and reduced in respiration. Proc Nat'l Acad Sci USA 96:12971±12973 Berry EA et al (2000) Structure and function of cytochrome bc complexes. Annu Rev Biochem 69:1005±1077 Bælter B, Soll J (2001) Ion channels in the outer membranes of chloroplasts and mitochondria: open doors or regulated gates. EMBO J 20:935±940

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d. h. sie zwingen die Matrix, 59 mV positiv gegençber der Nåhrlæsung zu sein. Kann das Mitochondrium unter diesen Bedingungen mithilfe des Protonengradienten ATP synthetisieren? Begrçnden Sie Ihre Antwort. 18. Angenommen, Sie kænnten eine ATP-Synthase ohne -Untereinheit synthetisieren. Was wçrde das fçr die katalytischen Zentren der -Untereinheiten eines solchen Enzyms bedeuten? Warum? 19. Man kann die ATP-Synthase in zwei funktionelle Bereiche unterteilen: einen ¹Statorª, dessen Untereinheiten sich wåhrend der Katalyse nicht bewegen, und einen ¹Rotorª, dessen Teile sich bewegen. Aus welchen Untereinheiten des Enzyms bestehen jeweils diese beiden Bereiche? Wie hången die unbeweglichen Teile des Stators in F0 strukturell mit den unbeweglichen Teilen des Stators von F1 zusammen? 20. Zellen besitzen ein Protein namens IF, das fest an das katalytische Zentrum der ATPSynthase bindet und dessen Aktivitåt unter bestimmten Bedingungen hemmt. Kænnen Sie sich Umstånde vorstellen, unter denen ein solcher Hemmstoff in der Zelle von Vorteil wåre?

Boyer PD (1997) The ATP synthase ± A splendid molecular machine. Annu Rev Biochem 66:717±749 Capaldi RA, Aggeler R (2002) Mechanism of the F1F0-type ATP synthase, a biological rotary motor. Trends Biochem Sci 27:154±160 Cecchini G (2003) Function and structure of complex II of the respiratory chain. Annu Rev Biochem 72:77±109 Cross RL (2004) Turning the ATP motor. Nature 427: 407± 408 Fillingame RH, Dmitriev OY (2002) Structural model of the transmembrane F0 rotary section of H+-transporting ATP synthase. Biochim Biophys Acta 1565:232±245 Garlid KD et al (2000) How do uncoupling proteins uncouple? Biochim Biophys Acta 1459:383±389 Gennis RB (1998) Cytochrome c oxidase: One enzyme, two mechanisms. Science 280:1712±1713 Harris DA (1995) Bioenergetics at a Glance. Blackwell, Oxford Hederstedt L (2003) Complex II is complex too. Science 299: 671±672 Senior AE, Weber J (2004) Happy motoring with ATP synthase. Nature Struct Biol 11:110±112 Slater EC (1981) The discovery of oxidative phosphorylation. Trends Biochem Sci 6:226±227 Weber J, Senior AE (2003) ATP synthase during proton transport in F1F0-ATP synthase. FEBS Lett 545:61±70 Westermann B, Neupert W (2003) ¹Omicsª of the mitochondrion. Nature Biotech 21:239±240 [Proteomik des Mitochondrions]

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Die Zellatmung und das Mitochondrium

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Photosynthese und der Chloroplast

6

6.1 Struktur und Funktion des Chloroplasten 6.2 Ein Ûberblick çber den Photosynthesestoffwechsel 6.3 Die Lichtabsorption 6.4 Photosynthese-Einheiten und Reaktionszentren 6.5 Photophosphorylierung 6.6 Kohlendioxidfixierung und Kohlenhydratsynthese

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Die ersten Lebensformen auf der Erde mçssen ihre Grundsubstanzen und ihre Energie aus einfachen organischen Molekçlen erhalten haben, die in ihrer wåssrigen Umgebung gelæst waren. Diese organischen Molekçle mussten    entstanden sein, d. h. aufgrund nichtbiologischer chemischer Reaktionen in den Meeren der Urzeit. Genauso wie wir çberleben, weil wir Nåhrstoffe aus unserer Umwelt zu uns nehmen, mçssen dies auch die ursprçnglichen Lebensformen getan haben. Organismen, die darauf angewiesen sind, von auûen organische Verbindungen zu erhalten, bezeichnet man als   0

Die Anzahl der heterotrophen Organismen, die auf der urzeitlichen Erde lebten, muss sehr begrenzt gewesen sein, weil organische Molekçle sich nur sehr langsam spontan bilden. Die Evolution des Lebens auf der Erde erlebte einen enormen Aufschwung, als Organismen mit einer vollkommen neuen Stoffwechselstrategie auftraten. Im Gegensatz zu ihren Vorgångern konnten diese Organismen ihre organischen Nåhrstoffe aus den einfachsten Formen anorganischer Molekçle wie Kohlendioxid (CO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) selbst herstellen. Organismen, die mit CO2 als Hauptkohlenstoffquelle leben kænnen, werden als  bezeichnet.

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Photosynthese und der Chloroplast

Um aus CO2 komplexe organische Molekçle herstellen zu kænnen, wird viel Energie benætigt. Im Verlauf der Evolution haben sich zwei Haupttypen von autotrophen Organismen entwickelt, die sich aufgrund ihrer Energiequelle unterscheiden. +    nutzen die Energie anorganischer Molekçle (wie Ammoniak, Schwefelwasserstoff oder Nitrite), um CO2 in organische Verbindungen umzuwandeln, wåhrend /     dafçr die Energie der Sonnenstrahlen verwenden. Weil alle chemoautotrophen Organismen Prokaryoten sind und sie insgesamt nur relativ wenig zur Bildung von Biomasse auf der Erde beitragen, wollen wir auf ihre Stoffwechselaktivitåt nicht weiter eingehen. Photoautotrophe Organismen sind dagegen dafçr verantwortlich, dass die Energie aufgefangen wird, welche die Aktivitåten der meisten Organismen auf der Erde ermæglicht. Zu den Photoautotrophen gehæren Pflanzen und eukaryotische Algen, verschiedene Protisten mit Flagellen sowie mehrere Gruppen von Prokaryoten. All diese Organismen betreiben /  %  , einen Prozess, bei dem die Energie des Sonnenlichts in chemische Energie umgewandelt, d. h. in Kohlenhydraten und anderen organischen Molekçlen gespeichert wird. Wåhrend der Photosynthese werden einer Donor-Verbindung relativ energiearme Elektronen entzogen und mithilfe der aus dem Licht absorbierten Energie in energiereiche Elektronen verwandelt.1 Diese energiereichen Elektronen werden dann zur Synthese reduzierter biologischer Molekçle wie Stårke und Úle verwendet. Wahrscheinlich benutzten die ersten Gruppen von Photoautotrophen, welche die Erde wohl 2 Mrd. Jahre lang beherrscht haben, Schwefelwasserstoff als Elektronenquelle fçr die Photosynthese ± und zwar nach folgender Reaktion

karyoten auf, der eine Elektronenquelle nutzen konnte, die sehr viel ergiebiger ist, nåmlich Wasser. Die Nutzung des Wassers erlaubte diesen Organismen, den Cyanobakterien, nicht nur, ein sehr viel breiteres Spektrum an Lebensråumen auf der Erde zu bewohnen (Abb. 1.15), sie lieferte auûerdem noch ein Abfallprodukt, das fçr alle Lebensformen enorme Konsequenzen hatte. Das Abfallprodukt war molekularer Sauerstoff (O2), der durch die Reaktion Licht

CO2 + H2O ! (CH2O) + O2 entstand. Die Umstellung von H2S auf H2O als Substrat fçr die Photosynthese ist allerdings doch komplizierter als nur einen Buchstaben in der Reaktionsformel auszutauschen. Das Redoxpotenzial des S/H2S-Paares betrågt ±0,25 V, wåhrend das fçr das O2/H2O-Paar bei +0,816 V liegt (Kap. 5.3.1). Mit anderen Worten: Das Schwefelatom im einem H2S-Molekçl hat eine viel geringere Affinitåt fçr seine Elektronen (und kann daher leichter oxidiert werden) als das Sauerstoffatom

Licht

CO2 + 2H2S ! (CH2O) + H2O + 2 S in der (CH2O) eine Kohlenhydrateinheit darstellt. Es gibt unter den heute lebenden Bakterien noch viele, die diese Art der Photosynthese betreiben; ein Beispiel dafçr zeigt Abb. 6.3. Da aber Schwefelwasserstoff heutzutage weder reichlich vorhanden noch weit verbreitet ist, sind Organismen, die von dieser Verbindung als Elektronenquelle abhångig sind, auf Lebensråume wie Schwefelquellen und Tiefseeschlote beschrånkt. Vor etwa 2,7 Mrd. Jahren tauchte auf der Erde ein neuer Typ von photosynthetisch aktiven Pro1 Zum Begriff ¹energiereiche Elektronenª siehe die entsprechende Fuûnote in Kap. 5.2.

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 im einem H2O-Molekçl. Wenn daher ein Organismus eine -% Photosynthese betreibt, bei der Sauerstoff freigesetzt wird, muss er in seinem Photosynthesestoffwechsel ein sehr starkes Oxidationsmittel erzeugen, um dem Wasser die fest gebundenen Elektronen zu entreiûen. Fçr den Wechsel von H2S (oder anderen reduzierten Substraten) zu H2O als Elektronenquelle fçr die Photosynthese war daher eine Generalçberholung des Photosyntheseapparates erforderlich. Irgendwann lieû sich eines dieser urzeitlichen O2-produzierenden Cyanobakterien in einer prokaryotischen Zelle nieder, die Mitochondrien enthielt und nicht photosynthetisch aktiv war. Mit der Zeit wandelte sich das symbiotische Cyanobakterium von einem eigenståndigen Organismus, der in einer Wirtszelle lebte, in ein cytoplasmatisches Organell, den +  . Im Verlauf der Evolution des Chloroplasten gingen die meisten Gene, die ursprçnglich im symbiotischen Cyanobakterium vorhanden waren, verloren oder wurden auf den Kern der Pflanzenzelle çbertragen. Daher werden die Polypeptide, die man in den heutigen Chloroplasten findet, sowohl vom Kern- als auch vom Chloroplastengenom codiert. Umfangreiche genetische Analysen der Chloroplastengenome sprechen dafçr, dass alle heutigen Chloroplasten aus einer einzigen urzeitlichen symbiotischen Beziehung hervorgegangen sind. Wegen ihrer gemeinsamen Herkunft åhneln sich Chloroplasten und Cyanobakterien in vielen grundlegenden Merkmalen, darunter auch ihrem Photosyntheseapparat, der auf den folgenden Seiten ausfçhrlich vorgestellt wird.

/! Struktur und Funktion des Chloroplasten Chloroplasten befinden sich çberwiegend in den Mesophyllzellen der Blåtter. Abb. 6.2 zeigt den Aufbau eines Blattes und die Anordnung der Chloroplasten rund um die zentrale Vakuole einer Mesophyllzelle. Die in der Regel 20 bis 40 Chloroplasten einer hæheren Pflanzenzelle sind im Allgemeinen linsenfærmig (Abb. 6.3), ungefåhr 2±4 lm breit und 5 bis 10 lm lang. Mit diesen Ausmaûen gehæren Chloroplasten zu den Riesen unter den Organellen ± sie sind so groû wie ein ganzes rotes Blutkærperchen eines Såugers. 1881 fand der deutsche Biologe T. Engelmann durch ein geschicktes Experiment heraus, dass die Photosynthese in Chloroplasten stattfindet. Engelmann beleuchtete Zellen der Grçnalge $  und entdeckte, dass sich in der Nåhe des groûen bandfærmigen Chloroplasten (Abb. 1.5)

Struktur und Funktion des Chloroplasten

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n Abb. 6.2.   @       %           %  (  "     8I   8     (      8         # I   

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auûen auf der Zelle Bakterien ansammelten. Die Bakterien nutzten die winzigen Sauerstoffmengen, die bei der Photosynthese des Chloroplasten frei wurden, fçr ihre Atmung. Auûen ist ein Chloroplast von einer Hçlle aus zwei Membranen umgeben, die durch einen engen Zwischenraum getrennt sind (Abb. 6.3). Wie die åuûere Membran eines Mitochondriums enthålt auch die åuûere Membran eines Chloroplasten mehrere verschiedene Porine (Kap. 5.1.2). Obwohl die Kanåle in diesen Proteinen relativ groû sind (in der Græûenordnung von 1 nm), zeigen sie dennoch eine Selektivitåt fçr verschiedene gelæste Stoffen und sind daher fçr wichtige Metaboliten nicht so frei permeabel, wie das håufig zu lesen ist. Die innere Membran der Hçlle ist vollkommen undurchlåssig; diese

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Photosynthese und der Chloroplast

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Membran kænnen Substanzen nur mithilfe einer Reihe von Transportern passieren. Ein Groûteil des Photosyntheseapparats des Chloroplasten ± einschlieûlich seiner lichtabsorbierenden Pigmente, einer komplexen Kette von Elektronencarriern und eines ATP-Syntheseapparats ± gehært zu einem inneren Membransystem, das nirgendwo eine Verbindung zur doppelschichtigen Hçlle hat. Diese interne Chloroplastenmembran, in der sich der Apparat fçr die Energieumwandlung befindet, ist in Form abgeflachter Membransåcke, der ! %  , angeordnet. Die Thylakoide liegen in ordentlichen Stapeln aufeinander, die :  genannt werden (Abb. 6.3 und 6.4). Der Raum innerhalb eines Thylakoidsacks wird als 8 und der Raum auûerhalb des Thylakoids, aber innerhalb der Chloroplastenhçlle als & bezeichnet; dort befinden sich die Enzyme fçr die Kohlenhydratsynthese. Wie die Matrix eines Mitochondriums enthålt auch das Stroma eines Chloroplasten kleine dop-

pelstrångige kreisfærmige DNA-Molekçle sowie Ribosomen, die denen der Prokaryoten åhneln. Es wurde bereits erwåhnt, dass die Chloroplasten-DNA ein Relikt aus dem Genom eines urzeitlichen bakteriellen Endosymbionten ist. Sie enthålt je nach Organismus zwischen 60 und 200 Gene, die entweder an der Genexpression (etwa tRNAs, rRNAs, ribosomale Proteine) oder an der Photosynthese beteiligt sind. Die çberwiegende Mehrheit der schåtzungsweise 2000±3500 Polypeptide eines Pflanzenchloroplasten werden von der Kern-DNA codiert und im Cytosol synthetisiert. Diese Proteine mçssen mithilfe eines speziellen Transportapparats wieder in den Chloroplasten importiert werden (Kap. 8.9). Thylakoidmembranen weisen einen hohen Proteinanteil und ungewæhnlich wenig Phospholipid auf. Stattdessen besitzen sie einen hohen Prozentsatz an galactosehaltigen Glycolipiden, wie dem, das hier zu sehen ist.



Ein Ûberblick çber den Photosynthesestoffwechsel

Die beiden Fettsåuren dieser Lipide enthalten mehrere Doppelbindungen, wodurch die Lipiddoppelschicht der Thylakoidmembranen åuûerst fluide ist. Aufgrund dieser Fluiditåt der Lipiddoppelschicht kænnen Proteinkomplexe wåhrend der Photosynthese leichter lateral durch die Membran diffundieren. Wie auf der mikroskopischen Aufnahme am Anfang des Kapitel dargestellt, gehen Chloroplasten durch Teilung aus bereits vorhandenen Chloroplasten (oder deren nichtpigmentierten Vorlåufern, den /   ) hervor.

Weil van Niel von einer grundsåtzlichen Øhnlichkeit der Photosyntheseprozesse aller Organismen ausging, schlug er folgende allgemeine Reaktion vor, die alle diese Aktivitåten umfasst:

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6.2 Ein Ûberblick çber den Photosynthesestoffwechsel Anfang der 1930er Jahre brachte eine Hypothese von C. B. van Niel, der damals Student an der Stanford University war, unser Verståndnis von den chemischen Photosynthesereaktionen ein wesentliches Stçck voran. Sehen Sie sich dazu an, wie die Gesamtreaktion der Photosynthese frçher lautete: Licht

CO2 + H2O ! (CH2O) + O2. 1930 war man noch allgemein der Ansicht, dass durch die Lichtenergie CO2 gespaltet, dadurch molekularer Sauerstoff freigesetzt und das Kohlenstoffatom auf ein Molekçl Wasser çbertragen wçrde, so dass eine Kohlenhydrateinheit (CH2O) entsteht. 1931 schlug van Niel einen anderen Mechanismus vor, auf den er bei seiner Arbeit mit Schwefelbakterien gekommen war. Dabei hatte sich gezeigt, dass diese Organismen CO2 mithilfe von Lichtenergie zu Kohlenhydrat reduzieren kænnen, ohne gleichzeitig molekularen O2 zu bilden. Die postulierte Reaktion fçr die Schwefelbakterien lautete: Licht

CO2 + H2S ! (CH2O) + H2O + 2 S.

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Licht

CO2 + H2A ! (CH2O) + H2O + 2 A. Fçr eine Hexose wie etwa die Glucose lautete damit die Reaktion: Licht

6 CO2 + 12 H2A ! C6H12O6 + 6 H2O + 12 A. Van Niel erkannte, dass die Photosynthese im Grunde genommen ein Redoxprozess ist. In der obigen Reaktion ist H2A ein Elektronendonor (Reduktionsmittel) wie H2O, H2S oder andere reduzierte Substrate, die verschiedene Bakterientypen verwenden. Kohlendioxid ist dagegen ein Oxidationsmittel, das in einer Pflanzenzelle nach folgender Reaktion zu Hexose reduziert wird: Licht

6 CO2 + 12 H2O ! C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2. Die Sauerstoffmolekçle dieser Gleichung stammen nicht aus dem CO2, sondern aus dem Abbau von zwei Molekçlen H2O ± ein Prozess, der von der Lichtabsorption angetrieben wird. 1941 zeigten Samuel Ruben und Martin Kamen von der University of California, Berkeley, eindeutig, dass Wasser bei der Bildung von molekularem Sauerstoff eine entscheidende Rolle spielt. Die beiden experimentierten mit Suspensionen von Grçnalgen, in denen sie das çbliche Sauerstoffisotop 16O gegen ein spezifisch markiertes Isotop 18O austauschten. In einer Algensuspension befand sich markiertes C[18O2] und unmarkiertes Wasser, wåhrend eine andere unmarkiertes Kohlendioxid und markiertes H2[18O] enthielt. Die beiden Wissenschaftler stellten die einfache Frage: Welche der beiden Proben photosynthetisch aktiver Organismen setzt markiertes 18O2 frei? Es waren die Algen mit dem markierten Wasser, was zeigte, dass das bei der Photosynthese gebildete O2 aus dem H2O stammt. Der Sauerstoff, den die Algen mit dem markierten Kohlendioxid bildeten, war nicht radioaktiv, was beståtigte, dass O2 nicht aus einer chemischen Spaltung von CO2 hervorgeht. Entgegen der gångigen Meinung wurde nicht Kohlendioxid, sondern Wasser in zwei atomare Bestandteile gespalten. Die Hypothese von van Niel hatte sich als richtig erwiesen. Die von van Niel aufgestellte Hypothese tauchte die Photosynthese in ein neues Licht; sie wurde damit praktisch zu einer Rçckreaktion der mitochondrialen Atmung. Wåhrend bei der mitochondrialen Atmung Sauerstoff zu Wasser

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Photosynthese und der Chloroplast

eduziert wird, oxidiert die Photosynthese in den Chloroplasten Wasser zu Sauerstoff. Da im ersten Prozess Energie frei wird, musste der zweite Prozess Energie benætigten. Abbildung 6.5 gibt einen Ûberblick çber die Thermodynamik der Photosynthese und der aeroben Atmung. Wie auf den folgenden Seiten deutlich wird, gibt es zwischen beiden Stoffwechselaktivitåten zahlreiche Øhnlichkeiten. Man kann die Photosyntheseprozesse in zwei Reaktionsfolgen unterteilen n In der ersten Phase, den 8    , wird Energie aus dem Sonnenlicht absorbiert und als chemische Energie in zwei biologischen Schlçsselmolekçlen gespeichert: ATP und NADPH. Wie in Kap. 3 erærtert wurde, stammt der græûte Teil der chemischen Energie in der Zelle aus dem ATP, wåhrend NADPH der Zelle die meisten Reduktionsåquivalente liefert. n In der zweiten Phase, den     1      (oder ¹Dunkelreaktionenª, wie sie auch oft genannt werden), werden mithilfe der in ATP und NADPH gespeicherten Energie, die in den Lichtreaktionen gebildet wurden, aus Kohlendioxid Kohlenhydrate synthetisiert.

Man schåtzt, dass die auf der Erde vorhandenen Pflanzen pro Jahr insgesamt etwa 500 Mrd. t CO2 in Kohlenhydrate umwandeln; das ist eine Menge, die etwa 10 000-mal græûer ist als die weltweit produzierte Rindfleischmenge eines Jahres. Wir werden im folgenden zunåchst die komplexen Lichtreaktionen besprechen, bei denen nach wie vor noch einiges nicht vollståndig geklårt ist.

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n Abb. 6.5. P         !   # I       



/' Die Lichtabsorption Licht wandert in Energiepaketen (oder -quanten), den / , die man sich als ¹Lichtteilchenª vorstellen kann.2 Wie viel Energie ein Photon enthålt, hångt nach folgender Gleichung von der Wellenlånge des Lichts ab  = /k wobei  die Planck-Konstante (1,58´10±34 cal´s),  die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und k die Wellenlånge des Lichts ist. Je kçrzer die Wellenlånge ist, desto energiereicher ist das Licht. Ein Mol (6,02´1023) Photonen einer Wellenlånge von 680 nm, einer fçr die Photosynthese wichtigen Wellenlånge, enthålt ungefåhr 42 kcal Energie, was einer Ønderung im Redoxpotenzial von ungefåhr 1,8 V entspricht (dafçr teilt man die 42 kcal durch die Faraday-Konstante von 23,06 kcal/V). Bei jedem photochemischen Prozess ist die Lichtabsorption der erste Schritt. Wenn ein Molekçl ein Photon absorbiert, erhålt ein Elektron gençgend Energie, um von einem inneren auf ein åuûeres Orbital angehoben zu werden. Man sagt, das Molekçl wird von einem :$   in einen     versetzt. Weil die Anzahl der Orbitale, auf denen sich ein Elektron befinden kann, begrenzt ist und jedes Orbital ein spezielles Energieniveau besitzt, kann jedes Atom oder Molekçl nur Licht bestimmter Wellenlången absorbieren. Der angeregte Zustand eines Molekçls ist instabil und kann schåtzungsweise nur etwa 10±9 Sekunden dauern. Je nach den Umstånden kann das fçr das angeregte Elektron verschiedene Folgen haben. Betrachten Sie ein Molekçl +   %, das wichtigste lichtabsorbierende Pigment in der Photosynthese. Wenn das Elektron eines angeregten Chlorophyllmolekçls auf ein niedrigeres Orbital zurçckfållt, muss die Energie, die es absorbiert hatte, freigesetzt werden. Wenn diese Energie in Form von Wårme oder Licht (Fluoreszenz oder Phosphoreszenz) freigesetzt wird, ist das Chlorophyll in seinen ursprçnglichen Grundzustand zurçckgekehrt, ohne dass die Energie des absorbierten Photons genutzt wurde. Das ist genau das, was man beobachtet, wenn eine Pråparation von   +  2 Aufgrund der Arbeiten von Max Planck und Albert Einstein kam zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Vorstellung auf, dass elektromagnetische Strahlung (wie Licht) sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter hat; das war der Ausgangspunkt fçr die Erforschung der Quantenmechanik.

Die Lichtabsorption

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 % in Læsung beleuchtet wird: Die Læsung fångt an, stark zu fluoreszieren, weil die absorbierte Energie mit einer långeren Wellenlånge (d. h. mit einer geringeren Energie) wieder abgestrahlt wird. Wenn man dagegen dasselbe Experiment mit   +   durchfçhrt, ist nur eine schwache Fluoreszenz zu beobachten, was dafçr spricht, dass nur sehr wenig der absorbierten Energie vergeudet wird. Die angeregten Elektronen der Chlorophyllmolekçle werden vielmehr auf Elektronenakzeptoren in den Chloroplastenmembranen çbertragen, bevor sie auf Orbitale mit einem geringeren Energieniveau zurçckfallen kænnen. Somit kænnen Chloroplasten die absorbierte Energie nutzbar machen, bevor sie abgestrahlt wird. 6.3.1 Photosynthetisch aktive Pigmente /  sind Verbindungen, die farbig erscheinen, weil sie nur Licht einer oder mehrerer bestimmter Wellenlången im sichtbaren Spektrum absorbieren. Blåtter sind grçn, weil ihre Chloroplasten groûe Mengen des Pigments Chlorophyll enthalten, das am besten im blauen und roten Bereich absorbiert die dazwischen liegenden Wellenlången des grçnen Bereichs reflektiert. Abbildung 6.6 zeigt die Chlorophyllstruktur. Jedes Molekçl besteht aus zwei Teilen: einem Porphyrinring fçr die Lichtabsorption und einer hydrophoben Phytolkette, çber die das Chlorophyll in die photosynthetisch aktive Membran eingebettet ist. Im Gegensatz zu den roten, eisenhaltigen Porphyrinen (Håmgruppen) des Håmoglobins und Myoglobins enthålt das Porphyrin des Chlorophyllmolekçls ein Magnesiumatom. Da sich im Porphyrinring Einfach- und Doppelbindungen abwechseln, werden die Elektronen verteilt und befinden sich in einer Wolke um den Ring herum (Abb. 6.6). Derartige Systeme, die man als ,  bezeichnet, absorbieren sichtbares Licht sehr gut. Durch die absorbierte Energie kommt es zu einer Umverteilung der Elektronendichte im Molekçl, wodurch wiederum die Abgabe eines Elektrons an einen geeigneten Akzeptor erleichtert wird. Aufgrund des konjugierten Bindungssystems verbreitern sich die Absorptionspeaks, so dass einzelne Molekçle die Energie eines breiteren Spektrums an Wellenlången absorbieren kænnen. Dieses Merkmal kann man gut an einem Absorptionsspektrum von gereinigten Chlorophyllmolekçlen erkennen (Abb. 6.7). Beim   

 wird die Intensitåt des absorbierten Lichts gegen die Wellenlånge aufgetragen. Der Wellenlångenbereich, den Photosynthesepigmente in den Thylakoiden

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Photosynthese und der Chloroplast

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absorbieren, ist noch græûer, weil die Pigmente nichtkovalent mit einer Reihe verschiedener Polypeptide assoziiert sind. Photosynthetisch aktive Organismen haben mehrere Gruppen von Chlorophyllen, die sich in den Seitengruppen am Porphyrinring unterscheiden. Abbildung 6.6. zeigt die Strukturen dieser Pigmente. Chlorophylle sind zwar die primåren lichtabsorbierenden Photosynthesepigmente, Landpflanzen besitzen aber auch noch +   , orangefarbene oder rote $

 

  /  wie etwa -Carotin, das ein lineares System von konjugierten Doppelbindungen aufweist:

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Carotinoide absorbieren Licht vor allem im blauen und grçnen Bereich des Spektrums (Abb. 6.7), wåhrend sie die gelben, orangefarbenen und roten Bereiche reflektieren. Sie sind fçr die charakteristischen Farben der Mæhren und Orangen sowie fçr die herbstliche Blattfårbung einiger Pflanzen verantwortlich. Carotinoide haben vielfache Aufgaben: Sie fungieren bei der Photosynthese als sekundåre Lichtsammler, entziehen ferner den angeregten Chlorophyllmolekçlen çberschçssige Energie und verstræmen sie als Wårme. Wçrde diese çberschçssige Energie nicht von den Carotinoiden absorbiert, kænnte sie auf Sauerstoff çbertragen werden und eine åuûerst reaktionsfreudige Molekçlform namens Singulett-Sauerstoff (1O*) bilden, die biologische



Photosynthese-Einheiten und Reaktionszentren

Molekçle zerstæren und zum Zelltod fçhren kann. Weil das Licht, das auf ein Blatt fållt, ein breites Spektrum von Wellenlången enthålt, sorgen Pigmente mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften dafçr, dass ein græûerer Anteil der auftreffenden Photonen fçr die Photosynthese genutzt wird. Das erkennt man, wenn man sich ein  

 ansieht (Abb. 6.8), bei dem die relative Geschwindigkeit oder Effizienz der Photosynthese bei Licht mit verschiedenen Wellenlången aufgetragen wird. Im Gegensatz zum Absorptionsspektrum, bei dem einfach gemessen wird, welche Wellenlången des Lichts von bestimmten Pigmenten absorbiert werden, gibt ein Aktionsspektrum an, mit welcher Effizienz Wellenlången eine bestimmte physiologische Reaktion hervorrufen. Das Aktionsspektrum der Photosynthese entspricht weitgehend dem Absorptionsspektrum der Chlorophylle und Carotinoide, worin sich die Beteiligung dieser Pigmente am Photosyntheseprozess widerspiegelt.

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6.4 Photosynthese-Einheiten und Reaktionszentren 1932 fçhrten Robert Emerson und William Arnold vom California Institute of Technology ein Experiment durch, das darauf hindeutete, dass nicht alle Chlorophyllmolekçle eines Chloroplasten direkt an der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie beteiligt sind. An Suspensionen der Grçnalge "  bestimmten sie mit extrem kurzen Lichtblitzen mit såttigender Intensitåt, mit welchem Minimum an Licht ein Maximum an O2 bei der Photosynthese gebildet wird. Aus der Anzahl der Chlorophyllmolekçle im Pråparat errechneten sie, dass bei einem kurzen Lichtblitz pro 2500 Chlorophyllmolekçlen ein Molekçl Sauerstoff freigesetzt wird. Spåter zeigte Emerson, dass mindestens acht Photonen absorbiert werden mçssen, um ein Molekçl O2 zu bilden, was bedeutet, dass die Chloroplasten 300-mal mehr Chlorophyllmolekçle enthalten, als offenbar nætig wåre, um Wasser zu O2 zu oxidieren. Eine mægliche Erklårung fçr diesen Befund wåre, dass nur ein sehr geringer Prozentsatz der Chlorophyllmolekçle an der Photosynthese beteiligt ist. Das ist aber nicht der Fall. Vielmehr bilden mehrere Hundert Chlorophyllmolekçle eine /  %  #   , in der nur ein Mitglied der Gruppe, das    $ +   %, tatsåchlich Elektronen auf einen Elektronenakzeptor çbertrågt. Das Gros der Pigmentmolekçle ist nicht direkt an der Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie beteiligt, sondern fçr die Lichtabsorption verantwortlich. Diese Pigmentmolekçle bilden eine   

 , die Photonen verschiedener Wellenlången absorbiert und diese Energie (die   ) sehr schnell auf das Pigmentmolekçl im Reaktionszentrum çbertrågt. Die Ûbertragung der Anregungsenergie von einen Pigmentmolekçl auf ein anderes hångt sehr stark vom Abstand der Molekçle ab. Das Chlorophyllmolekçl einer Antenne wird mithilfe einer nichtkovalenten Bindung an integrale Polypeptide der Membran ganz in der Nåhe (unter 1,5 nm Abstand) gehalten. Eine ¹Regelª fçr Antennenpigmente besagt, dass die Energie nur auf ein Molekçl çbertragen werden kann, das gleich viel oder weniger Energie benætigt. Mit anderen Worten: Die Energie kann nur auf ein Pigmentmolekçl çbertragen werden, das im Vergleich zum Donormolekçl Licht der gleichen oder einer græûeren Wellenlånge (geringere Energie) absor-

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Photosynthese und der Chloroplast

n Abb. 6.9. P             ' ! &     2 !'  ( #      "  . (   BC   G  & 

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iert. Wenn die Energie durch eine Photosynthese-Einheit wandert (Abb. 6.9), wird sie wiederholt auf ein Pigmentmolekçl çbertragen, das eine græûere Wellenlånge absorbiert. Letztlich wird die Energie auf ein Chlorophyll des Reaktionszentrums çbertragen, das Licht græûerer Wellenlånge absorbiert als alle seine Nachbarn. Sobald die Energie vom Reaktionszentrum çbernommen wurde, kann das durch die Lichtabsorption angeregte Elektron auf seinen Akzeptor çbertragen werden. /! auerstoffbildung: Koordination der Aktionen zweier verschiedener Photosynthesesysteme Die Evolution von Organismen, die H2O als Elektronenquelle verwenden konnten, war mit groûen Verånderungen im Photosyntheseapparat verbunden. Warum es zu diesen Verånderungen kam, wird klar, wenn man die Energetik der oxygenen Photosynthese betrachtet. Das O2/H2O-Paar hat ein Standardredoxpotenzial von +0,82 V, das NADP+/NADPH-Paar eines von ±0,32 V (Tabelle 5.1; Kap. 5.3.1). Der Unterschied zwischen den Redoxpotenzialen dieser beiden Paare (1,14 V) ist ein Maû dafçr, wie viel Energie das System mindestens absorbieren muss, um H2O ein Elektron zu entziehen und es  &    auf NADP+ zu çbertragen. In Zellen herrschen jedoch keine

Standardbedingungen und die Ûbertragung von Elektronen von H2O auf NADP+ erfordert mehr als dieses Minimum an Energie. Man schåtzt, dass wåhrend der aktuellen Aktivitåten in einem Chloroplasten fçr diese Redoxreaktion çber 2 V Energie benætigt werden. (Der Wert von 2 V wurde unter Zuhilfenahme der linken Skala von Abb. 6.10, die von unter +1 V bis çber ±1 V reicht, geschåtzt.) Wie in Kap. 6.3 erwåhnt wurde, entspricht ein Mol Photonen von 680 nm Wellenlånge (rotes Licht) einer Verånderung des Redoxpotenzials um 1,8 V. Somit beruht der Prozess in der Zelle auf der gemeinsamen Aktion zweier verschiedener lichtabsorbierender Reaktionen, obwohl es theoretisch auch mæglich wåre, dass ein Photon aus rotem Licht ein Elektron auf ein Energieniveau anheben kænnte, das ausreichen wçrde, um NADP+ unter Standardbedingungen (wie 1,14 V) zu reduzieren. Die lichtabsorbierenden Photosynthesereaktionen finden in groûen Pigment-Protein-Komplexen, den /  % , statt. Es werden zwei Typen von Photosystemen benætigt, um die beiden lichtabsorbierenden Reaktionen der oxygenen Photosynthese zu katalysieren. Jedes Photosystem treibt Elektronen einen Teil des Energiehçgels hinauf (Abb. 6.10), etwa so, wie ein Sessellift çber zwei Stationen Skifahrer auf einen Hang mit einem besonders langen Abfahrt befærdert. Ein Photosystem, /  %  66 3/&664, treibt Elektronen von einem Energieniveau, das unter dem von Wasser liegt, auf einen Punkt in der Mitte der Strecke. Das andere Photosystem, /  %  6 3/&64, hebt die Elektronen von dem Punkt in der Mitte auf ein Niveau weit oberhalb von NADP+. Die beiden Photosysteme agieren nacheinander. Diese beiden Systemtypen åhneln sich bei Pflanzen und photosynthetisch aktiven Bakterien in ihrer Proteinzusammensetzung und Gesamtarchitektur, obwohl ihre photochemischen Reaktionen vællig unterschiedlich sind. Die gemeinsamen Eigenschaften sprechen dafçr, dass alle photosynthetisch aktiven Reaktionszentren aus einer gemeinsamen urzeitlichen Struktur hervorgegangen sind, die sich çber 3 Mrd. Jahre erhalten hat. Das Reaktionszentrum von Photosystem II ist ein Chlorophylldimer, das als /BOA bezeichnet wird, wobei ¹Pª fçr Pigment und ¹680ª fçr die Wellenlånge des Lichts steht, das dieses spezielle Chlorophyllpaar am besten absorbiert. Das Reaktionszentrum von Photosystem I, ebenfalls ein Chlorophylldimer, wird aus entsprechenden Grçnden /@AA genannt. Wenn Sonnenlicht auf eine Thylakoidmembran trifft, absorbieren die Antennenpigmente von PSII und PSI die Energie



Photosynthese-Einheiten und Reaktionszentren

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und çbertragen sie auf ihre beiden Reaktionszentren. In beiden Reaktionszentren werden Elektronen der Pigmente auf ein åuûeres Orbital angehoben und jedes Elektron auf einen  1 # $ çbertragen. Nachdem die Chlorophylle der Reaktionszentren ihre Elektronen verloren haben, sind sie positiv geladen und werden daher als P680+ beziehungsweise P700+ bezeichnet. Die Elektronenakzeptoren wiederum sind dadurch negativ geladen. Im Grunde genommen macht allein diese Ladungstrennung in den Photosystemen die Lichtreaktion aus ± die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Positiv geladene Reaktionszentren ziehen Elektronen an, und negativ geladene Akzeptoren liefern diese Elektronen. Infolgedessen bereitet die Ladungstrennung in den jeweiligen Photosystemen den Elektronenfluss entlang einer Kette von spezifischen Carriern vor.

Man kann die Strecke, die Elektronen bei der oxygenen Photosynthese, bei der die beiden Photosysteme nacheinander aktiv werden, zurçcklegen, in drei Abschnitte unterteilen: vom Wasser zu PSII, von PSII zu PSI und von PSI zu NADP+. Diesen als &  bezeichneten Verlauf haben erstmals Robert Hill und Fay Bendall von der University of Cambridge vorgeschlagen. In Abb. 6.10 ist der Verlauf des Z-Schemas skizziert; wenn wir die drei Hauptabschnitte des Weges untersuchen, werden wir einige der spezifischen Elemente benennen. Wie die Mitglieder der mitochondrialen Atmungskette (Kap. 5) gehæren die meisten Elektronencarrier des Z-Schemas zu groûen Membranproteinkomplexen (Abb. 6.16). Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler ein immer genaueres Bild von der Struktur dieser Komplexe erarbeitet. Diese Bemçhungen gipfelten in den letzten Jahren in der Veræffentli-

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Photosynthese und der Chloroplast

chung ræntgenkristallographischer Strukturen von PSI und PSII durch Horst Witt, Wolfram Saenger und ihren Mitarbeitern in Berlin. Wie bei den Mitochondrien wird beim Elektronentransport Energie frei, mit der ein Protonengradient aufgebaut wird, der wiederum die ATP-Synthese ermæglicht. Wie in Kap. 6.6.1 erærtert, wird das im Chloroplasten gebildete ATP hauptsåchlich im Organell selbst zur Kohlenhydratsynthese eingesetzt, wåhrend das auûerhalb des Chloroplasten verwendete ATP çberwiegend aus den Mitochondrien der Pflanzenzellen stammt. PSII-Aktivitåten: Erzeugung von Elektronen durch Wasserspaltung Das Photosystem II benutzt die absorbierte Lichtenergie fçr zwei miteinander zusammenhångende Aktivitåten: um dem Wasser Elekt-

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 6.11. Die funktionelle Organisation des Photosystems II. Ein vereinfachtes Modell dieses riesigen ProteinPigment-Komplexes, der die lichtvermittelte Oxidation von Wasser und die Reduktion von Plastochinon katalysiert. Die gelben Pfeile geben an, welchen Weg die Elektronen nehmen. Der Prozess beginnt mit der Lichtabsorption eines Antennenpigments im åuûeren lichtabsorbierenden Komplex (LHCII). Von LHCII wird die Energie durch einen inneren Pigment-Protein-Komplex der Antennen auf ein Chlorophyll a des P680-Reaktionszentrums çbertragen, eines der vier dicht gestaffelten Chlorophyll-a-Molekçle (das P680-Dimer und zwei akzessorische Chlorophyll-a-Molekçle). Durch die Energieaufnahme von P680 wird ein Elektron angeregt und auf Pheophytin (Pheo) çbertragen (Schritt 1), den primåren Elektronenakzeptor von PSII. (Pheophytin ist ein Chlorophyllmolekçl, das kein Magnesium-Ion besitzt.) Daraufhin wird das Elektron çber ein Plastochinon PQA (Schritt 2) und ein Fe2+ ohne Håmgruppe auf PQB weitergeleitet (Schritt 3), wobei ein negativ geladenes freies

ronen zu entziehen und um einen Protonengradienten aufzubauen. Das PSII der Pflanzenzellen ist ein Komplex von çber 20 verschiedenen Polypeptiden, von denen die meisten in die Thylakoidmembran eingebettet sind. Zwei dieser Proteine, D1 und D2, sind besonders wichtig, weil sie zusammen an das P680 Chlorophylldimer des Reaktionszentrums und die Cofaktoren binden, die am Elektronentransport durch das Photosystem beteiligt sind (Abb. 6.11). Im ersten Schritt der PSII-Aktivierung absorbiert ein Antennenpigment Licht. Die meisten Antennenpigmente, die fçr PSII Licht absorbieren, sitzen in einem eigenen Pigment-ProteinKomplex, dem lichtabsorbierenden Komplex II oder einfach LHCII (light-harvesting complex II). LHCII-Proteine befinden sich auûerhalb des Photosystemzentrums und binden sowohl an Chlorophylle als auch an Carotinoide (Abb. 6.11). Wie in

Radikal PQ·± B entsteht. Nach der Absorption eines zweiten Photons wird ein zweites Elektron denselben Weg entlang geschickt und der Akzeptor in PQB2± umgewandelt (Schritt 4). Dann kommen zwei Protonen aus dem Stroma dazu (Schritt 5) und es entsteht PQH2, das in die Lipiddoppelschicht entlassen und durch ein frisch oxidiertes PQB-Molekçl ersetzt wird (Schritt 6). Wåhrend der oben genannten Prozesse flieûen Elektronen von H2O çber ein TyrZ zu dem positiv geladenen Pigment des Reaktionszentrums (Schritte B und A). Somit katalysiert PSII insgesamt den Elektronentransport von Wasser auf Plastochinon. Durch die Oxidation der beiden H2O-Molekçle unter Freisetzung von einem Molekçl O2 entstehen zwei Molekçle PQH2. Weil bei der Wasseroxidation Protonen in das Thylakoidlumen gelangen und bei der Reduktion von PQB2± aus dem Stroma Protonen abgezogen werden, leistet PSII einen groûen Beitrag zur Bildung eines H+-Gradienten. Abgebildet ist ein Monomer eines dimeren PSII-Komplexes



Photosynthese-Einheiten und Reaktionszentren

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den ¹Experimentellen Verfahrenª, die man im Netz unter www.wiley.com/college/karp abrufen kann, erærtert wird, ist LHCII nicht immer mit PSII assoziiert, sondern kann unter den entsprechenden Bedingungen die Thylakoidmembran entlang wandern und ist dann mit PSI assoziiert, fçr dessen Reaktionszentrum es ebenfalls als lichtabsorbierender Komplex fungiert.  #

9 /&66 $ /   Die Anregungsenergie flieût von den LHCII-Pigmenten der åuûeren Antenne zu einigen wenigen Chlorophyllmolekçlen der inneren Antenne im Kern von PSII. Von dort wird die Energie letztlich zum PSII-Reaktionszentrum weitergeleitet. Das Pigment (P680*) des angeregten Reaktionszentrums çbertrågt daraufhin ein einzelnes lichtangeregtes Elektron auf ein eng assoziiertes chlorophyllartiges Pheophytinmolekçl (Schritt 1, Abb. 6.10), den primåren Elektronenakzeptor. Dieser Elektronentransport fçhrt zu einer Ladungstrennung im PSII zwischen einem positiv geladenen Donor (P680+) und einem negativ geladenen Akzeptor (Pheo±). Wie wichtig die Bildung der zwei gegensåtzlich geladenen Spezies P680+ und Pheo± ist, wird klarer, wenn wir uns die Oxidations- und Reduktionsfåhigkeiten der beiden ansehen. P680+, dem Elektronen fehlen, kann Elektronen aufnehmen und ist daher ein Oxidationsmittel. Pheo± hat dagegen ein çberschçssiges Elektron, das relativ locker sitzt; daher ist es ein Reduktionsmittel. Dieser Prozess ± die Bildung eines Oxidations- und eines Reduktionsmittels mithilfe des Lichts ± beansprucht noch nicht einmal eine milliardstel Sekunde und ist der essentielle erste Schritt der Photosynthese. Aufgrund ihrer entgegengesetzten Ladungen wçrden P680+ und Pheo± natçrlich schnell miteinander reagieren. Dies wird aber dadurch verhindert, dass die getrennten Ladungen durch eine Passage çber mehrere verschiedene Stellen weiter voneinander getrennt werden ± letztlich auf entgegengesetzte Seiten der Membran. Pheo± çbertrågt sein Elektron erst einmal (Schritt 2, Abb. 6.11) auf ein Molekçl Plastochinon (PQA in Abb. 6.11), das nahe der Auûenseite (Stroma) der Membran gebunden ist. Plastochinon (PQ) ist ein fettlæsliches Molekçl (Abb. 6.12), das von der Struktur her Ubichinon (Abb. 5.12 c) åhnelt. Das Elektron von PQA wird auf ein zweites Plastochinon (PQB in Abb. 6.11) çbertragen (Schritt 3 in Abb. 6.11), wodurch eine halbreduzierte Form des Molekçls (PQ·± B ) entsteht, die fest mit dem D1-Protein des Reaktionszentrums verbunden bleibt. Mit jedem dieser Transfers gelangt

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das Elektron weiter auf die Stromaseite der Membran. Das positiv geladene Pigment (P680+) wird erneut zu P680 reduziert (s. unten), wodurch das Reaktionszentrum wieder zur Absorption eines weiteren Photons bereit ist. Bei der Absorption eines zweiten Photons wird ein zweites angeregtes Elektron von P680 çber Pheophytin und PQA auf (PQ·± B ) transferiert; dadurch entsteht PQ2± B (Schritt 4, Abb. 6.11), das zusammen mit zwei Protonen Plastochinol (PQH2) bildet (Schritt 5, Abb. 6.10; Abb. 6.12). Die zur Bildung von PQH2 verwendeten Protonen kommen aus dem Stroma, was zu einer Abnahme der H+-Konzentration im Stroma und damit wiederum zur Ausbildung des Protonengradienten beitrågt. Das reduzierte PQH2-Molekçl læst sich vom D1-Molekçl und diffundiert in die Lipiddoppelschicht. Es wird durch ein vollståndig oxidiertes PQ-Molekçl aus einer kleinen Gruppe von Plastochinonmolekçlen in der Doppelschicht ersetzt (Schritt 6, Abb. 6.11). Im folgenden Abschnitt verfolgen wir, was mit den Elektronen (und Protonen) von PQH2 weiter passiert.  #

9 

 $ /&66 Der Teil des Elektronenflusses vom Wasser zum NADP+, den man noch am wenigsten versteht, ist der erste Schritt zwischen H2O und PSII.

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Photosynthese und der Chloroplast


Ein PSII-Reaktionszentrum kann gleichzeitig allerdings nur eine positiv