Vorwort
Vorwort zur deutschen Ausgabe

Kapitel 1 - Ein Überblick über die Zelle 7

1.1 Die Zelltheorie: Kurzer historischer Exkurs 8
1.2 Die Entwicklung der modernen Zellbiologie 12
1.2.1 Die Zytologie befasst sich mit der Zellstruktur 14
1.2.2 Die Biochemie beschäftigt sich mit der Chemie der biologischen Struktur und ihrer Funktion 17
1.2.3 Die Genetik beschäftigt sich mit dem Informationsfluss 19
1.3 „Fakten“ und die wissenschaftliche Arbeitsweise 22

Kapitel 2 - Die Chemie der Zelle 33

2.1 Die Bedeutung des Kohlenstoffs 35
2.1.1 Kohlenstoffhaltige Moleküle sind stabil 36
2.1.2 Kohlenstoffhaltige Moleküle sind vielfältig 37
2.1.3 Kohlenstoffhaltige Moleküle können Stereoisomere bilden 39
2.2 Die Bedeutung von Wasser 40
2.2.1 Wassermoleküle sind polar 40
2.2.2 Wassermoleküle sind kohäsiv 40
2.2.3 Wasser besitzt eine starke temperaturstabilisierende Fähigkeit 41
2.2.4 Wasser ist ein hervorragendes Lösungsmittel 42
2.3 Die Bedeutung der selektiven Permeabilität von Membranen 43
2.3.1 Eine Membran ist eine Lipiddoppelschicht, in die Proteine eingebettet sind 44
2.3.2 Membranen sind selektiv permeabel 46
2.4 Die Bedeutung der Synthese durch Polymerisation 46
2.4.1 Makromoleküle sind für Form und Funktion lebender Systeme von maßgeblicher Bedeutung 47
2.4.2 Zellen enthalten verschiedene Arten von Makromolekülen 49
2.4.3 Makromoleküle werden schrittweise durch Polymerisation von Monomeren synthetisiert 51
2.5 Die Bedeutung der Selbstorganisation 53
2.5.1 Viele Proteine setzen sich selbst zusammen 53
2.5.2 Molekulare Chaperone unterstützen die Faltung einiger Proteine 55
2.5.3 Nicht-kovalente Bindungen und Wechselwirkungen sind wichtig für die Faltung von Makromolekülen 56
2.5.4 Selbstorganisation findet auch in anderen Zellstrukturen statt 57
2.5.5 Das Tabakmosaikvirus als Fallstudie der Selbstorganisation 57
2.5.6 Grenzen der Selbstorganisation 59
2.5.7 Der hierarchische Zusammenbau bringt der Zelle Vorteile 59

Kapitel 3 - Die Makromoleküle der Zelle 67

3.1 Proteine 68
3.1.1 Die Monomere der Proteine sind Aminosäuren 68
3.1.2 Die Polymere sind Polypeptide und Proteine 72
3.1.3 Mehrere Arten von Bindungen und Wechselwirkungen sind für Faltung und Stabilität von Proteinen von Bedeutung 74
3.1.4 Die Proteinstruktur hängt von der Aminosäuresequenz und verschiedenen Wechselwirkungen ab 76
3.2 Nucleinsäuren 86
3.2.1 Nucleotide sind die Monomere 87
3.2.2 DNA und RNA sind die Polymere 89
3.2.3 Ein DNA-Molekül ist eine Doppelstrang-Helix 89
3.3 Polysaccharide 95
3.3.1 Monosaccharide sind die Monomere 95
3.3.2 Speicher- und Strukturpolysaccharide sind die Polysaccharide 98
3.3.3 Die Struktur des Polysaccharids hängt von den jeweiligen glykosidischen Bindungen ab 100
3.4 Lipide 100
3.4.1 Fettsäuren sind die Bausteine der verschiedenen Klassen von Lipiden 102
3.4.2 Die Triacylglycerine sind Speicherlipide 104
3.4.3 Phospholipide sind wichtig für die Membranstruktur 104
3.4.4 Glykolipide sind spezialisierte Membranbestandteile 106
3.4.5 Steroide sind Lipide mit vielfältigen Funktionen 106
3.4.6 Terpene werden aus Isopren gebildet 107

Kapitel 4 - Zellen und Organellen 115

4.1 Merkmale und Strategien von Zellen 116
4.1.1 Alle Organismen sind Bakterien, Archaea oder Eukaryoten 116
4.1.2 Grenzen der Zellgröße 118
4.1.3 Eukaryotische Zellen nutzen Organellen zur Kompartimentierung zellulärer Funktionen 120
4.1.4 Bakterien, Archaea und Eukaryoten unterscheiden sich in vielen Aspekten 120
4.1.5 Die Zellspezialisierung beweist die Einheit und die Vielfalt in der Biologie 124
4.2 Die eukaryotische Zelle im Überblick: Ein Rundgang durch die Zelle 125
4.2.1 Die Plasmamembran definiert die Grenzen der Zelle und umschließt den Inhalt 126
4.2.2 Der Zellkern ist das Informationszentrum der Zelle 127
4.2.3 Intrazelluläre Membranen und Organellen definieren funktionelle Kompartimente 128
4.2.4 Die extrazelluläre Matrix und die Zellwand liegen „außerhalb“ der Zelle 147
4.3 Viren, Viroide und Prionen: Partikel, die in Zellen eindringen 149
4.3.1 Ein Virus besteht aus einem DNA- oder RNA-Kern, der von einer Proteinhülle umgeben ist 149
4.3.2 Viroide sind kleine ringförmige RNA-Moleküle 151
4.3.3 Prionen sind „infektiöse Proteine“ 152

Kapitel 5 - Bioenergetik: Der Energiefluss in der Zelle 161

5.1 Die Bedeutung der Energie 162
5.1.1 Zellen benötigen Energie für sechs verschiedene Arten der Veränderung 162
5.1.2 Organismen erhalten ihre Energie entweder durch Sonnenlicht oder durch Oxidation chemischer Verbindungen 165
5.1.3 Energie fließt unablässig durch die Biosphäre 166
5.1.4 Der Energiefluss durch die Biosphäre wird vom Fluss der Materie begleitet 168
5.2 Bioenergetik 168
5.2.1 Zum Verständnis des Energieflusses müssen wir die Systeme, Wärme und Arbeit verstehen 169
5.2.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie konserviert wird 171
5.2.3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Reaktionen gerichtet verlaufen 172
5.2.4 Entropie und freie Energie als zwei alternative Hilfsmittel zur Ermittlung der thermodynamischen Spontanität 173
5.3 Was ist DG? 180
5.3.1 Die Gleichgewichtskonstante ist ein Maß für die Richtung einer Reaktion (Direktionalität) 181
5.3.2 DG kann leicht berechnet werden 182
5.3.3 Die Standardveränderung der freien Energie entspricht der Messung von DG unter Standardbedingungen 184
5.3.4 Zusammenfassung: Die Bedeutung von DG ’ und DG °’ 185
5.3.5 Die Veränderung der freien Energie: Beispielrechnungen 186
5.4 Leben und das Fließgleichgewicht: Reaktionen, die zum Gleichgewicht fortschreiten, ohne jemals dort anzukommen 187

Kapitel 6 - Enzyme: Katalysatoren des Lebens 197

6.1 Aktivierungsenergie und der metastabile Zustand 198
6.1.1 Bevor eine chemische Reaktion ablaufen kann, muss die Grenze der Aktivierungsenergie überwunden werden 199
6.1.2 Der metastabile Zustand ist eine Folge der Aktivierungsgrenze 200
6.1.3 Katalysatoren überwinden die Aktivierungsenergiegrenze 200
6.2 Enzyme als biologische Katalysatoren 201
6.2.1 Die meisten Enzyme sind Proteine 202
6.2.2 Substratbindung, Aktivierung und Katalyse laufen am aktiven Zentrum ab 207
6.3 Enzymkinetik 210
6.3.1 Die meisten Enzyme verhalten sich entsprechend der Michaelis-Menten-Gleichung 213
6.3.2 Was bedeuten Vmax und Km? 214
6.3.3 Warum sind Km und Vmax für Zellbiologen von Bedeutung? 215
6.3.4 Der doppelt reziproke Graph ist ein nützliches Hilfsmittel, kinetische Daten in linearer Form aufzutragen 216
6.3.5 Die Berechnung von Km und Vmax : ein Beispiel 217
6.3.6 Jeder Enzyminhibitor wirkt entweder irreversibel oder reversibel 219
6.4 Enzymregulierung 220
6.4.1 Allosterische Enzyme werden von anderen Molekülen als Reaktanten und Produkten reguliert 221
6.4.2 Allosterische Enzyme zeichnen sich durch kooperative Wechselwirkungen zwischen Untereinheiten aus 224
6.4.3 Enzyme können auch durch Anfügen oder Entfernen chemischer Gruppen reguliert werden 224
6.5 RNA-Moleküle als Enzyme: Ribozyme 226

Kapitel 7 - Membranen: Struktur, Funktion und Chemie 237

7.1 Die Funktion von Membranen 238
7.1.1 Membranen definieren Grenzen und dienen als Permeabilitätsbarriere 239
7.1.2 Membranen tragen spezifische Proteine und erfüllen daher spezifische Funktionen 239
7.1.3 Membranproteine regulieren den Transport löslicher Substanzen 240
7.1.4 Membranproteine nehmen elektrische und chemische Signale auf und übertragen diese 240
7.1.5 Membranproteine vermitteln Zelladhäsion und Zell-Zell-Kommunikation 240
7.2 Modelle der Membranstruktur: Eine experimentelle Herangehensweise 241
7.2.1 Overton und Langmuir: Lipide sind wichtige Bausteine von Membranen 241
7.2.2 Gorter und Grendel: Die Grundlage der Membranstruktur ist eine Lipiddoppelschicht 242
7.2.3 Davson und Danielli: Membranen enthalten auch Proteine 242
7.2.4 Robertson: Alle Membranen haben eine gemeinsame Grundstruktur 243
7.2.5 Weitere Forschungsergebnisse deckten größere Unzulänglichkeiten des Davson-Danielli-Modells auf 244
7.2.6 Singer und Nicolson: Eine Membran besteht aus einem Mosaik von Proteinen in einer flüssigen Lipiddoppelschicht 244
7.2.7 Unwin und Henderson: Die meisten Membranproteine enthalten Transmembransegmente 247
7.2.8 Neueste Erkenntnisse verfeinern unser Verständnis der Membranstruktur 247
7.3 Membranlipide: Der „flüssige“ Teil des Modells 248
7.3.1 Membranen enthalten mehrere wichtige Lipidklassen 248
7.3.2 Die Dünnschichtchromatographie ist eine wichtige Technik zur Analyse von Lipiden 251
7.3.3 Fettsäuren sind essenziell für Struktur und Funktion der Membran 253
7.3.4 Membranasymmetrie: die meisten Lipide sind ungleich in den Monoschichten verteilt 253
7.3.5 Die Lipiddoppelschicht ist flüssig 254
7.3.6 Membranen arbeiten nur im flüssigen Zustand optimal 255
7.3.7 Die meisten Organismen können die Membranfluidität regulieren 258
7.3.8 Lipidflöße sind spezialisierte Regionen von Membranlipiden, die an der Signaltransduktion mitwirken 259
7.4 Membranproteine: Der „Mosaikteil“ des Modells 260
7.4.1 Die Membran besteht aus einem Mosaik aus Proteinen: Beweis durch Gefrierbruchmikroskopie 260
7.4.2 Membranen enthalten integrale, periphere und lipidverankerte Proteine 262
7.4.3 Proteine können durch SDS-Polyacrylamid-Gel-Elektrophorese (PAGE) getrennt werden 266
7.4.4 Die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur von Membranproteinen wird zunehmend einfacher 268
7.4.5 Der große Beitrag der Molekularbiologie zum Verständnis der Membranproteine 270
7.4.6 Membranproteine üben eine Vielzahl von Funktionen aus 273
7.4.7 Membranproteine sind asymmetrisch über die Lipiddoppelschicht verteilt
274
7.4.8 Viele Membranproteine sind glykosyliert 275
7.4.9 Membranproteine unterscheiden sich in ihrer Beweglichkeit 278

Kapitel 8 - Transport durch Membranen: Überwindung der Permeabilitätsbarriere 289

8.1 Zellen und Transportvorgänge 290
8.1.1 Gelöste Substanzen passieren Membranen durch einfache Diffusion, erleichterte Diffusion und aktiven Transport 292
8.1.2 Die Bewegung eines gelösten Stoffs durch eine Membran in Abhängigkeit vom Konzentrationsgradienten
8.1.3 Transportmechanismen am Beispiel der Membran des Erythrocyten 293
8.2 Die einfache Diffusion: Die einfache Bewegung entlang eines Gradienten 293
8.2.1 Diffusion bewegt gelöste Stoffe immer in Richtung eines Gleichgewichts 295
8.2.2 Osmose ist die Diffusion von Wasser durch eine selektiv permeable Membran 296
8.2.3 Die einfache Diffusion ist auf kleine nicht-polare Moleküle begrenzt 298
8.2.4 Die Geschwindigkeit der einfachen Diffusion ist direkt proportional zum Konzentrationsgradienten 299
8.3 Die erleichterte Diffusion: Die proteinvermittelte Bewegung entlang des Gradienten 300
8.3.1 Carrierproteine und Kanalproteine erleichtern durch verschiedene Mechanismen die Diffusion 301
8.3.2 Carrierproteine wechseln zwischen zwei Konformationszuständen 301
8.3.3 Carrierproteine sind im Hinblick auf Spezifität und Kinetik den Enzymen ähnlich 301
8.3.4 Carrierproteine transportieren entweder eine oder mehrere gelöste Substanzen 302
8.3.5 Der Glucosetransporter und der Anionenaustauscher des Erythrocyten als Beispiele für Carrierproteine 303
8.3.6 Kanalproteine erleichtern die Diffusion durch Bildung hydrophiler Transmembrankanäle 305
8.4 Aktiver Transport: Der proteinvermittelte „Bergauf“-Transport 311
8.4.1 Die Kopplung des aktiven Transports an eine Energiequelle kann direkt oder indirekt sein 312
8.4.2 Der direkt aktive Transport hängt von vier Typen von Transport-ATPasen ab 313
8.4.3 Der indirekt aktive Transport wird von Ionengradienten angetrieben 316
8.5 Beispiele für aktiven Transport 317
8.5.1 Der primär aktive Transport: Die Na+/K+-Pumpe hält den elektrochemischen Ionengradienten aufrecht 317
8.5.2 Sekundär aktiver Transport: Natriumsymport als Antrieb der Glucoseaufnahme 319
8.5.3 Bacteriorhodopsin als Protonenpumpe nutzt Lichtenergie für den Protonentransport 321
8.6 Die Energetik des Transports 323
8.6.1 Bei nicht-geladenen Substanzen hängt DG des Transports nur vom Konzentrationsgradienten ab 323
8.6.2 Für geladene Substanzen hängt DG des Transports vom elektrochemischen Potenzial ab 325

Kapitel 9 - Chemotropher Energiemetabolismus I: Glykolyse und Fermentation 335

9.1 Metabolische Wege 336
9.2 ATP: Der universale Energiekoppler 337
9.2.1 ATP enthält zwei energiereiche Phosphoanhydridbindungen 337
9.2.2 Die ATP-Hydrolyse ist auf Grund der Ladungsabstoßung und der Resonanzstabilisierung stark exergonisch 338
9.2.3 ATP ist ein wichtiges Zwischenprodukt des zellulären Energiemetabolismus 340
9.3 Chemotropher Energiemetabolismus 342
9.3.1 Biologische Oxidationen laufen im Allgemeinen durch Abgabe von Elektronen und Protonen ab und sind stark exergonisch 342
9.3.2 Coenzyme wie NAD+ dienen bei biologischen Oxidationen als Elektronenakzeptoren 343
9.3.3 Die meisten Chemotrophen decken ihre Energiebedürfnisse durch Oxidation organischer Nährstoffmoleküle 344
9.3.4 Glucose ist eines der wichtigsten oxidierbaren Substrate des Energiemetabolismus 344
9.3.5 Die Oxidation von Glucose ist stark exergonisch 345
9.3.6 Beim Katabolismus von Glucose wird in Anwesenheit von Sauerstoff wesentlich mehr Energie freigesetzt als ohne Sauerstoff
9.3.7 Entsprechend ihres Sauerstoffbedarfs teilt man die Organismen in aerobe, anaerobe und fakultative Organismen ein 345
9.4 Glykolyse und Fermentation: ATP-Bildung ohne Sauerstoff 346
9.4.1 Die Glykolyse erzeugt ATP durch Katabolisierung von Glucose zu Pyruvat 346
9.4.2 Das weitere Schicksal von Pyruvat hängt von der Verfügbarkeit von Sauerstoff ab 351
9.4.3 Ohne Sauerstoff durchläuft Pyruvat eine Fermentation zur Wiedergewinnung von NAD+ 352
9.4.4 Fermentation verwertet nur einen Bruchteil der freien Energie der Glucose, speichert diese Energie aber effizient als AT
9.5 Alternative Substrate der Glykolyse 354
9.5.1 Andere Zucker und Glycerin werden auch durch Glykolyse katabolysiert 354
9.5.2 Polysaccharide werden gespalten und bilden Zuckerphosphate, die auch die Glykolyse durchlaufen 355
9.6 Gluconeogenese 356
9.7 Die Regulation der Glykolyse und der Gluconeogenese 362
9.7.1 Schlüsselenzyme der Glykolyse und der Gluconeogenese sind von der allosterischen Regulation abhängig 362
9.7.2 Fructose-2,6-Bisphosphat ist ein wichtiger Regulator der Glykolyse und der Gluconeogenese 364
9.8 Neue Aufgaben für glykolytische Enzyme 364

Kapitel 10 - Chemotropher Energiemetabolismus II: Aerobe Atmung 375

10.1 Zellatmung: Maximierung der ATP-Erträge 376
10.1.1 Aerobe Atmung erzeugt mehr Energie als Gärung 377
10.1.2 Zur aeroben Atmung gehören Glykolyse, Pyruvatoxidation, der TCA-Zyklus, Elektronentransport und ATP-Synthese 378
10.2 Das Mitochondrium: Mittelpunkt der Handlung 378
10.2.1 Mitochondrien kommen dort vor, wo viel ATP gebraucht wird 379
10.2.2 Sind Mitochondrien untereinander verbundene Netzwerke oder einzelne Organellen? 379
10.2.3 Die äußere und die innere Membran eines Mitochondriums definieren zwei getrennte Kompartimente und drei Regionen 380
10.2.4 Das Mitochondrium führt seine Aufgaben an spezifischen Membranen oder in spezifischen Kompartimenten durch 382
10.2.5 Bei Bakterien sind die Funktionen der Zellatmung in der Plasmamembran und im Cytoplasma lokalisiert 384
10.3 Der Tricarbonsäurezyklus: Die zyklische Oxidation 384
10.3.1 Durch oxidative Decarboxylierung wird Pyruvat in Acetylcoenzym A umgewandelt 385
10.3.2 Der TCA-Zyklus beginnt mit dem Eintritt von Acetat als Acetyl-CoA 386
10.3.3 Durch zwei oxidative Decarboxylierungen entsteht NADH und CO2 wird freigesetzt 388
10.3.4 Die direkte Bildung von GTP (oder ATP) erfolgt in einem Schritt des TCA-Zyklus 388
10.3.5 Die letzten oxidativen Reaktionen des TCA-Zyklus führen zur Bildung von FADH2 und NADH 388
10.3.6 Zusammenfassung: Die Produkte des TCA-Zyklus sind CO2, ATP, NADH und FADH2 389
10.3.7 Mehrere TCA-Enzyme unterliegen der allosterischen Regulation 390
10.3.8 Der TCA-Zyklus spielt auch beim Katabolismus der Fette und Proteine eine wichtige Rolle 392
10.3.9 Der TCA-Zyklus bildet Vorläufer für anabolische Stoffwechselwege 395
10.3.10 Der Glyoxylat-Kreislauf wandelt Acetyl-CoA in Kohlenhydrate um 396
10.4 Elektronentransport: Elektronenfluss von Coenzymen zum Sauerstoff 398
10.4.1 Das Elektronentransportsystem überträgt Elektronen von reduzierten Coenzymen zum Sauerstoff 399
10.4.2 Das Elektronentransportsystem besteht aus fünf Arten von Überträgern 399
10.4.3 Die Elektronenüberträger arbeiten in einer Sequenz, die durch ihre bestimmt wird 401
10.4.4 Die meisten Elektronenüberträger gehören vier großen Atmungskomplexen an 405
10.4.5 Die Atmungskomplexe bewegen sich frei in der inneren Mitochondrienmembran 407
10.5 Der elektrochemische Protonengradient: Schlüssel der Energiekopplung 408
10.5.1 Elektronentransport und ATP-Synthese sind gekoppelte Reaktionen 408
10.5.2 Die Oxidation von Coenzymen pumpt genügend Protonen zur Bildung von drei ATP pro NADH und zwei ATP pro FADH2 409
10.5.3 Experimentelle Beweise für das chemiosmotische Modell 410
10.6 ATP-Synthese: Wir setzen alle Puzzleteile zusammen 413
10.6.1 F1-Partikel besitzen ATP-Syntheseaktivität 413
10.6.2 Der FoF1-Komplex: Die Protonentranslokation durch Fo treibt die ATP-Synthese durch F1 an 413
10.6.3 Die physikalische Rotation der g-Untereinheit vermittelt die ATP-Synthese durch FoF1 416
10.6.4 Das chemiosmotische Modell läuft über dynamischen transmembranen Protonentransport ab 418
10.7 Die aerobe Atmung: Zusammenfassung 419
10.7.1 Der maximale ATP-Ertrag der aeroben Atmung liegt bei 38 ATP pro Glucose 420
10.7.2 Die aerobe Atmung ist ein höchst effizienter Vorgang 423

Kapitel 11 - Phototropher Energiemetabolismus: Photosynthese 433

11.1 Ein Überblick über die Photosynthese 434
11.1.1 Energietransduktionsreaktionen wandeln Sonnenenergie in chemische Energie um 436
11.1.2 Kohlenstoffassimilierungsreaktionen fixieren Kohlenstoff durch Reduktion von Kohlendioxid 436
11.1.3 Der Chloroplast ist das photosynthetische Organell der eukaryotischen Zellen 437
11.1.4 Chloroplasten bestehen aus drei Membransystemen 438
11.2 Photosynthetische Energietransduktion I: Lichtabsorption 441
11.2.1 Chlorophyll ist die wichtigste Verbindung zwischen der Sonnenenergie und dem Leben auf der Erde 442
11.2.2 Akzessorische Pigmente steigern die Absorption von Sonnenlicht 443
11.2.3 Licht absorbierende Moleküle sind in Fotosystemen und Lichtabsorptionskomplexen organisiert 444
11.2.4 Oxygene Phototrophe haben zwei Arten von Fotosystemen 446
11.3 Photosynthetische Energietransduktion II: NADPH-Synthese 447
11.3.1 Das Fotosystem II überträgt Elektronen von Wasser zu einem Plastochinon 448
11.3.2 Der Cytochrom-b6/f-Komplex überträgt Elektronen von einem Plastochinol zum Plastocyanin 450
11.3.3 Das Fotosystem I überträgt Elektronen vom Plastocyanin zum Ferredoxin 451
11.3.4 Ferredoxin-NADP+-Reduktase katalysiert die Reduktion von NADP+ 451
11.4 Photosynthetische Energietransduktion III: ATP-Synthese 452
11.4.1 Der ATP-Synthasekomplex koppelt den Transport von Protonen durch die Thylakoidmembran an die ATP-Synthese 453
11.4.2 Durch zyklische Photophosphorylierung kann eine photosynthetische Zelle NADPH-Synthese und ATP-Synthese im Gleichgewicht
11.4.3 Zusammenfassung des vollständigen Energietransduktionssystems 455
11.5 Photosynthetische Kohlenstoffassimilierung I: Der Calvin-Zyklus 456
11.5.1 Kohlendioxid tritt durch Carboxylierung von Ribulose-1,5-Bisphosphat in den Calvin-Zyklus ein 458
11.5.2 3-Phosphoglycerat wird zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat reduziert 458
11.5.3 Die Bildung von Ribulose-1,5-Bisphosphat ermöglicht kontinuierliche Kohlenstoffassimilierung 459
11.5.4 Der vollständige Calvin-Zyklus und dessen Zusammenhang mit der photosynthetischen Energietransduktion 459
11.6 Die Regulation des Calvin-Zyklus 460
11.6.1 Der Calvin-Zyklus wird stark reguliert, um maximale Effizienz zu garantieren 460
11.6.2 Die Rubiscoaktivase reguliert die Kohlenstofffixierung durch Rubisco 461
11.7 Photosynthetische Kohlenstoffassimilierung II: Kohlenhydratsynthese 462
11.7.1 Glucose-1-Phosphat wird aus Triosephosphaten synthetisiert 462
11.7.2 Die Biosynthese von Saccharose läuft im Cytosol ab 463
11.7.3 Die Biosynthese von Stärke läuft im Chloroplastenstroma ab 464
11.7.4 Die Photosynthese bildet auch reduzierten Stickstoff und Schwefelverbindungen 464
11.8 Die Oxygenaseaktivität von Rubisco mindert die Effizienz der Photosynthese 464
11.8.1 Der Glykolatstoffwechselweg bringt reduzierten Kohlenstoff aus Phosphoglykolat wieder in den Calvin-Zyklus 465
11.8.2 C4-Pflanzen minimieren die Photorespiration, indem sie Rubisco auf Zellen mit hohen CO2-Konzentrationen beschränken 467
11.8.3 CAM-Pflanzen verringern Photorespiration und Wasserverlust, indem sie ihre Stomata nur in der Nacht öffnen 470

Kapitel 12 - Das Endomembransystem und Peroxisomen 477

12.1 Das endoplasmatische Reticulum 479
12.1.1 Die beiden Grundformen des endoplasmatischen Reticulums unterscheiden sich in Struktur und Funktion 479
12.1.2 Das raue ER wirkt an der Biosynthese und der Prozessierung von Proteinen mit 485
12.1.3 Das glatte ER ist an der Detoxifikation, dem Kohlenhydratmetabolismus, der Calciumspeicherung und der Steroidbiosynthes
12.1.4 Das ER spielt eine zentrale Rolle bei der Biosynthese von Membranen 488
12.2 Der Golgi-Komplex 489
12.2.1 Der Golgi-Komplex besteht aus einer Reihe membranumhüllter Zisternen 489
12.2.2 Zwei Modelle beschreiben den Weg von Lipiden und Proteinen durch den Golgi-Komplex 490
12.3 Die Aufgaben des ER und des Golgi-Komplexes bei der Proteinglykosylierung 492
12.3.1 Die initiale Glykosylierung findet im ER statt 492
12.3.2 Die weitere Glykosylierung erfolgt im Golgi-Komplex 494
12.4 Die Aufgaben des ER und des Golgi-Komplexes beim Proteintransport 494
12.4.1 ER-spezifische Proteine enthalten Markierungen zum Zurückhalten und Wiederauffinden 496
12.4.2 Die Proteine des Golgi-Komplexes können entsprechend der Länge ihrer Transmembrandomänen sortiert werden 496
12.4.3 Der gezielte Transport löslicher lysosomaler Proteine zu Endosomen und Lysosomen als Modell der Proteinsortierung im TG
12.4.4 Sekretorische Stoffwechselwege transportieren Moleküle aus der Zelle 499
12.5 Exocytose und Endocytose: Der Materialtransport durch die Plasmamembran 501
12.5.1 Durch Exocytose werden intrazelluläre Moleküle in den Extrazellularraum abgegeben 501
12.5.2 Durch Endocytose werden extrazelluläre Moleküle importiert, indem sich Vesikel von der Plasmamembran abschnüren 502
12.6 Coated Vesikel bei zellulären Transportvorgängen 510
12.6.1 Clathrin-Coated Vesikel sind von Gittern aus Clathrin und Adaptorprotein umgeben 511
12.6.2 Der Zusammenbau von Clathrinhüllen fördert die Bildung von Vesikeln aus der Plasmamembran und dem TGN 512
12.6.3 COPI- und COPII-Coated Vesikel pendeln zwischen dem ER und dem Golgi-Komplex 513
12.6.4 SNARE-Proteine vermitteln die Verschmelzung zwischen Vesikeln und Zielmembranen 514
12.7 Lysosomen und zelluläre Verdauung 516
12.7.1 Lysosomen trennen Verdauungsenzyme vom Rest der Zelle 516
12.7.2 Lysosomen entwickeln sich aus Endosomen 517
12.7.3 Lysosomale Enzyme sind für verschiedene Abbauvorgänge von Bedeutung 518
12.7.4 Lysosomale Speichererkrankungen als Folge der Anhäufung nicht abbaubaren Materials 520
12.8 Die Pflanzenvakuole: Ein multifunktionales Organell 521
12.9 Peroxisomen 521
12.9.1 Die Entdeckung der Peroxisomen und die Weiterentwicklung der Gleichgewichts- Gradienten-Zentrifugation 522
12.9.2 Die meisten Funktionen der Peroxisomen sind mit dem Wasserstoffperoxid-Metabolismus verknüpft 523
12.9.3 Pflanzenzellen enthalten Peroxisomen, die nicht in tierischen Zellen vorkommen 525
12.9.4 Peroxisomen entstehen durch Teilung bereits existierender Peroxisomen 526

Kapitel 13 - Signaltransduktionsmechanismen I: elektrische und synaptische Signale in Neuronen 535

13.1 Neuronen 536
13.1.1 Neuronen eignen sich besonders gut für die Übertragung elektrischer Signale 537
13.2 Das Membranpotenzial 538
13.2.1 Das Ruhemembranpotenzial hängt von den unterschiedlichen Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb des Neurons
13.2.2 Die Nernst-Gleichung beschreibt das Verhältnis zwischen Membranpotenzial und Ionenkonzentration 541
13.2.3 Auswirkung der Fließgleichgewichtskonzentrationen von Ionen auf das Ruhemembranpotenzial 542
13.2.4 Die Goldman-Gleichung beschreibt den Einfluss aller Ionen auf das Membranpotenzial 543
13.3 Elektrische Erregbarkeit 545
13.3.1 Ionenkanäle sind Tore für den Ionentransport durch die Membran 545
13.3.2 Patch Clamp und molekularbiologische Techniken ermöglichen die Beobachtung der Aktivität einzelner Ionenkanäle 545
13.3.3 Spezielle Domänen der spannungsgesteuerten Kanäle fungieren als Sensoren und Inaktivatoren 547
13.4 Das Aktionspotenzial 549
13.4.1 Aktionspotenziale laufen als elektrische Signale am Axon entlang 549
13.4.2 Aktionspotenziale beruhen auf schnellen Veränderungen des Membranpotenzials des Axons 550
13.4.3 Aktionspotenziale beruhen auf dem schnellen Strom von Ionen durch axonale Ionenkanäle 550
13.4.4 Aktionspotenziale werden ohne Kraftverlust über das Axon weitergeleitet 553
13.4.5 Die Myelinscheide um das Axon übernimmt die Funktion einer elektrischen Isolierung 554
13.5 Die Übertragung an Synapsen 556
13.5.1 Neurotransmitter übertragen Signale an Nervensynapsen 559
13.5.2 Calcium regt die Sekretion von Neurotransmittern aus präsynaptischen Neuronen an 561
13.5.3 Die Sekretion der Neurotransmitter erfolgt über Andocken und Fusion von Vesikeln mit der Plasmamembran 562
13.5.4 Neurotransmitter werden von spezifischen Rezeptoren in postsynaptischen Membranen erkannt 563
13.5.5 Neurotransmitter müssen bald nach ihrer Freisetzung schnell inaktiviert werden 566
13.6 Integration und Prozessierung von Nervensignalen 566
13.6.1 Neuronen können Signale von anderen Neuronen durch zeitliche und räumliche Summation integrieren 566
13.6.2 Neuronen können sowohl erregende als auch hemmende Signale von anderen Neuronen integrieren 567

Kapitel 14 - Signaltransduktionsmechanismen II: Botenstoffe und Rezeptoren 573

14.1 Chemische Signale und zelluläre Rezeptoren 574
14.1.1 Zellen können verschiedene Typen chemischer Signale empfangen 574
14.1.2 Die Rezeptorbindung erfolgt über spezifische Wechselwirkungen zwischen Liganden und deren Rezeptoren 576
14.1.3 Die Rezeptorbindung aktiviert eine Signalkaskade in der Zelle 577
14.2 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 579
14.2.1 Viele Rezeptoren mit sieben Transmembrandomänen wirken über G-Proteine 579
14.2.2 Einige G-Proteine regulieren die Bildung des Second Messengers zyklisches AMP 583
14.2.3 Mehrere schwere menschliche Erkrankungen beruhen auf der Unterbrechung von G-Protein-Signalkaskaden 586
14.2.4 Viele G-Proteine nutzen Inositoltrisphosphat und Diacylglycerin als Second Messenger 586
14.2.5 Die Freisetzung von Calciumionen ist ein Schlüsselereignis vieler Signalkaskaden 588
14.2.6 Die bg-Untereinheiten der G-Proteine können auch Signale weiterleiten 592
14.2.7 Weitere Signalkaskaden, die G-Proteine aktivieren 593
14.3 Proteinkinase-assoziierte Rezeptoren 593
14.3.1 Wachstumsfaktoren binden oft an Kinase-assoziierte Rezeptoren 593
14.3.2 Rezeptor-Tyrosinkinasen sammeln sich und durchlaufen eine Autophosphorylierung 595
14.3.3 Rezeptor-Tyrosinkinasen leiten eine Signalkaskade ein, an der Ras und MAP- Kinase mitwirken 596
14.3.4 Rezeptor-Tyrosinkinasen aktivieren eine Vielzahl weiterer Signalwege 599
14.3.5 Gerüstkomplexe können die Zellsignalisierung erleichtern 600
14.3.6 Dominant negative Mutantenrezeptoren sind wichtige Hilfsmittel zur Untersuchung der Rezeptorfunktion 601
14.3.7 Andere Wachstumsfaktoren übertragen ihre Signale über Serin/Threoninkinasen- Rezeptoren 602
14.3.8 Unterbrechung der Wachstumsfaktorsignalkaskaden kann zu Krebsentstehung ühren 603
14.3.9 Wachstumsfaktor-Signalkaskaden haben gemeinsame Merkmale 603
14.4 Hormonsignalisierung 604
14.4.1 Hormone können je nach zurückgelegter Entfernung und nach ihren chemischen Eigenschaften klassifiziert werden 605
14.4.2 Die Steuerung des Glucosemetabolismus ist ein gutes Beispiel für endokrine Regulierung 606
14.4.3 Steroidhormonrezeptoren wirken in erster Linie im Zellkern, nicht an der Zelloberfläche 609

Kapitel 15 - Das Cytoskelett 615

15.1 Die wichtigsten Strukturelemente des Cytoskeletts 616
15.1.1 Bei den Eukaryoten unterscheidet man drei Grundbausteine des Cytoskeletts 616
15.1.2 Strukturelle Ähnlichkeit des bakteriellen und eukaryotischen Cytoskeletts 618
15.1.3 Das Cytoskelett wird andauernd dynamisch auf- und abgebaut 619
15.2 Mikrotubuli 619
15.2.1 Zwei Typen von Mikrotubuli sind für viele Funktionen in der Zelle verantwortlich 619
15.2.2 Tubulinheterodimere sind die Proteinbausteine der Mikrotubuli 621
15.2.3 Mikrotubuli können Singletts, Dubletten und Tripletten bilden 622
15.2.4 Mikrotubuli entstehen durch Anlagerung von Tubulindimeren an den Enden 622
15.2.5 Die Anlagerung von Tubulindimeren läuft schneller an den Plusenden der Mikrotubuli ab 623
15.2.6 Wirkstoffe können die Bildung von Mikrotubuli beeinflussen 624
15.2.7 Die GTP-Hydrolyse trägt zur dynamischen Instabilität von Mikrotubuli bei 625
15.2.8 Mikrotubuli gehen aus Mikrotubuli-Organisationszentren in der Zelle hervor 627
15.2.9 MTOCs organisieren und polarisieren die Mikrotubuli in Zellen 628
15.2.10 Die Stabilität von Mikrotubuli wird in den Zellen von einer Reihe von Mikrotubuli-Bindeproteinen streng reguliert 629
15.3 Mikrofilamente 631
15.3.1 Actin ist der Proteinbaustein der Mikrofilamente 632
15.3.2 Zellen enthalten verschiedene Typen von Actin 632
15.3.3 G-Actinmonomere polymerisieren zu F-Actinmikrofilamenten 632
15.3.4 Spezifische Substanzen beeinflussen die Polymerisation von Mikrofilamenten 634
15.3.5 Zellen können Actin dynamisch in eine Reihe von Strukturen einbauen 634
15.3.6 Actin-bindende Proteine regulieren Polymerisation, Länge und Organisation von Mikrofilamenten 635
15.3.7 Die Zellsignalisierung reguliert, wo und wann Strukturen auf Actinbasis zusammengesetzt werden 641
15.4 Intermediäre Filamente 642
15.4.1 Intermediäre Filamentproteine sind gewebespezifisch 643
15.4.2 Intermediäre Filamente setzen sich aus fibrösen Untereinheiten zusammen 644
15.4.3 Intermediäre Filamente verleihen Geweben mechanische Belastbarkeit 645
15.4.4 Das Cytoskelett ist eine mechanisch hoch integrierte Struktur 645

Kapitel 16 - Zellbewegung: Motilität und Kontraktilität 653

16.1 Bewegliche Systeme 654
16.2 Intrazelluläre Bewegung durch Mikrotubuli: Kinesin und Dynein 655
16.2.1 Motorproteine transportieren Organellen während des axonalen Transports auf Mikrotubuli 656
16.2.2 Die Bewegung von Motorproteinen auf Mikrotubuli erfolgt durch Hydrolyse von ATP 657
16.2.3 Die Kinesine bilden eine sehr große Familie von Proteinen mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen 658
16.2.4 Dyneine können in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden: axonemale und cytoplasmatische Dyneine 658
16.2.5 Mikrotubulimotoren wirken an der Formgebung des Endomembransystems und dem Vesikeltransport mit 659
16.3 Motilität durch Mikrotubuli: Cilien und Flagellen 660
16.3.1 Cilien und Flagellen sind weit verbreitete bewegliche Zellfortsätze eukaryotischer Zellen 660
16.3.2 Cilien und Flagellen bestehen aus einem mit dem Basalkörper verbundenen Axonem 661
16.3.3 Das Gleiten der Mikrotubuli im Axonem führt zur Krümmung der Cilien und Flagellen 666
16.4 Zellbewegung auf Actinbasis: die Myosine 667
16.4.1 Myosine bilden eine große Familie von Motoren auf Actinbasis, die verschiedene Rollen bei der Zellmotilität übernehmen
16.4.2 Viele Myosine bewegen sich mit kurzen Schritten an Actinfilamenten entlang 668
16.5 Muskelkontraktion durch Filamente 668
16.5.1 Skelettmuskelzellen enthalten dünne und dicke Filamente 668
16.5.2 In den Sarkomeren sind Actin, Myosin und akzessorischen Proteine angeordnet 670
16.5.3 Der Gleitfilament-Theorie beschreibt die Muskelkontraktion 673
16.5.4 Querbrücken halten die Filamente zusammen und ATP liefert Energie für deren Bewegung 674
16.5.5 Die Regulation der Muskelkontraktion hängt von Calcium ab 676
16.5.6 Die koordinierte Kontraktion der Herzmuskelzellen erfolgt durch elektrische Kopplung 679
16.5.7 Der glatte Muskel ist den Nicht-Muskelzellen ähnlicher als dem Skelettmuskel 680
16.6 Bewegung in Nicht-Muskelzellen durch Actin 682
16.6.1 Zellmigration durch Lamellipodien erfolgt über Zyklen von Ausstülpung, Anheftung, Translokation und Ablösung 682
16.6.2 Die Chemotaxis ist eine gerichtete Bewegung als Antwort auf den Gradienten eines chemischen Signalstoffes 685
16.6.3 Die amöboide Bewegung beruht auf Zyklen von Verfestigung und Verflüssigung des Actincytoskeletts 685
16.6.4 Molekulare Motoren auf Actin-Basis bewegen Substrate im Cytoplasma einiger Zellen 686

Kapitel 17 - Jenseits der Zelle: Zelladhäsionen, Zellverbindungen und extrazelluläre Strukturen 693

17.1 Zell-Zell-Erkennung und Adhäsion 695
17.1.1 Transmembranproteine vermitteln Zell-Zell-Kontakte 695
17.1.2 Kohlenhydratgruppen sind für die Zell-Zell-Erkennung und die Adhäsion wichtig 698
17.2 Zell-Zell-Verbindungen 699
17.2.1 Polaritäts-Proteine regulieren die Positionierung von Zell-Zell-Verbindungen 700
17.2.2 Adhäsionsverbindungen verknüpfen benachbarte Zellen miteinander 700
17.2.3 Tight Junctions verhindern die Passage von Molekülen 704
17.2.4 Claudine bilden eine Abdichtung an den Tight Junctions 706
17.2.5 Gap Junctions ermöglichen direkte elektrische und chemische Kommunikation zwischen Zellen 707
17.3 Die extrazelluläre Matrix tierischer Zellen 708
17.3.1 Kollagene sind für die Festigkeit der extrazellulären Matrix verantwortlich 710
17.3.2 Ein Vorläufer namens Prokollagen bildet viele Typen gewebsspezifischer Kollagene 710
17.3.3 Elastine verleihen der extrazellulären Matrix Elastizität und Flexibilität 712
17.3.4 Kollagen- und Elastinfasern sind in eine Matrix aus Proteoglykanen eingebettet 713
17.3.5 Freie Hyaluronsäure schmiert die Gelenke und erleichtert die Zellmigration 714
17.3.6 Adhäsive Glykoproteine verankern Zellen an der extrazellulären Matrix 714
17.3.7 Fibronectine verbinden Zellen mit der ECM und steuern die Zellbewegung 714
17.3.8 Laminine binden Zellen an die Basallamina 716
17.3.9 Integrine sind Zelloberflächenrezeptoren, die ECM-Bausteine binden 717
17.3.10 Der Dystrophin/Dystroglykan-Komplex stabilisiert die Anheftung von Muskelzellen an die extrazelluläre Matrix 721
17.3.11 Die Glykocalyx ist eine polysaccharidreiche Zone an der Peripherie tierischer Zellen 721
17.4 Die Oberfläche der Pflanzenzelle 721
17.4.1 Zellwände bilden einen strukturellen Rahmen und dienen als Permeabilitätsbarriere 721
17.4.2 Die pflanzliche Zellwand ist ein Netzwerk aus Cellulosemikrofibrillen, Polysacchariden und Glykoproteinen 722
17.4.3 Zellwände werden in mehreren getrennten Stufen synthetisiert 723
17.4.4 Plasmodesmen ermöglichten die direkte Zell-Zell-Kommunikation durch die Zellwand 725

Kapitel 18- Die strukturelle Basis der zellulären Information: DNA, Chromosomen und der Zellkern 731

18.1 Die chemische Natur des genetischen Materials 733
18.1.1 Mieschers Entdeckung der DNA führte zu widersprüchlichen Vorschlägen über die chemische Beschaffenheit von Genen 733
18.1.2 Avery wies nach, dass die DNA das genetische Material der Bakterien ist 734
18.1.3 Hershey und Chase wiesen nach, dass DNA das genetische Material von Viren ist 735
18.1.4 Chargaffs Regeln zeigen, dass A = T und G = C 740
18.2 Die DNA-Struktur 741
18.2.1 Watson und Crick entdeckten, dass die DNA eine Doppelhelix ist 741
18.2.2 Die DNA kann zwischen relaxiertem und überspiralisiertem Zustand wechseln 744
18.2.3 Die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix können experimentell durch Denaturierung getrennt und durch Renaturierung wieder
18.3 Die Organisation der DNA in Genomen 748
18.3.1 Die Größe des Genoms nimmt mit der Komplexität des Organismus zu 748
18.3.2 Restriktionsendonucleasen schneiden die DNA an spezifischen Stellen 749
18.3.3 Schnelle Verfahren zur DNA-Sequenzierung 753
18.3.4 Die kompletten Genome vieler Organismen wurden bereits sequenziert 755
18.3.5 Die neue Wissenschaft der Bioinformatik entschlüsselt Genome, Transkriptome und Proteome 756
18.3.6 Geringfügige Unterschiede in der Genomsequenz unterscheiden Menschen voneinander 758
18.3.7 Repetitive DNA-Sequenzen erklären zum Teil die Größe eukaryotischer Genome 759
18.4 Das Packen von DNA 762
18.4.1 Die bakterielle DNA liegt in Bakterienchromosom und Plasmiden vor 765
18.4.2 Eukaryotische Zellen packen DNA in Chromatin und Chromosomen 766
18.4.3 Nucleosomen sind die Basiseinheit der Chromatinstruktur 767
18.4.4 Ein Histon-Octamer bildet den Nucleosomenkern 768
18.4.5 Nucleosomen werden gepackt und bilden Chromatinfasern und Chromosomen 769
18.4.6 Eukaryoten verpacken einen Teil ihrer DNA in Mitochondrien und Chloroplasten 772
18.5 Der Zellkern 773
18.5.1 Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umgeben 774
18.5.2 Kernporen ermöglichen das Ein- und Ausschleusen von Molekülen in den bzw. aus dem Zellkern 776
18.5.3 Die Kernmatrix und die Kernlamina sind Stützstrukturen des Zellkerns 780
18.5.4 Chromatinfasern liegen im Zellkern auf nicht-zufällige Weise verteilt vor 781
18.5.5 Der Zellkern ist an der Ribosomenbildung beteiligt 782

Kapitel 19 - Zellzyklus, DNA-Replikation und Mitose 791

19.1 Ein Überblick über den Zellzyklus 792
19.2 DNA-Replikation 794
19.2.1 Die DNA-Replikation verläuft im Allgemeinen bidirektional 796
19.2.2 Die eukaryotische Replikation erfolgt durch multiple Replikons 798
19.2.3 Replikationslizenzierung stellt sicher, dass DNA-Moleküle nur einmal vor jeder Zellteilung verdoppelt werden 800
19.2.4 DNA-Polymerasen katalysieren die Elongation von DNA-Ketten 801
19.2.5 Die DNA wird in diskontinuierlichen Segmenten synthetisiert, die von der DNA-Ligase verbunden werden 806
19.2.6 Das Korrekturlesen erfolgt durch die 3¢®5¢-Exonucleaseaktivität der DNA- Polymerase 807
19.2.7 RNA-Primer initiieren die DNA-Replikation 808
19.2.8 Zur Entspiralisierung der DNA-Doppelhelix werden DNA-Helicasen, Topoisomerasen und Einzelstrang-DNA-Bindeproteine benöt
19.2.9 Zusammenfassung der DNA-Replikation 810
19.2.10 Telomere lösen das Problem der Beendigung der DNA-Replikation 813
19.3 DNA-Schäden und DNA-Reparatur 815
19.3.1 DNA-Schäden können spontan oder als Antwort auf Mutagene auftreten 816
19.3.2 Transläsionssynthese und Exzisionsreparatur korrigieren Mutationen mit anormalen Nucleotiden 817
19.3.3 Die Fehlpaarungsreparatur korrigiert Mutationen mit nicht-komplementären Basenpaaren 819
19.3.4 Die Schadensreparatur erklärt, warum die DNA Thymin und nicht Uracil enthält 819
19.3.5 DNA-Doppelstrangbrüche werden durch nicht-homologe Verknüpfung der Enden oder homologe Rekombination repariert 820
19.4 Kernteilung und Zellteilung 820
19.4.1 Die Mitose gliedert sich in Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase 822
19.4.2 Die mitotische Spindel ist für die Bewegung der Chromosomen während der Mitose verantwortlich 825
19.4.3 Teilung des Cytoplasmas während der Cytokinese 830
19.4.4 Manchmal verläuft die Zellteilung asymmetrisch 832
19.5 Regulation des Zellzyklus 833
19.5.1 Die Dauer eines Zellzyklus unterscheidet sich bei den verschiedenen Zelltypen 833
19.5.2 Die Progression durch den Zellzyklus wird an mehreren zentralen Kontrollpunkten überwacht 834
19.5.3 Untersuchungen über Zellfusion und Zellzyklusmutanten führten zur
Identifizierung von Molekülen, die den Zellzykluskon
19.5.4 Die Progression durch den Zellzyklus wird von Cyclin-abhängigen Kinasen (Cdks) kontrolliert 837
19.5.5 Mitotisches Cdk-Cyclin treibt die Progression in den G2-M-Übergang durch Phosphorylierung von Schlüsselproteinen an
19.5.6 Der Anaphase-Förder-Komplex koordiniert mitotische Schlüsselereignisse durch gezielten Abbau spezifischer Proteine 840
19.5.7 G1-Cdk-Cyclin reguliert die Progression durch den Restriktionspunkt durch Phosphorylierung von Rb-Protein 841
19.5.8 Kontrollpunkt-Mechanismen überwachen die Anheftung der Chromosomen an die Spindel
19.5.9 Setzen wir das Puzzle zusammen: Die Maschinerie zur Regulation des Zellzyklus 844
19.6 Wachstumsfaktoren und Zellwachstum und -vermehrung 845
19.6.1 Stimulierende Wachstumsfaktoren aktivieren den Ras-Weg 845
19.6.2 Stimulierende Wachstumsfaktoren können auch den PI3K-Akt-Weg aktivieren 847
19.6.3 Inhibitorische Wachstumsfaktoren wirken durch Cdk-Inhibitoren 848
19.7 Apoptose 848
19.7.1 Die Apoptose wird durch „Todessignale“ oder Rückzug der Wachstumsfaktoren ausgelöst 851

Kapitel 20 - Geschlechtliche Vermehrung, Meiose und genetische Rekombination 863

20.1 Geschlechtliche Vermehrung 864
20.1.1 Geschlechtliche Vermehrung führt zu genetischer Vielfalt
20.1.2 Diploide Zellen können für jedes Gen homozygot oder heterozygot sein 865
20.1.3 Gameten sind haploide, auf geschlechtliche Vermehrung spezialisierte Zellen 866
20.2 Meiose 867
20.2.1 Die Lebenszyklen geschlechtlicher Organismen haben diploide und haploide Phasen 868
20.3 Die Meiose verwandelt eine diploide Zelle in vier haploide Zellen 869
20.3.1 Die Meiose I bildet zwei haploide Zellen, deren Chromosomen aus Schwesterchromatiden bestehen 872
20.3.2 Die Meiose II ähnelt einer mitotischen Teilung 876
20.3.3 Spermien und Eizellen entstehen durch Meiose und anschließende Zelldifferenzierung 877
20.3.4 Die Meiose bringt genetische Vielfalt hervor 879
20.4 Genetische Vielfalt: Segregation und Anordnung der Allele 880
20.4.1 Die Information zur Spezifizierung rezessiver Merkmale kann vorhanden sein, ohne dass sie erkennbar ist 880
20.4.2 Die Spaltungsregel besagt, dass sich die Allele jedes Gens während der Gametenbildung trennen 882
20.4.3 Die Unabhängigkeitsregel besagt, dass sich die Allele jedes Gens unabhängig von den Allelen anderer Gene trennen 883
20.4.4 Frühe mikroskopische Nachweise ließen vermuten, dass Chromosomen die genetische Information tragen könnten 883
20.4.5 Das Verhalten der Chromosomen erklärt die Regeln der Segregation und der unabhängigen Verteilung 884
20.4.6 Die DNA-Moleküle homologer Chromosomen haben ähnliche Basensequenzen 886
20.5 Genetische Variabilität: Rekombination und Crossing-over 887
20.5.1 Chromosomen enthalten Gruppen gekoppelter Gene, die im Allgemeinen zusammen vererbt werden 888
20.5.2 Homologe Chromosomen tauschen während des Crossing-over Segmente aus 888
20.5.3 Genloci können durch Messung der Rekombinationshäufigkeiten kartiert werden 889
20.6 Genetische Rekombination bei Bakterien und Viren 890
20.6.1 Co-Infektion bakterieller Zellen mit verwandten Bakteriophagen kann zu genetischer Rekombination führen 890
20.6.2 Transformation und Transduktion erfolgen durch Rekombination mit freier DNA oder mit DNA
20.6.3 Konjugation ist eine modifizierte geschlechtliche Aktivität, die genetische Rekombination bei Bakterien erleichtert 892
20.7 Molekulare Mechanismen der homologen Rekombination 894
20.7.1 DNA-Bruch und -Austausch sind die Grundlagen der homologen Rekombination 895
20.7.2 Homologe Rekombination kann zu Genkonversion führen 896
20.7.3 Homologe Rekombination wird durch Einzelstrang-DNA-Austausch (Holliday-Junctions) initiiert 897
20.7.4 Der synaptische Komplex erleichtert die homologe Rekombination während der Meiose 899
20.8 Rekombinante DNA-Technologie und Genklonierung 900
20.8.1 Die Entdeckung von Restriktionsenzymen ebnete den Weg für die rekombinante DNA-Technologie 900
20.8.2 Mit den Techniken der DNA-Klonierung kann man große Mengen einzelner Gensequenzen erzeugen 901
20.8.3 Genom- und cDNA-Datenbanken unterstützen die DNA-Klonierung 905
20.8.4 Große DNA-Segmente können mit YACs und BACs kloniert werden 907
20.8.5 Die PCR wird standardmäßig zur Klonierung von Genen aus sequenzierten Genomen eingesetzt 909
20.9 Gentechnologie 909
20.9.1 Mit Hilfe der Gentechnologie kann man wertvolle Proteine herstellen, was sonst nur unter schwierigen Bedingungen möglic
20.9.2 Das Ti-Plasmid ist ein nützlicher Vektor zur Insertion von Fremd-Genen in Pflanzen 910
20.9.3 Durch genetische Manipulation kann man die Merkmale von Nutzpflanzen verbessern 911
20.9.4 Es bestehen Sorgen im Hinblick auf Sicherheit und mögliche Umweltrisiken durch gentechnologisch manipulierte Lebensmitt
20.9.5 Tiere können durch An- oder Abschalten spezifischer Gene genetisch verändert werden 913
20.9.6 Gentherapien werden zur Behandlung menschlicher Krankheiten entwickelt 914

Kapitel 21 - Genexpression I: Genetischer Code und Transkription 925

21.1 Der direktionale Fluss der genetischen Information 926
21.2 Der genetische Code 927
21.2.1 Experimente mit Neurospora führten zur Erkenntnis, dass Gene Enzyme kodieren 928
21.2.2 Die meisten Gene kodieren Aminosäuresequenzen von Polypeptidketten 928
21.2.3 Der genetische Code ist ein Triplett-Code 933
21.2.4 Der genetische Code ist degeneriert und überlappt nicht 935
21.2.5 Messenger-RNA steuert die Synthese von Polypeptidketten 937
21.2.6 Das Codonwörterbuch wurde mit Hilfe synthetischer RNA-Polymere und -Tripletts erstellt 938
21.2.7 Von den 64 möglichen Codons der Messenger-RNA kodieren 61 Aminosäuren 939
21.2.8 Der genetische Code ist (fast) universal 940
21.3 Transkription in Bakterienzellen 940
21.3.1 Die Transkription wird von der RNA-Polymerase katalysiert, die RNA an einer DNA-Matrize synthetisiert 941
21.3.2 Die vier Schritte der Transkription: Bindung, Initiation, Elongation und Termination 941
21.4 Transkription bei eukaryotischen Zellen 946
21.4.1 Die RNA-Polymerasen I, II und III führen die Transkription im eukaryotischen Zellkern durch 947
21.4.2 Drei Klassen von Promotoren kommen in eukaryotischen Kerngenen vor, je eine Klasse für einen Typ der RNA-Polymerase 948
21.4.3 Allgemeine Transkriptionsfaktoren wirken an der Transkription aller Kerngene mit 950
21.4.4 Elongation, Termination und RNA-Spaltung sind an der Fertigstellung der eukaryotischen RNA-Synthese beteiligt 952
21.5 RNA-Prozessierung 952
21.5.1 Zur ribosomalen RNA-Prozessierung gehört die Spaltung mehrerer RNAs aus einer gemeinsamen Vorläufer-rRNA 953
21.5.2 Die Prozessierung der Transfer-RNA erfolgt durch Entfernen, Anfügen und chemische Modifikation von Nucleotiden 955
21.5.3 Die Prozessierung von Messenger-RNA bei Eukaryoten erfolgt durch Capping, Anfügen von Poly(A)-Schwänzen und Entfernen
21.5.4 Spleißosomen entfernen Introns aus der Prä-mRNA 960
21.5.5 Einige Introns sind selbstspleißend 963
21.5.6 Die Existenz von Introns ermöglicht alternatives Spleißen und Exonvermischung (Exon-Shuffling) 963
21.5.7 Durch RNA-Bearbeitung können kodierende mRNA-Sequenzen verändert werden 965
21.6 Schlüsselaspekte des mRNA-Metabolismus 966
21.6.1 Die meisten mRNA-Moleküle haben eine relativ kurze Lebensspanne 966
21.6.2 Die Existenz der mRNA ermöglicht die Amplifikation der genetischen Information 966

Kapitel 22 - Genexpression II: Proteinsynthese und Sortierung 975

22.1 Translation: Die Rollenbesetzung 976
22.1.1 Ribosomen synthetisieren Polypeptide 976
22.1.2 Transfer-RNA-Moleküle bringen Aminosäuren zum Ribosom 978
22.1.3 Aminoacyl-tRNA-Synthetasen verbinden Aminosäuren mit den richtigen Transfer-RNAs 981
22.1.4 Messenger-RNA bringt Information über die Polypeptide zum Ribosom 982
22.1.5 Zur Initiation, Elongation und Termination von Polypeptidketten werden Proteinfaktoren benötigt 983
22.2 Der Mechanismus der Translation 983
22.2.1 Zur Initiation der Translation werden Initiationsfaktoren, ribosomale Untereinheiten, mRNA und Initiator-tRNA benötigt
22.2.2 Kettenverlängerung durch sequenzielle Zyklen von Aminoacyl-tRNA-Bindung, Bildung von Peptidbindungen und Translokation
22.2.3 Die Termination der Polypeptidsynthese wird durch Freisetzungsfaktoren ausgelöst, die Stoppcodons erkennen 990
22.2.4 Die Proteinfaltung wird durch molekulare Chaperone unterstützt 990
22.2.5 Für die Proteinsynthese ist ein erheblicher Teil der Zellenergie erforderlich 993
22.2.6 Zusammenfassung der Translation 994
22.3 Mutationen und Translation 994
22.3.1 Suppressor-tRNAs beseitigen die Wirkung einiger Mutationen 996
22.3.2 Nonsense-vermittelter Abbau und Nonstopp-Abbau fördern die Zerstörung von defekten mRNAs 997
22.4 Posttranslationale Prozessierung 998
22.5 Proteinerkennung und -sortierung 999
22.5.1 Der cotranslationale Import ermöglicht einigen Proteinen während ihrer Synthese den Eintritt in das ER 1001
22.5.2 Die Signalerkennungspartikel (SRP) binden den Ribosom-mRNA-Polypeptid- Komplex an die ER-Membran 1002
22.5.3 Proteinfaltung und Qualitätskontrolle finden im ER statt 1004
22.5.4 In das ER-Lumen freigesetzte Proteine werden zum Golgi-Komplex
22.5.5 Stopp-Transfersequenzen vermitteln die Insertion integraler Membranproteine 1005
22.5.6 Durch posttranslationalen Import können einige Polypeptide nach der Synthese in Organellen gelangen 1007

Kapitel 23 - Die Regulation der Genexpression 1019

23.1 Die bakterielle Genexpression 1020
23.1.1 Katabolische und anabolische Wege werden durch Induktion und Repression reguliert 1020
23.1.2 Die am Lactosekatabolismus mitwirkenden Gene sind in einem induzierbaren Operon organisiert 1022
23.1.3 Das lac-Operon wird vom lac-Repressor negativ reguliert 1022
23.1.4 Untersuchungen zur Organisation des lac-Operons mit Hilfe von Bakterien- Mutanten 1025
23.1.5 Positive Regulation des lac-Operons durch das Katabolitaktivatorprotein (CAP) 1028
23.1.6 Das lac -Operon ist ein Beispiel für die doppelte Kontrolle der Genexpression 1029
23.1.7 Die Struktur des lac-Repressor/Operator-Komplexes bestätigt das Operonmodell 1029
23.1.8 Die an der Tryptophansynthese mitwirkenden Gene sind in einem reprimierbaren Operon organisiert 1030
23.1.9 Sigma-Faktoren bestimmen, welche Gen-Sätze exprimiert werden 1031
23.1.10 Durch Dämpfung kann die Transkription nach dem Initiationsschritt reguliert werden 1032
23.1.11 Riboswitches sorgen dafür, dass Transkription und Translation von Wechselwirkungen kleiner Moleküle mit der RNA
23.2 Eukaryotische Genregulation: genomische Kontrolle 1036
23.2.1 Vielzellige Eukaryoten bestehen aus zahlreichen spezialisierten Zelltypen 1036
23.2.2 Die eukaryotische Genexpression wird auf fünf Hauptebenen reguliert 1036
23.2.3 Zellen vielzelliger Organismen enthalten in der Regel alle den gleichen Gensatz 1037
23.2.4 Genamplifikation und Gendeletion können das Genom verändern 1041
23.2.5 DNA-Neuanordnungen können das Genom verändern 1042
23.2.6 Chromosomenpuffs liefern den sichtbaren Nachweis, dass genomische Kontrolle durch Chromatinauflockerung erfolgt 1044
23.2.7 Die Sensitivität der DNase I liefert einen weiteren Beweis für die Rolle der Chromatindekondensation
23.2.8 DNA-Methylierung ist mit inaktiven Regionen des Genoms assoziiert 1047
23.2.9 Veränderungen in Histonen und Chromatin-Remodellierungsproteine können die Genomaktivität ändern 1049
23.3 Eukaryotische Genregulation: Transkriptionskontrolle 1050
23.3.1 In den verschiedenen Zellen werden unterschiedliche Gensätze transkribiert 1050
23.3.2 DNA-Microarrays ermöglichen die simultane Kontrolle der Expression Tausender Gene 1052
23.3.3 Proximale Kontrollelemente liegen nahe am Promotor 1053
23.3.4 Enhancer und Silencer liegen unterschiedlich weit vom Promotor entfernt 1054
23.3.5 Coaktivatoren vermitteln die Interaktion zwischen regulatorischen Transkriptions- faktoren und dem RNA-Polymerasekomple
23.3.6 Verschiedene DNA-Kontrollelemente und Transkriptionsfaktoren wirken miteinander 1057
23.3.7 Mehrere häufig vorkommende Strukturmotive ermöglichen die Bindung regulatorischer Transkriptionsfaktoren an die DNA
23.3.8 DNA-Response-Elemente koordinieren die Expression nicht-benachbarter Gene 1062
23.3.9 Steroidhormonrezeptoren agieren als Transkriptionsfaktoren, die an Hormon- Response-Elemente binden 1062
23.3.10 CREBs und STATs sind Beispiele für Transkriptionsfaktoren, die durch Phosphorylierung aktiviert werden 1064
23.3.11 Das Hitzeschock-Response-Element koordiniert die Expression von Genen, die durch erhöhte Temperaturen aktiviert werden
23.3.12 Homöotische Gene kodieren Transkriptionsfaktoren, welche die embryonale Entwicklung regulieren 1066
23.4 Eukaryotische Genregulation: Posttranskriptionale Kontrolle 1068
23.4.1 Kontrolle von RNA-Prozessierung und -Export aus dem Zellkern nach der Transkription 1068
23.4.2 Die Translationsgeschwindigkeit kann durch Initiationsfaktoren und Translationsrepressoren kontrolliert werden 1069
23.4.3 Die Translation kann auch durch Regulation des mRNA-Abbaus kontrolliert werden 1071
23.4.4 Die RNA-Interferenz nutzt kleine RNAs zur Hemmung der Expression von Genen mit komplementären Basensequenzen 1072
23.4.5 Von normalen Zellgenen gebildete MikroRNAs hemmen die Translation von mRNAs
23.4.6 Zur posttranslationalen Kontrolle gehören Abbau und Modifikationen der Struktur und Funktion von Proteinen 1075
23.4.7 Ubiquitin markiert Proteine für den Abbau durch Proteosomen 1076
23.4.8 Zusammenfassung der eukaryotischen Genregulation 1078

Kapitel 24 - Krebs 1087

24.1 Unkontrolliertes Zellwachstum und Überleben 1088
24.1.1 Tumore entstehen, wenn das Gleichgewicht zwischen Zellteilung und Zelldifferenzierung oder Zelltod gestört ist 1088
24.1.2 Die Krebszelle wächst unabhängig von einer Verankerung und ist unempfindlich für die Zell-Populationsdichte 1090
24.1.3 Krebszellen werden durch Mechanismen unsterblich, welche die Telomerlänge aufrechterhalten 1091
24.1.4 Defekte in Signalwegen, Zellzyklus-Kontrollen und bei der Apoptose tragen zu unkontrolliertem Zellwachstum bei 1091
24.2 Wie sich Krebs verbreitet 1092
24.2.1 Angiogenese ist notwendig, damit Tumore größer als wenige Millimeter im Durchmesser werden können 1092
24.2.2 Das Wachstum der Blutgefäße wird von einem Gleichgewicht zwischen Angiogenese-Aktivatoren und -Inhibitoren kontrolliert
24.2.3 Krebszellen streuen durch Invasion und Metastasierung 1094
24.2.4 Änderung der Zelladhäsion, Motilität und Proteasebildung ermöglichen Krebszellen die Invasion umliegender Gewebe
24.2.5 Relativ wenige Krebszellen überleben die Reise durch den Blutkreislauf 1096
24.2.6 Blutflussmuster und organspezifische Faktoren bestimmen die Orte der Metastasenbildung 1096
24.2.7 Das Immunsystem beeinflusst Wachstum und Ausbreitung von Krebszellen 1097
24.2.8 Die Mikroumgebung des Tumors beeinflusst Tumorwachstum, Invasion und Metastasenbildung 1098
24.3 Was verursacht Krebs? 1099
24.3.1 Epidemiologische Daten helfen viele Krebsursachen zu identifizieren 1099
24.3.2 Viele chemische Substanzen verursachen nach metabolischer Aktivierung in der Leber Krebserkrankungen 1101
24.3.3 Von chemischen Karzinogenen ausgelöste DNA-Mutationen führen zu Krebs 1101
24.3.4 Krebs entsteht durch einen dreistufigen Prozess: Initiation, Promotion und Tumorwachstum 1103
24.3.5 Ionisierende und ultraviolette Strahlung können auch krebserzeugende DNA-Mutationen hervorrufen 1104
24.3.6 Viren und andere infektiöse Wirkstoffe lösen die Entwicklung einiger Krebsarten aus 1106
24.4 Onkogene und Tumorsuppressorgene 1107
24.4.1 Onkogene sind Gene, deren Produkte die Entwicklung von Krebs auslösen können 1108
24.4.2 Proto-Onkogene werden über mehrere verschiedene Mechanismen in Onkogene umgewandelt 1108
24.4.3 Die meisten Onkogene kodieren Komponenten der Wachstumssignalisierungswege 1111
24.4.4 Tumorsuppressorgene sind Gene, deren Verlust oder Inaktivierung Krebs erzeugen kann 1115
24.4.5 Das RB-Tumorsuppressorgen wurde durch Untersuchung von Familien mit erblichem Retinoblastom entdeckt 1117
24.4.6 Das p53-Tumorsuppressorgen ist das bei Krebsarten des Menschen am häufigsten mutierte Gen 1118
24.4.7 Das APC-Tumorsuppressorgen kodiert ein Protein, das den Wnt-Signalisierungsweg hemmt 1119
24.4.8 Die Inaktivierung einiger Tumorsuppressorgene führt zu genetischer Instabilität 1120
24.4.9 Krebs entsteht durch schrittweise Anhäufung von Mutationen in Onkogenen und Tumorsuppressorgenen 1123
24.4.10 Epigenetische Veränderungen der Genexpression beeinflussen die Merkmale von Krebszellen 1124
24.4.11 Zusammenfassung: Karzinogenese und die entscheidenden Merkmale von Krebs 1125
24.5 Diagnose, Vorsorgeuntersuchungen und Behandlung 1127
24.5.1 Krebsdiagnose mit Hilfe mikroskopischer Untersuchung von Gewebeproben 1127
24.5.2 Vorsorgeuntersuchungen zur Früherkennung kann Tod durch Krebs verhindern 1129
24.5.3 Chirurgie, Bestrahlung und Chemotherapie als Standardbehandlungsmethoden gegen Krebs 1129
24.5.4 Bekämpfen von Krebszellen mit Hilfe des Immunsystems 1131
24.5.5 Herceptin und Gleevec greifen Krebszellen auf molekularer Ebene an 1133
24.5.6 Anti-angiogene Therapien greifen die Blutzufuhr des Tumors an 1134
24.5.7 Die Krebstherapie kann auf den einzelnen Patienten abgestimmt werden 1134

Glossar 1141
Bildnachweis 1218
Stichwortverzeichnis 1221