Cytologie für Pharmazeuten WS08/09
Dr. Ilse Zündorf 
Jeder lebende Organismus besteht aus einer oder mehreren Zellen. Deshalb ist es im Rahmen des Studiums der Pharmazie wichtig, die unterschiedlichen Zelltypen und deren spezifische Strukturen kennenzulernen. In der ersten Stunde der Vorlesungsreihe soll zunächst ein Überblick über unterschiedliche Ernährungsformen und Zelltypen gegeben werden.
Frühe aerobe Bakterien und Cyanobakterien wurden von einem Ur-Eukaryonten über Endozytose aufgenommen und zu den wichtigen Zellorganellen Mitochondrien und Chloroplasten „domestiziert“. Diese Endosymbiose war der Ursprung der eukaryontischen tierischen und pflanzlichen Zellen mit der Einteilung in die verschiedenen Reaktionsräume/Kompartimente.
Eine der erstaunlichsten „Entwicklungen“ in der belebten Natur war die Bildung von Membranen als Grenzstruktur zwischen verschiedenen Reaktionsräumen. In dieser Doppelstunde wollen wir uns ansehen, wie diese sehr effizienten Strukturen aus relativ einfachen Molekülen aufgebaut werden und nicht nur Abgrenzung, sondern auch Erkennungs- und Signalmoleküle bereitstelle
Eine wichtige Gruppe der Membranlipide stellen die Glykolipide dar, die für die Ausbildung der Blutgruppenantigene verantwortlich sind. Daneben stellen sie aber auch oft die Erkennungsmoleküle für Pathogene, wie Influenza-Viren oder Choleratoxin. Wie wichtig nicht nur die Membran-Fluidität und der Membranfluss sind, sondern auch der geregelte Abbau von Membranen über die Lysosomen von z.B. Makrophagen, erkennt man an etlichen, zwar seltenen aber doch schweren lysosomalen Speicherkrankheiten. Hier ist v.a. der Abbau der Glykolipide betroffen.
Membranen stellen ein sehr effizientes Hindernis für verschiedene Moleküle dar. Um spezifisch Substanzen über diese Lipidbilayerschicht zu transportieren, benutzt die Zelle diverse Proteine, die als Kanal- oder Carrierproteine fungieren und entweder einen passiven Transport erleichtern oder unter Energieverbrauch einen aktiven Transport bewerkstelligen.
Verbindungen zwischen Zellen werden über verschiedene Proteinstrukturen an und in den Membranen hergestellt. Bei tierischen Zellen findet man Desmosomen, um eine Fixierung der Zellen zu erreichen, dann tight junctions, um den Zwischenraum zwischen Zellen abzudichten und gap junctions, um z.B. kleine Moleküle zwischen Zellen auszutauschen. Pflanzliche Zellen bilden über ihre Plasmodesmen ein Kontinuum ihrer Protoplasten, den Symplast.
Zellwände dienen Bakterien, Pilzen und Pflanzen als Exoskelett und als Schutz vor äußeren Einflüssen und bestehen typischerweise aus Kohlenhydratstrukturen. Bei den Eubakterien lässt sich die Zellwand gram-negativer und gram-positiver Bakterien unterscheiden, wobei gram-negative neben einer recht dünnen Mureinschicht eine äußere Membran mit Lipopolysacchariden aufweisen. Die Pilze haben als ein wesentliches Zellwandpolymer das Chitin, das sich auch bei Arthropoden findet.
Die Zellwand der Pflanzen wird in verschiedene Schichten unterteilt, die allerdings fließend ineinander übergehen. Als Kittsubstanz findet man das sauere, negativ geladene Pektin, ein amorphes, quellungsfähiges Gel. In der Primärwand findet sich vor allem Hemicellulose und wenig Cellulose. Die Sekundärwand besteht aus verschiedenen Schichten parallel angeordneter Cellulosefibrillen.
Im Cytoplasma prokaryontischer Zellen findet sich das Kernäquivalent (Nukleoid) in Form stark aufgeknäuelter, zirkulärer DNA. Bei Eukaryonten bildet das Membransystem des Endplasmatischen Reticulums die Hülle für den Zellkern (Nukleus) aus. Im Karyoplasma findet sich dann die extrem stark gepackte DNA in Form der Chromosomen. Über Kernporen kann ein Stoffaustausch zwischen Cytoplasma und Kerninneres stattfinden.
Eine wichtige Struktur innerhalb des Zellkerns ist der Nucleolus, das Kernkörperchen. Hier finden an den nucleolus-organisierenden Regionen einzelner Chromosomen die Transkription der rRNA und der weitere Zusammenbau der beiden ribosomalen Untereinheiten statt. Diese relativ großen ribosomalen Untereinheiten müssen anschließend durch die Kernporen ins Cytoplasma transportiert werden, wo sie an der mRNA andocken können, um das entsprechende Protein zu synthetisieren.
Ein Teil der Proteinbiosynthese findet direkt am rauen Endoplasmatischen Reticulum statt. Kurze Aminosäureabfolgen innerhalb eines Proteins, so genannte Signalpeptide sorgen für die richtige Verteilung der Proteine in die jeweiligen Kompartimente. Eine wichtige Veränderung der Proteine findet im Lumen von ER und Golgi-Apparat statt, indem Zuckerstrukturen angehängt und umgebaut werden. Anschließend können derartig modifizierte Proteine über die Plasmamembran sezerniert werden.
Dem endoplasmatischen Reticulum nachgeschaltet ist das Membransystem des Golgi-Apparates, wo die weitere Modifikation glykosylierter Proteine auf dem Weg zur Plasmamembran stattfindet. Weitere, einfach strukturierte Organelle als besondere Reaktionsräume sind Lysosomen mit den verschiedensten Hydrolasen, Peroxisomen und Glyoxysomen. Der Zentralvakuole kommt bei Pflanzen noch eine besondere Bedeutung zu, da sie einerseits für die Aufrechterhaltung des Turgors verantwortlich ist, andererseits verschiedene Substanzen – u.a. auch sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe – speichert.
Mitochondrien und Plastiden haben einige Merkmale gemeinsam: So sind beide Organellen von einer Doppelmembran umgeben, sie enthalten beide zirkuläre DNA ohne Histone, haben einen eigenen Proteinbiosyntheseapparat und sind so genannte Selbstteilungskörper, entstehen also nicht de novo sondern durch Teilung.
In allen eukaryontischen Zellen finden sich Strukturproteine, die zum Zytoskelett gehören. Hier unterscheidet man die Aktinfilamente oder Mikrofilamente von den Intermediärfilamenten und den Mikrotubuli. Sie sind an der Bildung der Zellstruktur beteiligt aber auch an Transportvorgängen innerhalb der Zelle. Gerade die Mikrotubuli, denen eine wichtige Rolle bei der Zellteilung zukommt, sind Angriffspunkt für Zytostatika.
