Molekularbiologie der Zelle

Molekularbiologie der Zelle

von: Bruce Alberts, Alexander D. Johnson, Julian Lewis, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter

Wiley-VCH, 2017

ISBN: 9783527698455

Sprache: Deutsch

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Molekularbiologie der Zelle



  Cover 1  
  Titelseite 5  
  Copyrightseite 6  
  Hingabe 7  
  Die Autoren 9  
  Vorbemerkung des Herausgebers 11  
  Vorwort 13  
  Inhaltsübersicht 17  
  Besondere Übersichten 19  
  Ausführliches Inhaltsverzeichnis 21  
  Danksagung 49  
  Hinweise für den Leser 61  
  TEIL I. EINFÜHRUNG IN DIE ZELLE 67  
     1. Zellen und Genome 67  
        1.1 Die allgemeinen Merkmale von Zellen auf der Erde 68  
           1.1.1 Alle Zellen speichern ihre Erbinformation im gleichen linearen chemischen Code: DNA 69  
           1.1.2 Alle Zellen replizieren ihre Erbinformation durch matrizengesteuerte Polymerisation 69  
           1.1.3 Alle Zellen transkribieren Teile ihrer Erbinformation in die gleiche Zwischenform: RNA 71  
           1.1.4 Alle Zellen verwenden Proteine als Katalysatoren 72  
           1.1.5 Alle Zellen übersetzen RNA auf die gleiche Weise in Protein 74  
           1.1.6 Jedes Protein wird von einem spezifischen Gen codiert 74  
           1.1.7 Leben braucht Freie Energie 75  
           1.1.8 Alle Zellen arbeiten als biochemische Fabriken, die die gleichen Grundbausteine handhaben 76  
           1.1.9 Alle Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben, durch die hindurch Nährstoffe und Abfallstoffe passieren müssen 76  
           1.1.10 Eine lebende Zelle kann mit weniger als 500 Genen auskommen 77  
           Zusammenfassung 77  
        1.2 Die Vielfalt der Genome und der Stammbaum des Lebens 78  
           1.2.1 Zellen können durch verschiedene Quellen Freier Energie angetrieben werden 78  
           1.2.2 Manche Zellen fixieren für andere Stickstoff und Kohlendioxid 80  
           1.2.3 Die größte biochemische Diversität kommt bei Prokaryotenzellen vor 81  
           1.2.4 Der Stammbaum des Lebens hat drei Hauptäste: Bakterien, Archaeen und Eukaryoten 82  
           1.2.5 Manche Gene haben sich schnell evolviert, andere sind hoch konserviert 83  
           1.2.6 Die meisten Bakterien und Archaeen besitzen 1000 bis 6000 Gene 85  
           1.2.7 Neue Gene werden aus bereits vorhandenen Genen erzeugt 85  
           1.2.8 Genverdoppelung lässt Familien verwandter Gene in einer einzigen Zelle entstehen 86  
           1.2.9 Gene können zwischen Organismen übertragen werden – sowohl im Laboratorium als auch in der Natur 87  
           1.2.10 Sexuelle Fortpflanzung führt zu horizontalem Austausch von genetischer Information innerhalb einer Spezies 89  
           1.2.11 Die Funktion eines Gens lässt sich oft aus seiner Sequenz ableiten 89  
           1.2.12 Mehr als 200 Genfamilien sind allen drei Hauptästen im Stammbaum des Lebens gemein 90  
           1.2.13 Mutationen verraten die Funktionen von Genen 90  
           1.2.14 Molekularbiologie fing mit der Fokussierung auf E. coli an 92  
           Zusammenfassung 93  
        1.3 Genetische Information bei Eukaryoten 93  
           1.3.1 Eukaryotenzellen könnten als Räuber entstanden sein 94  
           1.3.2 Heutige Eukaryotenzellen entwickelten sich durch eine Symbiose 95  
           1.3.3 Eukaryoten haben zusammengesetzte Genome 98  
           1.3.4 Eukaryoten-Genome sind groß 98  
           1.3.5 Eukaryoten-Genome enthalten viel Kontroll-DNA 99  
           1.3.6 Das Genom definiert das Programm der ontogenetischen Entwicklung eines Vielzellers 100  
           1.3.7 Viele Eukaryoten leben als Einzelzellen 101  
           1.3.8 Eine Hefe dient als Minimalmodell-Eukaryot 102  
           1.3.9 Die Expressionsstärke aller Gene eines Organismus kann gleichzeitig gemessen werden 103  
           1.3.10 Arabidopsis wurde unter 300.000 Spezies als Modellpflanze ausgewählt 103  
           1.3.11 Die Welt der Tierzellen wird durch einen Wurm, eine Fliege, einen Fisch, eine Maus und den Menschen repräsentiert 104  
           1.3.12 Untersuchungen an Drosophila liefern einen Schlüssel zur Wirbeltier-Ontogenese 104  
           1.3.13 Das Vertebraten-Genom ist ein Produkt wiederholter Duplikationen 106  
           1.3.14 Der Frosch und der Zebrafisch liefern leicht zugängliche Modelle für die Wirbeltierentwicklung 107  
           1.3.15 Die Maus ist der vorherrschende Modellorganismus für Säugetiere 107  
           1.3.16 Menschen berichten über ihre eigenen Eigenheiten 109  
           1.3.17 Wir alle unterscheiden uns in Einzelheiten 110  
           1.3.18 Um Zellen zu verstehen, brauchen wir Mathematik, Computer und quantitative Information 110  
           Zusammenfassung 111  
           Was wir nicht wissen 112  
           Literatur 112  
     2. Zellchemie und Bioenergetik 115  
        2.1 Die chemischen Bestandteile einer Zelle 115  
           2.1.1 Wasser wird über Wasserstoffbrücken zusammengehalten 115  
           2.1.2 Vier Arten nichtkovalenter Anziehungen tragen dazu bei, Moleküle in Zellen zusammenzubringen 117  
           2.1.3 Einige polare Moleküle sind in Wasser Säuren und Basen 120  
           2.1.4 Zellen sind aus Kohlenstoffverbindungen aufgebaut 121  
           2.1.5 Zellen enthalten vier Hauptfamilien kleiner organischer Moleküle 124  
           2.1.6 Die Chemie von Zellen wird von Makromolekülen mit bemerkenswerten Eigenschaften beherrscht 125  
           2.1.7 Nichtkovalente Bindungen spezifizieren sowohl die exakte Form eines Makromoleküls als auch dessen Bindung an andere Moleküle 128  
           Zusammenfassung 129  
        2.2 Katalyse und Energienutzung durch Zellen 132  
           2.2.1 Der Zellstoffwechsel wird durch Enzyme organisiert 132  
           2.2.2 Biologische Ordnung wird durch Freisetzen von Wärmeenergie aus Zellen möglich 133  
           2.2.3 Zellen gewinnen Energie durch die Oxidation organischer Moleküle 140  
           2.2.4 Bei Oxidation und Reduktion finden Elektronenübertragungen statt 141  
           2.2.5 Enzyme erniedrigen die Aktivierungsenergiebarrieren, die chemische Reaktionen überspringen müssen 142  
           2.2.6 Enzyme können Substratmoleküle entlang spezifischer Reaktionswege treiben 144  
           2.2.7 Wie Enzyme ihre Substrate finden: die enorme Geschwindigkeit molekularer Bewegungen 144  
           2.2.8 Die Änderung der Freien Energie ?G in einer Reaktion bestimmt, ob sie spontan ablaufen kann 146  
           2.2.9 Die Konzentration der Reaktionspartner beeinflusst ?G und die Richtung der Reaktion 146  
           2.2.10 Die Änderung der Freien Energie, ?G0, ermöglicht den Vergleich der Energetik verschiedener Reaktionen 147  
           2.2.11 Die Gleichgewichtskonstante und ?G0 lassen sich leicht voneinander ableiten 147  
           2.2.12 Bei gekoppelten Reaktionen summieren sich die Änderungen der Freien Energie 151  
           2.2.13 Aktivierte Transportermoleküle sind für Biosynthesen wichtig 152  
           2.2.14 Die Bildung eines aktivierten Transporters ist an eine energetisch günstige Reaktion gekoppelt 152  
           2.2.15 ATP ist das meistverwendete aktivierte Transportermolekül 153  
           2.2.16 In ATP gespeicherte Energie wird häufig genutzt, um zwei Moleküle zu verknüpfen 154  
           2.2.17 NADH und NADPH sind wichtige Elektronentransporter 155  
           2.2.18 Es gibt noch weitere aktivierte Transportmoleküle in Zellen 157  
           2.2.19 Die Synthese von Biopolymeren wird durch die ATP-Hydrolyse angetrieben 159  
           Zusammenfassung 162  
        2.3 Wie Zellen Energie aus Nahrung gewinnen 163  
           2.3.1 Die Glykolyse ist der zentrale ATP-erzeugende Stoffwechselweg 163  
           2.3.2 Gärungen erzeugen ATP in Abwesenheit von Sauerstoff 165  
           2.3.3 Die Glykolyse zeigt, wie Enzyme Oxidation und Energiespeicherung koppeln 165  
           2.3.4 Organismen lagern Nahrungsmoleküle in speziellen Speichern 170  
           2.3.5 Zwischen den Mahlzeiten gewinnen die meisten tierischen Zellen ihre Energie aus Fettsäuren 173  
           2.3.6 Sowohl Zucker als auch Fette werden in den Mitochondrien zu Acetyl-CoA abgebaut 173  
           2.3.7 Der Zitronensäurezyklus erzeugt NADH durch Oxidation von Acetylgruppen zu CO2 175  
           2.3.8 In den meisten Zellen treibt der Elektronentransport die Synthese der Hauptmenge von ATP an 180  
           2.3.9 Aminosäuren und Nukleotide sind Teil des Stickstoffkreislaufs 180  
           2.3.10 Der Stoffwechsel ist hoch geordnet und geregelt 182  
           Zusammenfassung 183  
           Was wir nicht wissen 183  
           Literatur 184  
     3. Proteine 187  
        3.1 Form und Struktur von Proteinen 187  
           3.1.1 Die Form eines Proteins wird durch seine Aminosäuresequenz bestimmt 187  
           3.1.2 Proteine falten sich zur Konformation mit der geringsten Energie 191  
           3.1.3 Die ?-Helix und das ?-Faltblatt sind allgemeine Faltungsmuster 194  
           3.1.4 Proteindomänen sind Module, aus denen größere Proteine aufgebaut werden 196  
           3.1.5 Nur wenige der vielen möglichen Polypeptidketten sind brauchbar 197  
           3.1.6 Proteine können in viele Familien eingeteilt werden 198  
           3.1.7 Manche Proteindomänen sind in vielen verschiedenen Proteinen zu finden 200  
           3.1.8 Bestimmte Domänenpaare kommen in vielen Proteinen zusammen vor 201  
           3.1.9 Das Genom des Menschen codiert für einen komplexen Satz von Proteinen, der noch viel Unbekanntes zur Erklärung offen lässt 202  
           3.1.10 Größere Proteinmoleküle enthalten oft mehr als eine Polypeptidkette 202  
           3.1.11 Einige Proteine bilden lange helikale Filamente 203  
           3.1.12 Viele Proteinmoleküle haben eine lange Faserform 204  
           3.1.13 Proteine enthalten einen überraschend großen Anteil an in sich ungeordneter Polypeptidkette 205  
           3.1.14 Extrazelluläre Proteine werden durch kovalente Vernetzung stabilisiert 207  
           3.1.15 Proteinmoleküle dienen oft als Untereinheiten für den Zusammenbau großer Strukturen 207  
           3.1.16 Viele Strukturen in der Zelle können sich selbstständig zusammenbauen 208  
           3.1.17 Die Ausbildung komplexer biologischer Strukturen wird oft durch Hilfsfaktoren unterstützt 210  
           3.1.18 Amyloidfibrillen können sich aus vielen Proteinen bilden 211  
           3.1.19 Amyloidstrukturen können in Zellen nützliche Funktionen erfüllen 212  
           3.1.20 Viele Proteine enthalten Domänen von geringer Komplexität, die „reversible Amyloide“ bilden können 213  
           Zusammenfassung 215  
        3.2 Proteinfunktion 215  
           3.2.1 Alle Proteine binden an andere Moleküle 215  
           3.2.2 Die Oberflächenkonformation eines Proteins bestimmt seine chemischen Eigenschaften 217  
           3.2.3 Sequenzvergleiche zwischen Mitgliedern von Proteinfamilien decken entscheidende Liganden-Bindungsstellen auf 218  
           3.2.4 Proteine binden über verschiedene Grenzflächen-Typen an andere Proteine 219  
           3.2.5 Die Bindungsstellen von Antikörpern sind besonders vielseitig 219  
           3.2.6 Die Bindungsstärke wird durch die Gleichgewichtskonstante gemessen 221  
           3.2.7 Enzyme sind wirkungsvolle und hoch spezifische Katalysatoren 222  
           3.2.8 Die Substratbindung ist der erste Schritt der Enzymkatalyse 223  
           3.2.9 Enzyme beschleunigen Reaktionen durch selektive Stabilisierung von Übergangszuständen 226  
           3.2.10 Enzyme können Säure- und Basen-Katalyse gleichzeitig einsetzen 226  
           3.2.11 Lysozym veranschaulicht, wie ein Enzym arbeitet 227  
           3.2.12 Fest gebundene kleine Moleküle verleihen Proteinen zusätzliche Funktionen 229  
           3.2.13 Multienzymkomplexe helfen, die Geschwindigkeit des Zellstoffwechsels zu steigern 231  
           3.2.14 Die Zelle reguliert die katalytischen Aktivitäten ihrer Enzyme 233  
           3.2.15 Allosterische Enzyme besitzen zwei oder mehr wechselwirkende Bindungsstellen 234  
           3.2.16 Zwei Liganden mit gekoppelten Bindungsstellen beeinflussen ihre Bindungen gegenseitig 235  
           3.2.17 Symmetrische Proteinaggregate erzeugen kooperative allosterische Übergänge 236  
           3.2.18 Viele Änderungen in Proteinen werden durch Phosphorylierung bewirkt 237  
           3.2.19 Eine Eukaryotenzelle enthält eine große Vielfalt von Protein-Kinasen und Protein-Phosphatasen 238  
           3.2.20 Die Kontrolle der Src-Protein-Kinase zeigt, wie ein Protein als Mikroprozessor fungieren kann 240  
           3.2.21 Proteine, die GTP binden und hydrolysieren, sind allgegenwärtige Zell-Regulatoren 241  
           3.2.22 Die Regulationsproteine GAP und GEF kontrollieren die Aktivität von GTP-bindenden Proteinen, indem sie bestimmen, ob GTP oder GDP gebunden wird 242  
           3.2.23 Proteine können durch kovalentes Anfügen anderer Proteine kontrolliert werden 242  
           3.2.24 Ein ausgefeiltes Ubiquitin-Konjugationssystem wird zur Proteinmarkierung eingesetzt 243  
           3.2.25 Proteinkomplexe mit austauschbaren Teilen nutzen die genetische Information effizient 244  
           3.2.26 Ein GTP-bindendes Protein zeigt, wie große Proteinbewegungen erzeugt werden können 245  
           3.2.27 Motorproteine erzeugen große Bewegungen in Zellen 246  
           3.2.28 Membrangebundene Transporter pumpen unter Energieverbrauch Moleküle durch Membranen 248  
           3.2.29 Proteine bilden oft große Komplexe, die als Proteinmaschinen fungieren 249  
           3.2.30 Gerüste konzentrieren wechselwirkende Proteinsätze 250  
           3.2.31 Viele Proteine werden durch kovalente Modifikationen kontrolliert, die sie zu spezifischen Stellen innerhalb der Zelle lenken 251  
           3.2.32 Der Zellfunktion liegen komplexe Netzwerke von Proteinwechselwirkungen zugrunde 252  
           Zusammenfassung 255  
           Was wir nicht wissen 256  
           Literatur 256  
  TEIL II. GENETISCHE GRUNDMECHANISMEN 259  
     4. DNA, Chromosomen und Genome 259  
        4.1 Struktur und Funktion von DNA 261  
           4.1.1 Ein DNA-Molekül besteht aus zwei komplementären Nukleotidketten 261  
           4.1.2 Die Struktur der DNA bietet einen Mechanismus für die Vererbung 264  
           4.1.3 Bei Eukaryoten ist die DNA in einem Zellkern eingeschlossen 265  
           Zusammenfassung 266  
        4.2 Chromosomale DNA und ihre Verpackung in der Chromatinfaser 266  
           4.2.1 Die DNA von Eukaryoten ist in einen Satz von Chromosomen verpackt 267  
           4.2.2 Chromosomen enthalten lange Ketten von Genen 269  
           4.2.3 Die Nukleotidsequenz des menschlichen Genoms zeigt, wie Gene angeordnet sind 271  
           4.2.4 Jedes DNA-Molekül, das ein lineares Chromosom bildet, muss ein Centromer, zwei Telomere und Replikationsursprünge enthalten 272  
           4.2.5 DNA-Moleküle sind in den Chromosomen hoch verdichtet 274  
           4.2.6 Nukleosomen sind die Grundeinheiten der Chromosomenstruktur bei Eukaryoten 274  
           4.2.7 Die Struktur des Nukleosomkernpartikels zeigt die Verpackung der DNA 276  
           4.2.8 Nukleosomen haben eine dynamische Struktur und sind häufig Veränderungen unterworfen, die von ATP-abhängigen Chromatin-Umformungskomplexen katalysiert werden 278  
           4.2.9 Nukleosomen werden gewöhnlich zusammen in eine kompakte Chromatinfaser gepackt 280  
           Zusammenfassung 281  
        4.3 Die Struktur und Funktion von Chromatin 282  
           4.3.1 Heterochromatin ist hoch geordnet und ungewöhnlich widerstandsfähig gegenüber der Genexpression 282  
           4.3.2 Die Heterochromatinstruktur breitet sich selbst aus 283  
           4.3.3 Die Kernhistone werden an vielen verschiedenen Stellen kovalent modifiziert 284  
           4.3.4 Chromatin erhält eine zusätzliche Vielfalt durch ortspezifisches Einfügen einer kleinen Reihe von Histonvarianten 286  
           4.3.5 Kovalente Modifikationen und Histonvarianten arbeiten zusammen, um Chromosomenfunktionen zu steuern 287  
           4.3.6 Ein Komplex aus Leser- und Schreiber-Proteinen kann spezifische Chromatinmodifikationen entlang eines Chromosoms ausbreiten 289  
           4.3.7 DNA-Sperrsequenzen blockieren die Ausbreitung von Leser-Schreiber-Komplexen und trennen dadurch benachbarte Chromatindomänen 291  
           4.3.8 Das Chromatin in Centromeren verrät, wie Histonvarianten spezielle Strukturen erzeugen können 292  
           4.3.9 Manche Chromatinstrukturen können direkt vererbt werden 293  
           4.3.10 Experimente mit Froschembryonen legen nahe, dass sowohl aktivierende als auch repressive Chromatinstrukturen epigenetisch vererbt werden können 294  
           4.3.11 Chromatinstrukturen sind für die Funktion eukaryotischer Chromosomen wichtig 295  
           Zusammenfassung 296  
        4.4 Die Gesamtstruktur der Chromosomen 297  
           4.4.1 Chromosomen sind zu großen Chromatinschleifen gefaltet 297  
           4.4.2 Polytänchromosomen sind von einmaligem Nutzen, um Chromatinstrukturen sichtbar zu machen 299  
           4.4.3 Es gibt viele Chromatinformen 301  
           4.4.4 Chromatinschleifen dekondensieren, wenn die in ihnen liegenden Gene exprimiert werden 301  
           4.4.5 Chromatin kann an bestimmte Stellen im Zellkern wandern, um die Genexpression zu verändern 303  
           4.4.6 Netzwerke aus Makromolekülen bilden eine Reihe individueller biochemischer Umgebungen innerhalb des Zellkerns 303  
           4.4.7 Mitosechromosomen sind besonders hoch kondensiert 305  
           Zusammenfassung 306  
        4.5 Wie sich Genome entwickeln 307  
           4.5.1 Genomvergleiche verraten funktionelle DNA-Sequenzen durch deren Konservierung während der Evolution 308  
           4.5.2 Änderungen im Genom werden durch Fehler bei den normalen Kopier- und Erhaltungsmechanismen der DNA sowie durch springende DNA-Elemente verursacht 308  
           4.5.3 Die Genomsequenzen zweier Spezies unterscheiden sich im Verhältnis zur Dauer ihrer getrennten Entwicklung 309  
           4.5.4 Durch DNA-Vergleiche erstellte Stammbäume zeichnen die Verwandtschaft aller Lebewesen nach 311  
           4.5.5 Ein Vergleich der Chromosomen von Mensch und Maus zeigt, wie sich die Strukturen des Genoms auseinanderentwickeln 312  
           4.5.6 Die Größe eines Wirbeltiergenoms spiegelt die relative Geschwindigkeit der DNA-Ergänzung und des DNA-Verlusts in einer Abstammungslinie wider 314  
           4.5.7 Wir können die Sequenz einiger ehemaliger Genome ableiten 315  
           4.5.8 Sequenzvergleiche vieler Spezies identifizieren konservierte DNA-Sequenzen unbekannter Funktion 316  
           4.5.9 Veränderungen in zuvor konservierten Sequenzen können mithelfen, die entscheidenden Schritte in der Evolution zu entziffern 318  
           4.5.10 Mutationen in den DNA-Sequenzen, die die Genexpression kontrollieren, haben viele evolutive Veränderungen in Wirbeltieren angetrieben 319  
           4.5.11 Die Duplikation eines Gens liefert auch eine wichtige Quelle für genetische Neuerungen während der Evolution 320  
           4.5.12 Duplizierte Gene divergieren 320  
           4.5.13 Die Evolution der Globin-Genfamilie zeigt den Beitrag von DNA-Duplikationen zur Evolution der Organismen 322  
           4.5.14 Gene, die für neue Proteine codieren, können durch Rekombination von Exons entstehen 323  
           4.5.15 Neutrale Mutationen breiten sich oft aus und werden in einer Population mit einer Wahrscheinlichkeit fixiert, die von der Populationsgröße abhängt 324  
           4.5.16 Aus den Variationsanalysen beim Menschen kann man eine ganze Menge lernen 325  
           Zusammenfassung 327  
           Was wir nicht wissen 328  
           Literatur 328  
     5. Replikation, Reparatur und Rekombination von DNA 331  
        5.1 Die Erhaltung der DNA-Sequenzen 331  
           5.1.1 Mutationsraten sind sehr niedrig 331  
           5.1.2 Geringe Mutationsraten sind unerlässlich für das Leben, wie wir es kennen 332  
           Zusammenfassung 333  
        5.2 Mechanismen der DNA-Replikation 334  
           5.2.1 Basenpaarung ist die Grundlage für die DNA-Replikation und die DNA-Reparatur 335  
           5.2.2 Die Replikationsgabel ist unsymmetrisch 335  
           5.2.3 Die hohe Genauigkeit der DNA-Replikation verlangt mehrere „Korrekturlese“-Mechanismen 337  
           5.2.4 Nur die DNA-Replikation in 5??3?-Richtung ermöglicht eine wirksame Fehlerkorrektur 338  
           5.2.5 Ein besonderes nukleotidpolymerisierendes Enzym synthetisiert am Folgestrang kurze RNA-Primermoleküle 339  
           5.2.6 Besondere Proteine helfen, die DNA-Doppelhelix vor der Replikationsgabel zu öffnen 340  
           5.2.7 Ein gleitender Ring hält die wandernde DNA-Polymerase an der DNA fest 341  
           5.2.8 Die Proteine an der Replikationsgabel wirken zusammen als „Replikationsmaschine“ 342  
           5.2.9 Ein stranggesteuertes Fehlpaarungs-Korrekturlesesystem entfernt Replikationsfehler, die der Replikationsmaschine entgehen 344  
           5.2.10 DNA-Topoisomerasen verhindern, dass sich die DNA während der Replikation verknäult 346  
           5.2.11 Die DNA-Replikation verläuft in Eukaryoten und Bakterien grundsätzlich ähnlich 347  
           Zusammenfassung 348  
        5.3 Die Initiation und Vollendung der DNA-Replikation der Chromosomen 348  
           5.3.1 DNA-Synthese beginnt an Replikationsursprüngen 349  
           5.3.2 Bakterielle Chromosomen haben einen einzigen Replikationsursprung 349  
           5.3.3 Eukaryotische Chromosomen haben mehrere Replikationsursprünge 351  
           5.3.4 Bei Eukaryoten findet die DNA-Replikation nur während einer Phase des Zellzyklus statt 353  
           5.3.5 Verschiedene Abschnitte desselben Chromosoms werden zu unterschiedlichen Zeiten in der S-Phase repliziert 353  
           5.3.6 Ein großer Komplex aus vielen Untereinheiten bindet an den eukaryotischen Replikationsursprung 354  
           5.3.7 Eigenschaften des menschlichen Genoms, die Replikationsursprünge definieren, sind noch zu entdecken 356  
           5.3.8 Hinter der Replikationsgabel werden neue Nukleosomen zusammengebaut 356  
           5.3.9 Die Telomerase repliziert Chromosomenenden 358  
           5.3.10 Telomere sind in spezialisierten Strukturen verpackt, die die Chromosomenenden schützen 359  
           5.3.11 Die Länge der Telomere wird von Zellen und Organismen reguliert 360  
           Zusammenfassung 361  
        5.4 DNA-Reparatur 362  
           5.4.1 Ohne DNA-Reparatur würden spontane DNA-Schäden die DNA-Sequenz schnell verändern 363  
           5.4.2 Die DNA-Doppelhelix wird schnell repariert 365  
           5.4.3 DNA-Schäden können auf mehreren Wegen beseitigt werden 366  
           5.4.4 Die Kopplung der Nukleotid-Exzisionsreparatur an die Transkription gewährleistet, dass die wichtigste DNA der Zelle wirksam repariert wird 368  
           5.4.5 Die Chemie der DNA-Basen erleichtert die Erkennung von Schäden 368  
           5.4.6 In Notfällen werden spezielle Transläsions-DNA-Polymerasen eingesetzt 370  
           5.4.7 Doppelstrangbrüche werden mit hoher Effizienz repariert 371  
           5.4.8 DNA-Schädigungen halten den Zellzyklus auf 373  
           Zusammenfassung 374  
        5.5 Homologe Rekombination 374  
           5.5.1 Die homologe Rekombination hat in allen Zellen gemeinsame Merkmale 375  
           5.5.2 Die DNA-Basenpaarung lenkt die homologe Rekombination 375  
           5.5.3 Die homologe Rekombination kann fehlerfrei Doppelstrangbrüche der DNA reparieren 376  
           5.5.4 Der Strangaustausch wird durch das RecA/Rad51-Protein ausgeführt 378  
           5.5.5 Homologe Rekombination kann gebrochene DNA-Replikationsgabeln retten 379  
           5.5.6 Zellen regulieren sorgfältig die Verwendung der homologen Rekombination bei der DNA-Reparatur 379  
           5.5.7 Homologe Rekombination ist für die Meiose entscheidend 381  
           5.5.8 Die meiotische Rekombination beginnt mit einem programmierten Doppelstrangbruch 381  
           5.5.9 Während der Meiose kommt es zu Holliday-Junctions 383  
           5.5.10 Homologe Rekombination erzeugt während der Meiose sowohl Crossing-over als auch Nicht-Crossing-over 384  
           5.5.11 Die homologe Rekombination hat oft eine Genkonversion zur Folge 385  
           Zusammenfassung 386  
        5.6 Transposition und konservative ortsspezifische Rekombination 386  
           5.6.1 Durch Transposition können bewegliche genetische Elemente in jede DNA-Sequenz eingebaut werden 387  
           5.6.2 DNA-only-Transposons können sich durch Collage-(Cut-and-Paste)-Mechanismen bewegen 388  
           5.6.3 Manche Viren nutzen einen Transpositionsmechanismus, um sich in die Chromosomen der Wirtszelle einzunisten 389  
           5.6.4 Retrovirusartige Retrotransposons ähneln Retroviren, haben aber keine Proteinhülle 390  
           5.6.5 Ein Großteil des menschlichen Genoms besteht aus nichtretroviralen Retrotransposons 391  
           5.6.6 Unterschiedliche transponierbare Elemente überwiegen in unterschiedlichen Organismen 391  
           5.6.7 Genomsequenzen lassen erkennen, zu welchem ungefähren Zeitpunkt transponierbare Elemente sich bewegt haben 392  
           5.6.8 Die konservative ortsspezifische Rekombination kann DNA reversibel umordnen 392  
           5.6.9 Konservative ortsspezifische Rekombination kann verwendet werden, um Gene ein- oder auszuschalten 394  
           5.6.10 Bakterielle konservative ortsspezifische Rekombinasen sind ein leistungsstarkes Werkzeug für Zell- und Entwicklungsbiologen 394  
           Zusammenfassung 395  
           Was wir nicht wissen 396  
           Literatur 396  
     6. Wie Zellen das Genom ablesen: von der DNA zum Protein 399  
        6.1 Von der DNA zur RNA 401  
           6.1.1 RNA-Moleküle sind einzelsträngig 402  
           6.1.2 Die Transkription erzeugt RNA, die komplementär zu einem der DNA-Stränge ist 403  
           6.1.3 RNA-Polymerasen führen die Transkription aus 404  
           6.1.4 Zellen stellen verschiedene Kategorien von RNA-Molekülen her 405  
           6.1.5 In der DNA enthaltene Signale teilen der RNA-Polymerase mit, wo sie anfangen und aufhören soll 406  
           6.1.6 Start- und Stopp-Signale sind in ihrer Nukleotidsequenz heterogen 408  
           6.1.7 Die Transkriptionsinitiation bei Eukaryoten benötigt viele Proteine 410  
           6.1.8 Die RNA-Polymerase II benötigt allgemeine Transkriptionsfaktoren 411  
           6.1.9 Die Polymerase II braucht auch einen Aktivator, einen Mediator und chromatinmodifizierende Proteine 413  
           6.1.10 Die Verlängerung bei der Transkription benötigt Hilfsfaktoren 415  
           6.1.11 Die Transkription erzeugt superhelikale Spannung 415  
           6.1.12 Die Transkriptionselongation ist eng mit der RNAProzessierung gekoppelt 416  
           6.1.13 RNA-Capping ist die erste Modifikation eukaryotischer prä-mRNAs 418  
           6.1.14 Intronsequenzen werden aus neu transkribierten prä-mRNAs durch RNA-Spleißen entfernt 419  
           6.1.15 Nukleotidsequenzen markieren die Spleißstellen 421  
           6.1.16 RNA-Spleißen wird durch Spleißosomen ausgeführt 422  
           6.1.17 Das Spleißosom treibt mit der Hydrolyse von ATP eine komplexe Abfolge von RNA–RNA-Umlagerungen an 422  
           6.1.18 Andere Eigenschaften der prä-mRNA und ihrer Synthese helfen bei der Erklärung, wie die richtigen Spleißstellen gewählt werden 424  
           6.1.19 Die Chromatinstruktur beeinflusst das RNA-Spleißen 426  
           6.1.20 RNA-Spleißen zeigt eine erstaunliche Flexibilität 426  
           6.1.21 Spleißosom-katalysiertes RNA-Spleißen ist wahrscheinlich aus Selbstspleiß-Mechanismen entstanden 427  
           6.1.22 RNA-Verarbeitungsenzyme erzeugen das 3?-Ende eukaryotischer mRNAs 428  
           6.1.23 Reife eukaryotische mRNAs werden selektiv aus dem Kern exportiert 429  
           6.1.24 Die Synthese und das Bearbeiten vieler nicht codierender RNAs erfolgen auch im Kern 431  
           6.1.25 Der Nukleolus ist eine Ribosomenfabrik 433  
           6.1.26 Der Kern enthält eine Vielzahl subnukleärer Aggregate 435  
           Zusammenfassung 437  
        6.2 Von der RNA zum Protein 438  
           6.2.1 Eine mRNA wird in Nukleotid-Dreiergruppen entschlüsselt 438  
           6.2.2 tRNA-Moleküle wählen die zu den mRNA-Codons passenden Aminosäuren aus 439  
           6.2.3 tRNAs werden kovalent modifiziert, bevor sie den Kern verlassen 441  
           6.2.4 Spezifische Enzyme koppeln jede Aminosäure an ihr entsprechendes tRNA-Molekül 441  
           6.2.5 Editieren durch RNA-Synthetasen sichert Genauigkeit 443  
           6.2.6 Aminosäuren werden an das C-terminale Ende einer wachsenden Polypeptidkette angehängt 445  
           6.2.7 Die Botschaft der RNA wird in Ribosomen entschlüsselt 445  
           6.2.8 Elongationsfaktoren treiben die Translation voran und verbessern die Genauigkeit 449  
           6.2.9 Viele biologische Vorgänge überwinden die inhärenten Beschränkungen der komplementären Basenpaarung 450  
           6.2.10 Genauigkeit bei der Translation erfordert den Einsatz Freier Energie 451  
           6.2.11 Das Ribosom ist ein Ribozym 452  
           6.2.12 Nukleotidsequenzen in der mRNA geben an, wo die Proteinsynthese beginnen soll 453  
           6.2.13 Stopp-Codons markieren das Ende der Translation 455  
           6.2.14 Proteine werden von Polyribosomen hergestellt 456  
           6.2.15 Es gibt kleine Abweichungen vom genetischen Standardcode 457  
           6.2.16 Inhibitoren der prokaryotischen Proteinsynthese werden als Antibiotika eingesetzt 458  
           6.2.17 Qualitätskontrollmechanismen verhindern die Translation beschädigter mRNAs 459  
           6.2.18 Manche Proteine beginnen sich schon während ihrer Synthese zu falten 461  
           6.2.19 Molekulare Chaperone betreuen die Faltung der meisten Proteine 462  
           6.2.20 Zellen verwenden mehrere Chaperonarten 463  
           6.2.21 Exponierte hydrophobe Bereiche sind ein wichtiges Signal für die Proteinqualitätskontrolle 464  
           6.2.22 Das Proteasom ist eine kompartimentierte Protease mit gesonderten Aktiven Zentren 465  
           6.2.23 Viele Proteine werden durch geregelten Abbau kontrolliert 467  
           6.2.24 Es sind viele Schritte von der DNA zum Protein 469  
           Zusammenfassung 470  
        6.3 Die RNA-Welt und die Ursprünge des Lebens 471  
           6.3.1 Einzelsträngige RNA-Moleküle können sich zu hoch komplizierten Strukturen falten 471  
           6.3.2 RNA kann sowohl Informationen speichern als auch chemische Reaktionen katalysieren 472  
           6.3.3 Wie ist die Proteinsynthese entstanden? 473  
           6.3.4 Alle heutigen Zellen verwenden DNA als Erbmaterial 474  
           Zusammenfassung 474  
           Was wir nicht wissen 475  
           Literatur 475  
     7. Kontrolle der Genexpression 477  
        7.1 Ein Überblick über die Genkontrolle 477  
           7.1.1 Die verschiedenen Zelltypen eines vielzelligen Organismusenthalten die gleiche DNA 478  
           7.1.2 Verschiedene Zelltypen synthetisieren einen unterschiedlichen Satz von RNAs 479  
           7.1.3 Signale von außen können eine Zelle dazu veranlassen, die Expression ihrer Gene zu verändern 480  
           7.1.4 Genexpression kann auf vielen Stufen der Informationsübertragung von der DNA zur RNA zum Protein reguliert werden 481  
           Zusammenfassung 481  
        7.2 Transkriptionskontrolle durch sequenzspezifische DNA-Bindeproteine 482  
           7.2.1 Die Nukleotidsequenz in der DNA-Doppelhelix kann von Proteinen gelesen werden 482  
           7.2.2 Transkriptionsregulatoren enthalten Strukturmotive, die DNA-Sequenzen lesen können 483  
           7.2.3 Die Dimerisierung von Transkriptionsregulatoren erhöht deren Affinität zu und Spezifität für DNA 484  
           7.2.4 Transkriptionsregulatoren binden kooperativ an DNA 485  
           7.2.5 Die Nukleosomenstruktur fördert die kooperative Bindung von Transkriptionsregulatoren 488  
           Zusammenfassung 489  
        7.3 Transkriptionsregulatoren schalten Gene an und aus 489  
           7.3.1 Der Tryptophanrepressor schaltet Gene aus 489  
           7.3.2 Repressoren schalten Gene ab und Aktivatoren schalten sie an 491  
           7.3.3 Ein Aktivator und ein Repressor kontrollieren das Lac-Operon 492  
           7.3.4 Während der bakteriellen Genregulation kann es zur DNA-Schleifenbildung kommen 493  
           7.3.5 In Eukaryoten kontrollieren komplexe Schalter die Gentranskription 494  
           7.3.6 Eine eukaryotische Genkontrollregion besteht aus einem Promotor plus vielen Kontroll-DNA-Sequenzen 494  
           7.3.7 Eukaryotische Transkriptionsregulatoren arbeiten in Gruppen 496  
           7.3.8 Aktivatorproteine fördern den Aufbau der RNA-Polymerase am Transkriptionsstartpunkt 496  
           7.3.9 Eukaryotische Transkriptionsaktivatoren lenken die Modifizierung der lokalen Chromatinstruktur 497  
           7.3.10 Transkriptionsaktivatoren können die Transkription dadurch fördern, dass sie die RNA-Polymerase von Promotoren freisetzen 499  
           7.3.11 Transkriptionsaktivatoren arbeiten synergistisch 500  
           7.3.12 Eukaryotische Transkriptionsrepressoren können die Transkription auf verschiedene Weise hemmen 501  
           7.3.13 Isolator-DNA-Sequenzen verhindern, dass eukaryotische Transkriptionsregulatoren auf entfernte Gene Einfluss nehmen 502  
           Zusammenfassung 503  
        7.4 Molekulargenetische Mechanismen, die spezialisierte Zelltypen schaffen und erhalten 503  
           7.4.1 Komplexe genetische Schalter, die die Drosophila-Entwicklung regulieren, sind aus kleineren Molekülen aufgebaut 504  
           7.4.2 Das Eve-Gen von Drosophila wird durch kombinatorische Kontrollen reguliert 505  
           7.4.3 Transkriptionsregulatoren werden von extrazellulären Signalen ins Spiel gebracht 507  
           7.4.4 Kombinatorische Genkontrolle schafft viele verschiedene Zellarten 507  
           7.4.5 Spezialisierte Zellarten können experimentell neu programmiert werden, sodass sie zu pluripotenten Stammzellen werden 509  
           7.4.6 Kombinationen von Transkriptions-Master-Regulatoren spezifizieren Zellarten, indem sie die Expression vieler Gene kontrollieren 510  
           7.4.7 Spezialisierte Zellen müssen rasch Gensätze an- und abschalten 511  
           7.4.8 Differenzierte Zellen behalten ihre Identität bei 512  
           7.4.9 Transkriptionsschaltkreise erlauben der Zelle, logische Operationen auszuführen 514  
           Zusammenfassung 516  
        7.5 Mechanismen, die das Zellgedächtnis in Pflanzen und Tieren verstärken 516  
           7.5.1 Das DNA-Methylierungsmuster kann bei der Teilung von Vertebratenzellen vererbt werden 516  
           7.5.2 CG-reiche Inseln sind bei Säugern mit vielen Genen assoziiert 519  
           7.5.3 Die genomische Prägung fußt auf der DNA-Methylierung 520  
           7.5.4 Chromosomenweite Änderungen in der Chromatinstruktur können vererbt werden 522  
           7.5.5 Epigenetische Mechanismen stellen sicher, dass stabile Muster der Genexpression an Tochterzellen weitergegeben werden 525  
           Zusammenfassung 526  
        7.6 Posttranskriptionale Kontrolle 527  
           7.6.1 Transkriptionsabschwächung bewirkt eine vorzeitige Beendigung der Transkription einiger RNA-Moleküle 527  
           7.6.2 Riboswitche stellen wahrscheinlich eine alte Form der Genkontrolle dar 528  
           7.6.3 Durch alternatives RNA-Spleißen können verschiedene Formen eines Proteins von ein und demselben Gen entstehen 529  
           7.6.4 Die Definition eines Gens wurde nach der Entdeckung des alternativen RNA-Spleißens geändert 531  
           7.6.5 Eine Änderung der Stelle der RNA-Transkriptspaltung und der Polyadenylierung kann den carboxyterminalen Bereich eines Proteins verändern 531  
           7.6.6 RNA-Editierung kann den Inhalt der RNA-Botschaft verändern 532  
           7.6.7 Der Transport der RNA aus dem Zellkern kann kontrolliert werden 534  
           7.6.8 Einige mRNAs sind besonderen Regionen des Cytosols zugeordnet 536  
           7.6.9 Die 5?- und 3?-untranslatierten Bereiche der mRNAs kontrollieren ihre Translation 537  
           7.6.10 Die Phosphorylierung eines Initiationsfaktors regelt die Proteinsynthese umfassend 538  
           7.6.11 Initiation an AUG-Codons oberhalb des Start-Codons kann die Translation bei Eukaryoten regulieren 539  
           7.6.12 Interne Ribosomeneintrittsstellen bieten eine Möglichkeit der Translationskontrolle 540  
           7.6.13 Eine Veränderung der mRNA-Stabilität kann die Genexpression regulieren 541  
           7.6.14 P-Körperchen und Stressgranula sind an der Regulation der mRNA-Stabilität beteiligt 543  
           Zusammenfassung 544  
        7.7 Regulation der Genexpression durch nicht codierende RNAs 544  
           7.7.1 Kleine nicht codierende RNA-Transkripte regulieren durch RNA-Interferenz viele tierische und pflanzliche Gene 545  
           7.7.2 miRNAs regulieren die mRNA-Translation und -Stabilität 545  
           7.7.3 RNA-Interferenz wird auch als zellulärer Abwehrmechanismus verwendet 547  
           7.7.4 RNA-Interferenz kann die Heterochomatinbildung steuern 548  
           7.7.5 piRNAs schützen die Keimbahn vor springenden Elementen 549  
           7.7.6 RNA-Interferenz wurde ein schlagkräftiges Werkzeug für Experimente 550  
           7.7.7 Bakterien verwenden kleine nicht codierende RNAs, um sich vor Viren zu schützen 550  
           7.7.8 Lange nicht codierende RNAs haben in der Zelle verschiedene Funktionen 551  
           Zusammenfassung 553  
           Was wir nicht wissen 553  
           Literatur 554  
  TEIL III. METHODEN FÜR DIE ARBEIT MIT ZELLEN 557  
     8. Untersuchung von Zellen, Molekülen und Systemen 557  
        8.1 Isolierung von Zellen und ihre Aufzucht in Kultur 558  
           8.1.1 Zellen können aus Geweben isoliert werden 558  
           8.1.2 Zellen können in Kultur herangezogen werden 559  
           8.1.3 Eukaryoten-Zelllinien sind eine viel genutzte Quelle für homogene Zellen 561  
           8.1.4 Hybridoma-Zelllinien sind Fabriken, die monoklonale Antikörper erzeugen 562  
           Zusammenfassung 564  
        8.2 Aufreinigung von Proteinen 564  
           8.2.1 Zellen können in Fraktionen ihrer Bestandteile aufgetrennt werden 564  
           8.2.2 Zellextrakte liefern Systeme, die für die Untersuchung von Zellfunktionen zugänglich sind 567  
           8.2.3 Proteine können chromatographisch aufgetrennt werden 567  
           8.2.4 Immunpräzipitation ist eine schnelle Affinitätsaufreinigungsmethode 570  
           8.2.5 Gentechnisch hergestellte Markierungen bieten einen einfachen Weg für die Proteinaufreinigung 570  
           8.2.6 Aufgereinigte zellfreie Systeme sind für die exakte Beschreibung von Molekülfunktionen erforderlich 571  
           Zusammenfassung 572  
        8.3 Proteine analysieren 572  
           8.3.1 Proteine können mithilfe der SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese aufgetrennt werden 572  
           8.3.2 Die zweidimensionale Gelelektrophorese bietet eine bessere Proteinauftrennung 574  
           8.3.3 Spezifische Proteine können durch Blotting mit Antikörpern aufgespürt werden 575  
           8.3.4 Hydrodynamische Messungen offenbaren die Größe und Form eines Proteinkomplexes 576  
           8.3.5 Die Massenspektrometrie liefert eine hochempfindliche Methode zur Identifizierung unbekannter Proteine 576  
           8.3.6 Sätze interagierender Proteine können mithilfe biochemischer Methoden identifiziert werden 579  
           8.3.7 Optische Methoden können Proteinwechselwirkungen verfolgen 579  
           8.3.8 Die Proteinfunktion kann durch kleine Moleküle selektiv gestört werden 581  
           8.3.9 Die Proteinstruktur lässt sich mithilfe der Röntgenstrahlbeugung bestimmen 581  
           8.3.10 NMR kann zur Bestimmung der Proteinstruktur in Lösung eingesetzt werden 583  
           8.3.11 Proteinsequenz und Proteinstruktur geben Hinweise auf die Proteinfunktion 584  
           Zusammenfassung 585  
        8.4 DNA analysieren und manipulieren 586  
           8.4.1 Restriktionsnukleasen zerschneiden große DNA-Moleküle in definierte Fragmente 587  
           8.4.2 Die Gelelektrophorese trennt DNA-Moleküle unterschiedlicher Größe 589  
           8.4.3 Aufgereinigte DNA-Moleküle können chemisch oder mit Radioisotopen spezifisch in vitro markiert werden 589  
           8.4.4 Gene können mithilfe von Bakterien kloniert werden 590  
           8.4.5 Eine DNA-Bibliothek kann ein vollständiges Genom repräsentieren 592  
           8.4.6 Genom- und cDNA-Bibliotheken haben verschiedene Vor- und Nachteile 594  
           8.4.7 Die Hybridisierung liefert einen leistungsfähigen, aber einfachen Weg, um spezifische Nukleotidsequenzen aufzuspüren 595  
           8.4.8 Gene können in vitro mithilfe der PCR kloniert werden 596  
           8.4.9 Die PCR wird auch für diagnostische und forensische Anwendungen eingesetzt 598  
           8.4.10 Sowohl DNA als auch RNA können rasch sequenziert werden 599  
           8.4.11 Um nützlich zu sein, müssen Genomsequenzen kommentiert werden 601  
           8.4.12 Die DNA-Klonierung ermöglicht, dass jedes Protein in großen Mengen produziert werden kann 607  
           Zusammenfassung 608  
        8.5 Untersuchung der Genexpression und-funktion 609  
           8.5.1 Die klassische Genetik beginnt damit, einen Zellvorgang durch Zufallsmutagenese zu stören 612  
           8.5.2 Genetische Screenings identifizieren Mutanten mit bestimmten Anomalien 613  
           8.5.3 Mutationen können den Verlust oder den Gewinn einer Proteinfunktion verursachen 614  
           8.5.4 Komplementationstests zeigen, ob sich zwei Mutationen im selben Gen oder in verschiedenen Genen befinden 615  
           8.5.5 Genprodukte können durch epistatische Analyse in Stoffwechselwegen angeordnet werden 615  
           8.5.6 Mutationen, die für einen Phänotyp verantwortlich sind, können durch eine DNA-Analyse identifiziert werden 616  
           8.5.7 Die schnelle und kostengünstige DNA-Sequenzierung hat die humangenetischen Untersuchungen revolutioniert 617  
           8.5.8 Gekoppelte Polymorphismenblöcke wurden von unseren Vorfahren weitergegeben 617  
           8.5.9 Polymorphismen können bei der Suche nach Mutationen helfen, die mit Krankheiten verbunden sind 618  
           8.5.10 Die Genomik beschleunigt die Entdeckung seltener Mutationen, die uns für eine ernsthafte Krankheit prädisponieren 619  
           8.5.11 Reverse Genetik beginnt mit einem bekannten Gen und bestimmt, welche Zellvorgänge seine Funktion benötigen 620  
           8.5.12 Tiere und Pflanzen kann man genetisch verändern 622  
           8.5.13 Das bakterielle CRISPR-System wurde angepasst, um Genome in einer breiten Artenvielfalt zu bearbeiten 623  
           8.5.14 Umfangreiche Sammlungen gentechnisch erzeugter Mutationen bieten ein Werkzeug, um die Funktion jedes Gens in einem Organismus zu untersuchen 624  
           8.5.15 RNA-Interferenz ist ein einfacher und schneller Weg, um die Genfunktion zu testen 626  
           8.5.16 Reportergene verraten, wann und wo ein Gen exprimiert wird 628  
           8.5.17 Die In-situ-Hybridisierung kann die Lage der mRNAs und nicht codierenden RNAs aufzeigen 629  
           8.5.18 Die Expression einzelner Gene kann mithilfe der quantitativen RT-PCR gemessen werden 630  
           8.5.19 Die Analyse von mRNAs durch Mikroarray oder RNA-seq liefert einen Schnappschuss der Genexpression 630  
           8.5.20 Genomweite Chromatin-Immunpräzipitation identifiziert Stellen auf dem Genom, die von Transkriptionsregulatoren besetzt sind 632  
           8.5.21 Die Erstellung eines Ribosomenprofils verrät, welche mRNAs in der Zelle gerade translatiert werden 633  
           8.5.22 Rekombinante DNA-Methoden haben die menschliche Gesundheit revolutioniert 635  
           8.5.23 Transgene Pflanzen sind wichtig für die Landwirtschaft 635  
           Zusammenfassung 636  
        8.6 Mathematische Analyse der Zellfunktionen 637  
           8.6.1 Regulationsnetzwerke hängen von molekularen Wechselwirkungen ab 638  
           8.6.2 Differenzialgleichungen helfen uns, ein vorübergehendes Verhalten vorherzusagen 641  
           8.6.3 Sowohl die Promotoraktivität als auch der Proteinabbau beeinflussen die Änderungsrate der Proteinkonzentration 642  
           8.6.4 Die zum Erreichen des Fließgleichgewichtszustands erforderliche Zeit hängt von der Lebensdauer des Proteins ab 644  
           8.6.5 Quantitative Methoden ähneln sich für Transkriptionsrepressoren und -aktivatoren 644  
           8.6.6 Die negative Rückkopplung ist eine leistungsfähige Strategie bei der Zellregulation 645  
           8.6.7 Eine verzögerte negative Rückkopplung kann Oszillationen auslösen 646  
           8.6.8 Die DNA-Bindung durch einen Repressor oder einen Aktivator kann kooperativ sein 647  
           8.6.9 Die positive Rückkopplung ist wichtig für schalterartige Reaktionen und die Bistabilität 648  
           8.6.10 Robustheit ist ein wichtiges Merkmal biologischer Netzwerke 651  
           8.6.11 Zwei Transkriptionsregulatoren, die an den gleichen Genpromotor binden, können eine kombinatorische Kontrolle ausüben 651  
           8.6.12 Eine inkohärente vorwärtsgeregelte Wechselwirkung erzeugt Impulse 653  
           8.6.13 Eine kohärente vorwärtsgeregelte Wechselwirkung entdeckt anhaltende Reize 654  
           8.6.14 Das gleiche Netzwerk kann sich in verschiedenen Zellen aufgrund stochastischer Effekte unterschiedlich verhalten 654  
           8.6.15 Um die Reaktionen in Zellen zu modellieren, werden mehrere Rechenansätze verwendet 655  
           8.6.16 Für die Analyse biologischer Daten sind statistische Methoden entscheidend 656  
           Zusammenfassung 657  
           Was wir nicht wissen 657  
           Literatur 657  
     9. Das Abbild der Zellen 661  
        9.1 Betrachtung der Zellstrukturen unter dem Lichtmikroskop 661  
           9.1.1 Das Lichtmikroskop kann Details von 0,2 ?m Abstand auflösen 663  
           9.1.2 Photonenrauschen erzeugt zusätzliche Auflösungs-beschränkungen, wenn die Lichtintensität gering ist 665  
           9.1.3 Lebende Zellen lassen sich im Phasenkontrast- oder Differenzial-Interferenzkontrastmikroskop klar betrachten 665  
           9.1.4 Mikroskopische Abbildungen können durch digitale Verfahren verstärkt und analysiert werden 667  
           9.1.5 Vor dem Mikroskopieren müssen intakte Gewebe gewöhnlich fixiert und geschnitten werden 668  
           9.1.6 Bestimmte Moleküle können in der Zelle durch Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen werden 669  
           9.1.7 Antikörper lassen sich zum Nachweis bestimmter Moleküle verwenden 672  
           9.1.8 Die Betrachtung von komplexen dreidimensionalen Objekten ist auch mit dem optischen Mikroskop möglich 673  
           9.1.9 Das Konfokalmikroskop erzeugt optische Schnitte durch den Ausschluss von nicht fokussiertem Licht 674  
           9.1.10 Einzelne Proteine können in lebenden Zellen und Organismen fluoreszenzmarkiert werden 676  
           9.1.11 Die Proteindynamik kann man an lebenden Zellen verfolgen 677  
           9.1.12 Rasch wechselnde intrazelluläre Ionenkon zentrationen können mit Licht emittierenden Indikatoren gemessen werden 680  
           9.1.13 Einzelne Moleküle können mithilfe der Internen Total- reflexionsfluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht werden 681  
           9.1.14 Einzelne Moleküle können mithilfe der Rasterkraftmikroskopie erfasst, abgebildet und bewegt werden 682  
           9.1.15 Superauflösende Fluoreszenztechniken können die beugungsbegrenzte Auflösung überwinden 683  
           9.1.16 Auch mithilfe von Methoden zur Lokalisierung einzelner Moleküle kann eine Superauflösung erreicht werden 686  
        9.2 Betrachtung von Zellen und Molekülen im Elektronenmikroskop 688  
           9.2.1 Im Elektronenmikroskop wird die Feinstruktur der Zelle sichtbar 688  
           9.2.2 Biologische Objekte müssen für die Elektronenmikroskopie besonders vorbereitet werden 690  
           9.2.3 Bestimmte Makromoleküle lassen sich durch Immungold-Elektronenmikroskopie auffinden 691  
           9.2.4 Verschiedene Ansichten eines einzelnen Objekts können zu einer dreidimensionalen Rekonstruktion kombiniert werden 692  
           9.2.5 Bilder von Oberflächen lassen sich mit dem Raster-Elektronenmikroskop aufnehmen 693  
           9.2.6 Negativ-Kontrastierung und Kryo-Elektronenmikroskopie machen Makromoleküle bei hoher Auflösung sichtbar 694  
           9.2.7 Mehrfachbilder lassen sich zur Verbesserung der Auflösung kombinieren 696  
           Zusammenfassung 698  
           Was wir nicht wissen 698  
           Literatur 698  
  TEIL IV. DIE INNERE ORGANISATION DER ZELLE 701  
     10. Der Aufbau der Membran 701  
        10.1 Die Lipid-Doppelschicht 702  
           10.1.1 Phosphoglyceride, Sphingolipide und Sterole sind die wichtigsten Lipide von Zellmembranen 702  
           10.1.2 Phospholipide bilden spontan Doppelschichten 704  
           10.1.3 Die Lipid-Doppelschicht ist eine zweidimensionale Flüssigkeit 706  
           10.1.4 Die Fluidität der Lipid-Doppelschicht ist von ihrer Zusammensetzung abhängig 707  
           10.1.5 Trotz ihrer Fluidität können Lipid-Doppelschichten unterschiedlich zusammengesetzte Domänen bilden 709  
           10.1.6 Lipidtröpfchen sind von einem Phospholipid-Monolayer umgeben 710  
           10.1.7 Die Asymmetrie der Lipid-Doppelschicht ist wichtig für ihre Funktion 711  
           10.1.8 Glykolipide finden sich auf der Oberfläche aller eukaryotischer Plasmamembranen 712  
           Zusammenfassung 713  
        10.2 Membranproteine 714  
           10.2.1 Membranproteine können auf verschiedene Weisen mit der Lipid-Doppelschicht assoziiert sein 714  
           10.2.2 Lipidanker kontrollieren die Lage mancher Signalproteine in der Membran 715  
           10.2.3 Die Polypeptidkette der meisten Transmembranproteine durchquert die Lipid-Doppelschicht als ?-Helix 717  
           10.2.4 Transmembran-?-Helices wechselwirken oft miteinander 718  
           10.2.5 Einige ?-Fässer bilden große Kanäle 719  
           10.2.6 Viele Membranproteine sind glykosyliert 720  
           10.2.7 Membranproteine können mithilfe von Detergenzien gelöst und aufgereinigt werden 722  
           10.2.8 Bacteriorhodopsin ist eine lichtgetriebene Protonenpumpe, die die Membran in Form von sieben ?-Helices durchquert 725  
           10.2.9 Membranproteine arbeiten oft in großen Komplexen 727  
           10.2.10 Viele Membranproteine diffundieren in der Membranebene 728  
           10.2.11 Zellen können Proteine und Lipide auf besondere Domänen innerhalb der Membran beschränken 729  
           10.2.12 Das Cytoskelett des Kortex verleiht Membranen mechanische Festigkeit und beschränkt die Diffusion der Membranproteine 731  
           10.2.13 Membranbiegende Proteine verformen Doppelschichten 733  
           Zusammenfassung 734  
           Was wir nicht wissen 735  
           Literatur 735  
     11. Membrantransport kleiner Moleküle und elektrische Eigenschaften von Membranen 737  
        11.1 Grundlagen des Transports durch Membranen 738  
           11.1.1 Proteinfreie Lipid-Doppelschichten sind für Ionen undurchlässig 738  
           11.1.2 Die zwei Hauptklassen von Membrantransportproteinen: Transporter und Kanäle 739  
           11.1.3 Aktiver Transport durch Transporter ist an eine Energiequelle gekoppelt 740  
           Zusammenfassung 741  
        11.2 Transporter und aktiver Membrantransport 741  
           11.2.1 Aktiver Transport kann durch Ionenkonzentrationsgradienten angetrieben werden 743  
           11.2.2 Transporterproteine in der Plasmamembran regulieren den cytosolischen pH-Wert 745  
           11.2.3 Der Transport von Soluten zwischen Zellen ist auf eine asymmetrische Verteilung von Transportern in den Epithelzellen zurückzuführen 746  
           11.2.4 Es gibt drei Klassen ATP-getriebener Pumpen 747  
           11.2.5 Eine P-Typ-ATPase pumpt Ca2+ in das Sarkoplasmatische Reticulum in Muskelzellen 748  
           11.2.6 Die Na+/K+-Pumpe der Plasmamembran errichtet an der Plasmamembran Na+- und K+-Gradienten 750  
           11.2.7 ABC-Transporter bilden die größte Familie von Membrantransportproteinen 751  
           Zusammenfassung 753  
        11.3 Kanäle und die elektrischen Eigenschaften von Membranen 754  
           11.3.1 Aquaporine sind für Wasser durchlässig, für Ionen aber undurchlässig 754  
           11.3.2 Ionenkanäle sind ionenselektiv und wechseln zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand 756  
           11.3.3 Das Membranpotenzial in tierischen Zellen ist hauptsächlich von K+-Sickerkanälen und dem K+-Gradienten über der Plasmamembran abhängig 759  
           11.3.4 Das Ruhepotenzial baut sich nur langsam ab, wenn die Na+/K+-Pumpe nicht mehr arbeitet 760  
           11.3.5 Die dreidimensionale Struktur eines bakteriellen K+-Kanals zeigt, wie ein Ionenkanal arbeitet 761  
           11.3.6 Mechanosensitive Kanäle schützen bakterielle Zellen vor extremem osmotischem Druck 763  
           11.3.7 Die Funktion eines Neurons hängt von seiner lang gestreckten Form ab 763  
           11.3.8 Spannungskontrollierte Kationenkanäle erzeugen Aktionspotenziale in elektrisch erregbaren Zellen 765  
           11.3.9 Der Einsatz von Kanalrhodopsinen hat die Untersuchung neuronaler Schaltkreise revolutioniert 767  
           11.3.10 Die Myelinisierung erhöht die Geschwindigkeit und Effizienz der Weiterleitung eines Aktionspotenzials in Nervenzellen 769  
           11.3.11 Patch Clamp-Messungen deuten darauf hin, dass sich die einzelnen Ionenkanäle nach einem Alles-oder-Nichts-Mechanismus öffnen 770  
           11.3.12 Spannungskontrollierte Kationenkanäle sind evolutionär und strukturell verwandt 771  
           11.3.13 Verschiedene Arten von Neuronen zeigen typische stabile Feuereigenschaften 772  
           11.3.14 Transmitterkontrollierte Ionenkanäle in Synapsen wandeln chemische Signale in elektrische Reize um 772  
           11.3.15 Chemische Synapsen können excitatorisch oder inhibitorisch wirken 774  
           11.3.16 Die Acetylcholinrezeptoren an den neuromuskulären Endplatten sind excitatorische transmitterkontrollierteKationenkanäle 775  
           11.3.17 Neuronen enthalten viele Arten transmitterkontrollierter Kanäle 776  
           11.3.18 Viele psychoaktive Medikamente wirken an Synapsen 777  
           11.3.19 Bei der neuromuskulären Signalübertragung werden fünf verschiedene Gruppen von Ionenkanälen nacheinander aktiviert 778  
           11.3.20 Einzelne Neuronen stellen komplexe Verrechnungseinheiten dar 779  
           11.3.21 Eine Kombination von mindestens drei Typen von K+-Kanälen ist die Grundlage für die neuronale Verrechnung von Signalen 780  
           11.3.22 Die Langzeitpotenzierung im Hippocampus von Säugetieren ist vom Ca2+-Einstrom durch NMDA- Rezeptorkanäle abhängig 782  
           Zusammenfassung 784  
           Was wir nicht wissen 785  
           Literatur 785  
     12. Zellkompartimente und Proteinsortierung 789  
        12.1 Die Kompartimentierung der Zelle 789  
           12.1.1 Alle eukaryotischen Zellen besitzen die gleiche Grundausstattung membranumschlossener Organellen 789  
           12.1.2 Der entwicklungsgeschichtliche Ursprung kann dabei helfen, die topologischen Beziehungen von Organellen zu erklären 793  
           12.1.3 Proteine können auf verschiedene Arten zwischen den Kompartimenten hin- und herwandern 795  
           12.1.4 Signalsequenzen und Sortierrezeptoren dirigieren Proteine zur richtigen zellulären Adresse 796  
           12.1.5 Die meisten Organellen können nicht de novo aufgebaut werden: Dazu bedarf es Organell-inhärenter Information 797  
           Zusammenfassung 798  
        12.2 Molekültransport zwischen Zellkern und Cytosol 798  
           12.2.1 Kernporenkomplexe perforieren die Zellkernhülle 799  
           12.2.2 Kernlokalisationssignale steuern Kernproteine zum Zellkern 801  
           12.2.3 Kernimportrezeptoren binden Kernlokalisationssignale und NPC-Proteine 802  
           12.2.4 Der Export aus dem Zellkern heraus verläuft wie der Import, nur in umgekehrter Richtung 803  
           12.2.5 Die GTPase Ran zwingt dem Transport durch die NPCs eine Richtung auf 804  
           12.2.6 Der Transport durch NPCs kann durch die Kontrolle des Zugangs zum Transportapparat reguliert werden 805  
           12.2.7 Während der Mitose zerfällt die Kernhülle 807  
           Zusammenfassung 808  
        12.3 Proteintransport in Mitochondrien und Chloroplasten 809  
           12.3.1 Translokation in die Mitochondrien ist abhängig von Signalsequenzen und von Proteintranslokatoren 810  
           12.3.2 Die Vorstufen mitochondrialer Proteine werden als ungefaltete Polypeptidketten importiert 812  
           12.3.3 ATP-Hydrolyse und ein Membranpotenzial treiben den Proteinimport in den Matrixraum an 813  
           12.3.4 Bakterien und Mitochondrien verwenden ähnliche Mechanismen, um Porine in ihre äußere Membran einzubauen 814  
           12.3.5 Der Transport in die innere Mitochondrienmembran und den Intermembranraum vollzieht sich auf mehreren Wegen 815  
           12.3.6 Zwei Signalsequenzen lenken Proteine zur Thylakoidmembran des Chloroplasten 817  
           Zusammenfassung 818  
        12.4 Peroxisomen 818  
           12.4.1 Peroxisomen verwenden molekularen Sauerstoff und Wasserstoffperoxid zur Durchführung oxidativer Reaktionen 819  
           12.4.2 Eine kurze Signalsequenz lenkt den Proteinimport von Peroxisomen 821  
           Zusammenfassung 822  
        12.5 Das Endoplasmatische Reticulum 822  
           12.5.1 Das ER ist strukturell und funktionell verschieden 823  
           12.5.2 Signalsequenzen wurden zuerst an Proteinen entdeckt, die in das raue ER importiert werden 826  
           12.5.3 Ein Signalerkennungspartikel (SRP) dirigiert die ER-Signalsequenz zu einem spezifischen Rezeptor in der Membran des rauen ER 827  
           12.5.4 Die Polypeptidkette wandert durch einen wasserführend en Kanal im Translokator 830  
           12.5.5 Die Translokation durch die ER-Membran erfordert nicht in allen Fällen eine zeitgleich ablaufende Polypeptidkettenverlängerung 831  
           12.5.6 Bei Einpfad-Transmembranproteinen verbleibt eine interne ER-Signalsequenz als durch die Membran reichende ?-Helix in der Lipid-Doppelschicht 832  
           12.5.7 Kombinationen von Transfer-Start- und -Stoppsignalen bestimmen die Topologie von Mehrpfad-Transmembranproteinen 835  
           12.5.8 Proteine, die C-terminal im ER verankert sind, werden durch einen speziellen Mechanismus in die ER-Membran integriert 836  
           12.5.9 Translozierte Polypeptidketten nehmen im Lumen des rauen ER ihre endgültige Form an 837  
           12.5.10 Die meisten am rauen ER synthetisierten Proteine werden durch die kovalente Addition eines universellen N-verknüpften Oligosaccharids glykosyliert 838  
           12.5.11 Oligosaccharide werden als Markierungen verwendet, um den Faltungszustand eines Proteins zu erkennen 840  
           12.5.12 Nicht richtig gefaltete Proteine werden aus dem ER exportiert und im Cytosol abgebaut 841  
           12.5.13 Fehlgefaltete Proteine aktivieren im ER eine Reaktion auf ungefaltete Proteine 842  
           12.5.14 Manche Membranproteine erhalten einen kovalent verknüpften Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-Anker 844  
           12.5.15 Das ER setzt die meisten Lipid-Doppelschichten zusammen 845  
           Zusammenfassung 847  
           Was wir nicht wissen 848  
           Literatur 849  
     13. Intrazellulärer Membranverkehr 851  
        13.1 Die molekularen Mechanismen des Membrantransports und die Erhaltung der Kompartimentunterschiede 853  
           13.1.1 Es gibt unterschiedliche Formen beschichteter Vesikel 853  
           13.1.2 Der Aufbau der Clathrinhülle treibt die Vesikelbildung an 855  
           13.1.3 Adapterproteine suchen die Fracht für clathrinbeschichte te Vesikel aus 856  
           13.1.4 Phosphoinositide markieren Organellen und Membrandomänen 857  
           13.1.5 Membranbiegende Proteine helfen während der Vesikelbildung bei der Membranverformung 858  
           13.1.6 Cytoplasmatische Proteine regulieren das Abknospen beschichteter Vesikel und die Beseitigung ihrer Vesikelhülle 859  
           13.1.7 Monomere GTPasen kontrollieren den Hüllenaufbau 860  
           13.1.8 Nicht alle Transportvesikel sind kugelig 862  
           13.1.9 Rab-Proteine lenken Transportvesikel zu deren Zielmembranen 863  
           13.1.10 Rab-Kaskaden können die Identität eines Organells verändern 865  
           13.1.11 SNAREs vermitteln die Membranfusion 866  
           13.1.12 Fertige SNARE-Komplexe müssen auseinandergenommen werden, damit sie erneut arbeiten können 867  
           Zusammenfassung 868  
        13.2 Transport vom ER durch den Golgi-Apparat 869  
           13.2.1 Proteine verlassen in COPII-beschichteten Transportvesikeln das ER 869  
           13.2.2 Nur Proteine, die korrekt gefaltet und zusammengebaut sind, können das ER verlassen 870  
           13.2.3 Der Transport vom ER zum Golgi-Apparat wird von vesikulären tubulären Clustern durchgeführt 871  
           13.2.4 Der Rückgewinnungsweg zum ER benutzt Sortiersignale 872  
           13.2.5 Viele Protein werden selektiv in den Kompartimenten festgehalten, in denen ihr Arbeitsplatz ist 873  
           13.2.6 Der Golgi-Apparat besteht aus einer geordneten Folge von Kompartimenten 874  
           13.2.7 Oligosaccharidketten werden im Golgi-Apparat weiterverarbeitet 876  
           13.2.8 Proteoglykane werden im Golgi-Apparat zusammengesetzt 877  
           13.2.9 Welchen Zweck hat die Glykosylierung? 879  
           13.2.10 Der Transport durch den Golgi-Apparat könnte durch Zisternenreifung vor sich gehen 880  
           13.2.11 Matrixproteine des Golgi-Apparats unterstützen die Organisation des Stapels 881  
           Zusammenfassung 882  
        13.3 Transport vom trans-Golgi-Netzwerk zu den Lysosomen 883  
           13.3.1 Lysosomen sind die wichtigsten Orte intrazellulärer Verdauungsvorgänge 883  
           13.3.2 Lysosomen sind nicht einheitlich 883  
           13.3.3 Die Vakuolen von Pilz- und Pflanzenzellen sind bemerkenswert vielseitige Lysosomen 884  
           13.3.4 Viele Zubringerwege liefern Material an die Lysosomen 886  
           13.3.5 Autophagie baut nicht benötigte Proteine und Organellen ab 886  
           13.3.6 Ein Mannose-6-phosphat-Rezeptor sortiert lysosomale Hydrolasen im trans-Golgi-Netzwerk 888  
           13.3.7 Defekte in der GlkNAc-Phosphotransferase sind Ursache von lysosomalen Speicherkrankheiten beim Menschen 890  
           13.3.8 Manche Lysosomen und multivesikuläre Körperchen können exocytiert werden 891  
           Zusammenfassung 891  
        13.4 Transport von der Plasmamembran ins Zellinnere: Endocytose 892  
           13.4.1 Pinocytosevesikel bilden sich in der Plasmamembran aus beschichteten Vertiefungen (Coated Pits) 893  
           13.4.2 Nicht alle Pinocytosevesikel sind mit Clathrin beschichtet 894  
           13.4.3 Zellen importieren bestimmte extrazelluläre Makromoleküle durch rezeptorvermittelte Endocytose 895  
           13.4.4 Spezifische Proteine werden aus den frühen Endosomen entfernt und zur Plasmamembran zurückgebracht 897  
           13.4.5 Plasmamembran-Signalrezeptoren werden durch Abbau in den Lysosomen heruntergeregelt. 898  
           13.4.6 Frühe Endosomen reifen zu späten Endosomen 898  
           13.4.7 ESCRT-Proteinkomplexe vermitteln die Bildung intraluminaler Vesikel in multivesikulären Körperchen 899  
           13.4.8 Recycling-Endosomen regulieren die Zusammensetzung der Plasmamembran 901  
           13.4.9 Spezialisierte Phagocyten können große Partikel verschlingen 902  
           Zusammenfassung 904  
        13.5 Transport vom trans-Golgi-Netzwerk zur Zelloberfläche: Exocytose 905  
           13.5.1 Viele Proteine und Lipide werden automatisch vom trans-Golgi-Netzwerk (TGN) aus zur Zelloberfläche transportiert 905  
           13.5.2 Sekretionsvesikel knospen vom trans-Golgi-Netzwerk ab 906  
           13.5.3 Während sich Sekretionsvesikel bilden, werden Vorstufen der sekretorischen Proteine proteolytisch weiterverarbeitet 908  
           13.5.4 Sekretionsvesikel warten in der Nähe der Plasmamembran auf das Signal zur Freigabe ihrer Inhaltsstoffe 909  
           13.5.5 Synaptische Vesikel werden an der präsynaptischen Membran für eine schnelle Exocytose vorbereitet 909  
           13.5.6 Synaptische Vesikel können direkt aus Endocytosevesikeln entstehen 910  
           13.5.7 Membranbestandteile von Sekretionsvesikeln werden schnell aus der Plasmamembran entfernt 911  
           13.5.8 Manche regulierten Exocytosevorgänge dienen dazu, die Plasmamembran zu vergrößern 913  
           13.5.9 Polarisierte Zellen lenken Proteine vom trans-Golgi-Netzwerk zur richtigen Domäne der Plasmamembran 914  
           Zusammenfassung 915  
           Was wir nicht wissen 915  
           Literatur 916  
     14. Energieumwandlung: Mitochondrien und Chloroplasten 919  
        14.1 Das Mitochondrium 922  
           14.1.1 Das Mitochondrium hat eine äußere Membran und eine innere Membran 923  
           14.1.2 Die Cristae der inneren Membran enthalten die Maschinerie für den Elektronentransport und die ATP-Synthese 924  
           14.1.3 Der Zitronensäurezyklus läuft in der Mitochondrienmatrix ab und liefert NADH 925  
           14.1.4 Im zellulären Metabolismus übernehmen Mitochondrien viele wichtige Aufgaben 926  
           14.1.5 Ein chemiosmotischer Prozess koppelt die Oxidationsenergie mit der ATP-Produktion 928  
           14.1.6 Die Energie aus der Oxidation wird in Form eines elektrochemischen Gradienten gespeichert 929  
           Zusammenfassung 930  
        14.2 Die Protonenpumpen der Elektronentransportkette 930  
           14.2.1 Das Redoxpotenzial ist ein Maß für die Elektronenaffinitäten 931  
           14.2.2 Elektronenübertragungen setzen große Energiebeträge frei 931  
           14.2.3 Übergangsmetall-Ionen und Chinone nehmen bereitwillig Elektronen auf bzw. geben sie bereitwillig ab 933  
           14.2.4 NADH überträgt seine Elektronen über drei große Enzymkomplexe, die in die innere Membran eingebettet sind, auf Sauerstoff 934  
           14.2.5 Der NADH-Dehydrogenase-Komplex enthält getrennte Module für Elektronentransport und Protonenpumpen 936  
           14.2.6 Die Cytochrom-c-Reduktase nimmt Protonen auf und gibt sie auf der anderen Seite der Cristamembran ab, wodurch sie Protonen pumpt 937  
           14.2.7 Der Cytochrom-c-Oxidase-Komplex pumpt Protonen und reduziert O2 mithilfe eines katalytischen Eisen–Kupfer-Zentrums 938  
           14.2.8 Die Atmungskette bildet einen Superkomplex in der Cristamembran 940  
           14.2.9 Protonen können schnell entlang vorgegebener Routen durch Proteine wandern 941  
           Zusammenfassung 942  
        14.3 ATP-Produktion in Mitochondrien 942  
           14.3.1 Ein hoher negativer Wert von ?G für die ATP-Hydrolyse fördert den Nutzen von ATP für die Zelle 943  
           14.3.2 Die ATP-Synthase ist eine Nanomaschine, die durch Rotationskatalyse ATP produziert 945  
           14.3.3 Protonenangetriebene Turbinen sind älteren Ursprungs 946  
           14.3.4 Die mitochondrialen Cristae helfen dabei, die ATP-Synthese effizient zu gestalten 947  
           14.3.5 Spezielle Transporterproteine tauschen ATP und ADP durch die innere Membran aus 948  
           14.3.6 Chemiosmotische Mechanismen entwickelten sich zuerst in Bakterien 949  
           Zusammenfassung 950  
        14.4 Chloroplasten und Photosynthese 950  
           14.4.1 Chloroplasten ähneln Mitochondrien, besitzen aber eine getrennte Thylakoidmembran 951  
           14.4.2 Chloroplasten fangen Energie aus dem Sonnenlicht ein und benutzen sie, um Kohlenstoff zu fixieren 952  
           14.4.3 Die Kohlenstofffixierung verwendet ATP und NADPH, um CO2 in Zucker umzuwandeln 953  
           14.4.4 Durch Kohlenstofffixierung hergestellte Zucker können in Form von Stärke gespeichert oder verbraucht werden, um daraus ATP zu produzieren 955  
           14.4.5 Die Thylakoidmembran der Chloroplasten enthält Proteinkomplexe, die zur Photosynthese und ATP- Produktion benötigt werden 956  
           14.4.6 Chlorophyll–Protein-Komplexe können entweder Anregungsenergie oder Elektronen übertragen 956  
           14.4.7 Ein Photosystem besteht aus einem Antennenkomplex und einem Reaktionszentrum 958  
           14.4.8 Die Thylakoidmembran enthält zwei verschiedene hintereinandergeschaltete Photosysteme 958  
           14.4.9 Das Photosystem II benutzt Mangan-Zentren (Cluster), um Wasser Elektronen zu entziehen 960  
           14.4.10 Der Cytochrom-b6-f-Komplex verbindet das Photosystem II mit dem Photosystem I 961  
           14.4.11 Das Photosystem I führt den zweiten Ladungstrennungschritt im Z-Schema durch 962  
           14.4.12 Die ATP-Synthase der Chloroplasten verwendet den in den Lichtreaktionen der Photosynthese erzeugte Protonengradient zur ATP-Produktion 963  
           14.4.13 Alle Photosynthese-Reaktionszentren stammen von einem gemeinsamen Vorfahren ab 963  
           14.4.14 Die protonenmotorische Kraft bei der ATP-Synthese ist in Mitochondrien und Chloroplasten praktisch die gleiche 964  
           14.4.15 Chemiosmotische Mechanismen haben sich in mehreren Stufen entwickelt 965  
           14.4.16 Photosynthese treibende Bakterien haben ein Haupt- Entwicklungshindernis überwunden, indem sie eine unerschöpfliche Quelle von Reduktionskraft zur Verfügung stellten 966  
           14.4.17 Die photosynthetische Elektronentransportkette der Cyanobakterien erzeugte den Sauerstoff der Atmosphäre und ermöglichte neue Lebensformen 967  
           Zusammenfassung 969  
        14.5 Die genetischen Systeme von Mitochondrien und Chloroplasten 970  
           14.5.1 Die genetischen Systeme von Mitochondrien und Chloroplasten ähneln denen der Prokaryoten 971  
           14.5.2 Im Laufe der Zeit haben Mitochondrien und Chloroplasten mittels Gentransfer die meisten ihrer Gene in den Kern exportiert 971  
           14.5.3 Die Spaltung und die Verschmelzung von Mitochondrien sind topologisch komplexe Vorgänge 972  
           14.5.4 Tierische Mitochondrien enthalten das einfachste bekannte genetische System 975  
           14.5.5 Mitochondrien haben eine gelockerte Codon-Nutzung und können einen abweichenden genetischen Code besitzen 976  
           14.5.6 Chloroplasten und Bakterien besitzen viele auffällige Ähnlichkeiten 977  
           14.5.7 Gene der Organellen werden bei Tieren und Pflanzen über die Mutter vererbt 979  
           14.5.8 Mutationen in der DNA der Mitochondrien können schwere Erbkrankheiten verursachen 979  
           14.5.9 Die Anhäufung von Mutationen in der Mitochondrien-DNA trägt zur Alterung bei 980  
           14.5.10 Warum leisten sich Mitochondrien und Chloroplasten ihr eigenes getrenntes System für DNA-Transkription und Translation? 981  
           Zusammenfassung 981  
           Was wir nicht wissen 982  
           Literatur 982  
     15. Zellsignalübertragung 985  
        15.1 Grundsätze der Zellsignalübertragung 985  
           15.1.1 Extrazelluläre Signale können über kurze, aber auch über lange Entfernungen wirken 987  
           15.1.2 Extrazelluläre Signalmoleküle binden an spezifische Rezeptoren 988  
           15.1.3 Jede Zelle ist auf die Beantwortung spezifischer Kombinationen extrazellulärer Signale programmiert 989  
           15.1.4 Es gibt drei Hauptklassen von Zelloberflächen- Rezeptorproteinen 990  
           15.1.5 Zelloberflächenrezeptoren übertragen Signale mittels intrazellulärer Signalproteine 992  
           15.1.6 Intrazelluläre Signale müssen in einem stark rauschenden Cytoplasma spezifisch und deutlich sein 994  
           15.1.7 Intrazelluläre Signalübertragungskomplexe bilden sich an aktivierten Rezeptoren 995  
           15.1.8 Wechselwirkungen zwischen intrazellulären Signalproteinen werden durch modulare Bindungsdomänen vermittelt 996  
           15.1.9 In verschiedenen Signalübertragungswegen unterscheidet sich die Beziehung zwischen Signal und Antwort 998  
           15.1.10 Die Geschwindigkeit der Antwort hängt vom Umsatz der Signalmoleküle ab 999  
           15.1.11 Zellen können schlagartig auf ein allmählich zunehmendes Signal antworten 1001  
           15.1.12 Positive Rückkopplung kann Alles-oder-Nichts-Antworten auslösen 1002  
           15.1.13 Negative Rückkopplung ist ein allgemeines Motiv von Signalübertragungssystemen 1004  
           15.1.14 Zellen können ihre Empfindlichkeit auf ein Signal anpassen 1005  
           Zusammenfassung 1006  
        15.2 Signalisierung über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren 1006  
           15.2.1 Trimere G-Proteine geben Signale von GPCRs weiter 1007  
           15.2.2 Einige G-Proteine regulieren die Bildung von cyclischem AMP 1009  
           15.2.3 Die cAMP-abhängige Protein-Kinase (PKA) vermittelt die meisten Wirkungen von cAMP 1010  
           15.2.4 Einige G-Proteine vermitteln ihre Antwort über Phospholipide 1012  
           15.2.6 Die Rückkopplung erzeugt Ca2+-Wellen und Oszillationen 1014  
           15.2.7 Ca2+/Calmodulin-abhängige Protein-Kinasen vermitteln viele Antworten auf Ca2+-Signale 1016  
           15.2.8 Einige G-Proteine steuern Ionenkanäle direkt 1019  
           15.2.9 Geruchssinn und Sehvermögen hängen von G-Protein- gekoppeltenRezeptoren ab, die Ionenkanäle steuern 1020  
           15.2.10 Stickstoffmonoxid ist ein gasförmiger Signalmediator, der zwischen den Zellen wandert 1023  
           15.2.11 Second Messenger und Enzymkaskaden verstärken Signale 1024  
           15.2.12 Die GPCR-Desensibilisierung hängt von der Rezeptorphosphorylierung ab 1025  
           Zusammenfassung 1026  
        15.3 Signalisierung über Enzym-gekoppelte Rezeptoren 1027  
           15.3.1 Aktivierte Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) phosphorylieren sich selbst 1027  
           15.3.2 Phosphorylierte Tyrosine auf RTKs dienen als Andockstellen für intrazelluläre Signalproteine 1029  
           15.3.3 Proteine mit SH2-Domänen binden an phosphorylierte Tyrosine 1030  
           15.3.4 Die GTPase Ras vermittelt das Signalisieren durch die meisten RTKs 1031  
           15.3.5 Ras aktiviert ein MAP-Kinase-Signalmodul 1033  
           15.3.6 Gerüstproteine helfen, die Kreuzkommunikation zwischen parallelen MAP-Kinase-Modulen zu verhindern 1035  
           15.3.7 GTPasen der Rho-Familie koppeln Zelloberflächenrezeptoren funktionell an das Cytoskelett 1036  
           15.3.8 Die PI 3-Kinase erzeugt Lipid-Andockstellen in der Plasmamembran 1036  
           15.3.9 Der PI 3-Kinase–Akt- Signalweg regt tierische Zellen zum Überleben und Wachsen an 1038  
           15.3.10 Die durch RTKs und GPCRs aktivierten Signalwege überlappen sich 1040  
           15.3.11 Einige Enzym-gekoppelte Rezeptoren assoziieren mit cytoplasmatischen Tyrosinkinasen 1040  
           15.3.12 Cytokin-Rezeptoren aktivieren den JAK–STAT-Signalweg 1042  
           15.3.13 Protein-Tyrosinphosphatasen kehren Tyrosinphosphorylierungen um 1043  
           15.3.14 Signalproteine der TGF-?-Superfamilie wirken über Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen und über Smads 1044  
           Zusammenfassung 1046  
        15.4 Alternative Signalwege bei der Genregulation 1047  
           15.4.1 Der Rez eptor Notch ist einl atentes Transkriptionsregulatorprotein 1047  
           15.4.2 Wnt-Proteine binden an Frizzled-Rezeptoren und hemmen den Abbau von ?-Catenin 1049  
           15.4.3 Hedgehog-Proteine binden an Patched und heben dessen Hemmung von Smoothened auf 1051  
           15.4.4 Viele Stressreize und entzündungsfördernde Reize wirken über einen NF-?B-abhängigen Signalweg 1053  
           15.4.5 Kernrezeptoren sind Liganden-modulierte Transkriptionsregulatoren 1056  
           15.4.6 Die circadiane Uhr enthält negative Rückkopplungsschleifen, die die Genexpression kontrollieren 1058  
           15.4.7 Eine circadiane Uhr aus einem Cyanobakterium kann durch drei Proteine in vitro wiederhergestellt werden 1059  
           Zusammenfassung 1060  
        15.5 Signalisierungsvorgänge in Pflanzen 1061  
           15.5.1 Vielzelligkeit und Zellkommunikation entwickelten sich unabhängig in Pflanzen und Tieren 1061  
           15.5.2 Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen sind die größte Klasse von Zelloberflächenrezeptoren in Pflanzen 1062  
           15.5.3 Ethylen blockiert den Abbau spezifischer Transkriptionsregulatorproteine im Zellkern 1063  
           15.5.4 Die regulierte Positionierung der Auxin-Transporter gestaltet das Pflanzenwachstum 1064  
           15.5.5 Phytochrome nehmen rotes Licht wahr und Cryptochrome blaues Licht 1065  
           Zusammenfassung 1067  
           Was wir nicht wissen 1068  
           Literatur 1068  
     16. Das Cytoskelett 1071  
        16.1 Funktion und Ursprung des Cytoskeletts 1071  
           16.1.1 Cytoskelettfilamente passen sich an, um dynamische oder stabile Strukturen zu bilden 1072  
           16.1.2 Das Cytoskelett bestimmt die zelluläre Organisation und Polarität 1075  
           16.1.3 Filamente bauen sich aus Proteinuntereinheiten auf, die spezifische physikalische und dynamische Eigenschaften mitbringen 1075  
           16.1.4 Hilfsproteine und Motoren regulieren Cytoskelettfilamente 1078  
           16.1.5 Die Organisation der Bakterienzelle und deren Zellteilung hängen von Homologen des eukaryotischen Cytoskeletts ab 1079  
           Zusammenfassung 1080  
        16.2 Aktin und aktinbindende Proteine 1081  
           16.2.1 Aktinuntereinheiten fügen sich Kopf-an-Schwanz zusammen und bilden so flexible, polare Filamente 1081  
           16.2.2 Keimbildung ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt bei der Bildung eines Aktinfilaments 1083  
           16.2.3 Aktinfilamente haben zwei unterschiedliche Enden, die unterschiedlich schnell wachsen 1086  
           16.2.4 ATP-Hydrolyse innerhalb von Aktinfilamenten führt zu Tretmühlen-Verhalten im Gleichgewichtszustand 1086  
           16.2.5 Die Funktion der Aktinfilamente kann durch polymerstabilisierende und polymerdestabilisierende Chemikalien gehemmt werden 1088  
           16.2.6 Aktinbindende Proteine beeinflussen die Dynamik und Organisation der Filamente 1088  
           16.2.7 Die Monomerverfügbarkeit kontrolliert die Zusammenlagerung der Aktinfilamente 1090  
           16.2.8 Aktinkeimbildende Faktoren beschleunigen die Polymerisation und erzeugen verzweigte und gerade Filamente 1091  
           16.2.9 Aktinfilamentbindende Proteine ändern die Dynamik der Filamente 1093  
           16.2.10 Spaltende Proteine regulieren die Depolymerisation der Aktinfilamente 1094  
           16.2.11 Höher geordnete Aktinfilamentanordnungen beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Zelle und die Signalübertragung 1095  
           16.2.12 Bakterien können das Wirts-Aktin-Cytoskelett für sich vereinnahmen 1098  
           Zusammenfassung 1099  
        16.3 Myosin und Aktin 1100  
           16.3.1 Auf Aktin beruhende Motorproteine gehören zur Superfamilie der Myosine 1100  
           16.3.2 Myosin erzeugt Kraft durch Kopplung der ATP-Hydrolyse an Konformationsänderungen 1100  
           16.3.3 Die Muskelkontraktion beruht auf dem Gleiten von Myosin II an den Aktinfilamenten entlang 1101  
           16.3.4 Muskelkontraktionen werden durch einen plötzlichen Anstieg der Ca2+-Konzentration im Cytosol ausgelöst 1105  
           16.3.5 Der Herzmuskel ist eine Präzisionsmaschine 1107  
           16.3.6 Aktin und Myosin üben eine Reihe von Funktionen in Nicht- Muskelzellen aus 1108  
           Zusammenfassung 1110  
        16.4 Mikrotubuli 1111  
           16.4.1 Mikrotubuli sind hohle Röhren, die aus Protofilamenten aufgebaut sind 1112  
           16.4.2 Mikrotubuli unterliegen einer dynamischen Instabilität 1112  
           16.4.3 Die Funktionen der Mikrotubuli werden durch polymerstabilisierende und polymerdestabilisierende Stoffe gehemmt 1115  
           16.4.4 Die Keimbildung der Mikrotubuli wird durch einen ?-Tubulin enthaltenden Proteinkomplex bewirkt 1115  
           16.4.5 In Tierzellen entspringen Mikrotubuli dem Centrosom 1116  
           16.4.6 Mikrotubuli bindende Proteine modulieren die Filamentdynamik und -organisation 1118  
           16.4.7 An die plus-Enden von Mikrotubuli bindende Proteine modulieren die Dynamik der Mikrotubuli und der Mikrotubulianlagerungen 1119  
           16.4.8 Mikrotubuli werden durch Tubulin separierende und Mikrotubuli spaltende Proteine destabilisiert 1122  
           16.4.9 Zwei Arten von Motorproteinen bewegen sich an den Mikrotubuli entlang 1123  
           16.4.10 Mikrotubuli und Motoren bewegen Organellen und Vesikel 1125  
           16.4.11 Der Aufbau komplexer Mikrotubulianordnungen erfordert die Mikrotubulusdynamik und Motorproteine 1128  
           16.4.12 Cilien und Flagellen sind aus Mikrotubuli und Dyneinen aufgebaute bewegliche Strukturen 1128  
           16.4.13 Primärcilien üben in tierischen Zellen wichtige Signalfunktionen aus 1130  
           Zusammenfassung 1131  
        16.5 Intermediärfilamente und Septine 1132  
           16.5.1 Die Struktur der Intermediärfilamente hängt vom seitlichen Bündeln und Verdrehen der Doppelwendel ab 1132  
           16.5.2 Intermediärfilamente verleihen tierischen Zellen mechanische Stabilität 1134  
           16.5.3 Verbindende Proteine (Linkerproteine) verknüpfen Cytoskelettfilamente und überbrücken die Kernhülle 1136  
           16.5.4 Septine bilden Filamente, die die Zellpolarität regulieren 1137  
           Zusammenfassung 1139  
        16.6 Zellpolarisierung und Zellwanderung 1139  
           16.6.1 Viele Zellen können über eine feste Unterlage kriechen 1139  
           16.6.2 Die Aktinpolymerisation treibt das Ausstülpen der Plasmamembran an 1140  
           16.6.3 Lamellipodien enthalten die gesamte für die Zellbewegung nötige Maschinerie 1141  
           16.6.4 Myosinkontraktion und Zelladhäsion ermöglichen es Zellen, sich selbst vorwärtszuziehen 1143  
           16.6.5 Mitglieder der Rho-Protein-Familie kontrollieren die Zellpolarisierung 1145  
           16.6.6 Extrazelluläre Signale können die drei Mitglieder der Rho-Proteinfamilie aktivieren 1147  
           16.6.7 Äußere Signale können die Richtung der Zellwanderung bestimmen 1148  
           16.6.8 Die Kommunikation zwischen den Cytoskelettelementen koordiniert die Polarisierung und Fortbewegung der ganzen Zelle 1149  
           Zusammenfassung 1150  
           Was wir nicht wissen 1150  
           Literatur 1150  
     17. Zellzyklus 1153  
        17.1 Überblick über den Zellzyklus 1154  
           17.1.1 Der eukaryotische Zellzyklus besteht gewöhnlich aus vier Phasen 1154  
           17.1.2 Die Zellzykluskontrolle arbeitet in allen Eukaryoten ähnlich 1156  
           17.1.3 Das Voranschreiten des Zellzyklus kann man auf verschiedene Weise untersuchen 1156  
           Zusammenfassung 1157  
        17.2 Das Zellzyklus-Kontrollsystem 1157  
           17.2.1 Das Zellzyklus-Kontrollsystem löst die wichtigsten Vorgänge des Zellzyklus aus 1158  
           17.2.2 Das Zellzyklus-Kontrollsystem hängt von zyklisch aktivierten, Cyclin-abhängigen Proteinkinasen (Cdks) ab 1159  
           17.2.3 Cdk-Aktivität kann sowohl durch hemmende Phosphorylierung als auch durch Cdk-Inhibitorproteine(CKIs) unterdrückt werden 1161  
           17.2.4 Regulierte Proteolyse löst den Übergang von der Metaphase zur Anaphase aus 1161  
           17.2.5 Die Zellzykluskontrolle hängt auch von der Regulation der Transkription ab 1163  
           17.2.6 Das Zellzyklus-Kontrollsystem arbeitet als Netzwerk biochemischer Schalter 1164  
           Zusammenfassung 1165  
        17.3 S-Phase 1165  
           17.3.1 S-Cdk leitet die DNA-Replikation einmal je Zyklus ein 1166  
           17.3.2 Die Chromosomenverdopplung erfordert die Duplikation der Chromatinstruktur 1168  
           17.3.3 Cohesine helfen, Schwesterchromatiden zusammenzuhalten 1168  
           Zusammenfassung 1169  
        17.4 Mitose 1172  
           17.4.1 M-Cdk treibt den Eintritt in die Mitose an 1172  
           17.4.2 Dephosphorylierung aktiviert M-Cdk beim Einsetzen der Mitose 1173  
           17.4.3 Condensin hilft, die verdoppelten Chromosomen für die Trennung zu gruppieren 1174  
           17.4.4 Die Mitosespindel ist eine mikrotubulibasierte Maschine 1175  
           17.4.5 Mikrotubuliabhängige Motorproteine lenken den Spindelaufbau und die Spindelfunktion 1176  
           17.4.6 Beim Aufbau der bipolaren Mitosespindel arbeiten mehrere Mechanismen zusammen 1177  
           17.4.7 Die Centrosomenverdopplung spielt sich früh im Zellzyklus ab 1177  
           17.4.8 Die M-Cdk leitet in der Prophase den Spindelaufbau ein 1178  
           17.4.9 Der Abschluss des Spindelaufbaus erfordert in tierischen Zellen den Zerfall der Kernhülle 1179  
           17.4.10 Die Instabilität der Mikrotubuli nimmt in der Mitose zu 1179  
           17.4.11 Mitosechromosomen fördern den bipolaren Spindelaufbau 1180  
           17.4.12 Kinetochore heften die Schwesterchromatiden an die Spindel 1181  
           17.4.13 Die doppelte Ausrichtung wird durch Versuch und Irrtum erreicht 1182  
           17.4.14 Mehrere Kräfte wirken auf die Chromosomen an der Spindel 1184  
           17.4.15 Der APC/C löst die Trennung der Schwesterchromatiden und den Abschluss der Mitose aus 1186  
           17.4.16 Die Trennung der Schwesterchromatiden wird durch freie Chromosomen verhindert: Der Spindelaufbau-Kontrollpunkt 1188  
           17.4.17 Die Chromosomen trennen sich in Anaphase A und Anaphase B 1189  
           17.4.18 Die getrennten Chromosomen werden in der Telophase in Tochterzellkerne verpackt 1190  
           Zusammenfassung 1190  
        17.5 Cytokinese 1191  
           17.5.1 Aktin und Myosin II des kontraktilen Rings erzeugen die Kräfte für die Cytokinese 1192  
           17.5.2 Die lokale Aktivierung von RhoA löst den Aufbau und die Kontraktion des kontraktilen Rings aus 1193  
           17.5.3 Die Mikrotubuli der Mitosespindel bestimmen in Tierzellen die Teilungsebene 1194  
           17.5.4 Der Phragmoplast leitet die Cytokinese in Höheren Pflanzen 1196  
           17.5.5 Membranumschlossene Organellen müssen während der Cytokinese auf die Tochterzellen verteilt werden 1196  
           17.5.6 Einige Zellen verlagern ihre Spindel zur asymmetrischen Teilung 1197  
           17.5.7 Die Mitose kann ohne Cytokinese vorkommen 1198  
           17.5.8 Die G1-Phase ist ein stabiler Zustand der Cdk-Inaktivität 1199  
           Zusammenfassung 1200  
        17.6 Meiose 1201  
           17.6.1 Die Meiose umfasst zwei Runden der Chromosomentrennung 1201  
           17.6.2 Duplizierte Homologe paaren sich während der Prophase der Meiose 1203  
           17.6.3 Die Homologenpaarung gipfelt in der Bildung des synaptonemalen Komplexes 1203  
           17.6.4 Die Trennung der Homologen hängt von einigen einzigartigen Eigenschaften der Meiose I ab 1205  
           17.6.5 Crossing-over ist in hohem Maße reguliert 1206  
           17.6.6 Die Meiose läuft häufig schief 1207  
           Zusammenfassung 1208  
        17.7 Kontrolle von Zellteilung und Zellwachstum 1208  
           17.7.1 Mitogene regen die Zellteilung an 1209  
           17.7.2 Zellen können in einen spezialisierten Zustand ohne Teilung eintreten 1210  
           17.7.3 Mitogene stimulieren die Aktivitäten von G1-Cdk und G1/S-Cdk 1210  
           17.7.4 Ein DNA-Schaden blockiert die Zellteilung: Die DNA Schadensreaktion 1212  
           17.7.5 Viele Humanzellen haben eine eingebaute Beschränkung für die Anzahl von Zellteilungen, die sie durchlaufen können 1214  
           17.7.6 Anormale Proliferationssignale verursachen – außer in Krebszellen – den Stillstand des Zellzyklus oder die Apoptose 1215  
           17.7.7 Zellproliferation ist von Zellwachstum begleitet 1216  
           17.7.8 Proliferierende Zellen koordinieren in der Regel ihr Wachstum und ihre Teilung 1217  
           Zusammenfassung 1218  
           Was wir nicht wissen 1218  
           Literatur 1218  
     18. Der Zelltod 1221  
        18.1 Die Apoptose beseitigt unerwünschte Zellen 1222  
        18.2 Die Apoptose hängt von einer intrazellulären proteolytischen Kaskade ab, die durch Caspasen vermittelt wird 1223  
        18.3 Todesrezeptoren auf der Zelloberfläche aktivieren den extrinsischen Apoptoseweg 1225  
        18.4 Der intrinsische Weg der Apoptose hängt von Mitochondrien ab 1225  
        18.5 Bcl2-Proteine regulieren den intrinsischen Weg der Apoptose 1227  
        18.6 IAPs helfen bei der Kontrolle der Caspasen 1230  
        18.7 Extrazelluläre Überlebensfaktoren hemmen die Apoptose auf verschiedene Weisen 1231  
        18.8 Phagocyten entfernen die apoptotische Zelle 1232  
        18.9 Sowohl eine überschießende als auch eine unzureichende Apoptose kann zu Krankheiten führen 1233  
        Zusammenfassung 1234  
        Was wir nicht wissen 1235  
        Literatur 1235  
  TEIL V. ZELLEN IN IHREM SOZIALEN UMFELD 1237  
     19. Zellverbindungen und die extrazelluläre Matrix 1237  
        19.1 Zell–Zell-Verbindungen 1240  
           19.1.1 Cadherine bilden eine vielfältige Familie von Adhäsionsmolekülen 1240  
           19.1.2 Cadherine vermitteln homophile Adhäsion 1241  
           19.1.3 Cadherin-abhängige Zell–Zell-Adhäsionen steuern die Organisation sich entwickelnder Gewebe 1242  
           19.1.4 Epithel–Mesenchym-Übergänge hängen von der Kontrolle der Cadherine ab 1244  
           19.1.5 Klassische Cadherine sind über Catenine mit dem Aktin cytoskelett verknüpft 1245  
           19.1.6 Adhärente Verbindungen antworten auf vom Aktin-cytoskelett verursachte Kräfte 1246  
           19.1.7 Gewebeumordnungen hängen von der Koordination der aktinvermittelten Kontraktion mit der Zell–Zell-Adhäsion ab 1247  
           19.1.8 Desmosomen verleihen Epithelien mechanische Festigkeit 1249  
           19.1.9 Tight Junctions bilden eine Abdichtung zwischen Zellen und einen Zaun zwischen Membrandomänen 1250  
           19.1.10 Tight Junctions enthalten Stränge von Transmembran-Adhäsionsproteinen 1251  
           19.1.11 Gerüstproteine organisieren Verbindungsproteinkomplexe 1253  
           19.1.12 Gap Junctions koppeln Zellen sowohl elektrisch als auch metabolisch 1255  
           19.1.13 Das Connexon in Gap Junctions besteht aus sechs transmembranen Connexin-Untereinheiten 1256  
           19.1.14 Plasmodesmata übernehmen in Pflanzen viele der Funktionen von Gap Junctions 1257  
           19.1.15 Selektine vermitteln vorübergehende Zell–Zell-Adhäsionen im Blutstrom 1259  
           19.1.16 Die Ca2+-unabhängige Zell–Zell-Adhäsion wird von Proteinen der Immunglobulin-Superfamilie vermittelt 1260  
           Zusammenfassung 1261  
        19.2 Die extrazelluläre Matrix bei Tieren 1261  
           19.2.1 Die extrazelluläre Matrix wird von den in ihr liegenden Zellen synthetisiert und ausgerichtet 1262  
           19.2.2 Glykosaminoglykanketten sind raumerfüllend und bilden hydratisierte Gele 1263  
           19.2.3 Hyaluronan wirkt als Füllmasse bei der Morphogenese und Reparatur von Geweben 1264  
           19.2.4 Proteoglykane bestehen aus GAG-Ketten, die kovalent an einen Proteinkern gebunden sind 1264  
           19.2.5 Kollagene sind die Hauptproteine der extrazellulären Matrix 1266  
           19.2.6 Sezernierte, Fibrillen-assoziierte Kollagene helfen bei der Organisation der Fibrillen 1268  
           19.2.7 Zellen können zur Organisation der von ihnen sezernierten Kollagenfibrillen beitragen, indem sie Zug auf die Matrix ausüben 1270  
           19.2.8 Elastin verleiht den Geweben ihre Elastizität 1271  
           19.2.9 Fibronektin und andere viele Domänen enthaltende Glykoproteine helfen bei der Organisation der Matrix 1272  
           19.2.10 Fibronektin bindet an Integrine 1273  
           19.2.11 Die von Zellen ausgeübte Zugkraft reguliert den Aufbau von Fibronektinfibrillen 1274  
           19.2.12 Die Basallamina ist eine spezielle Form der extrazellulären Matrix 1275  
           19.2.13 Laminin und Typ-IV-Kollagen sind Hauptbestandteile der Basallamina 1276  
           19.2.14 Basallaminae üben unterschiedliche Funktionen aus 1278  
           19.2.15 Zellen müssen Matrix sowohl abbauen als auch bilden können 1279  
           19.2.16 Matrixproteoglykane und -glykoproteine kontrollieren die Aktivitäten sezernierter Proteine 1280  
           Zusammenfassung 1281  
        19.3 Zell–Matrix-Verbindungen 1282  
           19.3.1 Integrine sind transmembrane Heterodimere, die die extrazelluläre Matrix mit dem Cytoskelett verbinden 1283  
           19.3.2 Integrindefekte sind für viele verschiedene Erbkrankheiten verantwortlich 1284  
           19.3.3 Integrine können zwischen einer aktiven und einer inaktiven Konformation umschalten 1285  
           19.3.4 Integrine lagern sich zusammen, um feste Adhäsionen zu bilden 1287  
           19.3.5 Verbindungen mit der extrazellulären Matrix wirken über Integrine, um die Zellproliferation und das Zellüberleben zu kontrollieren 1288  
           19.3.6 Integrine rekrutieren intrazelluläre Signalproteine an Zell–Substrat-Adhäsionsstellen 1288  
           19.3.7 Zell–Matrix-Verbindungen reagieren auf mechanische Kräfte 1289  
           Zusammenfassung 1290  
        19.4 Die Pflanzenzellwand 1291  
           19.4.1 Die Zusammensetzung der Zellwand hängt vom Zelltyp ab 1292  
           19.4.2 Die Zugfestigkeit der Zellwand erlaubt es Pflanzenzellen, einen Turgordruck aufzubauen 1293  
           19.4.3 Die Primärwand besteht aus Zellulose-Mikrofibrillen, die mit einem Geflecht aus pektischen Polysacchariden verwoben sind 1293  
           19.4.4 Gerichtete Zellwandablagerung kontrolliert das Pflanzenzellwachstum 1295  
           19.4.5 Mikrotubuli bestimmen die Ausrichtung beim Aufbau der Zellwand 1296  
           Zusammenfassung 1297  
           Was wir nicht wissen 1297  
           Literatur 1298  
     20. Krebs 1301  
        20.1 Krebs als Mikro-Evolutionsprozess 1301  
           20.1.1 Krebszellen umgehen die normale Proliferationskontrolle und besiedeln andere Gewebe 1302  
           20.1.2 Die meisten Tumoren stammen von einer einzigen anormalen Zelle ab 1304  
           20.1.3 Krebszellen enthalten somatische Mutationen 1304  
           20.1.4 Eine einzige Mutation reicht nicht aus, um eine normale Zelle in eine Krebszelle umzuwandeln 1305  
           20.1.5 Krebs entwickelt sich nach und nach aus immer stärker gestörten Zellen 1305  
           20.1.6 An der Tumorprogression sind mehrere Zyklen von zufällig vererbten Veränderungen und natürlicher Auslese beteiligt 1306  
           20.1.7 Menschliche Krebszellen sind genetisch instabil 1308  
           20.1.8 Krebszellen besitzen eine veränderte Wachstumskontrolle 1309  
           20.1.9 Krebszellen besitzen einen veränderten Zuckermetabolismus 1309  
           20.1.10 Krebszellen besitzen die anormale Fähigkeit, Stress und DNA-Schädigungen zu überleben 1310  
           20.1.11 Humane Krebszellen umgehen die in Zellen eingebaute Vermehrungsgrenze 1312  
           20.1.12 Die Mikroumgebung des Tumors beeinflusst die Entwicklung des Krebses 1312  
           20.1.13 Krebszellen müssen in einer fremden Umgebung überleben und sich vermehren 1313  
           20.1.14 Viele Eigenschaften tragen typischerweise zum krebsartigen Wachstum bei 1314  
           Zusammenfassung 1315  
        20.2 Krebskritische Gene: Wie man sie findet und was sie tun 1315  
           20.2.1 Für die Identifizierung von Funktionsgewinn- und Funktionsverlust-Krebsmutationen wurden traditionell unterschiedliche Methoden verwendet 1316  
           20.2.2 Retroviren können als Vektoren für Onkogene fungieren, die das Verhalten einer Zelle verändern 1317  
           20.2.3 Verschiedene Suchaktionen nach Onkogenen liefen im selben Gen zusammen: Ras 1318  
           20.2.4 Gene, die bei Krebs mutiert sind, können auf vielen Wegen überaktiviert werden 1319  
           20.2.5 Die Untersuchung seltener erblicher Krebssyndrome führte erstmals zur Identifizierung von Tumorsuppressorgenen 1320  
           20.2.6 Sowohl genetische als auch epigenetische Mechanismen können Tumorsuppressorgene inaktivieren 1321  
           20.2.7 Die systematische Sequenzierung von Krebszellgenomen hat unser Verständnis von Krebs verändert 1322  
           20.2.8 Viele Krebsarten besitzen ein außergewöhnlich zerstückeltes Genom 1324  
           20.2.9 Viele Mutationen in Tumorzellen sind nur Passagiere 1325  
           20.2.10 Etwa ein Prozent der Gene des menschlichen Genoms sind krebskritische Gene 1326  
           20.2.11 Störungen in einigen entscheidenden Stoffwechselwegen sind vielen Krebsarten gemein 1326  
           20.2.12 Mutationen innerhalb des PI3K/Akt/mTOR-Signalwegs steuern Krebszellen in Richtung Wachstum 1327  
           20.2.13 Mutationen im p53-Weg ermöglichen es Krebszellen, trotz Stress und DNA-Schädigung zu überleben und sich zu vermehren 1329  
           20.2.14 Die Genominstabilität kann in verschiedenen Tumorarten unterschiedlich sein 1330  
           20.2.15 Tumoren von spezialisierten Geweben nutzen viele verschiedene Wege, um die Hauptsignalwege von Krebs anzugreifen 1331  
           20.2.16 Studien mit Mäusen helfen, die Funktionen krebskritischer Gene zu bestimmen 1331  
           20.2.17 Krebs wird immer heterogener, während er fortschreitet 1333  
           20.2.18 Die Veränderungen in Tumorzellen, die zur Metastasenbildung führen, geben immer noch Rätsel auf 1334  
           20.2.19 Eine kleine Population von Krebs-Stammzellen kann zur Erhaltung vieler Tumoren beitragen 1335  
           20.2.20 Die Krebsstammzellen erschweren die Behandlung von Krebs 1336  
           20.2.21 Dickdarmkrebs entsteht langsam, in einer Abfolge erkennbarer Strukturveränderungen 1338  
           20.2.22 Einige wenige, aber wichtige genetische Schäden häufen sich in der Mehrzahl der Dickdarmkrebsfälle 1339  
           20.2.23 Störungen in der Reparatur von DNA-Fehlpaarungen führen auch zum Dickdarmkrebs 1340  
           20.2.24 Die Schritte der Tumorprogression können mit spezifischen Mutationen korreliert werden 1341  
           Zusammenfassung 1342  
        20.3 Behandlung von Krebs und Krebsvorsorge: heute und in Zukunft 1343  
           20.3.1 Die Epidemiologie zeigt, dass viele Arten von Krebs vermeidbar sind 1343  
           20.3.2 Empfindliche Untersuchungsmethoden können krebserregende Agenzien, die die DNA schädigen, ausfindig machen 1344  
           20.3.3 Die Hälfte der Krebsfälle können durch einen veränderten Lebensstil verhindert werden 1345  
           20.3.4 Viren und andere Infektionen tragen signifikant zu Krebserkrankungen beim Menschen bei 1346  
           20.3.5 Impfung gegen das humane Papillomavirus kann Gebärmutterhalskrebs vorbeugen 1348  
           20.3.6 Infektionserreger können auf unterschiedliche Art und Weise Krebs verursachen 1348  
           20.3.7 Die Suche nach Heilungsmethoden für Krebs ist schwierig, aber nicht aussichtslos 1349  
           20.3.8 Traditionelle Therapien nutzen den Verlust von Zellzyklus-Kontrollpunkt-Reaktionen und die genetische Instabilität der Krebszellen 1349  
           20.3.9 Neue Medikamente können Krebszellen selektiv abtöten, indem sie an spezifischen Mutationen ansetzen 1350  
           20.3.10 PARP-Inhibitoren töten Krebszellen, die Defekte in Brca1-oder Brca2-Genen besitzen 1350  
           20.3.11 Man kann Arzneistoffmoleküle entwerfen, die spezifische onkogene Proteine hemmen 1352  
           20.3.12 Viele Krebsarten könnten durch Steigerung der Immunabwehr gegen den spezifischen Tumor behandelbar sein 1354  
           20.3.13 Tumoren entwickeln Resistenz gegenüber Therapien 1357  
           20.3.14 Kombinationstherapien können erfolgreich sein, wo Behandlungen mit nur einem Wirkstoff versagen 1358  
           20.3.15 Wir haben inzwischen die Möglichkeit, Kombinationstherapien zu entwickeln, die für den jeweiligen Patienten maßgeschneidert sind 1358  
           Zusammenfassung 1360  
           Was wir nicht wissen 1360  
           Literatur 1360  
     21. Die Entwicklung vielzelliger Organismen 1363  
        21.1 Überblick über die Entwicklung 1365  
           21.1.1 Konservierte Mechanismen etablieren den Grundbauplan eines Tierkörpers 1365  
           21.1.2 Das Entwicklungspotenzial von Zellen wird mehr und mehr eingeschränkt 1366  
           21.1.3 Das Zellgedächtnis liegt den Entscheidungen, die eine Zelle trifft, zugrunde 1367  
           21.1.4 Verschiedene Modellorganismen waren entscheidend für das Verständnis von Entwicklungsprozessen 1367  
           21.1.5 Gene, die an der Zell–Zell-Kommunikation und an der Transkriptionskontrolle beteiligt sind, sind besonders wichtig für die Entwicklung eines Tieres 1367  
           21.1.6 Regulatorische DNA scheint weitgehend für die Unterschiede zwischen den verschiedenen Tierarten verantwortlich zu sein 1368  
           21.1.7 Wenige konservierte Zell–Zell-Signalwege koordinieren die räumliche Strukturierung 1369  
           21.1.8 Durch kombinatorische Kontrolle und Zellgedächtnis können einfache Signale komplexe Muster bilden 1369  
           21.1.9 Morphogene sind induktive Signale mit großer Reichweite, die graduelle Effekte hervorrufen 1370  
           21.1.10 Durch laterale Hemmung können Muster unterschiedlicher Zelltypen entstehen 1370  
           21.1.11 Mithilfe von Aktivierung über kurze Entfernungen und Hemmung über weite Entfernungen können komplexe zelluläre Muster gebildet werden 1372  
           21.1.12 Asymmetrische Zellteilung kann auch zu Diversität führen 1373  
           21.1.13 Anfangsmuster werden in kleinen Zellgruppen angelegt und durch aufeinanderfolgende Induktionsereignisse im Verlauf des Embryowachstums verfeinert 1373  
           21.1.14 Die Entwicklungsbiologie liefert Erkenntnisse über Krankheiten und Gewebeerhalt 1374  
           Zusammenfassung 1374  
        21.2 Mechanismen der Musterbildung 1375  
           21.2.1 Verschiedene Tiere nutzen unterschiedliche Mechanismen, um ihre primären Polarisationsachsen einzurichten 1375  
           21.2.2 Untersuchungen an Drosophila haben die genetischen Kontrollmechanismen, die der Entwicklung zugrunde liegen, enthüllt 1377  
           21.2.3 Ei-Polaritätsgene codieren für Makromoleküle, die im Ei abgelagert werden, um die Achsen des frühen Drosophila-Embryos einzurichten 1378  
           21.2.4 Drei Gruppen von Genen kontrollieren die Segmentierung von Drosophila entlang der A-P-Achse 1379  
           21.2.5 Eine Hierarchie von genregulatorischen Wechselwirkungen untergliedert den Drosophila-Embryo 1380  
           21.2.6 Ei-Polaritäts-, Lücken- und Paarregel-Gene schaffen ein transientes Muster, an das sich Segmentpolaritätsgene und Hox-Gene erinnern 1382  
           21.2.7 Hox-Gene legen das Muster der A-P-Achse dauerhaft fest 1383  
           21.2.8 Hox-Proteine verleihen jedem Segment seine Individualität 1384  
           21.2.9 Die Hox-Gene werden gemäß ihrer Anordnung im Hox-Komplex exprimiert 1384  
           21.2.10 Trithorax- und Polycomb-Proteine ermöglichen den Hox-Komplexen eine dauerhafte Aufzeichnung von Positionsinformation 1385  
           21.2.11 Die D-V-Signalgene bilden einen Gradienten des Transkriptionsregulators Dorsal 1386  
           21.2.12 Eine Hierarchie induktiver Wechselwirkungen untergliedert den Wirbeltierembryo 1387  
           21.2.13 Ein Wettstreit zwischen sezernierten Signalproteinen strukturiert den Wirbeltierembryo 1390  
           21.2.14 Die dorsoventrale Achse der Insekten entspricht der ventral-dorsalen Achse der Wirbeltiere 1391  
           21.2.15 Hox-Gene kontrollieren bei Wirbeltieren die A-P-Achse 1391  
           21.2.16 Einige Transkriptionsregulatoren können ein Programm aktivieren, das einen Zelltyp definiert oder ein komplettes Organ bildet 1393  
           21.2.17 Notch-vermittelte laterale Hemmung verfeinert zelluläre Muster 1394  
           21.2.18 Durch asymmetrische Zellteilungen entstehen unterschiedliche Geschwisterzellen 1395  
           21.2.19 Unterschiede in regulatorischer DNA erklären morphologische Unterschiede 1397  
           Zusammenfassung 1398  
        21.3 Zeitliche Steuerung der Entwicklung 1400  
           21.3.1 Die Lebenszeit von Molekülen spielt eine wichtige Rolle bei der zeitlichen Steuerung der Entwicklung 1400  
           21.3.2 Ein Genexpressionsoszillator fungiert als Uhr bei der Kontrolle der Segmentierung bei Wirbeltieren 1401  
           21.3.3 Intrazelluläre Entwicklungsprogramme können dazu beitragen, den zeitlichen Verlauf der Zellentwicklung festzulegen 1403  
           21.3.4 Zellen zählen selten die Zellteilungen, um ihre Entwicklung zeitlich zu steuern 1404  
           21.3.5 MicroRNAs regulieren oft Entwicklungsübergänge 1404  
           21.3.6 Hormonelle Signale koordinieren den zeitlichen Ablauf von Entwicklungsübergängen 1407  
           21.3.7 Signale aus der Umwelt bestimmen den Zeitpunkt der Blütenbildung 1408  
           Zusammenfassung 1409  
        21.4 Morphogenese 1410  
           21.4.1 Die Zellwanderung wird von Signalen aus der Umgebung der Zelle gesteuert 1410  
           21.4.2 Die Verteilung wandernder Zellen hängt von Überlebensfaktoren ab 1412  
           21.4.3 Sich verändernde Muster von Zelladhäsionsmolekülen zwingen Zellen in neue Anordnungen 1413  
           21.4.4 Abstoßende Wechselwirkungen helfen, Gewebegrenzen aufrechtzuerhalten 1414  
           21.4.5 Gruppen von ähnlichen Zellen können dramatische kollektive Umgestaltungen vollführen 1414  
           21.4.6 Planare Zellpolarität hilft bei der Orientierung der Zellstruktur und Zellbewegung in sich entwickelnden Epithelien 1415  
           21.4.7 Durch Wechselwirkungen zwischen Epithel und Mesenchymentstehen sich verzw eigende, tubuläre Strukturen 1416  
           21.4.8 Ein Epithel kann sich während der Entwicklung biegen und eine Röhre oder ein Vesikel bilden 1418  
           Zusammenfassung 1419  
        21.5 Wachstum 1419  
           21.5.1 Proliferation, Tod und Größe der Zellen bestimmen die Größe des Organismus 1420  
           21.5.2 Tiere und Organe können die Gesamtzellmasse erfassen und regulieren 1422  
           21.5.3 Extrazelluläre Signale stimulieren oder hemmen das Wachstum 1423  
           Zusammenfassung 1424  
        21.6 Neuronale Entwicklung 1425  
           21.6.1 Neuronen werden gemäß der Zeit und dem Ort ihrer Entstehung verschiedene Eigenschaften zugewiesen 1426  
           21.6.2 Der Wachstumskegel steuert die Axone auf spezifischen Routen zu ihren Zielen 1429  
           21.6.3 Eine Vielzahl extrazellulärer Signale leitet die Axone zu ihren Zielen 1430  
           21.6.4 Die Bildung geordneter neuronaler Karten hängt von der neuronalen Spezifität ab 1432  
           21.6.5 Dendriten- und Axonäste desselben Neurons weichen sich gegenseitig aus 1434  
           21.6.6 Zielgewebe setzen neurotrophe Faktoren frei, die das Wachstum und Überleben von Nervenzellen kontrollieren 1437  
           21.6.7 Die Bildung von Synapsen hängt von einer wechselseitigen Kommunikation zwischen Neuronen und ihren Zielzellen ab 1438  
           21.6.8 Der Erhalt der Synapsen hängt von elektrischer Aktivität und synaptischer Signalübertragung ab 1439  
           21.6.9 Neuronen, die gemeinsam feuern, schalten gemeinsam 1440  
           Zusammenfassung 1442  
           Was wir nicht wissen 1443  
           Literatur 1443  
     22. Stammzellen und Gewebeerneuerung 1447  
        22.1 Stammzellen und die Erneuerung von Epithelgewebe 1448  
           22.1.1 Die Darmschleimhaut wird durch Zellproliferation in den Krypten kontinuierlich erneuert 1448  
           22.1.2 Die Stammzellen des Dünndarms befinden sich auf dem Grund oder in der Nähe des Grundes jeder Krypte 1450  
           22.1.3 Die beiden Tochterzellen einer Stammzelle haben die Wahl 1450  
           22.1.4 Der Wnt-Signalübertragungsweg ist zur Aufrechterhaltung der Darmstammzell-Population nötig 1451  
           22.1.5 Stammzellen auf dem Kryptengrund sind multipotent, aus ihnen entstehen alle differenzierten Darmzelltypen 1452  
           22.1.6 Die beiden Tochterzellen einer Stammzelle müssen sich nicht immer unterschiedlich entwickeln 1453  
           22.1.8 Eine einzige Lgr5-exprimierende Zelle kann in Kultur ein vollständiges organisiertes Krypten–Zotten-System bilden 1454  
           22.1.9 Ephrin–Eph-Signalübertragung steuert die Trennung der unterschiedlichen Darmzelltypen 1455  
           22.1.10 Der Notch-Signalweg kontrolliert die Diversifikation von Darmzellen und trägt dazu bei, den Stammzellstatus zu erhalten 1455  
           22.1.11 Das Stammzellsystem der Epidermis hält eine selbsterneuernde wasserdichte Barriere aufrecht 1456  
           22.1.12 Gewebeerneuerung, die nicht von Stammzellen abhängt: Insulin sezernierende Zellen in der Bauchspeicheldrüse und Hepatocyten in der Leber 1458  
           22.1.13 Einige Gewebe besitzen keine Stammzellen und sind nicht erneuerbar 1458  
           Zusammenfassung 1459  
        22.2 Fibroblasten und ihre Abkömmlinge: die Familie der Bindegewebszellen 1460  
           22.2.1 Fibroblasten verändern ihre Eigenschaften als Reaktion auf chemische und physikalische Signale 1460  
           22.2.2 Osteoblasten bilden die Knochenmatrix 1461  
           22.2.3 Knochen wird ständig von den Zellen in seinem Inneren umgebaut 1462  
           22.2.4 Osteoclasten werden durch Signale von Osteoblasten kontrolliert 1464  
           Zusammenfassung 1465  
        22.3 Entstehung und Neubildung der Skelettmuskulatur 1465  
           22.3.1 Neue Skelettmuskelfasern entstehen durch Verschmelzung von Myoblasten 1466  
           22.3.2 Einige Myoblasten überdauern als ruhende Stammzellen im Erwachsenen 1466  
           Zusammenfassung 1468  
        22.4 Blutgefäße, Lymphgefäße und Endothelzellen 1468  
           22.4.1 Endothelzellen kleiden alle Blut- und Lymphgefäße aus 1468  
           22.4.2 Endotheliale Endzellen bereiten den Weg für die Angiogenese 1469  
           22.4.3 Gewebe, die eine Blutversorgung benötigen, setzen VEGF frei 1470  
           22.4.4 Signale von Endothelzellen kontrollieren die Anlockung von Pericyten und glatten Muskelzellen, um die Gefäßwand zu bilden 1471  
           Zusammenfassung 1472  
        22.5 Ein hierarchisches Stammzellsystem: Bildung der Blutzellen 1472  
           22.5.1 Rote Blutkörperchen sind alle gleich 1473  
           22.5.2 Die Bildung eines jeden Blutzelltyps im Knochenmark wird individuell kontrolliert 1474  
           22.5.3 Das Knochenmark enthält multipotente hämatopoetische Stammzellen, aus denen sich alle Klassen von Blutzellen entwickeln können 1476  
           22.5.4 Die Determinierung geschieht stufenweise 1477  
           22.5.5 Die Anzahl spezialisierter Blutzellen erhöht sich durch Teilung determinierter Vorläuferzellen 1478  
           22.5.6 Stammzellen benötigen Kontaktsignale aus den Stromazellen 1478  
           22.5.7 Faktoren, die die Blutbildung kontrollieren, können in Kultur untersucht werden 1478  
           22.5.8 Die Erythropoese hängt vom Hormon Erythropoetin ab 1479  
           22.5.9 Viele CSFs beeinflussen die Bildung von Neutrophilen und Makrophagen 1480  
           22.5.10 Das Verhalten einer blutbildenden Zelle hängt teilweise vom Zufall ab 1480  
           22.5.11 Die Regulation des Überlebens einer Zelle ist genauso wichtig wie die Regulation ihrer Vermehrung 1481  
           Zusammenfassung 1482  
        22.6 Erneuerung und Reparatur 1482  
           22.6.1 Planarien besitzen Stammzellen, die einen kompletten Körper nachbilden können 1483  
           22.6.2 Einige Vertebraten können ganze Organe ersetzen 1484  
           22.6.3 Stammzellen können verwendet werden, um kranke oder verlorene Zellen zu ersetzen: Therapien für Blut und Epidermis 1485  
           22.6.4 Neurale Stammzellen können in Kultur manipuliert und zur Neubesiedlung des Zentralnervensystems eingesetzt werden 1485  
           Zusammenfassung 1487  
        22.7 Zell-Reprogrammierung und pluripotente Stammzellen 1487  
           22.7.1 Zellkerne können durch Transplantation in fremdes Cytoplasma umprogrammiert werden 1488  
           22.7.2 Umprogrammierung eines transplantierten Zellkerns erfordert drastische epigenetische Veränderungen 1488  
           22.7.3 Embryonale Stammzellen (ES-Zellen) können zur Herstellung von beliebigen Körperteilen verwendet werden 1489  
           22.7.4 Eine Gruppe von Transkriptionsregulatoren definiert und erhält den ES-Zellstatus 1490  
           22.7.5 Fibroblasten können zu induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) umprogrammiert werden 1491  
           22.7.6 Zur Umprogrammierung gehört eine massive Umgestaltung des Genkontrollsystems 1492  
           22.7.7 Experimentelle Manipulation von Faktoren, die Chromatin modifizieren, kann die Effizienz der Umprogrammierung steigern 1493  
           22.7.8 ES-Zellen und iPS-Zellen können so gesteuert werden, dass sie spezifische adulte Zelltypen und sogar ganze Organe bilden 1495  
           22.7.9 Zellen eines spezialisierten Typs können dazu gezwungen werden, direkt zu Zellen eines anderen Typs zu transdifferenzieren 1495  
           22.7.10 ES-Zellen und iPS-Zellen sind nützlich für die Entdeckung von Arzneimitteln und für die Analyse von Krankheiten 1496  
           Zusammenfassung 1497  
           Was wir nicht wissen 1498  
           Literatur 1498  
     23. Krankheitserreger und Infektion 1501  
        23.1 Einführung in die Krankheitserreger und die Normalflora des Menschen 1502  
           23.1.1 Die Normalflora des Menschen ist ein komplexes Ökosystem, das wichtig für unsere Entwicklung und für unsere Gesundheit ist 1502  
           23.1.2 Pathogene Erreger treten auf verschiedene Arten mit ihren Wirten in Wechselwirkung 1503  
           23.1.3 Pathogene Erreger können an der Entstehung von Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und anderen chronischen Erkrankungen beteiligt sein 1504  
           23.1.4 Krankheitserreger können Viren, Bakterien oder Eukaryoten sein 1505  
           23.1.5 Bakterien sind vielfältig und besetzen außerordentlich viele ökologische Nischen 1506  
           23.1.6 Pathogene Bakterien besitzen spezialisierte Virulenzgene 1507  
           23.1.7 Bakterielle Virulenzgene codieren für Effektorproteine und für Sekretionssysteme, um die Effektorproteine zu den Wirtszellen zu befördern 1509  
           23.1.8 Pilze und parasitische Protozoen haben komplexe Lebenszyklen mit unterschiedlichen Erscheinungsformen 1511  
           23.1.9 Virenvermehrung hängt von der Maschinerie der Wirtszelle ab 1513  
           Zusammenfassung 1515  
        23.2 Zellbiologie der Infektion 1516  
           23.2.1 Pathogene überwinden Epithelbarrieren, um den Wirt zu infizieren 1516  
           23.2.2 Pathogene, die Epithelien besiedeln, müssen deren Schutzmechanismen überwinden 1517  
           23.2.3 Extrazelluläre pathogene Erreger stören Wirtszellen, ohne in sie einzudringen 1518  
           23.2.4 Intrazelluläre Pathogene besitzen Mechanismen, um in Wirtszellen einzudringen und sie wieder zu verlassen 1519  
           23.2.5 Viruspartikel binden an Virusrezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle 1520  
           23.2.6 Viren dringen durch Membranfusion, Porenbildung oder Membranbeschädigung in Wirtszellen ein 1521  
           23.2.7 Bakterien dringen über Phagocytose in Wirtszellen ein 1522  
           23.2.8 Intrazelluläre eukaryotische Parasiten dringen aktiv in Wirtszellen ein 1524  
           23.2.9 Einige intrazelluläre pathogene Erreger entkommen aus dem Phagosom ins Cytosol 1525  
           23.2.10 Viele pathogene Organismen verändern den Membrantransport in der Wirtszelle, um zu überleben und sich zu vermehren 1526  
           23.2.11 Viren und Bakterien verwenden das Cytoskelett der Wirtszelle, um sich intrazellulär fortzubewegen 1529  
           23.2.12 Viren können den Stoffwechsel ihrer Wirtszelle ausnutzen 1530  
           23.2.13 Die Evolution von Krankheitserregern kann über Antigenvariation sehr schnell verlaufen 1531  
           23.2.14 Fehleranfällige Replikationsmechanismen dominieren die virale Evolution 1533  
           23.2.15 Arzneimittelresistente Erreger stellen ein immer größeres Problem dar 1534  
           Zusammenfassung 1537  
           Was wir nicht wissen 1538  
           Literatur 1538  
     24. Angeborene und adaptive Immunsysteme 1541  
        24.1 Das angeborene Immunsystem 1542  
           24.1.1 Epitheloberflächen dienen als Barrieren gegen eine Infektion 1542  
           24.1.2 Mustererkennungsrezeptoren erkennen konservierte Merkmale von pathogenen Erregern 1543  
           24.1.3 Es gibt viele PRR-Klassen 1543  
           24.1.4 Aktivierte PRRs lösen eine Entzündungsreaktion am Ort der Infektion aus 1545  
           24.1.5 Phagocytierende Zellen suchen, fressen und vernichten Krankheitserreger 1546  
           24.1.6 Die Komplementaktivierung führt zur Phagocytose oder Lyse von Pathogenen 1547  
           24.1.7 Virusinfizierte Zellen ergreifen drastische Maßnahmen, um die Virusvermehrung zu verhindern 1549  
           24.1.8 Natürliche Killerzellen veranlassen virusinfizierte Zellen dazu, sich selbst zu töten 1550  
           24.1.9 Dendritische Zellen bilden die Verbindung zwischen dem angeborenen und dem adaptiven Immunsystem 1551  
           Zusammenfassung 1552  
        24.2 Überblick über das adaptive Immunsystem 1553  
           24.2.1 B-Zellen entwickeln sich im Knochenmark, T-Zellen im Thymus 1554  
           24.2.2 Das immunologische Gedächtnis hängt sowohl von klonaler Expansion als auch von Lymphocytendifferenzierung ab 1556  
           24.2.3 Lymphocyten patrouillieren ständig durch die peripheren lymphatischen Organe 1558  
           24.2.4 Immunologische Selbst-Toleranz gewährleistet, dass gesunde Wirtszellen und -moleküle von B- und T-Zellen nicht angegriffen werden 1560  
           Zusammenfassung 1562  
        24.3 B-Zellen und Immunglobuline 1563  
           24.3.1 B-Zellen produzieren Immunglobuline (Igs) als Zelloberflächenrezeptoren und als sezernierte Antikörper 1563  
           24.3.2 Säugetiere bilden fünf Klassen von Immunglobulinen 1564  
           24.3.3 Leichte und schwere Ketten von Immunglobulinen bestehen aus konstanten und variablen Regionen 1566  
           24.3.4 Ig-Gene werden im Laufe der B-Zell-Entwicklung aus getrennten Gensegmenten zusammengesetzt 1568  
           24.3.5 Antigengesteuerte, somatische Hypermutation sorgt für die Feinabstimmung der Antikörper-Antwort 1570  
           24.3.6 B-Zellen können die Immunglobulinklasse, die sie exprimieren, wechseln 1571  
           Zusammenfassung 1572  
        24.4 T-Zellen und MHC-Proteine 1573  
           24.4.1 T-Zell-Rezeptoren (TCRs) sind Ig-ähnliche Heterodimere 1574  
           24.4.2 Aktivierte dendritische Zellen aktivieren immunkompetente T-Zellen 1576  
           24.4.3 T-Zellen erkennen an MHC-Proteine gebundene Fremd-Peptide 1577  
           24.4.4 MHC-Proteine sind die polymorphsten humanen Proteine, die bekannt sind 1581  
           24.4.5 CD4- und CD8-Korezeptoren auf T-Zellen binden an nichtvariable Teile der MHC-Proteine 1582  
           24.4.6 Thymocyten durchlaufen während der Entwicklung negative und positive Selektion 1583  
           24.4.7 Cytotoxische T-Zellen veranlassen infizierte Zielzellen dazu, sich selbst umzubringen 1585  
           24.4.8 Effektor-Helfer-T-Zellen helfen, andere Zellen des angeborenen und des adaptiven Immunsystems zu aktivieren 1586  
           24.4.9 Naive Helfer-T-Zellen können zu verschiedenen Typen von Effektor-T-Zellen differenzieren 1586  
           24.4.10 Für die Aktivierung von T- und B-Zellen sind viele extrazelluläre Signale nötig 1588  
           24.4.11 Viele Zelloberflächenproteine gehören zur Ig-Superfamilie 1590  
           Zusammenfassung 1591  
           Was wir nicht wissen 1592  
           Literatur 1593  
  Glossar 1595  
  Register 1645  
  EULA 1681  

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