Abenteuer Zellbiologie - Streifzüge durch die Geschichte

Vorwort zur revidierten und ergänzten 2. Auflage
Inhaltsverzeichnis
Über den Autor
1 Aufbruch zu neuem Denken und Fragen, die sich uns im Rückblick stellen
1.1  Frühe Nutzanwendungen förderten den Fortschritt
1.2  Was man sich im Rückblick alles fragt – eine Vorwegnahme
Zitierte Literatur
2 Die frühe Mikroskopie zeigte den zellulären Bau aller Organismen
2.1  Die Urväter der Zellbiologie
2.2  Die Großväter und Väter der Zellbiologie – Aufbruch in die Moderne
2.2.1  Bakterien – eine frühe Herausforderung der Zellbiologie
2.2.2  Neue wissenschaftliche Gesellschaften wurden gegründet
2.2.3  Bakterien waren auch noch eine Herausforderung für die frühe Elektronenmikroskopie
2.2.4  Eine moderne Weichenstellung in der Bakteriologie
2.3  Unsere Körperzellen
2.4  Beispiele für frühe Ansätze zu modernen Methoden, Korrekturen alter Ansichten, rezente Entwicklungen und neue Überheblichkeiten
2.5  Persönlicher Aufbruch zur Zellbiologie
Zitierte Literatur
3 Bakterien und Protozoen als Krankheitserreger: Segen und Fluch früher Entdeckungen
3.1  Seuchen: Zellbiologie zwischen Erfolg und Resignation
3.2  Bakterien als Krankheitserreger: von ihrer Entdeckung bis zu heutigen Entwicklungen
3.3  Pathogene Protozoen
3.4  Biologische Waffen
Zitierte Literatur
4 Entdeckung von zellulären Innenstrukturen, Funktionen und Dynamik der Zelle
4.1  Das Elektronenmikroskop hilft, zellbiologische Probleme zu lösen
4.2  Lichtmikroskopie: stetig verbesserte Auflösung auch für dynamische Prozesse
4.3  Elektronenmikroskopie für funktionelle Analysen
4.4  Organell- und membranspezifische Färbemethoden
4.4.1  Eine Vielfalt an weiteren organellspezifischen Markierungsverfahren
4.4.2  Gruppenspezifische Markierungen
4.4.3  Spätere Entwicklungen
4.5  Immunologische Techniken unterstützen die Zellbiologie
4.5.1  Meerrettich oder Gold – das war einmal die Frage
4.5.2  Wie es weiterging
4.6  Radioaktivität in der Zellbiologie
4.7  Neue „Highlights“: molekularbiologische Markierungen (optogenetische Methoden)
4.8  Kryomethoden: aussagekräftige Alternativen für die Analyse der dynamischen Zellstruktur
4.9  Rückblick und einige weitere Entwicklungen in der mikroskopischen Technik
Zitierte Literatur
5 Zelluläre Membranen. Die Zellmembran: Umschlagplatz für Stoffe und Information
5.1  Frühe Einsichten
5.2  Eine mit Proteinen bestückte Lipiddoppelschicht als Grundstruktur von Biomembranen
5.3  Elektrophysiologische Aspekte der Membranstruktur und -funktion
5.4  Komplexität der Membranproteine und ihre Mobilität
5.4.1  „Fluid mosaic model“ (Flüssig-Mosaik-Modell) der Biomembranen und ihre Proteine
5.4.2  Oberflächenglykosylierung der Zellmembran
5.4.3  Biogenese der Glykokalyx
5.4.4  GPI-verankerte Proteine
5.5  Zell-Zell- und Zell-Matrix-Verbindungen
5.5.1  Weitere Details zu Zell-Zell-Verbindungen in nichtneuronalem Gewebe
5.5.2  Entdeckung von Cadherinen, Integrinen, neuronalen NCAMs und Bindekräften. Fehlanzeige bei Pflanzen
5.5.3  Neuronale Zell-Zell-Verbindungen
5.6  Membran-Mikrodomänen
5.6.1  „Rafts“: Sein oder Nichtsein – das war die Frage
5.6.2  Zwei Formen von Mikrodomänen
5.6.3  Caveolae
5.6.4  Flache Mikrodomänen im Vergleich mit Caveolae
5.7  Stoffaustausch
5.7.1  Ionen- und Wassertransport
5.7.2  Transport von Aminosäuren
5.7.3  Freier Durchtritt oder Kontrolle durch Membranporen
Zitierte Literatur
6 Der Zellkern als Kommandozentrale. Modulation von „Befehlen“ bei der Umsetzung
6.1  Historischer Rückblick: ein Start mit Hindernissen mit Nachwirkung uralter Vorurteile
6.2  DNA ab origine – wie sie als Erbträger entdeckt wurde
6.2.1  Aufbruch in die Moderne
6.2.2  Vieles blieb noch zu klären
6.3  Strukturelle und funktionelle Organisation des Zellkerns
6.3.1  Perlenketten aus Chromatin
6.3.2  Die Monotonie der Struktur des Genoms
6.3.3  Abbildung von DNA und von DNA-Protein-Komplexen
6.4  Der Randbereich des Zellkerns im Fokus
6.5  Kernmembran mit Kernporen: Stoffaustausch zwischen Cytosol und Zellkern
6.6  Wer „sagt“ dem Kerngenom, was zu tun ist – Befehle an den Befehlshaber?
6.7  Das Geschlecht ist im Zellkern einer jeden unserer Zellen festgelegt
6.8  Ein paar Worte zu Nukleolus, Telomeren und Ribozymen
6.8.1  Der Nukleolus – eine Ansammlung von Synthesewerkzeugen
6.8.2  Telomerasen – Werkzeuge zur Wahrung der Integrität der Chromosomen
6.8.3  Ribozyme – eine Provokation für althergebrachte Ansichten zur Biokatalyse durch Proteine
6.9  Umsetzung von „Befehlen“ aus dem Zellkern und das zentrale Dogma der Molekularbiologie
6.10  Moderne Methoden der Genetik in der Zellbiologie
6.10.1  Restriktionsenzyme und rekombinante (heterologe) Expression von Proteinen
6.10.2  Eine neue Vielfalt molekularbiologischer Methoden in Zellbiologie und Medizin
6.11  Genaue Zielansprache im Genom ist gefragt
Zitierte Literatur
7 Wie man Zellen in ihre Bestandteile zerlegen kann
7.1  Techniken zur Isolierung von Organellen
7.2  Isolierung von Molekülen
Zitierte Literatur
8 Biogenese verschiedener Zellorganellen
8.1  Das endoplasmatische Retikulum: Proteinsynthese und Entgiftungsfunktion
8.2  Apparato reticolare interno – der Golgi-Apparat: ein schwieriges Objekt bis in die Gegenwart
8.3  Mitochondrien und Plastiden (Chloroplasten)
8.3.1  Mitochondrien
8.3.2  Plastiden
8.3.3  Import mit „Verkehrskontrolle“
8.3.4  Ein Beispiel zum Zusammenspiel zweier Genome – wie Pflanzen ergrünen
8.3.5  Teilung von Organellen
8.4  Peroxisomen
8.5  Späte Einsichten in Sonderfälle: Biogenese von Fetttropfen und des Golgi-Apparats bei der Zellteilung
8.5.1  Ein neuer Blick auf die Biogenese von Fetttropfen
8.5.2  Biogenese des Golgi-Apparats bei der Zellteilung
8.6  Cilien und Flagellen
Zitierte Literatur
9 Dynamik intrazellulärer Prozesse: Gleitschienen, Zugstränge und gezielte „Paketzustellung“
9.1  Signale für die Zielgebung und Lokalisierung von Proteinen
9.1.1  Zusammenfinden von Untereinheiten zu einem funktionellen multimeren Protein
9.1.2  Ko-Assemblierung von cytoskelettalen Elementen: Filamente und Tubuli
9.1.3  Zielführung zu bestimmten Membranen
9.2  Posttranslationale Modifikationen zur Zielfindung
9.3  Qualitätskontrolle und Einbau von Proteinen in die Membran
9.3.1  Chaperone – die „Anstandsdamen“: wohlbehütete Proteindynamik auf molekularem Niveau
9.3.2  Konfiguration von Proteinen in der Membran
9.4  Zielfindung von Proteinen auf der Schiene raues endoplasmatisches Retikulum → Golgi-Apparat und darüber hinaus
9.4.1  Raues endoplasmatisches Retikulum
9.4.2  Glykosylierung von Proteinen im endoplasmatischen Retikulum und im Golgi-Apparat
9.4.3  Lysosomen und Exocytosevesikel entspringen dem trans-Golgi-Netzwerk
9.4.4  GTPasen vermitteln zielgenauen Membrantransport
9.4.5  Die Ansäuerung des Vesikellumens mit ihren Konsequenzen
9.5  Reise vom und zum Mittelpunkt der Zelle: ein System von Gleitschienen an die Peripherie
9.5.1  Das Gleitschienensystem für den Vesikeltransport
9.5.2  Weitere Regulationsmechanismen für den An- und Abtransport von Vesikeln an die und von der Zellmembran
9.5.3  Motorproteine Kinesin und Dynein
9.6  Exocytose – Paketlieferung an die Zellmembran
9.6.1  Ablauf des Transports von Sekretvesikeln an die Zellmembran
9.6.2  Selbstassemblierung von Exocytoseorten
9.6.3  Stimulus-Sekretions-Kopplung
9.6.4  In-vitro-Systeme für die Exocytose
9.7  Das lange Rätselraten über den Mechanismus der Membranfusion – ein langes Vorspiel
9.8  Dock- und Fusionsproteine
9.9  Endocytose
9.10  Exocytose-Endocytose-Kopplung
9.11  Molekulare Filter
9.11.1  COPs – die Coatomer-Proteine als Membranfilter
9.11.2  Clathrinbeschichtete Vesikel
9.12  Phagocytose
9.13  GPI-verankerte Proteine als Spezialfall
9.14  Intrazelluläre Filamente
9.14.1  Intermediärfilamente
9.14.2  Aktin und Aktin-Bindeproteine
9.14.3  Anbindung an Zelladhäsionsmolekülen
9.15  Wanderung immer der Nase nach: Chemotaxis
9.15.1  Zielfindung in nichtneuronalen Systemen
9.15.2  Zielfindung in neuronalen Systemen
Zitierte Literatur
10 Extra- und intrazelluläre Signalgebung: Wahrnehmung, Verstärkung und Umsetzung
10.1  Elektrische Signale mit und ohne Zweitboten und Ca2+ als Zweitbote
10.2  Kleine organische Moleküle (Metaboliten) als Zweitboten
10.3  Flexible Ca2+-Signalgebung und Nachweismethoden
10.3.1  Intrazellulärer Nachweis von Ca2+ und Registrierung seiner Dynamik
10.3.2  Elektrophysiologische Methoden
10.3.3  Röntgenfluoreszenz-Mikroanalyse
10.3.4  Korrelative Analysen
10.4  Calciumsensoren dienen der Signalvermittlung, als Effektoren und zur Beendigung der Stimulation
10.4.1  „High affinity/low capacity“ Ca2+-Bindeproteine
10.4.2  „Low affinity/high capacity“ Ca2+-Bindeproteine
10.4.3  Ca2+-Pumpen
10.4.4  Ein Seitenblick auf die systemische Regelung der Ca2+-Homöostase
10.5  Steroidhormone und weitere Primärboten
10.6  Weitere niedermolekulare Verbindungen als neuronale Primärboten
10.7  Proteine und Peptide als Primärboten und Signaltransduktion über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) – eine vertiefte Übersicht
10.7.1  Allgemeine Erörterungen
10.7.2  Das Prinzip der Signaltransduktion über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren und Ca2+
10.8  Man glaubte es anfangs nicht: Hormone zur Steuerung und Freisetzung von Hormonen
10.9  Die fokale Adhäsionskinase – Signalgeber auch an unerwarteter Stelle
10.10  Stickstoffmonoxid (NO) als Signalmolekül – eine erstaunliche Geschichte
Zitierte Literatur
11 Energieversorgung der Zelle: Frühe Erfindung von Turbine und ATP als Einheitswährung
11.1  Prinzipielle Voraussetzungen: Offene Systeme im Fließgleichgewicht und die Gesetze der Thermodynamik
11.1.1  Was die Zelle stetig zu regeln hat
11.1.2  Die Gesetze der Thermodynamik gelten auch in der Zellbiologie
11.2  Eine kurze Übersicht: Woher bezieht die Zelle ihre Energie?
11.3  Eine lange Vorgeschichte: Einsichten in kleinen Portionen
11.4  Tiefere Einsichten kamen erst im 20. Jahrhundert
11.4.1  Energetik der Mitochondrien
11.4.2  Disput zwischen Biochemikern und Elektronenmikroskopikern
11.4.3  Energetik der Chloroplasten
11.5  Ergebnisse aus neuerer Zeit
11.5.1  Erkenntnisse aus der molekularen Elektronenmikroskopie
11.5.2  Unerwarmtete Befunde
11.6  Nachlauf in jüngster Zeit und Rückblick
Zitierte Literatur
12 Selbstreproduktion: Zellteilung, Krebs, Stammzellen und Epigenetik
12.1  Der Zellzyklus aus historischer Sicht: frühe Einsichten in ein komplexes Geschehen
12.2  Ablauf der Mitose: alte und neue Erkenntnisse im Einklang
12.3  Reduktionsteilung: auch hierzu gibt es rezente Erkenntnisse
12.4  Neue Ansätze aus der Molekularbiologie – ein kurzer Überblick
12.5  Ein erster Blick auf Stammzellen
12.5.1  Rückblick: Die normale Entwicklung einer befruchteten Eizelle und lang währende Mythen
12.5.2  Jenseits von Mythen: Entwicklung ab ovo
12.6  Stammzellen und Vorläuferzellen: Ersatzteillager und Material für gentechnische Medizin
12.6.1  Die Atombombe und die Stammzellen unseres Gehirns
12.6.2  Neuere Befunde zur Neurogenese
12.7  Einige Bemerkungen zum Phänomen Krebs
12.8  Es muss nicht immer Krebs sein: evolutive Umprogrammierung am Beispiel von Giftdrüsen
12.9  Epigenetik – ein neues Feld der Zellbiologie
12.9.1  Gibt es eine transgenerationale Epigenetik?
12.9.2  Ciliaten als Modelle für Epigenetik
12.9.3  Tatort Säugetiergehirn: Epigenetik der Prionproteine
12.9.4  Rückblick auf pathogene Effekte fehlgefalteter und falsch geschnittener Proteine
Zitierte Literatur
13 Einige Bemerkungen zum Abbau von Zellbestandteilen: kleine und große „Müllverbrennungsanlagen“
13.1  Das „Falsche“ entdeckt und mit dem Nobelpreis geehrt: Die ungewollte Entdeckung der Lysosomen
13.1.1  Biochemie und Strukturanalyse im fruchtbaren Wechselspiel
13.1.2  Autophagie hat mit dem Konzept der „Selbstmordköfferchen“ begonnen
13.1.3  Autophagie – Umbau bei laufendem Betrieb
13.2  Abbau extrazellulärer Proteine
13.3  Rezente Einsichten in die Autophagie
13.3.1  Die Atg-Proteine, „Triple-A-ATPase“ und ESCRT-Proteine als Schlüsselakteure
13.3.2  Autophagosomen – späte Einsicht in die Biogenese sehr variabler Organellen
13.4  Proteasomaler Abbau und Beseitigung normaler und pathogener Proteine
13.5  Apoptose (programmierter Zelltod)
Zitierte Literatur
14 Erkenntnisse zu und aus Krankheiten. Eukaryotengifte als Impulsgeber für die Zellbiologie
14.1  Chromosomenanomalien bzw. Aneuploidien und Genschäden
14.2  Störungen an Cilien und Flagellen – mit Folgen für Embryonalentwicklung und Gesundheit
14.3  Weitere genetische Störungen durch Mutationen, Deletion oder Genverlängerung
14.3.1  Mutationen in Hämoglobin, Glykogenstoffwechel und Muskeldystrophie
14.3.2  Mutationen im Bindegewebe
14.3.3  Störungen im Aktinfilamentsystem
14.3.4  „Konformationskrankheiten“ und Störungen in der Sauerstoffentgiftung – ALS
14.3.5  Genexpansion
14.3.6  Lysosomal bedingte Krankheiten
14.3.7  Störungen der Kernlamina (Progerie) und das Phänomen des Alterns
14.3.8  Zell-Zell-Verbindungen
14.3.9  Peroxisomale Störungen
14.4  Störungen in den (semi-)autonomen Organellen
14.5  Rezente Volkskrankheiten
14.5.1  Alzheimer-Krankheit
14.5.2  Parkinson-Krankheit
14.6  Protoonkogene und onkogene Viren
14.7  Lobpreisung von Eukaryotengiften – Geschenke für die Zellbiologen
14.7.1  Toxine, die gegen das Cytoskelett gerichtet sind
14.7.2  Antikonzeptiva und Abortiva aus zellbiologischer Sicht
14.7.3  Lob und Tadel für Mutterkornalkaloide und ähnliche Psychedelika
14.8  Aus der Natur ins Zelllabor: Kanalhemmer, Pfeilgifte und weitere Gaben der Natur
14.9  Spätere Anläufe zu vertieftem Verständnis von „Gaben“ der Natur in der Zellbiologie
14.9.1  Effekte auf Ionenkanäle
14.9.2  Effekte auf Ionenpumpen/Transporter
14.9.3  Pfeilgifte und Ziele für Giftpfeile
14.10  Toxine, Zivilisation und Zellbiologie
14.10.1  Suchtgifte aus der Natur und Zellbiologie – wie geht das zusammen?
14.10.2  Weitere Toxine, die aus der Sicht von Zivilisation und Forschung wichtig sind
14.10.3  Schmerzwahrnehmung und Anästhesie
Zitierte Literatur
15 Infektiöse Agenzien: Viren, Bakterien, niedere Pilze und Protozoen
15.1  Die Vielfalt von Viren, Viren als Pathogene und Entwicklungshelfer
15.1.1  Ein akuter Fall: die 2020er-Corona-Pandemie durch Viren mit einzelsträngiger RNA
15.1.2  Impfungen: Antikörper „neutralisieren“ die Oberfläche von pathogenen Bakterien und Viren
15.2  Cytopathologische Effekte von Viren
15.3  Viren als Werkzeuge in der Zellbiologie
15.4  Pathogene Bakterien und Bakterienpathogene
15.4.1  Schädigend bis letal, aber von relativ geringem Nutzen für die zellbiologische Grundlagenforschung
15.4.2  Gefährlich, aber nützlich für die zellbiologische Grundlagenforschung
15.4.3  Bakterien als Experten in Sachen Eukaryotenzelle und Bakterien „undercover“
15.4.4  Resistenzen – ein latentes und akutes Problem
15.5  Pathogene Protozoen: Plasmodien und Trypanosomen im Fokus
15.6  Mikrobielle Antibiotika – eine Fundgrube für Zellbiologie und Medizin
15.6.1  Antibiotika in der zellbiologischen Grundlagenforschung
15.6.2  Vom Freiland ins Labor
15.7  Antihelminthika – Drogen gegen Wurminfektionen
15.8  Von Menschen erfundene Toxine und wirkungslose Pharmaka
Zitierte Literatur
16 Die energetisch autonome Pflanzenzelle. Ähnliche Probleme mit unterschiedlichen Lösungen bei Tieren und Pflanzen
16.1  Vesikeltransport über den Golgi-Apparat und darüber hinaus
16.2  Die moderne Zellbiologie der Pflanzen profitierte von Erkenntnissen an tierischen Zellen
16.2.1  Vesikeltransport
16.2.2  Exocytose und Endocytose trotz starrer Zellwand? „Immunbiologie“ der Pflanzen
16.3  Die Zellwand
16.4  Fetttropfen und Oleosomen
16.5  Alternative zu tierischen Gap Junctions (Plasmodesmen) und parasitäre Interaktionen
16.6  Ionenhomöostase und Entwicklung von Kulturpflanzen
16.6.1  Calcium – notwendig, aber oft zu viel des Guten für die Pflanzenzelle
16.6.2  Als Pflanzen an Land gingen: Die Ionenregulation war noch mehr gefordert
16.6.3  Pflanzenneurobiologie – was sollte das aus zellbiologischer Sicht sein?
16.7  Weitere Besonderheiten der Pflanzenzelle
16.7.1  Speicherung von Kohlenhydraten
16.7.2  Pflanzenhormone und epigenetische Effekte
16.7.3  Was Pflanzenzellen nicht haben
Zitierte Literatur
17 Ansichten zur Evolution der Zelle im Wandel der Zeit – vom Ursprung zur Vielfalt
17.1  Ansichten zur präbiotischen Evolution und zur Bildung der ersten Zellen
17.1.1  Wie die ersten Zellen entstanden sein könnten: Am Anfang war … der dialektische Materialismus
17.1.2  Gab es die Ursuppe gar nicht, nicht einmal ein dünnes Ursüppchen?
17.1.3  Innovative Ideen
17.2  Evolution der Eukaryotenzelle und ihre Entfaltung
17.2.1  Der letzte gemeinsame Vorfahr aller Zellen
17.2.2  Vom Bakterium zum letzten gemeinsamen Eukaryotenvorfahren
17.2.3  Das Leben wurde immer komplexer, bei Tieren wie bei Pflanzen
17.3  Sexualität – eine alte Erfindung
17.4  Was die Eukaryotenzelle sonst noch erfunden hat
17.4.1  Evolution von Zelladhäsion und Vielzelligkeit
17.4.2  Die Zellteilung als eine weitere Herausforderung
17.4.3  Weitere Errungenschaften: Signalgebung, Transportprozesse und Ionenhomöostase
17.5  Sauerstoff in der Atmosphäre – Gefahr und Chance
17.6  Evolution von Mitochondrien und Chloroplasten – alte Hypothesen glänzend bestätigt
17.6.1  Chloroplasten der höheren Pflanzen sind jünger als Mitochondrien
17.6.2  Weitere freundliche Übernahmen
17.6.3  Der Hang zum Zentralismus und seine Folgen: komplizierte Importgeschäfte
17.6.4  Phytohormone: Rückblick aus evolutiver Sicht
17.7  Evolution weiterer Organellen, Organellkomponenten und Motorproteine
17.7.1  Evolution von Peroxisomen
17.7.2  Molekulare Motoren und Konformationsänderung von Proteinen mit Energiegewinn und Energieverbrauch
17.8  Die komplexe Geschichte vom Calcium – wieder eine Ummünzung eines Nachteils zum Vorteil
17.9  Was haben Humanbiologie und Evolution des Menschen mit Zellbiologie zu tun?
17.10  Evolution höherer geistiger und emotionaler Fähigkeiten: die zellbiologische Perspektive
17.10.1  „Der Geist fiel nicht vom Himmel“
17.10.2  Wissen und Kombinieren – kodierte Daten und deren Kombination
17.10.3  Zunahme der Zellzahl und des Genoms, Variation und Modifikation der Transkripte
17.10.4  Transkriptionsfaktoren trieben die Evolution an
17.10.5  Umfunktionierung von Genprodukten im Laufe der Evolution (Neofunktionalisierung)
17.10.6  „Abfall“ als neuer Schlüssel zu höherer Komplexität
17.11  Neue Methoden, neue Daten und neues Denken über das Denken
Zitierte Literatur
18 Rundumblick aus der Warte der Zellbiologen
18.1  Praktische Nutzbarkeit – ein Erfolgskriterium? Sind Modellsysteme passé?
18.2  Falsche Propheten: Kritik an Pharmafirmen und Auftragsgutachten
18.3  Seitenblicke – der Wert hoch dotierter Forschungspreise
18.4  Unschärfe als Prinzip: Praktische Erwartungen und Forderungen
18.4.1  Unschärfe zellbiologischer Prinzipien
18.4.2  Praktische Erwartungen und Forderungen
Zitierte Literatur
Glossar
Personenverzeichnis
Stichwortverzeichnis