thumbnails - eBook-Shop der Quolibris GmbH · 2017-09-07 · thumbnails.jpg. Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts und Peter Walter

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Bruce Alberts Alexander Johnson Julian Lewis David MorganMartin Raff Keith Roberts und Peter Walter

Molekularbiologieder Zelle


Molekularbiologieder Zelle6 Auflage

Uumlbersetzung herausgegeben von Ulrich Schaumlfer

Uumlbersetzt von Baumlrbel Haumlcker Claudia HorstmannAlexandra Prowald Otto Arndt Angelika Boumlrsch-HauboldMartina Boumlrsch-Supan Andreas BurkovskiMatthias Cramer Susanne Grether-BeckPetra Jacoby Lothar Jaenicke Thomas JaenickeJoachim Kunz Thomas LazarAlexandra Moreno-Borchart und Sabine Waffenschmitt

Titel der Originalausgabe Molecular Biology of the Cell Sixth Edition

Copyright 2015 by Bruce Alberts Alexander Johnson Julian Lewis David Morgan MartinRaff Keith Roberts and Peter WalterAll Rights Reserved ndash Authorized translation from English language edition published byGarland Science part of Taylor amp Francis Group LLC

Uumlbersetzung herausgegeben vonPriv-Doz Dr Ulrich SchaumlferUlrich Schaumlfer studierte Biologie und Mathematik in Muumlnster promovierte in Duumlsseldorf1976 in Biologie und habilitierte sich 1988 in Genetik an der Heinrich-Heine-UniversitaumltDuumlsseldorf Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der Brandeis University in WalthamMassachusetts war er Gruppenleiter zuerst am Institut fuumlr Genetik der Heinrich-Heine-Universitaumlt Duumlsseldorf und von 1996 bis zum Eintritt in den Ruhestand am Max-Planck-Institut fuumlr biophysikalische Chemie in der Abteilung Molekulare EntwicklungsbiologieSeine Forschungsgebiete waren die Spermatogenese von Drosophila und die funktionelleGenomik von Drosophila melanogaster

1 bis 4 Auflage herausgegeben von Prof Dr Lothar Jaenicke Universitaumlt zu Koumlln

1 Auflage 19862 Auflage 19903 Auflage 19954 Auflage 20045 Auflage 20116 Auflage 2017

Titelbild Pankreaskrebszellen unter Verwendung einer Abbildung von StocktrekImagesGetty

Alle Buumlcher von Wiley-VCH werden sorgfaumlltig erarbeitet Dennoch uumlbernehmen AutorenHerausgeber und Verlag in keinem Fall einschlieszliglich des vorliegenden Werkes fuumlr dieRichtigkeit von Angaben Hinweisen und Ratschlaumlgen sowie fuumlr eventuelle Druckfehlerirgendeine Haftung

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National-bibliografie detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uumlber lthttpdnbd-nbdegtabrufbar

copy 2017 Wiley-VCH Verlag amp Co KGaA Boschstr 12 69469 Weinheim GermanyAlle Rechte insbesondere die der Uumlbersetzung in andere Sprachen vorbehalten Kein Teildieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form ndashdurch Photokopie Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren ndash reproduziert oderin eine von Maschinen insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen verwendbareSprache uumlbertragen oder uumlbersetzt werden Die Wiedergabe von WarenbezeichnungenHandelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der An-nahme dass diese von jedermann frei benutzt werden duumlrfen Vielmehr kann es sich auchdann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschuumltzte Kennzeichenhandeln wenn sie nicht eigens als solche markiert sind

Printed in the Federal Republic of Germany

Gedruckt auf saumlurefreiem Papier

Satz Reemers Publishing Services GmbH KrefeldDruck Appl WemdingBindung Appl WemdingPrint ISBN 978-3-527-34072-9

Julian Hart Lewis12 August 1946 ndash 30 April 2014

Die Autoren

Bruce Alberts promovierte an der Harvard University und ist Inhaber desChancellorrsquos Leadership Chair in Biochemistry and Biophysics for Science andEducation an der University of California San Francisco Von 2008 bis 2013 warer Editor-in-Chief von Science und fuumlr zwoumllf Jahre Praumlsident der US NationalAcademy of Sciences (1993ndash2005)

Alexander Johnson promovierte an der Harvard University und ist Pro-fessor fuumlr Mikrobiologie und Immunologe an der University of California SanFrancisco

Julian Lewis (1946ndash2014) promovierte als DPhil an der University ofOxford und war Emeritus Scientist am London Research Institute of CancerResearch UK

David Morgan promovierte an der University of California San Franciscound ist Professor am dortigen Institut fuumlr Physiologie sowie Direktor des Bio-chemistry Cell Biology Genetics and Developmental Biology Graduate Pro-gram

Martin Raff erwarb seinen MD an der McGill University und ist EmeritusProfessor of Biology am Medical Research Council Laboratory for Molecular CellBiology des University College London

Keith Roberts promovierte an der University of Cambridge und war Stell-vertretender Direktor des John Innes Centre Norwich

Peter Walter promovierte an der Rockefeller University in New York undist Professor am Department of Biochemistry and Biophysics an der University ofCalifornia San Francisco sowie Forscher am Howard Hughes Medical Institute

Vorbemerkung desHerausgebers

Sechs Jahre nach der fuumlnften Auflage liegt Ihnen hier die sechste Auflage derdeutschen Ausgabe von bdquoMolecular Biology of the Cellldquo von Alberts et al vor dieich wieder herausgeben durfte Auch jetzt habe ich diese Aufgabe gerne und mitVorfreude auf all die Veraumlnderungen und Verbesserungen uumlbernommen die vonden renommierten Autoren des englischsprachigen Originals zu erwarten warenEine Neuauflage die den hohen Anspruumlchen der Autoren genuumlgt ist wahrlichkein leichtes Unterfangen denn die Lebenswissenschaften zeigen weiterhin denin den letzten Jahrzehnten bekannten ungebrochen starken Informations-zuwachs Wie im Vorwort der Autoren geschrieben sind seit der letzten Auflageeinerseits uumlber fuumlnf Millionen wissenschaftliche Artikel erschienen und anderer-seits gab es eine foumlrmliche Explosion an digitalen Daten vor allem von Genom-sequenzen dank neuerer Sequenztechnologien aber auch von Molekularstruktu-ren Da der Sinn eines Lehrbuches insbesondere darin liegt den aktuellen Standder Forschung ndash aufbereitet und eingeordnet ndash wiederzugeben muss dieserWissensvermehrung in einer Neuauflage Rechnung getragen werden Zur Ak-tualisierung des gegebenen Textes gehoumlren neben der Darstellung neuererErkenntnisse aber auch vor allem die Neubewertung und Gewichtung desdargebotenen Stoffes

Das hat dazu gefuumlhrt dass zum einen der offensichtlich bewaumlhrte grund-saumltzliche Aufbau des Lehrbuches zwar beibehalten wurde zum anderen abersowohl die Kapitelstruktur uumlberarbeitet als auch der Inhalt gestrafft wurde Sokonnten Themen aufgenommen werden die in den letzten Jahren immer staumlrkerin den Fokus der zellbiologischen Forschung geruumlckt sind Exemplarisch seiennur genannt neu entdeckte Funktionen diverser RNA-Molekuumlle expandiertesWissen zu Struktur und Funktion des menschlichen Genoms und neue Einblickein Ursache Genetik und Behandlung von Krebs sowie die personalisierte Medi-zin Da neue Erkenntnisse haumlufig verbesserte Methoden zur Voraussetzunghaben wurde der Methodenaspekt entsprechend beruumlcksichtigt Die Fortschrittein der Sequenzierung von Nukleinsaumluren die Durchbruumlche bei der Sichtbarma-chung subzellulaumlrer Strukturen oder neue Wege in der Stammzellbiologie undbei induzierten pluripotenten Stammzellen all dieses und noch viele weitereAspekte finden ihren Niederschlag in den entsprechend erweiterten Abschnittenund in zusaumltzlichen Abbildungen

Eine weitere wichtige Aumlnderung betrifft die Bereitstellung digitaler Daten inForm von Filmen Statt einer beigelegten DVD koumlnnen jetzt die Videos auf derfuumlr bdquoMolekularbiologie der Zelleldquo eingerichteten Studenten-Webseite angesehenwerden Die entsprechende Webadresse lautet wwwwiley-vchdehomeMol-BioZelle6 Dort finden Sie die uumlber 170 Filme auf die im Text hingewiesen wird

An dieser Stelle moumlchte ich meines Vorgaumlngers Herrn Prof Dr LotharJaenicke gedenken der die ersten vier Auflagen der deutschen Ausgabe heraus-gegeben hatte und der leider am 29 Dezember 2015 im Alter von 92 Jahrenverstorben ist Seine fachliche und sprachliche Kompetenz wie auch sein begeis-terndes Interesse an der Historie des Faches und seiner Protagonisten habenmich sehr beeindruckt Ich werde mich stets mit groumlszligter Wertschaumltzung an ihnerinnern

Als Herausgeber moumlchte ich natuumlrlich nicht versaumlumen all denen zu dan-ken die mir meine Aufgabe durch die Uumlbersetzung der verschiedenen Kapiteldeutlich erleichtert haben In der aktuellen Auflage haben als Uumlbersetzerinnenmitgewirkt Frau Dr Baumlrbel Haumlcker (Leonberg Kapitel 1 bis 9) und Frau Claudia

Horstmann (Heppenheim Vorwort Kapitel 10 11 20 bis 24 Glossar) die beideauch schon an der fuumlnften Auflage mitgearbeitet haben sowie Frau Dr Alexan-dra Prowald (Clausthal-Zellerfeld Kapitel 12 bis 19 Erstellung des Registers) Siehaben die gegenuumlber der fuumlnften Auflage neuen Passagen mit Wissen undSprachgefuumlhl uumlbertragen Sie bauen damit auf der Arbeit der Uumlbersetzerinnenund Uumlbersetzer der vorigen Auflagen auf Dr Otto Arndt (Hofheim Kapitel 1415) Dr Angelika Boumlrsch-Haubold (Ploumln Kapitel 20 23) Dr Martina Boumlrsch-Supan (Muumlnchen Kapitel 8 9) Prof Dr Andreas Burkovski (Erlangen Kapitel10 11) A Dir Dr Matthias Cramer (Koumlln Kapitel 25) PD Dr Susanne Grether-Beck (Duumlsseldorf Kapitel 16) Dipl-Biol Petra Jacoby (Wittlich Kapitel 21 24)Prof Dr Lothar Jaenicke (verstorben Koumlln Kapitel 1 2 3 und Glossar) DrThomas Jaenicke (Duumlsseldorf Kapitel 4 7 16 17) Dr Joachim Kunz (Heidel-berg Kapitel 18) Dr Thomas Lazar (Paderborn Kapitel 12 22) Dr AlexandraMoreno Borchart (Heidelberg Kapitel 5 6) und Prof Dr Sabine Waffenschmidt(Koumlln Kapitel 13 19) Ihnen allen moumlchte ich nochmals fuumlr ihre ausgezeichneteArbeit danken

Weiterhin moumlchte ich mich auch bei den Mitarbeitern des Verlages bedan-ken ohne deren Kompetenz und Einsatz das Vorhaben nicht so reibungslos vonstatten gegangen waumlre geschweige denn in dem vorgegebenen Zeitrahmen DasLektorat lag wie bei der vorigen Auflage in den bewaumlhrten Haumlnden von Herrn DrAndreas Sendtko der auch mein direkter Ansprechpartner im Verlag war undmir stets mit Rat und Tat zur Seite stand Frau Dr Monika Kortenjann besorgtedas Copy Editing waumlhrend Herr Dipl-Ing (FH) Hans-Jochen Schmitt zumwiederholten Mal die Herstellung leitete Ihnen allen moumlchte ich ebenfalls fuumlrihren wichtigen Beitrag zur Vollendung des Werkes danken

Zum Schluss moumlchte ich dem Wunsch Ausdruck verleihen dass auch diesechste Auflage von bdquoMolekularbiologie der Zelleldquo zum Referenzwerk wird undzwar sowohl fuumlr all diejenigen die sich mehr oder minder hauptberuflich fuumlrZellbiologie interessieren wie auch fuumlr diejenigen die nur am Rande mit ihr inBeruumlhrung kommen

Goumlttingen im Februar 2017 Ulrich Schaumlfer

X Vorbemerkung des Herausgebers

Vorwort

Seit die letzte Auflage dieses Buchs erschienen ist wurden uumlber fuumlnf Millionenwissenschaftliche Arbeiten veroumlffentlicht Zusaumltzlich nimmt das Ausmaszlig derdigitalen Medien immer weiter zu neue Daten uumlber Genomsequenzen Protein-Interaktionen Molekularstrukturen und Genexpression ndash alle in riesigen Daten-banken gespeichert Die Herausforderung sowohl fuumlr Wissenschaftler als auchfuumlr Buchautoren besteht darin diese uumlberwaumlltigende Masse an Information in einzugaumlngliches und zeitgemaumlszliges Verstaumlndnis daruumlber wie Zellen funktionierenumzuwandeln

Hilfreich ist die groszlige Zunahme an Review-Artikeln die versuchen bdquoRoh-wissenldquo leichter verstaumlndlich zu machen obwohl die groszlige Mehrheit dieserReviews immer noch ziemlich stark fokussiert ist Mittlerweile versucht unseine schnell wachsende Ansammlung von Online-Quellen zu uumlberzeugen dassdas Verstaumlndnis nur wenige Mausklicks entfernt ist In einigen Bereichen wardiese Veraumlnderung wie wir auf Wissen zugreifen sehr erfolgreich ndash zum Beispielbei der Entdeckung der neuesten Information uumlber unsere eigenen medizini-schen Probleme Aber um etwas so schoumlnes und komplexes zu verstehen wie dasFunktionieren lebender Zellen braucht es mehr als nur ein Wiki-Dies oder Wiki-Das Es ist extrem schwer die wertvollen und bestaumlndigen Juwelen aus so vielMuumlll herauszufinden Viel effektiver ist eine sorgsam ausgearbeitete Schilderungdie logisch und schrittweise durch die wesentlichen Begriffe Komponenten undExperimente fuumlhrt sodass die Leser sich selbst ein einpraumlgsames konzeptionellesGrundgeruumlst der Zellbiologie bilden koumlnnen Dieses Konzept ermoumlglicht ihnendie ganze neue Wissenschaft kritisch zu beurteilen und noch wichtiger sie zuverstehen Das ist es was wir mit Molecular Biology of the Cell erreichen wollen

Bei der Vorbereitung dieser neuen Auflage mussten wir zwangslaumlufig einigeschwierige Entscheidungen treffen Um spannende neue Entdeckungen auf-zunehmen mussten wir um das Buch transportabel zu halten vieles streichenWir haben neue Abschnitte hinzugefuumlgt wie diejenigen uumlber neue RNA-Funk-tionen Fortschritte in der Stammzellbiologie neue Methoden zur Untersuchungvon Proteinen und Genen und zur Abbildung von Zellen Fortschritte in derGenetik und Behandlung von Krebs und zeitlicher Ablauf Wachstumskontrolleund Morphogenese der Entwicklung

Die Chemie einer Zelle ist extrem komplex und jede Liste von Zellteilen undihren Wechselbeziehungen ndash ganz gleich wie vollstaumlndig sie ist ndash wird gewaltigeLuumlcken in unserem Verstaumlndnis hinterlassen Wir begreifen inzwischen dass wirwenn wir uumlberzeugende Erklaumlrungen fuumlr das Verhalten einer Zelle liefern wollenquantitative Information uumlber Zellen benoumltigen Diese Informationen sind anausgefeilte mathematischecomputergestuumltzte Ansaumltze gebunden die zT nochgar nicht erfunden sind Dementsprechend zeichnet es sich ab dass es immermehr zum Ziel von Zellbiologen wird ihre Studien weiter in Richtung quantita-tiver Beschreibungen und mathematischer Schlussfolgerungen zu verlagernDieses Konzept und einige seiner Methoden legen wir in einem neuen Abschnittam Ende von Kapitel 8 dar

Konfrontiert mit der Unermesslichkeit dessen was wir uumlber Zellbiologiegelernt haben mag es verlockend fuumlr einen Studenten sein zu glauben dass esnur noch wenig zu entdecken gibt Je mehr wir jedoch uumlber Zellen herausfindenumso mehr neue Fragen tauchen auf Um deutlich zu machen wie luumlckenhaftunser Verstaumlndnis von der Zellbiologie ist haben wir einige wichtige Wissens-luumlcken am Ende eines jeden Kapitels in dem Abschnitt Was wir nicht wissenhervorgehoben Diese kurzen Listen enthalten nur einen winzigen Teil derheiklen unbeantworteten Fragen und Herausforderungen fuumlr die naumlchste Gene-

ration von Wissenschaftlern Wir freuen uns darauf dass einige unserer Leser inder Zukunft Antworten darauf liefern werden

Parallel zum Text und eng mit ihm verflochten werden die Themen anhandvon uumlber 1500 Abbildungen erklaumlrt Wir haben deren Uumlbereinstimmung zwi-schen den verschiedenen Kapiteln verbessert insbesondere in Bezug auf Ver-wendung von Farben und gaumlngigen Symbolen Membranpumpen und -kanaumllesind ein gutes Beispiel Um Textunterbrechungen zu vermeiden wurde ein Teildes Materials in leicht zugaumlngliche Tafeln verschoben Die meisten wichtigenProteinstrukturen wurden uumlberarbeitet und einheitlich gefaumlrbt Fuumlr jedes Proteinist inzwischen der entsprechende Protein Data Bank (PDB)-Code angegeben Erkann verwendet werden um Zugriff auf Online-Tools zu erhalten die zusaumltz-liche Information uumlber das Protein liefern wie z B auf der RCSB PCB-Webseite(wwwrcsborg) Mithilfe dieser Zusammenhaumlnge koumlnnen die Leser dieses Buchsdie Proteine die den Kern der Zellbiologie bilden besser verstehen

John Wilson und Tim Hunt haben wieder ihre charakteristischen undeinfallsreichen Fragen beigesteuert um Studenten dabei zu helfen ein aktiveresVerstaumlndnis des Textes zu erlangen [diese Fragen fehlen in der deutschenAusgabe] Die Fragen betonen quantitative Ansaumltze und regen zum kritischenNachdenken uumlber veroumlffentlichte Untersuchungen an Sie stehen nun am Endejedes Kapitels Die Antworten auf diese Probleme und uumlber 1800 weitereProbleme und Loumlsungen erscheinen alle im Begleitband der von John und Timgeschrieben wurde Molecular Biology of the Cell Sixth Edition The ProblemsBook

Wir leben in einer Welt die uns mit vielen komplexen Sachverhaltenkonfrontiert die alle mit der Zellbiologie verbunden sind Biodiversitaumlt Klima-wandel Sicherung der Ernaumlhrung Umweltzerstoumlrung Raubbau an Ressourcenund Krankheiten des Menschen Wir hoffen unser Lehrbuch hilft dem Leserbesser zu verstehen und diese Herausforderungen womoumlglich besser zu bewaumllti-gen Wissen und Verstaumlndnis liefern die Macht einzugreifen

Wir sind vielen Wissenschaftlern zu Dank verpflichtet deren groszligzuumlgigeHilfe wir gesondert in der Danksagung erwaumlhnen An dieser Stelle erwaumlhnen wireinige besonders bedeutende Mitarbeiter Hana El-Samad schrieb fuumlr Kapitel 8den Kern des Abschnitts uumlber Mathematische Analyse der Zellfunktionen undKaren Hopkin lieferte wertvolle Beitraumlge zum Abschnitt uumlber die Untersuchungder Genexpression und -funktion Werner Kuhlbrandt half bei der Umstruktu-rierung und Umformulierung von Kapitel 14 (Energieumwandlung Mitochon-drien und Chloroplasten) Rebecca Heald tat das gleiche fuumlr Kapitel 16 (DasCytoskelett) Alexander Schier fuumlr Kapitel 21 (Entwicklung von VielzelligenOrganismen) und Matt Welch fuumlr Kapitel 23 (Pathogene und Infektion) LewisLanier half mit Kapitel 24 zu schreiben (Angeborene und adaptive Immun-systeme) Hossein Amiri erstellte die riesige Online-Fragendatenbank fuumlr Dozen-ten

Bevor wir mit den Arbeiten an dieser Auflage begannen baten wir einigeWissenschaftler die die letzte Auflage verwendet hatten um Studenten in derZellbiologie zu unterrichten sich mit uns zusammenzusetzen und Verbes-serungsvorschlaumlge einzubringen Sie gaben uns hilfreiche Ruumlckmeldungen dieuns bei der Neuauflage inspirierten Wir profitierten auch von den wertvollenBeitraumlgen einer Gruppe von Studenten die die meisten Kapitel Korrektur lasen

Man braucht viele Menschen und viel Muumlhe um aus einem langen Manu-skript und einem groszligen Stapel Skizzen ein fertiges Lehrbuch zu machen DasTeam von Garland Science das diese Umsetzung leitete war uumlberragend DeniseSchanck die die Arbeiten leitete zeigte die gesamte Zeit uumlber Geduld Ver-staumlndnis Fingerspitzengefuumlhl und Tatkraft Sie leitete uns alle zielsicher unter-stuumltzt von Allie Bochicchio und Janette Scobie Nigel Orme uumlberwachte unserumgestaltetes Illustrationsprogramm brachte alle Grafiken in ihre endguumlltigeForm und verbesserte mit seinem grafischen Talent den ruumlckseitigen Einband[der Originalausgabe Foto bei bdquoDie Autorenldquo] Tiago Barros half unsere Dar-

XII Vorwort

stellung von Proteinstrukturen zu aktualisieren Matthew McClements entwarfdas Buch und seine Titelseite Emma Jeffcock gestaltete wieder die letzten Seitenmanagte endlose Korrekturdurchgaumlnge und Aumlnderungen in letzter Minute mitbemerkenswerter Kompetenz und Geduld Georgina Lucas half ihr dabeiMichael Morales schuf mit Unterstuumltzung von Leah Christians ein komplexesNetz aus Videos Animationen und anderen Materialien die das Herzstuumlck derzu diesem Lehrbuch dazugehoumlrenden Online-Quellen bilden Adam Sendroffversorgte uns mit wertvoller Information von Lesern aus aller Welt die Ruumlck-meldungen gegeben hatten Elizabeth Zayatz und Sherry Granum Lewis uumlber-wachten als Developmental Editor das Manuskript Jo Clayton fungierte alsCopyeditor und Sally Huish las Korrektur Bill Johncocks erstellte den Index InLondon versorgte uns Emily Preece waumlhrend wir vom Garland Team waumlhrendder gesamten Uumlberarbeitungszeit in jeder Hinsicht professionelle Hilfe Kennt-nisse und Energie in Kombination mit Freundschaft erhielten Das machte dengesamten Prozess zu einem Vergnuumlgen Die Autoren sind ausgesprochen gluumlck-lich dass sie so groszligzuumlgig versorgt wurden

Wir danken unseren Ehepartnern Familien Freunden und Kollegen fuumlr Ihreanhaltende Unterstuumltzung die es wieder einmal moumlglich gemacht hat dass diesesBuch geschrieben werden konnte

Als wir diese Auflage gerade fertiggestellt hatten erlag Julian Lewis unserKoautor Freund und Kollege seinem Krebsleiden gegen das er zehn Jahre langso heroisch gekaumlmpft hatte Seit 1979 trug Julian in groszligem Umfang zu allensechs Auflagen bei Er war unser wortgewandtester Schreiber und brachtesowohl den Stil als auch den Ton all der vielen Kapitel die er bearbeitete aufein hohes Niveau Er war bekannt fuumlr seine sorgfaumlltige wissenschaftlich exakteVorgehensweise Sein Schreiben war von Klarheit und Schlichtheit gepraumlgtJulian ist unersetzbar und wir werden alle seine Freundschaft und Zusammen-arbeit schmerzlich vermissen Die sechste Auflage widmen wir seinem An-denken

Vorwort XIII

Inhaltsuumlbersicht

Besondere Uumlbersichten XVIIAusfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis XIXDanksagung XLVIIHinweise fuumlr den Leser LIX

Einfuumlhrung in die Zelle Teil I1 Zellen und Genome 12 Zellchemie und Bioenergetik 493 Proteine 121

Genetische Grundmechanismen Teil II4 DNA Chromosomen und Genome 1935 Replikation Reparatur und Rekombination von DNA 2656 Wie Zellen das Genom ablesen von der DNA zum Protein 3337 Kontrolle der Genexpression 411

Methoden fuumlr die Arbeit mit Zellen Teil III8 Untersuchung von Zellen Molekuumllen und Systemen 4919 Das Abbild der Zellen 595

Die innere Organisation der Zelle Teil IV10 Der Aufbau der Membran 63511 Membrantransport kleiner Molekuumlle und elektrische

Eigenschaften von Membranen 67112 Zellkompartimente und Proteinsortierung 72313 Intrazellulaumlrer Membranverkehr 78514 Energieumwandlung Mitochondrien und Chloroplasten 85315 Zellsignaluumlbertragung 91916 Das Cytoskelett 100517 Zellzyklus 108718 Der Zelltod 1155

Zellen in ihrem sozialen Umfeld Teil V19 Zellverbindungen und die extrazellulaumlre Matrix 117120 Krebs 123521 Die Entwicklung vielzelliger Organismen 129722 Stammzellen und Gewebeerneuerung 138123 Krankheitserreger und Infektion 143524 Angeborene und adaptive Immunsysteme 1475

Glossar 1529Register 1579

XVI Inhaltsuumlbersicht

Besondere Uumlbersichten

Tabelle 1ndash1 Die Zahl der Genfamilien eingeteilt nach Funktionen die allen drei Reichen derLebewesen gemeinsam sind 25

Tabelle 1ndash2 Einige Modellorganismen und ihre Genome 33Tabelle 2ndash1 Kovalente und nichtkovalente chemische Bindungen 55Tabelle 2ndash2 Beziehung zwischen der Aumlnderung der Freien Standardenergie ΔG0 und der

Gleichgewichtskonstanten K 85Tabelle 2ndash3 Einige aktivierte Traumlgermolekuumlle die haumlufig im Stoffwechsel verwendet werden 92Tafel 2ndash1 Chemische Bindung und die haumlufigsten Gruppen in biologischen Molekuumllen 52ndash53Tafel 2ndash2 Wasser und sein Einfluss auf das Verhalten biologischer Molekuumlle 56ndash57Tafel 2ndash3 Die Haupttypen schwacher nichtkovalenter Bindungen die Makromolekuumlle

zusammenhalten 60ndash61Tafel 2ndash4 Ein Uumlberblick uumlber die Zuckerarten die gewoumlhnlich in Zellen gefunden werden 64ndash65Tafel 2ndash5 Fettsaumluren und andere Lipide 68ndash69Tafel 2ndash6 Eine Uumlbersicht uumlber die Nukleotide 72ndash73Tafel 2ndash7 Freie Energie und biologische Reaktionen 82ndash83Tafel 2ndash8 Details der 10 Stufen der Glykolyse 100ndash101Tafel 2ndash9 Der vollstaumlndige Zitronensaumlurezyklus 110ndash111Tabelle 3ndash1 Einige haumlufige Enzymtypen 157Tabelle 3ndash2 Viele Vitaminderivate sind wichtige Coenzyme fuumlr Zellen des Menschen 164Tabelle 3ndash3 Einige Molekuumlle die kovalent mit Proteinen verbunden werden regulieren die

Proteinfunktion 185Tafel 3ndash1 Die 20 an der Synthese von Proteinen beteiligten Aminosaumluren 122ndash123Tafel 3ndash2 Einige Methoden die zur Untersuchung von Enzymen benutzt werden 158ndash159Tabelle 4ndash1 Wesentliche Kennzahlen des Humangenoms 205Tabelle 5ndash1 Drei Replikationsschritte gewaumlhren die hohe Genauigkeit der DNA-Replikation 273Tabelle 5ndash2 Erbkrankheiten mit Defekten in der DNA-Reparatur 297Tabelle 5ndash3 Endogene DNA-Laumlsionen die in einer diploiden Saumlugerzelle in 24 Stunden

entstehen und repariert werden 298Tabelle 5ndash4 Drei Hauptklassen transponierbarer Elemente 322Tabelle 6ndash1 Hauptklassen von zellulaumlren RNAs 340Tabelle 6ndash2 Die drei RNA-Polymerasen in eukaryotischen Zellen 345Tabelle 6ndash3 Allgemeine Transkriptionsfaktoren die zur Initiation der Transkription durch

die eukaryotische RNA-Polymerase II noumltig sind 346Tabelle 6ndash4 Inhibitoren der Protein- oder RNA-Synthese 393Tabelle 6ndash5 Einige biochemische Reaktionen die von Ribozymen katalysiert werden koumlnnen 406Tafel 7ndash1 Uumlbliche Strukturmotive in Transkriptionsregulatoren 420ndash421Tabelle 8ndash1 Einige haumlufig verwendete Zelllinien 496Tafel 8ndash1 DNA-SEQUENZIERUNG 536ndash539Tafel 8ndash2 Uumlbersicht zur klassischen Genetik 544ndash545

Tabelle 10ndash1 Ungefaumlhre Lipidzusammensetzung verschiedener Zellmembranen 642Tabelle 11ndash1 Vergleich der Ionenkonzentrationen innerhalb und auszligerhalb einer typischen

Saumlugetierzelle 672Tafel 11ndash1 Die Ableitung der Nernstrsquoschen Gleichung 692Tabelle 12ndash1 Relative Volumina die von den Hauptkompartimenten einer Leberzelle

(Hepatocyt) eingenommen werden 725Tabelle 12ndash2 Relative Anteile verschiedener Membransorten in zwei unterschiedlichen

eukaryotischen Zelltypen 726Tabelle 12ndash3 Einige typische Signalsequenzen 731Tabelle 13ndash1 Subzellulaumlre Lokalisation einiger Rab-Proteine 797Tabelle 14ndash1 Produktausbeuten aus der Oxidation von Zuckern und Fetten 877Tabelle 14ndash2 Relative Mengen von Organellen-DNA in einigen Zellen und Geweben 907Tabelle 14ndash3 Einige Unterschiede zwischen dem bdquouniversellenldquo Code und den mitochon-

drialen genetischen Codes 911Tafel 14ndash1 Redoxpotenziale 866Tabelle 15ndash1 Einige hormoninduzierte durch cyclisches AMP vermittelte Zellantworten 944Tabelle 15ndash2 Einige Zellantworten bei denen GPCRs Phospholipase C-β aktivieren 946Tabelle 15ndash3 Vier Hauptfamilien der trimeren G-Proteine 957Tabelle 15ndash4 Einige Signalproteine die uumlber RTKs wirken 961Tabelle 15ndash5 Die Ras-Superfamilie monomerer GTPasen 966Tabelle 15ndash6 Einige extrazellulaumlre Signalproteine die uumlber Cytokin-Rezeptoren und den

JAKndashSTAT-Signalweg wirken 977Tabelle 16ndash1 Aktin- und Mikrotubuli-Hemmstoffe 1022Tabelle 16ndash2 Die Hauptarten der Intermediaumlrfilamentproteine in Wirbeltierzellen 1066Tafel 16ndash1 Die drei Haupttypen der das Cytoskelett bildenden Proteinfilamente 1007Tafel 16ndash2 Polymerisierung von Aktin und Tubulin 1018ndash1019Tafel 16ndash3 Aktinfilamente 1023Tafel 16ndash4 Mikrotubuli 1054Tabelle 17ndash1 Die wichtigsten Cycline und Cdks in Wirbeltieren und in der Sprosshefe 1094Tabelle 17ndash2 Zusammenfassung der wichtigsten Zellzyklus-Kontrollproteine 1098Tafel 17ndash1 Die wichtigsten Phasen der M-Phase (Mitose und Cytokinese) in einer

tierischen Zelle 1104ndash1105Tabelle 19ndash1 Ankerverbindungen 1173Tabelle 19ndash2 Einige Kollagenarten und ihre Eigenschaften 1203Tabelle 19ndash3 Einige Integrin-Isoformen 1219Tabelle 20ndash1 Einige genetische Anomalien die in Krebszellen aus Kolon und Rektum

nachgewiesen wurden 1273Tabelle 20ndash2 Viren die mit Krebserkrankungen des Menschen assoziiert sind 1281Tabelle 22ndash1 Blutzellen 1409Tabelle 23ndash1 Viren die Erkrankungen beim Menschen hervorrufen 1447Tabelle 24ndash1 Einige Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) 1479Tabelle 24ndash2 Die Eigenschaften der fuumlnf Antikoumlrperklassen des Menschen 1500Tabelle 24ndash3 Die Eigenschaften der Klasse-I- und Klasse-II-MHC-Proteine des Menschen 1515

XVIII Besondere Uumlbersichten

Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis

Einfuumlhrung in die Zelle Teil I1 Zellen und Genome 111 Die allgemeinen Merkmale von Zellen auf der Erde 2

111 Alle Zellen speichern ihre Erbinformation im gleichenlinearen chemischen Code DNA 3

112 Alle Zellen replizieren ihre Erbinformation durchmatrizengesteuerte Polymerisation 3

113 Alle Zellen transkribieren Teile ihrer Erbinformation in diegleiche Zwischenform RNA 5

114 Alle Zellen verwenden Proteine als Katalysatoren 6

115 Alle Zellen uumlbersetzen RNA auf die gleiche Weise inProtein 8

116 Jedes Protein wird von einem spezifischen Gen codiert 8

117 Leben braucht Freie Energie 9

118 Alle Zellen arbeiten als biochemische Fabriken diedie gleichen Grundbausteine handhaben 10

119 Alle Zellen sind von einer Plasmamembran umgebendurch die hindurch Naumlhrstoffe und Abfallstoffe passierenmuumlssen 10

1110 Eine lebende Zelle kann mit weniger als 500 Genen aus-kommen 11

Zusammenfassung 11

12 Die Vielfalt der Genome und der Stammbaum desLebens 12

121 Zellen koumlnnen durch verschiedene Quellen Freier Energieangetrieben werden 12

122 Manche Zellen fixieren fuumlr andere Stickstoff und Kohlen-dioxid 14

123 Die groumlszligte biochemische Diversitaumlt kommt bei Pro-karyotenzellen vor 15

124 Der Stammbaum des Lebens hat drei Hauptaumlste BakterienArchaeen und Eukaryoten 16

125 Manche Gene haben sich schnell evolviert andere sindhoch konserviert 17

126 Die meisten Bakterien und Archaeen besitzen1000 bis 6000 Gene 19

127 Neue Gene werden aus bereits vorhandenen Genenerzeugt 19

128 Genverdoppelung laumlsst Familien verwandter Gene in einereinzigen Zelle entstehen 20

129 Gene koumlnnen zwischen Organismen uumlbertragen werden ndashsowohl im Laboratorium als auch in der Natur 21

1210 Sexuelle Fortpflanzung fuumlhrt zu horizontalem Austauschvon genetischer Information innerhalb einer Spezies 23

1211 Die Funktion eines Gens laumlsst sich oft aus seinerSequenz ableiten 23

1212 Mehr als 200 Genfamilien sind allen drei Hauptaumlstenim Stammbaum des Lebens gemein 24

1213 Mutationen verraten die Funktionen von Genen 24

1214 Molekularbiologie fing mit der Fokussierung aufE coli an 26

Zusammenfassung 27

13 Genetische Information bei Eukaryoten 27

131 Eukaryotenzellen koumlnnten als Raumluber entstanden sein 28

132 Heutige Eukaryotenzellen entwickelten sich durch eineSymbiose 29

133 Eukaryoten haben zusammengesetzte Genome 32

134 Eukaryoten-Genome sind groszlig 32

135 Eukaryoten-Genome enthalten viel Kontroll-DNA 33

136 Das Genom definiert das Programm der ontogenetischenEntwicklung eines Vielzellers 34

137 Viele Eukaryoten leben als Einzelzellen 35

138 Eine Hefe dient als Minimalmodell-Eukaryot 36

139 Die Expressionsstaumlrke aller Gene eines Organismus kanngleichzeitig gemessen werden 37

1310 Arabidopsis wurde unter 300000 Spezies als Modellpflanzeausgewaumlhlt 37

1311 Die Welt der Tierzellen wird durch einen Wurm eineFliege einen Fisch eine Maus und den Menschen reprauml-sentiert 38

1312 Untersuchungen an Drosophila liefern einen Schluumlssel zurWirbeltier-Ontogenese 38

1313 Das Vertebraten-Genom ist ein Produkt wiederholterDuplikationen 40

1314 Der Frosch und der Zebrafisch liefern leicht zugaumlnglicheModelle fuumlr die Wirbeltierentwicklung 41

1315 Die Maus ist der vorherrschende Modellorganismusfuumlr Saumlugetiere 41

1316 Menschen berichten uumlber ihre eigenen Eigenheiten 43

1317 Wir alle unterscheiden uns in Einzelheiten 44

1318 Um Zellen zu verstehen brauchen wir MathematikComputer und quantitative Information 44

Zusammenfassung 45

Was wir nicht wissen 46

Literatur 46

2 Zellchemie und Bioenergetik 4921 Die chemischen Bestandteile einer Zelle 49

211 Wasser wird uumlber Wasserstoffbruumlcken zusammen-gehalten 49

212 Vier Arten nichtkovalenter Anziehungen tragen dazu beiMolekuumlle in Zellen zusammenzubringen 51

213 Einige polare Molekuumlle sind in Wasser Saumluren undBasen 54

214 Zellen sind aus Kohlenstoffverbindungen aufgebaut 55

215 Zellen enthalten vier Hauptfamilien kleiner organi-scher Molekuumlle 58

216 Die Chemie von Zellen wird von Makromolekuumllen mitbemerkenswerten Eigenschaften beherrscht 59

217 Nichtkovalente Bindungen spezifizieren sowohl die exakteForm eines Makromolekuumlls als auch dessen Bindung anandere Molekuumlle 62

Zusammenfassung 63

22 Katalyse und Energienutzung durch Zellen 66

221 Der Zellstoffwechsel wird durch Enzyme organisiert 66

222 Biologische Ordnung wird durch Freisetzen von Waumlr-meenergie aus Zellen moumlglich 67

223 Zellen gewinnen Energie durch die Oxidation organischerMolekuumlle 74

224 Bei Oxidation und Reduktion finden Elektronenuumlber-tragungen statt 75

225 Enzyme erniedrigen die Aktivierungsenergiebarrierendie chemische Reaktionen uumlberspringen muumlssen 76

226 Enzyme koumlnnen Substratmolekuumlle entlang spezifischerReaktionswege treiben 78

227 Wie Enzyme ihre Substrate finden die enorme Ge-schwindigkeit molekularer Bewegungen 78

228 Die Aumlnderung der Freien Energie ΔG in einer Reaktionbestimmt ob sie spontan ablaufen kann 80

229 Die Konzentration der Reaktionspartner beeinflusst ΔGund die Richtung der Reaktion 80

2210 Die Aumlnderung der Freien Energie ΔG0 ermoumlglicht denVergleich der Energetik verschiedener Reaktionen 81

2211 Die Gleichgewichtskonstante und ΔG0 lassen sich leichtvoneinander ableiten 81

2212 Bei gekoppelten Reaktionen summieren sich dieAumlnderungen der Freien Energie 85

2213 Aktivierte Transportermolekuumlle sind fuumlr Biosynthesenwichtig 86

2214 Die Bildung eines aktivierten Transporters ist an eineenergetisch guumlnstige Reaktion gekoppelt 86

2215 ATP ist das meistverwendete aktivierte Transporter-molekuumll 87

2216 In ATP gespeicherte Energie wird haumlufig genutztum zwei Molekuumlle zu verknuumlpfen 88

2217 NADH und NADPH sind wichtige Elektronen-transporter 89

2218 Es gibt noch weitere aktivierte Transportmolekuumlle inZellen 91

2219 Die Synthese von Biopolymeren wird durch dieATP-Hydrolyse angetrieben 93

Zusammenfassung 96

23 Wie Zellen Energie aus Nahrung gewinnen 97

231 Die Glykolyse ist der zentrale ATP-erzeugende Stoff-wechselweg 97

232 Gaumlrungen erzeugen ATP in Abwesenheit von Sauer-stoff 99

233 Die Glykolyse zeigt wie Enzyme Oxidation und Energie-speicherung koppeln 99

234 Organismen lagern Nahrungsmolekuumlle in speziellenSpeichern 104

235 Zwischen den Mahlzeiten gewinnen die meisten tierischenZellen ihre Energie aus Fettsaumluren 107

236 Sowohl Zucker als auch Fette werden in denMitochondrien zu Acetyl-CoA abgebaut 107

237 Der Zitronensaumlurezyklus erzeugt NADH durch Oxidationvon Acetylgruppen zu CO2 109

238 In den meisten Zellen treibt der Elektronentransport dieSynthese der Hauptmenge von ATP an 114

239 Aminosaumluren und Nukleotide sind Teil des Stickstoff-kreislaufs 114

2310 Der Stoffwechsel ist hoch geordnet und geregelt 116

Zusammenfassung 117


Literatur 118

3 Proteine 12131 Form und Struktur von Proteinen 121

311 Die Form eines Proteins wird durch seine Aminosaumlure-sequenz bestimmt 121

312 Proteine falten sich zur Konformation mit der geringstenEnergie 125

313 Die α-Helix und das β-Faltblatt sind allgemeine Faltungs-muster 128

XX Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis

314 Proteindomaumlnen sind Module aus denen groumlszligere Proteineaufgebaut werden 130

315 Nur wenige der vielen moumlglichen Polypeptidketten sindbrauchbar 131

316 Proteine koumlnnen in viele Familien eingeteilt werden 132

317 Manche Proteindomaumlnen sind in vielen verschiedenenProteinen zu finden 134

318 Bestimmte Domaumlnenpaare kommen in vielen Proteinenzusammen vor 135

319 Das Genom des Menschen codiert fuumlr einen komplexenSatz von Proteinen der noch viel Unbekanntes zur Erklauml-rung offen laumlsst 136

3110 Groumlszligere Proteinmolekuumlle enthalten oft mehr als einePolypeptidkette 136

3111 Einige Proteine bilden lange helikale Filamente 137

3112 Viele Proteinmolekuumlle haben eine lange Faserform 138

3113 Proteine enthalten einen uumlberraschend groszligen Anteil an insich ungeordneter Polypeptidkette 139

3114 Extrazellulaumlre Proteine werden durch kovalente Ver-netzung stabilisiert 141

3115 Proteinmolekuumlle dienen oft als Untereinheiten fuumlr denZusammenbau groszliger Strukturen 141

3116 Viele Strukturen in der Zelle koumlnnen sich selbststaumlndigzusammenbauen 142

3117 Die Ausbildung komplexer biologischer Strukturen wirdoft durch Hilfsfaktoren unterstuumltzt 144

3118 Amyloidfibrillen koumlnnen sich aus vielen Proteinenbilden 145

3119 Amyloidstrukturen koumlnnen in Zellen nuumltzliche Funktionenerfuumlllen 146

3120 Viele Proteine enthalten Domaumlnen von geringer Komple-xitaumlt die bdquoreversible Amyloideldquo bilden koumlnnen 147

Zusammenfassung 149

32 Proteinfunktion 149

321 Alle Proteine binden an andere Molekuumlle 149

322 Die Oberflaumlchenkonformation eines Proteins bestimmtseine chemischen Eigenschaften 151

323 Sequenzvergleiche zwischen Mitgliedern von Protein-familien decken entscheidende Liganden-Bindungsstellenauf 152

324 Proteine binden uumlber verschiedene Grenzflaumlchen-Typen anandere Proteine 153

325 Die Bindungsstellen von Antikoumlrpern sind besondersvielseitig 153

326 Die Bindungsstaumlrke wird durch die Gleichgewichts-konstante gemessen 155

327 Enzyme sind wirkungsvolle und hoch spezifischeKatalysatoren 156

328 Die Substratbindung ist der erste Schritt der Enzym-katalyse 157

329 Enzyme beschleunigen Reaktionen durch selektiveStabilisierung von Uumlbergangszustaumlnden 160

3210 Enzyme koumlnnen Saumlure- und Basen-Katalyse gleichzeitigeinsetzen 160

3211 Lysozym veranschaulicht wie ein Enzym arbeitet 161

3212 Fest gebundene kleine Molekuumlle verleihen Proteinenzusaumltzliche Funktionen 163

3213 Multienzymkomplexe helfen die Geschwindigkeit desZellstoffwechsels zu steigern 165

3214 Die Zelle reguliert die katalytischen Aktivitaumlten ihrerEnzyme 167

3215 Allosterische Enzyme besitzen zwei oder mehr wechsel-wirkende Bindungsstellen 168

3216 Zwei Liganden mit gekoppelten Bindungsstellen beein-flussen ihre Bindungen gegenseitig 169

3217 Symmetrische Proteinaggregate erzeugen kooperativeallosterische Uumlbergaumlnge 170

3218 Viele Aumlnderungen in Proteinen werden durch Phosphory-lierung bewirkt 171

3219 Eine Eukaryotenzelle enthaumllt eine groszlige Vielfalt vonProtein-Kinasen und Protein-Phosphatasen 172

3220 Die Kontrolle der Src-Protein-Kinase zeigt wie ein Proteinals Mikroprozessor fungieren kann 174

3221 Proteine die GTP binden und hydrolysieren sindallgegenwaumlrtige Zell-Regulatoren 175

3222 Die Regulationsproteine GAP und GEF kontrollierendie Aktivitaumlt von GTP-bindenden Proteinen indem siebestimmen ob GTP oder GDP gebunden wird 176

3223 Proteine koumlnnen durch kovalentes Anfuumlgen andererProteine kontrolliert werden 176

3224 Ein ausgefeiltes Ubiquitin-Konjugationssystem wird zurProteinmarkierung eingesetzt 177

3225 Proteinkomplexe mit austauschbaren Teilen nutzen diegenetische Information effizient 178

3226 Ein GTP-bindendes Protein zeigt wie groszlige Protein-bewegungen erzeugt werden koumlnnen 179

3227 Motorproteine erzeugen groszlige Bewegungen inZellen 180

3228 Membrangebundene Transporter pumpen unter Energie-verbrauch Molekuumlle durch Membranen 182

3229 Proteine bilden oft groszlige Komplexe die als Protein-maschinen fungieren 183

3230 Geruumlste konzentrieren wechselwirkende Protein-saumltze 184

3231 Viele Proteine werden durch kovalente Modifikationenkontrolliert die sie zu spezifischen Stellen innerhalb derZelle lenken 185

Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis XXI

3232 Der Zellfunktion liegen komplexe Netzwerke von Protein-wechselwirkungen zugrunde 186

Zusammenfassung 189


Literatur 190

Genetische Grundmechanismen Teil II4 DNA Chromosomen und Genome 19341 Struktur und Funktion von DNA 195

411 Ein DNA-Molekuumll besteht aus zwei komplementaumlrenNukleotidketten 195

412 Die Struktur der DNA bietet einen Mechanismus fuumlr dieVererbung 198

413 Bei Eukaryoten ist die DNA in einem Zellkern einge-schlossen 199

Zusammenfassung 200

42 Chromosomale DNA und ihre Verpackung in derChromatinfaser 200

421 Die DNA von Eukaryoten ist in einen Satz von Chromo-somen verpackt 201

422 Chromosomen enthalten lange Ketten von Genen 203

423 Die Nukleotidsequenz des menschlichen Genoms zeigtwie Gene angeordnet sind 205

424 Jedes DNA-Molekuumll das ein lineares Chromosom bildetmuss ein Centromer zwei Telomere und Replikations-urspruumlnge enthalten 206

425 DNA-Molekuumlle sind in den Chromosomen hoch verdich-tet 208

426 Nukleosomen sind die Grundeinheiten der Chromoso-menstruktur bei Eukaryoten 208

427 Die Struktur des Nukleosomkernpartikels zeigt die Ver-packung der DNA 210

428 Nukleosomen haben eine dynamische Struktur und sindhaumlufig Veraumlnderungen unterworfen die von ATP-abhaumln-gigen Chromatin-Umformungskomplexen katalysiertwerden 212

429 Nukleosomen werden gewoumlhnlich zusammen in einekompakte Chromatinfaser gepackt 214

Zusammenfassung 215

43 Die Struktur und Funktion von Chromatin 216

431 Heterochromatin ist hoch geordnet und ungewoumlhnlichwiderstandsfaumlhig gegenuumlber der Genexpression 216

432 Die Heterochromatinstruktur breitet sich selbst aus 217

433 Die Kernhistone werden an vielen verschiedenen Stellenkovalent modifiziert 218

434 Chromatin erhaumllt eine zusaumltzliche Vielfalt durch ort-spezifisches Einfuumlgen einer kleinen Reihe von Histon-varianten 220

435 Kovalente Modifikationen und Histonvarianten arbeitenzusammen um Chromosomenfunktionen zu steuern 221

436 Ein Komplex aus Leser- und Schreiber-Proteinen kannspezifische Chromatinmodifikationen entlang einesChromosoms ausbreiten 223

437 DNA-Sperrsequenzen blockieren die Ausbreitung von Le-ser-Schreiber-Komplexen und trennen dadurch benach-barte Chromatindomaumlnen 225

438 Das Chromatin in Centromeren verraumlt wie Histon-varianten spezielle Strukturen erzeugen koumlnnen 226

439 Manche Chromatinstrukturen koumlnnen direkt vererbtwerden 227

4310 Experimente mit Froschembryonen legen nahe dass so-wohl aktivierende als auch repressive Chromatinstrukturenepigenetisch vererbt werden koumlnnen 228

4311 Chromatinstrukturen sind fuumlr die Funktion eukaryotischerChromosomen wichtig 229

Zusammenfassung 230

44 Die Gesamtstruktur der Chromosomen 231

441 Chromosomen sind zu groszligen Chromatinschleifengefaltet 231

442 Polytaumlnchromosomen sind von einmaligem Nutzen umChromatinstrukturen sichtbar zu machen 233

443 Es gibt viele Chromatinformen 235

444 Chromatinschleifen dekondensieren wenn die in ihnenliegenden Gene exprimiert werden 235

445 Chromatin kann an bestimmte Stellen im Zellkern wan-dern um die Genexpression zu veraumlndern 237

446 Netzwerke aus Makromolekuumllen bilden eine Reiheindividueller biochemischer Umgebungen innerhalb desZellkerns 237

447 Mitosechromosomen sind besonders hochkondensiert 239

Zusammenfassung 240

45 Wie sich Genome entwickeln 241

451 Genomvergleiche verraten funktionelle DNA-Sequenzendurch deren Konservierung waumlhrend der Evolution 242

452 Aumlnderungen im Genom werden durch Fehler bei dennormalen Kopier- und Erhaltungsmechanismen der DNAsowie durch springende DNA-Elemente verursacht 242

XXII Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis

453 Die Genomsequenzen zweier Spezies unterscheidensich im Verhaumlltnis zur Dauer ihrer getrenntenEntwicklung 243

454 Durch DNA-Vergleiche erstellte Stammbaumlume zeichnendie Verwandtschaft aller Lebewesen nach 245

455 Ein Vergleich der Chromosomen von Mensch und Mauszeigt wie sich die Strukturen des Genoms auseinander-entwickeln 246

456 Die Groumlszlige eines Wirbeltiergenoms spiegelt die relativeGeschwindigkeit der DNA-Ergaumlnzung und des DNA-Verlusts in einer Abstammungslinie wider 248

457 Wir koumlnnen die Sequenz einiger ehemaliger Genome ab-leiten 249

458 Sequenzvergleiche vieler Spezies identifizieren konser-vierte DNA-Sequenzen unbekannter Funktion 250

459 Veraumlnderungen in zuvor konservierten Sequenzen koumlnnenmithelfen die entscheidenden Schritte in der Evolution zuentziffern 252

4510 Mutationen in den DNA-Sequenzen die die Genexpres-sion kontrollieren haben viele evolutive Veraumlnderungen inWirbeltieren angetrieben 253

4511 Die Duplikation eines Gens liefert auch eine wich-tige Quelle fuumlr genetische Neuerungen waumlhrend derEvolution 254

4512 Duplizierte Gene divergieren 254

4513 Die Evolution der Globin-Genfamilie zeigt den Beitrag vonDNA-Duplikationen zur Evolution der Organismen 256

4514 Gene die fuumlr neue Proteine codieren koumlnnen durchRekombination von Exons entstehen 257

4515 Neutrale Mutationen breiten sich oft aus und werden ineiner Population mit einer Wahrscheinlichkeit fixiert dievon der Populationsgroumlszlige abhaumlngt 258

4516 Aus den Variationsanalysen beim Menschen kann maneine ganze Menge lernen 259

Zusammenfassung 261


Literatur 262

5 Replikation Reparatur und Rekombina-tion von DNA 265

51 Die Erhaltung der DNA-Sequenzen 265

511 Mutationsraten sind sehr niedrig 265

512 Geringe Mutationsraten sind unerlaumlsslich fuumlr das Lebenwie wir es kennen 266

Zusammenfassung 267

52 Mechanismen der DNA-Replikation 268

521 Basenpaarung ist die Grundlage fuumlr die DNA-Replikationund die DNA-Reparatur 269

522 Die Replikationsgabel ist unsymmetrisch 269

523 Die hohe Genauigkeit der DNA-Replikation verlangtmehrere bdquoKorrekturleseldquo-Mechanismen 271

524 Nur die DNA-Replikation in 5primerarr3prime-Richtung ermoumlglichteine wirksame Fehlerkorrektur 272

525 Ein besonderes nukleotidpolymerisierendes Enzymsynthetisiert am Folgestrang kurze RNA-Primermole-kuumlle 273

526 Besondere Proteine helfen die DNA-Doppelhelix vor derReplikationsgabel zu oumlffnen 274

527 Ein gleitender Ring haumllt die wandernde DNA-Polymerasean der DNA fest 275

528 Die Proteine an der Replikationsgabel wirken zusammenals bdquoReplikationsmaschineldquo 276

529 Ein stranggesteuertes Fehlpaarungs-Korrekturlesesystementfernt Replikationsfehler die der Replikationsmaschineentgehen 278

5210 DNA-Topoisomerasen verhindern dass sich die DNAwaumlhrend der Replikation verknaumlult 280

5211 Die DNA-Replikation verlaumluft in Eukaryoten und Bakteriengrundsaumltzlich aumlhnlich 281

Zusammenfassung 282

53 Die Initiation und Vollendung der DNA-Replikationder Chromosomen 282

531 DNA-Synthese beginnt an Replikationsurspruumlngen 283

532 Bakterielle Chromosomen haben einen einzigen Replika-tionsursprung 283

533 Eukaryotische Chromosomen haben mehrere Replika-tionsurspruumlnge 285

534 Bei Eukaryoten findet die DNA-Replikation nur waumlhrendeiner Phase des Zellzyklus statt 287

535 Verschiedene Abschnitte desselben Chromosoms werdenzu unterschiedlichen Zeiten in der S-Phase repliziert 287

536 Ein groszliger Komplex aus vielen Untereinheiten bindet anden eukaryotischen Replikationsursprung 288

537 Eigenschaften des menschlichen Genoms die Replika-tionsurspruumlnge definieren sind noch zu entdecken 290

538 Hinter der Replikationsgabel werden neue Nukleosomenzusammengebaut 290

539 Die Telomerase repliziert Chromosomenenden 292

5310 Telomere sind in spezialisierten Strukturen verpackt diedie Chromosomenenden schuumltzen 293

5311 Die Laumlnge der Telomere wird von Zellen und Organismenreguliert 294

Zusammenfassung 295

54 DNA-Reparatur 296

541 Ohne DNA-Reparatur wuumlrden spontane DNA-Schaumlden dieDNA-Sequenz schnell veraumlndern 297

542 Die DNA-Doppelhelix wird schnell repariert 299

Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis XXIII

543 DNA-Schaumlden koumlnnen auf mehreren Wegen beseitigtwerden 300

544 Die Kopplung der Nukleotid-Exzisionsreparatur an dieTranskription gewaumlhrleistet dass die wichtigste DNA derZelle wirksam repariert wird 302

545 Die Chemie der DNA-Basen erleichtert die Erkennung vonSchaumlden 302

546 In Notfaumlllen werden spezielle Translaumlsions-DNA-Poly-merasen eingesetzt 304

547 Doppelstrangbruumlche werden mit hoher Effizienzrepariert 305

548 DNA-Schaumldigungen halten den Zellzyklus auf 307

Zusammenfassung 308

55 Homologe Rekombination 308

551 Die homologe Rekombination hat in allen Zellen gemein-same Merkmale 309

552 Die DNA-Basenpaarung lenkt die homologe Rekom-bination 309

553 Die homologe Rekombination kann fehlerfrei Doppel-strangbruumlche der DNA reparieren 310

554 Der Strangaustausch wird durch das RecARad51-Proteinausgefuumlhrt 312

555 Homologe Rekombination kann gebrochene DNA-Replikationsgabeln retten 313

556 Zellen regulieren sorgfaumlltig die Verwendung der homo-logen Rekombination bei der DNA-Reparatur 313

557 Homologe Rekombination ist fuumlr die Meiose ent-scheidend 315

558 Die meiotische Rekombination beginnt mit einemprogrammierten Doppelstrangbruch 315

559 Waumlhrend der Meiose kommt es zu Holliday-Junctions 317

5510 Homologe Rekombination erzeugt waumlhrend der Meiosesowohl Crossing-over als auch Nicht-Crossing-over 318

5511 Die homologe Rekombination hat oft eine Genkonversionzur Folge 319

Zusammenfassung 320

56 Transposition und konservative ortsspezifische Re-kombination 320

561 Durch Transposition koumlnnen bewegliche genetischeElemente in jede DNA-Sequenz eingebaut werden 321

562 DNA-only-Transposons koumlnnen sich durch Collage-(Cut-and-Paste)-Mechanismen bewegen 322

563 Manche Viren nutzen einen Transpositionsmechanismusum sich in die Chromosomen der Wirtszelle einzunisten323

564 Retrovirusartige Retrotransposons aumlhneln Retrovirenhaben aber keine Proteinhuumllle 324

565 Ein Groszligteil des menschlichen Genoms besteht aus nicht-retroviralen Retrotransposons 325

566 Unterschiedliche transponierbare Elemente uumlberwiegen inunterschiedlichen Organismen 325

567 Genomsequenzen lassen erkennen zu welchem un-gefaumlhren Zeitpunkt transponierbare Elemente sich bewegthaben 326

568 Die konservative ortsspezifische Rekombination kannDNA reversibel umordnen 326

569 Konservative ortsspezifische Rekombination kann ver-wendet werden um Gene ein- oder auszuschalten 328

5610 Bakterielle konservative ortsspezifische Rekombinasen sindein leistungsstarkes Werkzeug fuumlr Zell- und Entwicklungs-biologen 328

Zusammenfassung 329


Literatur 330

6 Wie Zellen das Genom ablesen von derDNA zum Protein 333

61 Von der DNA zur RNA 335

611 RNA-Molekuumlle sind einzelstraumlngig 336

612 Die Transkription erzeugt RNA die komplementaumlr zueinem der DNA-Straumlnge ist 337

613 RNA-Polymerasen fuumlhren die Transkription aus 338

614 Zellen stellen verschiedene Kategorien von RNA-Mole-kuumllen her 339

615 In der DNA enthaltene Signale teilen der RNA-Polymerasemit wo sie anfangen und aufhoumlren soll 340

616 Start- und Stopp-Signale sind in ihrer Nukleotidsequenzheterogen 342

617 Die Transkriptionsinitiation bei Eukaryoten benoumltigt vieleProteine 344

618 Die RNA-Polymerase II benoumltigt allgemeineTranskriptionsfaktoren 345

619 Die Polymerase II braucht auch einen Aktivator einenMediator und chromatinmodifizierende Proteine 347

6110 Die Verlaumlngerung bei der Transkription benoumltigtHilfsfaktoren 349

6111 Die Transkription erzeugt superhelikale Spannung 349

6112 Die Transkriptionselongation ist eng mit der RNA-Prozessierung gekoppelt 350

6113 RNA-Capping ist die erste Modifikation eukaryotischerprauml-mRNAs 352

6114 Intronsequenzen werden aus neu transkribiertenprauml-mRNAs durch RNA-Spleiszligen entfernt 353

6115 Nukleotidsequenzen markieren die Spleiszligstellen 355

6116 RNA-Spleiszligen wird durch Spleiszligosomen ausgefuumlhrt 356

XXIV Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis

6117 Das Spleiszligosom treibt mit der Hydrolyse von ATPeine komplexe Abfolge von RNAndashRNA-Umlagerungenan 356

6118 Andere Eigenschaften der prauml-mRNA und ihrer Synthesehelfen bei der Erklaumlrung wie die richtigen Spleiszligstellengewaumlhlt werden 358

6119 Die Chromatinstruktur beeinflusst das RNA-Spleiszligen 360

6120 RNA-Spleiszligen zeigt eine erstaunliche Flexibilitaumlt 360

6121 Spleiszligosom-katalysiertes RNA-Spleiszligen ist wahrscheinlichaus Selbstspleiszlig-Mechanismen entstanden 361

6122 RNA-Verarbeitungsenzyme erzeugen das 3prime-Endeeukaryotischer mRNAs 362

6123 Reife eukaryotische mRNAs werden selektiv aus dem Kernexportiert 363

6124 Die Synthese und das Bearbeiten vieler nicht codierenderRNAs erfolgen auch im Kern 365

6125 Der Nukleolus ist eine Ribosomenfabrik 367

6126 Der Kern enthaumllt eine Vielzahl subnukleaumlrerAggregate 369

Zusammenfassung 371

62 Von der RNA zum Protein 372

621 Eine mRNA wird in Nukleotid-Dreiergruppen ent-schluumlsselt 372

622 tRNA-Molekuumlle waumlhlen die zu den mRNA-Codonspassenden Aminosaumluren aus 373

623 tRNAs werden kovalent modifiziert bevor sie den Kernverlassen 375

624 Spezifische Enzyme koppeln jede Aminosaumlure an ihrentsprechendes tRNA-Molekuumll 375

625 Editieren durch RNA-Synthetasen sichert Genauig-keit 377

626 Aminosaumluren werden an das C-terminale Ende einerwachsenden Polypeptidkette angehaumlngt 379

627 Die Botschaft der RNA wird in Ribosomen ent-schluumlsselt 379

628 Elongationsfaktoren treiben die Translation voran undverbessern die Genauigkeit 383

629 Viele biologische Vorgaumlnge uumlberwinden die inhaumlrentenBeschraumlnkungen der komplementaumlren Basenpaarung 384

6210 Genauigkeit bei der Translation erfordert den EinsatzFreier Energie 385

6211 Das Ribosom ist ein Ribozym 386

6212 Nukleotidsequenzen in der mRNA geben an wo dieProteinsynthese beginnen soll 387

6213 Stopp-Codons markieren das Ende der Translation 389

6214 Proteine werden von Polyribosomen hergestellt 390

6215 Es gibt kleine Abweichungen vom genetischen Standard-code 391

6216 Inhibitoren der prokaryotischen Proteinsynthese werdenals Antibiotika eingesetzt 392

6217 Qualitaumltskontrollmechanismen verhindern die Translationbeschaumldigter mRNAs 393

6218 Manche Proteine beginnen sich schon waumlhrend ihrerSynthese zu falten 395

6219 Molekulare Chaperone betreuen die Faltung der meistenProteine 396

6220 Zellen verwenden mehrere Chaperonarten 397

6221 Exponierte hydrophobe Bereiche sind ein wichtiges Signalfuumlr die Proteinqualitaumltskontrolle 398

6222 Das Proteasom ist eine kompartimentierte Protease mitgesonderten Aktiven Zentren 399

6223 Viele Proteine werden durch geregelten Abbaukontrolliert 401

6224 Es sind viele Schritte von der DNA zum Protein 403

Zusammenfassung 404

63 Die RNA-Welt und die Urspruumlnge des Lebens 405

631 Einzelstraumlngige RNA-Molekuumlle koumlnnen sich zu hochkomplizierten Strukturen falten 405

632 RNA kann sowohl Informationen speichern als auchchemische Reaktionen katalysieren 406

633 Wie ist die Proteinsynthese entstanden 407

634 Alle heutigen Zellen verwenden DNA als Erb-material 408

Zusammenfassung 408


Literatur 409

7 Kontrolle der Genexpression 41171 Ein Uumlberblick uumlber die Genkontrolle 411

711 Die verschiedenen Zelltypen eines vielzelligen Organismusenthalten die gleiche DNA 411

712 Verschiedene Zelltypen synthetisieren einen unterschied-lichen Satz von RNAs 413

713 Signale von auszligen koumlnnen eine Zelle dazu veranlassen dieExpression ihrer Gene zu veraumlndern 414

714 Genexpression kann auf vielen Stufen der Informations-uumlbertragung von der DNA zur RNA zum Protein reguliertwerden 415

Zusammenfassung 415

72 Transkriptionskontrolle durch sequenzspezifischeDNA-Bindeproteine 416

721 Die Nukleotidsequenz in der DNA-Doppelhelix kann vonProteinen gelesen werden 416

722 Transkriptionsregulatoren enthalten Strukturmotive dieDNA-Sequenzen lesen koumlnnen 417

Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis XXV

723 Die Dimerisierung von Transkriptionsregulatoren erhoumlhtderen Affinitaumlt zu und Spezifitaumlt fuumlr DNA 418

724 Transkriptionsregulatoren binden kooperativ anDNA 419

725 Die Nukleosomenstruktur foumlrdert die kooperative Bindungvon Transkriptionsregulatoren 422

Zusammenfassung 423

73 Transkriptionsregulatoren schalten Gene anund aus 423

731 Der Tryptophanrepressor schaltet Gene aus 423

732 Repressoren schalten Gene ab und Aktivatoren schaltensie an 425

733 Ein Aktivator und ein Repressor kontrollieren dasLac-Operon 426

734 Waumlhrend der bakteriellen Genregulation kann es zurDNA-Schleifenbildung kommen 427

735 In Eukaryoten kontrollieren komplexe Schalter dieGentranskription 428

736 Eine eukaryotische Genkontrollregion besteht aus einemPromotor plus vielen Kontroll-DNA-Sequenzen 428

737 Eukaryotische Transkriptionsregulatoren arbeiten inGruppen 430

738 Aktivatorproteine foumlrdern den Aufbau der RNA-Polymerase am Transkriptionsstartpunkt 430

739 Eukaryotische Transkriptionsaktivatoren lenken dieModifizierung der lokalen Chromatinstruktur 431

7310 Transkriptionsaktivatoren koumlnnen die Transkriptiondadurch foumlrdern dass sie die RNA-Polymerase vonPromotoren freisetzen 433

7311 Transkriptionsaktivatoren arbeiten synergistisch 434

7312 Eukaryotische Transkriptionsrepressoren koumlnnen dieTranskription auf verschiedene Weise hemmen 435

7313 Isolator-DNA-Sequenzen verhindern dass eukaryotischeTranskriptionsregulatoren auf entfernte Gene Einflussnehmen 436

Zusammenfassung 437

74 Molekulargenetische Mechanismen die spezialisierteZelltypen schaffen und erhalten 437

741 Komplexe genetische Schalter die die Drosophila-Ent-wicklung regulieren sind aus kleineren Molekuumllen auf-gebaut 438

742 Das Eve-Gen von Drosophila wird durch kombinatorischeKontrollen reguliert 439

743 Transkriptionsregulatoren werden von extrazellulaumlrenSignalen ins Spiel gebracht 441

744 Kombinatorische Genkontrolle schafft viele verschiedeneZellarten 441

745 Spezialisierte Zellarten koumlnnen experimentell neuprogrammiert werden sodass sie zu pluripotentenStammzellen werden 443

746 Kombinationen von Transkriptions-Master-Regulatorenspezifizieren Zellarten indem sie die Expression vielerGene kontrollieren 444

747 Spezialisierte Zellen muumlssen rasch Gensaumltze anund ab-schalten 445

748 Differenzierte Zellen behalten ihre Identitaumlt bei 446

749 Transkriptionsschaltkreise erlauben der Zelle logischeOperationen auszufuumlhren 448

Zusammenfassung 450

75 Mechanismen die das Zellgedaumlchtnis in Pflanzen undTieren verstaumlrken 450

751 Das DNA-Methylierungsmuster kann bei der Teilung vonVertebratenzellen vererbt werden 450

752 CG-reiche Inseln sind bei Saumlugern mit vielen Genenassoziiert 453

753 Die genomische Praumlgung fuszligt auf der DNA-Methylie-rung 454

754 Chromosomenweite Aumlnderungen in der Chromatin-struktur koumlnnen vererbt werden 456

755 Epigenetische Mechanismen stellen sicher dass stabileMuster der Genexpression an Tochterzellen weitergegebenwerden 459

Zusammenfassung 460

76 Posttranskriptionale Kontrolle 461

761 Transkriptionsabschwaumlchung bewirkt eine vorzeitige Be-endigung der Transkription einiger RNA-Molekuumlle 461

762 Riboswitche stellen wahrscheinlich eine alte Form derGenkontrolle dar 462

763 Durch alternatives RNA-Spleiszligen koumlnnen verschiedeneFormen eines Proteins von ein und demselben Gen ent-stehen 463

764 Die Definition eines Gens wurde nach der Entdeckung desalternativen RNA-Spleiszligens geaumlndert 465

765 Eine Aumlnderung der Stelle der RNA-Transkriptspaltung undder Polyadenylierung kann den carboxyterminalen Bereicheines Proteins veraumlndern 465

766 RNA-Editierung kann den Inhalt der RNA-Botschaftveraumlndern 466

767 Der Transport der RNA aus dem Zellkern kannkontrolliert werden 468

768 Einige mRNAs sind besonderen Regionen des Cytosolszugeordnet 470

769 Die 5prime- und 3prime-untranslatierten Bereiche der mRNAskontrollieren ihre Translation 471

7610 Die Phosphorylierung eines Initiationsfaktors regelt dieProteinsynthese umfassend 472

XXVI Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis

7611 Initiation an AUG-Codons oberhalb des Start-Codonskann die Translation bei Eukaryoten regulieren 473

7612 Interne Ribosomeneintrittsstellen bieten eine Moumlglichkeitder Translationskontrolle 474

7613 Eine Veraumlnderung der mRNA-Stabilitaumlt kann dieGenexpression regulieren 475

7614 P-Koumlrperchen und Stressgranula sind an der Regulationder mRNA-Stabilitaumlt beteiligt 477

Zusammenfassung 478

77 Regulation der Genexpression durch nichtcodierende RNAs 478

771 Kleine nicht codierende RNA-Transkripte regulierendurch RNA-Interferenz viele tierische und pflanzlicheGene 479

772 miRNAs regulieren die mRNA-Translation und-Stabilitaumlt 479

773 RNA-Interferenz wird auch als zellulaumlrer Abwehr-mechanismus verwendet 481

774 RNA-Interferenz kann die Heterochomatinbildungsteuern 482

775 piRNAs schuumltzen die Keimbahn vor springendenElementen 483

776 RNA-Interferenz wurde ein schlagkraumlftiges Werkzeug fuumlrExperimente 484

777 Bakterien verwenden kleine nicht codierende RNAsum sich vor Viren zu schuumltzen 484

778 Lange nicht codierende RNAs haben in der Zelleverschiedene Funktionen 485

Zusammenfassung 487


Literatur 488

Methoden fuumlr die Arbeit mit Zellen Teil III8 Untersuchung von Zellen Molekuumllen

und Systemen 49181 Isolierung von Zellen und ihre Aufzucht

in Kultur 492

811 Zellen koumlnnen aus Geweben isoliert werden 492

812 Zellen koumlnnen in Kultur herangezogen werden 493

813 Eukaryoten-Zelllinien sind eine viel genutzte Quelle fuumlrhomogene Zellen 495

814 Hybridoma-Zelllinien sind Fabriken die monoklonaleAntikoumlrper erzeugen 496

Zusammenfassung 498

82 Aufreinigung von Proteinen 498

821 Zellen koumlnnen in Fraktionen ihrer Bestandteile aufgetrenntwerden 498

822 Zellextrakte liefern Systeme die fuumlr die Untersuchung vonZellfunktionen zugaumlnglich sind 501

823 Proteine koumlnnen chromatographisch aufgetrenntwerden 501

824 Immunpraumlzipitation ist eine schnelle Affinitaumlts-aufreinigungsmethode 504

825 Gentechnisch hergestellte Markierungen bieten eineneinfachen Weg fuumlr die Proteinaufreinigung 504

826 Aufgereinigte zellfreie Systeme sind fuumlr die exakteBeschreibung von Molekuumllfunktionen erforderlich 505

Zusammenfassung 506

83 Proteine analysieren 506

831 Proteine koumlnnen mithilfe der SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese aufgetrennt werden 506

832 Die zweidimensionale Gelelektrophorese bietet einebessere Proteinauftrennung 508

833 Spezifische Proteine koumlnnen durch Blotting mit Anti-koumlrpern aufgespuumlrt werden 509

834 Hydrodynamische Messungen offenbaren die Groumlszlige undForm eines Proteinkomplexes 510

835 Die Massenspektrometrie liefert eine hochempfindlicheMethode zur Identifizierung unbekannter Proteine 510

836 Saumltze interagierender Proteine koumlnnen mithilfe bio-chemischer Methoden identifiziert werden 513

837 Optische Methoden koumlnnen Proteinwechselwirkungenverfolgen 513

838 Die Proteinfunktion kann durch kleine Molekuumlle selektivgestoumlrt werden 515

839 Die Proteinstruktur laumlsst sich mithilfe der Roumlntgenstrahl-beugung bestimmen 515

8310 NMR kann zur Bestimmung der Proteinstruktur in Loumlsungeingesetzt werden 517

8311 Proteinsequenz und Proteinstruktur geben Hinweise aufdie Proteinfunktion 518

Zusammenfassung 519

84 DNA analysieren und manipulieren 520

841 Restriktionsnukleasen zerschneiden groszlige DNA-Molekuumllein definierte Fragmente 521

Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis XXVII

842 Die Gelelektrophorese trennt DNA-Molekuumlle unterschied-licher Groumlszlige 523

843 Aufgereinigte DNA-Molekuumlle koumlnnen chemisch oder mitRadioisotopen spezifisch in vitro markiert werden 523

844 Gene koumlnnen mithilfe von Bakterien kloniert werden 524

845 Eine DNA-Bibliothek kann ein vollstaumlndiges Genomrepraumlsentieren 526

846 Genom- und cDNA-Bibliotheken haben verschiedeneVor- und Nachteile 528

847 Die Hybridisierung liefert einen leistungsfaumlhigen abereinfachen Weg um spezifische Nukleotidsequenzen auf-zuspuumlren 529

848 Gene koumlnnen in vitro mithilfe der PCR kloniertwerden 530

849 Die PCR wird auch fuumlr diagnostische und forensischeAnwendungen eingesetzt 532

8410 Sowohl DNA als auch RNA koumlnnen rasch sequenziertwerden 533

8411 Um nuumltzlich zu sein muumlssen Genomsequenzen kommen-tiert werden 535

8412 Die DNA-Klonierung ermoumlglicht dass jedes Protein ingroszligen Mengen produziert werden kann 541

Zusammenfassung 542

85 Untersuchung der Genexpression und -funktion 543

851 Die klassische Genetik beginnt damit einen Zellvorgangdurch Zufallsmutagenese zu stoumlren 546

852 Genetische Screenings identifizieren Mutanten mit be-stimmten Anomalien 547

853 Mutationen koumlnnen den Verlust oder den Gewinn einerProteinfunktion verursachen 548

854 Komplementationstests zeigen ob sich zwei Mutationen imselben Gen oder in verschiedenen Genen befinden 549

855 Genprodukte koumlnnen durch epistatische Analyse in Stoff-wechselwegen angeordnet werden 549

856 Mutationen die fuumlr einen Phaumlnotyp verantwortlich sindkoumlnnen durch eine DNA-Analyse identifiziert werden 550

857 Die schnelle und kostenguumlnstige DNA-Sequenzierung hatdie humangenetischen Untersuchungen revolutioniert 551

858 Gekoppelte Polymorphismenbloumlcke wurden von unserenVorfahren weitergegeben 551

859 Polymorphismen koumlnnen bei der Suche nach Mutationenhelfen die mit Krankheiten verbunden sind 552

8510 Die Genomik beschleunigt die Entdeckung seltenerMutationen die uns fuumlr eine ernsthafte Krankheit praumldis-ponieren 553

8511 Reverse Genetik beginnt mit einem bekannten Genund bestimmt welche Zellvorgaumlnge seine Funktion be-noumltigen 554

8512 Tiere und Pflanzen kann man genetisch veraumlndern 556

8513 Das bakterielle CRISPR-System wurde angepasst umGenome in einer breiten Artenvielfalt zu bearbeiten 557

8514 Umfangreiche Sammlungen gentechnisch erzeugterMutationen bieten ein Werkzeug um die Funktion jedesGens in einem Organismus zu untersuchen 558

8515 RNA-Interferenz ist ein einfacher und schneller Wegum die Genfunktion zu testen 560

8516 Reportergene verraten wann und wo ein Gen exprimiertwird 562

8517 Die In-situ-Hybridisierung kann die Lage der mRNAs undnicht codierenden RNAs aufzeigen 563

8518 Die Expression einzelner Gene kann mithilfe der quantita-tiven RT-PCR gemessen werden 564

8519 Die Analyse von mRNAs durch Mikroarray oder RNA-seqliefert einen Schnappschuss der Genexpression 564

8520 Genomweite Chromatin-Immunpraumlzipitation identifiziertStellen auf dem Genom die von Transkriptionsregulatorenbesetzt sind 566

8521 Die Erstellung eines Ribosomenprofils verraumlt welchemRNAs in der Zelle gerade translatiert werden 567

8522 Rekombinante DNA-Methoden haben die menschlicheGesundheit revolutioniert 569

8523 Transgene Pflanzen sind wichtig fuumlr die Land-wirtschaft 569

Zusammenfassung 570

86 Mathematische Analyse der Zellfunktionen 571

861 Regulationsnetzwerke haumlngen von molekularen Wechsel-wirkungen ab 572

862 Differenzialgleichungen helfen uns ein voruumlbergehendesVerhalten vorherzusagen 575

863 Sowohl die Promotoraktivitaumlt als auch der Protein-abbau beeinflussen die Aumlnderungsrate der Protein-konzentration 576

864 Die zum Erreichen des Flieszliggleichgewichtszustandserforderliche Zeit haumlngt von der Lebensdauer desProteins ab 578

865 Quantitative Methoden aumlhneln sich fuumlr Transkriptions-repressoren und -aktivatoren 578

866 Die negative Ruumlckkopplung ist eine leistungsfaumlhigeStrategie bei der Zellregulation 579

867 Eine verzoumlgerte negative Ruumlckkopplung kann Oszillationenausloumlsen 580

868 Die DNA-Bindung durch einen Repressor oder einenAktivator kann kooperativ sein 581

869 Die positive Ruumlckkopplung ist wichtig fuumlr schalterartigeReaktionen und die Bistabilitaumlt 582

8610 Robustheit ist ein wichtiges Merkmal biologischer Netz-werke 585

XXVIII Ausfuumlhrliches Inhaltsverzeichnis


Molekularbiologieder Zelle


















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