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Zellphysiologie undZellmetabolismus

- Aerober und anaerober Metabolismus- Autotrophie und Heterotrophie- Thermophilie und Psychrophilie- Extremophile Lebensformen

Verhalten gegenüber SauerstoffSauerstoff (O2) ist eine chemisch sehr reaktionsfreudigeund aggressive Substanz. In der Frühzeit des Lebens gabes auf der Erde keinen freien Sauerstoff. Viele Organismenheute haben Mechanismen entwickelt, mit dem Problem-stoff Sauerstoff fertig zu werden und können daher an derLuft leben (aerobe Organismen). Andere vertragen nurverringerte Sauerstoffkonzentrationen (Mikroaero-phile) oder können nur in Abwesenheit von Sauerstoffleben (strikte Anaerobier). Manche Organismen ver-tragen Sauerstoff, können aber auch ohne ihn leben(fakultative Anaerobier (metabolisieren vorhandenen O2)und aerotolerante Anaerobier (metabolisieren O2 nicht)).Strikte Aerobier dagegen brauchen O2 zum Leben (wirsind strikte Aerobier).

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Verhalten gegenüber Sauerstoff

Ernährungsklassen - EnergiequelleAls Energiequelle für die Zelle kann der Abbauorganischer Verbindungen dienen (organotropheOrganismen) oder die Oxidation anorganischerVerbindungen (Lithotrophie, Organotrophe undLithotrophe sind Chemotrophe), oder die Zelle kannLichtenergie nutzen (Phototrophie).

Lithotrophe sind z. B.-Wasserstoffbakterien (H2 > H+),-Schwefelbakterien (H2S/S/Sulfit > Sulfat),-Eisenbakterien (Fe2+ > Fe3+),-Ammoniumoxidierer (Ammonium > Nitrit),-Nitritoxidierer (Nitrit > Nitrat).

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Aerober und anaeroberMetabolismus

In der Atmungskette (Cytoplasmamembran vonBakterien, innere Mitochondrienmembran) werdenElektronen von NADH oder FADH2 auf Sauerstoff (O2)übertragen und dabei ein Protonengradient an derMembran aufgebaut, der zur ATP-Synthese dient(Chemiosmose).Unter anaeroben Bedingungen kann entweder(anaerobe Atmung) ein alternativer Elektronenakzeptoreingesetzt werden

oder(Fermentation, Gärung) die ATP-Synthese findetausschließlich gekoppelt mit dem Nahrungsmetabolismusstatt (Substratkettenphosphorylierung).

Anaerobe Atmung

Anaerobe Atmung: als alternative Elektronenakzeptorendienen- Sulfat (> H2S)- Nitrat (>Nitrit oder >Stickstoff N2 „Denitrifizierung“)- Fumarat (>Succinat) (Dicarbonsäuren im Citratcyclus)- CO2 (>Methan (Archaeen) oder Azetat)- Trimethylamin-N-oxid (>Trimethylamin) (im Fleisch

von Meeresfischen, „alter Fisch“ riecht nachTrimethylamin)

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GärungDie ATP-Ausbeute bei der Gärung ist viel geringer als beider Atmung (z.B. 1-3 ATP vs. 28-32 (Mitochondrien) bzw.38 (Bakterien) ATP pro Molekül Glucose).Ein Problem bei der Gärung ist für die Zelle, ihren Redox-Haushalt im Gleichgewicht zu halten, also nicht all ihrNAD+ in NADH umzuwandeln. Die im Verlauf derSubstratkettenphosphorylierung gewonnenenReduktionsäquivalente müssen daher wieder auf dieMetaboliten rückübertragen werden (z.B.- Milchsäuregärung: Pyruvat > Lactat (Milchsäurebakterien),- Alkoholische Gärung: Essigsäure/Acetaldehyd> Ethanol(Hefe),- Gemischte Säuregärung (Div. Säuren und H2, E. coli)).

Ernährungsklassen -Kohlenstoffquelle

Viele Organismen (Heterotrophe) benötigen zum Aufbauihrer Zellbestandteile organische Substanzen, die in derNatur von anderen Organismen stammen. Manche könnenalle Stoffe selbst aus CO2 und anorganischen Salzensynthetisieren (Autotrophe).

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ErnährungsklassenEs sind die verschiedensten Kombinationen vonEnergiequelle und Kohlenstoffquelle möglich:Photoautotrophe können von Licht, CO2 und Salzen alleinleben, Photoheterotrophe brauchen neben Lichtenergienoch organische Verbindungen zum Zellaufbau. AuchLitotrophe können auto- oder heterotroph sein.Organotrophe Organismen nutzen in der Regel dieorganischen Verbindungen auch als Kohlenstoffquelle(Organoheterotrophe), man hat aber auch (2012) eineArchäe entdeckt, die zur Energiegewinnung anaerob Methanveratmet (zu CO2), und (dieses oder anders) CO2 als(einzige) Kohlenstoffquelle für ihre Zellbestandteile nutzt(also organoautotroph ist).

Fragenbeispiele

Welche Aussagen treffen für fakultative Anaerobier zu?1) Sie wachsen nicht in Gegenwart von Sauerstoff2) Sie wachsen in Gegenwart und in Abwesenheit vonSauerstoff3) Sie wachsen nicht in Abwesenheit von Sauerstoff4) Sie können vom aeroben auf anaerobes Wachstum umschalten

A nur 1,2,3 B nur 1,3 C nur 2,4 D nur 4 E alle richtig

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Fragenbeispiele

Unter Autotrophie versteht man, daß1) die Organismen Stickstoff aus der Luft binden können2) der Kohlenstoffanteil der Zellkomponenten aus CO2 gewonnen wird3) nur einfache organische Verbindungen als Kohlenstoffquellen dienen4) Nährböden aus Salzgemischen für das Wachstum der Mikroorganismen genügen

A nur 1,2,3 B nur 1,3 C nur 2,4 D nur 4 E alle richtig

Fragenbeispiele

Porine sindA Poren der KernmembranB Antibiotika, die die cytoplasmatische Membran durchdringen könnenC Poren in einem BakterienfilterD Proteine der äußeren Membran gramnegativer BakterienE Periplasmatische Proteine, die bei der Aufnahme von Nährstoffen beteiligt sind

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Temperaturverhalten

Für jeden Organismen gibt es einen Temperaturbereich,in dem er existieren kann, meist liegt zwischen derminimalen und der maximalen Temperatur eine Spannevon etwa 40°C. Meist liegt die optimale Temperatur mitder höchsten Wachstumsgeschwindigkeit dicht unter derMaximaltemperatur, weil die Biochemie der Zelle mitsteigender Temperatur schneller abläuft. Oberhalb derMaximaltemperatur werden durch die WärmeZellkomponenten zerstört, insbesondere Proteinedenaturiert.

Temperaturverhalten

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TemperaturverhaltenDie Proteine der Thermophilen sind besonders temperaturstabil.

Temperaturverhalten

Psychrophile können unter 5°C wachsen, einigeOrganismen sogar unter 0°C. Obligat Psychrophilewachsen nur bei Temperaturen unter 20°C, fakultativPsychrophile (Psychrotrophe) auch darüber. Mesophilewachsen um 37°C am besten (darunter sind viele„Bewohner“ von Warmblütern).Thermophile wachsen bei über 50°C, fakultativThermophile auch unter 37°C, Stenothermophile nicht.Extrem Thermophile leben bei über 80°C, einige nochbei über 100°C.

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Temperaturverhalten

Temperaturbereiche

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Andere Umweltbedingungen: DruckDer äußere Druck hat einen Einfluß auf das Wachstumund Überleben. Barophile (meist Tiefseebewohner)vertragen bis zu 1500 Atmosphären Druck, einige sindsogar obligat barophil und benötigen Überdruck zumLeben. Viele normale Mikroorganismen vertragen rechthohe Drucke (E. coli 300 atm), aber Bäckerhefe(Saccharomyces cerevisiae) stellt bei 8 atm dasWachstum ein, was zur Kontrolle der Gärung (bei derCO2 entsteht und sich daher in geschlossenen TanksDruck aufbaut) genutzt werden kann.

Andere Umweltbedingungen: pHund Ionenstärke

Die meisten Organismen gedeihen am besten bei unge-fähr neutralem pH, Bakterien eher im leicht basischen,Pilze im leicht sauren. Acidophile Bakterien können abernoch bei pH 1 (Schwefelsäure auf Halden) wachsen,alkaliphile bei pH 12 (Sodaseen).

Hyperosmolarität und hohe Salzkonzentrationen hemmendie meisten Mikroorganismen (genutzt beim Pökeln undbei Marmelade). Halophile leben in gesättigten Salz-lösungen, z.T. benötigen sie die hohe Salzkonzentrationfür ihre Membranintegrität.

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Spezielle bakterielleBiosynthesewege

- Biosynthese der bakteriellen Zellwand - Murein - LPS - Kapselbiosynthese - Proteine des Periplasmas und der äußeren Membran - Lipoprotein

- Flagellenbiosynthese

Biosynthese: MureinDurch den UDP-Rest werden Zucker für Synthese-prozesse vorbereitet. Durch Reaktion von PEP mitGlcNAc (unter Ausbildung einer Etherbindung) entstehtN-Acetyl-Muraminsäure.

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Biosynthese: MureinIm Cytoplasma werden5 Aminosäuren anUDP-MurNAc gehängtund der Zucker vonUDP auf Undecaprenyl-phosphat* umgehängt.So kann das Moleküldie Membran passieren.

*“11x Prenyl“ = 55Kohlenstoffatome, sehrhydrophob.

Biosynthese: Murein

Noch im Cytosol wird (von UDP-GlcNAc) N-Acetyl-glucosaminangehängt, es entsteht (anUndecaprenylphosphat angekoppelt)das Muraminpentapeptid, Grund-baustein der Muraminsynthese.

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Biosynthese: Murein

Etwa 30 Muramin-pentapeptidrestewerden amUndecaprenylzusammengebaut,dann wird dasMuraminstückfreigesetzt unddiffundiert in eineLücke desMuraminsacculus.

Biosynthese: MureinDas Molekül wird durch eine Transpeptidase über diePeptidkette mit dem Zellwandmurein quervernetzt, dabeiwird das endständige Alanin abgespalten. Die Transpepti-dase kann auch als Carboxypeptidase arbeiten und dasAlanin ohneQuervernetzungabspalten. ImMureinsacculuskommt daherimmer nurMureintetra-peptid alsBaustein vor.

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Überblick: Mureinbiosynthese

Biosynthese: MureinDiese Quervernetzung wird von β-Lactamantibiotika(Penicillinen und Cephalosporinen) verhindert. Dadurchentsteht beim Zellwachstum eine löchrige Zellwand, die denosmotischen Druck nicht halten kann. Die Transpeptidase(PBP1a und PBP1b) gehört zu den „Penicillin-bindendenProteinen“ (PBP), wie auch andere Enzyme am Murein:PBP3 baut das Murein des Septums, der Trennwand bei derZellteilung, PBP4 spaltet die Peptidquervernetzung, damit dieZelle wachsen kann.Die Transpeptidasen sind „multifunktionell“, sie arbeitenauch als Transglycosylasen und verknüpfen die Zucker desMureins.

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Biosynthese: Murein

L-FormenSpontan oder nach Penicillin-Behandlung können beimanchen Bakterien die „L-Formen“ entstehen, die keinenMurein-Sacculus mehr besitzen und daher osmotisch labilsind. Sie können sich aber in hypertonem Medium vermehrenund dauerhaft gezüchtet werden. Einige der L-Formen(instabile L-Formen) bilden spontan wieder normale Zellenmit Zellwand, andere (stabile L-Formen) tun das nie.Offenbar ist für die Entwicklung der Mureinhülle eine schonvorhandene Schicht nötig. Bei den instabilen L-Formen istimmer etwas Murein nachweisbar. Vermutlich ist hier dieMureinstruktur so geschädigt, daß nur durch Zufall diekorrekte Hülle entstehen kann. Wenn kein Murein an der Zellemehr haftet, ist eine Neuentstehung unmöglich.

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Biosynthese: LPSDie O-Antigenseitenketten (repetitive Oligosaccharide)werden im Cytoplasma synthetisiert und (wie die Murein-komponenten) an Undecaprenylphosphat durch die Cyto-plasmamembran transportiert. Auf der periplasmatischen Seitewerden die O-Ketten von einer Polymerase in mehrerenKopien (repetitiver Aufbau!!) aneinandergehängt.

Lipid A wird im Cytoplasma und an der Innenseite derCytoplasmamembran synthetisiert und mit den KDO-Kohlenhydraten verknüpft („KDO2-Lipid A“), dort werdenauch die übrigen Core-Zucker angehängt. Das Core-Lipid Aklappt in der Membran zum Periplasma hin um, dazu ist einProtonengradient als treibende Kraft unbedingt erforderlich.

Biosynthese: LPSIm Periplasma werden beide Komponenten durch eine Ligaseverknüpft. Das fertige LPS baut sich spontan in die äußereMembran ein, möglicherweise geschieht der Transfer an den„Bayer´s Junctions“, an denen die Membranen verbundensind.

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Biosynthese: Glycocalix/Kapsel

Die meisten Polysaccharide der Glycocalix aus UDP-Zuckernzu Oligosacchariden zusammengesetzt, mit Undecaprenyl-phosphat durch die Membran transportiert und außen zuPolymeren vereint (analog der Murein-Zuckerkette). EinZuckerrest ist durch Fettsäuren verestert und so in derMembran verankert.

Biosynthese: Glycocalix/KapselDextrane und Laevane werden durch Exoenzyme außerhalbder Zelle aus Saccharose polymerisiert. Die Energie zurPolymerisation stammt dabei aus der glycosidischen Bindungder Saccharose. Es ist also keine weitere Energiequellenotwendig. Auf ein Startmolekül Saccharose hängt das EnzymSerien von Glucose (Dextran) bzw. Fruktose (Laevan). Außerdem Polymer entsteht freie Fruktose bzw. Glucose.

Dextrane α fru - [β glu1 → 6 β glu]nLaevane β glu - [α fru2 → 6 α fru]n

Dextran-Bildner: Leuconostoc, StreptococcusLaevan-Bildner: Pseudomonas spp, Xanthomonas spp,

Bacillus spp., Streptococcus salivarius

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Biosynthese: Proteine des Periplasmasund der äußeren Membran

Da die bakterielle Proteinbiosynthese ausschließlich imCytoplasma stattfindet, müssen Proteine, die ins Periplasmaoder in die äußere Membran gelangen sollen, oder die in dieUmgebung der Zelle sezerniert werden sollen, die Cyto-plasmamembran passieren. Die meisten dieser Proteinetragen am Aminoterminus eine „Signalsequenz“, die einpaar basische Aminosäuren gefolgt von einem hydrophobenAbschnitt enthält. Der hydrophobe Abschnitt enthält ein oderzwei Glycin- und/oder Prolin-Reste. Vermutlich faltet sichder hydrophobe Bereich um das Gly/Pro-Scharnier zu einerSchleife, die als erstes durch die Membran geführt wird. DieSignalsequenz wird nach dem Transport durch eineSignalpeptidase abgespalten.

Bakterielle Signalsequenzen

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Biosynthese: Proteine des Periplasmasund der äußeren Membran

Die Proteine können noch während ihrer Entstehung amRibosom durch die Membran wandern (Co-translationalerTransport), oder erst fertig synthetisiert, dann transportiertwerden (Post-translationaler Transport). Das Protein darfsich aber nicht vor dem Transport falten, da es nur alsgestreckte Kette, nicht als Klumpen durch die Membrangelangt.

Biosynthese: Proteine des Periplasmasund der äußeren Membran

VorzeitigeProteinfaltungverhindert denpost-translationalenTransport.

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Biosynthese: Proteine des Periplasmasund der äußeren Membran

Das Sec-System kann beide Transportformen durchführen(es kümmert sich nicht darum, ob das Protein, dessenSignalsequenz es greift, noch synthetisiert wird oder schonkomplett ist). Chaperone SecB-Protein bindet das neueProtein und verhindert die Faltung. SecA erkennt dieSignalsequenz, bringt das Protein an den trimerenTranslocator aus SecY, SecG und SecE und liefert durchATP-Hydrolyse die Energie für den Transfer. EineHemmung von SecA durch Azid (N3-) verhindert denProteinexport und tötet dadurch E. coli.

Biosynthese: Proteine des Periplasmasund der äußeren Membran

Das SRP-System (signal recognition particle) arbeitet immerco-translational. Ein Komplex aus dem Fth-Protein und einerRNA (ein RNP = Ribonucleäres Protein) bindet an dieSignalsequenz des entstehenden Proteins. Die Translationstoppt, bis der Komplex an den SRP-Rezeptor FtsY in derCytoplasmamembran andockt, dann wird das neue Proteindirekt bei der Weitersynthese durch die Membran geschoben.

Bei Säugetieren wird die Translation am ER immer durch ein(komplizierter aufgebautes) SRP-System reguliert.

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ProteintransportCo-translationaler Transport durch das SRP-Prinzip:

ProteintransportVergleich der bakteriellen Exportsysteme mit demeukaryontischen ER-Export:

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ProteintransportSekretierte Proteine und Proteine der äußeren Membranpassieren durch „Bayer´s Junctions“ beide Membranenzugleich.

Biosynthese: Lipoprotein

Nach Membrandurchtritt und Abspalten der Signalsequenz(durch eine spezielle Signalpeptidase, E. coli hat eineSignalpeptidase nur für das Lipoprotein, und eine weitere füralle anderen sekretierten Proteine) bindet der amino-terminale Cysteinrest an Glycerol (als Thioether C-S-C).Dann wird das Glycerol und die Aminogruppe des Cysacyliert (Fettsäuremolekül bindet als Ester bzw. Amid), dieserhydrophobe Bereich taucht in die äußere Membran ein. Dascarboxyterminale Lysin kann an die Diaminopimelinsäure desMureins binden.

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Biosynthese:Lipoprotein

Biosynthese: Lipoprotein

Erstaunlicherweise überleben Mutanten ohne Lipoprotein, dashäufigste Protein der Zelle ist also nicht essentiell.

Die dreifach acylierte Struktur am Aminoterminus desLipoproteins:

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Biosynthese: FlagellenDie Biosynthese läuft sequenziell vom nahen zum zellfernenEnde ab. Zuerst werden die Ringe in der inneren Membrangebildet, dann der übrige Basalkörper, dann der Haken. Erstdanach werden die Flagellin-Untereinheiten gebildet unddurch die Höhlung in Haken und dem wachsenden Flagelluman dessen Spitze befördert, wo sie sich spontan anlagern. Mitwachsender Flagellenlänge wird die Verlängerung immerlangsamer. Als letztes wird der Motorteil in der innerenMembran (Membranproteine) eingebaut und die Flagelle wirdmobil.

Biosynthese: Flagellen

Die Biosynthese läuft sequenziell vom nahen zum zellfernenEnde ab.

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Biosynthese: Flagellen

Biosynthese: Flagellen

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Biosynthese: FlagellenCodiert wird die Biosynthese bei E. coli von 14 Genen, die indrei Gruppen aktiv werden. Die frühen Gene sind Aktivatorender mittleren Gene. Diese umfassen die Komponenten desBasalkörpers und einen σ-Faktor σ28 (Komponente der RNA-Polymerase zur spezifischen Promotor-Erkennung), der dieGene der späten Klasse einschaltet, die für Hakenproteine,Flagellin und das Flagellen-Cap-Protein am Ende derFlagellen codieren.

Das Flagellin ist ein wichtiges bakterielles Antigen, das H-Antigen (für Hauch, Bakterien mit dem Antigen (alsobegeißelte Bakterien) bilden auf Agarplatten schnell einen„Hauch“).

Porin-Einbau in die äußere MembranDie Porine der äußerenMembran bilden faßartigeStrukturen aus β-Faltblättern(„Beta-Barrel“). Im Peri-plasma binden die Unter-einheiten gelöstes LPS (dasdabei als Chaperone wirkt)und bilden die Barrel-Strukturaus. Die Komplexe austrimerem Porin und LPSbauen sich dann korrekt indie äußere Membran ein.

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Porin-Einbau in die äußere MembranPorin-Trimer von oben:

Die β-Barrel-Strukturermöglicht Proteinenmit einer hydrophilenAußenseite den Einbauin Membranen

Porin-Typen

Die Kanalgröße wird vom Porin bestimmt. OmpC (Omp =outer membrane protein) bildet etwas kleinere Poren (1,1 nm)als OmpF (1,2 nm). Im Warmen bei hohem osmotischenDruck (reguliert durch EnvZ/OmpR, siehe später) wird nurOmpC gebildet. Die Bedingungen signalisieren an E. coli dasLeben im tierischen Darm (mit gutem Nahrungsangebot). ImKühlen bei niedrigem osmotischen Druck (im Freien, z.B. imAbwasser) muß die wenige Nahrung effektiver aufgenommenwerden, daher wird OmpF dereprimiert, mit dem erhöhtenRisiko, Giftstoffe durch die große Pore aufzunehmen.

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Protein-Lokalisation in EukaryontenDie eukaryontischen Signalsequenzen zur Sekretion(Proteinsynthese am rER) sind (bis auf die Pro/Gly-Reste)ähnlich aufgebaut wie die bakteriellen Signalsequenzen

Protein-Lokalisation ins ERBei Säugern findet der Membrantransport von Proteinen insER immer co-translational mit Translationsstop durchSRP statt, in Hefe kommen co- und post-translationalerImport vor.Im Inneren des ER sorgt Chaperone Bip (KAR2) für diekorrekte Faltung der Proteine, anschließend erfolgt die Core-Glycosylierung.

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Protein-Lokalisation ins ERPost-translationaler Import in Hefe: Sec63 übernimmt dasProtein vom Hsp70 und reicht es an die Translocase Sec61weiter. Beim co-translationalen Transport spielt Sec63 keineRolle.

Protein-Lokalisation vom ER

Über ER und Golgierreicht das neueProtein verschiedeneKompartimente.

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Protein-Lokalisation ins MitochondriumDer Import in die Matrix wird durch den Protonengradientengefördert. Dazu ist die Signalsequenz für den Mito-Importstark positiv geladen. Hsp70-Chaperones ziehen die Protein-kette ineinem„Ratschen“(ratchet)-Mechanismusin die Matrix.