Page 1

chemische Bestandteile chemische Grundlagen - immer gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen - Neutronenzahl kann sich ändern = Isotope - zu viele oder zu wenig Neutronen machen Kern instabil  radioaktiver Zerfall - chemische Eigenschaften/ Verhalten geschieht durch Elektronen, daher kein Unterschied bei Isotpen - alle Atome streben Edelgaszustand an = äußere Schale vollständig besetzt zu haben - Anzahl der Elektronen auf Valenzschalen durch Hauptgruppe ablesbar -gefüllte Schale besser, daher Elektronenaustausch durch kovalente Bindung oder Ionenbindung

Bindungen kovalente Bindungen - Elektronen werden geteilt - polare kovalente Bindungen= Atome ziehen Elektronen unterschiedlich an - trennbar durch Enzyme in der Zelle oder andere chemische Reaktionen - meistens teilen Bindungspartner sich 2 Atome = Einfachbindung - teilweise auch durch 4 Elektronen = Doppelbindung - dann keine Rotation möglich, somit weniger flexible Anordnung - polare, kovalente Bindungen - Moleküle verfügen über elektrische Anziehungskraft - ähnlich wie Ionenbindung nur viel schwächer

Ionenbindung = Abgabe bzw. Annahme von 1 oder 2 Elektronen - von Atomen gebildet, die noch 1 oder 2 Valenzelektronen brauchen oder nur 1 oder 2 haben - Kationen = positive Ionen - Anionen = negative Ionen - durch entgegengesetzte Ladung ziehen sich Kation und Anion an = Ionenbindung - Substanz, die durch Ionenbindungen gehalten werden = Salze - Wechselwirkungen zwischen Ionen und polaren Wassermolekülen  Wasserlöslichkeit

Wasserstoffbindungen = Wasserstoffbrückenbindngen - Wasser 70% des Zellgewichts - ungleiche Elektronenverteilung = polare kovalente Bindungen


- Anziehungen zwischen H+ eines Wassermoleküls und des O- eines anderen Wassermoleküls - wesentlich schwächer als kovalente Bindung und sehr kurze Lebensdauer durch zufällige thermische Bewegungen der Moleküle  die Anzahl der WSB macht die stärke aus  andauerndes Auseinanderbrechen und neue Bildung - helfen bei der Raumstruktur von großen Molekülen - hydrophil = wasserliebend (polare Moleküle) - hydrophob = Wasser abstoßend (unpolare Moleküle) - Zellmembran aus Kohlenstoff  Kohlenstoff unpolar, so Abtrennung zwischen innerem und äußerem wässrigem Milieu

Zucker - Monosacharide: (CH2O)n n= 3,…,8 - Summenformel besitzt mehrere Strukturformeln = Isomere - jeder Zucker in 2 Formen: D- Form und L- Form - wie Bild und Spiegelbild = optische Isomere - durch Isomere hohe Vielfalt bei Zucker Monosacharide Disacharide Oligosacharide (zwischen 3 und 50) Polysacharide (zwischen 100 und unendlich) - Kondensationsreaktion geschieht bei vielen biologischen Polymeren - Zucker zur Erzeugung und Speicherung von Energie= Glykogen/ Stärke - kleinere Oligosacharide könne kovalent mit Proteinen reagieren = Glykoproteine - mit Lipiden = Glykolipide - Oberfläche der Zelle mit Zuckerpolymeren bedeckt - Zuckerseitenketten von anderen Zellen selektiv erkannt= süße Oberfläche

Fettsäuren und Lipide - amphipathisch= hydrophober (CH2- Schwanz) + hydrophiler(COOH- Kopf) Bereich - Fettsäuren meist an andere Moleküle gebunden - gesättigte Fettsäuren = keine Doppelbindungen zwischen C- Atomen - ungesättigte Fettsäuren = 1 oder mehrere Doppelbindungen - unterscheiden sich in Länge der Kohlenstoffketten und Anzahl der Doppelbindungen  dienen Zellen als Nahrungsvorräten, bei ihrem Abbau 6-mal soviel Energie wie bei Glucoseabbau - bei Energiebedarf werden Fettsäuren freigesetzt und zu zwei Kohlstoffen Einheiten zusammengebaut - Energiespeicher/ konzentrierte Nahrungsreserve durch Triglycerine - bilden große, kugelige Tröpfchen im Cytoplasma - Zellmembran meistens Phospholipide


- aus nur 2 Fettsäuren aufgebaut - an dritte Bindungsstelle ist Phosphat - Phosphat mit polarer Gruppe (Cholin) verbunden - Phosphat kann auch Zucker sein = Glykolipid Aminosäuren - aus mehreren Aminosäuren entstehen Proteine durch Kondensationsreaktionen - 20 verschiedene Aminosäuren - Aminosäure in optischen Aminosäuren (nur LForm in Proteinen) - AS unterschiedliche Eigenschaften - ungeladen - polar und hydrophil - unpolar und hydrophob - Seitenketten, die in Lösungen Ionen bilden Nucleotide - Nucleotide+ Ribose = Ribonucleotid - Nucleotide+ Desoxyribose = Desoxyribonucleotide - Cytosin, Thymin, Uracil = Pyrimidine (Sechsring) - Adenin, Guanin= Purine (Sechsring und Fünfring)  Nucleotide nach Base benannt

3D- Konfiguration von Proteinen - viele nicht kovalente Wechselwirkungen durch unterschiedliche Eigenschaften der Aminosäureseitenketten van-der-Waals Ionenbindungen Wasserstoffbindungen Unpolarität  unpolare und polare Seitenketten - hydrophobe Eigenschaften meist in inneren des Proteins, polare Seiten zeigen nach außen - Polypeptidketten entstehen durch zusammenführen von AS durch Abgabe von Wasser - 3D- Struktur entsteht durch „Gesetze“: van-der- Waals, WSB,… - Peptidbindungen sind beschränkt im Bindungswinkel keine Drehung - restlichen Bindungen erlauben Drehungen - häufige Faltungsmuster α- Helix β- Faltblatt (meist im Inneren des Proteins) α- Helix - Wasserstoffbrückenbindungen zwischen N-H und C=O - kein Einfluss auf Seitenketten - coiled-coil: Doppelwende/ Superhelix - Helixe haben unpolare Seitenketten übereinander


- zwei solcher Helixe winden sich dann ineinander, damit hydrophober Teil verschwindet β- Faltblatt - WSB zwischen N-H und C=O - antiparalleles Faltblatt - paralleles Faltblatt Organisationsstufen - Primärstruktur: Aminosäuresequenz - Sekundärstruktur: α- Helix und β- Faltblatt - Tertiärstruktur: alle Wechselwirkungen - Quartärstruktur: Gesamtstruktur des Proteins Proteindomäne = Bereich, der unabhängig in kompakte und stabile Struktur falten kann - enthält circa 100-200 AS - viele Proteine bestehen aus Domäne - unterschiedliche Domäne = unterschiedliche Funktion - Proteine besitzen Bindungsstellen - dadurch können Untereinheiten entstehen, wenn Proteine aneinanderbinden (Dimer, Tetramer) Disulfidbindungen - häufigste Quervernetzung in Proteinen - kovalente Schwefelbindungen - zur Stabilisation von Schwefelverbindungen - entsteht im ER durch spezielle Enzyme - 2 SH- Gruppen von benachbarten AS werden zu S-S Bindung verknüpft mit Hilfe von Cysteinen Enzyme - bestimmte chemische Umwandlungen in zellen - beschleunigen Reaktionen, wirken als Katalysator Beispiel: Lysozym 1) Enzym bindet an Polysaccharidkette 2) Enzym-Substrat- Komplex entsteht 3) katalysiert die Spaltung einer bestimmten kovalenten Bindung im Polysaccharidgerüst 4) Enzym-Produkt- Komplex wird gebildet, was schnell wieder dissoziiert 5) Freisetzung der getrennten Ketten erlaubt dem Protein ein neues, weitere Substratmolekül zu bearbeiten


DNA (Desoxyribonucleinsäure)  Zellen speichern Erbinformation im linearen chemischen Code Aufbau/ Bestandteile der DNA Phosphat Zucker 1 von 4 Basen : Guanin , Cytosin, Adenin, Thymin

Nucleotid

DNA- Strang - 3- Ende: Hydroxyl - 5- Ende Phosphat - doppelstrangige DNA  α- Helix (Watson- Crick- Modell) - Basen werden über WSB zusammengehalten -C-G : 3 WSB - T-A: 2 WSB - Basen zeigen ins Innere, Zucker und Phosphat nach außen  komplemetäre Basenpaarung - Helix muss antiparallel verlaufen - breite Furche= große Furche/ major groove - schmale Furche= kleine Furche/ minor groove Nucleotide - ATP (Adenosintriphosphat) ist auch ein Nucleotid  Zucker: Ribose, Base: Adenin, 3x Phospaht - ATP ist in Zellen Energieträger

- Nucleotid in DNA

DNA- Klonierung - verschiedene Restriktionsenzyme (trennen DNA), welche an bestimmten Sequenzen schneiden - z.B.: EcoRi - somit entstehen „sticky ends“, welches das neue Zusammenfügen durch die DNA- Ligase vereinfachen


Klonieren mit Plasmiden (Einsetzen in Plasmid) - DNA wird in Bakterien vervielfältigt 1) zirkuläre doppelsträngige Plasmid- DNA liegt vor 2) Plasmid wird mit einem Restriktionsenzym gespalten 3) zu klonierendes DNA- Fragment wird hinzugefügt und mit kovalente Verknüpfung durch DNA- Ligase verbunden wichtig: zu klonierendes DNA- Fragment muss mit gleichen Restriktionsenzym geschnitten sein 4) rekombinante DNA liegt vor und kann verknüpft werden Vervielfältigung 1) Plasmid- DNA mit Fremd-DNA wird in Bakterium eingeschleust 2) Bakterium lässt man auf Nährmedium wachsen (jede 30 Minuten verdoppelt) 3) Bakterien werden lysiert und Plasmid-DNA abgetrennt 4)Fremd- DNA wird mit Restriktionsenzym wieder ausgeschnitten 5) durch Gelelektrophorese werden Plasmid-DNA und Fremd-DNA getrennt DNA- Bibliothek 1) menschliche DNA wird in kleinere Abschnitte fragmentiert durch Restriktionsenzym 2) Je ein Fragment wird in ein Plasmidmolekül eingefügt durch DNA- Ligase 3) Plasmide mit Fremd- DNA werden in Bakterien eingeführt  genomische Bibliothek cDNA- Bibliothek - c= complementary - mRNA von bestimmten Geweben/ Zellkulturen wird kopiert 1) gesamte mRNA eines Gewebes wird isoliert 2) Hybridisierung mit Poly(T)- Dimer 3) Erstellen einer DNA-Kopie durch das Enzym Reverse- Transkriptase 4) mRNA wird eingebaut mit RNase H 5) Herstellung eines komplementären DNA- Strangs durch DNA- Polymerase; RNAFragment dient als Primer  in jedem Klon liegt durchgängig codiernende Sequenz vor, also ohne Introns


Polymerasekettenreaktion 1) Polymerase wird von kurzen Oligonucleotiden(Primer) zu der zu kopierenden Sequenz geleitet (Anfang- und Endsequenz müssen bekannt sein) 2) Primer (komplementäre Startmoleküle für DNA Replikation) hybritisieren an Matrix am Anfang und Ende 3)Unter Führung der Primer macht DNA viele Kopien  PCR kann zur Gewinnung von genomischen als auch cDNA- Klonen genutzt werden - bei genomischen Klonen 1) DNA wird isoliert 2) Stränge werden getrennt und Primer hinzugegeben 3) PCR wird durchgeführt - bei cDNA- Klonen 1) mRNA wird aus Zelle kopiert 2) Zugabe des ersten Primers, der reserven Transkriptase und Desoxyribosenucleosidtriphosphate (Damit aus RNA DNA entsteht) 3) Strangtrennung und Zugabe des zweiten Primers 4) PCR wird durchgeführt

Expressionsvektoren  große Mengen eines Proteins können hergestellt werden - Plasmidvektor wird so konstruiert, dass ein hoch aktiver Promotor zu einer starken Expression führt 1) doppelsträngiger Plasmid-DNA- Expressionsvektor mit Promotersequenz 2) Restriktionsenzym schneidet DNA 3) Protein codierende Sequenz wird eingefügt 4) rekombinante DNA wird in Zelle eingeschleust 5) überexprimierte RNA entsteht und somit auch überexprimierte Proteine


Chromosomen - menschliches Genom enthält 3,2x10^9 Nukleotide auf 24 Chromosomen verteilt - Chromosom besteht aus einem langen linearen DNA- Molekül mit Proteinen - Chromatin= Komplex aus DNA und Proteinen - Chromosomen= Verpackung und Transporteinheit der Gene verschiedene Zustände von Chromososmen 1) Interphasen - Chromosomen ausgedehnt als lange unsortierte DNA- Fäden im Zellkern = Interphasenchromosom 2) Mitose - hochkondensierter Zustand, am ehesten sichtbar= Mitosechromosom Erbgut liegt im Zellkern - in Zellkern meist Interphasenchromosomen - jedes Interphasenchromosom hat seinen Platz im Zellkern - Nucleolus = befinden sich Gene für ribosomale RNA

Chromosomenorganisation/ Packaging of DNA 1) Nucleosom = von Histonen gebildeter Proteinkern, um die DNA gewickelt - Proteinkern: 8 Histonproteine (H2A,H2B,H3, H4) bilden Histonoktamer - lineare DNA verbindet Histone untereinander - kann unterschiedlich lang sein - 1x lineare DNA+ 1x Histon = Nucleosom - alle 4 Histone haben hohen Anteil an positiv geladenen AS (Argenin, Lysin, Histidine)  feste Bindung an DNA, da Zucker-Phosphat- Gerüst negativ geladen ist - Histone besitzen langen N-terminalen AS- Schwanz, ragt aus Histonen heraus  beeinflusst Chromatinstruktur Funktion der Histonschwänze - verschiedene Kombinationen von Schwanzmodifikationen mit Unterschiedlichen Arten von Histonproteinen können Zellen verschiedene Dinge signalisieren Histoncode - Schwanzmodifikationen: (z.B.: H3): Acetylgruppe, Methylgruppe, Phosphatgruppe - Me(9): Genabschaltung/ Heterochromatin - Me (4), Ac(9): Genexpression - P (10), Ac(14): Genexpression - gesteuert durch streng kontrollierte Enzyme  lässt Chromatinstruktur verändern


2) Chromatinfasern/ 30nm Faser = dicht verpackt Nucleosomen - Histon H1 zieht Nucleosomen- Kernpartikel zu einer regelmäßigen, sich wiederholenden Anordnung zusammen - „Zick-Zackmodell“ - Fasern weiter in Schleifen organisiert

Hetero- / Euchromatin - Chromatin eines Interphasenchromatins liegt nicht in gleichen Packzuständen vor Heterochromatin: - stärkste kondensierte Form - vor allem an Centromeren und Telomeren - großer Teil enthält keine Gene - Heterochromatin kann meist nicht mehr expirmiert werden durch Heterochromatinproteine an Histonschwänzen modifiziert Euchromatin - Vielzahl von aufgelockerten Zuständen - enthält vor allem expressionsaktive Gene Telomere - an Telomeren wiederholen sich die Basen  Primer - bei jeder Replikation wird Chromosom gekürzt, da Primer entfällt  manche Zellen erhalten Enzym Telomerase, welches Telomere wieder verlängert (Tumorzellen)


Transkription = von DNA Nucleotidsequenzen zu RNA Nucleotidsequenzen Unterschied RNA zu DNA - Nucleotide der RNA sind Ribonucleotide: Ribose statt Desoxyribose  Ribonucleinsäure - Base Uracil statt Thymin  chemisch nur wenige Unterschiede, in Gesamtstruktur jedoch groß: RNA nur einzelsträngig, kann noch viele andere Funktionen übernehmen; DNA nur Informationsspeicher RNA Polymerase - synthetisiert von 3‘ zu 5‘ - RNA- Polymerase bindet schwach an DNA - um zu synthetisieren benötigt sie Sigma- Faktor, welchen den Promoter erkennt  Initiatonsphase - nach circa 10- Basen wird Sigma- Faktor wieder entlassen - wird nur für Anbindung benötigt - Doppelhelix wird geöffnet (beide Stränge liegen kurzes Stück frei) - ein DNA- Strang= Matrix, welcher kopiert wird - die ersten zwei Ribonucleotide binden an RNA- Polyermase, um RNA- Kette zu starten - komplementäre Basenpaarung solange bis Terminatorsequenz auftaucht und erkennt wird - RNA wird langsam freigesetzt und fungiert als mRNA  Elongationsphase RNA- Polymerase II  eukaryotische RNA- Poymerase II benötigt Transkriptionsfaktoren Funktion der Faktoren 1) RNA- Polyermase am Promoter in richtige Position bringen 2) unterstützt Trennung der beiden Stränge 3) Freisetzung der Polymerase beim Transkriptionsstart Ablauf - Promoter enthält bestimmte Sequenz= TATA- Box - TFIID mit Untereinheit TBP(TATA- Box bindendes Protein) erkennen TATA-Box und binden an diese - somit kann auch TFIIB an den Komplex binden - übrigen Transkriptionsfaktoren sowie RNA- Polymerase lagern sich an = Transkriptions- Initiationskomplex - TFIIH nutzt ATP um Stränge am Startpunkt voneinander zu lösen - Addition von Phosphatgruppen an Polymerase durch TFIIH - Polymerase löst sich somit vom Komplex und beginnt Transkription - Proteine, die bei der Transkription helfen, können dort anlagern - andere Transkriptionsfaktoren werden wieder freigesetzt und stehen wieder zur Verfügung


Genexpression durch Proteine (Enhancer/ Aktivatorprotein) cis- acting - Genregulatorprotein(Aktivator/ Repressor) reichen meist für Genexpression icht aus - DNA- Stelle, wo Genaktivator bindet= Enhancer - können weit von Promoter entfernt liegen, beeiflussen trotzdem Transkription - DNA zwischen Enhancer und Promoter bildet Schlaufe - Aktivatorprotein liegt somit direkt bei Promoter - Proteine wie Mediator bilden Adapter zwischen Genregulatorprotein und RNAPolymerase  großer Komplex von Proteinen - Aktivatorprotein unterstützt Bildung von Initiationskomplex - Repressorproteine mach das Gegenteil - beide Proteine rekrutieren die Proteinkomplexe der Chromatinstruktur

Unterschiede zwischen der Transkription bei Eu-/ Procaryoten Eucaryoten - Transkription in Zellkern - DNA/RNA aufgeteilt in Introns und Exons Splicing - RNA- capping - RNA processing (alle Abläuf) - Polyadenylierung - zum Schluss mRNA enstanden, die aus Nucleus exportiert wird

Procaryoten - alles im Cytosol - von DNA direkt zu mRNA

RNA processing RNA-capping  Modifizierung des 5’Ende (Teil der zuerst synthetisiert wird) - Guanin und Methylgruppe - capping direkt wenn 5’Ende synthetisiert ist, der Rest aber noch gemacht wird


Polyadenylierung  Modefizierung des 3‘ Ende - Enzymkomlex schneidet RNA in spezielle Sequenzen - zweites Enzym hängt viele Adeninnucleotide in Folge ans Ende  Poly(A)Schwanz  beide Modifikationen erhöhren Stabilität der mRNA , unterstützen Export ins Cytosol und sind Merkmale für mRNA / weisen daraufhin das mRNA fertig ist

RNA- splicing -mRNA ist aufgeteilt in Introns und Exons - Introns: nicht codierende Bereiche - Exons: codierende Bereiche - durch Splicing werden Introns entfernt und Exons miteinander verbunden - Introns haben kurze Nucleotidbereiche, die als Signal für Entfernung dienen - wird als Lariat (Lassoform) ausgeschnitten - wird mit „A“ der 5‘ Spleißkette des Introns gebildet - Spleißen wird von anderen RNAMolekülen ausgeführt - snRNA (Kern des Spleißosoms) und andere Proteine = SnRNP  1 Genabschnitt kann für unterschiedliche Proteine codieren


Nucleus  die genetischen Informationen liegen im Zellkern - Zellkern ist von zwei Membranen umgeben (Kernhülle) - Kernhülle ist von Kernporen durchbrochen - innere Membran ist mit Kernlamina verbunden - Kernlamina: fein gewobenes Geflecht aus Filament, was Kernhülle stützt - äußere Membran geht in ER über Kernporen = Schleuse, wo Moleküle Zellkern verlassen und betreten können - setzt sich aus vielen verschiedenen Proteinen zusammen - kleine wasserlösliche Moleküle können spontan zwischen Cytosol und Kern hindurchtreten - größere Moleküle benötigen besondere Proteine - NLS (nuclear localization signal) lenkt Proteine vom Cytosol in Zellkern - besteht aus 1 oder 2 kurzen Sequenzen mit positiv geladenen Lysin und Arginin - weiter Komponenten wie GTP (aktiver Transport), Rezeptoren,… werden benötigt - Transport mit Hilfe von Proteinen = bidirektionaler Transport

bidirektionaler Transport -Transport durch Rezeptorproteine (Importine, Exportine) Import 1. Molekül bindet an Importin und an Kernporenkomplex 2. Importin mit Molekül durchquert Kernpore 3. Ran-GTP bewirkt, dass sich Moleküle von Importin löst 4. Ran- GTP bindet an Importin und bindet dieses an Kernporenkomplex 5. Ran-GTP transportiert Importin zum Cytosol 6. Ran-GDP+ Pi löst sich von Importin Export 1. Molekül bindet an Ran-GTP und Exportin 2. diese binden an Kernporenkomplex 3. Exportin mit Molekül und Ran-GTP durchqueren Kernpore 4. Ran-GDP entsteht und Komplex löst sich auf 5. leeres Exportin bindet an Kernporenkomplex 6. Exportin wird in Zellkern zurück importiert  Transportrichtung wird durch steilen Konzentrationsgradienten von RanGTP gesteuert. Im Zellkern ca. 200fach höher als im Cytosol


Ran GTP- Zyklus - RanGTP wandert von Nucleus zu Cytosol - im Cytosol wird durch Ran-GAP das Pi von GTP getrennt - RanGDP ensteht - RanGDP wandert in Nucleus - durch RanGEF wird aus GDP GTP

Ribosomen  werden im Nucleus hergestellt Ribosomenproduktion - rRNA- Gene werden transkribiert - entstandene RNA wird modifiziert und prozessiert durch Proteine und andere RNAs - Prä- Ribosom mit 90s entsteht - 5s RNA kommt hinzu, durch Protein und RNA- recycling entsteht Prä 40s und Prä 60s - Untereinheiten werden getrennt exprotiert - setzen sich im Cytosplasma zu 80s Ribosom zusammen  Ribosom großer Komplex aus 4 RNA und mehr als 80 Proteinen (bei Bakterien) Ribosomenaufbau Eukaryote - aus 2 Untereinheiten - kleine Untereinheit 40s: - 18s rRNA+ 1900 Nucleotiden = ca. 33 Proteine - große Untereinheit 60s: - 5s rRNA, 28s rRNA, 5,8s rRNA - 120 Nucleotide, 4700 Nuckleotide, 160 Nucleotide = ca. 49 Proteine Procaryote - aus 2 Untereinheiten - kleine Untereinheit 30s - 16s rRNA mit 1540 Nucleotide - 21 Proteine - große Untereinheit - 5s rRNA mit 120 Nucleotide , 23s rRNA mit 2900 Nukleotide, 16s rRNA mit 1540 Nukleotide - 34 Proteine  2/3 aus rRNA und 1/3 Proteine (eher an Oberfläche)


RNA- Polymerase I  stellt rRNA her - rRNA sind zu Ribosomen verbunden - Polymerase transkribiert rRNA Gene - chemische Modifikation findet statt - manche Nukleotidregionen werden daraufhin abgebaut - nach dem Ausschneiden sin 3 rRNAs entstanden - 18s rRNA bildet eine Untereinheit 5,8s, 28s und die 5s, welche woanders hergestellt wurden, bilden die andere Untereinheit - 200-600 rRNA Gene pro Zelle - rRNA werden ausgiebig modifiziert - snoRNPs (snRNP)= snoRNA+ Protein - werden für Modifikation benötigt - führen RNA

Funktion der Ribosomen - rRNA wir getrennt aus Nucleus exportiert, damit keine Translation im Nucleus stattfindet - zusammengefügte Untereinheiten führen Translation durch - große Untereinheit besteht aus 3 Stücken: 1) A-Site: tRNA Bindungsstelle 2) P-Site: Peptidbindug ensteht 3) E-Site: exit of tRNA ohne Aminosäure  alle 3 Stellen werden durch rRNA gebildet - Ribosom an P-Stelle = Ribozym (besitzt katalytische Aktivität)

Ablauf 1) ankommende tRNA ist an EF-Tu(Elongationsfaktor mit GTP) gebunden 2) wenn falsche tRNA an A-Seite ankommt, kommt es nicht zur Hydrolyse von GTP zu GDP 3) falsche tRNA verschwindet 4) richtige tRNA löst Hydrolyse aus 5) tRNA nimmt richtige Konfirmation an und bringt Aminosäure in richtige Position, damit Peptidbindung ausgebildet werden kann 6) EF-G(verbunden mit GTP) bindet an Ribosom 7) durch Hydrolyse wird Ribosom an mRNA entlang geschoben -A- Seite wird freigesetzt  wiederholender Prozess

Proteinabbau - falsche oder unvollständig gefaltete Proteine müssen aus Zelle entfernt werden - auch richtige Proteine, die jedoch eine lange Lebensdauer haben, müssen abgebaut werden


Proteasom = baut Proteine ab - besteht aus zentralem Zylinder, wo Proteine abgebaut werden und Kappenkomplexen, welche die Proteine erkennen und mit Hilfe von ATP entfalten - kommt bei Archeae und Bakterien vor, sowie Eukaryoten - sind im Cytoplasma und Nucleus - Zylinder besitzt aktive Zentren - verhindern Abbau an falsch ausgewählten Proteinen

Funktion des Proteasoms - Protein wird mit Polyubiqutinkette makiert - Protein wird im Kappenkomplex aufgenommen - AAA-Proteine entfaalten Protein mit Hilfe von ATP - Polyubiquitinkette wird abgegeben - entfaltetes Protein gelangt in Zylinder und wird durch aktives Zentrum in kurze Peptide (ca. 7 AS) getrennt

Polyubiquitin = Abbausignal Ubiquitierung - von 3 Enzymen katalysiert: E1, E2, E3- Ligase - durch E1 wird Ubiquitin mit Hilfe von ATP aktiviert - nach Bindung an E1 an E2 überführt - durch E3-Ligase wird Ubiquin an Zielprotein übertragen

Proteamsomkreislauf

Alternativen zum Proteasom - Lysosom: besitzt säures Milieu, wo Enzyme arbeiten und Organellen abbauen, falls Lysosom leckt, können Abbauenzyme nicht weiterarbeiten - Proteasom wird in speziellen Fällen benutzt um Hemmstoffe abzubauen


zellbiologische Arbeitsmethoden Lichtmikroskop - helles Licht wird benötigt - Linsen im Kondensor müssen Licht auf Probe fokussieren - Licht muss durch Probe treten können - Linsen von Objektiv und Okular müssen so eingestellt sein , dass scharfes Bild ins Auge gelangt  gefärbte Proben führen dazu, dass Amplitude sich verringert strukturelle Proben besser erkennbar verbesserte Bilder durch elektronische Bildverarbeitung Fluoreszenzmikroskopie  Zellen werden mit flouriziernden Farbstoff angefärbt - wie Lichtmikroskop, nur Licht durch 2 Filtersysteme 1. Filter: filtert Licht vor Probe  lässt nur Wellenlängen durch, die Farbstoff anregen 2. Filter: verhindert Durchtritt von diesen Wellenlängen  nur Wellenlängen, die Farbstoff emittieren - verschiedene Farbstoffe, verschiedene Wellenlänge (GFP: Blau-grün/ 460-500nm) - unterschiedliche Anregungs- und Emissionsspitzen - emittierte Photon niedrigere Energie (größere Welllänge) als absorbiertes Photon Konfokalmikroskop  Punkt für Punkt wird Bild mikroskopiert (wie Lichtmikroskopie), am Ende Gesamtbild zusammengestellt

Elektronenmikroskop  Verwendung von Elektronen  Auflösungsgrenze sehr gering - kann 0,1nm erreichen - Aufbau wie Lichtmikroskop, außer: - Elektronenquelle statt Lichtquelle - Bild auf Bildschirm nicht direkt mit Auge - magnetische Spulen statt Linsen - Probe im Vakuum - Proben müssen chemisch fixiert werden, in Kunststoff eingebettet und ultradünn geschnitten werden - Fixiermittel: Glutardialdehyd, Osmiumtetroxid Rasterelektronenmikroskop - Elektronenstrahl tastet Probe ab - Detektor misst Menge an gestreuten und emittierten Elektronen - erstellt durch Intensitätsunterschiede Bild auf Bildschirm  dreidimensionale Bilder - Details zw. 3nm und 20nm Schneiden und Färben von Geweben - zugeschnitte Gewebsstücke - Fixierung - Entwässern in Alkohol - Einbetten in Paraffin - Schneiden - Schnitt auf Objektträger aufziehen


- Alkoholkonzentration absteigend - Schnitte färben - Alkoholkonzentration aufsteigend - Dauerpräparat fertigstellen im Eindeckungsmedium Immunocytochemie - durch Antikörper Marker setzen Zentrifugation  Je kleiner Komponent, desto größer muss Kraft sein - wiederholte Zentrifugation bei zunehmender Geschwindigkeit kann Zellbestandteile aufteilen Steriles Arbeiten - sterile Werkbank - Vermeidung von Kontamination - Kontaminationsquellen: Luftkeime, Glasware, Zelle, Medien/ Reagenzien - bei Wasserbädern, Pipettenwaschbad auf Hygiene achten, evtl. Bakteriostatika - Polycarbonatfilter: 0,2µm Porenweite - Filtration von Medium: < 0,2µm Porenweite (Schlauchpumpe) Cytotoxizitötstest 1) permanente Zelllinie 2) Primärkulturen von Hepatocyten - Verdünnen der Probe - Zugabe von Zellen - Inkubation - Vitalitätstest - Messung Vitalitätsmessungen Laktatdehydrogenase - Enzym Laktatdehydrogenase ist in intakten Zellen im Cytoplasma - Membranschädigung  verstärkte Freisetzung cytoplasmatischer Bestandteile im Nährmedium  Anreicherung des Enzyms LDH - LDH- Aktivitäts- Messung durch Konzentrationsabnahme von NADH oder indirekt über Farbstoffe - Pyruvat+ NADH + H+ reagiert zu (LDH) Laktat + NAD+ Kristallviolettfärbung - Intensität der Farbe stimmt sehr gut mit Anzahl der Zellen überein - kein direkter Vitalitätstest MTT- Färbung - gelbes MMT- Tetrazoliumsalz wir zu Zellen gegeben - Umwandlung zu violetten/ blauen, unlöslichen Formazanprodukt nur in lebenden Zellen - MTT (gelb) reagiert zu MTTformazan (violett) Neutralrot- Färbung - Aufnahme des Farbstoffes Neuralrot in Lysosomen von inaktiven Zellen - Zellen mit geschädigter Membran/ lysosomaler Membran behalten Farbstoff nicht so gut während Waschvorgang (gelb Färbung)


Protocyten und Eukaryoten Zelle - alle Organismen aus Zellen aufgebaut - kleinste lebensfähige Einheit - vermehrungsfähiges System - Entstehung durch Teilung oder Verschmelzung Grundfunktionen des Lebens - selbstvermehrungsfähig - Genom (genetische Info) - Mutationen (genetische Info sprunghaft ändern) - Biomembran (Barriere und Vermittler zur Umwelt) - Stoffwechsel - reizbar (Rezeptoren) - Bewegungsaktiv (Mobilität) Zelltypen Prokaryoten (Eu‐ und Archaebakterien) - 0,1 -2 µm - Protozyten ohne Zellkern  DNA frei im Cytoplasma - zirkuläres DNA Molekül - simple Innenstruktur - Plasmamembran umschließt meist nur ein Kompartiment/ einfach gebaut - Plasmide: ringförmige DNA für autonome Replikation in Wirtszelle - Flagellen für Fortbewegung/ Gleiten an Oberfläche als Fortbew. - Fimbrien/ Pili: Anheftungsorgan für Substrat-/ Konjugationspartner - Sporen als Dauerstadium Eukaryoten(Pilze, Tiere, Pflanzen) - 10- 100 µm - mit Zellkern: DNA zu Chromosomen organisiert und durch doppelte Biomembran zu Cytoplasma abgegrenzt - komplexe Innenstruktur mit vielen Kompartimenten - Pflanzenzelle (0,1- 0,3mm): Plastide, Vakoule, Zellwand - Pilzzellen: Zellwände, Vakoule, keine Plastide - Vakoule für wandlose Zellen in Süßwasser oder Boden, da hyperton(erhöhter Druck) als Außenmedium - Metazoa durch Abschlussgewebe / Außenskelett geschützt - meisten Vielzeller: Steuersysteme für Zellen - biologische Sexualität  zelluläres Phänomen - evolutiv stabiles Bauelemente - Organellen: mit 2 Biomembranen Nucleus Mitrochondrien Plastide


mit 1 Biomembran ER (Synthese von Proteinen) Golgi- Apparat und Vesikel (Reifungs- und Verteilungsstation für Proteine) Vakoule/ Lysosom (Wasser-/ Materialspeicher, Abbaureaktionen) Peroxisom (Wasserstoffperoxidauf/ -abbau) mit ½ Biomembran Oleosom (Lipidtröpchen) außerdem: - Cytosol - Cytoskelett - Ribosomen Vergleich

Kompartimentierung = Reaktionsräume gleicher Art von Membran umschlossen Kompartimentierungsregel (Schnepf 1965) - Biomembran trennt plasmatische/ nicht plasmatische Phase (nicht mischbar) - von Phase zu Phase muss Biomembran passiert werden - gilt auch für Fusion und Vesikelvorgänge Kompartimetierung bei Eucyten - Mitrochondrien und Plastide kein Austausch mit anderen Kompartimenten - Sinn: Stoffwechseltrennung: effektiver, störunanfälliger, regulierbar - Kompartimetierung ist dynamisch

Mycoplasmen = Minimalzelle: 0,1 µm / kleinster Einzeller - fluoreszierender Farbstoff gegen Ribosomen: Kontrolle, ob Mycoplasmen oder nicht


Kompartimentierung Formen der Organismus- Koexistenz = gleichzeitiges Bestehen Konkurrenz - Arten im Wettbewerb um limitierte Ressourcen Parasitismus - Beziehung zw. Parasit und Wirt - Ekto-/ Endoparasitismus - zur Gewinnung von Nahrung Kommensalismus - Partner beeinflussen sich nur wenig - Zwischenform von Parasitismus und Symbiose Symbiose - innige Verbindung von Arten - Beidseitiges Nutzen - Ekto-/ Endosymbiose - Ernährung, Schutz, stabile Milieubedingung - Bereitstellung von Nahrung, Schutz vor pathogenen Mikroben (Wirt) Endosymbiontentheorie - Entstehung von Chloroplasten und Mitochondrien nach endocytotischer Aufnahme (Phagocyte) - Aufnahme durch Endomembransystem und Unterstützung von Cytoskelett - Nutzen: Anstieg von Sauerstoffkonzentration, aerobe Energiegewinnung - aerober Procaryot, anearober Wirt Historie - 1910: theoretische Arbeit von C.S. Merezhkowsky 1) Chloroplasten in fremden Organismen (Symbiose gebildet) 2) Plastide über Gameten 3) Cyanobakterien freilebende Vorfahren von Chloroplasten 1960er: DNA und Ribosomen in Chloroplasten/ Mitochondrien 1980er: L. Margulis postuliert Endosymbiontentheorie, physio. und biochem. Ähnlichkeit Argumente - alle Eucyten besitzen/ besaßen Mitrochondrien - Plastide/ Mitrochondrien gleiche größe wie Bakterien - beide replizieren wie Bakterien  Fission Spaltung - Replikation unabhängig von Kernteilung - mitrochondriale RNA zirkulär - mitrochindriale Ribosom 70s Kompartimentierungshypothese - Entstehung von Chloroplasten und Mitrochondrien durch Membranausstülpung - postuliert von Cavalier- Smith (1983)


Peroxisimen(Microbodies) - 200-500nm - in allen kernhaltigen Zellen - besonders zahlreich in Leber und Niere - elektronendichte, feinkörnige Matrix - Nucleotide aus Katalase und Uratoxidase - Halblebenszeit: ca. 5 Tage - Abbau: ca. 4 Min - Funktion: Abbau bestimmter Umweltstoffe

Biokatalyse im Peroxisom - Leitenzym: Katalase und Peroxidase - Abbau reaktiver Sauerstoff- Spezies durch Katalase: 2 H2O22 H2O + O2 - Oxidase produziert Wasserstoffperoxid  Abbau durch Katalase - Katalase nund Oxidase halten Gleichgewicht von Wasserstoffperoxid - neutralisieren selbst gebildete Radikale und oxidativen Stress der Zelle Erbkrankheiten - Adrenolenkodystrophie - schwere Schäden der Myelinscheide der Nerven - Zellweger- Syndrom - lethal, da Ausfall alle peroxisomalen Stoffwechsel


Endoplasmatisches Retikulum  dynamisches Kompartiment aus 1 Biomembran - aus Röhren (glattes ER) - Röhren und Zisternen (raues ER)  Anlagerung von Ribosomen glattes ER - Synthese von polaren Membranlipiden - Fettsäuredesaturierung und –elongation - Hydroxilierung verschiedener Verbindungen - Synthese von Reservelipiden  später Oleosom (durch Vesikelbildung mit Reservelipid an Membran) - Speicher für Ca2+ raues ER - Synthese von löslichen und membran- gebundenen Proteinen - Ausbildung von Disulfidbindungen - Glycoproteinsynthese - Qualitätskontrolle der synthetisierten Proteine - Sortierung der Stoffe

Membranproteine - Typ 1: N- Terminus in extrazellulären Raum C- Terminus im Cytoplasma - Typ II: C- Terminus in ECM T- Terminus im Cytoplasma - Typ III: mehrere intermembran Domäne Synthese von Transmembranprotein 1) SRP = Signalerkennungspartikel bindet an sobald aus Ribosom - durch SRP- Rezeptor an ERMembran 2) nach Bindung an Rezeptor, SRP wird freigestezt - Polypeptidkette wird durch Translokationskanal ins ER- Lumen geführt 3) sobald TransferStoppsequenz(Hydrophob) in Translokationskanal eintritt, wird Protein seitlich in Lipiddoppelschicht freigesetzt


Golgi- Apparat = Dictyosom  abgeflachte membranbegrenzte Säckchen - nimmt die im ER synthetisierten Moleküle auf, modifiziert sie chemisch und leitet sie dann weiter durch Vesikel Aufbau cis- Golgie: - Zugang, - Phosphorylierung von Zucker auf lysosomischen Proteinen Stapel cis- Zisterne mittlere Zisterne trans- Zisterne trans- Golgi- Netz: - Ausgang - Modifizierung (Sulfat) von AS und Kohlenhydraten (Zucker) - Sortierung der Stoffe zu Lysosom, Plasmamembran oder Sekretionsvesikel  großer Anteil des Transports in Vesikeln


Mitrochondrien - semiautonome Organellen - DNA ringförmig in Matrix - maternaler Ursprung (Mitrochondrien auf Spermium werden nicht in Oozyte aufgenommen) - hohe Zahl in intensiv beanspruchten Zellen  hoher Energiebereich Komponente - intermembran Raum - innere Membran: Diffusionsbarriere hohe Konzentration an Cardiolipin Enzyme der AK, ATP- Synthese, Carrier für Metaboliten - Cristae Membraneinstülpung  mehr Reaktionsraum - Matrix Enzyme des Citratzyklus Genom, tRNA, Ribosomen Motilität - Bewegung entlang von Microtubuli durch Morotproteine - Teilung und Verschmelzung anhaltend Funktion - Herstellung von Energie (ATP) Zitronensäure- Zyklus/ oxydative Phosphorylierung - Fettsäureabbau (β- Oxidation) - Regulation der Apoptose Elektronentransportkette  Aufbau elektrochemischer Protonengradienten und ATP- Synthese  Entstehung von Superoxidradikalen(unvollständige Atmungskette) - reagiert ungerichtet mit Proteinen+ Nucleinsäuren - antioxidativ wirkende Enzyme: Katalase, Peroxidase, SOD


Plastide -photoautotroph - innere Einstülpung der Membran bilden Thylakoide - gestapelte und ungestapelte Areal von Thylakoid - Vorstufe aller Plastide: Proplastid - Leukoplasten in Speichergewebe: Stärke (Amyloplast), Lipide (Elaioplast), Proteine (Proteinoplast) - in Chloroplasten findet Photosynthese statt

Photosynthese 1) Lichtreaktion - Transformation von Strahlungsenergie in elektrochemisches Potential  Synthese von ATP und NADPH - nicht zyklischer Elektronentransport - zuerst PS II dann PS I - Chlorophyl als Lichtsammelkomplex 2) Dunkelreaktion/ Calvin- Zyklus - atmosphärisches CO2 wird mit ATP/ NADPH zu energiereichen organischen Verbindungen reduziert - im Stoma der Thylakoide - Rubisco katalysiert Bindung von Co2  Rubulose- 1,5 biphosphatcarboxylase


Vesikulärer Transport Hüllproteine = coated vesicle  Zur Abspaltung von Vesikeln Hüllproteine benötigt 3 Klassen Clathrin COP I COP II - zur Vesikelbildung sind Proteine nötig (Verformung der Membran) - fallen schnell wieder ab - ER Golgi: COP II Golgi ER: COP I Golgi  PM: Clathrin PM/ Lysosom Golgi: Clathrin Endocytose  Abgabe von Vesikel 3 Arten Pinocytose: kleine Partikel und Flüssigkeiten Phagocytose: größere Nahrungspartikel Rezeptor- vermittelte Endocytose: spezielle Stoffe mit speziellen Rezeptoren  vorallem bei Stoffen mit geringer Konzentration

Funktion von Clathrin - Clathrinmoleküle lagern sich auf cytosolseite an Membran an (korbartiges Geflecht) - Frachtrezeptoren werden durch Adaptin(wählen Frachtmoleküle aus) mit Frachtmolekülen verbunden - Clathrinzusammenlagerung ergibt Vesikelform - Dynamin (GTP bindendes Protein) lagert sich als Ring um Hals des Vesikels - Ring zieht sich zusammen  Abschnürrung des Vesikels - nach Abschnürung werden Hüllproteine abgeworfen  COP I und COP II funktionieren ähnlich

Lysosom  Kompartiment für Verdauungsvorgänge - hydrolitische Enzyme arbeiten optimal bei pH 5 - Cytosol bei pH 7,2 somit Schutz vor Schäden - Biomembran von Lysosom gibt auch Schutz - Endosom(endocytische Vesikel, die zusammenschmelzen) bringen Inhalt


Trancytose  durch Zelle hindurch - hochselektiv - z.B.: immunglobulin über Darmepithel

Vesikelsortierung (in polarisierten Zellen / Epithelzellen) - 2 Wege: - Golgi- Apparat sortiert Stoffe und somit Vesikeltransport - Golgi- Apparat schickt alle Stoffe an Membran - falsche Stoffe werden durch Vesikel und Endosomen ein richtige Stelle gelenkt  nicht klar wann welcher Weg genutzt wird Phagocytose: Partikel von Zellen(es entsteht Phagosom) aufgenommen/ gefressen(Bestandteile von außerhalb der Zelle) Autophagie - Zelle baut eigene Bestandteile ab z.B. Mitrochondrium - Endocytose, Phagocytose und Autophagie alles gelangt zum Lysosom Exocytose  Aufnahme von Vesikeln - SNAREs und SNAPs werden dafür benötigt - t- SNARE (target); v- SNARE (vesicle) - SNAREs helfen Ziel zu finden SNARE- Zyklus - Bildung des cis- Komplexes durch Fision der Membran - cis- Komplex Vesikel komplett verschmolzen - Auflösen des Komplexes durch ATP - SNARE- Komponente wieder einzeln  N- terminale Enden binden aneinander  Fusionskräfte ziehen Vesikelmembran und Zielmembran zusammen  Fusionspore für Fusion entsteht Speichervesikel - Vesikel mit Speicherstoff fusionieren - reifer Speichervesikel = hohe Konzentration, ohne Hüllprotein etc. - Bsp.: Insulin - Synapse (Vesikel mit Transmitter) - Ca 2+ Speicherung bei Befruchtung - Cnidocyte bei Cnidaria


Cytoskelett Actinfilament (Mikrofilament) - 5-9 nm dick - helikale Polymere = F- Actin - Actin- Monomere = G- Actin - inhärente Polarität - am plus- Ende schnelleres Wachstum, am minus- Ende schnelleres auseinanderfallen - beteiligt an Bewegungs- und Transportvorgängen - Actin- Bündel = Stressfasern - 1 Gen für Actin

Intermediäre Filamente - 10 nm - intermediäre, da zwischen Actin und Microtubuli im Durchmesser - Polymere von intermediär- FilamentProteinen - hohe Stabilität und Zugfestigkeit - dort, wo Zellen mechanisch arbeiten - viele Gene für verschiedene Filamente

Microtubuli - 25 nm - Hohlzylinder - Polymere aus α- und β- Tubulin - gehen vom Centrosom aus bei tierischen Zellen (MTOC) - polar mit plus- (wachsen) und minus- Ende (depolymersieren) - aus 13 Protofilamenten - 1 Protofilamente steht aus 2 Proteinen (αund β) - beteiligt an Zellteilung, Zellbewegung, Transportvorgänge

Dynamische Instabilität 1) Tubulin- Monomere polymerisiert (β- Tubuli mit GTP) - gerades, stabiles Protofilament ensteht 2) durch GTP- Hydrolyse entsteht gebogenes, instabiles Protofilament 3) dadurch Depolymerisierung 4) bei Monomere findet Austausch von GDP zu GTP statt


Actinfilament und Microtubuli - aus globularen Untereinheiten (G- Actin bzw α- und β- Tubulin) - dynamische Instabilität - beteiligt an Bewegungsvorgängen Intermediärfilamente - aus filamentösen Untereinheiten - keine dynamische Instabilität - reine Skelettfunktion viele andere Proteine beteiligt - verbinden Filamente untereinander oder mit Zelle - steruern Auf- und Abbau  Stabilität - bewegen Zellstrukturen entlang der Filamente - Motorproteine: Myosin, Dyneine, Kinesine nur mit Actinfilament oder Microtubuli - Cytoskelett benachbarter Zellen verbindet


Extrazelluläre Matrix (ECM) Wichtige Komponenten Bei tierischen Organismen Kollagene: Vorallem fibrillär, andere Kollagene Vernetzungsfunktion Proteoglycane: Komplexe Moleküle aus sulfatierten Proteinen und Polysacchariden Laminie: Proteine die andere ECM Komponenten miteinander vernetzt Chitin Mineralische Komponenten

Bei pflanzlichen Organismen (Zellwand = ECM) Cellulose: Polymere aus Glucose Lignin: Phenolische Verbindungen aus AS Tyrosin und Phenylanin, macht Zellwand hart Glycane Pectine Glyckalyx – einfachste Form der ECM

Entstehung von ECM - ER synthetisiert Macromoleküle (Collagene, Proteoglycane) - Golgi- Apparat nimmt Prozesssierung und Adressierung vor  ECM aus Glycocalyx, organische Markomoleküle und anorganischen Salzen entsteht


Struktur von Proteoglycanen - durch Verbindungsproteine zweigen sich Trägerproteine von Hyaluronan ab - Polysaccharidketten an Trägerproteinen Mögliche Polysaccharide: Hyaluronat, Heparin, Dermatansulfat, Keratansulfat, Chondroitin-6-sulfat

Struktur von Kollagen Tropokollagen+ Polypeptidkette  Microfibrille  Kollagenfibrille Kollagenfaser Polypeptidkette aus Glycin und andere AS

Struktur von Laminin

- aus Disulfidbrücken und coiled- coil Struktur - viele versch. Bindungstellen für ECM Komponenten  Vernetzung der ECM KOmponenten

Struktur und Synthese der Zellwand (Pflanzenzellen) - Cellulose verleiht Zugfestigkeit - Glycan quervernetzt Cellulosefibrillen - Pectin füllt Zwischenräume  Widerstandsfestigkeit gegen Druck


- Mittellamelle kittet Zellwand an Zellwand - Microtubuli unterhalb der Plasmamembran lenkt Avlagerung von Cellulose - Cellulose- Synthase- Komplexe (Membranprotein) synthetisieren Cellulose - Microtubuli schiebt Synthase vor sich her

Zellkontaktstrukturen / Zelladhäsion Zelladhäsion: Kontakte zwischen Zellen oder mit ECM, z.B.: Kompaktion bei Mäusekeimen Übersicht Zellkontakte

Funktionelle Klassifizierung von Zellkontakten 1. Okkludierende(verschließend) Kontakte  Tight junctions - dichter Verschluss zwischen Zellen - geht nichts durch - besonders in Epithelzellen 2. Verankerte Kontakte - mechanische Verbindung zwischen Zellen oder zw. Cytoskelett und ECM - focal complexes und Hemidesmosomen Kontaktpunkte zum Substrat bei Begwegung a) Verankerung an Acetinfilamente Zell-Zell- Kontakte (Adhäsionsgürtel, adhesion belt) Septate junctions (hauptsächlich bei Invertebraten) Focal complexes (Vorläufer von Hemidesmosomen) b)Verankerung mit intermediär Filamenten Zell- ZellKontakt  Desmosomen Kontakte zw. Zelle und ECM  Hemidesmosomen / focal adhesion 3. Kommunizierende Kontakt


- Austausch von Stoffen, auch a) gap junctions b) Plasmodesmata

niedermolekularen elektrisch (Pflanzen)

Tight junctions - Struktur aus Proteinen die Zwischenräume zwischen Zellen abdichten

Desmosom - durchzieht Membran und ist Cytoskelett gekoppelt - um Transmembranmoleküle angeordnet: Cadherine - Cadherine calciumabhängig um sich aneinander zu binden (wie Klettverschluss)

Integrine  Verbindung zwischen Matrix und Cytoskelett

Gap- junctions - in Zellmembran liegen Connexone aus 6 Untereinheiten (Connexine) - Connexone bilden Pore in Zellmembran, Durchmesser 1,5 nm - benachbarte Connexone von 2 Zellmembranen bilden Kanal - können sich schließen und öffnen Calciumabhängig - gap- junctions können verschiedene Strukturen haben/ Unterschiedliche Kombinatorik von Connexine  verschiedene Gene - befestigter „Stopfen “ als Verschluss


Plasmodesma (gap- junction bei Pflanzen) - in Zellwänden zweier Zellen entsteht Spalt - verbinden alle Zellen miteinander  plasmatisches Konitnuum - Cytosol und Zellmembran gehen zw. Zellen ineinander über - glatte ER von beiden Zellen durch Demotubulus miteinander verbunden

Zelladhäsionsmoleküle Homophile Bindungen: - z.B.: Cadherine - Bindungen zwischen gleichen Molekülen Heterophile Bindungen: - Bindungen zwischen verschiedenen Molekülen Bindung über Brückenproteine


Bewegung mit Actin und Myosin Skelettmuskel Struktur von Muskelfaserb端ndel

Struktur eines Muskelfaser


Struktur von Myosin - Kopf aus ATPase - Hals aus regolatorischen Proteinen - Schanz aus coiled coil Struktur  versch. Myosine unterscheiden sich in Kopf, Hals und Schwanz  im Muskel Myosin II, siehe Abb. - Myosinfaser entsteht durch viele aneinander gelagerte Myosin II- Moleküle

Bewegung von Myosin an Actinfilament - Myosin durch Myosin-Kopf an Actin befestigt - durch binden von ATP an Myosin-Kopf, löst sich Kopf von Actin - Myosinkopf hydrolysiert ATP, bewegt sich und bindet erneut an Actin - ADP+ Pi an Myosinkopf gelagert - Phosphat wird abgespalten, sodass Myosinkopf Actinfilament mit sich nach rechts zieht - ADP wird freigesetzt, neues ATP kann anbinden

Struktur vom Sakromer

H- Bande: nur Myosin I- Bande: Isotrop, nur Actin A- Bande: Anisotrop, Actin und Myosin

Titin: connectin filament


Glatte Muskulatur - in Wänden von Magen, Darm, Gebärmutter und Arterien  langsame und andauernde Kontraktion - keine regelmäßige Anordnung von Myofibrillen - Actin und Myosin an Befestigungsplatten verankert

links: entspannt, rechts: kontrahiert

Amöbiale Fortbewegung - besitzen Fiopodien ( lang, dünn) Lamellpodien (breit, flach)

Art von Pseudopodien

1) Amöbie hat Anheftungspunkte am Substrat 2) durch Lamellpodien/ Pseudopodien dehnt sich Amöbie aus 3) bildet neuen Anheftungspunkt und zieht an Retraktionsstrang, sodass sich Amöbie in Bewegungsrichtung zusammenzieht  Pseudopodien bestehen aus Actinfilamenten und Myosin I

Vortrieb eines Lamellpodiums - externer Stimulus aktiviert Rezeptor - Adapterprotein wird aktiviert und aktiviert somit Arp2/3Komplex - Komplex initiert Wachstum von Actinfilamente - wachsende Actinfilamente drücken die Membran vorwärts


- Capping protein stoppt Wachstum - Colfin lรถst ADP-haltige Filamente auf - Profilin katalysiert Austausch von ADP zu ATP - ATP- Actin wandert zu Arp 2/3Komplex

Plasmastrรถmung in Algenzellen


Microtubuli, Dyneine und Kinesine Microtubuli - lange, steife Proteinröhren - Transport von Vesikeln und anderen Stoffen - Aufbau vom Cytoskelett - Mitosespindel - Cilien und Flagellen Centrosom - ist MTOC – microtubule organizing center - besteht aus 2 zueinander stehenden, zylindrischen Strukturen  Centriolen - Centriolen aus 9 Microtubuli- Tripletts und andere Proteine - Microtubuli sind zum Centrosom negativ geladen - in andere Richtung positiv

Cillien und Flagellen  Flagellen und Cielen im Aufbau sehr ähnlich  Flagellen meist länger  Flaggeln sind zur Fortbewegung von Zellen konzipiert  Cillien zur Strömungbildung Aufbau - Microtubuli in 9+2 Struktur gruppiert - Microtubuli durch Proteine zusammengehalten - äußere Microtubulipaare tragen Dyneinarme - Biegung durch Dynein = Bewegung Bewegung - durch ATP kommt es zum Gleitmechanismus beim Microtubulipaar - dadurch dass Paare miteinander vernetzt sind durch Proteine kommt es zur Biegung


Motorproteine Dynein - Motorprotein, wie Kinesin - wandert zum minus-Pol , also zum Centrosom des MIcrotubuli - zwei ATP bindende Köpfe mit Microtubuli Wechselwirkungen - Köpfe = Enzyme mit ATPase- Aktivität - Schwanz bindet an Bestandteil von Zelle

Kinesin - ähnlich wie Dynein - wandert jedoch zu plus- Pol , also vom Centrosom weg - vor allem bei Transport von Stoffen beteiligt

Intraflaellärer Transport durch Dyneine und Kinesine - Dyneine transportieren Partikel richtung Centrosom - teilweise angelagertes Kinesin II, welches mit zum Centrosom transportiert werden soll  plus/minus- Bewegung - von Centrosom weg, also richtung plus- Pol steuert Kinesin II den Transport - nun kann Dynein angelagert sein, da es am plus- Pol benötugt wird

Unterschiedliche Arten von Cilien Primärcilien - 9+0 Struktur - besitzen nur Mircotubulipaar und Nexin als Bindungsprotein Cilien in Flimmerepithel - Cilen ragen aus Flimmerepithel raus - Basalkörper unterhalb der Membran Umgewandelte Cilien als reizaufnehmende Struktur in Sinneszellen - Cilie als Verankerung im Sinneshaar


Auf- und Abbau von Primärcilien - Centrosomen organisiert Mitosespindel - Transport des Centrosoms zur Zellmembran - erste Elongation des Ciliums (Verlängerung) - Fusion mit der Membran - Duplikation von Centriol bzw. Basalkörper - Resorption des Cilliums (Aufnahme) - Reifung der beiden Centrosomen

Mitosespindel - Centrosom (Spindelpol) bilden Microtubuli aus - Kinetochor- Microtubuli heften sich an Chromatid (Centromer) an - Pol- Microtubuli bilden Überlappungsregion - durch Bewegung von Kinesine und Dyneine ziehen sich Polmicrotubuli immer mehr auseinander  Überlappungsregion wird kleiner

Aufbau

Abbau


Bewegungsvorgänge bei der Mitose Cytokinese in tierischen Zellen - Teilfurchung durch kontraktilen Ring aus Actin und Myosin II - vergleichbar mit Ringmuskel - Beispiel: Furchungsteilung beim Frosch - Teilungsspindel löst kontraktilen Ring aus (Versuch mit Seeigel- Eiszelle)

Karyokinese und Cytokinese in Pflanzenzellen Prophase: Chromosomen kondensieren Metaphase: Chromosomen ordnen sich in äquatorial Ebene an Spindelapparate sind ausgebildet Anaphase: Anbindung der Microtubuli Chromatide werden auf Tochterzellen verteilt Telophase: Phragmoplast wird gebildet/ Zellplatte weitet sich von innen aus Kernhüllen werden gebildet Chromosomen dekondensieren

Feinstruktur des Phragmoplasten/ Zellplatte - Transport von Vesikeln  Transport für neues Zellwandmaterial - Fusion von Membranen durch SNARE Proteine - Organisation von Microtubuli - fusion tubes = Fusionsschläuche


Cortikales Actin Region ohne cortikales Actin

Cytokinese im Vergleich Tierische Zelle: Pflanzliche Zelle:

von außen nach innen  kontraktiler Ring von innen nach außen  Zellplatte / Phragmoplast

Bewegungssysteme in eukaryoten Zellen Actin / Myosin- Systeme: - Muskeln - amöbiale Fortbewegung - Cytokinese bei tierischen Zellen - Plasmaströmung in Pflanzenzellen Microtubuli mit Dyneinen und Kinesinen: - Cilien und Flagellen - intraflagellärer Transport - Mitosespindel - Transport von Vesikel in Zellen


Zellzyklus M (Mitose): Mitose findet statt (1h) G1- Phase: Wachstum mit G0- Phase (Entscheidung, ob Zelle im Zyklus bleibt) S- Phase : Synthese (Replikation) der DNA G2- Phase: Vorbereitung auf Teilung

Interphase (Zeit zwischen 2 Teilungen)

Kontrolle des Zellzyklus Kontrollpunkte G1- Kontrollpunkt Ist die Zelle groß genug? Ist der Kontext richtig (Bezug auf Umgebung)? G2- Kontrollpunkt Ist die DNA vollständig repliziert? Ist Kontext richtig? Metaphase- Kontrollpunkt Sind alle Chromatide an die Spindel geheftet Gründe für Kontrolle - Zelle sollte sich nicht teilen bevor sie gewisse Größe erreicht hat - sollte sich nicht teilen bevor sie ihre DNA verdoppelt hat - Mitose muss genau kontrolliert werden, damit z.B.: Chromatide richtig aufgeteilt werden und nicht eine Tochterzelle mehr bekommt - in mehrzelligen Organismen sollen bestimmte Zellen sich nicht mehr teilen oder erst nach Aufforderung Kontrollproteine Cyline CdK (cyclin- dependet kinases) -Theonin- Rest wird durch Kinase phosphorylisiert - Phosphorylisierung bewirkt, dass aktive Zentrum, welches von Schleife blockiert wird umklappt - da Schleife durch Phosphorylisierung negativ geladen wird und sich an positiv geladene Aminosäure- Seitenkette anlagert - Substrat= Protein welches von CdK phosphorysiert werden soll, kann aktives Zentrum binden


Bedingungen für Aktivität - wurde Phosphat gebunden und eins wieder entfernt - hat ein Cylin gebunden

Modellsysteme zur Erforschung des Zellzyklus Hefezellen - schnelles Wachstum - haploide Vermehrung möglich - temperatursensitive Mutanten - kleines Genom (macht molekulargenetische Experimente einfacher) frühe Embryonen von Amphipien - große Zellen (gut für biochemische Untersuchungen und leichtes Einbringen von Testsubstanzen) - vereinfachter Zellzyklus (nur MPhase und S- Phase) zumindest anfangs Zelllinien von Säugetieren in Kulturen - Modell für den Menschen - transfizierbar - auch für biochemische Untersuchungen geeignet


Zelltod Programmierter Zelltod - programmierter Zelltod (programmed cell death: PCD) ist zelleigenes Selbstmordprogramm - Unterschieden in: Apoptose und lysosomaler Zelltod von Nekrose - PCD besonders deutlich während Embryonalentwicklung - wichtigsten Moleküle: Caspase death receptors Adapterproteine Cytochrom C aus Mitrochondiren Bcl- Proteinfamilie - PCD kann durch innere und äußere Faktoren ausgelöst werden Zellbiologische Grundlagen des Alterns - meiste größere Lebewesen längere Lebenserwartung als kleinere - Metabolismus und oxydativer Stoffwechsel führen zu Alterung Telomere - Bereich am Ende der Chromosomen in denen bestimmte Basenpaarungen bis zu 1000mal wiederholt werden - bei Menschen und anderen Wirbeltieren: TTAGGG / AATCCC - schützt DNA- Enden vor Exonucleasen - verhindert Fusion von zwei Chromosomen - Kompensation für Unzugänglichkeit der Replikationsmaschinerie Mutanten von Caenorhabditis - kleiner Fadenwurm (Nematoda)


Apoptose


Einführung in die Zellkommunikation Ablauf der Evolution von vielzelligen Organismen 1) Koloniebildung 2) Arbeitsteilung (spezialisierte Zellen übernehmen bestimmte Aufgaben) 3) Bildung von Geweben (Kompartimentierung auf höherer Ebene ) 4) Bildung von Organen (komplexe Systeme aus speziellen Geweben bzw. Zellenverbände)

Übertragungswege von Botenstoffen parakrin (Gewebshormone, Wachstumsfaktoren) synaptisch (Transmitter, zwischen NS und Zielzelle) endokrin (Hormone, Transport der Botenstoffe in der Blutbahn) neuroendokrin (Neuohormone, stammen von neurosekretorischen Zellen) autokrin (ähnlich wie parakrin, aber sendende und empfangende Zelle sind identisch) chemische Natur von Botenstoffen 1. Proteine 2. Peptide 3. Aminosäuren und deren Derivate(ähnliche Stoffe) biogene Aminosäuren Thyroxin Auxin 4. Nukleotide 5. Steroide= Derivate von Cholesterin 6. Retinsäure 7. Fettsäure- Derivate 8. Terpenoide 9. Gase

Ablauf  Kommunikation läuft fast immer über chemische Botenstoffe und RezeptorMoleküle 1. Synthese eines Botenstoffs 2. Freisetzung des Botenstoffs 3. Transport des Botenstoffs zur Zielzelle 4. Bindung des Botenstoffs an einen Rezeptor (Wahrnehmung) 5. Veränderung des Metabolismus/ Genexpression in der Zielzelle durch intrazellulären Signalkaskade 6. Inaktivierung/ Abbau des Botenstoffes und/ oder des Rezeptors


Zellkommunikation - Rezeptoren mit trimären G-Proteinen Rezeptoren mit trimären G- Proteinen - bilden eine evolutionär sehr alte Protein-Superfamilie - Rezeptoren für viele Hormone gehören dazu G-Proteine - bestehen aus 3 Untereinheiten (α-, β- und γ-) - sind GTP bindend, daher G- Protein - sind in Membran verankert - GDP gebunden = inaktiv, GTP gebunden = aktiv - unterschiedliche Signalwege durch unterschiedliche G-Proteine aktiviert - α- Untereinheiten der G-Proteine haben GTPase-Aktivität - hydrolysieren das nach Aktivierung gebundene GTP zu GDP - inaktivieren sich dadurch nach einiger Zeit von selbst - Hemmung kann langfristig durch Phosphorylierung der Rezeptoren geschehen  negative feedback

Funktion - Rezeptoren aktivieren membrangebundene G-Proteine - nach Aktivierung diffundiert die α-Untereinheit an membranständige Enzyme, - Enzyme produzieren second messengers (z. B. Adenylylcyclase, Phospholipase C)  erhebliche Verstärkung des Signals

second messengers - z.B.: cAMP, IP3 - wirken über Kinasen: z.B. Proteinkinase A oder PKA (A für cAMP-abhängig) und Proteinkinase C oder PKC (C für Calcium-abhängig)

Rezeptoren bei Sinneszellen - G-Protein-gekoppelte Rezeptoren bei Sinneszellen  sensorische Trandukstionsprozesse (Chemorezeption – Riechen, Photorezeption - Sehen) - Zielmoleküle der second messenger = Ionenkanäle - evtl. Chemorezeptoren als auch Photorezeptoren in Evolution zuerst entstanden


verschiedene G- Proteine im Vergleich:

aktiviert Adenylylcyclase und Ca- Kan채le

aktiviert Phospholipase C

G- Proteingekoppelte olfaktorische Rezeptoren

G- Protein Transducin (=GT) bei der Phototransduktion

BDZ  

asdfghasdfgh

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you