Zusammenfassung Zellbiologie

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1 Zusammenfassung Zellbiologie Fragezeichen sind Regieanweisungen an mich selbst. omnis celula e celula Alle Angaben ohne Gewähr Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 1 von 105

2 Kapitel 1 Einführung in die Zelle Zellen variieren enorm in ihrem Aussehen und ihren Funktionen Zellen variiren enorm in der Grösse von ein paar Mikrometer (Bakterien) bis zu einem Milimeter (Frosch-Ei). Nervenzellen leiten elektrische Signale über Axone weiter. Pflanzenzellen haben eine feste Zellwand. Ein Makrophage verschlingt Gewebetrümer, fremde Mikroorganismen und tote oder sterbende Zellen. In Mehrzellern herrscht eine starke Arbeitsteilung Die grundlegende Chemie ist bei allen lebenden Zellen sehr ähnlich Alle Zellen bestehen aus denselben Molekülsorten, die an denselben chemischen Reatkionstypen teilnehmen. Bei allen Lebewesen werden die genetischen Anweisungen in DNA-Molekülen mit demselben chemischen Code gespeichert, im Wesentlichen von der gleichen chemischen Maschinerie ausgewertet und auf die gleiche Weise vervielfälltigt. In jeder Zelle bestehen die langen DNA-Ketten aus den gleichen vier Bausteinen. Alle Lebewesen verwenden zur Herstellung von Proteinen die gleichen 20 Aminosäuren Alle heutigen Zellen stammen von derselben Urzelle ab Da die Mutterzelle an jede der beiden Tochterzellen eine Kopie ihrer DNA weitergibt, gleiche die Tochterzelle in der Regel der Mutterzelle. Durch Mutationen können Nachkommen mit veränderten Eigenschaften entstehen. Das einfache Prinzip von Mutation, Neumischung im Verlauf der sexuellen Fortpflanzung und Selektion ist die Grundlage der Evolution. In Ihrem Verlauf kommt es allmählich zu einer immer besseren Anpassung der Organismen an ihre Umwelt Gene liefern die Anweisungen für die Gestalt, die Funktion und das komplexe Verhalten von Zellen Das Genom einer Zelle bildet ein genetisches Programm, das die Zelle anleitet, wie sie zu funktionieren hat. Unterschiedliche Zellen exprimieren unterschiedliche Gene, d.h. je nachdem, welche Signale sie und ihre Vorläuferzellen aus ihrer Umgebung empfangen haben, schalten sie die Herstellung von bestimmten Proteinen ein und die von anderen aus Die Erfindung des Lichtmikroskops führte zur Entdeckung von Zellen Zelltheorie des Lebens: Lebende Zellen entstehen ausschliesslich aus bereits existierenden Zellen Zellen, Organellen und sogar Moleküle können im Mikroskop betrachtet werden Die extrazelluläre Matrix besteht häufig aus Proteinfasern, die in ein Polysaccharidgel eingelagert sind. Eine Zelle hat typischerweise einen Durchmesser von ungefähr 5 bis 20 µm. Die Zelle besitzt eine Umgrenzung, die Plasmamembran. Die Organellen einer Zelle liegen im Cytoplasma. Die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops beträgt 200 nm, die des Elektronenmikroskops 0.2 nm. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 2 von 105

3 1.3 Die Prokaryotenzelle Von allen Zelltypen sind Bakterien am einfachsten gebaut und kommen einer auf das Notwendigste beschränkten Lebensform am nächsten. Sie besitzen keine Organellen. Organismen, die einen Zellkern besitzen, heissen Eukaryoten. Zellen ohne Zellkern heissen Prokaryoten. Bakterien sind im Allgemeinen kugelig, stäbchenförmig oder spiralförmig. Ausserdem sind sie klein (üblicherweise nur wenige Mikrometer lang). Häufig besitzen sie eine Zellwand. Bakterienzellen vermehren sich schnell, indem sie sich zweiteilen. Aufgrund ihrer grossen Anzahl, ihrer enormen Vermehrungsgeschwindigkeit und ihrer Fähigkeit, Bruchstücke genetischen Materials auszutauschen, sind Prokaryotenzellen in der Lage, sich rasch weiterzuentwickeln, und können daher schnell die Fähigkeit zur Nutzung einer neuen Nahrungsquelle erlangen oder resistent gegen ein toxisches Antibiotikum werden Prokaryoten sind die vielseitigsten Organismen Die meisten Prokaryoten leben als Einzelzellen, manche lagern sich jedoch auch zusammen und bilden Ketten, Haufen oder andere geordnete Verbände aus mehreren Zellen. Chemisch gesehen sind die Prokaryoten die vielfältigste und einfallsreichste Gruppe aller Zellen. Sie besiedeln verschiedenste Lebensräume, von heissen vulkanischen Schlammtümpeln bis zum Inneren anderer Zellen. Ihre Anzahl übersteigt bei weitem die der anderen Organismen auf der Erde. Einige sind aerob andere strikt anaerob. Nahezu jedes organische Material, von Holz bis zu Petroleum, kann von irgendeiner Bakterienart als Nahrung genutzt werden. Manche Prokaryoten sind in der Lage, ausschliesslich von anorganischen Substanzen zu leben. Einige dieser prokaryotischen Spezialisten betreiben wie Pflanzenzellen Photosynthese und beziehen die für ihre Biosynthese erforderliche Energie aus dem Sonnenlicht. Andere gewinnen Energie aus chemisch reaktiven Substanzen, die in ihrer Umgebung vorhanden sind. Solche Prokaryoten haben einen wichtigen Anteil an der Ökonomie des Lebens auf der Erde, denn andere Lebewesen hängen von den organischen Verbindungen ab, die diese Zellen aus anorganischen Stoffen bilden Die Prokaryoten gliedern sich in zwei Domänen: Eubakterien und Archaea Archaea kommen auch in Umgebungen vor, die für die meisten anderen Zellen lebensfeindlich sind. So gibt es Arten, die in konzentriertem Salzwasser, in heissen sauren vulkanischen Quellen, in tiefen marinen Sedimenten, in Klärschlamm oder in Basins unter der gefrorenen Oberfläche der Antarktis leben. Andere siedeln im sauren, sauerstoffreichen Milieu von Rindermägen, wo sie Cellulose abbauen und Methangas bilden. 1.4 Die Eukaryotenzelle Im Allgemeinen sind Eukaryotenzellen grösser und komplizierter als Eubakterien und Archaea. Eukaryotenzellen weisen immer einen Zellkern auf. Darüberhinaus aber auch noch eine Vielzahl anderer Organellen, die bei allen Eukaryoten struktruell und funktionell ähnlich sind. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 3 von 105

4 1.4.1 Der Zellkern ist der Informationsspeicher der Zelle Die Kernhülle besteht aus zwei konzentrischen Membranen. Der Zellkern enthält die DNA-Molküle Mitochondrien erzeugen aus Nahrung nutzbare Energie für die Zelle Mitochondrien sind wurst- oder wurmartig geformt, ein bis mehrere Mikrometer lang und werde von zwei verschiedenen Membranen umhüllt, wobei die innere Membran den Innenraum des Organells mit vielen Falten durchzieht. Mitochondrien enthalten ihre eigene DNA und vermehren sich durch Zweiteilung. In vielerlei Hinsicht ähneln sie Bakterien und vermutlich stammen sie von einem Bakterium ab. Mitochondrien erzeugen chemische Energie für die Zelle. Sie nutzen die Energie aus der Oxidation von Nahrungsmolekülen wie Zucker, um Adenosintriphophat (ATP) zu produzieren Chloroplasten fangen Energie aus Sonnenlicht ein Chloroplasten sind grosse grüne Organellen, die ausschliesslich in Pflanzen- und Algenzellen vorkommen. Zusätzlich zu den zwei Membranen, die sie umgeben, besitzen Chloroplasten in ihrem Innenraum stapelweise angeordnete Membranen, die das grüne Pigment Chlorophyll enthalten. Chloroplasten führen die Photosynthese durch, d.h. sie fangen mithilfe von Chlorophyll die Energie des Sonnenlichts ein und verwenden sie zur Herstellung energiereicher Zuckermoleküle. Dabei setzen sie als Nebenprodukt molekularen Sauerstoff frei. Ebenso wie Mitochondrien enthalten Chloroplasten ihre eigene DNA, vermehren sich durch Zellteilung und stammen vermutlich von photosynthetisch aktiven Bakterien ab Das Cytosol ist ein konzentriertes wässriges Gel aus grossen und kleinen Molekülen Das Cytosol enthält zahlreich grosse und kleine Moleküle, die so dicht gedrängt sind, dass es eher die Eigenschaften eines Gels als die einer wässrigen Lösung besitzt. Im Cytosol finden viele lebensnotwendige Reaktionen statt, wie etwa die ersten Schritte beim Auf- oder Abbau von Nährstoffmolekülen oder die Herstellung von Proteinen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 4 von 105

5 Kapitel 2 Chemische Bestandteile der Zelle Zellen sind aus relativ wenigen Atomsorten aufgebaut Die äusseren Elektronen bestimmen die Art der atomaren Wechselwirkungen Alle in lebenden Geweben vorkommenden Atome besitzen unvollständige äussere Elektronenschalen und können daher miteinander reagieren, um Moleküle zu bilden. Da eine ungefüllte Elektronenschale weniger stabil ist als eine gefüllte, haben Atome mit einer unvollständigen äusseren Schale eine starke Neigung dazu, mit anderen Atomen zu reagieren, dass sie dabei genügend Elektronen aufnehmen oder abgeben, um eine äussere Schale zu erhalten. Eine Ionenbindung entsteht, wenn ein Atom Elektronen an ein anderes Atom abgibt; eine kovalente Bindung wird hingegen gebildet, wenn sich zwei Atome ein Elektronenpaar teilen. Wird bei einer kovalenten Bindung das Elektronenpaar ungleich geteilt, entsteht eine polare kovalente Bindung Es gibt verschiedene Arten kovalenter Bindungen Polare kovalente Bindungen sind in der Biologie sehr wichtig, da sie es Molekülen erlauben, über elektrische Anziehungskräften miteinander in Kontakt zu treten. Jedes grosse Molekül mit vielen polaren Gruppen wird ein Muster an positiven und negativen Partialladungen auf seiner Oberfläche tragen. Wenn ein solches Molekül auf ein zweites Molekül mit einem entgegengesetzten Ladungsmuster trifft, dann ziehen sich die beiden Moleküle durch schwache, nichtkovalente Ionenbindungen an. Wenn sich zwischen zwei grossen Molekülen ausreichend viele dieser schwachen, nichtkovalenten Bindungen ausbilden, dann werden ihre Oberflächen aneinander haften Wasser wird durch Wasserstoffbindungen zusammengehalten Wasser kann aufgrund seiner Polarität H-Brücken bilden. Diese Bindungen sind viel schwächer als kovalente Bindungen und von sehr kurzer Lebensdauer, da sie leicht durch die zufälligen thermischen Bewegungen aufgrund der Wärmeenergie der Moleküle gebrochen werden kann Zellen enthalten vier Grundtypen kleiner organischer Moleküle Die kleinen organischen Molekülen sind Kohlenstoffverbindungen die bis zu ca. 30 Kohlenstoffatome enthalten. Manche werden als monomere Bausteine für die Bildung der riesigen polymeren Makromoleküle der Zelle (wie Proteine, Nucleinsäuren und Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 5 von 105

6 Polysaccharide) verwendet. Andere dienen als Energiequellen und werden abgebaut oder in einem Labyrinth von interzellulären Stoffwechselwegen in andere kleine Moleküle umgewandelt. Alle organischen Moleküle werden aus den gleichen einfachen Verbindungen aufgebaut und zerfallen auch wieder in diese. Sowohl ihre Synthese als auch ihr Abbau geschehen durch eine Abfolge einfacher chemischer Veränderungen, die in ihrer Anzahl limitiert sind und einem festgelegten Reaktionsverlauf gehorchen. Allgemein gesagt, enthalten Zellen vier Grundtypen kleiner organischer Moleküle: die Zucker, die Fettsäuren, die Aminosäuren und die Nucleotide Zucker sind Energiequellen der Zellen und Bausteine von Polysaccariden Monosaccharide können durch kovalente Bindungen zu grösseren Kohlenhydraten verbunden werden. Zwei verknüpfte Monosaccharide bilden ein Disaccharid. Grössere Zuckerpolymere reichen von den Oligosacchariden bis zu den riesigen Polysac-chariden, die Tausende von Monosaccharideinheiten enthalten können. Die Bindung entsteht zwischen einer OH-Gruppe eines Zuckers und einer OH-Gruppe eines anderen Zuckers durch eine Kondensationsreaktion, bei der ein Molekül Wasser abgespalten wird. Die Untereinheiten anderer biologischer Polymere werden ebenfalls in Kondensationsreaktionen unter Abspaltung von Wasser miteinander verbunden. Alle durch Kondensationsreaktionen entstandenen Bindungen können in einem umgekehrten Prozess, der Hydrolyse, unter Aufnahme eines Wassermoleküls wieder aufgebrochen werden. Jedes Monosaccharid verfügt über mehrere freie Hydroxyl-gruppen, daher können verzweigte Zuckerpolymere entstehen. Das Glucose ist die Hauptenergiequelle für Zellen. Zucker werden auch als mechanisches Hilfsmaterial verwendet z.b. Cellulose und Chitin Fettsäuren sind Bestandteile der Zellmembran Ein Fettsäure-Molekül hat zwei chemisch unterschiedliche Breiche: Einer von Ihnen ist eine lange, hydrophobe Kohlenwasserstoffkette, die chemisch wenig reaktiv ist. Der andere ist eine Carboxyl(-COOH)-Gruppe, die sich als eine Carbonsäure verhält: Sie liegt in Lösung ionisiert vor (-COO - ), ist stark hydrophil und chemisch reaktiv. Ungesättigte Kohlenwasserstoff-Schwänze enthalten eine oder mehrere Doppelbindungen. Fettsäuren dienen den Zellen als konzentrierte Nahrungsvorräte: Bei ihrem Abbau entsteht ca. sechsmal so viel nutzbare Energie wie beim Glucoseabbau. Sie werden im Cytoplasma vieler Zellen als Tröpfchen von Triacylglycerin-Molekülen gespeichert. Das sind Verbindungen, die aus drei Fettsäuremolekülen gebunden an ein Glycerinmolekül bestehen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 6 von 105

7 2.2.5 Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine Aminosäuren besitzen alle eine Carbonsäuregruppe und eine Aminogruppe. Ihre chemische Vielfalt entsteht durch die Seitenketten. Zellen verwenden Aminosäuren, um daraus Proteine zu bilden. Proteine sind Polymere von Aminosäuren, die Kopf-zu-Schwanz in langen Ketten miteinander verknüpft sind und dann in eine für jede Sorte von Proteine einzigartige, dreidimensionale Struktur falten. Die Peptidbindungen werden durch Kondensationsreaktionen gebildet, die eine Aminosäure mit der nächsten verknüpfen. Ein Polypeptid besitzt immer eine Amino (NH2)-Gruppe an dem einen Ende (dem N- Terminus) und eine Carboxyl (COOH)-Gruppe am anderen Ende. In den Proteinen werden gewöhnlich 20 verschiedenen Aminosäuren gefunden, jede mit einer anderen Seitenkette. Diese 20 Aminosäuren kommen in allen Proteinen vor, ob sie nun aus Bakterien, Pflanzen oder Tiere stammen. Alle Aminosäuren (ausser dem Glycin) kommen als optische Isomere in D- und L-Form vor. Es kommen jedoch nur die L- Formen in Proteinen vor, wenn auch die D-Aminosäuren in Bakterienzellwänden und in einigen Antibiotika gefunden wurden Nucleotide sind die Bausteine von DNA und RNA Cytosin, Thymin und Uracil werden Pyrimidine genannt, da sie alle Derivate eines Pyrimidin-Sechsrings sind. Guanin und Adenin sind Purin-Verbindungen, mit einem zweiten, an den Sechsring kondensierten Fünfring. Die wichtigste Funktion der Nucleotide in der Zelle ist die Speicherung und Wiederabrufung von biologischer Information. Nukleotide können auch als kurzfristige Träger von chemischer Energie dienen.???????? Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 7 von 105

8 Kapitel 3 Energie, Katalyse und Biosynthese Biologische Ordnung wird durch Freisetzung von Wärme aus Zellen ermöglicht Erster Hauptsatz der Thermodynamik: Energie kann von einer Form in die andere überführt werden aber weder geschaffen noch vernichtet werden. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Systeme streben spontan einem Zustand grösserer Entropie zu.???????????????????? Photosynthetisch aktive Organismen nutzen Sonnenlicht zur Herstellung von organischen Molekülen Zellen gewinnen Energie aus der Oxidation organischer Moleküle Sowohl in Pflanzen wie auch in Tieren wird die Energie aus Nahrungsmolekülen durch stufenweise Oxidation oder kontrollierte Verbrennung freigesetzt. Eine Zelle kann Energie aus Zuckern oder anderen organischen Molekülen gewinnen, indem sie den Kohlenstoff- und Wasserstoff-atomen ermöglicht, sich mit Sauerstoff unter Bildung von CO 2 und H 2 O zu verbinden; dieser Prozess heisst Zellatmung oder Respiration. Photosynthese und Zell-atmung sind komplementäre Prozesse. Kohlenstoff-, Stickstoff-, Phosphor- und Schwefelatome bewegen sich zwischen der belebten und der unbelebten Welt in Kreisläufen hin und her, die Pflanzen, Tiere, Pilze und Bakterien einschliessen Oxidation und Reduktion erfolgen durch die Übertragung von Elektronen Bei einer Oxidation werden Elektronen entfernt. Bei einer Reduktion werden Elektronen aufgenommen. Die Zahl der Elektronen in einer Reaktion bleibt stets erhalten, d.h. es gibt keinen Nettoverlust oder Nettogewinn. Oxidation und Reduktion finden immer gleichzeitig statt; d.h. wenn ein Moleküle ein Elektron während einer Reaktion erhält (Reduktion), verliert ein zweites Molekül ein Elektron (Oxidation).?????????????????? Enzyme erniedrigen die Aktivierungsenergie von chemischen Reaktionen Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 8 von 105

9 Jedes Enzüm bindet eng an ein oder zwei Moleküle, genannt Substrate, und hält sie so, dass die Aktivierungsenergie, die nötig ist, um eine spezifische chemische Wechselwirkung zwischen ihnen zu erleichtern, stark verringert wird. Katalysatoren sind Substanzen, die die Aktivierungsenergie einer Reaktion erniedrigen. Enzyme gehören zu den am effektivsten arbeitenden Katalysatoren, die man kennt, sie können Reaktionen um den Faktor beschleunigen. Enzyme ermöglichen Reaktionen, die bei normalen Temperaturen sonst nicht mit ausreichender Geschwindigkeit ablaufen würden. Ohne Enzyme könnte das Leben nicht existieren. Enzyme sind ausserdem hochselektiv. Jedes Enzym katalysiert normalerweise nur eine bestimmte Reaktion. Anders gesagt, erniedrigt es selektiv die Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 9 von 105

10 Kapitel 5 DNA und Chromosomen Ein DNA-Molekül besteht aus zwei komplementären Nucleotidsträngen Ein DNA-Molekül besteht aus zwei langen Polynucleotidketten, die als DNA-Ketten oder DNA-Stränge bezeichnet werden. Jede dieser Ketten setzt sich aus vier verschiedenen Nucleotiduntereinheiten zusammen; sie werden über Wasserstoffbrückenbindung zwischen den Basen der Nucleotide zusammengehalten. Jedes Nucleotid hat einen Knopf (Phosphatrest) und ein Knopfloch dadurch haben die DNA-Stränge eine Polarität und sind in jeder Kette die Nucleotide in der gleichen Orientierung aneinander gereiht. Das eine Ende der DNA hat ein Knopfloch (3 Hydroxyl) und das andere ein Knopf (5 - Phosphat). Die Basen paaren sich immer nur A mit T und G mit C. Immer eine Purin- (A und G) mit einer Pyrimidinbase (T und C). Die Basenpaarungen funktionieren nur bei antiparalleler Ausrichtung der beiden Stränge. Die beiden DNA-Stränge sind komplementär zueinander Vererbung basiert auf der Struktur von DNA Eukaryotische DNA ist zu Chromosomen verpackt Chromosomen liegen während der Lebensdauer einer Zelle in verschiedenen Zuständen vor In der Interphase werden die Chromosomen kopiert und in der Mitose auf die beiden Tochterzellen verteilt. Während der Interphase liegen die Chromosomen ausgedehnt als lange dünne und ungeordnete DNA-Fäden im Zellkern vor (Interphasechromosomen). Die DNA-Verdoppelung beginnt an einem Replikationsursprung. Eukaryotische Chromosomen haben mehrere Replikationsursprünge (ca. alle Basen), damit das gesamte Chromosom schnell repliziert werden kann. An beiden Enden der Chromosomen liegen Telomere. Telomere enthalten Sequenzwiederholungen, die garantieren, dass bei der Replikation die Gesamtheit der Informationen erhalten bleibt und dass die DNA an den Enden der Chromosomen nicht irrtümlicherweise für beschädigte DNA gehalten wird, die repariert werden muss. Das Centromer ist wichtig bei der Verteilung der duplizierten Chromosomen auf die Tochterzellen Interphasechromosomen sind innerhalb des Zellkerns organisiert Im Bereich des Nucleolus befinden sich die Teile der Chromosomen, die Gene für die ribosomale RNA tragen. Hier werden die ribosomalen RNAs synthetisiert und mit Proteinen zu den Vorläufern der Ribosomen zusmmen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 10 von 105

11 5.2.5 DANN in Chromosomen ist hoch kondensiert Die Verdichtung der DNA in Interphasechromosomen entspricht dem Faktor in Mitosechromosomen sogar dem Faktor Die Struktur von Chromosomen ist dynamisch. Damit bestimmte DNA-Sequenzen für die Replikation, Reparatur oder Genexpression zur Verfügung stehen müssen die entsprechenden Bereiche ausgepackt werden. Die Packung der Chromosomen muss demnach flexibel genug sein, um auf Abruf eine schnellen punktuellen Zugriff auf die DNA zu ermöglichen Nukleosomen sind die Grundeinheiten der Chromatinstruktur Die DNA-bindenden Proteine in den Chromosomen werden in zwei Klassen geteilt: die Histone und die chromosomalen Nicht- Histonproteinen. Der Komplex aus beiden Proteinklassen zusammen mit der Kern-DNA wird als Chromatin bezeichnet. Histone und DANN bilden die erste und grundlegende Stufe der Chromosomenorganistion, das Nucleosom. Ein einzelnes Nucleosom-Kernpartikel besteht aus einem Komplex aus acht Histonproteinen je zwei Moleküle der Histone H2A, H2B, H3 und H4 und einem doppelsträngigen DNA-Molekül von ungefähr 146 Nucleotidpaaren, das sich um diesen Histonoctamer windet. Jedes Nucleosom-Kernpartikel ist von dem nächsten durch einen Bereich aus Linker-DNA getrennt. Alle vier Histone sind relativ klein und haben einen hohen Anteil positiv geladener Aminosäuren. Die positiven Ladungen tragen zur festen Bindung der Histone an das negativ geladene Zucker-Phosphat- Gerüst bei Chromosomen haben mehrere Ebenen der DNA-Packung Für die Verpackung der Nucleosomen in der 30nm-Faser ist ein fünftes Histon, das H1, erforderlich, von dem man annimmt, dass es die Nucleosom-Kernpartikel zu einer regelmässigen, sich wiederholenden Anordnung zusammenzieht. Die nächste Verpackungsstufe ist wahrscheinlich eine Schleifenbildung der 30nm-Faser Interphasechromosomen enthalten kondensiertes und lockeres Chromatin Im Allgemeinen sind Bereiche des Chromosoms, die expressionsaktive Gene enthalten, aufgelockerter, während solche mit ruhig gestellten Genen kompakter sind. Heterochromatin ist die am stärksten kondensierte Form von Interphasechromatin. Ein grosser Teil der DNA im Heterochromatin enthält keine Gene. Werden Gene in der Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 11 von 105

12 Nachbarschaft zu Heterochramatin dicht verpackt, können sie normalerweise nicht mehr exprimiert werden. Euchromatin ist der Rest des Interphasechromatins. Weibliche Zellen enthalten zwei X-Chromosomen. Weil die doppelte Dosis X- chromosomaler Genprodukte vermutlich tödlich wäre, wird eines der beiden X- Chromosomen in jeder Zelle dauerhaft inaktiviert. Nach dem Zufallsprinzip wird eines der beiden X-Chromosomen in jeder Zelle schon früh während der Embryonalentwicklung vollständig zu Heterochromatin kondensiert. Dieser inaktivierte und kondensierte Zustand dieses X-Chromosoms wird an alle Nachkommen dieser Zelle vererbt Änderungen in der Nucleosomstruktur ermöglichen einen Zugang zur DNA Die lokalen Strukturen des Chromatins können unter anderem durch Chromatin- Umformungskomplexe verändert werden. Dabei handelt es sich um Proteinmaschinen, die mithilfe von Energie aus der ATP-Hydrolyse die Struktur von Nucleosomen und ihre unmittelbare Umgebung verändern können. Diese Komplexe können die darin liegende DNA zugänglicher für andere Proteine machen, vor allem für solche, die an der DNA- Replikation, Reparatur und Genexpression beteiligt sind. Durch die reversible Modifikation der Histonschwänze kann die Chromatinstruktur auch verändert werden. Die N-terminalen Schwänze aller vier Histone in den Nucleosom-Kernpartikeln erfüllen wichtige Funktionen bei der Regulierung der Chromatinstruktur. Während die Modifikationen der Histonschwänze kaum direkten Einfluss auf die Stabilität eines einzelnen Nucleosoms haben, scheinen sie sich auf die Stabilität der 30nm-Faser und einigen der höheren Verpackungsstufen direkt auszuwirken. Die wichtigste Funktion der modifizierten Histonschwänze scheint jedoch ihre Fähigkeit zu sein, an spezielle Proteinen zu binden und sie dadurch an bestimmte Chromatinbereich zu rekrutieren. Die unterschiedlichen Modifikationsmuster der Histonschwänze wirken sich so auf die An- oder auch Abwesenheit anderer Proteine aus. Einige dieser Proteine bewirken eine weiter Kondensierung des Chromatins, andere bewirken das Gegenteil; sie erleichtern den Zugang zur DNA. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 12 von 105

13 Kapitel 6 Replikation, Reparatur und Rekombination von DNA Basenpaarung ermöglicht DANN-Reparatur Da die DNA-Stränge komplementär sind kann jeder Strang als Matrize dienen. Während der DNA-Replikation werden aus dem ursprünglichen DNA- Molekül zwei komplette Dopelhelices synthetisiert, wobei jede neue DNA- Helix abgesehen von seltenen Fehlern, mit der elterlichen DNA-Doppelhelix identisch ist. Da jeder Elternstrang als Matrize für einen neuen Strang dient, besteht im Endeffekt jede Tochterdoppelhelix aus einem originalen (alten) und einem komplett neuen Strang; dieser Replikationsmodus wird als semikonservativ bezeichnet Die DNA-Synthese beginnt am Replikationsursprung Der Vorgang der DNA-Replikation beginnt damit, dass Initiationsproteine an die DNA binden und die Stränge auseinander ziehen, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den Basen aufbrechen. Jede einzelne Wasserstoffbrücke für sich ist schwach. Die DNA wird zuerst am Replikationsursprung geöffnet. Replikationsursprünge sind normalerweise durch eine bestimmte Nukleotidsequenz gekennzeichnet. Sie bestehen aus DNA-Sequenzen, die die Initiationsproteine anziehen, und aus DNA-Abschnitten, die besonders leicht zu öffnen sind. Da ein A/T reicher Abschnitt relativ leicht auftrennbar ist (weniger H-Brücken als G/C), findet man häufig solche Bereiche in Replikationsursprüngen. Ein bakterielles Genom hat einen einzigen Replikationsursprung. Das menschliche Genom hat schätzungsweise solcher Startpunkte. Beim Menschen beginnt die DNA-Replikation an mehreren Stellen gleichzeitig. Dies ermöglicht eine relativ schnelle Replikation der gesamten DNA einer Zelle Die Synthese neuer DNA erfolgt an den Replikationsgabeln An jedem Replikationsstartpunkt entstehen zwei Replikationsgabeln, die sich in entgegengesetzte Richtungen weiterbewegen und dabei die DNA entwinden. Im Zentrum der Replikationsmaschine befindet sich ein Enzym, die DNA-Polymerase, die neue DNA mit einem der alten Stränge als Matrize synthetisiert. Dieses Enzym katalysiert die Anbindung von Nucleotiden an das 3 -Ende der wachsenden DNA-Kette durch die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen diesem Ende und der 5 - Phosphatgruppe des dazukommenden Nucleotids. Die Nucleotide treten in die Reaktion als energiereiche Nucleosidtriphosphate ein, die die Energie für die Polymerisierungsreaktion zur Verfügung stellen. Die Energie für die Kondensationsreaktion zwischen dem monomeren Nucleotid und der DNA-Kette stammt aus der Hydrolyse einer Phosphoanhydridbindung im Nucleosidtriphosphat, wobei Pyrophosphat (PP i ) freigesetzt wird. Die DNA-Polymerase koppelt die freigesetzte Energie an die Polymerisationsreaktion. Pyrophosphat wird weiter zu anorganischem Phosphat (P i ) hydrolysiert, was die Polymerisierungsreaktion effektiv irreversibel Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 13 von 105

14 macht Replikationsgabeln sind asymetrisch Die DNA-Plymerase kann das Wachstum einer DNA-Kette nur in eine Richtung katalysieren; neue Bausteine können nur an das 3 - Ende der Kette addiert werden. Deshalb kann eine neue DNA- Kette nur in 5 3 -Richtung synthetisiert werden. Der Strang der am 5 -Ende wachsen muss, wird diskontinuirlich in aufeinander folgenden getrennten kleinen Stücken synthetisiert, indem die DNA-Polymerase jedes Stück von der Replikationsgabel aus rückwärts in 5 3 Richtung herstellt. Diese Stücke werden Okazaki-Fragmente genannt. Sie werden postsynthetisch zu einem durchgehenden neuen Strang vernäht. Der DNA-Strang der auf diese Weise gebildet wird heisst Folgestrang, der kontinuirlich synthetisierte Strang heisst Leitstrang Die DNA-Polymerase korrigiert sich selbst Die DNA-Polymerase arbeitet so genau, dass sie nur ungefähr alle 10 7 Nucleotide einen Fehler macht. Diese niedrige Fehlerrate wird dadurch erreicht, dass die DNA- Polymerase Fehler korrigieren kann. Sie hat neben der Polymeraseaktivität auch eine Korrektur- oder Proofreading-Funktion. Bevor das Enzym ein Nucleotid an die wachsende DNA-Kette anhängt, überprüft es, ob das vorhergehende Nucleotid korrekt mit der Matrize gepaart ist. Ist das der Fall, fügt sie das nächste Nucleotid an, wenn nicht, entfernt sie das fehlgepaarte Nucleotid, indem sie die gerade neu gebildete Phosphodiesterbindung wieder öffnet, das Nucleotid freisetzt und den vorausgegangenen Einbauschritt wiederholt. Die DNA- Polymerase hat also sowohl eine Polymeraseaktivität als auch eine3 5 -Exonuclease- Aktivität (=Nukleinsäure abbauend). Diese Aktivitäten werden von verschiedenen Domänen innerhalb des Polymerasemoleküls ausgeführt. Dieser Proofreading- Mechanismus erklärt, warum die DNA-Polymerasen DNA nur in 5 3 -Richtung syntetisieren. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 14 von 105

15 6.1.6 Kurze RNA-Stücke dienen als Primer für die DNA-Synthese Für den Leitstrang wird ein RNA-Primer nur einmal am Replikationsursprung benötigt. Am Folgestrang werden aber ständig neue Primer benötigt. Die DNA- Polymerase addiert ein Desoxyribonucleotid an das 3 - Ende des Primers, um einen DNA-Strang zu beginnen; dieser Strang wird kontinuirlich verlängert, bis die Polymerase auf einen neuen RNA-Primer trifft. Die Einzelstücke müssen nun noch zusammengefügt werden. Eine Nuclease entfernt den RNA-Primer, eine DNA-Polymerase, genannt Reparaturpolymerase, ersetzt ihn durch DNA, indem sie das benachbarte Okazaki-Fragment als Primer verwendet, und das Enzym Ligase verbindet das 5 -Phosphatende eines neuen DNA-Stückes mit dem 3 -Hydroxyende des nächsten. Für die Ligaseaktivität wird als Energielieferant im Allgemeinen ATP benötigt. Die Primase kann nicht Korrekturlesen deshalb kann sie neue Polynukleotidketten beginnen. Daraus folgt das Primer viele Fehler haben, das spielt keine Rolle, da Primer durch DNA ersetzt werden Die Proteine an der Replikationsgabel arbeiten in Form einer Replikationsmaschine zusammen Am Kopf der Replikationsmaschine befindet sich eine Helicase, sie benutzt die Energie aus der Hydrolyse von ATP, um sich auf der DNA vorwärts zu bewegen und dabei die Doppelhelix zu entwinden. Das Einzelstrang-Bindeprotein, klammert sich an die einzelsträngige DNA, die von der Helicase freigelegt wurden, und verhindert so vorübergehend, dass sich die Basenpaare wieder zurückbilden. Die Gleitklammer hält die Polymerase fest an die DNA-Matrize gebunden; am Folgestrang gibt die Gleitklammer die Polymerase jedesmal frei, wenn ein Okazaki-Fragment fertig gestellt ist. Dieses Klammerprotein bildet einen Ring um die DNA-Helix und bindet zugleich an die Polymerase. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass die Polymerase auf dem Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 15 von 105

16 Matrizenstrang entlang gleitet und gleichzeitig neue DNA synthetisiert. Man nimmt an, dass die meisten Proteine, die an der DNA-Replikation beteiligt sind, in einem grossen Multienzymkomplex zusammengehalten werden, der durch die Hydrolyse von Nucleosidtriphophaten angetrieben wird Eine Telomerase repliziert die Enden eines eukaryotischen Chromosoms Um den Folgestrang eines eukaryotischen Chromosoms bis zum absoluten Ende zu synthetisieren, benötigt die DNA- Replikationsmaschinerie ein Stück Matrizen-DNA, das länger als der zu kopierende Bereich ist. Das Enzym Telomerase fügt deshalb eine Reihe von repetitiven Sequenzen an den Matrizenstrang an, sodass der Folgestrang von der DNA- Polymerase fertig gestellt werden kann. Da Bakterien eine zirkuläre DNA aufweisen, haben sie dieses Problem nicht. Telomere haben noch zusätzliche Funktionen: Die Sequenzwiederholungen bilden mit benachbarten Bereichen Strukturen aus, die von der Zelle als wahre Chromosomenenden erkannt werden und nicht als Strangbrüche die repariert werden müssen. Die Telomerase ist aktiv in Keim- und Embryonalzellen nach ca. 50 Zellteilungen wird sie inaktiviert Homologe Rekombination ist auch zwischen nichthomologen DNA- Sequenzen möglich Mobile genetische Elemente codieren für die Komponenten, die sie für die Transposition benötigen Ein Grossteil des menschlichen Genoms setzt sich aus zwei Familien von transponierbaren Elementen zusammen Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 16 von 105

17 6.3.5 Viren sind mobile genetische Elemente, die eine Zelle verlassen können Retroviren drehen den normalen Fluss genetischer Information um Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 17 von 105

18 Kapitel 7 Von der DNA zum Protein: Wie Zellen das Genom lesen Zentrales Dogma der Molekularbiologie Die DNA wird in RNA übersetzt und die RNA in Proteine Teile der DNA-Sequenz werden in RNA umgeschrieben Die Transkription erzeugt RNA, die zu einem DNA-Strang komplementär ist Die Transkription beginnt mit der Öffnung und Aufwindung eines kleinen Bereichs der DNA-Doppelhelix, sodass die Basen an jedem Strang freigelegt werden. Einer der beiden Stränge der DNA- Doppelhelix dient als Matrize für die RNA- Synthese. Ein Ribonucleotid nach dem anderen wird an die wachsende RNA-Kette angefügt. Passen sie gut, werden hinzukommende Ribonucleotide kovalent mit der wachsenden RNA-Kette in einer enzymatisch katalysierten Reaktion verbunden. Direkt nach dem Einbau eines Ribonucleotids bildet sich die DNA-Doppelhelix zurück und verdrängt die RNA-Kette. RNA-Moleküle sind wesentliche kürzer als DNA-Moleküle, denn sie werden nur von einem begrenzten Bereich der DNA kopiert. Die Transkription wird durch die RNA- Polymerase durchgeführt. Die RNA-Polymerase katalysiert die Bildung der Phosphodiesterbindungen, die die Nucleotide miteinander verbinden und das Zucker- Phosphat-Gerüst der RNA-Kette bilden. Die RNA wird in 5 3 -Richtung synthetisiert, die Energie dazu liefern die Phosphoanhydridbindungen der Nucleosidtriphosphate. Da der RNA-Strang nach der Synthese sofort freigesetzt wird, können viele RNA- Kopien eines Gens in relativ kurzer Zeit erstellt werden. Die RNA-Polymerase kann die Transkription ohne Primer starten macht aber mehr Fehler als die DNA-Polymerase. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 18 von 105

19 7.1.3 In der Zelle gibt es verschiedene RNA-Arten Messenger-RNA werden von Genen kopiert, die für Proteine codieren. Ribosomale RNA (rrna) bildet den Kern der Ribosomen und Transfer-RNAs (rrna) stellen die Adaptermoleküle dar, mit denen die unterschiedlichen Aminosäuren am Ribosom an die richtigen Stellen zum Einbau in ein Protein dirigiert werden Signale in der DNA-Sequenz teilen der RNA-Polymerase mit, wo sie starten und aufhören soll Die RNA-Polymerase bindet schwach an die DNA und gleitet schnell an ihr entlang bis zu einem Promotor. Der Promoter zeigt den Startpunkt der Transkription an. Nachdem die Polymerase Kontakt mit der Promotor- DNA hergestellt und fest daran gebunden hat, beginnt die Transkription. Die Verlängerung der Kette wird so lange fortgesetzt, bis das Enzym auf den Terminator trifft, an dem die Polymerase anhält und DNA- Matrize und neu gebildete RNA freisetzt. Eine Untereinheit der bakteriellen Polymerase, der Sigma- Faktor (ζ), ist hauptsächlich für die Erkennung der Promotorsequenz in der DNA verantwortlich. Sobald die Polymerase fest an die DNA gebunden und ungefähr zehn RNA-Nucleotide synthetisiert hat, wird der Sigma-Faktor entlassen. Nachdem die Polymerase an der Stoppstelle freigesetzt wurde, verbindet sie sich mit einem freien Sigma-Faktor und sucht nach einem neuen Promotor, an dem der Transkriptionsprozess von vorne beginnen kann. Der Promotor ist asymmetrisch und bindet die Polymerase nur in einer Richtung. Der Promotor legt den Strang fest der transkribiert werden soll Eukaryotische RNAs werden im Zellkern gleichzeitig transkribiert und prozessiert Sobald in Bakterien mrna-moleküle transkribiert sind, binden Ribosomen unverzüglich an das frei 5 -Ende des RNA-Transkripts, und die Proteinsynthese beginnt. Eukaryotische mrna muss zuerst prozessiert werden und den Zellkern verlassen bevor die Translation starten kann. Die Prozessierung beginnt sobald das Transkript aus der RNA-Polymerase auftaucht. Je nach RNA-Sorte werden die Transkripte unterschiedlich verarbeitet. mrna-moleküle durchlaufen das Capping und die Polyadenylierung. 1. RNA-Capping: Die RNA erhält durch die Addition eines Guanin mit einer gebundenen Methylgruppe eine Kappe (cap). Dieses Capping erfolgt bereits nach der Synthese von ungefähr 25 Nucleotiden am 5 -Ende des Transkripts. 2. Polyadenylierung: Die 3 -Enden eukaryotischer RNAs werden modifiziert, zuerst durch einen Enzymkomplex, der die RNA an einer speziellen Sequenz schneidet, und dann von einem zweiten Enzym, das an das geschnittene Ende Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 19 von 105

20 eine Folge von Adeninnucleotiden [Poly(A)-Schwanz] anhängt. Der Poly(A)- Schwanz ist im Allgemeinen mehrere Hundert Nucleotide lang. Man vermutet, dass diese beiden Modifikationen die Stabilität der mrna erhöhen, ihren Export vom Zellkern ins Cytoplasma unterstützen und generell das RNA-Molekül als mrna ausweisen sollen. Sie signalisieren der Proteinsynthesemaschinerie auch, dass beide Enden der mrna vorhanden sind und die Botschaft somit vollständig ist Eukaryotische Gene werden von nicht codierenden Sequenzen unterbrochen In den meisten eukaryotischen Genen werden die codierenden Sequenzen (Exons) von langen nicht codierenden Bereichen (Introns) unterbrochen Introns werden durch RNA-Spleissen In einer eukaryotischen Zelle wird ein Gen in seiner gesamten Länge transkribiert, einschliesslich Introns und Exons. Nach dem Capping, noch während die RNA-Polymerase mit der Transkription fortfährt, beginnt das RNA- Spleissen, ein Prozess, bei dem die Intronsequenzen aus der neu synthetisierten RNA enfernt und die Exons miteinander verbunden werden. Sobald ein Transkript gespleisst wurde und seine 5 - und 3 -Enden modisfiziert sind, ist die RNA eine reife und funktionsfähige mrna, die den Zellkern verlassen und in ein Proteine tranlatiert werden kann. Jedes Intron hat ein paar kurze Nucleotidbereiche, die als Signal für die Entfernung dienen. Diese Sequenzen befinden sich in der Nähe oder direkt an jedem Ende eines Introns und sind in allen Introns sehr ähnlich oder identisch. Das Intron wird in Form einer lassoförmigen Struktur dem sog. Lariat ausgeschnitten. SnRNAs (small nuclear RNAs) bilden zusammen mit Proteinen die snrnps (small nuclear ribonucleoprotein particles, snurps ). Diese snrnps bilden den Kern des Spleissosoms, das das RNA-Spleissen in der Zelle durchführt. Das RNA-Spleissen wird im Wesentlichen von RNA-Molekülen ausgeführt. Um ein RNA-Molekül zu spleissen, versammelt sich eine Gruppe von snrnps an einer Intron-Exon-Grenze, schneidet das Intron aus und verbindet die RNA-Kette wieder, wobei das Intron freigesetzt wird. Die snrnas im Spleissosom (Auf Bild warten) Reife eukaryotische mrnas werden selektiv aus dem Zellkern exportiert Der Kernporenkomplex erkennt nur vollständige mrnas und transportiert sie ins Cytoplasma mrna-moleküle werden am Ende von der Zelle wieder abgebaut Die Zeitspanne, die ein mrna-molekül in der Zelle verbringt, beeinflusst die Protein- Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 20 von 105

21 menge, die nach seiner Anweisung produziert wird, da dasselbe mrna-molekül viele Male translatiert werden kann. Jedes mrna-molekül wird schliesslich von zellulären RNAasen wieder zu Nucleotiden abgebaut. Die verschiedenen mrna-moleküle haben eine unterschiedliche Lebensdauer. Diese unterschiedlichen Lebensspannen werden zum Teil von den Nucleotidsequenzen in den mrnas selbst festgelegt. Meistens ist dafür der Bereich der mrna zwischen dem 3 -Ende der codierenden Sequenz und dem Poly(A)-Schwanz, der sog. 3 -untranslatierte Bereich, verantwortlich. Mithilfe der unterschiedlichen Lebenszeiten von mrna kann eine Zelle die Syntheserate ihrer Proteine regulieren Die ersten Zellen hatten vermutlich Introns in ihren Genen Eine Lehrmeinung besagt, dass die gemeinsamen Vorfahren von Pro-und Eukaryoten Introns enthielten, die bei den Prokaryoten im Lauf der Evolution verloren gingen. Andererseits gibt es auch Argumente dafür, dass Introns ursprünglich parasitische mobile genetische Elemente waren, die zufällig in frühe eukaryotische Vorfahren eindringen und das Genom besiedeln konnten Eine mrna-sequenz wird in Einheiten von drei Nucleotiden entschlüsselt trna-moleküle verbinden Aminosäuren mit den Codons der mrna Die Translation einer mrna in Protein ist von Adaptermolekülen abhängig, die sowohl das Codon als auch die Aminosäure erkennen und binden. Diese Transfer-RNAs (trnas) bestehen aus etwa 80 Nucleotiden. Vier kurze Abschnitte der gefalteten rrna sind doppelhelikal, sodass ein Molekül entsteht, das in schematischer Darstellung wie ein Kleeblatt aussieht. Das Kleeblatt faltet noch weiter zu einer kompakten L-förmigen Struktur, die durch zusätzliche Wasserstoffbrücken stabilisiert wird. Zwei ungepaarte Nucleotidbereiche an den entgegengesetzten Enden des L- förmigen Moleküls sind für die Funktion der trna bei der Proteinsynthese von entscheidender Bedeutung. Einer dieser Bereiche bildet das Anticodon eine Folge von drei aufeinander folgenden Nucleotiden, die mit dem komplementären Codon in einem mrna-molekül paart. An der anderen Stelle am 3 -Ende des Moleküls wird die passende Aminosäure angehängt. Einige Aminosäuren haben mehr als eine trna, und einige trnas sind so konstruirt, dass eine genaue Basenpaarung nur an den ersten beiden Positionen des Codons nötig ist und ein Mismatch (oder Wobble) an der dritten Position toleriert werden kann. Wobble-Basenpaarung ermöglicht es, dass 20 Aminosäuren und 61 Codons über 31 trna-moleküle miteinander verbunden werden können. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 21 von 105

22 7.2.3 Spezifische Enzyme koppeln trnas an die richtigen Aminosäuren Die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen erkennen und befestigen die richtigen Aminosäuren an die jeweils passenden trna-moleküle. Für jede Aminosäure gibt es eine eigene Synthetase. Spezifische Nucleotide sowohl im Anticodon- als auch im Akzeptorarm ermöglichen der Synthetase eine Erkennung der richtigen trna(s). Die Synthetase zieht die Energie aus der Hydrolyse von ATP Die Botschaft der RNA wird am Ribosom entschlüsselt Das Ribosom ist ein riesieger Komplex aus über 50 ribosomalen Proteinen und mehreren ribosomalen RNAs. Die kleine Untereinheit passt die trnas auf die Codons der mrna, während die grosse Untereinheit die Bildung der Peptidbindung katalysiert, die die Aminosäuren zu einer Polypeptidkette verbindet. Die zwei Untereinheiten werden an der mrna üblicherweise in der Nähe des Anfangs zusammengebaut. Das Ribosom bewegt sich auf der mrna entlang, übersetzt dabei Codon für Codon die Nucleotidsequenz in eine Aminosäuresequenz unter Verwendung der trnas als Adapter, um jeweils die richtige Aminosäure an das Ende der wachsenden Polypeptidkette hinzuzufügen. Jedes Ribosom enthält drei Bindungsstellen für trna-moleküle, die A-Stelle, die P-Stelle und die E-Stelle. Ein trna-molekül wird an den A- und P-Stellen nur dann festgehalten, wenn sein Anticodon Basenpaare mit einem komplementären Codon auf der mrna bildet. Elongationszyklus (mehrere Aminosäuren sind bereits miteinander verbunden und die rrna an der P-Stelle ist mit der Polypeptidkette verbunden): Eine trna mit der nächsten Aminosäure in der Kette hat an die unbesetzte ribosomale A-Stelle durch Basenpaarung gebunden. In Schritt 2 wird das Carboxylende der Polypeptidkette von der trna in der P-Stelle getrennt. Dabei wird die energiereiche Bindung zwischen trna und Aminosäure gespalten und über eine Peptidbindung mit der freien Aminogruppe der Aminosäure in der A-Stelle verbunden (katalysiert von einer Peptidyl-Transferase-Aktivität). Man nimmt an das die Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 22 von 105

23 Peptidyl-Transferase-Reaktion von einem Shift der grossen Untereinheit gegenüber der kleinen Untereinheit, die ja immer noch die mrna hält, begleitet wird. Dieser Shift verschiebt die beiden trnas an die P- und E-Stellen der grossen Untereinheit. In Schritt 3 bewegt sich die kleine Untereinheit um genau drei Nucleotide auf der mrna weiter, sodass sie in ihre ursprüngliche Position relativ zur grossen Untereinheit zurückkehrt und die trna an der E-Stelle verdrängt wird Das Ribosom ist ein Ribozym Codons in der mrna signalisieren, wo die Proteinsynthese starten und enden soll In Eukaryoten koppelt die mit Mehtionin beldadene Initiator-tRNA mit weiteren Proteinen, den Translationsfaktoren, an die kleine Untereinheit des Ribosomoms. Die beladene Ribosomuntereinheit bindet an das 5 -Ende eines mrna, das teilweise über das Cap an der eukaryotischen mrna erkannt wird. Die kleine Ribosomuntereinheit bewegt sich dann auf der mrna vorwärts (5 3 ) und sucht nach dem ersten AUG. Wenn ein solches AUG angetroffen wird, dissozieren einige Initiationsfaktoren von der kleinen Untereinheit ab, um der grossen Untereinheit für die Assoziation und Komplettierung des Ribosoms Platz zu machen. Da die Initiator trna an die P-Stelle gekoppelt ist, kann die Proteinsynthese mit der Anfügung der nächsten beladenen trna beginnen.????????. Das Ende der proteincodierenden Botschaft wird durch eines von mehreren Stopp-Codons (UAA, UAG oder UGA) signalisiert. Release Faktoren sind Proteine, die an jedes Stopp-Codon, das die A-Stelle im Ribosom erreicht, binden. Diese Bindung veranlasst Peptidyl-Transferase im Ribosom, anstelle einer Aminosäure ein Wassermolekül an die Peptedyl-tRNA anzufügen. Diese Reaktion löst das Carboxylende der wachsenden Polypeptidkette von der trna, da normalerweise nur diese eine Bindung die wachsende Polypeptidkette am Ribosom hält, wird sie unmittelbar darauf ins Cytoplasma entlassen. Das Ribosom gibt die mrna frei und dissoziiert in seine zwei Untereinheiten, die an einem anderen mrna- Molekül wieder assoziieren und eine neue Proteinsyntheserunde starten können. Chaperone erkennen Proteine oft schon zu Beginn der Synthese am Ribosom und begleiten diese bis zur endgülten Faltung Proteine werden an Polyribosomen hergestellt Ein Ribosom bindet an das 5 -Ende der mrna sobald das vorhergehende so viele Nucleotide translatiert hat, dass wieder genügend Platz auf der mnra vorhanden ist. Normalerweise liegen deshalb die translatierten mrna-moleküle in Form von Polyribosomen (oder Polysomen) vor. Dadurch können viel mehr Proteinmoleküle in einem bestimmten Zeitraum synthetisiert werden, als wenn jedes vor Beginn des nächsten fertig gestellt werden müsste. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 23 von 105

24 7.2.8 Inhibitoren der prokaryotischen Proteinsynthese werden als Antibiotika eingesetzt Die meisten der wirksamsten Antibiotika sind Verbindungen, die die prokaryotische, nicht aber die eukaryotische Proteinsynthese hemmmen Durch sorgfältig kontrollierten Proteinabbau kann die Menge eines Proteins in der Zelle reguliert werden Die Zelle kann die Lebensdauer von Proteinen kontrollieren. Proteolyse ist der Vorgang bei dem Proteine in Aminosäuren zerlegt werden. Die Enzyme, die Proteine zuerst zu kurzen Peptiden und dann weiter zu einzelnen Aminosäuren abbauen, heissen Proteasen. Proteasen schneiden die Peptidbindung zwischen den Aminosäuren. Eine Aufgabe der Proteolysewege ist der schnelle Abbau von Proteinen, die nur eine kurze Lebensdauer haben sollen. Eine andere ist die Erkennung und Beseitigung von beschädigten oder fehlgefalteten Proteinen. Die meisten Proteine, die im Cytosol einer eukaryotischen Zelle abgebaut werden, werden von Proteasomen zerlegt. Ein Proteasom besteht aus einem zentralen Zylinder aus Proteasen, deren aktive Zentren auf eine innere Kammer gerichtet sind. Jedes Ende des Zylinders ist von einem grossen Proteinkomplex verstöpselt. Man nimmt an, dass diese Proteinstöpsel die zum Abbau bestimmten Proteine binden und in die innere Kammer des Zylinders schleusen, wo die Proteasen die Proteine zu kurzen Peptiden abbauen, die dann freigesetzt werden. Proteasomen wirken bevorzugt an Proteinen, die durch die kovalente Anbindung des kleinen Proteins Ubiquitin für den Abbau markiert wurden.????????????????????????? Leben erfordert Autokatalyse Im Buch nachlesen RNA kann sowohl Information speichern als auch chemische Reaktionen katalysieren Im Buch nachlesen RNA geht DNA in der Evolution zeitlich voraus Die ersten Zellen bestanden vielleicht aus nicht mehr als einer einfachen Membranhülle um ein paar selbstreplizierende Moleküle und einige wenige andere Komponenten, die die Bausteine und Energie für die Replikation bereitstellten. Wahrscheinlich war ihre Erbinformation RNA und nicht DNA. Ausgehend von unserem Wissen über heutige Lebewesen und ihre Moleküle können wir annehmen, dass lebende Systeme mit der Evolution von RNA-Molekülen, die ihre eigene Replikation katalysieren konnten, entstanden sind. Eine Hypothese besagt, dass mit der Evolution von Zellen die RNA von der DNA-Doppelhelix als dem stabileren Molekül zur Speicherung wachsender Mengen an genetischer Information ersetzt wurde, und Proteine die RNA als Hauptkatalysator und Strukturkomponte ablösten. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 24 von 105

25 Kapitel 8 Kontrolle der Genexpression Die verschiedenen Zellarten eines vielzelligen Organismus enthalten die gleiche DNA Die DNA in spezialisierten Zellen umfasst immer noch alle Baupläne, die für die Entstehung eines kompletten Organismus benötigt werden. Somit unterscheiden sich die Zellen eines Organismus nicht, weil sie unterschiedliche Gene enthalten, sondern weil sie diese unterschiedlich exprimieren Verschiedene Zellarten produzieren verschiedene Proteine Viele Proteine sind in allen Zellen eines vielzelligen Organismus vorhanden. Diese Haushaltsproteine umfassen die Strukturproteine von Chromosomen, RNA- Polymerasen, DNA-Reparaturenzyme, ribosomale Proteine, Enzyme der Glykolyse und anderer wichtiger Stoffwechselwege sowie viele Proteine, die das Cytoskelett bilden. Jede einzelne Zellart produziert aber auch spezielle Proteine, die für die jeweils unterschiedlichen Eigenschaften verantwortlich sind Eine Zelle kann ihre Genexpression als Antwort auf extrazelluläre Signale ändern Die meisten der spezialisierten Zellen in einem vielzelligen Organismus können die Palette ihrer Genexpression als Antwort auf extrazelluläre Anweisungen ändern. Unterschiedliche Zellenntypen antworten oft auf unterschiedliche Weise auf dasselbe extrazelluläre Signal. Ein Teil des Genexpressionsmusters ändert sich nicht und ist für die jeweiligen Zelltypen kennzeichnend Genexpression kann auf vielen Stufen auf dem Weg von der DNA über RNA zum Protein kontrolliert werden Eine Zelle kann also die Synthese ihrer Proteine auf mehreren Wegen kontrollieren: (1) wann und wie oft ein bestimmtes Gen transkribiert wird, (2) wie das primäre RNA- Transkript gespleisst oder auf andere Weise prozessiert wird, (3) welche mrnas selektiv aus dem Kern in das Cytosol transportiert und (4) an den Ribosomen translatiert werden, sowie (5) durch selektive Aktivierung oder Inaktivierung von den Proteinen nach deren Syntese. Für die meisten Gene ist die Transkriptionskontrolle (Schritt 1) am wichtigsten Die Transkription wird von Proteinen kontrolliert, die an Regulator-DNA- Sequenzen binden Die Promotoren von Bakterien- und eukaryotischen Genen beinhalten eine Initiationsstelle, an der die Transkription tatsächlich beginnt, und eine Sequenz von ungefähr 50 Nukleotiden, die sich stromaufwärts von der Initiationsstelle befindet. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 25 von 105

26 Diese Region enthält Stellen, die für die Bindung der RNA-Polymerase ob von Bakterien oder Eukaryoten, Regulator-DANN-Sequenzen, mit deren Hilfe Gene anoder abgeschaltet werden. Ob ein Gen exprimiert wird oder nicht, hängt von vielen Faktoren ab, darunter dem Zelltyp, der Umgebung der Zelle, Ihrem Alter und extrazellulären Signalen, die auf die Zelle übergreifen. Regulator-DNA-Sequenzen können nicht alleine wirken. Um überhaupt einen Effekt zu bewirken, müssen diese Sequenzen von DNA-bindenden Proteinen, den Genregulatorproteinen, erkannt werden. Erst das Zusammenspiel einer DNA-Sequenz und ihrer assoziierten Proteinmolekülen führt zu einem Schaltermechanismus, der die Transkription kontrollieren kann. Genregulatorproteine können spezifische spezifische DNA-Sequenzen erkennen, weil ihre Oberfläche und die speziellen Oberflächeneigenschaften der Doppelhelix in diesem Bereich strukturell genau zusammenpassen. In den meisten Fällen legt sich das Protein in die grosse Furche der DNA-Helix und geht mehrere molekulare Wechselwirkungen mit den Basenpaaren ein. Das Protein bildet Wasserstoffbrückenbindungen, Ionenbindungen und hydrophobe Wechselwirkungen mit den Basen, ohne dabei im Normalfall die Wasserstoffbrückenbindungen zu stören, welche die Basen zusammenhalten. Obwohl jeder einzelne Kontakt schwach ist, bewirkt die Summe der 20 oder mehr Kontakte, die normalerweise an der Protein- DNA-Oberfläche gebildet werden, dass die gesamte Wechselwirkung sowohl hochspezifisch als auch sehr stark ist. Die DNA-Bindungsmotive - die Homöodomäne, der Zinkfinger und der Leucin-Zipper - werden in Genregulatorproteinen gefunden, welche die Expression von tausenden von verschiedenen Genen in praktisch allen eukaryotischen Organismen kontrollieren. In jedem Fall bindet eine α-helix des Proteins an die grosse Furche der DNA. Häufig binden DNA-bindende Proteine in Paaren (als Dimere) an die DNA-Helix Repressoren schalten Gene ab, Aktivatoren schalten sie an Operon: Eine Auswahl von Genen, die in eine einzelne mrna transkribiert werden. Operons sind in Bakterien weit verbreitet, kommen aber in Eukaryoten nicht vor, da dort die Gene individuell reguliert werden Ein Aktivator und ein Repressor kontrollieren das lac-operon Das lac-operon in E. Coli wird sowohl vom lac-repressor als auch von Aktivatorprotein CAP kontolliert. Das lac-operon codiert für Proteine, die für den Import und Verdau des Disaccharids Lactose benötigt werden. Bei Abwesenheit von Glucose, der von der Zelle bevorzugten Kohlenstoffquelle, schaltet CAP Gene an, die der Zelle alternative Kohlenstoffquellen erschliessen einschliesslich Lactose. Es wäre jedoch für CAP verschwenderisch, die Expression zu induzieren, wenn Lactose nicht vorhanden ist. Daher stellt der lac-repressor sicher, dass das Operon bei Abwesenheit von Lactose ausgeschaltet bleibt. Diese Anordnung ermöglicht der Kontrollregion des lac-operons, zwei verschiedene Signale zu beantworten und zu integrieren, sodass das Operon nur exprimiert wird, wenn zwei Bedingungen erfüllt werden: Lactose muss vorhanden sein, und Glucose muss fehlen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 26 von 105

27 8.2.4 Der Beginn der eukaryotischen Transkription ist ein komplexer Vorgang Im Buch nachlesen Die eukaryotische RNA-Polymerase benötigt die allgemeinen Transkriptionsfaktoren Im Gegensatz zu bakterieller RNA- Polymerase kann eukaryotische RNA- Polymerase II nicht die Transkription initiieren. Für diesen Prozess werden die allgemeinen Transkriptionsfaktoren benötigt. Die allgemeinen Transkriptionsfaktoren binden an alle Promotoren, die von der Polymerase II transkribiert werden. Der Anlagerungsprozess beginnt mit der Bindung des allgemeinen Transkriptionsfaktors TFIID an eine kurze doppelhelikale DNA-Sequenz, die im Wesentlichen aus T- und A- Nucleotiden besteht; weshalb sie als TATA-Box bezeichnet wird. Bei Bindung an die DNA verursacht TFIID eine dramatische lokale Verzerrung in der DNA, die für die Anlagerung der anderen Proteine am Promotor wie ein Erkennungszeichen wirkt. Die TATA-Box ist eine Schlüsselkomponente fast aller von der RNA-Polymerase II erkannten Promotoren. Sie befindet sich normalerweise 25 Nucleotide Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 27 von 105

28 stromaufwärts von der Transkriptionsstartstelle. Nach der Bindung des ersten allgemeinen Transkriptionsfaktors an diese Stelle werden die anderen Faktoren, zusammen mit der RNA-Polymerase II, angelagert und bilden den vollständigen Transkriptions-Initiationskomplex. Die genaue Anordnung des Ensembles der allgemeinen Transkriptionsfaktoren unterscheidet sich wahrscheinlich von einem Promotor zum anderen. Ein Schlüsselereignis bei der Freisetzung der Polymerase II von den Transkriptionsfaktoren ist die Addition von Phosphatgruppen an die RNA-Polymerase durch den allgemeinen Transkriptionsfaktor TFIIH, der als eine seiner Untereinheiten das Enzym Proteinkinase enthält. Man nimmt an, dass diese Phosphorylierung der Polymerase bei der Loslösung aus dem Cluster der Transkriptionsfaktoren hilft, sodass die Transkription beginnen kann. Die Phosphorylierung des RNA-Polymerase-II- Schwanzes ermöglicht den Proteinen, die das entstehende RNA-Transkript bearbeiten, an die Polymerase anzulagern und sich mit ihr gemeinsam weiterzubewegen. Nach Beginn der Transkription werden die meisten allgemeinen Transkriptionsfaktoren von der DNA freigesetzt. Damit stehen sie zur Verfügung, um eine neue Runde der Transkription mit einem neuen RNA-Polymerasemolekül zu starten Eukryotische Genregulatorproteine kontrollieren die Genexpression aus der Entfernung Nahezu alle eukaryotischen Promotoren benötigen Aktivatorproteine, welche die Zusammenlagerung der allgemeinen Transkriptionsfaktoren und der RNA- Polymerase auf der chromosomalen DNA unterstützen. Aktivatorproteine können Tausende von Nucleotidpaaren vom Promotor entfernt an die DNA gebunden werden. Darüber hinaus können eukaryotische Aktivatoren die Transkription eines Gens beeinflussen, gleichgültig, ob sie stromaufwärts oder stromabwärts gebunden sind. Die DNA zwischen Enhancer (DNA-Stellen, an die ein eukaryotischer Genaktivator bindet) und Promotor bildet eine Schlaufe, die den Aktivatorproteinen ermöglicht, die Ereignisse am Promotor direkt zu beeinflussen. Die DNA wirkt also wie ein Strick, der ein Protein, das an einen Tausende von Nukleotidpaaren entfernten Enhancer gebunden hat, zur Wechselwirkung mit den Proteinen in der Nähe des Promotors veranlasst. Oft fungieren zusätzliche Proteine als Adapter zwischen den weit entfernt gebundenen Genregulatorproteinen und der RNA-Polymerase und den allgemeinen Transkriptionsfaktoren. Eine der Wirkungsweisen von Aktivatorproteinen ist die Unterstützung der Bildung des Initiationskomplexes aus allgemeinen Transkriptionsfaktoren und der RNA-Polymerase am Promotor. Eukaryotische Repressorproteine können die Transkription hemmen, indem sie die Zusammenlagerung des Initiationskomplexes erschweren oder verhindern. Eukaryotische Aktivator- und Repressorproteine können die Zugänglichkeit des Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 28 von 105

29 Promotors für die allgemeinen Transkriptionsfaktoren und die RNA-Polymerase regulieren, indem sie Proteinkomplexe rekrutieren, welche die Chromatinstruktur modulieren Die Packung von Promotor-DNA in Nukleosomen kann die Initiation der Transkription beeinflussen In eukaryotischen Zellen nutzen Aktivator- und Repressorproteine die Chromatinstruktur aus, um beim Anund Abschalten der Gene zu helfen. Zellen können mithilfe von Chromatin-Umformungskomplexen oder Histonproteine modifizieren, die den Kern des Nucleosoms bilden, ihre lokale Chromatinstruktur ändern. Viele Genaktivatorproteine profitieren von diesen Mechanismen, indem sie lokal Chromatin- Umformungskomplexe oder Histon modifizierende Proteine rekrutieren. So übertragen die Histon- Acetyltranferasen von Histonproteinen (HAT) eine Acetylgruppe an ausgewählte Lysine im N-terminalen Schwanz von Histonproteinen. Weil dadurch die Histon/DNA Interaktionen geschwächt werden, ergeben sich Änderungen in der Chromatinstruktur, die einen besseren Zugang zu der verpackten DNA erlauben. Repressoren rekrutieren z.b. Histon-Deacetylasen Enzyme, welche den Histon- Acetyl-Transferasen entgegenwirken, indem sie die Acetylgruppen von den Histonschwänzen entfernen. Dies hat zur Folge, dass die DNA enger in Form von Chromatin verpackt wird, wodurch die Bindungsstellen für die allgemeinen Transkriptionsfaktoren weniger zugänglich werden. Obwohl einige eukaryotische Repressorproteine nach dem Gen-für-Gen-Prinzip arbeiten, können andere die Bildung grosser Breiche von kondensiertem Chromatin auslösen, das viele Gene enthält (z.b. X-Chromosom) Eukaryotische Gene werden von mehreren Proteinen reguliert Eukaryotische Genregulatorproteine können die Transkription regulieren, wenn sie an DNA-Sequenzen binden, die viele Basenpaare vom Promotor entfernt sind. Somit können die regulatorischen Sequenzen, welche die Expression eines Gens kontrollieren, über längere DNA- Abschnitte verteilt sein. Wobei ein Grossteil der DNA als Spacer - Sequenz dient, die von den Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 29 von 105

30 Genregulatorproteinen nicht erkannt wird. Der Ausdruck kombinatorische Kontrolle bezieht sich auf die Art und Weise, wie Proteingruppen zusammenarbeiten, um die Expression eines einzelnen Gens festzulegen Die Expression verschiedener Gene kann von einem einzigen Protein gesteuert werden Trotz der kombinatorischen Kontrolle der Genexpression kann der Effekt eines einzigen Genregulatorproteins entscheidend für das An- und Abschalten eines bestimmten Gens sein. Durch das besagte Genregulatorprotein wird nämlich einfach die Kombination an Proteinen erst vollständig, die zur Aktivierung oder Repression des betreffenden Gens gebraucht wird. Das gleiche Protein kann die Kombination für verschiedene Gene vervollständigen. Wenn verschiedene Gene die regulatorische Stelle für dasselbe Genregulatorprotein enthalten, kann dieses zur Kontrolle der Expression all dieser Gene eingesetzt werden. Jedes Regulatorprotein kann das letzte sein, das die volle Aktivierung eines Gens erst ermöglicht Durch kombinatorische Kontrolle können verschiedene Zellarten entstehen Im Buch nachlesen Stabile Genexpressionsmuster können an Tochterzellen weitergegeben werden Wenn eine Zelle in einem vielzelligen Organismus zu einem bestimmten Zelltyp ausdifferenziert ist, wird sie normalerweise so bleiben. Wenn sie sich teilen kann, werden alle nachkommenden Zellen von derselben Art sein. Dies bedeutet, dass die Änderung in der Genexpression, die zu einer differenzierten Zelle führt, im Gedächtnis behalten und an die Tochterzellen weitergegeben werden muss. Eine Möglichkeit dieses Gedächtnisses ist eine positive Rückkopplungsschleife, bei der ein zentrales Genregulatorprotein die Transkription seines eigenen Gens zusätzlich zu anderen zelltypischen Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 30 von 105

31 Genen aktiviert. Eine andere Möglichkeit ist die Weitergabe einer kondensierten Chromatinstruktur von den Eltern- auf die Tochterzellen, auch wenn die DNA-Replikation dazwischenkommt. Ein Beispiel dafür ist eines der X-Chromosomen über viele Generationen hinweg inaktiv ist Die Bildung eines ganzen Organs kann durch ein einziges Genregulatorprotein ausgelöst werden Für die Augenentwicklung in Drosophila, Mäusen und Menschen ist ein einziges Genregulatorprotein mit dem Namen Ey in Fliegen und Pax-6 in Wirbeltieren ausschlaggebend. Ey kontrolliert direkt die Expression vieler Gene, indem es an ihre regulatorischen Bereiche bindet. Einige dieser von Ey kontrollierten Gene codieren für zusätzliche Genregulatorproteine, die wiederum die Expression anderer Gene kontrollieren. Ausserdem wirken einige dieser Genregulatorproteine wieder auf das ey-gen selbst und schaffen somit eine positive Rückkopplungsschleife, welche die fortlaufende Produktion des Ey-Proteins sicherstellt. Auf diese Weise kann die Wirkung von nur einem Genregulatorprotein eine Kaskade von Genregulatorproteinen erzeugen, deren Funktion zur Entstehung einer organisierten Gruppe aus vielen verschiedenen Zellarten führt. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 31 von 105

32 Kapitel 9 Wie sich Gene und Genome entwickeln 9.1 Die Erzeugung genetischer Variation Soma und Keimbahn sind bei Metazoen getrennt. Eine Mutation in der Keimbahn wird an die nächste Generation weitergegeben. Eine Mutation in den Somazellen hat nur Einfluss auf das jeweilige Individuum fünf Haupttypen genetischer Änderungen tragen zur Evolution bei All die erstaunliche Mannigfaltigkeit in Form und Funktion, die wir in lebenden Systemen sehen, ist das Ergebnis von Variationen in früh existierenden Ausgangsformen. 1. Intragene Mutation: Mutation eines Genes bei der ein einzelnes Nucleotid ausgetauscht oder ein oder mehr Nucleotide eliminiert oder verdoppelt werden (Punktmutation). 2. Genverdoppelung (Duplikation): Ein vorhandenes Gen, ein grosser DNA- Abschnitt oder sogar ein gesamtes Genom können verdoppelt werden, sodass ein Paar nahe verwandter Gene in einer Zelle entsteht. Durch weitere Mutationen können diese verdoppelten Gene andere Funktionen annehmen (Divergenz). 3. Gendeleletion: Einzelne Gene oder ganze Genblöcke können durch Chromosomenbruch und Fehler in der Reparatur verloren gehen. 4. Exon shuffling: Zwei oder mehrere vorhandene Gene können in den Intronsequenzen gespalten und zu einem hybriden Gen wieder vereinigt werden. Durch Kombinieren von verschiedenen Exons die evtl. für ganz unterschiedliche Proteindomänen codieren, können somit Proteine mit neuen Funktionen entsehen. 5. Horinzontaler (interzellulärer) Gentransfer: Ein Stück DNA kann vom Genom einer Zelle in das einer anderen übertragen werden auch in das einer anderen Art (bei Eukaryoten selten) Veränderungen im Genom werden durch Pannen bei den normalen Mechanismen für das Kopieren und Erhalten der DNA erzeugt. Punktmutationen werden normalerweise durch kleine Fehler bei der DNA-Replikation oder -Reparatur verursacht. Die Punktmutationen können die Aktivität eines Genes anpassen. An vielen Stellen im Genom hat eine Punktmutation keinen Einfluss auf den Organismus, weil der Austausch keine Änderung der Aminosäuresequenz eines Protein oder eines regulatorischen DNA-Stücks bewirkt selektionsneutrale Mutationen DNA-Verdoppelungen erzeugen Familien von verwandten Genen innerhalb einer einzelnen Zelle Die Genverdoppelung ist vielleicht der wichtigste Mechanismus, um neue Gene zu erzeugen. Ist ein Gen einmal verdoppelt, kann eine der beiden Genkopien frei mutieren und sich spezialisieren, um eine neue Funktion auszuüben. Wird der Vorgang der Duplikation und der Divergenz über viele Millionen Jahre wiederholt, kann ein Gen eine gesamte Genfamilie innerhalb eines einzigen Genes entstehen lassen z.b. die Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 32 von 105

33 Globingenfamilie des Menschen. Genduplikationen entstehen meist durch ungleiches Crossing-over aber selten auch zwischen zwei kurzen wiederholten DNA-Sequenzen auf den entgegengesetzten Seiten eines Chromosoms Wie die Evolution der Globingenfamilie zeigt, tragen DNA- Verdoppelungen zur Evolution von Organismen bei Das einfachste Sauerstoff tragende Molekül bei Tieren ist eine Globin-Polypeptid-kette von ungefähr 150 Aminosäuren. Mehrere Genmutationen und -verdoppelungen haben wahrscheinlich zu den zwei Arten von Globinketten der höheren Vertebraten geführt. Bei den heutigen Vertebraten besteht jedes Hämoglobin aus zwei alpha- und zwei beta-ketten. Durch allosterische Veränderung im Molekül kann dieses Hämoglobin Sauerstoff wirkungsvoller aufnehmen und abgeben als die Version mit einer Globinkette. 1. Zuerst entstanden zwei nur wenig unterschiedliche Globingene, die für die α- und β-globinketten codieren. 2. Durch Duplikation und Mutation entstand eine zweite beta-ähnliche Kette, die spezifisch im Fetus synthetisiert wird, das damit gebildete Hämoglobin hat eine höhere Affinität zu Sauerstoff als das adulte Hämoglobin, erleichtert den Transfer von Sauerstoff von der Mutter zum Fetus. 3. Durch Mutation und Duplikation entstanden aus der Fetus-Kette die ε- und γ- Gene. Die ε-kette wird in der Entwicklung früher gebildet als die fetale γ-kette. 4. Durch erneute Verdoppelung entstand in der Entwicklung der Primaten ein δ- Globin, die ausschliesslich bei erwachsenen Primaten gefunden wurde. Das α-globin liegt auf einem anderen Chromosom als das β-globin Genverdopplung und divergenz sind eine entscheidende Quelle für genetische Neuheiten evolvierender Organismen Genduplikationen liefern den Organismen viele überschüssige Genkopien, die frei mutieren können. Fast jedes Genom eines Vertebraten liegt in mehrfachen Versionen vor. Dies zeigt, dass das gesamte Vertebratengenom aufeinander folgende Duplikationen während der Evolution erfahren hat. Die Duplikationen können stückchenweise durch Duplikation von einzelnen Stücken des Genoms zu unterschiedlichen Zeiten oder durch Duplikation des gesamten Genoms in einem Zug entstanden sein Neue Gene können durch Wiederholung desselben Exons geschaffen werden Viele Proteine in Eukaryoten setzen sich aus sich wiederholenden Proteindomänen zusammen. Die Albumine und Imunglobine gehören u.a. zu dieser Gruppe. Die Gene für diese Sie werden von Genen kodiert, die sich durch wiederholte Duplikationen eines einzelnen DNA-Abschnitts innerhalb eines Genes entwickelt haben. In solchen Genen wird jede einzelne Proteindomäne häufig von einem eigenen Exon codiert. Die notwendigen Duplikationen können durch Aufbruch und Wiedervereinigung irgendwo in den Introns entstehen. Durch die Introns sind viel mehr Stellen vorhanden, an denen ein Rekombinationsaustausch zwischen homologen Chromosomen zur Duplizierung der Domäne stattfinden kann, ohne das Gen zu schädigen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 33 von 105

34 9.1.7 Neue Gene können auch durch Mischen von Exons entstehen Zwei ursprünglich getrennte Exons, die auf verschiedenen Genen liegen können durch Exon schuffling miteinander verbunden werden. Werden zwei Introns getrennt und wieder zusammengefügt muss die Präzision nicht besonders gross sein dadurch erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, das ein zufälliges Rekombinationsereignis ein Hybridgen erzeugt, welches Exons auf diese Weise verbindet. Wahrscheinlich sind alle codierenden Gene des Menschen durch Exon shuffling einiger tausend exons entstanden. Exon shuffling kann durch ungleiches Crossing over entstehen Die Evolution der Genome wurde durch die Verschiebung von transponierbaren Elementen beschleunigt Die Insertion eines tranponierbaren Elements in die codierende Sequenz oder in seine Kontrollregion ist ein häufiger Fall von spontaner Mutation. Wenn transponierbare Elemente direkt in einer codierenden Sequenz landen, können sie diese unterbrechen und die Genexpression zerstören (Insertionsmutation). Wenn zwei Transposons, die von derselben Transposase erkannt werden, in benachbarte Stellen eines Chromosoms intergrieren, kann die dazwischenliegende DNA ebenfalls transponierbar werden. In eukaryotischen Genomen stellt dies einen auserordentlich effektiven Weg für die Bewegung von Exons dar, der zur Entstehung neuer Gene durch Neuordnung bereits vorhandener Exons führt Gene können zwischen Organismen durch horizontalen Gentransfer ausgetauscht werden Gene und andere Teile von Genomen können auch zwischen Individuen verschiedener Arten ausgetauscht werden horizontaler Gentransfer. Normalerweise geschieht horizontaler Gentransfer nur zwischen Bakterien derselben Art und ist bei Eukaryoten sehr selten. Durch horizontalen Gentransfer können neue und möglicherweise gefährliche Stämme von arzneimittelresistenten Bakterien entstehen Genetische Änderungen, die einem Organismus einen Selektionsvorteil bieten, werden am wahrscheinlichsten erhalten Eine Mutation kann vorteilhaft sein für den Organismus, diese Mutationen werden erhalten. Selektionsneutrale Mutationen können erhalten werden oder nicht: Der Zufall bestimmt. Mutionen, die ernstliche Schäden verursachen, werden eliminiert, da der Organismus stirbt. Ein Gen, das für ein bestmögliches Protein oder RNA-Molekül codiert, kann nicht so leicht verändert werden: Wenn Mutationen auftreten, überlebt der fehlerhafte Organismus fast nie. Solche Gene sind hoch konserviert Die Genomsequenzen zweier Arten unterscheiden sich im Verhältnis der Dauer ihrer getrennten Entwicklung Im Buch nachlesen, wenn überhaupt Die Genome von Menschen und Schimpansen sind sich in der Organisation und der detaillierten Sequenz ähnlich Menschen und Schimpansen scheinen nicht nur im Wesentlichen die gleichen Gene zu besitzen, sondern diese Gene sind auch so ziemlich in der gleichen Weise Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 34 von 105

35 auf den Chromosomen der beiden Arten angeordnet. Selbst die Transposons haben nur geringfügige Auswirkungen auf die beiden Genome. Mehr als 99% der Alu- Retrotransposon-Sequenzen befinden sich an vergleichbaren Stellen DNA-Sequenzen mit wichtigen Funktionen stellen hoch konservierte Inseln in Genomen dar Die Abstammungslinien von Menschen und Mäusen trennten sich vor etwa 75 Mio Jahren. Beide Genome besitzen ungefähr die gleiche Grösse und die gleiche Anzahl von Genen. Die genaue Verteilung der Transposons ist ziemlich verschieden Die Transposons haben sich in beiden Abstammungslinien unabhängig voneinander ausgebreitet. Weiter wurde die Genome durch Chromosomenbrüche und - verschmelzungen durchgerührt die Chromosomenstrukturen änderten sich dramatisch z.b. Centromere beim Menschen in der Mitte der Chromosomen und bei der Maus an den Enden. Aber es gibt viele Blöcke von konservierter Syntenie: Bereiche bei denen Nachbarn auch Nachbarn blieben. Mehr als 90% der beiden Genome kann in solche Bereiche von konservierter Syntenie unterteilt werden. Trotz der etwa 50% Sequenzunterschiede in den Nukleotiden gibt es Bereich die durch reinigende Selektion konserviert wurden. Reinigende Selektion: Eine Selektion, die Individuen mit störenden Mutationen in wichtigen Genfunktionen eliminiert. Die selektiv konservierten DNA-Abschnitte bestehen aus zwei Hauptarten. Einige sind Exons, die für Proteine codieren, der Aminosäurensequenzen nicht geändert werden dürfen, wenn das Protein seine Aufgaben korrekt erfüllen soll. Gene die für funktionell wichtige RNA-Moleküle wie die ribosomale RNA codieren. Andere sind Teile regulatorischer DNA meistens Bindungsstellen für Proteine, welche die Expression von anliegenden Genen kontrollieren Die Sequenzkonservierung ermöglicht uns, sogar die evolutionär entfernteste Verwandschaft aufzuspüren Ein Kernsatz von wenigen Hunderten grundlegend wichtiger Gene hat erkennbare Homologe in allen drei Domänen des Lebewesen (erhalten durch reinigende Selektion). Durch Vergleiche der Sequenzen dieser Gene in verschiedenen Organisemen, kann ein phylogenetischer Stammbaum konstruiert werden. In ihrer entwicklungsgeschichtlichen Herkunft sind die Bakterien und Archaea genauso weit voneinander entfernt wie irgendein Eukaryot von einem Prokaryoten Die Lebewesen unterteilen sich in drei Domänen: Bacteria, Archaea und Eukaryoten Die Nucleotidsequenz des menschlichen Genoms zeigt wie unsere Gene angeordnet sind Nur ein paar Prozent des menschlichen Genoms codiert für Proteine oder strukturelle und katalytische RNA's. Die meiste verbleibende DNA besteht aus transponierbaren Elementen. Die Durchschnittsgrösse der Gene beträgt Nucleotidpaare. Um ein Protein von Durchschnittsgrösse zu codierenden (beim Menschen ca. 430 Aminosäuren) sind nur etwa 1300 Nucleotidpaare erforderlich. Der grösste Teil der übrigen DNA im Gen besteht aus langen Stücken nicht codierender DNA, welche die relativ kurzen, für das Protein codierenden Exons unterbricht. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 35 von 105

36 Der Mensch besitzt ungefähr Gene frühere Schätzungen lagen im Bereich von Genen. C. Elegans besitzt ca und D. Melanogaster ca Gene Die genetische Variation innerhalb des menschlichen Genoms trägt zu unserer Individualität bei Individuelle Sequenzunterschiede ca. 1/1000 bp Einzelnukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNPs): Punkte im Genom in der sich die Nucleotid-sequenz in dem einem und anderen Teil der Bevölkerung unterscheidet. Die SNPs können zu Ausagen über die Anfälligkeit gegenüber Krankheiten dienen. Indem man ein spezifisches Merkmal mit einem besonderen Muster von SNPs zu verbinden versucht. Punktmutation häufige Rearrangements Inversionen Duplikationen Deletionen Unterschiede in der Repeatzahl von Mini- und Microsatelliten Der Vergleich unserer DNA mit der von verwandten Organismen hilft uns, das menschliche Genom zu verstehen Der grösste Teil des menschlichen Genoms ist vermutlich unwichtig. Durch vergleichende Genomanalysen können Gene und funktionell wichtige Regulatorsequenezen identifiziert werden. Diese Methode funktioniert gut, da Sequenzen mit einer Funktion in der Evolution konserviert werden, während die anderen wahllos mutieren. Gemeinsame Sequenzen von Mensch und Maus, die über evolutionäre Zeitskalen überlebt haben müssen für beide Organismen wichtig sein Das menschliche Genom enthält reichlich Informationen die noch entschlüsselt werden müssen Die Anweisungen, die für den Zusammenbau eines vielzelligen Tieres nötig sind, befinden sich zum grossen Teil in der nicht codierenden, regulatorischen DNA, die zu jedem Gen gehört. Man nimmt an, dass diese regulatorischen DNA-Sequenzen die aufeinander folgenden Schritte der Entwicklung bestimmen: Die Regeln, die Zellen bei der Vermehrung befolgen, setzen ihre Positionen im Embryo fest und schalten demgemäss neue Sätze von Genen frei. Ungefähr 70% der Gene weisen alternatives Spleissen auf. Dies ermöglicht der Zelle, ein Spektrum von verwandten, aber unterschiedlichen Proteinen aus einem einzelnen Gen zu produzieren u.a. im im ZNS. Oft wird eine Form des Proteins in einer Gewebeart produziert, während andere Formen in anderen Geweben produziert werden. Somit kann ein Organismus bei weitem mehr Proteinprodukte herstellen, als er Gene hat. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 36 von 105

37 Kapitel 11 Membranstruktur Membranlipide bilden im Wasser Doppelschichten aus Die Lipide in der Zellmembran haben zwei sehr unterschiedliche Eigenschaften: Jedes Molekül hat einen hydrophilen (H 2 O-liebend) Kopf und ein oder zwei hydrophobe (H 2 O-abweisend) Kohlenwasserstoffschwänze. Die vorherrschenden Lipide in Zellmembranen sind die Phospholipide. Moleküle mit sowohl hydrophilen wie hydrophoben Eingenschaften werden amphipatisch genannt. Die hydrophilen Köpfe lösen sich leicht in Wasser da sie geladenen Atome oder polare Gruppen enthalten. Die Hydrophoben Schwänze sind apolar (in Wasser unlöslich) und lagern sich deshalb zusammen um den Kontakt mit Wasser zu vermeiden die Membranlipide bilden Doppelschichten. Die Bildung einr Doppellipidschicht ist energetisch am günstigsten.jeder Riss in der Doppellipidschicht schafft einen freien Rand, der dem Wasser ausgesetzt ist. Weil dies energetisch ungünstig ist, werden sich die Moleküle der Doppelschicht spontan neu anordnen, um diesen wasserexponierten Rand zu beseitigen. Die Vermeidung von dem Wasser ausgesetzten Rändern führt zu einem geschlossenen, umgrenzten Raum durch die Membranlipide Die Lipiddoppelschicht ist eine zweidimensionale Flüssigkeit Die Membranlipide können aufgrund der wässrigen Umgebung die Membran nicht verlassen aber sie können sich bewegen und ihre Plätze innerhalb der Ebene der Doppelschicht untereinander tauschen. Die Membran verhält sich deshalb wie eine zweidimensionale Flüssigkeit. Flexibilität: Darunter versteht man die Fähigkeit der Membran, sich zu biegen. Phospholipidmoleküle wechseln selten den Monolayer (Flip-Flop). Andererseits wechseln Lipidmoleküle infolge der Wärmebewegung innerhalb eines Monolayers fortwährend ihren Platz mit dem Nachbarn. Dieser Wechsel führt zu einer schnellen Diffusion in der Membranebene. Die Kohlenwasserstoffketten sind biegsam und einige können schnell um die eigene Achse rotieren. Wenn die Temperatur abnimmt, senkt der Abfall an Wärmeenergie die Bewegungsgeschwindigkeit der Lipide, wodurch die Fluidität der Doppelschicht nachlässt. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 37 von 105

38 Die Fluidität eines Bilayers hängt von seiner Zusammensetzung ab Die Fluidität einer Zellmembran ist für die Membranfunktion bedeutungsvoll und muss innerhalb bestimmter Grenzen bleiben. Je dichter und regelmässiger die Packung der Schwänze ist, desto dickflüssiger wird die Doppellipidschicht. Eine kürzere Kettenlänge verringert die Neigung der Kohlenwasserstoffschwänze, miteinander zu interagieren, und erhöht deshalb die Fluidität der Doppelschicht. Die Doppelbindungen der Kohlenwasserstoffschwänze beeinflussen ebenfalls die Fluidität. Eine Kette mit Doppelbindung ist ungesättigt. Ein hoher Gehalt an ungesättigten Fettsäuren führt zu flüssigeren Membranen (die Schwänze können sich weniger dicht zusammendrängen), dies ist optimal bei tiefen Temperaturen (z.b. Pflanzen). Ist der Gehalt an gesättigten Fettsäuren hoch sind die Membrane weniger flüssig, dies ist optimal bei höheren Temperaturen (z.b. Warmblüter). In tierischen Zellen wird Membranfluidität durch den Einschluss des Sterols Cholesterin moduliert. Das Cholesterin, moduliert die Fluidität, vergrössert die mechanische Stabiltät, vermindert die Durchlässigkeit für kleine hydrophile Moleküle und vergrössert die Flexibilität der Membranen durch flip-flop bie mechanischen Belastungen. Die Fluidität der Membran, ermöglicht die Verschmelzung zweier Membranen, die Diffusion von Proteinen und Membranlipiden innerhalb der Membran und stellt die Verteilung der Membranmoleküle auf Tochterzellen sicher Die Lipiddoppelschicht ist asymetrisch Zellmembranen sind generell asymetrisch. Ihre dem Zellinnern oder Organell zugewandte Oberfläche unterscheidet sich völlig von der nach aussen gerichteten. In eukaryotischen Zellen werden neue Phospolipidmoleküle von Enzymen synthetisiert, die an die cytosolischen Seite der ER-Membran gebunden sind. Diese Enzyme benutzen als Substrate Fettsäuren, die in der cytosolischen Hälfte der Doppelschicht verfügbar sind und das neu gebildete Phospholipid wird in denselben Monolayer eingebaut. Damit die Membran in ihrer Gesamtheit gleichmässig wachsen kann, muss ein Teil der Lipidmoleküle in die gegenüberliegende Einzelschicht befördert werden. Dieser Transfer wird von Flipasen (Enzym) katalysiert Lipidasymetrie wird innerhalb der Zelle erzeugt Nahezu jede Membransynthese in eukaryotischen Zellen findet im Endoplasmatischen Retikulum statt. Die neu gebildeten Membranstückchen werden durch Vesikelbildung von ER abgeschnürt und in einer anderen Membran durch Fusion eingebaut. Die Orientierung der Doppelschicht bleibt erhalten. Die cytosolische Seite grenzt immer an das Cytosol an, während die nichtcytosolische Seite entweder dem Zelläussern oder dem Innenraum eines Organells zugewandt ist. Glykosylierte Membranproteine und Glykolipide sind nach aussen orientiert. Eine typische Zelloberfläche ist nach aussen hin von einer Wolke von Zuckermolekülen umgeben. An der Innenseite der Membran finden sich spezifische Phospholipide die z.b. für die Signalübertragung notwendig sind Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 38 von 105

39 11.2 Membranproteine Membranabdeckung transportieren bestimmte Nährstoffe, Metaboliten und Ionen durch die Doppelschicht. Manche verankern die Membran an Makromolekülen (kann auf beiden Seiten erfolgen). Andere fungieren als Rezeptoren und leiten die aufgespürten chemischen Signale an das Zellinnere. Enzyme katalysieren bestimmte Reaktionen. Jeder Zellmembrantyp enthält einen auf die jeweilige Aufgabe zugeschnittenen Proteinsatz Membranproteine sind mit der Lipiddoppelschicht auf verschiedene Weise verbunden 1. Transmembranproteine haben sowohl hydrophobe wie auch hydrophile Bereiche. Die hydrophoben Bereiche liegen im Innern der Zellmembran. Die hydrophilen Bereiche sind auf beiden Membranseiten der wässrigen Umgebung ausgesetzt (A). 2. Einige Mebranproteine befinden sich vollständig im Cytosol wobei sie mit einer amphipatischen α-helix auf der Proteinoberfläche mit der inneren Schicht der Lipiddoppelschicht verbunden sind (B). 3. Andere sind auf beiden Seiten der Doppelschicht ausschliesslich über eine kovalente Bindung mit einem Lipidmolekül verknüpft (C). 4. Einige werden nur durch Wechselwirkungen mit anderen Membranproteinen an ihrem Platz gehalten Eine Polypeptidkette durchquert die Lipiddoppelschicht gewöhnlich in Form einer α-helix Im Gegensatz zu den hydrophoben Seitenketten ist das Polypeptidrückgrat normalerweise polar (hydrophil. Die Atome des Rückgrats werden dazu veranlasst eine α-helix zu bilden, damit werden H-Brücken innerhalb des Rückgrats maximiert und die hydrophoben Seitenketten berühren die Lipidschwänze. Viele Tranmembranproteine durchqueren die Doppelschicht nur einmal, häufig Rezeptoren. Durch das Zusammenwirken meherer Transmembran-Helices können auch Poren für kleine geladene Moleküle oder für Ionen gebildet werden. Die Aminosäuren der Helices sind so angeordnet, dass aussen an der Helix hydrophobe, und innen hydrophile Aminosäurereste liegen. Damit entsteht eine hydrophile Pore durch die Membran. Einige Proteine durchqueren die Doppelschicht in Form eines β-faltblattes z.b. Porin- Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 39 von 105

40 Proteine. Dieses ist zu einem Zylinder gewunden, der eine faserartige Struktur mit offenem Ende bildet, das sog. β-fass. Die Aminosäuren Seitenketten auf der Innenseite des wässrigen Kanals sind meist hydophyl, jene auf der Aussenseite ausschliesslich hydrophob Membranproteine lassen sich mit Detergenzien in Lösung bringen und reinigen Bevor ein einzelnes Protein im Detail untersucht werden kann, muss es von allen anderen zellulären Proteinen getrennt werden. Um Membranproteine untersuchen zu können muss zuerst die Doppelschicht aufgelöst werden. Dies geschieht mit Agenzien, welche die Lipiddoppelschicht zerstören indem sie die hydrophoben Bindungen trennen. Die gebräuchlichsten Agenzien sind Detergenzien (Seife, Waschmittel). Die Struktur von Detergentien ist derjenigen von Phospholipiden ähnlich: eine polare Kopfgruppe und ein hydrophober Schwanz. Detergenzien besitzen nur einen hydrophoben Schwanz und sind daher eher wie Kegel geformt bilden im Wasser Micellen. Die hydrophoben Schwänze der Detergenzien binden an den hydrophoben Bereich der Transmembranproteine. Genauso binden sie an die hydrophoben Schwänze der Phospholipidmoleküle und trennen dabei die Proteine von den Lipiden. Der Protein-Detergens-Komplex geht dann in Lösung und können mit weiteren Verfahren von den Lipid-Detergens-Komplexen getrennt werden Die vollständige Struktur ist bei wenigen Membranproteinen aufgeklärt Die Struktur von Bakteriorhodopsin ist in hoher Auflösung bekannt. Bakteriorhodopsin arbeitet als Membrantransportprotein, das H + aus dem Bakterium hinauspumpt. Die benötigte Energie bezieht Bacteriorhodopsin direkt aus dem Sonnenlicht. Jedes Bacteriorhodopsinmolekül enthält ein einziges Licht absorbierendes Nicht- Proteinmolekül, das Retinal. Wenn Retinal ein Lichtphoton absorbiert, ändert es seine Gestalt und veranlasst dabei das Protien zu einer Reihe kleiner Konformationsänderungen ein H + wird vom Retinal zur Aussenseite des Bakteriums übertragen. Das H + bewegt sich entlang eines Weges von stratisch günstig gelegenen polaren Aminosäuren-Seitenketten. Das Retinal wird regeniert, indem es ein H + aus dem Cytosol aufnimmt. Dabei kehrt das Protein zu Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 40 von 105

41 seiner ursprünglichen Konformation zurück. Bacteriorhodopsin erzeugt einen H + - Gradienten über der Bakterienzelle der als Energiespeicher genutzt werden kann z.b. zur ATP-Synthese Die Plasmamembran wird durch den Zellcortex verstärkt Um die Stabilität der Zellmembranen zu verstärken werden die meisten Zellmembrane durch ein Gerüst von Proteinen verstärkt, die mit der Membran über Transmembranproteine verknüpft sind. Die Gestalt der Zelle und die mechanischen Eigenschaften der Plamamembran werden durch ein Geflecht von fasrigen Proteinen dem Zellcortex bestimmt. Während rote Blutkörperchen ihren Cortex häuptsächlich benötigen um eine ausreichende mechanische Stabilität für den Transport durch Blutgefässe zu haben, benötigen andere Zellen ihren Cortex, um ihre Gestalt aktiv zu ändern und sich fortzubewegen Die Zelloberfläche ist mit Kohlenhydraten überzogen Die Gesamten Kohlehydrate der Glykoproteine (kovalent, kurze Zuckerketten), Proteoglykane (kovalent, lange Zuckerketten) und Glykolipide (kovalent) bilden auf dem Äussern der Zellmembran eine Kohlenhydratschicht (Glykocalyx). Die Kohlehydratschicht schützt die Zelloberfläche vor mechanischer und chemischer Beschädigung durch Bildung einer physikalischen Schicht. Die Kohlenhydratschicht absorbiert Wasser und verleiht dadurch der Zelle ein schleimige Oberfläche weisse Blutkörperchen können sich durch enge Räume pressen und Blutzellen kleben nicht aneinander oder an den Blutgefässen. Die Zelloberflächen von Menschen mit verschiedenen Bluttgruppen des AB0 Systems unterscheiden sich in den Zuckerstrukturen mit denen diese Oberflächenproteine modifiziert sind..die Kohlehydrate spielen eine bedeutende Rolle bei der Zell-Zell-Erkennung (durch Lektine) und der Zelladhäsion. Zucker können auf unterschiedliche Weise verbunden werden und bilden oft verzweigte Oligosaccaridketten der Glykolax kann als eine Art Uniform dienen, die charakteristisch für Zellen ist, die auf eine besondere Funktion spezialisiert sind. Wechselwirkende Zellen erkennen diese Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 41 von 105

42 Uniform. Sie spielen auch bei entzündlichen Prozessen eine Rolle. Zuckerstrukturen an der Oberfläche der Endothelzellen (Innenseite der Blutgefässe) vermitteln den Durchtritt von Leukozyten aus dem Blut ins Gewebe der Entzündung. Zuckerstrukturen auf an der Zelloberfläche werden auch von Bakterien zu Anhaftung benutzt z.b bei der Infektion von Harnblase und Harnleiter oder bei der Plaque Bildung an den Zähnen. Bei der Plaquebildung sandern Bakterien Säure ab, die Säure wandelt dann wasserünlösliches Hydroxiapatit in wasserlösliche Salze um Zellen können die Bewegung von Membranproteinen einschränken Da eine Membran eine zweidimensionale Flüssigkeit ist, können sich viele ihrer Proteine, wie ihre Lipide, innerhalb des Monolayers frei bewegen. Diese Diffusion kann gezeigt werden in dem eine menschliche und eine Zelle einer Maus zu einer Hybridzelle verschmolzen wird. Nach einiger Zeit haben sich beide Proteingarnituren vermischt. Die freie Diffusion von Molekülen innerhalb der Zellmembran kann z.b. mit dem Fotoausgleich- Verfahren nachgewiesen werden. Zellen können aber besondere Plasmamembranproteine auf bestimmte Bereiche der Doppelschicht beschränken. Damit werden funktionell spezialisierte Regionen oder Membrandomänen geschaffen auf der Zell- oder Organelloberfläche. Durch verschiedene Mechanismen kann die Diffusion der Proteine stark eingeschränkt werden: Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 42 von 105

43 A: Veränkerung an intrazellulären Gerüst-strukturen B: Verankerung an der extrazellulären Matrix C: Verankerung durch Zell-Zell-Kontakte D: Begrenzung der Diffusionsflächen durch Barrieren z.b. Tight Junktions RAFTS als rafts (Flösse) bezeichnet man cholesterin-reiche Teilregionen der Zellmembran in denen häufig spezifische Proteine angereichert sind. Zell-Zell-Verbindungen beschränken die Verteilung bestimmter Proteine auf spezialiserte Abschnitte der Zellmembran. Z.B. bei den Darmepithelzellen ist es wichtig, dass dietransportproteine für die Nährstoffaufnahme auf die dem Darmlumen zugewandte Seite (apikal) beschränkt sind. Proteine die, die Nährstoff aus der Epithelzelle transportieren sind auf die basele oder laterale Seite (dem Lumen abgewandte Seite) beschränk Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 43 von 105

44 Kapitel 12 Membrantransport Die Zellmembran fungiert als Barriere. Sie regelt den Stoffein- und den Stoffausgang Die Ionenkonzentrationen innerhalb und ausserhalb einer Zelle unterscheiden sich erheblich voneinander. Ausserhalb der Zelle ist Na + das häufigste Kation innerhalb K +. Damit die Zelle nicht durch elektrische Kräfte auseinander gerissen wird, muss die Menge an positiver Ladung innerhalb der Zelle durch eine beinahe exakt gleiche Menge von negativer Ladung ausgeglichen sein Lipiddoppelschichten sind für gelöste Stoffe und Ionen undurchlässig 1. Kleine polare (H 2 O, Ethanol) und unpolare (z.b. O 2, CO 2 ) Moleküle diffundieren schnell durch die Membran 2. Lipiddoppelschichten sind in höchstem Masse für alle Ionen und geladene Moleküle undurchlässig (wegen Ladung und hydrophil), gleichgültig wie klein sie sind Membrantransportproteine: Carrier und Kanäle Membrantransportproteine transportieren nur ausgewählte Stoffe. Membrantransportproteine verhindern den Kontakt der transportierten Stoffe mit der Zellmembran Ionen etc. können transportiert werden Gelöste Stoffe durchqueren die Membran durch passiven oder aktiven Transport Moleküle diffundieren von der hohen Konzentration in die tiefe Konzentration sofern ein geeigneter Weg existiert passiver Transport oder erleichterte Diffusion, benötigt keine Energie. Tranport gegen den Konzentrationsgradienten erfordert Arbeit aktiver Transport Carrier-Proteine und ihre Funktionen Jedes Carrier-Protein ist hochselektiv und transportiert oft nur einen Molekültyp. Auf diese Weise wird der komplexe Verkehr von kleinen Molekülen zwischen dem Zellinnern und der Umgebung sowie zwischen den verschiedenen membranumschlossenen Organellen und dem Cytosol gesteuert. Jede Zellmembran enthält einen für die jeweilige Aufgabe geeigneter Satz Membranproteine. Carrier Proteine können sowohl aktiven wie auch passiven Transport erleichtern. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 44 von 105

45 Konzentrationsgradienten und elektrische Kräfte treiben den passiven Transport an Glucose-Carrier: ein Beispiel für passiven Transport. Die Proteinkette des Glucose-Carriers durchquert die Membran mindestens 12- mal. Man nimmt an, dass der Carrier zwei Konformationen einnehmen kann und zufällig und reversibel zwischen beiden umschaltet. Bei einer Konformation zeigt die Glucosebindungsstelle zum Zelläussern, bei der anderen zum Zellinnern. Wenn nach einer Mahlzeit reichlich Zucker ausserhalb der Leberzelle vorhanden ist, binden Gluccosemoleküle an die nach aussen zeigenden Bindungsstellen. Das Protein ändert daraufhin die Konformation, transferiert die Gluccosemoleküle auf die Innenseite und setzt sie im Cytosol frei, wo die Glucosekonzentration niedrig ist. Ist die Glucose-konzentration innerhalb der Zelle höher als ausserhalb bindet Glucose an jede nach innen zeigende Bindungsstelle. Ändert der Carrier seine Konformation in entgegengesetzter Richtung, wird die Glucose aus der Zelle heraus transportiert. Der Glucosetransport kann je nach Konzentration in beide Richtungen erfolgen. Der Glucosecarrier hat keinen Einfluss auf die Transportrichtung. Die Transportrichtung wird durch die Konzentration bestimmt. An den meisten Zellmembranen liegt eine elektrische Spannung an, das Membranpotential. Diese Potentialdifferenz übt auf jedes elektrisch geladene Molekül eine Kraft aus. Die cytoplasmatische Seite hat gewöhnlich ein negatives Potential im Verhältnis zur Aussenseite postitiv geladene lösliche Moleküle werden in die Zelle gezogen und negativ geladene werden nach aussen getrieben. Der elektrochemische Gradient (Nettokraft), der einen geladenen gelösten Stoff durch die Membran treibt, setzt sich daher aus zwei Kräften zusammen, die auf den Konzentrationsgradienten und das Membran-potential zurückzuführen sind. Der Gradient bestimmt die Richtung des passiven Transports. Bei einigen Ionen (wie z.b. Na + ) arbeiten der Spannungs- und der Konzentrationsgradient in gleiche Richtung und erzeugen dabei einen relativ steilen elektrochemischen Gradienten. Na + hat einen hohen Gradienten und neigt daher dazu in die Zelle einzuströmen. K + dagegen hat einen kleinen Gradienten (Konzentrationsgefälle und elektrochemischer Gradient entgegengesetzt). Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 45 von 105

46 Der aktive Transport bewegt gelöste Stoffe gegen ihren elektrochemischen Gradienten Die drei Hauptmechanismen des aktiven Tranports: 1. Gekoppelte Transporter koppeln den Aufwärtstransport eines gelösten Stoffes durch die Membran an den Abwärtstransport eines anderen. 2. ATP-getriebene Pumpen koppeln den Transport an die Hydrolyse von ATP. 3. Lichtgetriebene Pumpen, die hauptsächlich in Bakterienzellen vorkommen, koppeln den Transport an die Aufnahme von Lichtenergie. Fliesst Na + in Richtung seines elektrochemischen Gradienten in die Zelle herein, betreibt der Zustrom von Na + die aktive Bewegung vieler anderer Substanzen gegen ihren elektrochemischen Gradienten in die Zelle herein Tierische Zellen benutzen die Energie der ATP-Hydrolyse um Na + hinauszupumpen Die ATP-getriebene Na + -Pumpe in tierischen Zellen hydrolysiert ATP zu ADP, um Na + gegen den elektrochemischen Gradienten aus der Zelle zu transportieren. Diese Pumpe ist deshalb nicht nur ein Carrier-Protein, sondern auch ein Enzym, eine ATPase. Gleichzeitig kopppelt das Protein den Auswärtstransport von Na + an einen Einwärtstransport von K +. Die Pumpe ist deshalb als Na + -K + -ATPase oder Na + -K + - Pumpe bekannt. Diesen Carrierprotein spielt eine zentrale Rolle im Energiehaushalt von tierischen Zellen (verantwortlich für etwa 30% des gesamten ATP-Verbrauchs). Wie eine Wasserpumpe in einem lecken Schiff, läuft sie unaufhörlich, um Na + hinauszutransportieren, welches ständig durch andere Carrier-Proteine und Kanäle eindringt die Pumpe hält den Konzentrationsgradienten von Na + aufrecht Die Na+-K+-Pumpe wird durch die vorübergehende Bindung einer Phosphatgruppe angetrieben Die Na+-K+-Pumpe durchläuft sechs Stadien. Stadium 1: Na+ bindet an die Pumpe an Stellen, die der Innenseite der Zelle zugewandt sind und aktiviert die ATPase-Aktivität. Stadium 2: ATP wird zu ADP und einer Phosphatgruppe gespalten, welche unter Bildung einer energiereichen Bindung auf die Pumpe übertragen wird d.h. Die Pumpe phosphoriliert sich selbst. Stadium 3: Die Phosphorilierung veranlasst die Pumpe, ihre Konformation zu ändern, sodass sie Na+ an der Aussenseite der Pumpe freisetzen und gleichzeitig eine Bindungsstelle für K+ anbieten kann. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 46 von 105

47 Stadium 4/5: Die Bindung von extrazellulärem K+ löst die Entfernung der Phosphatgruppe aus (Dephophorylierung). Stadium 6: Dies veranlasst die Pumpe, zu ihrer ursprünglichen Konformation zurückzukehren und das K+ im Zellinnern abzuladen. Da jeder Schritt vom vorhergehenden abhängt, kann die Pumpe nur arbeiten wenn die geeigneten Ionen bereitstehen nutzloser ATP- Verbrauch wird so verhindert Tierische Zellen benutzen den Na+ Gradienten, um aktiv Nährstoffe aufzunehmen Der Gradient eines gelösten Stoffes über der Membran, wie der Na + -Gradient, kann genutzt werden um den aktiven Transport eines zweiten Moleküls zu unterhalten. Die Abwärtsbewegung des ersten Stoffes in Richtung seines Gradienten liefert die Energie für den aktiven Transport des zweiten. Solche Carrierproteine heissen gekoppelte Transporter. Wenn der Transporter beide gelöste Stoffe in die gleiche Richtung durch die Membran befördert, wird er als Symporter bezeichnet. Wenn er sie in entgegengesetzte Richtungen befördert, wird er als Antiporter bezeichnet. Ein Transporter der nur eine Stoffart transportiert, wird als Uniporter bezeichnet. Elementarer Grundsatz des gekoppelten Transports: Wenn einer der mittransportierten gelösten Stoffe fehlt, kann der zweite nicht transportiert werden. Darmepithelzellen besitzen zwei verschiedene Glucosetransporter: einen passiven Glucose-Uniport (wie oben beschrieben) und einen aktiven Glucose-Na + -Symport. Darmepithelzellen können Glucose aktiv mit dem Glucose-Na + -Symport aufnehmen, auch wenn die Konzentration im Lumen höher ist als in der Zelle. Um die Glucose wieder ins Blut abzugeben benötigen die Zellen aber auch einen passiven Carrier. Die aktiven Carrier liegen auf der Seite des Darmlumen und die passiven auf der Seite des Darmgewebes. Beide Bereich werden durch tight junctions voneinander getrennt Die Na + -K + -Pumpe hilft, das osmotische Gleichgewicht von tierischen Zellen aufrechtzuerhalten Ist kein Gegendruck vorhanden schwillt die Zelle aufgrund von Osmose an. Da tierische Zellen keine feste äussere Wand haben platzen sie wenn sie in reines Wasser gebracht werden. In tierischen Geweben sind die Zellen von einer Flüssigkeit umhüllt, die reich an gelösten Stoffen ist, besonders Na + und Cl -, diese gleichen die Konzentration der Stoffe innerhalb der Zelle aus und verhindern somit das Platzen der Zelle. Dieses osmotische Gleichgewicht wird hauptsächlich von der Na + -K + -Pumpe aufrecht erhalten, indem sie einsickerndes Na + aus der Zelle pumpt. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 47 von 105

48 Bei Pflanzenzellen verhindert die starre Zellwand das Platzen der Zelle. Die Zellwand übt einen Gegendruck aus, der den osmotischen Druck ausgleicht. Einige Süsswasserprotozoen sammeln das überschüssige Wasser in kontraktilen Vakuolen. Diese entladen ihren Inhalt regelmässig nach aussen. Zellen müssen auch kurzzeitige osmotische Schocks ausgleichen können Pflanzen, Pilze und Bakterien setzen H + -Gradienten ein, um den Membrantransport anzutreiben Pflanzenzellen, Pilze, einschliesslich der Hefen, und Bakterien haben keine Na + -K + - Pumpen in ihrer Plasmamembran. Anstelle eines elektrochemischen Na + - Gradienten setzen sie hauptsächlich auf einen elektrochemischen H + -Gradienten um den Stoff-transport in die Zelle anzutreiben. Der Gradient wird durch H + -Pumpen in der Plasmamembran erzeugt, die H + aus der Zelle pumpen. Bei diesem Vorgang erzeugt die H + -Pumpe auch einen sauren ph-wert im Medium, das die Zelle umgibt. Bei Bakterien wird die Aufnahme von Zuckern und Aminosgbäuren durch ATP-Symporter angetrieben. H + -Gradient wird dabei fast gleich eingesetzt wie der Na + -Gradient in tierischen Zellen. Der Gradient kann durch lichtgetriebene H + - Pumpen wie Bacteriorhodopsin (in einigen photosyntetisch aktiven Bakterien) oder durch ATPasen (Pflanzen, Tiere und viele Bakterien erzeugt werden Ionenkanäle werden reguliert und sind ionenselektiv Ionenkanäle sind Ionenspezifisch. Die Ionenselektivität hängt vom Durchmesser und der Form des Ionenkanals ab. Ionenkanäle öffnen sich kurzfristig und schliessen sich wieder. Ein spezifischer Reiz löst bei ihnen eine Konformationsänderung aus und damit den Wechsel vom offenen zum geschlossenen Zustand. Aufgrund der unterschiedlichen Konzentration der Stoffe innerhalb und ausserhalb der Zelle führt die Öffnung eines Ionenkanals zu einem schnellen Ionenstrom in die Zelle hinein oder aus der Zelle heraus. Der Ionenfluss ändert das Membranpotential. Ausserdem kann das veränderte Membranpotential empfindliche Ionenkanäle dazu bringen, sich innerhalb von Millisekunden zu öffnen oder zu schliessen. Die Kanalaktivität kann durch das Membranpotential, Liganden oder durch mechanische Beanspruchung reguliert werden. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 48 von 105

49 Ionenkanäle transportieren etwa 1000mal schneller als Carrier-Proteine Ionenkanäle pendeln zufällig zwischen offenem und geschlossenem Zustand Patch-Clamp Technologie Frequenz mit der sie geöffnet, resp. geschlossen werden. Ein Ionenkanal kann nur vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen sein. Zwischenstufen gibt es nicht. Die Ionenkanäle pendeln zufällig zwischen der offenen und der geschlossenen Konformation hin und her, auch wenn auf beiden Membranseiten konstante Bedingungen herrschen. Wird die Öffnung des Kanals durch veränderte Bedingungen begünstigt, verbringt der Kanal eine längere Zeit in der offenen Konformation. Er bleibt aber dennoch nicht durchgehend geöffnet. ermöglicht die Steuerung des Ein- und Ausstroms der Ionen. Die Signale steuern die Verschiedene Stimulusarten beeinflussen das Öffnen und Schliessen des Kanals Verschliessbare Ionenkanäle antworten auf verschiedene Reize. Abhängig öffnen sich die Tore (A) bei einer Veränderung des Spannungsunterschieds zwischen den beiden Membranseiten, (B) nach Bindung eines Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 49 von 105

50 chemischen Liganden an der Aussenseite bzw. (C) der Innenseite des Kanals oder (D) nach mechanischer Stimulierung. Die Beugung der Cillien auf der Oberfläche der Haarzellen unseres Innenohrs durch Schallwellen führt zur Öffnung von mechanisch gesteuerten Kalzium-Kanälen. Das einströmende Ca 2+ aktiviert die Ausschüttung von Neurotransmittern welche die angrenzenden Nervenzellen aktivieren Spannungsregulierte Ionenkanäle reagieren auf das Membranpotential Spezielle Domänen in Spannungsregulierten Ionenkanäle reagieren äusserst empfindlich auf Veränderungen des Membranpotentials. Veränderungen oberhalb eines gewissen Schwellenwertes üben eine ausreichend grosse Kraft auf diese Domäne aus, sodass ein Umschalten von der geschlossenen in die offenen Kanalkonformation, oder umgekehrt, begünstigt wird Das Membranpotential wird durch die Membranpermeabilität für bestimme Ionen gesteuert Alle Zellen besitzen an ihrer Plasmamembran ein Membranpotenzial. Die negativen Ladungen im Zellinnern werden hauptsächlich durch K + ausgeglichen. In der Plasmamembran einer ruhenden Zelle sind vor allem die K + -Sickerkanäle geöffnet. K + hat die Tendenz, durch diese Kanäle in Richtung seines steilen Konzentrationsgradienten aus der Zelle herauszufliessen. Jeder Ausstrom an positiver Ladung hinterlässt jedoch eine unausgeglichene negative Ladung innerhalb der Zelle und erzeugt damit ein Membranpotenzial. Innerhalb von ungefähr einer Millisekunde stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem das Membranpotenzial gerade stark genug ist, das Bestreben von K +, die Zelle in Richtung seines Konzentrationsgradienten zu verlassen, auszugleichen. Ein Ruhepotential ist ein solches Gleichgewicht (der Fluss positiver und negativer Ionen durch die Plasmamembran ist exakt ausgeglichen). Jede Veränderung der Membranpermeabilität für bestimmte Ionen, führt daher zu einer Veränderung des Membranpotenzials. Durch einströmende Ionen z.b. Na+ wird das Membranpotenzial vermindert und kann sogar positiv werden. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 50 von 105

51 Aktionspotenziale sorgen für schnelle Kommunikation über weite Entfernungen gewährleistet. Das Axon leitet Signale vom Zellkörper weg, wohingegen die vielen Dendriten Signale von Axonen anderer Neuronen empfangen. Signale werden mit Aktionspotenzialen weitergeleitet. Die Weiterleitung des Signals ohne Abschwächung ist damit Aktionspotenziale werden in der Regel durch spannungsregulierte Na + - Kanäle erzeugt Ein Reiz, der eine ausreichend grosse Depolarisierung über einen gewissen Schwellenwert hervorruft, führt unmittelbar dazu, dass an dieser Stelle die spannungsregulierten Na + -Kanäle vorübergehend geöffnet werden. Nun kann eine geringe Na + -Menge in die Zelle einströmen. Der Einstrom von positiver Ladung depolarisiert die Membran zusätzlich weitere spannungsregulierte Na + -Kanäle werden geöffnet die wiederum die Depolarisation verstärken usw. die Depolarisierung wird verstärkt bis zu einem Schwellenwert von +40mV. Bei dieser Spannung geht die elektrochemische Antriebskraft von Na + gegen 0 Na + strömt nicht mehr in die Zelle ein. Die Na + -Kanäle werden automatisch inaktiviert. Aufgrund der Membrandepolarisierung werden nun die spannungs-regulierten K + -Kanäle geöffnet K + strömt aus der Zelle heraus und bewirkt die Rückkehr zum Ruhezustand. Die K + -Kanäle bleiben so lange geöffnet, wie die Membrandepolarisation anhält. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 51 von 105

52 Spannungsregulierte Ca 2+ -Kanäle wandeln an den Nervenendigungen elektrische Signale in chemische Signale um Die Signale werden an den Synapsen von einem Neuron auf das nächste übertragen. Die Signalübermittlung von der präsynaptischen Zellen auf die postsynaptische Zelle erfolgt mittels Neurotransmittern die in synaptischen Vesikeln verpackt sind. Erreicht das Aktionspotenzial die Nervenendigung, werden die Neurotransmitter durch Exocytose aus der Nervenendigung freigesetzt. Die Depolarisation der Plasmamembran der Nervenendigung öffnet vorübergehend spannungsregulierte Ca 2+ -Kanäle Ca 2+ strömt in die Nervenendigung. Der Anstieg der Ca 2+ Konzentration löst die Verschmelzung des synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Plasmamembran aus und damit die Freisetzung des Transmitters in den synaptischen Spalt. Das Signal wird so von einem elektrischen in ein chemisches umgewandelt In den Zielzellen wandeln transmitterregulierte Kanäle chemische Signale wieder in elektrische Signale um Der freigesetzte Neurotransmitter diffundiert schnell durch den synaptischen Spalt und bindet an die Neurotransmitter-Rezeptoren der postsynaptischen Membran der Zielzelle. Die Bindung des Neurotransmitters an seinen Rezeptor, kann in der Zielzelle durch eine Membranpotenzial-änderung ein Aktionspotenzial auslösen. Einige Neurotransmitter-Rezeptortypen bewirken in der Zielzelle relativ langsame Veränderungen. Schnelle Reaktionen sind von transmitterregulierten Ionenkanälen abhängig. In den Neuromuskulären Endplatten wird bei Wirbeltieren der Neurotransmitter Acetylcholin eingesetzt. Acetylcholin aktiviert die Ionenkanäle durch Bindung an die Acetylcholin-Rezeptoren Ionen strömen in die Zelle. (exhibitorisch) oder hemmend (inhibitorisch) sein Neuronen erhalten sowohl erregende wie auch hemmende Impulse Die Reaktion, die von einem Neuro-transmitter an einer Synapse hervorgerufen wird, kann entweder erregend Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 52 von 105

53 Die Öffnung des Na + -Kanals einer exzitatorischen Synapse durch einen Neurotransmitter lässt Na + - Ionen in die Zelle einströmen und vermindert das Membranpotenzial, ohne dabei ein Membranpotenzial auszulösen, weil zu wenige Na+-Ionen einströmen. Damit nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass ein nächster Impuls ein Aktionspotenzial auslöst. Die Öffnung einer inhibitorischen Synapse durch einen Neuro-transmitter (z.b. Glycin) lässt Cl- Ionen in die Zellen einströmen und erhöht das Membranpotenzial mehr Stimulation nötig um ein Signal in der Zelle auszulösen. Damit nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass ein nächster Impuls ein Aktionspotenzial auslöst (Pufferfunktion) Transmitterregulierte Ionenkanäle sind das Hauptziel von Psychopharmaka Viele Arzneistoffe, die zur Behandlung von Schlafstörungen, Angst-zuständen, Depressionen und Schizophrenie eingesetzt werden, wirken auf Synapsen des Gehirns. Viele davon binden an transmitterregulierte Ionenkanäle. Wird die Wiederaufnahme des exzitatorischen Neuro-transmitters Serotonin blockiert, erhöht sich die Serotonin Menge an den entsprechenden Synapsen. Dadurch können Depressionen gelindert werden Synaptische Verknüpfungen ermöglichen das Denken, Handeln und Erinnern Im Buch nachlesen Reizleitung entlang einer Nervenzelle Strömen an einer bestimmten Stelle Natriumionen durch die Membran in das Axon, entsteht ein Aktions-potential. Das Aktionspotential depolarisiert auch benachbarte Membran-regionen und löst dort seinerseits ein Aktionspotential aus. Im Bereich des ersten Aktionspotentiales führt der K + -Ausstrom bereits zur Repolarisation der Membran Durch diese repetitiven Prozesse führen lokale Ionenströme in begrenzten Bereichen der Plasmamembran zu Nervenimpulsen, die das ganze Axon entlanglaufen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 53 von 105

54 Kapitel 13 Wie Zellen Energie aus Nahrung gewinnen Zur Sicherheit im Buch und Skript nachschlagen, nur sehr oberflächlich zusammengefasst. Ein Grundsatz der zellulären Energieumwandlung: Abbau eines energiehaltigen Moleküls über mehrere Schritte. Bei jedem Schritt wird eine Teilmenge der gesamten Energie freigesetzt und kann für gekoppelte Reaktionen verwendet werden maximale Ausgbeute der vorhandenen Gesamtenergie. Nahrungsmoleküle werden in kleinen Schritten verdaut um den Energieverlust zu minimieren. Die freigesetzte Energie wird mithilfe von Überträgermolekülen optimal auf weitere Schritte übertragen Nahrungsmoleküle werden in drei Stufen abgebaut Stufe 1: Abbau von grossen Makromolekülen zu einfachen Einheiten Strufe 2: Abbau der einfachen Einheiten zu Acetyl-CoA, Bildung begrenzter Mengen ATP und NADH Stufe 3: Vollständige Oxidation von Acetyl- CoA zu H 2 O und CO 2, Bildung grosser Mengen NADH und ATP Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 54 von 105

55 Die Glykolyse ist ein zentraler ATP erzeugender Stoffwechselgang Empfehlung: Seite 458 und 459 im Buch studieren. 1. Phase: Aktivierung des Zuckers 2. Phase: Spaltung 3. Phase: Energiegewinnung Energiebilanz: Input: 1 Glucosemolekül (C3) 2 ATP und 2 NAD + Output: 2 Pyruvat (C6) 4 ATP und 2 NADH (brutto), 2 ATP und 2NADH (netto) Bei der Gärung entsteht ATP in Abwesenheit von Sauerstoff Glykolyse. Für viele anaerobe Organismen stellt die Glykolyse die Hauptquelle von ATP dar. Dasselbe gilt für bestimmte tierische Gewebe, wenn der Sauerstoff knapp ist z.b. Skelettmuskulatur. Unter diesen Umständen wird das Pyruvat von der Zelle z.b. in Lactat oder Ethanol und CO 2 umgewandelt, die dann ausgeschieden werden. In diesem Prozess gibt NADH seine Elektronen ab und wird in NAD + zurückgebildet. Diese Regeneration von NAD + dient der Aufrechterhaltung der Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 55 von 105

56 Die Glykolyse zeigt, wie Enzyme Oxidation und Energiespeicherung koppeln Zwei zentrale Reaktionen in der Glykolyse (Schritt 6 und 7 Seite 459) wandeln Glycerinaldehyd-3- phosphat (ein Aldehyd) in 3- Phosphoglycerat (eine Carbonsäure) um. Dabei wird eine Aldehydgruppe zu einer Carbonsäuregruppe in zwei Schritten oxidiert. Die Gesamt-reaktion erzeugt genug Freie Energie, um ein Mol ADP in ATP umzuwandeln und zwei Elektronen vom Aldehyd auf NAD + zu übertragen, wobei NADH entsteht. Damit die Gesamtreaktion energetisch günstig ist wird Wärme an die Umgebung abgegeben. Diese chemischen Reaktionen werden von zwei Enzymen überwacht. ATP kann leicht aus ADP hergestellt werden, wenn Reaktionsintermediate mit Phosphatbindungen erzeugt werden, die eine höhere Energie besitzen als ATP. Phosphatbindungen haben unterschiedliche Energien (Seite 463) Sowohl Zucker als auch Fette werden in den Mitochondrien zu Acetyl- CoA abgebaut Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex decarboxyliert im aeroben Stoffwechsel, das in der Glykolyse produzierte Pyruvat. Produkte: 1 Molekül CO 2 (als Abfallprodukt) 1 Molekül NADH Acetyl CoA Jedes Fettsäuremolekül wird, in Form des aktivierten Fettsäure-Acyl-CoA-Moleküls, vollständig abgebaut. Produkte pro Durchgang: 1 Molekül Acetyl-CoA 1Molekül NADH 1 Molekül FADH 2 Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 56 von 105

57 Der Zitronensäurezyklus erzeugt NADH durch die Oxidation von Acetylgruppen zu CO 2 Tafel 13-2 (Seite 476 und 477), Zusammenfassung In den meisten Zellen treibt der Elektronentransport die Synthese des Hauptteils von ATP an Die aktivierten Trägermoleküle NADH und FADH 2 übertragen die Elektronen an die Elektronentransportkette (in der inneren Membran des Mitochondriums). Während die Elektronen entlang dieser Kette Wandern fallen sie schrittweise auf immer niedrigere Energieniveaus. Die freigesetzte Energie wird verwendet um H + -Ionen (Protonen durch die Membran des Mitochondriums nach aussen zu befördern. Dabei entsteht ein H + -Ionengradient. Diese Energiequelle kann verwendet werden um ADP zu ATP zu phosphorylieren. Die Elektronen werden am Schluss auf O 2 übertragen, die ins Mitochondrium diffundiert sind die reduzierten Sauerstoffmoleküle reagieren sofort mit H + zu Wasser. Dieser Prozess wird oxidative Phosphorilierung genannt und findet auch in der Plasmamembran von Bakterien statt Organismen lagern Nahrungsmoleküle in besonderen Speichern Um lange Fastenzeiten zu überstehen, speichern Tiere Nahrung in ihren Zellen. Fettsäuren werden als Fetttröpfchen in spezialisierten Fettzellen gespeichert. Zucker wird in Form von Glukogen einem grossen verzweigten Polysaccarid aus Glucoseuntereinheiten gespeichert. Die Synthese und der Abbau von Glykogen werden je nach Bedarf sehr schnell geregelt. Die Oxidation von Fett setzt pro Gramm etwa zweimal so viel Energie frei wie die Oxidation von Glykogen, darüberhinaus kommt Fett rein in den Fettzellen vor, während Glykogen eine grosse Menge Wasser speichert (grösseres Gewicht bei gleicher Energiemenge) Mengenmässig ist Fett eine wichtigere Speicherform als Glykogen. Pflanzen wandeln einen Teil des produzierten Zuckers in Fette und Stärke um. Stärke ähnelt dem Glykogen und ist gut verdaulich. Stärke und Zucker werden in den Chloroplasten gespeichert und dienen in der Nacht zur Herstellung von ATP. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 57 von 105

58 Kapitel 14 Energieumwandlung in Mitochondrien und Chloroplasten nur sehr oberflächlich zusammengefasst, Buch und Skript beachten Zellen gewinnen den grössten Teil ihrer Energie mithilfe eines membranabhängigen Mechanismus des Elektronentransports bezeichnet man als chemiotische Kopplung Mitochondrien und oxidative Phosporylierung Stufe 1: Die Elektronentransportkette erzeugt einen H + -Gradienten über der Mitochondrienmembran. Stufe 2: Die Protonen fliessen entlang ihres elektrochemischen Gradienten durch den Proteinkomplex ATPase zurück, der die Energie verbrauchende Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat katalysiert. Die Verknüpfung von Elektronentransport, Pumpen von Elektronen und ATP-Synthese Mitochondrien kommen in den meisten aber nicht in allen eukaryotischen Zellen vor, sie sind häufig schlauchartige und vielfach verzweigte Strukturen. Die Mitochondrien produzieren den Grossteil des ATPs der Zelle. Die gleichen Stoffwechselreaktionen wie in den Mitochondrien finden auch in Bakterien statt Ein Mitochondrium enthält eine äussere Membran, eine innere Membran und zwei interne Kompartimente Mitochondrien: in Grösse und Form Bakterien sehr ähnlich eigene DNA und RNA kompletter Transkriptions- und Translationsapparat inkl. Ribosomen Die zwei hoch spezialisierten Membranen bilden zwei Kompartimente: Die Matrix, einen grossen Innenraum und den viel engeren Intermembranraum. In der inneren Mitochondrienmembran findet die oxidative Phosphorilierung statt, und sie enthält die ATP-Synthase. Die innere Membran ist sehr stark gefaltet: Sie bildet eine Reihe von Einfaltungen, die sog. Cristae, die in den Matrixraum ragen und die Oberfläche vergrössern. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 58 von 105

59 Im Zitronensäurezyklus werden energiereiche Elektronen gebildet und an Intermediate gebunden In den Mitochondrien wird die Metabolisierung der Nährstoffe zu Ende geführt. Mitochondrien können sowohl Pyruvat als auch Fettsäuren als Brennstoff verwenden. Beide Brennstoffmoleküle werden von Enzymen in das zentrale Stoffwechselintermediat in Acetyl-CoA umgewandelt. Die Acetylgruppen von Acetyl-CoA werden anschliessend über den Zitronensäurezyklus oxidiert. Die C- Atome von Acetyl-CoA werden in CO 2 umgwandelt und als Abfallprodukt abgegeben. Zusätzlich erzeugt der Zyklus noch energiereiche Elektronen, welche von NADH und FADH2 auf die Elektronentransportkette übertragen werden NAD+ und FAD werden regeneriert Ein chemiotischer Prozess wandelt Oxidationsenergie in ATP um Elektronen werden entlang einer Kette aus Proteinen in der inneren Mitochondrienmembran übertragen Die Elektronentransportkette wird auch als Atmungskette bezeichnet und liegt in vielen Kopien in der inneren Mitochondrienmembran vor. Die meisten der an der Atmungskette beteiligten Proteine werden zu drei grossen Atmungsenzymkomplexen zusammengefasst. Der Elektronentransport beginnt mit der Entfernung eines Hydridions (H - ) aus NADH, das dann in ein Proton und zwei energiereiche Elektronen umgewandelt wird: H - H + + 2e - (katalysiert von NADH-Dehydrogenase). Die Elektronen werden anschliessend mithilfe von beweglichen Elektronencarriern entlang der Kette weitergegeben. Der Transfer der Elektronen entlang der Kette ist energetisch begünstigt: Die Elektronen starten mit einem sehr hohen Energieniveau aus und verlieren während ihres Transports durch die Kette bei jedem Schritt Energie. Die Cytochrom-Oxidase verbindet die Elektronen anschliessend mit molekularem Sauerstoff. Dies ist der sauerstoffabhängige Schritt der Zellatmung, er verbraucht beinahe den ganzen eingeatmeten Sauerstoff. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 59 von 105

60 Der Elektronentransport erzeugt einen Protonengradienten über der Membran Im Buchli nachlesen Der Protonengradient treibt die ATP-Synthese an Die ATP-Synthase bildet einen hydrophilen Durchgang durch die innere Mitochondrienmembran, durch den die Protonen entlang ihres elektrochemischen Gradienten zurückströmen können. Der Rückstrom der Protonen treibt den enzymatischen Teil an. Der Stiel rotiert und reibt dabei an dem fest verankerten Kopfteil, die dadurch ausgelösten Konformationsänderungen des Kopfteils wandeln die mechanische Energie der Protonen in Bindungsenergie um für die ATP- Erzeugung um. Die ATP-Synthase kann ATP erzeugen oder durch ATP-Hydrolyse Protonen durch die Membran punpen. Die ATP-Synthase ist evolutionär sehr stark konserviert Der Elektrochemische Protonengradient treibt den aktiven Transport über die innere Mitochondrienmembran an Carrier-Proteine koppeln den aktiven Transport von Molekülen an den elektrochemischen Gradienten der Protonen. Beispielsweise Pyruvat und anarganisches Phosphat wird mit H + kotransportiert. ADP wird mit ATP von einem Carrier- Protein in die jeweils entgegengesetzte Richtung transportiert. Da ATP eine Ladung mehr hat als ADP wird der ATP- ADP-Austausch durch den Ladungsunterscheid über der Membran begünstigt. Der Protonengradient treibt ebenfalls die Bakteriengeissel an. Die daran beteiligten Protonen funktionieren ähnlich wie eine Turbine, durch einströmende Protonen rotiert die Turbine und die daran befestigte Geissel. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 60 von 105

61 Die schnelle Umwandlung von ADP in ATP in den Mitochondrien hält in den Zellen ein hohes ATP:ADP-Verhältnis aufrecht lernen? Protonen lassen sich leicht durch die Übertragung von Elektronen bewegen Die Protonen im Wasser sind äusserst beweglich: Durch rasche Abspaltung von einem Wassermolekül und direkte Anlagerung an ein benachbartes bewegen sie sich im Wasser, das über Wasserstoffbrücken vernetzt ist, blitzartig hin und her. Damit können von dem überall in der Zelle vorhandenen Wasser leicht Protonen abgegeben oder aufgenommen werden Metallatome, die fest an Proteine gebunden sind, sind vielseitige Elektronen-Carrier In der Atmungskette sind die Elektronen-Carrier nach zunehmendem Redox-Potential angeordnet, wodurch die schrittweise Freisetzung der in den NADH-Elektronen gespeicherten Energie gewährleistet ist. Ubichinon ist der einzige Carrier in, der nicht Teil eines Proteins ist. Ubichinon kann ein oder zwei e - transportieren und nimmt für jedes Elektron ein H + auf, wenn die Elektronen abgegeben werden, werden die Protonen freigesetzt. Das Ubichinon ist mit seinem Schwanz in der Membran verankert. Jedes Cytochrom enthält eine oder mehrere Hämgruppen, deren Eisenatome bei der Übernahme eines Elektrons von Fe 3+ zu Fe 2+ wechseln Die Cytochrom-Oxidase katalysiert die Reduktion von Sauerstoff Die Cytochrom-Oxidase übernimmt die Elektronen von Cytochron c und gibt sie an Sauerstoff ab. Zusammengefasste Reaktion: Addition von 4 Elektronen von Cytochrom c und vier Protonen aus der wässrigen Umgebung an ein O 2 -Molekül, zusätzlich werden 4 Protonen hinausgepumpt. Durch Aufnahme eines Elektrons entsteht aus Sauerstoff ein Superoxidradikal O 2-.Um Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 61 von 105

62 Schäden durch O 2- zu verhindern, wird das Sauerstoffmolekül so lange in der Cytochrom-Oxidase gehalten bis alle benötigten Elektronen und Protonen für die Bildung von 2H 2 O zusammengekommen sind. Schäden durch O 2- gelten als eine Hauptursache für das Altern des Menschen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 62 von 105

63 Kapitel 15 Intrazelluläre Kompartimente und Transport Alle eukaryotischen Zellen besitzen eine Basisausrüstung von membranumschlossenen Organellen Zellkern: - Doppelmembran - Kernporen zur Kommunikation mit dem Cytosol Endoplasmatisches Retikulum: - erstreckt sich häufig durch die ganze Zelle - Hauptort der Membranneubildung - raues ER ist mit Ribosomen bedeckt Golgi-Apparat: modifiziert ER-Proteine und Lipide Viele der membranumschlossenen Organellen werden durch das Cytoskelett, besonders den Mikrotubili, an ihrem Platz gehalten. Die Filamente des Cytoskeletts stellen eine Art Schienensystem dar, an dem sich die Organellen entlang bewegen können und das den vesikulären Transport zwischen ihnen lenkt Membranumschlossene Organellen sind auf verschiedenen Evolutionswegen entstanden Bakterien haben ein hohes Oberflächen- Volumen-Verhältnis: Die Plasmamembranfläche reicht aus, um alle membranabhängigen Funktionen auszuführen. Das Volumen einer Eukaryotischen Zelle ist bis mal grösser als das Volumen eines Bakteriums. Eine Eukaryotische Zelle hat ein zu kleines Oberflächen-Volumen-Verhältnis ohne Bildung von Organellen wäre eine Grössenzunahme wahrscheinlich nicht möglich. Die Kernmembranen und die Membranen des ER, des Golgi-Apparats, der Endosomen und der Lysosomen sind wahrscheinlich durch Einstülpungen der Plasmamembran entsanden. Mitochondrien und Chloroplasten haben sich wahrscheinlich aus Bakterien entwickelt, die von frühen Eukaryoten aufgenommen wurden. Mitochondrien und Chloroplasten besitzen ein eigenes Genom und eine eigene Protein-synthese, ein Teil der Gene wurde aber in den Zellkern ausgelagert Signalsequenzen lenken Proteine zum richtigen Kompartiment Das typische Sortiersignal eines Proteins ist ein kontinuirliche Abfolge von Aminosäuren, die typischerweise 15 bis 60 Aminosäuren umfasst. Die Signalsequenz wird häufig vom Protein entfernt, nachdem der Sortiervorgang ausgeführt wurde. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 63 von 105

64 Proteine dringen durch Kernporten in den Zellkern ein Die Kernhülle ist von Kernporen durchbrochen. Die Kernporen stehen mit dem Euchromatin in Verbindugn. Der Kernkäfig der Pore der Kernpore fungiert als Filter. Durch die Poren können Moleküle in den Zellkern ein- und austreten. Kleine wasserlösliche Moleküle können ungehindert hindurchtreten. Grössere Moleküle können die Kernpore nicht ohne entsprechendes Signal durchqueren. Kernimportrezeptoren binden an das Kernlokalisationssignal eines Proteins und treten in Wechselwirkung mit den Fibrillen der Kernporen. Anschliessend wird das Protein unter Energieaufwand aktiv in den Kern transportiert (Die Energie stammt aus der Hydrolyse von GTP). Die Kernimportrezeptoren kehren dann zur weiteren Verwendung ins Cytosol zurück. Die Proteine werden in ihrer endgültigen Faltung durch die Kernporen befördert Proteine gelangen im ungefalteten Zustand in Mitochondrien und Chloroplasten Die meisten Proteine für die Mitochondrien werden im Zellkern codiert und im Cytosol produziert. Diese Proteine tragen gewöhnlich eine Signalsequenz am Aminoende, damit sie in die Mitochondrien geschleust werden. Rezeptoren in der äusseren Mitochondrienmembran erkennen die Signalsequenz. Der Komplex aus Rezeptor und angeheftetem Protein diffundert lateral in der Membran bis zu einer Kontaktstelle, an der das Protein durch die innere und äussere Membran mithilfe eines Proteintranslokators transportiert wird. Im Innern des Organells spaltet eine Signalpeptidase die Signalsequenz ab. Jedes Protein wird im aufgefalteten Zustand befördert. Chaperonproteine innerhalb der Organellen helfen dabei, das Protein durch beide Membranen zu ziehen und unterstützen die erneute Faltung im Innern. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 64 von 105

65 Bereits während ihrer Synthese gelangen Proteine ins Endeplasmatische Retikulum Proteine die für das ER bestimmt sind, wie auch Proteine für andere Organelle gelangen zuerst ins ER. Befinden sich die Proteine erst einmal im ER werden sie durch Vesikel von Organell zu Organelle transportiert. Es gibt sowohl Membrangebundene Ribosomen als auch freie Ribosomen. Nur der Ort der Proteinsynthese unterscheidet sich, die Struktur und die Funktion ist identisch. Am Ende der Proteinsynthese werden die membrangebundenen Ribosomen freigesetzt und gelangen wieder ins Cytoplasma. Membrangebundene Die Proteine, die ins ER gelangen werden bereits bei der Proteinsynthes durch die ER- Membran gefädelt, deshalb binden Membrangebundene Ribosomen an die ER- Membran. Wenn ein Ribosom gerade ein Protein mit ER-Signalsequenz bildet, lenkt die Signalsequenz das Ribosom zur ER- Membran. Wird ein mrna-molekül translatiert, heften sich viele Ribosomen daran und bilden ein Polyribosom oder Polysom Lösliche und zur Sekretion bestimmte Proteine werden ins ER-Lumen abgegeben SRP (signal recognition particle) bindet an die ER-Signalsequenz sobald sie das Ribosom verlässt und bewirkt die Verlangsamung der Proteinsynthese. Das Ribosom mit dem gebundenem SRP bindet an einen SRP-Rezeptor SRP wird freigesetzt und die Proteinsynthese wird wieder aufgenommen. Die wachsende Polypeptidkette wird durch einen Translokationskanal direkt ins ER- Lumen geführt. Die Signalsequenz dient nicht nur als Adresse sondern öffnet auch den Translokationskanal Während der Proteinsynthese bleibt die Signalsequenz mit dem Translokationskanal verbunden, anschliessend wird die Signalsequenz abgespalten und abgebaut. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 65 von 105

66 Start- und Stopp-Signale bestimmen die Anordnung eines Transmembranproteins in der Lipiddoppelschicht Transmembranproteine mit einer einzigen Kette durch die Doppelschicht: Gleich wie bei löslichen Proteinen, aber der Transfervorgang wird durch ein Stoppsignal unterbrochen. Das Stoppsignal wird vom Translokationskanal freigesetzt und schiebt sich seitwärts in die Lipiddoppelschicht, wo sie eine α-helix durch die Membran bildet. Gleichzeitig wird die Signalsequenz abgespalten. Ein Transmembranprotein ändert seine Ausrichtung nicht mehr. Mehrpfad-Transmembranproteine: Eine interne Transfer-Startsequenz initiiert die Translokation; diese schreitet so lange fort, bis eine Transfer-Stoppsequenz erreicht ist. Beide werden dann in die Doppelschicht geschoben und verbleiben dort als α-helices. Die interne Startsequenz wird ebenfalls von einem SRP erkannt. Werden mehr als zwei Helices eingebaut wiederholt sich der Vorgang für jedes Paar Transportvesikel befördern lösliche Proteine und Membransegmente zwischen den Kompartimenten Die Vesikelknospung wird durch Kräfte angetrieben, die bei der Zusammenlagerung der Proteinhülle entstehen Clathrinmoleküle lagern sich auf der cytosolischen Membranseite zu einem korbartigen Geflecht zusammen, diese Zusammenlagerung löst in der Membran die Bildung eines Vesikels aus. Dyamin lagert sich als Ring um den Hals des Vesikels und lässt mit anderen Proteinen den Hals zusammenziehen. Frachtrezeptoren binden an die Transportsignale, der zu transportierenden Moleküle. Adaptine fangen wiederum die Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 66 von 105

67 Frachtrezeptoren ein. Adaptine wählen die Frachtmoleküle aus und stellen die Clathrinbeschichtung sicher Die Spezifität des Andockens von Vesikeln ist von Proteinen abhängig, die SNAREs genannt werden Die t-snares auf der cytosolischen Seite der Zielmembran erkennen spezifisch die komplementären v- SNAREs auf den Vesikeln. Jedes Organell und jeder Transportvesikeltyp tragen wahrscheinlich ein einzigartiges SNARE. Die Wechselwirkungen zwischen den SNAREs stellen sicher, dass Transportvesikel nur mit ihrer richtigen Membran verschmelzen. Hat ein Vesikel die Zielmembran erkannt, muss es mit der Membran verschmelzen. Die Fusion entleert das Vesikel und fügt es der Membran hinzu. Bei der Fusion müssen sich die beiden Doppelschichten bis auf 1.5 nm nähern. Dazu muss Energie aufgewendet werden, um die letzte Schicht Wasser (stark gebunden) auf den Membranoberflächen zu verdrängen. Wahrscheinlich wird die Fusion durch einen Fusionskomplex aus Proteinen katalysiert, damit die Energieschranke überwunden werden kann Die meisten Proteine werden im ER kovalent modifiziert Die Disulfidbrücken durch paarweise Oxidation von Cysteinseitenketten werden im ER katalysiert. Die Disulfidbrücken stabilisieren die Proteine, welche ausserhalb der Zelle ph-änderungen und abbauenden Enzymen ausgesetzt sein könnten. Proteine werden im ER glykolysiert. Oligosaccharide werden en bloc angefügt. Glykolipide werden nach innen geflippt, damit sie später ausserhalb der Zelle liegen. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 67 von 105

68 Beim Verlassen des ER findet eine Qualitätskontrolle für Proteine statt Falsch gefaltete Proteine werden von Chaperonen so lange im ER zurückgehalten, bis sie richtig gefaltet sind. Können die Proteine nicht richtig gefaltet werden, werden sie markiert und den Proteasomen zur Vernichtung übergeben Im Golgi-Apparat werden Proteine weiter verändert und sortiert Jeder Golgi-Stapel hat zwei Seiten: eine cis-seite, die ans ER grenzt und eine trans-seite, die zur Plasmamembran zeigt. Lösliche Proteine und Membranfragmente werden auf der cis- Seite vom ER übernommen. Die Proteine durchlaufen die einzelnen Zysternen durch abschnüren von Vesikeln und wieder verschmelzen mit der nächsten Zysterne. Proteine verlassen den Golgi- Apparat auf der trans-seite. Sie werden je nach Bestimmungsort (Lysosomen, konstitutive Sekretion und regulierte Sekretion) auf entsprechende Vesikel verteilt. Die glykosylierten Proteine aus dem ER werden weiter verarbeitet. Enzyme fügen Zucker hinzu oder entfernen Zucker wenn das Protein den Golgi-Apparat verlässt Sekretorische Enzyme werden von der Zelle durch Exocytose nach aussen abgegeben Konstitutive (unregulierte) Exocytose: Liefert neu hergestellte Proteine und Lipide der Plasmamembran. Konstitutive ungeregelte Sekretion. Regulierte Exocytose: Sekrete werden in sekretorischen Vesikeln zur späteren Freisetzung aufbewahrt. Die Vesikel schnüren sich von trans-golgi-netz ab, sammeln sich in der Nähe der Plasmamembran und warten auf das extrazelluläre Signal. Das sie zur Verschmelzung mit der Plasmamembran veranlasst. Die Proteine für die konstitutive Sekretion können aufgrund von Oberflächenstrukturen im Golgi- Apparat aggregieren. Die aggregierten Proteine werden erkannt und in sekretorische Vesikel verpackt. Durch die Aggregatbildung können sekretorische Proteine in weit höheren Konzentrationen in Vesikel verpackt werden, als ohne Aggregatbildung. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 68 von 105

69 15.5 Die Endocytose Endocytose: Aufnahme von Stoffen in die Zelle Pinocytose: Aufnahme von flüssigen Stoffen und Moleküle Phagocytose: Aufnahme von grossen Partikeln Spezialisierte Phagozyten nehmen grosse Partikel auf Protozoen ernähren sich über Phagozytose. Bei den meisten Tieren sind die Phagozyten (Fresszellen) Teil des Imumsystems. Phagozyten haben Rezeptoren auf ihrer Oberfläche mit denen sie z.b. mit Antikörpern überzogene Bakterien erkennen. Binden diese Rezeptoren an ein Bakterium, beginnt der Phagozyt Scheinfüsschen auszubilden, mit denen das Baktrium vollständig umflossen wird ein Phagosom entsteht. Das Phagosom verschmilzt mit einem Lysosom und das Bakterium wird verdaut. Einige Bakterien haben Wege entwickelt, der Zerstörung durch Phagozyten zu entgehen Flüssigkeit und Makromoleküle werden durch Pinocytose aufgenommen Es wird immer so viel Membran zur Zelloberfläche durch Vesikelfusion hinzugefügt (Exocytose), wie durch Endocytose entfernt wird. Im Allgemeinen wird die Flüssigkeitsaufnahme durch Pinocytose durch den Flüssigkeitsverlust durch Exocytose ausgeglichen. Pinocytose wird hauptsächlich durch clathrinbeschichtete Vertiefungen und Vesikel. Sobald Sich diese clathrinbeschichteten Vesikel von der Plamamembran abgeschnürt haben, werfen sie schnell ihre Hülle ab und verschmelzen mit dem Endosom. Zusammenfassung Zellbiologie I Seite 69 von 105