Membranumgrenzte Organellen kommen in jedem Zelltyp in charakteristischer Kopienzahl, Größe und Positionierung vor.

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1 Membranumgrenzte Organellen kommen in jedem Zelltyp in charakteristischer Kopienzahl, Größe und Positionierung vor.

2 Mitochondrien in Muskelzellen und Spermien

3 Building the cell: Design principles of cellular architecture (Rafelski and Marshall 2008, Nat Rev Mol Cell Biol 9: ) Zellen sind komplexe, sich selbst organisierende Strukturen Wie messen Zellen Länge und Größe? Wie bestimmen Zellen die Anzahl ihrer Organellen? Wie legen Zellen die räumliche Ausrichtung und Polarität fest? Wie bestimmen Zellen die Formen ihrer Membranen? Wie können Zellen gebildete Strukturen vererben?

4 Wie messen Zellen Länge und Größe? Die Größe von Zellorganellen muss an die physiologischen Bedürfnisse der Zelle angepasst werden Mechanismen sind in den meisten Fällen unbekannt a, Molekularer Maßstab (Beispiel: Gen H-Produkt bestimmt Länge des Schwanzes des λ- Phagen) b, Begrenzung der Organellengröße durch die Menge der verfügbaren Bausteine (Beispiel: Enzyme der Lipid-Biosynthese limitieren Größe des ER) Rafelski and Marshall, 2008

5 Dynamische Gleichgewichte Konstanter turn-over für fast alle zellulären Strukturen Gleichgewicht aus Assemblierung und Disassemblierung notwendig a, Gegenläufige Wirkung von Assemblierung und Disassemblierung kann die Größe zellulärer Strukturen festlegen (Beispiele: Mikrotubuli in Flagellen; Golgi-Membranen) Rafelski and Marshall, 2008

6 Kontrolle der Organellenzahl Eine Zelle hat einen Zellkern, zwei Centriolen, ein ER, mehrere Mitochondrien, viele Endosomen Festlegung der Anzahl notwendig b, Abweichende Organellenzahl kann Synthese neuer Organellen stimulieren oder reprimieren (Zellen können zählen ; Beispiel: Centriolen) Synthese von Signalmolekülen von Zellorganellen und feedbackloops? Aktiver Abbau von Zellorganellen durch Autophagie? Rafelski and Marshall, 2008

7 Räumliche Organisation und Polarität Praktisch alle Zellen sind asymmetrisch bzw. polar Fluctuating asymmetry durch kleine, zufallsbedingte Konzentrationsänderungen von Signalmolekülen mit positiven feedbackloops Beispiel: Knospungsstelle in Hefe (Cdc42) Asymmetrie verstärkt durch Cytoskelett Rafelski and Marshall, 2008

8 Organellen können ganz unterschiedliche Formen haben (z.b. Mitochondrien vs. Golgi) Membrane curvature: beeinflusst durch Verhältnis der Oberfläche zum Volumen, Lipidzusammensetzung, Membranproteine Interaktionen mit dem Cytoskelett Festlegung von Formen Rafelski and Marshall, 2008

9 Festlegung von Formen Rafelski and Marshall, 2008

10 Rafelski and Marshall, 2008

11 Membranumgrenzte Organellen können nicht de novo entstehen. Während des Zellzyklus müssen sie ihre Größe verdoppeln, sich teilen und zu ihrer Position in der Tochterzelle transportiert werden.

12 Stochastische Vererbung Warren and Wickner 1996, Cell 84: Erfordert multiple Kopien des Organells Organellen zufällig verteilt im Cytoplasma der sich teilenden Zelle Vorteil: keine Maschinerie notwendig, die Zellzyklus mit Organellentransport koppelt Variante: Organellen fragmentieren während des Zellzyklus Beispiele: Mitochondrien (in einigen Zelltypen), ER, Golgi (fragmentieren)

13 Geordnete Vererbung Warren and Wickner 1996, Cell 84: Organellen werden gerichtet in die Tochterzelle transportiert Vorteil: funktioniert auch bei asymmetrischer Teilung, sehr akkurater Mechanismus Beispiele: Mitochondrien (z.b. in Hefe), Vakuolen, Plasmamembran Die beiden Mechanismen schließen sich nicht gegenseitig aus

14 Prozesse für die Biogenese von Zellorganellen Biosynthese und Transport von Membranlipiden Biosynthese und Transport von Membranproteinen Biosynthese und Transport von löslichen Proteinen Replikation und Verteilung von DNA (bei Mitochondrien und Chloroplasten) Teilung der Organellen Transport der Organellen in die Tochterzelle

15 Biogenese von Zellmembranen Eigenschaften von zellulären Membranen Stoffwechsel und Transport von Lipiden Eigenschaften von Membranproteinen Experimentelle Strategien

16 Die Hauptfunktionen zellulärer Membranen Membranen grenzen Zellkompartimente ab Membranen bilden Permeabilitätsbarrieren Membranen regulieren den Stoffaustausch Membranen sind Träger spezifischer Funktionen Membranen erkennen elektrische und chemische Signale und leiten sie weiter

17 Nur geschlossene Membranstrukturen sind energetisch stabil

18 Computer-generiertes Modell einer hydratisierten Phosphatidylcholin- Doppelschicht Wasser: rot Köpfe:blau Schwänze: gelb

19 Einbettung von Cholesterin zwischen Phospholipide

20 Unterschiedliche Membranen haben unterschiedliche Lipid-Zusammensetzungen

21 Die Lipid-Zusammensetzung beeinflusst die Dicke der Membranen PC, Phosphatidylcholin; SM, Sphingomyelin

22 Die Lipid-Zusammensetzung beeinflusst die Biegung der Membranen PC, Phosphatidylcholin; PE, Phosphatidylethanolamin

23 Lipid-Flöße 'Lipid Rafts' Die Plasmamembran enthält Lipidflöße, in denen Sphingolipide, Cholesterin und einige Membranproteine angereichert vorliegen.

24 Stoffwechsel und Transport von Lipiden Lodish et al., Molecular Cell Biology 5th edition Chapter 18

25 Überblick über Synthesewege von Membranlipiden 1. Cytosolische Enzyme: Vorstufen 2. Membranenzyme: Lipide (cytosolische Seite der ER- Membran) 3. Weitertransport durch Vesikel 4. Aufnahme von Lipiden von außen 5. Sekretion und 6. Aufnahme von Lipoproteinen 7. oder Lipiden 8. Steuerung im Kern

26 Prinzipien des intrazellulären Lipidtransports I Die Biosynthese von Membranlipiden ist für das Wachstum und die Vermehrung von Zellen von fundamentaler Bedeutung Neue Membranen können ausschließlich durch Wachstum bestehender Membranen gebildet werden

27 Prinzipien des intrazellulären Lipidtransports II Synthese von löslichen Vorstufen im Cytosol Synthese von Membranlipiden durch membrangebundene Enzyme im äußeren Leaflet der ER-Membran (und z.t. in Mitochondrien) Verteilung in der Zelle durch Transportvesikel Aufnahme von Lipiden oder Lipoproteinen von außen durch Transportproteine oder Rezeptorvermittelte Endozytose

28 Fettsäuren (FS) FS sind Bestandteile von Phospholipiden und Sphingolipiden Gesättigte FS entstehen aus Acetyl-CoA Enzyme Acetyl-CoA Carboxylase und Fettsäure Synthase im Cytosol (Tiere) oder Chloroplasten 14 oder 16 C Elongation von Palmitoyl CoA (16 C) im ER oder Mitochondrien C Desaturasen im ER Doppelbindungen (ungesättigte FS) Ungesättigte FS bestimmen die Membranfluidität

29 Transport von Fettsäuren Freie FS werden im Cytosol von FSbindenden Proteinen (FABP) transportiert

30 Einbau von Fettsäuren in Membranlipide Umwandlung in CoA Ester Veresterung der FS mit Glycerol-Phosphat (bzw. Sphingosin) in der ER-Membran (cytosolisches Leaflet im glatten ER) Mitochondrien synthetisieren einige Membranlipide selbst; Chloroplasten synthetisieren alle eigenen Lipide selbst Plasmalogene (FS am C1 des Glycerins über Ether-Bindung verknüpft) in Peroxisomen synthetisiert

31 Transport von Lipiden zwischen den Leaflets der Membran Membranen sind asymmetrisch aufgebaut Spontaner Wechsel von Phospholipiden zwischen den Leaflets ist selten "Flippasen" (z.b. ABC Transporter) transportieren Lipide auf die andere Seite der Membran

32 Nachweis der "Flippase"-Aktivität

33 Einbau von Fettsäuren in Membranlipide

34 Cholesterin Wichtiges Membranlipid der Plasmamembran und davon abgeleiteter endocytischer Membranen Ungefähr äquimolar mit Phospholipiden in der Plasmamembran Pilze: Ergosterol; Pflanzen: Stigmasterol

35 Cholesterin Synthese aus Acetyl CoA im Cytosol Geschwindigkeitsbestimmendes Enzym (HMG-CoA-Reduktase) ist mit dem ER assoziiert HMG-CoA-Reduktase hat zum Cytosol exponierte katalytische Domäne und regulatorische Domäne in der ER- Membran (Sterol-Sensor)

36 Cholesterin-Biosynthese ER-assoziiert (Sterol-Sensor) lösliche Produkte Cytosol ER

37 Synthese von Lipiden in den Organellen tierischer Zellen Lipidklasse Organell Fettsäuren Gesättigte FS bis 16 C: Cytosol Elongation: ER und Mitochondrien Desaturation: ER Phospholipide ER (vorwiegend) und Mitochondrien Plasmalogene Peroxisomen Sphingolipide Cholesterin ER und Golgi Cytosol und ER

38 Intrazellulärer Transport von Lipiden Transport von Sphingolipiden durch Vesikel aus dem Golgi Transport von Phospholipiden und Cholesterin: Austausch zwischen den Membranen Beispiel: Phosphatidylserin, ER Phosphatidylethanolamin, mitochondriale Innenmembran Phosphatidylcholin, ER Weitertransport in andere Organellen

39 3 (hypothetische) Mechanismen des Golgiunabhägigen Lipidtransports 1. Membran-Vesikel oder andere Protein/Lipid-Komplexe 2. Kontakt zwischen den Membranen und Lipidaustausch-Proteine 3. Kleine Lipid-Transfer-Proteine

40 Intramitochondrial transport of phosphatidic acid by a novel lipid transfer protein Melanie Connerth, Takashi Tatsuta, Mathias Haag, Till Klecker, Benedikt Westermann and Thomas Langer (2013) Science 338:

41 Intramitochondrial transport of phosphatidic acid by a novel lipid transfer protein

42 Table 12-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

43 Zusammenfassung: Lipide der Zellorganellen Membranen entstehen niemals de novo Die Lipidzusammensetzung bestimmt die physikalischen Eigenschaften der Membranen 'Lipid rafts' sind Substrukturen in der Membran Lösliche Vorstufen der Lipide werden im Cytosol synthetisiert Verschiedene Organellen tragen zur Lipidsynthese bei: (glattes) ER, Golgi, Mitochondrien, Peroxisomen, Chloroplasten Flippasen erleichtern den Wechsel zwischen den Leaflets Intrazellulärer Transport durch Vesikel (Golgiabhängig) oder Austauschprozesse zwischen den Membranen (Golgi-unabhängig)