Zellkern. Funktionen - Speicherung und Weitergabe der genet. Information - Steuerung der Umsetzung der genet. Information

Transkript

1 Zellaufbau

2 Zellkern Funktionen - Speicherung und Weitergabe der genet. Information - Steuerung der Umsetzung der genet. Information

3 DNA-Doppelhelix

4 DNA-Organisation

5 DNA-Synthese

6 DNA-Synthese

7 Mitotische Zellteilung

8 Transkription

9 Protein-Biosynthese

10 RNA-Splicen

11 Steuerung der Transkription

12 Translation - Start

13 Translation - Kettenverlängerung

14 Translation - Termination

15 Protein targeting Aminosäuresequenz enthält auch Information über Bestimmungsort des fertigen Proteins Wichtigste Bestimmungsorte Cytosol Zellkern Mitochondrien Zellmembran Lysosomen und Peroxysomen Extrazellulärraum

16 Freie und membrangebundene Ribosomen

17 Proteinimport in Mitochondrien

18 Translokation ins endoplasmatische Retikulum

19 Synthese von Proteinen für Membranen und Extrazellulärraum

20 Sekretion

21 Lysosomen

22 Cytoskelett Mikrofilamente: Aktin/Myosin: G-F Aktin, Myosin-Formen Aktin assoziierte Proteine Funktion: Kontraktion quergestreifter Muskel Kontraktion glatter Muskel Nicht-Muskel Aktin: Mikrovilli, Lamellipodia, Filopodia, Migration Zell-Zell und Zell-Matrix Kontake Microtubuli Tubulin/Motorproteine (Kinesin, Dynein) Tubulin assoziierte Proteine Funktion: Vesikel und Organellentransport, Axonaler Transport Spindelapparat Intermediärfilamente Zytokeratine Neurofilamente Vimentin, Desmin Lamine (Kern) Funktion: Mechanische Stabilität, Fixierung der Organellen und des Kerns in der Zelle Zell-Zell Kontakte (Desmosomen) und Zell-Matrixkontakte (Hemidesmosomen)

23 Dynamik der Mikrofilamente Keim Keim G-Aktin Keim Keimbildung F-Aktin Minus- Ende Gleichgewicht von Assoziation und Dissoziation Plus- Ende Das Wachstum der Filamente ist am Plus-Ende ca. 5 10x schneller als am Minus-Ende. Die Konzentration an monomerem Aktin im Fließgleichgewicht des Filaments nennt man auch kritische Konzentration (C c ) = Konzentration ab der eine spontane Polymerisation eintritt. Bei einer normalen Aktin-Konz. von 0.5 mm müsste eigentlich fast das gesamte Aktin polymerisiert sein, tatsächlich sind aber nur etwa 60% in Form von Filamenten vorhanden. In vivo wird die Polymerisation durch Kofaktoren reguliert: Thymosin b4 hemmt z.b. die Polymerisation, während Profilin sie fördert.

24 Mikrotubuli und deren Funktionen Mikrotubuli bestehen aus a-tubulin und b-tubulin-einheiten (je ca. 55 kd), die sehr stabile Heterodimere bilden. An a-tubulin ist irreversibel GTP gebunden, an b-tubulin reversibel GDP oder GTP Protofilament α-tubulin β-tubulin 8 nm 24 nm Lineare Aneinanderreihung der Dimere führt zur Ausbildung von Protofilamenten, die sich wieder zu Singulet-, Doublet- oder Triplet-Mikrotubuli anordnen können

25 Mikrotubuli-Motorproteine: Kinesine und Dyneine Kinesine sind Motorproteine, die über ATP-Hydrolyse in Richtung des Plus- Endes wandern (und transportieren). Dyneine sind Motorproteine, die zum Minus-Ende wandern. Sie können alleine aber keine Substanzen transportieren - dafür müssen sie einen Komplex mit anderen Mikrotubuli-bindenden Proteinen bilden.

26 Genereller Aufbau der Intermediärfilamente

27 Umwandlung von Nahrung in Energie

28 Glykolyse

29 Citratcyclus Isocitrat Malat α-ketoglutarat Fumarat Succinat Succinyl-CoA

30 Mitochondrien: Aufbau und Funktionen

31 Stoffwechselwege in den Mitochondrien

32 Zellmembran

33 Generell Zell-Membran Funktionen Kompartimentierung, Bildung von Reaktionsräumen Aufrechterhaltung von Gradienten Regelung des Substrat- und Informationsaustausches Konzentration verschiedener Protein- und Signalkomplexe Plasmamembran: Aufrechterhaltung eines konst. inneren Millieus, Ionengradienten Kommunikation mit der Zell-Außenwelt, (Rezeptoren, Ionenkanäle, etc.) Kommunikation mit Nachbarzellen (z.b. über gap-junctions oder Adhaesions- Kontakte) Verankerung über Zytoskelett und Matrix Aufrechterhaltung der Polarität spezieller Zellen (z.b. Epithelien) Ausbildung spezieller Zell-Zell Verbindungen (z.b. tight junctions etc.) Intrazelluläre Membranen: Ausbildung von Zellorganellen (Beispiele): Endoplasmatisches Retikulum: Kompartimentierung, Ca 2+ -Gradient Mitochondrien: Energiegewinnung, Endosomen, Lysosomen: Intrazelluläre Verkehrswege, Reaktionsräume

34 Eigenschaften von (artifiziellen) Phospholipidmembranen Durchlässigkeit für Gase (CO2, O2, NO, CO) Durchlässigkeit für Wasser (gering und wenn gesättigte Fettsäuren/Sphingomyelin in Membran zunehmend weniger), Notwendigkeit von Wasserporen Alle geladenen bzw. polaren Partikel nur durch Transportsysteme (Ionen, etc) Lipide: nicht durch Membran sondern über ABC Transporter

35 Phospholipide The parts of a phospholipid molecule. Phosphatidylcholine, represented schematically (A), in formula (B), as a space-filling model (C), and as a symbol (D). The kink due to the cis-double bond is exaggerated in these drawings for emphasis.

36 Eigenschaften von Fettsäuren in Membranphospholipiden: Menge und relative Zusammensetzung der ungesättigten Fettsäuren in den Phospholipiden ist abhängig von der Nahrungsaufnahme Aus mehrfach ungesättigten FS (PUFAs) wie AA (Arachidonic Acid) oder EPEA (Eicosapentaenoic Acid) entstehen wichtige Lipidmediatoren (Prostaglandine: PG2, PG3,) die durch Phospholipasen generiert werden Je mehr ungesättigte FS in der Membran, desto durchlässiger ist jene für Wasser (viel Sphingomyeline - undurchlässig)

37 Schematische Darstellung der asymmetrischen Verteilung der Phospholipide in der Zellmembran Sphingomyelin und Phosphatidylcholin (große, positiv geladene Kopfgruppen) sind an der exoplasmatischen Seite zu finden. Lipide mit neutralen oder negativen Kopfgruppen sind eher an der zytoplasmatischen Seite zu finden

38 Eigenschaften der PL - Kopfgruppen PS: Ca ++ Bindung Gerinnung (= Plättchenfaktor 3), Wichtig für PKC Aktivität (Protein Kinase C) PC: kann von PLA 2 (Phospholipase A 2 ) gespalten werden > freie Fettsäuren, AA (arachidonic acid = 4-fach ungesättigte C20-Fettsäure), EPEA (Eicosapentaenoic Acid Lipid Mediatoren, Prostaglandine) PE: wird zu PC umgewandelt; PLA 2 PI: GPI-Anker (Verankerung von Proteinen in Membranen) PLC Bildung von IP 3 und DAG > Signalübertragung: IP3 öffnet Calcium Kanäle, DAG aktiviert Protein Kinase C

39 Beweglichkeit der Phospholipide in der Membran Mögliche Bewegungen der Phospholipide Transfer von einer Membranseite zur anderen erfolgt enzymatisch (z.b. Scramblase) Einfluss von Doppelbindungen in den Fettsäureresten (ungesättigte Fettsäuren) auf die Beweglichkeit und Durchlässigkeit der Phospholipidmembran

40 Cholesterin Funktion des Cholesterins in der Membran: Niedrige Konzentrationen steigern die Fluidität der Membran. Sehr hohe Konzentrationen (Membrandomänen) vermindern die Membranfluidität.

41 Proteine der Zellmembran Proteine: Funktionelle Einteilung: Strukturproteine, Ionenpumpen, Ionenkanäle, Transportproteine Adhaesionsmoleküle Rezeptoren Proteine mit Enzymfunktion Glykoproteine Unterschiedliche Proteine sind bevorzugt in bestimmten Membrandomänen: Proteine mit einer GPI Verankerung (außen) in Lipid Rafts; Transmembranproteine außerhalb der Rafts

42 Glykokalix Kohlenhydrate: Glykolipide wie Ganglioside und Glykoproteine An die Membran assoziierte Proteine (periphere Membranproteine) können wesentliche Steuerungsfunktionen ausüben (Signaltransduktion, Adhaesion, Trafficking von Membranvesikeln)