Fragenkatalog PS Zellbiologie

Fragenkatalog PS Zellbiologie
1) Membranproteine:
a) Auf welche Weise können sie mit der Lipid-Doppelschicht assoziiert sein?
b) Beschreiben Sie Struktur und Funktion von Membranproteinen an Hand
von Erythrozytenproteinen.( Membrane Structure, S.695)
*Erkennung der Transmembranproteine
a) Die Transmembranproteine haben hydrophobe und hydrophile Regionen und sind
wie die benachbarten Lipide amphipathisch. Die hydrophoben Proteinanteile
durchqueren die Membran und wechselwirken mit den hydrophoben Schwänzen der
Lipidmoleküle im Inneren der Doppelschicht, wo sie vom Wasser abgeschirmt sind. Die
hydrophilen Proteinanteile sind auf beiden Seiten der Membran dem Wasser exponiert.
Durch eine kovalent gebundene Fettsäurekette, die in das cytosolische Monolayer der
Lipid-Doppelschicht inseriert ist, wird die Hydrophobizität einiger dieser
Transmembranproteine erhöht (Beispiel 1)
Andere vollständig im Cytosol lokalisierte Membranproteine sind nur mit dem
cytosolischen Monolayer assoziiert. Dies geschieht entweder über eine
amphipathische α-Helix, die an der Oberfläche exponiert ist (Beispiel 4) oder mehrere
kovalent gebundene Lipidketten. Dabei kann es sich um Fettsäureketten oder
Prenlygruppen handeln (Beispiel 5)
Einige Membranproteine haben überhaupt keinen Kontakt mit dem hydrophoben
Innern der Lipid-Doppelschicht, sondern sind durch hydrophobe Wechselwirkungen mit
anderen Membranproteinen an die Membran gebunden (Beispiel 7)
Die meisten Membran proteine bauen sich mit mehreren α-Helices (Beispiel 2) oder
mittels β-Faltblättern in die Membran ein (Beispiel 3)
Andere sind mit Oligosacchariden über Phosphatidylinositol auf der nichtcytoplasmatischen Seite der Membran (Beispiel 6)
b) Spectrin: ist ein Cytoskelettprotein, das nicht kovalent an die cytosolische Seite der
Erythrocytenmembran gebunden ist. Ist ein lang gestrecktes, dünnes und flexibles
Stäbchen von etwa 100 nm Länge, das mit ca. 2,5 × 105 Kopien je Zelle etwa 25 %
der membranassoziierten Proteinmenge ausmacht. Es ist die wichtigste Komponente
des Proteinnetzwerkes (des Cytoskeletts), das die Erythrocytenmembran stützt und die
strukturelle Integrität und bikonkave Form dieser Membran aufrecht erhält. Jedes
Spectrindimer besteht aus zwei antiparallelen, leicht miteinander verwundenen,
beweglichen, mit α und β bezeichneten Polypeptidketten.
Glykophorin: erstreckt sich als einzelne α-Helix durch die Lipid-Doppelschicht der roten
Blutkörperchen. Glykophorin ist kleines Einpfad-Transmembranprotein (mit 131
Aminosäuren), dessen Hauptteil einschließlich des hydrophilen N-Terminalen Endes auf
der äußeren Oberfläche der Membran lokalisiert ist. Dieser Teil des Proteins trägt alle
Kohlenhydrate, die etwa 60% der Masse des Glykoproteins ausmachen. Der
hydrophile, C-terminale Schwanz des Glykophorins ist zum Cytosol gerichtet, während
ein 23 Aminosäuren langes α-helicales Segment die Lipid-Doppelschicht durchspannt.
Bande-3-Protein: Das Bande-3-Protein der roten Blutkörperchen ist ein MehrpfadMembranprotein, das den gekoppelten Transport von Anionen katalysiert. Das Bande
3-Protein arbeitet als Anionentransporter, der HCO3- im Austausch mit Cl- erlaubt, die
Membran zu überqueren.
2) Programmierter Zelltod : (Apoptosis, s.1118?)
a) Welche Proteasen sind beteiligt und wie werden sie reguliert?
b) Funktionsweise von survival factors.
Apoptose ist ein molekulares Selbstmordprogramm auf zellulärer Ebene, man kennt 2
Wege der Aktivierung.
Die intrazelluläre Maschinerie beruhrt auf einer Familie von Proteasen, die ein Cystein
im aktiven Zentrum haben und ihre Zielproteine an spezifischen Aspartlyresten
schneiden. Deswegen heißen sie Caspasen (zusammengesetzt aus Cystein und
Aspartat). Caspasen werden in der Zelle als inaktive Vorläufer, als Procaspasen,
synthetisiert. Diese werden normalerweise durch Spaltung an Aspartlyresten durch
andere Caspasen aktiviert. Einmal aktiviert, spalten und aktivieren die Caspasen
andere Procaspasen andere Procaspasen. Dadurch entsteht eine sich selbst
verstärkende proteolytische Kaskade. Manche Caspasen spalten die Kernlamine und
verursachen so den irreversiblen Abbau der Kernlamina. Eine andere spaltet ein
Protein, das normalerweise ein DANN-abbauendes Enzym in einer inaktiven Form hält,
sodass die DNAase freigesetzt wird und die DANN des Zellkerns zerschneiden kann.
Auf diese Weise zerlegt sich die Zelle rasch und sauber selbst. Die Überreste werden
schnell von anderen Zellen aufgenommen und verdaut.
Extrinsicher Pathway (Aktivierung der Apoptose von außerhalb der Zelle)
Ein mit Fas-Ligand bestückter Killer-Lymphocyt bindet und aktiviert Fas-Proteine auf
der Oberfläche der Zielzelle. Die Fas Proteine aggregieren und binden darufhin mit
ihren intrazellulären Domänen Adapterproteine. Diese verursachen wiederum die
Aggregation von Procaspase-8-Molekülen, die sich dann gegenseitig spalten und so die
Caspase-Kaskade einleiten
Intrinsischer pathway (Aktivierung der Apoptose aus dem Zellinneren Intr. Weg)
Mitochondrien setzen Cytochrom c frei, das an das Adapterprotein Apaf-1 bindet und
es aggregiert. Apaf-1 bindet und aggregiert Procaspase-9-Moleküle, wodurch sich diese
gegenseitig spalten und die Caspase-Kaskade anstoßen. Auch andere Proteine, die zur
Apoptose beitragen, werden aus dem mitochondrialen Intermembranraum freigesetzt.
Regulation
Intrazelluläre Proteine der Bcl-2-Familie wirken bei der Regulation der Aktivierung von
Procaspasen mit. Einige Mitglieder dieser Familie, wie Bcl-2 selbst oder Bcl-XL hemmen
die Apoptose, zumindest teilweise durch die Hemmung der Cytochrom c-Freisetzung
aus den Mitochondrien.
Einige Apoptosepromotoren, wie Bad binden und inaktivieren die den Zelltod
hemmenden Mitglieder ihrer Familie.
Bax und Bak fördern die Freisetzung von Cytochrom c aus den Mitochondrien
IAP (Inhibitor of apoptosis)-Familie hemmen die Apoptose auf zwei Arten:
Sie binden an Procaspasen und verhindern deren Aktivierung und sie binden an
Caspasen und verhindern deren Aktivität.
BH3-only (anti): Bad, Bim, Bid, Puma, Noxa: inhibieren antiapoptotische Bcl2-Proteine
Extrazelluläre survival factors (Überlebensfaktoren) –Kommunikation zB. Nervenzellen
binden an Rezeptoren der Zelloberfläche. Das führt zur Aktivierung von Signalwegen,
die das Todesprogramm unterdrücken, oft über Mitglieder der Bcl-2 Familie.
Drei Möglichkeiten, wie Überlebensfaktoren die Apoptose unterdrücken können
zB. C) In Drosophila unterdrücken manche Überlebensfaktoren die Apoptose, indem sie
die Phosphorylierung des Hid-Proteins auslösen. Unphosphoryliertes Hid fördert die
Apoptose, indem es IAP hemmt. Wird es phosphoryliert, kann es die IAPs nicht mehr
hemmen. Die Überlebensfaktoren werden dann aktiv und unterdrücken den Zelltod.
3) Nennen Sie 3 Arten von ATP-betriebenen Ionenpumpen und beschreiben
Sie deren Eigenschaften (Membrantransport, s.651)
Membrantransport:
Es gibt zwei Klassen von Membrantransport Proteine, die
Transporter und die Kanäle. Kanäle können nur in Richtung des elektrochemischen
Gradienten arbeiten (passiver Transport). Transporter können unter Energieverbrauch
auch gegen ein Konzentrationsgefälle arbeiten (aktiver Transport)
Ionophore sind kleine hydrophobe Moleküle, die sich in der Lipid-Doppelschicht lösen
und deren Durchlässigkeit (Permeabilität) für bestimmte Ionen erhöhen. Es gibt zwei
Klassen von Ionophoren bewegliche Ionen-Carrier und Kanalbildner.Beide wirken
dadurch, dass sie die Ladung des transportierenden Ions abschirmen, sodass es das
hydrophobe Innere der Lipid-Doppelschicht durchdringen kann. Valinomycin ist ein
Beispiel für einen beweglichen Ionen-Carrier. Dieses ringförmige Polymer transportiert
K+ bergab seines elektrochemischen Gradienten, indem es K+-Ionen auf einer Seite
der Membran aufnimmt, durch die Lipid-Doppelschicht diffundiert und die K+ Ionen
dann auf der anderen Seite der Membran freigesetzt. Gramicidin A ist ein Beispiel für
einen Kanalbildner. Es bildet ein Dimer aus zwei linearen Peptiden, die umeinander
gewunden sind und so eine Doppelhelix formen.
Aktiver Transport: 3 Wege
→ Gekoppelter Transport: koppelt einen Transport gegen Konzentrationsgradient mit
einem Transport mit dem Konzentrationsgefälle (Symport-Antiport)
→ ATP-getriebenen Pumpe: koppelt aktiven Transpoet mit Hydrolyse von ATP
→ Licht- getriebene Pumpen: koppelt aktiven Transport mit Energie, die durch Licht
erhalten wird (Figure 11-7
Gekoppelte Transporter sind für die Regulierung des Cytosol-pH Wertes notwendig:
Na+-H+ Austauscher
-Koppelt Na+ Import mit H+ Export
-Sinkt pH im Cytosol wird ihre Aktivität gesteigert
Na+-getriebener Cl- -HCO3- Austauscher
-Koppelt NaHCO3 Import mit HCl Export
-2 mal so effektiv
-1 H+ wird hinausgeschleust und 1 H+ wird durch HCO3 neutralisiert
-Sinkt pH im Cytosol wird ihre Aktivität gesteigert
Na+- unabhängige Cl- -HCO3- Exchanger
-Wird pH alkalisch steigt ihre Aktivität
-HCO3- wird nach seinem elektrochemischen Gradienten nach außen transportiert
3 Klassen von ATP-getriebenen Pumpen:
-P-Typ Pumpe: wird selbst phosphoryliert, sind oft Ionenpumpen (Bsp. Na+-K+ Pumpe)
Ca2+-ATPase-Pumpe
1) hält eine niedrige Ca2+-Konzentration im Cytosol aufrecht
2) an ER-Membran oder Außenmembran lokalisiert (topologisch identisch)
3) an mitochondrialer Membran: Ca 2+-Aufnahme erforderlich, weil Ca 2+ Cofaktor für
Enzyme des Citratcyclus sind
4) im Cytosol hat eine hohe Ca 2+-Konzentration Signalwirkung (small molecular
mediators)
Na + /K + -ATPase
1) hält das Ruhepotential aufrecht
2) In Neuronen für 2/3 des Energiebedarfs verantwortlich
3) Es ist ein Antiporter: 3 Na + nach außen, 2 K+ hinein → als Folge hat Wasser
Tendenz
nach außen zu strömen (osmotischer Druck in der Zelle hoch)
4) Regulation durch G s (up) und G i (down)
ATP-Synthase
1) hochkonserviert
2) etabliert proton motive force (PMF) in Prokaryonten, sauren pH-Wert in Lysosomen
3) Protonenpumpe (ATP-Verbrauch) oder Synthase (ATP-Generator)
4) Rotor-Stator-Prinzip: Rotor übt über H+-Bindung Kraft auf den Stator aus; pro ATP
werden 4H+ verbraucht
-F(V)-Typ Pumpe: sind ATP Synthasen; durch Einfluss von Protonen
-ABC Transporter: pumpen hauptsächlich kleine Moleküle durch die Membran
ABC Transporter hat 2 ATPase Domänen (Bindungsstelle für ATP). Diese dimerisieren
bei ATP-Bindung und bewirken Konformationsänderungen im Protein, was den
Transport bewerksteiligt.
Bakterielle ABC-Transporter: Import, Export
Eukaryotische ABC-Transporter: Export
4) Signalmoleküle, die an Kernrezeptoren binden: Steroidhormone,
Schilddrüsenhormone,
Vitamin D, Retinoide (Signaling I, s.978)
Wenn diese Signalmoleküle an ihre Rezeptorproteine binden, aktivieren sie die
Rezeptoren. Diese binden an DNA und kontrollieren die Transkription von spezifischen
Genen. Die Rezeptoren gehören zu Kernrezeptorensuperfamilie.
Cortisol wird in der Nebennierenrinde gebildet und beeinflusst den Stoffwechsel vieler
Arten von Zellen
Die Schilddrüsenhormone entstehen aus der Aminosäure Tyrosin. Sie erhöhen die
Stoffwechslerate in einer Vielzahl von Zellarten.
Die Retinoide sind Derivate von Vitamin A. Sie sind wichtig als örtliche Botenstoffe bei
der Entwicklung der Vertebraten.
Vitamin D wird unter Einwirkung von Sonnenlicht in der Haut erzeugt. Nach
Umwandlung in seine aktive Form in Leber oder Nieren kontrolliert es den Ca2+Stoffwechsel.
Die transkriptionelle Antwort geschieht meist in mehreren Schritten:
Der gebundene Ligand führt zur Transkription einer kleinen Anzahl von Genen
innerhalb von 30 Minuten (primary response). Diese Proteine führen dann ihrerseits zu
einer verzwögerten Aktivierung oder Deaktivierung anderer Gene (secondary
response)
5) Zelloberflächenrezeptoren (Signaling I, s.980)
a) Ionen Kanal gekoppelte Rezeptoren sind an einer schnellen synaptischen
Signalweitergabe
zwischen
elektrisch
erregbaren
Zellen
beteiligt.
Diese
Signalisierungsweise wird von einer kleinen Anzahl von Neurotransmittern vermittelt,
die kurzzeitig einen Ionenkanal öffnen oder schließen, der von dem Protein gebildet
wird, an das sie binden. Dadurch wird vorübergehend die Ionenpermeabilität der
Plasmamembran und die Erregbarkeit der postsynaptischen Zelle geändert. Die
Ionenkanal gekoppelten Rezeptoren gehören zu einer großen Familie homologer
Mehrpfad- (multi-pass) Transmembranproteine.
b) G-Protein gekoppelte Rezeptoren reagieren indirekt und kontrollieren die Aktivität
eines separaten, in die Plasmamembran eingebundenen Zielproteins. Dieses kann ein
Enzym oder ein Ionenkanal sein.
c) Enzym-gekoppelte Rezeptoren wirken, wenn sie aktiviert sind, direkt als Enzyme
oder aktivieren Enzyme, mit denen sie direkt assoziiert sind. Sie werden von Einpfad(Single-Pass) Transmembranproteinen gebildet, die ihre Liganden Bindungsdomäne
außerhalb der Zelle und ihre katalytische oder Enzymbindungsdomäne innerhalb der
Zelle haben.
6)
G-Protein-gekoppelte
Rezeptoren
(GPCR)+
small
mediator
molecules( Signaling I, s.993)
 GPCRs vermitteln Reaktionen auf verschieden Signalmolekule aus der Umwelt oder
anderen Zellen, wie Hormone, Neurotransmitter und lokale Mediatoren
•
Sie können Plasmamembran-gebundene Enzyme oder Ionenkanale indirekt über
G-Protein aktivieren/inaktivieren
•
Sie sind beim Sehen, Riechen und Schmecken essentiell
•
Dasselbe Signalmoelekul kann u.a. viele verschiedene GPCRs aktivieren
•
GPCRs haben ähnliche Struktur: bestehen aus einer Polypeptidkette, die sieben
Mal die Membran traversiert ; sie nutzen alle G-Proteine um das Signal ins Zellinnere
weiterzuleiten, sie haben eine grössere extrazell. Domäne für die Bindung des
Signalmoelekuls, und nach Bindung des Liganden folgt eine Konformationsänderung
des G-Proteins , das auf der Cytosol. Seite an der Plasmamembran hängt
•
G-Proteine sind aus 3 Untereinheiten –α, β, γ aufgebaut
•
Im nicht angeregten Zustand ist GDP an α gebunden und das G-Protein ist
inaktiv
•
Wenn GCPR aktiviert ist, bindet GTP statt GDP Konformationsänderung des GProteins findet statt und es wird aktiv
•
Eines der wichtigsten targets von G-Proteinen ist die Regulation des cAMP
Gehaltes in der Zelle
•
cAMP ist ein second messenger (oder small intracell. Mediator), der schnellem
Auf- und Abbau unterliegt: Adenylatcyclase synthetisiert standig cAMP, während
Phosphodiesterasen es ständig hydrolysieren
•
die Signale, die die Aktiviat der Adenylatcyclase erhöhen, erhöhen den cAMP
Gehalt, durch stimulierende G-Proteine (Gs), Gi (inhibierendens G-Protein) arbeitet
inhibitorisch
•
cAMP vermittelt seine Wirkung über die Aktivierung der cAMP-dependentProtein-Kinase PKA
•
das zweite wichtige Ziel von G-Proteinen ist die Aktivierung der Phospholipase C
führt zur Erhöhung der cytosolischen Ca2+-Konzentration, Ca2+ ist als zellinterner
Mediator fast wichtiger als cAMP
•
neben Änderungen im Gehalt von cAMP und Ca 2+ können G-Proteine auch das
Cytoskelett verändern. GTPasen der Rho-Familie, und Ionenkanale direkt regeln
Kleine G-Proteine (auch kleine GTP-asen) sind monomere GTP-bindende Proteine mit
einer Molekülmasse von 20-40 kDa. Derzeit sind über 100 verschiedene kleine GProteine bekannt, die auf Grund phylogenetischer Gemeinsamkeiten und Unterschiede
in 5 Familien unterteilt werden: Ras, Rho, Rab, Sar1/Arf und Ran. Sie sind im Zellzyklus
an der Regulation zahlreicher Zellfunktionen beteiligt, z.B. der Regulation der
Genexpression (Ras und Rho), der Regulation des Zytoskeletts (Rho), der Regulation
des Vesikeltransports (Rab und Sar1/Arf) sowie der Regulation des Transports zwischen
Cytoplasma und Zellkern (Ran). Die kleinen GTPasen gehen von einer inaktiven, GDPgebundenen Form im Cytosol in eine aktive, GTP-gebundene Form an der
Plasmamembran über.
7) Mit Hilfe welcher Signalwege kann die Proteinkinase C aktiviert werden?
(Signaling I, s.1001)
Inositol-phospholipid Signalweg
Zwei intrazelluläre Botenstoffe entstehen aus der Hydrolyse von PI(4,5)P 2: Inositol
1,4,5-trisphosphat (IP3) und Diacyl-glycerin.
Zwei intrazelluläre Botenstoffe (Messenger) entstehen, wenn PI (4,5) P 2 durch die
aktivierte Phospholipase C-β hydrolysiert wird. Inositol 1,4,5,-triphosphat (IP3)
diffundiert durch das Cytosol und setzt aus dem Endoplasmatischen Reticulum Ca 2+
frei, indem es an die IP 3 gesteuerten Ca2+ Freisetzungskanäle in der Membran des
Endoplasmatischen Reticulums bindet und diese öffnet. Der hohe elektrochemische
Gradient für Ca2+ durch diese Membran lässt Ca 2+ in das Cytosol austreten.
Diacylglycerin verbleibt in der Plasmamembran und hilft, zusammen mit Phosphatidylserin und Ca2+, das Enzym Proteinkinase C zu aktivieren.
8) Erklären Sie den Aufbau (schematisch) von sensorischen Epithelien
anhand dreier Beispiele (Riechsinneszellen, Haarzellen des Ohres,
Photorezeptoren der Retina). Beschreiben Sie Gemeinsamkeiten und
Unterschiede bezüglich der Transduktion des Signals. (Signaling I, s.1008)
Es sind Spezialisierungen des Ektoderms, neuron-like tranducer cells konvertieren
physikalische und chemische Reize in elektrische Potentiale, die ans Gehirn
weitergeleitet werden. Unterschiede bestehen unter anderem in der Arbeitsweise der
Rezeptoren.
Geruhssinn (Olfaktorisches Epithel)
olfactory sensory neurons → besitzen Cilien mit Duftstoffrezeptoren und ein einziges
Axon bis zum Hirn, die in olfaktorischen Glomeruli symmetrisch an beiden
Gehirnhälften enden.
supporting cells → wirken ähnlich wie Gliazellen als Isolation und Stütze
basal cells → comitted cells mit eingeschränktem Differenzierungsspektrum. Können
beide Typen nachbilden. olfactory sensory neurons haben einen turnover von etwa 1
Monat. Die große Leistung besteht in deren Fähigkeit, die richtigen Glomeruli
wiederzufinden, sonst käme das gesamte Geruchsempfinden durcheinander.
Gerüche werden durch G-Protein-abhängige olfaktorische Rezeptoren
vermittelt, die über cAMP arbeiten
- Wenn ein passender Geruchsstoff an den olfaktorischen Rezeptor bindet, wird
ein G-Protein (GOlf) aktiviert, das in wiederum Adenylatcyclase aktiviert →
daraufhin Anstieg von cAMP → Camp-gated cation channels werden geöffnet →
durch den folgenden Na+ Influx wird das olfaktorische Rezeptor-Neuron
depolarisiert und initiiert einen Nervimpuls der über das Axon zu Gehirn wandert
Sehsinn (Photosensitive Epithelien)
Photorezeptoren → 3 Typen von Zapfen mit verschiedenen Opsinen und Retinal als
Photosensor; Stäbchen enthalten Rhodopsin. Die Membranstapel der Zapfen werden in
einem 10-Tages-Rhythmus kontinuierlich ausgetauscht.
retinal ganglion cells → Licht trifft zuerst auf diese Zellen, darunter liegen
Interneuronen, erst anliegend an der Basalmembran liegen die Photorezeptoren.
Photosensitive Komplexe führen zur Schließung G-Protein-gekoppelter Rezeptoren,
Hyperpolarisation ist die Folge.
Wie das auditive Epithel regeneriert das photosensitive NICHT!
- Ist das schnellste mittels G-Protein vermittelte Signal
- Statt cAMP ist hier cGMP nötig, das durch die Guanylatcyclase synthetisiert wird und
durch GMP-Phosphodiesterase abgebaut wird; ein wichtiger Unterschied zum Riechen
ist vor allem: die Rezeptoraktivierung führt zum cGMP-Abfall!
- Außerdem ist das aktivierende extrazelluläre Signal kein Molekül, sondern ein Photon
- Rod-Photorezeptoren sind für das Hell-Dunkel-Sehen im Dämmerlicht zuständig
- Im äußeren Segment der Rods befinden sich die Rhodopsine, Mitglied der GPCR
Familie, das ein Chromophor angehängt hat, das sich beim Auftreffen von Licht von cis
auf trans- Konformation ändert → das aktivierte Rhodopsin ändert die Konformation
des G-Proteins Transducin (Gt) , das dann die cGMP Phosphodiesterase aktiviert, das
daraufhin die cGMPs hydrolysiert, woraufhin sich die cGMP-gated Kanäle schließen →
das führt zur Hyperpolarisation (das Membranpot. Wird noch negativer), womit das
Signal in ein elektrisches umgewandelt wurde
- Rückkehr zum Ruhezustand: aktiviertes Rhodopsin wird sofort von spezifischer Kinase
phosphoryliert
Gehör (Auditive Epithel)
auditary hair cells → in supporting cells eingebettet und von Tektorialmembran
bedeckt ( =Corti'sches Organ). Sie besitzen orgelpfeifenartige Microvilli ( =Stereovilli )
aus quervernetztem Aktin. Die Position und Länge der Villi wird durch die Lage der
Zelle im Ohr und die an dieser Stelle stimulierende Frequenz bestimmt.
mechanically gated ion channels: Schall öffnet Ionenkanäle, Weiterleitung an basale
Neuronen mittels Neurotransmittern. Dieses Epithel regeneriert NICHT.
- Sinnesepithel des Ohrs ist am empfindlichsten im Körper
- Auf jeder auditorischen Haarzelle befinden sich Bündel von festen Stereocilien
- Durch Schallwellen bewegt sich die tektoriale Membran, die die auditorischen
Haarzellen überdeckt; die Membran beigt die Stereocilien, woraufhin sich die
Ionenkanäle mechanisch öffnen und eine Membrandepolarisierung induziert wird
9) Enzym gekoppelte (linked) Rezeptoren in Eukaryoten (Signaling II, s.
1013)
Rezeptorthyrosinkinasen
Signale sind Wachstums und Differentationssignale. Anders als bei GProteinen ist der
Rezeptor kein dimeres Transmembranprotein sondern ein einzelnes, ergo kann die
Aktivierung der Signalkaskade nicht über eine Konformationsänderungen auf der
cytoplasmatischen Seite des Rezeptors erfolgen. Es ist ein Crosslinken 2 oder mehrere
Rezeptoren erforderlichen, die sich dann selbst phosphorilieren. Dazu muss der Ligand
entweder selbst als Dimer vorliegen oder als Cluster an einer anderen Zelle auftreten.
Phosphorylierung der intrazellulären Domäne: an p. Tyrosin können hochkonservierte
Bindedomänen wie SH2 oder PHD binden, die ihrerseits weitere Signalkaskaden
auslösen. Ein Beispiel wäre der RAS MAP Kinase Weg. Die GTPase ras wird durch den
GEF sos aktiviert, der seinerseits von Grb2 aktiviert wurde. Ras p. REF, dieses p. MEk
und dieses die MAP Kinase, welche auf Targetproteine wirkt und/oder die Transkription
beeinflusst (G1 Cycline). Weiteres Beispiel, durch Ras wird PI3 Kinase aktiviert, das
ihrerseits eine Signalkaskade auslöst und die PKB Kinase aktiviert welche den
Apoptosefaktor BAD phosphoriliert, der dann death inhibitorische Proteine nicht mehr
blockiert und somit zum Überleben beiträgt.
2. Thyrosinkinase assoziierte Rezeptoren
Das sind Rezeptoren ohne eigene Kinasefähigkeit, dh es müssen Tyrkinasen an den
aktivierten Rezeptor binden und diesen phosphorilieren. Ein Beispiel ist der JAK/STat
weg der als Antwort auf die Bindungen von INFGamma an einen Cytokinrezeptor
bindet. Nach Bindung werden 2 Rezeptoren crosslinked und ein im Cytosol assoziiert
vorliegender Jak phosphoryliert ein Tyr am Rezeptor. An diesen binden die Stats via
SH2 Domäne, werden p. und bilden über ihre SH2 Domänen eine dimer der in den ZK
wandert und die Transkription von spezifischen Genen aktiviert.
3. Rezeptor ähnliche Tyr Phosphatasen
Das sie wirklich Rezeptoren sind konnte noch nicht gezeigt werden, deshalb die
Bezeichnung „ähnlich“.
4. Serin/Threonin Kinase Rezeptor
Am Beispiel des am regulatorischen Protein SMAd, das im Endeffekt ähnlich wie
Jak/stat in den Zellkern führt. Der Rezeptor besteht aus 2 Transmembrandomänen (Typ
I/II), nach Bindung von Signal (TGF-B) wird TypII phosphoriliert und p. dann den TypI,
welcher dann Smad2 o. 3 rekrutiert und phosphoriliert. Dieses Smad 2 o.3 dissoziiert
vom Rezeptor ab und oligomerisiert mit Smad4. Der Smad2/3-Smad4 Komplex-  ZK
Transkription anschalten
5. Rezeptor Guanylatcyclase
Haben eine Guanylatcyclasedomäne, welche nach Aktivierung cGMP herstellt, das als
wichtiger cytosolischer second messenger, cGMP abhängige Kinase PKG aktiviert,
welches zellabhängig versch. Targetproteine phosphoryliert.
6. Histidinkinase assoziierte Rezeptoren
Wichtige Rolle bei Chemotaxis, Drehsinn bei bakteriellen Flagellen um ihn Richtung
futter zu drehen.
10) Was wissen Sie über monomerische GTPasen der Familie Rho? (Signaling
II, s.1019)
3 Mitglieder: Cdc42, Rac und Rho
Monomerische GTPasen sind im actin remodelling involviert, aber nehmen auch
Einfluss auf andere Cytoskelettbestandteile: Migration, Polarität, Form Adhäsion.
Verantwortlich für structural rearrangements als Antwort auf externe Signale. Aktiver
Zustand ist GTP gebunden – inaktiver Zustand ist GDP gebunden. Die Aktivierung
erfolgt durch guanine nucleotide exchange factors (GEFs), wovon bisher 85
identifiziert wurden. Bsp.: Eph-Rezeptor, Ephexin, RhoA
Aktivierung von Cdc42 auf der Plasmamembran löst Aktin Polymeristation und somit
die Bildung von Filopodien bzw. Microspikes aus.
Aktivierung von Rac bewirkt ebenfalls Aktin Polymeristation und dadurch Bildung von
blattähnlichen Lamellipodien.
Aktivierung von Rho bewirkt, dass sich Aktinfilamente und Myosin II Filamente zu
Stressfasern bündeln und dass Integrine mit zugehörigen Proteinen Cluster bilden.
Bsp. Für das Ras GTPasen: Auge von Drosophila
Bsp. Für Rho GTPasen: beim Axonaufbau- kommt es zu einer Interaktion des EphrinRezeptors mit Ephrin, dadurch wird das Axonwachstum kurz geblockt, da das Axon
durch dieses Signal erfährt, dass es in eine falsche Richtung wächst.
Desweiteren sind diese GTPasen die primären Bestimmungsgrößen für die Zellpolarität
in Knospungshefen (budding yeasts).
11) Erklären Sie 4 Beispiele von Signaltransduktionswegen, die mittels
kontrollierter Proteolyse funktionieren ( Signaling, s.1041)
Notch/Delta-Pathway
Wnt/β-Catenin-Pathway
NFκB-Pathway
Hedgehog-Pathway
Notch/Delta-Pathway
Bsp: Drosophila- Entscheidung über Entwicklung von Zellen
Wenn eine Precursor-Zelle zu einer Nervenzelle wird, signalisiert sie den
Nachbarzellen, dass sie KEINE Nervenzellen werden – Entwicklung zu epidermalen
Zellen. Dieser Vorgang heißt „lateral inhibition“ und wird durch das Protein „Delta“
aktiviert (präsentiert von der zukünftigen Nervenzelle). Dieses Protein bindet an die
Notch-Rezeptoren der Nachbarzellen (nachdem die Rezeptoren glykosyliert wurden),
was diesen signalisiert, dass sie keine Nervenzelle werden dürfen.
Der Notch Rezeptor macht 3 wichtige proteolytische Schritte, wobei nur die letzten 2
durch Delta beeinflusst werden. Notch wird im Golgi Apparat gespalten, um ein
Heterodimer zu formen, wodurch ein reifer Rezeptor entsteht, welcher an die
Zelloberfläche transportiert werden kann. Durch die Bindung von Delta kommt es zu
einer zweiten Spaltung in der extrazellulären Domäne durch eine extrazelluläre
Protease. Dadurch wird der Notch-Delta Komplex gelöst und wird von der Deltaexprimierenden Zelle endozytosiert. Die dritte Spaltung schneidet dann den
cytoplasmatischen Schwanz des nun mehr aktiven Rezeptors frei. Notch kann im
Gegensatz zu anderen Rezeptoren nicht mehr inaktiviert werden. Wenn ein Ligand
bindet, wird er aktiviert und kann danach nicht noch einmal verwendet werden. Die
finale Spaltung erfolgt durch Gamma-Secretase. Die freie Schwanz kann nun in den
Nukleus einwandern und dort Gene aktivieren.
Wnt/ β-Catenin Signalweg
1) Wnt/β-Katenin pathway (der wichtigste)
2) Planar polarity pathway
3) Wnt/Ca2+ pathway
1) Wnt bindet an ein frizzled Protein und an LRP, wodurch diese zusammengeführt
warden. Daraus resultiert, dass es zu einer Rekrutierung des Abbaukomplexes zur
Plasmamembran kommt und zur Phosphorylierung des Schwanzes von LRP durch
GSK3 und CK1. Axin bindet nun an das phosphorylierte LRP, wodurch es inaktiviert
wird. Wenn Axin nicht vorhanden ist, wird der gesamte Komplex ruhig gestellt,
wodurch die Ubiquitinierung von β-catenin inhibiert wird. Dadurch kann sich das
unphosphorylierte Catenin akkumulieren und in den Nucleus einwandern. Wenn βCatenin im Nucleus angelangt ist, kommt es zu Bindung an LEF1/TCF, wodurch der CoRepressor Groucho entfernt wird und β-Catenin selber als Co-Aktivator agieren kann.
Hedgehog Weg
Diese sind in ihrer aktiven Form kovalent an Cholesterol gebunden, was die Diffusion
verhindern soll. Ohne Signal wird Protein Smoothened von Transmembranprotein
Patched inhibiert. Daraus folgt, dass das große Cubitus interruptus (Ci) Protein von
einem Degradationskomplex zuerst phosphoryliert und anschließend abgebaut wird.
Die Ci-Bruchstücke sammeln sich an und inhibieren die Transkription der Hedgehog
Target Gene. Mit Signal bindet Hedgehog an iHog, Smoothened wird phosphoryliert
und als Transmembranprotein an die Plasmamembran rekrutiert, was einen
Proteinkomplex aktiviert, der die Ci Proteolyse verhindert. Das intakte Ci wird
freigelassen, wandert in den Zellkern und aktiviert dort die Transkription.
NFkB Signalweg
Die Bindung des TNFα Trimers an die geeigneten Rezeptoren bewirkt, dass sich die
cytosolischen Teile der Rezeptoren rearrangieren und dadurch verschiedene
Signalproteine rekrutiert werden.Dabei wird die IkB Kinase Kinase (IKK) aktiviert,
welche aus 3 Subunits besteht: NEMO, IKKα und IKKβ . IKKβ phosphoryliert IkB,
woraufhin dieses abgebaut wird und NfkB freigibt. NfkB wandert in den Zellkern, wo es
gemeinsam mit Co-Aktivatorproteinen die Transkription von Zielproteinen aktiviert.
12) Rolle der Proteinkinasen
Protein Kinase A, Kinase B, Kinase C
13) Membranstruktur und wichtigste Eigenschaften von Membranproteinen
(Membranstrukturen, s.676)
Sie bilden eine dünne Schicht aus Lipiden und Proteinen, die hauptsächlich durch nicht
kovalente Wechselwirkungen zusammengehalten wird. Zellmembranen sind
dynamische, fluide Strukturen, und die meisten ihrer Bestandteile sind in der Ebene
der Membran beweglich. Die Lipidmoleküle bauen eine durchgehende Doppelschicht
von etwa 5 nm Dicke auf. Zellmembran enthalten Transmembranproteine
Molekültransport, ATP Synthese, Signalrezeptoren.
Phospholipide
Häufigstes Phospholipid: Phosphoglycerid. Alle Lipide einer Zellmembran sind
amphipathisch. D.h. sie haben ein hyrophiles oder polares und ein hydrophobes oder
unpolares Ende. Aufgrund ihrer Form und und ihrer amphipathischen Natur bilden die
Lipidmoleküle in wässriger Umgebung spontan Doppelschichten.
Cholesterin
Die Cholesterinmoleküle erhöhen die Permeabilitätsbarriere der Lipid-Doppelschicht
und lagert sich mit OH-Gruppe nahe an polare Kopfgruppe von benachbarten
Phospholipiden. Starre Ring struktur mit OH-Gruppe, kurze Hydrocarbon-Kette
Glycolipide
Wichtigste Glycolipide: Ganglioside
In nicht-cytosolischen monolayer, enthalten Zucker
Schützen vor rauen Bedingungen, ändern Ionengradienten auf Membran, Funktionen
in Zell-Erkennungs-Prozesse
Eigenschaften von Membranproteinen
Die Transmembranproteine haben hydrophobe und hydrophile Regionen und sind wie
die benachbarten Lipide amphipathisch. Die hydrophoben Proteinanteile durchqueren
die Membran und wechselwirken mit den hydrophoben Schwänzen der Lipidmoleküle
im Inneren der Doppelschicht. Die hydrophilen Proteinanteile sind auf beiden Seiten
der Membran dem Wasser exponiert.
Viele Membranproteine sind glykosyliert
Membranproteine können mit Hilfe von Detergenzien gelöst und gereinigt werden
Mehrpfad-Transmembranproteine, bei denen die Transmembransegmente als β-Fass
organisiert sind, bilden große Transmembrankanäle.
13) Erklären sie die Wirkungsweise der GTP-Bindungsproteine Ras, Tubulin
und coat assembly-Proteine Sar1/ARF (s.1019)
Ras ist eine monomerische GTPase der Ras-Superfamilie (sowie auch Rho und Rab)
- Ras ist über einen Lipidanker in der Membran verankert und leitet das Signal vom
Rezeptor ins Zellinnere weiter
- Ras wird (wie bei allen GTPasen) durch GEFs positiv (stimuliert die Dissoziation von
GDP und die Aufnahme von GTP) und durch GAPs negativ (erhöht die Hydrolyse vom
gebundenen GTP) beeinflusst
- Weil die Aktivierung von Ras durch Rezeptortyrosinkinasen kurzlebig ist, muss das
Signal durch Weiterleitung in den Zellkern aufrecht erhalten werden, dafür ist das MAP
Kinase Modul zuständig, das aus drei Modulen besteht:
o Zuerst aktiviert Ras die Map-Kinase-Kinase-Kinase Raf
o Raf aktiviert die MAPKK Mek
o Mek aktiviert die MAPK (Mitogen activated Proteinkinase)
o Erk MAPK kann in den Nukleus wandern und eine oder mehrere
Komponenten von genregulatorischen Komplexen phosphorylieren – die resultierenden
Änderungen in der Genexpression verändert das Verhalten der Zelle
 So bringt das Ras-Map-Kinase signaling Signale von der Zelloberfläche zum Nukleus
und ändert Genexpressionsmuster; z.B. werden Gene aktiviert, die die G1-Cycline
codieren, was die Zellproliferation stimuliert
Tubulin ist der Baustein der Mikrotubuli
Tubulin ist ein Heterodimer mit einer α und einer β Untereinheit, die beide ein GTP
binden
das GTP der α-Untereinheit kann nie ausgetauscht werden; das GTP der βUntereinheit ist austauschbar und kann auch als GDP vorliegen
Mikrotubuli sind aus 13 Protofilamenten aufgebaut, entlang des Protofilaments
alternieren α und β, die lateralen Kontakte werden zwischen den gleichen
Untereinheiten geknüpft (α mit α, β mit β); sie besitzen eine Polarität – das schneller
wachsende/schrumpfende Ende ist das Plusende, das langsamere das Minusende; die
α-UE ist immer am Minusende, weil es durch die Lage seines GTPs (in loops
eingeschlossen) nicht hydrolysiert wird, β am Plusende an oberster Stelle
coat assembly-Proteine Sar1/ARF
ARF-Proteine sind für COPI und Clathrin-coat assembly an der Golgi-Membran
verantwortlich, Sar1-Proteine für die Assemblierung von COPII-coats an der
ERMembran; coat-recruitment-GTPasen befinden sich in hoher Konzentration im
inaktiven Zusstand (GDP-gebunden) im Cytosol)
COPII-Assemblierung: Sar1-GEF, das in der ER-Membran sitzt, bindet freies, inaktives
Sar1 aus dem Cytosol, wobei das GDP durch ein GTP ausgetauscht wird; im GTPgebundenen Zustand bindet Sar1 mit einer amphiphilen Helix, die vorher innen
„versteckt“ war, in der Membran der ER und rekrutiert nun coat-subunits zur ERMembran
Andere GEFs und coat-recruitment GTPasen arbeiten auf ähnliche Weise an anderen
Membranen
14) Beschreiben Sie das ER und seine Funktion (s.800)
Man unterscheidet zwischen glattem und rauem (mit Ribosomen assoziiert) ER. Es ist
die Produktionsstätte aller Transmembranproteine und Lipide. Alle sezernierten
Proteinepassieren das ER-Lumen. Daneben werden Lipide für die mitchondriale und
peroxisomale Membran hergestellt. Das glatte ER ist im Lipidmetabolismus involviert
(transitional ER → traffic to Golgi).
Weitere Aufgaben: Lipoproteinpartikel produzieren, Detoxification ( Cytochrom P450 ),
Ca2+-Lager (Sarkoplasmatisches Retikulum).
Kotranslationale Proteintranslokation: N-terminales Signalpeptid von SRP erkannt, mit
Sec61-Komplex verbunden, Inkorporation des Peptids in Membran. Mit fortschreitender
Synthese, wird Polypeptidkette in ER-Lumen transloziert und von Chaperonen (BiP,
Hsp70) gebunden. Anschließend Proteolyse des Signals. Kombinationen von StartTransfer und Stop-Transfer Signalen ergeben dabei Multipass-Transmembranproteine.
Im ER-Lumen findet Proteinglykosylierung statt: Calnexin und Calreticulin halten nicht
komplett prozessierte und ungefaltete Proteine zurück. Ist eine korrekte Proteinfaltung
nicht möglich und werden nicht die notwendigen Zuckerreste entfernt, kommt es im
Zuge des unfolded protein response zur Dislokation der Protein, d.h. Schlecht gefaltete
Proteine werden ins Cytoplasma exportiert und von Proteasom zersetzt.
15) Mechanismen und Kontrollen bei Proteinfaltung im ER, wie werden falsch
gefaltete Proteine abgebaut. (s. 814)
 Chaperons (Hsp 60 und Hsp 70), die neu synthetisierten Proteinen „helfen“, sich
korrekt zu falten. Werden unter Temperatur-Stress vermehrt gebildet (Hitzeschock
Proteine). Diese Proteine interagieren spezfisch mit aggregationsanfälligen Proteinen
und treten somit direkt in Konkurrenz zu Aggregationsreaktionen. Die Chaperons
beschleunigen dabei die korrekte Faltung und Assoziation der Proteine, ohne selbst Teil
der Struktur zu werden. Beinflusst werden nicht-kovalente Wechselwirkungen. Auch
nach dem Durchqueren der Zellmembran müssen die Proteine wieder zurückgefaltet
werden mit Hilfe der Chaperons. Proteinfaltung und Aggregation sind konkurrierende
Prozesse.
Hsp 60 (Chaperonine): DNA GroEL/ES in Bakterien. Bilden große fassartige Komplexe
aus 14 Untereinheiten, in denen sich Proteine, abgeschirmt von der Umwelt,
selbstständig falten können. Das Chaperon ähnelt einem Fass oder Donut mit Deckeln
an beiden Seiten. An der Innenseite des Fasses sind hydrophobe Ketten lokalisiert, die
mit den hydrophoben Bereichen des darin befindlichen ungefaltenen Proteins
wechselwirken und es so an der unerwünschten Aggregation hindern. Sobald das
Protein seine native Konformation erreicht hat, sind die hydrophoben Bereiche im
Protein selbst abgesättigt. Unter ATP-Verbrauch wird der „Deckel“ geöffnet und das
fertige Produkt wieder aus dem „Fass“ oder“ Donut“ entlassen
 Falsch gefaltete Proteine werden aus dem ER exportiert und im Cytosol abgebaut.
Wenn das fehlgefaltete Protein das Cytosol erreicht hat, werden dort die im ER
angebrachten Oligosaccharide wieder enzymatisch entfernt. Die Deglykosylierung wird
von einer N-Glykanase katalysiert, die die Oligosaccharide abspaltet, indem die
Amidbindung zwischen der Carbonlygruppe und der Aminogruppe des Asparagins, an
das das Oligosaccharid geknüpft war, gespalten wird. Das deglykosylierte Polypeptid
wird rasch durch ER-ständinge Ubiquitin konjugierende Enzyme kovalent mit Ubiquitin
verknüpft und dann durch Proteosom zu Aminosäuren abgebaut.
16) Erklären Sie die Begriffe: RNAi, FACS, Negative-contrast, Cryoelektronenmikroskopie und NMR
RNA-interference: Eine Möglichkeit, die Expression bestimmter Gene im adulten
Organismus (teilweise) zu hemmen (kein Knockout!). Dabei werden dsRNA-Stücke
verabreicht oder im Organismus exprimiert (auch über Plasmide). Der Proteinkomplex
DICER spaltet die dsRNA in 21-22bp lange Stücke, die von Argonaut-Proteinen
gebunden werden und den RISC-Effektorkomplex bilden. Dieser bindet und zerstört
mRNA kompatibler Gene.
Fluorescence assisted cell sorting: Herstellen von Zellfraktionen, Untersuchung des
Zellzyklus. Die Zellen werden zuerst markiert:
a) extrazellulär: Fluoreszenzgekoppelte Antikörper,
b) intrazellulär: Fusionproteine mit zB. GFP,
c) beides: diffundierbare Fluoreszenzmarker. Die Zellen werden über eine Kapillare in
den cell sorter geführt, entsprechend der Emissionsintensität spuckt er jede Zelle
einzeln in den entsprechenden Fraktionsbehälter. Anwendungsbeispiel: Die Menge
(Proportion) an Zellen gibt die Dauer einer Phase des Zellzyklus wieder.
Negative-contrast microscopy: Ein zu untersuchendes Präparat wird aus einer
Richtung mit einem Schwermetall besprüht, von oben wird eine Graphitschicht
aufgebracht. Anschließend wird der biologische Anteil weggelöst → das Schwermetall
stellt Kontrast 3-dimensional dar.
Anwendung: Cytoskelettbestandteile, Makromoleküle.
Cryoelektronenmikroskopie: Diese Methode erfordert keine vollständige Trocknung des
Präparats. Beim Schockfrosten bei -180°C bildet verbleibendes Wasser keine Kristalle,
die zB. Membranen zerstören würden, sondern amorphes vitreous ice (glasartiges
Material). Es werden Makromolekulare Strukturen selbst und keine Negative davon
betrachtet. In Kombination mit single particle reconstruction können 3-dimensionale
Körper wie zB Virenpartikel dargestellt werden. Dazu werden Ansichten aus
verschiedenen Blickwinkeln digital zusammengebaut.
Nuclear magnetic resonance: Die Methode dient zur Aufklärung von 3D-Strukturen von
Proteinen, deren Konformationsänderung bei Bindung von zB Cofaktoren, Ligand, oder
Substrat. Die Probe wird in ein starkes Magnetfeld gebracht, Atomkernspin wird
angeregt → die Relaxation von einem Schreiber aufgezeichnet (free induction decay).
Vorteile: zerstörungsfreie Untersuchung eines Proteins, Inhaltsstoffen einer Probe.
17) Erklären Sie die Begriffe: Negative staining, Dark/Light-Field microscopy,
Fluorescence microscopy
Negative staining
Makromoleküle (DNA oder große Proteine) werden auf einem Kohlenstofffilm mit einer
Lösung eines Schwermetallsalzes (Uranyl-Acetat) gemischt. Nach dem Trocknen ist der
Film überall vom Salz bedeckt, außer dort, wo das Salz vom Molekül absorbiert wurde.
Die Elektronen können leichter durch die unbedeckten Stellen schießen und man
erhält vom Makromolekül ein Negativbild.
Dark/light-field microscopy:
Die Lichteinstrahlung erfolgt von der Seite, sodass nur gestreutes Licht zur Linse
gelangt und dadurch das Objekt hell erscheint und der Hintergrund dunkel bleibt. Beim
bright-field Mikroskop gelangt das Licht direkt durch das Objekt und liefert ein direktes
Bild.
Fluorescence microscopy:
Das Mikroskop selber ist einem gewöhnlichen Lichtmikroskop sehr ähnlich, außer dass
das Licht durch 2 Filter gelangt. Einer um das Licht zu filtern, bevor es die Probe
erreicht und der andere um das Licht zu filtern, das von der Probe emittiert wird. Der
erste Filter lässt nur die Wellenlängen durch, die die fluoreszierenden Farben anregen
und der zweite lässt nur Licht der Wellenlänge durch, das von der Probe ausgestrahlt
wird.
18) Erklären Sie die Begriffe: Primärzellen vs Zelllinie, Isoelektrische
Fokussierung, Oberflächen-Plasmon Resonanz, konfokale Fluoreszenzmikroskopie (Zeichnung), Hydropathiediagramm
Als Zellkultur wird die Kultivierung tierischer oder pflanzlicher Zellen in einem
Nährmedium außerhalb des Organismus bezeichnet. Zelllinien sind Zellen einer
Gewebeart, die sich im Lauf dieser Zellkultur unbegrenzt fortpflanzen können. Es
werden sowohl immortalisierte (unsterbliche) Zelllinien als auch primäre Zellen
kultiviert (Primärkultur).
Primärkulturen: Kulturen, die direkt aus den Geweben eines Organismus hergestellt
werden, d.h. ohne Zellvermehrung in vitro, nennt man Primärkuturen.
Sekundärkulturen: aus Primärkulturen gewonnen und weiter subkultiviert.
Isoelektrische Fokussierung: beruhrt auf, dass sich die Nettoladung eines
Proteinmoleküls mit dem PH-Wert der umgebenden Lösung verändert. Jedes Protein
hat einen charakteristischen isoelektrischen Punkt, das ist der PH-Wert, an dem das
Protein keine Nettoladung trägt und sich deshalb in einem elektrischen Feld nicht
bewegt. Die 2D-Gelelektrophorese verbindet zwei Trennungsmethoden: Im ersten
Schritt werden die Proteine aufgrund ihrer inneren Ladung getrennt, es kommt zur
Isoelektrischen Fokussierung. Der zweite Schritt is eine SDS-Page, die im rechten
Winkel zur ersten Elektrophorese durchgeführt wird.
Oberflächen-Plasmon-Resonanz
ist
eine
Methode
zur
Detektion
von
Bindungsinteraktionen. Eine Kapillare, durch die prey-Protein fließen, führt in eine
kleine Kammer, deren Oberseite von einem 50nm dicken Goldfilm bedeckt ist, an dem
an der Unterseite bait-Proteine immobilisiert sind. Von oben strahlt ein Laser auf den
Goldfilm und wird mit einem bestimmten Winkel reflektiert. Kommt es zur Interaktion
zwischen prey und bait, ändert sich dieser Winkel.
Konfokale Fluoreszenzmikroskopie benutzt einen UV-Laser als Lichtquelle, der über
einen semipermeablen Spiegel auf das Objekt gelenkt wird. Das Licht regt im Objekt
spezielle Fluorophore an, zB getaggte Proteine, die sichtbares Licht aussenden. Aus
dem ausgesendeten Licht wird über ein pinhole eine Menge von Lichtstrahlen
selektiert, die einen gemeinsamen Focus haben, und zum Auge oder einer Kamera
weitergeleitet, um ein Foto zu schießen. Der große Vorteil ist, dass Streulicht aus dem
Objekt das Bild nicht verwischt, sondern nur eine Bildebene zu einem Zeitpunkt scharf
gestellt werden kann.
Ein Hydropathiediagramm hilft dabei, alpha-helikale Domänen in einem Polypeptid zu
finden, die die Membran durchdringen könnten. Jeder Bereich des Peptid erfordert eine
unterschiedliche Menge an Energie, um aus der hydrophilen in eine hydrophobe
Umgebung zu wechseln. Dieser Energiewert wird als Funktion der Position einer
Gruppe von 15-20 Aminosäuren im Peptid aufgetragen. Ein positiver Wert bedeutet,
dass Energie aufgewendet werden muss, um aus der Membran ins hydrophile Medium
zu wechseln, der entsprechende Bereich ist also hydrophob und hält sich bevorzugt in
der Membran auf
19) Elektronenmikroskopie: Methoden und Anwendungen!
Einsatz von e– Strahlen, die über eine magnetische Kondenserlinse fokussiert werden.
Das bringt eine hohe Auflösung auf Grund der schmalen Strahlauswahl (1nm).
Die Präparation ist um ein vielfaches aufwändiger als bei der Lichtmikroskopie. Neben
völliger Dehydrierung wird mit Glutaraldehyd oder verschiedenen Harzen fixiert.
Osmiumtetroxid stabilisiert Lipidmembranen. Es müssen Dünnschnitte von 50-100nm
angefertigt werden, die noch weiter zB mit Immnogold-Partikeln zu Markierung
behandelt werden können.
SEM – scanning electron microcopy (Rasterelektronenmikroskopie)
Darstellung von Oberflächen. Metal shadowing erhöht den Kontrast, dabei werden
Metallschichten einseitig auf ein Präparat aufgesprüht
TEM – transmission electron microscopy
sehr dünne Schnitte notwendig, e– Strahlen gehen durch das Präparat durch.
Cryoelectron microscopy → Präparat muss nicht getrockent werden, Darstellung von
kompletten Proteinkomplexen zum Zeitpunkt des Schockfrierens. Negative Staining →
Darstellung von Makromlekülen wie Actin. Single particle reconstruction ermöglicht
das Zusammenbauen 3-dimensionaler Strukturen aus mehreren 2D-TEM-Aufnahmen
aus jeweils anderen Blickrichtungen.
20) Erklären Sie die Begriffen: Calmodulin, Secondmessenger, PKA, PKB, PKC
Calmodulin: ist ein multifunktioneller intrazellulärer Ca2+-Rezeptor und leitet viele
Ca2+-regulierte Prozesse. Es besteht aus einer höchst konservierten Einzelpeptidkette
mit vier hoch affinen Ca2+-Bindungsstellen. Calmodulin weist keine eigene
enzymatische Aktivität auf, sondern vermittelt durch Bindung anderer Proteine deren
Aktivierung.
Second messengers: Die kleinen intrazellulären Signalmoleküle werden kleine
intrazelluläre Mediatoren (Botenstoffe, Relaismoleküle) oder Second Messengers
genannt. Die First Messengers sind die extrazelluläre n Signalmoleküle (Botenstoffe)
PKA (cAMP abhängigen Proteinkinasen): Dieses Enzym phosphoryliert spezifische
Serine und Threonine auf ausgewählten Zielproteinen (intrazelluläre Signalproteine,
Effektorproteine) und regulieren dadurch ihre Aktivität. Im inaktiven Zustand besteht
PKA aus einem Komplex von 2 regulatorischen und 2 katalytischen Untereinheiten. Die
Bindung von cAMP verändert die Konformation wodurch der Komple dissoziiert und die
aktive Kinase freigesetzt wird.
PKB (Proteinkinase-B): Diese Kinase enthält eine PH-Domäne, die sie zur
Plasmamembran lenkt, wenn dort PI 3-Kinase durch ein extrazelluläleres
Überlebenssignal aktiviert ist. PKB inaktiviert BAD durch Phosphorylierung und fördert
dadurch das Überleben der Zelle. PKB hilft der Zelle auch zu überleben, indem sie
andere Aktivatoren des Zelltods hemmt. In einigen Fällen hemmt PKB die Transkription
von Genen, die für diese Aktivatoren codieren.
PKC (Protein Kinase C) : Durch eine Übertragung von Phosphat auf Serin- oder
Threoningruppen steuert sie die Aktivität nachgeordneter Enzyme oder Faktoren. Auf
Grund dieser regulatorischen Funktion besitzt die Proteinkinase C eine zentrale Rolle
bei der zellulären Signalweiterleitung (Signaltransduktion). Calciumionen (Ca2+),
Phospholipide und Diacylglycerin sind für die Aktivität der PKC nötig. Sphingosin
hemmt dagegen die PKC.
21) Erklären Sie die folgenden Begriffen: DNA Footprint, Two-Hybrid System,
Monoklonalen Antikörper, Finger Print, GFP, FRET
DNA Footprint: Proteine, die in den Kern eindringen und an DNA binden, können durch
DNA-Footprinting weiter charakterisiert werden; diese Technik kann ermitteln, an
welche Kontrollsequenz das Protein bindet, um die Transkription eines Gens zu regeln.
Yeast Two-Hybrid System: Der Yeast Two Hybrid Assay dient dem Nachweis von
Protein-Protein Interaktionen und kann auch dazu verwendet werden, die für die
Interaktion der Proteinenotwendigen Sequenzen bzw. Aminosäuren sowie die
Auswirkungen von Punktmutationen dieser Aminosäure zu ermitteln. Das Hefe-ZweiHybrid-System oder die Phagen-Display-Technik erlauben die gleichzeitige Isolierung
der kontaktierenden Proteine und der sie codierenden Gene.
Ein Transkriptionsfaktor wird in zwei Domänen zerlegt, mit denen die zu
untersuchende Proteine fusioniert werden. Detektiert wird dann die transkriptionelle
Aktivierung von Reportergenen, die nur dann erfolgt, wenn die beiden fusionierten
Proteinen miteinander interagieren.
Monoklonale Antikörper erkennen eine spezifische antigene Determinante
beispielsweise ein bestimmtes Cluster von fünf bis sechs Aminosäuren auf der
Oberfläche eines Proteins
Finger Print: Heute werden Fingerprints am häufigsten dazu verwendet,
posttranslationale Modifikationen, wie Phosphorylierungsstellen, zu kartieren.
Herstellung einer Peptidkarte oder des „Fingerprints“ eines Proteins
Das Enzym Trypsin z.B. schneidet an der Carboxylseite von Lysin- und Argininresten,
wogegen die chemische Verbindung Bromcyan Peptidbindungen spaltet, die
Methioninresten benachbart sind. Da diese Enzyme und Reagenzien ein Protein nur an
wenigen Stellen schneiden, entstehen wenige, relativ große Peptide. Trennt man eine
solche Peptidmischung mit chromatographischen oder elektrophoretischen Verfahren,
ist das enstehende Muster oder die Peptidkarte für das Protein charakteristisch. Man
bezeichnet das Peptidmuster als Fingerabdruck (Fingerprint) des Protein.
Grünes Fluoreszenzprotein (GFP): Man kann mit Hilfe eines Flureszenzmarkers eine
große Anzahl von Proteinen in lebenden Zellen beobachten. Zur GFP-Markierung eines
Proteins muss man lediglich das GFP-Gen an ein Ende des Gens hängen, das das
gewünschte Protein codiert. GFP und seine andersfarbigen Abkömmlige können auch
eingesetzt werden, um Protein-Protein-Wechselwirkungen zu überwachen. Bei dieser
Anwendung werden die beiden betrachteten Proteine mit verschiedenen
Fluoreszenzfarbstoffen markiert, sodass das Emissionsspektrum des einen Farbstoffs
mit dem Absorptionsspektrum des zweiten überlappt. Wenn die beiden Proteine und
ihre Fluoreszenzmarkierung sehr engen Kontakt miteinander haben, wird die Energie
des von dem einen Farbstoff absorbierten Lichts auf den anderen Farbstoff übertragen.
Diese Fluoreszenzresonanz-Energietransfer (FRET) gennant Energieübertragung lässt
sich bestimmen, indem der erste Farbstoff angeregt und die Emission des zweiten
gemessen wird.
22) Erklären Sie die folgenden Begriffen: ES, Heterokaryon, Hybridomas,
NMR
Embryonale Stammzellen (ES):
Als Stammzellen werden allgemein Körperzellen
bezeichnet, die sich in verschiedene Zelltypen oder Gewebe ausdifferenzieren können.
Je nach Art der Stammzelle und ihrer Beeinflussung haben sie das Potential, sich in
jegliches Gewebe (embryonale Stammzellen) oder in bestimmte festgelegte
Gewebetypen (adulte Stammzellen) zu entwickeln. Diese Zellen werden der inneren
Zellmasse früher Embryonen entnommen, sie können sich unbegrenzt vermehren und
behalten dabei ihre Fähigkeit, jeden Teil des Körpers ausbilden zu können.
Heterokaryon: Zwei Zellen lassen sich miteinander zu einem Heterokaryon
verschmelzen, einer gemeisamen Zelle mit zwei getrennten Zellkernen.
Heterokaryonbildung bietet die Möglichkeit, die Komponenten zweier verschiedener
Zellen miteinander zu mischen und dann ihre Wechselwirkungen zu untersuchen.
Hybridomas: Ein Hybrid entsteht, welcher alle Chromosomen beider Zellen enthält.
Ein besondere Typ von Hybridzelle, Hybridom gennant, wird zur Produktion
unbegrenzter Mengen einheitlicher monoklonaler Antikörper eingesetzt, die
hauptsächlich zum Auffinden und Reinigen zelluläre Proteine dienen.
Die Hybridom-Technik bezeichnet ein Verfahren zur Herstellung von monoklonalen
Antikörpern (mAB). Bei der Hybridom-Technik werden antikörperproduzierende Zellen
(B-Zellen) mit Myelomzellen (Krebszellen) fusioniert, woraufhin quasi-unsterbliche
Hybride entstehen, die monoklonale Antikörper produzieren. Da B-Zellen eine
limitierte
Lebensdauer
aufweisen,
ist
eine
effiziente
Kultivierung
unter
Laborbedingungen nicht möglich. Myelomazellen sind ihrerseits stark deregulierte
Zellen, die nicht dem programmierten Zelltod (Apoptose) unterliegen. Durch die Fusion
beider Zelltypen können ihre Eigenschaften in Form sogenannter Hybridomzellen
kombiniert werden. Diese sind nun in der Lage, uneingeschränkt monoklonale
Antikörper zu sezernieren. Durch diese Technik wurde es möglich, Antikörper in großen
Mengen und mit maßgeschneideter Spezifität herzustellen.
Nuclear magnetic resonance spectroscopy NMR (Kernresonanzspektroskopie)
Kernspinresonanz kommt ohne Kristalle aus. Für die Analyse wird nur ein kleines
Volumen der konzentrierten Proteinlösung benötigt, das dann einem starken
magnetischen Feld platziert wird. Es wird hochfrequente Strahlung (Resonanzfrequenz)
emittiert. Da man in Lösung messen kann, konnten Proteinstrukturen während der
Proteinfaltung- oder Bindung bestimmt werden.
23) Erklären Sie die folgenden Begriffen: SPR, Röntgen-Kristallstrukturanalyse, FRAP, FLIP
Surface Plasmon Resonance: die SRP-Methode wird verwendet, um ein breites
Spektrum molekularer Wechselwirkungen zu charakterisieren, darunter AntikörperAntigen-Bindung, Ligand-Rezeptor-Kopplung und die Bindung von Proteinen an DNA,
Kohlenhyrate, kleine Moleküle und andere Proteine. Die SRP-Technik ist besonders
nützlich, weil sie nur geringere Mengen an Protein erfordert, weil die Proteine nicht
markiert werden müssen und man Protein-Protein-Wechselwirkungen in Echtzeit misst.
Röntgen-Kristallstrukturanalyse: Kristallstrukturanalyse ist die Bestimmung des
atomaren Aufbaus eines Kristalls durch Beugung geeigneter Strahlung am
Kristallgitter. Die Kristallstrukturanalyse mit Elektronenstrahlen ist aufgrund der
starken Wechselwirkung zwischen den eingestrahlten Elektronen und dem Kristall
besonders schwierig und für Routineuntersuchungen noch nicht ausgereift.
FRAP (Fluorescence Recovery after Photobleaching): Die Geschwindigkeit der lateralen
Diffussion von Membranproteinen kann durch Bestimmung der Wiederherstellung der
Fluoreszenz nach Photobleichung von FRAP gemessen warden. Bestimmte
Membranproteine mit fluoreszierender Gruppe markiert, ein kleiner Teil der Membran
mit Lase gebleacht (Fluoreszenz geht verloren), Zeit wird gemessen wie lange es
dauert bis ungebleachte Proteine in diesem Bereich hineindiffundieren und
Fluoreszenz wiederherstellen.
FLIP ( Fluoresence loss in photobleaching) :Hierbei bestrahlt ein Laser kontinuierlich
ein kleines Areal und bleicht alle fluoresziereden Moleküle, die in dieses Gebiet
diffundieren. Dadurch werden schrittweise die fluoreszenzmarkierten Proteine in der
Membran aufgebraucht. (s.704)
24) Erklären Sie folgenden Begriffen: Gap Junctions, Detergensien, Tight
Junctions, Bacteriorrhodopsin
Gap Junctions : Über offene Zellkontakte vereinigte Zellen haben gemeinsam Anteil an
kleinen Molekülen und kleinen intrazellulären Signalmolekülen und können daher in
koordinierter Weise auf extrazelluläre Signale antworten. Gap Junctions erlauben den
Nachbarzellen die gemeinschaftliche Beteiligunng an der Signalinformation.
Detergensien : sind kleine amphiphile Moleküle wie SDS, Triton, die Membranproteine
lösen und aufreinigen können. Die hydrophobe Enden des Detergens binden
hydrophobe Bereiche des Membranprotein und ersetzen somit die Lipide.
Tight Junctions: Durch tight junctions können Membranproteine in speziellen Domänen
in der Membran abgegrenzt werden (Bsp. Epithelzelle)
Bacteriorrhodopsin:
ist eine licht-getrieben Protonenpumpe und war das erste
Membrantransport Protein dessen Struktur bestimmt wurde. Es befindet sich in
spezialisierten Membranabschniten von Halobacterium Salinarum. Ein durch Licht
angeregtes Chromophor startet die Transportkaskade eines Protons.
25) Proteinmodifikationen
am
Cytosol
und
ER
(Phosphorylierung,
Mehtlylierung, Acetlylierung)
Proteinmodifikationen im Cytosol
Es gibt reversibel und permanente Modifikationen im Cytosol. Reversibel sind
Phosphorylierungen,
Methylierungen
und
Acetlylierungen.
Die
verbreiteste
Modifikation ist die Phosphorylierung einer OH-Gruppe an eine Serin-, Threonin- oder
Tyrosin-Seitenkette eines Proteins. Die Phosphorylierung ist reversibel und dient dazu,
die Aktivität der betreffenden Proteine zu regulieren. Eine angehaftete Fettsäure kann
das Protein zu einer spezifischen Membranoberfläche dirigieren, die dem Cytosol
zugewandt ist.
Permenant ist z.B. der Einabau von prosthetischen Gruppen, wie Bioethin oder aber
auch Anfügen von Coenzymen, Einbau von Fettsäuren und das Protein-Turnover.
Proteinmodifikation im ER
Die meisten vom ER weg transportierten (sekretorischen) Proteine sind Glykoproteine
(wiederstandsfähig gegen Abbau durch Proteasen)
Proteinprozessierung im ER
1)N-Glykolisierung (Asparagin-gekoppelte Glykolisierung)
co-translationale Übertragung eines Oligosaccharidkomplexes im ER-Lumen auf eine
wachsende Polypeptidkette
erfolgt durch Dolichol auf die NH2-Gruppe einer Asparagin-SeitenketteEnzym:
Oligosaccarly-Transferase
en-bloc übertragener Oligosaccharidkomplex (14 Zuckerreste) wird später
modifiziert (Trimming)
2) Anhängen des GPI-Ankers (Glykosylphosphatidylinositol)
kovalente Verknüpfung des COOH-Endes eines fertien Membranproteins mit
Zuckeranteil eines Glykolipids
3) Bildung von Disulfidbrücken
kovalente Verknüpfung zweier benachbarter SH-Gruppen der Cystein-Seitenkette
Trimming:
Modifikation des übertragenen Oligosaccharidkomplexes im ER
Entfernen von 3 Glucoseresten durch Glucosidase I und II
Entfernen von 1 Mannoserest durch ER-Mannosidase
Acetlylierung: Die freie Alpha-Amino-Gruppe am N-Terminus ist durch einen Acetlyoder längere Acly-Reste blockiert. Ein wichtiger Mechanismus zur Kontrolle der
Genaktivität
Phosphorylierung: betrifft vor allem Serin und Tyrosin-Reste. Diese Reaktionenhaben
vorwiegend regulatorische Faktoren
Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um eine chemische Abänderung an
Grundbausteinen der Erbsubstanz einer Zelle. Diese Abänderung wird durch die
Übertragung von Methlygruppen durch Enzyme auf Nukleobasen an bestimmten
Stellen innerhalb der DNA hervorgerufen.Veränderte Umweltbedingungen führen über
die Signaltransduktion zum veränderten Methylierungsmuster der DNA in bestimmten
Bereichen; dadurch wird die Nutzung der Gene verändert; das führt zu einer Änderung
der Eigenschaften der Lebewesens.
26) Stem cell engineering. Beschreiben Sie Arten von Stammzellen und
Therapiemöglichkeiten!
Stammzellen sind Körperzellen, die noch nicht ausdifferenziert sind. Stammzellen sind
in der Lage, ständig neue, organspezifische Tochterzellen zu erzeugen und sich dabei
selbst zu erhalten.Embroyonale Stammzellen sind in vivo und in vitro in der Lage, sich
in Zellen aller drei Keimblätter (Entoderm, Ektoderm und Mesoderm) sowie in Zellen
der Keimbahn auszudifferenzieren (pluripotant). Man unterscheidet mehrere Arten von
SC:
- totipotent: können alle embryonalen und extraembryonalen Gewebe aufbauen.
- pluripotent: alle Gewebe des Embryos
- multipotent: im Gewebe des adulten Organismus eingelagert und kann in
benachbarte, dort benötigte Zelltypen differenzieren (comitted cells). Beispiele: NSC,
MSC, HSC.
Embyonale SC gewinnt man aus der inner cell mass einer Blastocyste (in einigen
Ländern ethische Bedenken).
iPS – induzierte pluripotente SC – reprogrammiert aus mittlerweile verschiedenen
adulten Zelltypen ( Keratinocyten, … ). a) mittels Adenoviren/Retroviren, b) über cell
fate determinants (Proteine) wie Oct-4, Sox2, c-Myc, Klf4.
Therapiemöglichkeiten
Züchtung homogener Zellpopulationen zum Einsatz in Patienten unter Einsatz
bestimmter
Wachstumsund
Proliferationsfaktoren
zur
Behandlung
von
Muskeldystrophie, Parkinson, Diabetes I. Leukämie: Abtöten der hemapoietic stem
cells, die mutiert sind, und Rekolonisierung des Knochenmarks durch applizierte SCs
( 5 SCs reichen!).
Maus: Regeneration olfaktorischer Neuronen mit NSCs aus dem Hippocampus (NSCs in
der Regel sehr selten – früher vermutete man, dass es keine gibt). Verbrennungen der
Haut: Nachzühten eines Monolayers von Basalzellen der Haut, das die Basalmembran
ersetzt → Haut wird wieder wasserdicht.
27) Voraussetzungen für eine coiled coil Struktur
2 Helices wickeln sich umeinander, beide müssen die meisten ihrer hydrophoben
nicht-polaren Seitenketten an einer Seite haben, so dass die Helices sich umeinander
wickeln können wobei die nicht-polaren Ketten nach innen schauen
28) Merkmale und Vergleich folgender Strukturen: a-Helix, coiled-coil, DNADoppelhelix, Actin-Filament, fibrilläres Kollagen
a) Welche Sekundärstrukturen kennen Sie?
b) Was ist die Triebkraft für ihre Ausbildung?
c) Wodurch entstehen alpha-helicale Strukturen und coiled coils?
a-Helix
Starrer
Zylinder,
feine
Spirale, durch H-Brücken
zwischen jeder vierten
Peptidbindungen
zusammengehalten
Seitenketten weißen nach
außen
Am häufigsten in Proteinen
vorkommende
Sekundärstruktur,
Ubiquitär, wird als sterisch
ideale Anordnung der AS
in
einer
Peptidkette
gesehen
Überwiegend
rechtsgängig,
gedrehte
Spirale
mit
durchschnittlich
3,6
Aminosäureseitenketten
pro Umdrehung
Ganghöhe p=0,54 nm
ß-Faltblatt
Faltblatt, starre, flache Struktur, H-Brücken zwischen
den parallelen Abschnitten halten die Struktur
zusammen
Seitenketten ragen nach außen
Polypeptidkette gestreckt
Anti-,parallele Faltblattstruktur, je nachdem, ob die
Peptidketten in die gleiche oder entgegengesetzte
Richtung laufen, ßa-Strukturenenergetisch günstiger
mit linearen H-Brücken
Abstand zw. Zwei AS ca. 0,35 nm, α-C-Atom an
höchsten und tiefsten Punkten der Struktur gelegen
Dipolmoment von C- zum
N- Terminus
Bestimmte AS stören die Der dichte Kern vieler globulärer Proteine besteht aus
Heliformationbesonders
ß-Faltblättern. Sie dominieren auch in einigen
Prolin, lässt sich schlecht Faserproteinen
in der Helix einfügenes
kommt zur Abweichung
der regelmäßigen alphaHelix-Struktur
Actinfilament
Helicales Proteinfilament, ca. 7 nm dick, gebildet durch Polymerisation von globulären
Actinmolekülen. Besonders häufig in Muskelzellen (stabile Struktur), sonst wie MT
instabilm polar (+/-Ende)
Hilfsproteine: verhindern Polymerisation, regulieren Länge, vernetzen Mikrofilamente.
Je nach Actin-bindenden Proteinen verschiedene Strukturen (steif u. beständig:
Mikrovilli; kontraktile Bündeln; temporäre Strukturen; kontraktile Ring: bei Teilung in 2
Hälften einschnürt)
G-Actin: onumere Form (globuläres A) F-Actin: polymere Form (filamnetöses F-Actin)
Aufgaben:
Muskelkontraktion,
Cytoplasmaströmung,
zelluläre
Fortbewegung,
Zellteilung bei Tierzellen, Zellkontakt-Aufbau, intrazelluläre Transport AktinPolymerisation im Zell-Cortex ermöglicht die Fortbewegung der Zelle. Entlang der
AKtin-Filamente können durch die Aktivität von Myosin Stoffe (Vesikel, Proteine und
auch andere Aktin-Filamente) transportiert werden.
Kollagenfilamente: Kollagen: besteht aus drei Polypetidketten die eine Helix bilden.
Prolin und Glycin reich, wird als Propetid sekretiert damit es nicht zur Assemblierung
im Cytoplasma kommt, ausserdem wird es hydroxyliert und glykosiliert.
DNA-Doppelhelix: aus Nukleotiden aufgebaut, 2 lateral über H-Brücken verbundene
Stränge
29) Gene Knock Out vs. Konvetionelles (konditionelles) Knock Out
Transgene
Maus:
Überexpression
in
allen
oder
gezielt in
bestimmten
Zelltypen/Gewebe; mit stabil eingebautem und vererbbarem genet. Material; besitzen
Transgen im Genom durch Injektion linearer, meist rekombinanter DANN in den
Pronukleus von befruchteten Eizellen hergestellt.
Knock-Out Mäuse: durch Manipulation von embryonalen Stammzellen wird gezielt ein
Gen inaktiviert; diese Embryonalen Stammzellen werden dann in die Keimbahn der
Maus eingebracht, dauerhafte Geninaktivierung nach Unterschieden zw. Mutanten
und Wildtyp-Tieren untersucht= Fkt. Untersuchen=Vorteil
veränderte
Version
des
Zielgens
in
ES-Zellen
einführen
über homologe Rekombination wird das normale Gen durch veränderte Version in
ES-Zellen ersetzt  Injektion Embryo wird teilweise aus ES-Zellen gebildet
Einführen
des
frühen
Embryos
in
Scheinschwangere
Maus
nach der GeburtTest der somatischen Zellen der Jungen auf Anwesenheit des
veränderten
Gens;
Züchtung
der
ausgewählten
Mäuse
Test auf Anwesenheit des Gens in der Keimbahn= Transgene Maus, bei denen eine
Kopie des Zielgens in der Keimbahn durch eine veränderte Version ersetzt ist
Wenn die ursprüngliche Genveränderung die Funktion des Gens vollständig
ausschaltet=Knock-Out Mäuse: Das Genprodukt ist also „knocked out“. Auch mehrere
Gene können in einem Stamm von Mäusen von solch einem Knockout betroffen sein.
Der Vorteil von Knock-Out Tieren ist, dass die Funktion des fehlenden Proteins im
lebenden Tier oder seinen Zellen und Geweben untersucht werden kann, indem man
nach Unterschieden zwischen den jeweiligen Mutanten und Wildtyp-Tieren sucht.
KO konventionell: totale Elimination des Gens in allen Zellen
KO konditionell („floxed“ (knock-in) Gen/transgene Cre-Mäuse): Elimination des Gens
selektiv in bestimmten Zelltypen (Cre mit Gewebe-spezifischem Promotor)
zu bestimmten Zeiten (Cre-Expression induzierbar)
30) Welche Eigenschaften lassen sich aus der Primärstruktur von Proteinen
ableiten? Inwiefern unterscheiden sich die alpha helikalen Regionen eines
seven-pass Transmembranproteins von Intermediärfilamenten?
a) Hydrophobizität: Betrachtung der AS-Reste lässt darauf schließen, wo das Protein
lokalisiert ist, ob TM-Protein oder cytosolisch. TM-Proteine werden mittels
hydrophobicity plots untersucht, TM-Domänen festgestellt.
b) sorting signals: C- oder N-terminale Peptide bestimmen die Lokalisation von
Proteinen, in welche Organellen sie eingebaut werden sollen, zB. ER, Plasmamembran,
Lysosom, etc.
Alpha-helikale Regionen unterscheiden sich durch intramolekulare WW (H-Brücken),
die die Struktur ermöglichen; start- und stop-Signale bestimmen Beginn, Ende und
Richtung der Membranintegration. Intermediärfilamente weisen intermolekulare WW
zwischen den Protein-Monomeren auf.
31) Beschreiben Sie die Regulation des Zellzyklus
Der Zellzyklus gliedert sich in 4 Phasen (5 mit G0):
G1 Phase → Phase zwischen M-Phase und S-Phase
S Phase → Chromosomenduplikation, sie dauert in einer tierischen Zelle 11-12 Stunden
G2 Phase → Vorbereitung der M Phase, Überprüfung der vollständigen Verdopplung
des Genoms;
M Phase → Aufteilung aller Zellinhalte auf die Tochterzellen
Regulation der Kontrollsysteme via Proteine
G1/S-cyclins: aktivieren Cdks am Ende von G1 und initiieren Übergang von G 1-Phase
zur S Phase über Start. Deren Konzentration sinkt gegen Ende der S-Phase
S-cyclins: binden Cdks nach dem Start. Sie helfen bei der Stimulierung der
Chromosomen-Duplikation. Sie bleiben aktiv bis zum Beginn der Mitose, wo sie
ebenfalls eine Rolle spielen
M-cyclins: aktivieren Cdks die den Eintritt in die Mitose am G2/M Checkpoint regulieren
CAK-Proteine (Cdk-aktivating-Kinase). An eine Cdk bindet ein Cyclin, wodurch das
aktive Zentrum das vorher von einer Proteindomäne verdeckt war, frei wird. Um Cdk
endgültig zu aktivieren ist seine Phosphorylierung durch CAK nötig.
Wee1 und CKI inhibieren die Cdc Aktivität
Cdc25 aktiviert sie wiederum
Wichtige Proteine für die Initiation der Replikation sind:
-Recognitaion complex (ORC), der den ganzen Zyklus an den ORI gebunden bleibt.
-Gegen Ende der Mitose/frühe G1 binden Cdc6 und Cdt1 an den ORC. Sie helfen beim
Laden des Mcm-proteins, welches einen Ring um die DNA bildet.
-Chohäsine halten die Schwesterchromatiden der Länge nach Zusammen.
- Zwei Untereinheiten, Smc1 und Smc3, sind coiled-coil Proteine mit einer ATPaseDomäne an einem Ende. Zusammen bilden sie eine V-Struktur.Zwei weitere Domänen,
Scc1 und Scc3, verbinden die beiden ATPase-DomänenRingstruktur
G1: Cdk-Aktivität gering, APC/C vorhanden. Bessert sich die Umwelt → Teilung möglich.
Synthese von G1/S Cyclinen, Abbau des APC/C.
S: S-Cycline → S-Cdks → Aktivierung der Replikationsmaschinerie. Starten von licensed
ORCs, zusammen mit Geminin → verhindern einer erneuten Initiation.
G2: sobald das gesamte Genom dupliziert ist, Histonsynthese und Synthese von
Chromatinfaktoren sowie alle Chromatinmodifikationen angebracht sind, werden MCycline produziert; Passieren des G2/M checkpoints
Die M-Phase
a) Prophase → Verdichtung der Chromosomen,
b) Prometaphase Die Kernhülle wird abgebaut->Mikrotubuli können an die
Kinetochore der Chromosomen binden
c) Metaphase → Anordnung der Chromosomen in der Metaphasenplatte; spindle
attachment; mad2 signalisiert (inhibitorisch), dass Kinetochor nicht verbunden ist;
metaphase-to-anaphase checkpoint verhindert Missegregation;
d) Anaphase → APC/C ubiquitiniert Securin, Separase kann nun Cohesine abbauen;
APC/C inhibiert weiters M- und S-Cycline, Cdk- Aktivität sinkt,
e) Telophase → Verkürung der Spindelfasern, Cytokinese: Kontraktiler Aktinring: 3
Hypothesen zur Ausbildung → 1) astral stimulation: im Bereich der Zellpole werden
Ringunterdrücker fixiert, 2) center stimulation: Ringförderer werden in der Zellmitte
lokalisiert, 3) astral relaxation: Ringförderer werden in Polnähe abgebaut; Bildung der
midbody Struktur,
f) Interphase → Vorbereitung auf nächsten Zyklus. ORCs, zusammen mit Geminin →
verhindern einer erneuten Initiation.
Nach Aufbau der mitotischen Spindel ist die Trennung der Schwesterchromatiden,
wofür der anaphase-promoting complex APC maßgeblich verantwortlich ist. Das
Securin wird von APC zerstört, was eine Separase freisetzt, die den Cohäsinkomplex
zerschneidet, der die Chromatiden zusammenhält.
32) Erneuerungsmechanismen der Epidermis, des Darms und der Leber.
Epidermis: Basalzellen, die in Kontakt mit der Basallamina stehen, sind multipotent
und können in Zelltypen darüber liegender Zellschichten differenzieren. Beim Verlust
des Kontakts treten sie in eine Differenzierungsphase ein, die zu terminaler
Differenzierung führt. Zuerst werden sie zu prickle cells, die sich durch
charakteristische Zell-Zell-Kontakte (Keratinbündel – Desmosom – Keratinbündel)
auszeichnen. Danach werden sie Teil der granular layer. Diese Schicht dichtet gegen
Wasser ab und schützt vor Austrocknen. Zuletzt reichern sie das Cytoplasma mit
Keratin an, sterben ab und bauen die Hornschicht auf.
Darm: Im Darmepithel finden sich Krypten und Villi. Stammzellen in den Krypten
können absorptive cells (Enterocyten), goblet cells, paneth cells und Enterendokrine
Zellen differenzieren, die in Richtung der Spitzen der Villi wandern, wo alte Zellen über
Apoptose sterben. Migration und Lokalisation der Zelltypen wird über Ephrin-Eph
signalling realisiert, so können sich Villipopulationen ( absorptive, endoenterokrin ) von
Krypenpopulationen trennen (paneth, stem). Von letzteren wird EphB exprimiert. Wnt
Signalling erhält den Stammzellcharakter aufrecht, Notch signalling ermöglicht durch
laterale Inhibition eine fleckige Verteilung von sekretorischen und absobierenden
Zellen. Limitierung der Stammzellniche: Wnt, Hedgehog, PDGF+BMP regulieren self
sustainingWnt (positive feedback). BMPL-Mutation zerstört die Organisation der
Krypten, Stammzellen wandern in die Villi aus, bleiben aber teilungsfähig.
Leber: Hepatocyten selbst und keine Stammzellen werden durch HGF zur Proliferation
angeregt, dessen Level mit zunehmendem Maß der Beschädigung des Organs
zunimmt. Andererseits schrumpft eine große Leber, die in einen kleinen Organismus
eigepflanzt wurde, auf die passende Größe. Wie genau dieses Phänomen zu Stande
kommt und wie es reguliert wird, ist ein großes Mysterium.
33) Regulation cytoskelettarer Filamente ( Mikrotubuli, Aktin, Intermediärfilamente. Nukleation, Auf- und Abbau. Zusammenhange zwischen Cytoskelettdynamik und Zellfortbewegung, Neuronenwachstum.
Microtubuli werden aus alpha und beta Tubulin aufgebaut. Das Centrosom wirkt als
microtubuli organizing center (MTOC). Es besteht aus 2 Centriolen, die von der
perizentriolaren Matrix umgeben sind. In diese sind gamma-TURCs eingelagert
(gamma- Tubulin ring complexes). gamma-TURCs führen die Nukleation von TubulinHeterodimeren durch. Sie fixieren Mikrotubuli am Minus-Ende, Verlangerung findet am
Plus-Ende statt. Microtubuli associated proteins (MAPs) stabilisieren. Tubulin kann in T-
oder D-Form vorliegen (ja nach Art des Guanidin-Nukleotids). Hat das Plus-Ende ein Tcap wachst es; wirken GAPs ein ( Hydrolyse von GTP) kommt es zu einer
blumenstrausartigen Auffächerung, der Katastrophe. Rescue factors können mit Hilfe
ihrer GEF-Aktivitat GDP gegen GTP tauschen und stabilisieren (dynamic instability).
Actin: Die Nukleation der Aktin-Monomere ist der geschwindigkeits-bestimmende
Schritt der Polymerisation. Formin (Plus-Ende) und der ARP-Komplex (Minus-Ende)
treiben die Nukleation an. Thymosin sequestriert Aktinmonomere, Profilin fordert die
Polymerisation. Verschiedene Proteine assoziieren mit den Filamenten und sorgen für
die Ausbildung höherer Strukturen wie kontraktile Stressfasern (alpha-Actinin) oder
Gele (Filamin,Spektrin) Nukleation findet an der Plasmamembran statt, wo auch
Rezeptoren lokalisiert sind Fortbewegung.
Aktinfilamentdynamik ist auch an Nukleotidhydrolyse gebunden ( ATPADP ). Beim
treadmilling wird an einem Ende depolymerisiert, am anderen polymerisiert. Die
Gesamtlange eines Filaments bleibt dabei erhalten, aber eine Fließbewegung wird
erreicht.
Intermediarfilamente bestehen aus (Bausteinen) von 2 coiled-coil-Dimeren, die sich zu
Tetrameren zusammenlagern. Es findet keine Nukleation statt, die Dynamik wird
mittels Phosphorylierung etabliert. Man unterscheidet Keratine, Vimentin-like
(Desmine Desmosomen) und Neurofilamente.
Neuronenwachstum: In der ersten Phase wird in einem Zusammenspiel von Integrinen,
die attractants und repellents aufspuren, die Wachstumsrichtung über die Ausbildung
stabiler cell-matrix-Anker, die intrazellular zur Aktinnukleation führen (focal
adhesions), vorgegeben. Anschlißend wandern Microtubuli ein, die dem Axon seine
Form geben. In Phase drei werden Neurofilamente exprimiert (NF-L + NFM oder NFH),
die die Abstände der Microtubuli bestimmen und diese crosslinken. Das Axon kann
dabei auf den 5-fachen Umfang anschwellen, was direkt Einfluss auf die
Geschwindigkeit der Impulsübertragung hat.
Zellbewegung
Das Kriechen der Zellen ist ein höchst komplexer, integrierter Vorgang, der auf der
actinreichen Rinde unter der Plasmamembran beruht. Drei unterschiedliche
Tätigkeiten sind beteiligt. Ausstülpung; wobei actinreiche Strukturen an der Spitze der
Zelle herausgestreckt werden; Anheftung, wobei das Actincytoskelett sich über die
Plasmamembran mit der Unterlage verbindet; und Zug, mit dem die Menge des
nachfolgenden Cytoplasmas vorwärts gezogen wird.
Durch die Actinpolymerisations-abhängige Ausstülpung und feste Anheftung eines
Lamellipodiums am Leitsaum bewegt sich die Zellkanta vorwärts und dehnt die
actinhaltige Zellrinde. Kontaktion an der Rückseite der Zelle treibt den Zellkörper
vorwärts und vermindert dabei die Spannung etwas. Während die Zelle vorwärts
kriecht, entstehen neue Fokalkontakte an der Vorderseite und alte werden an der
Rückseite abgebaut. Dieser Kreislauf kann sich ständig wiederholen, sodass die Zelle
schrittweise vorwärts kommt.
Filopodien, die von wandernden Wachstumskegeln und einigen Arten der Fibroblasten
ausgebildet werden. Eindimensional. Sie enthalten einen Kern aus langen,
gebündelten Actinfilamenten, ähnlich denen in Mikrovilli, aber länger, dünner und
auch dynamischer.
Lamellipodien, ausgebildet von Epithelzellen und Fibroblasten und einigen
Nervenzellen, sind zweidimensional. Enthalten die gesamte für die Zellbewegung
nötige Maschinerie
34) Beschreiben Sie Cytoskelettale Grundlagen der Muskelkontraktion sowie
Unterschiede zu Cilien/Flagellenrotation und Zellmigration!
Muskelkontraktion:
Cytoskelettbaustein setzen Myofibrillen zusammen, die in die Sarkomere als
Substruktur unterteilt sind.
Myofibrille: langes, hochorganisiertes Bündel aus Actin, Myosin und anderen Proteinen
im Cytoplasma einer Muskelzelle; kontrahiert durch ein Gleitfilamentmechanismus
Akzessorische Proteine: halten Architektur der Myofibrille aufrecht; alpha-Aktinin; Titin,
Nebulin, Myomesin; Plectin, IF (Desmin)
Sarkomer: Wiederholungseinheit einer Myofibrille und besteht aus einer Anordnung
von überlappenden dicken (Myosin) und dünnen (Actin) Filamenten
Tropomyosin/Troponin (TIC) lagert sich in groove des Aktinfilaments ein keine
Krafterzeugung moglich. Bei Ca++ Freisetzung aus den T-tubules des
sarkoplasmatischen Retikulums (Ca++-Level von Ca++-ATPase ausgeglichen), fällt
Troponin C (~Calmodulin) vom Aktin ab. MyoII (ATPase-Aktivitat) macht bei ATPBindung Konformationsanderung und bindet ein Stück weiter an Aktin. Bei Hydrolyse
des ATPKonformationsänderung zurück = Kontraktion, release des Nukleosids,
nächtes kann binden
Glatte Muskulatur: keine Troponine, dafür Calmodulin: bindet Caldesmosom → Myosin
frei.
MLCK (Myosin light chain kinase) führt eine Konformationsänderung ähnlich der in der
Skelettmuskulatur durch.
Cilien liegt das Axonem zu Grunde, eine Struktur aus 9 Mikrotubuli-Paaren, die ein
weiteres Paar in der Mitte zylinderartig umschließen. Am Axonem befinden sich
Dynein- Bindungsstellen. Werden einseitig Mikrotubuli über Dynein gegeneinander
verschoben, so biegt sich die andere Seite. Das Zurückschnalzen äußerstim
Cilienschlag, eine wellenartige Bewegung von zB. dem Lungenepithel, Spermien, …
Flagellen haben filamentöse und Motorkomponenten (Flagelline). Die Bewegung ist
eine Rotation, die durch den Influx von H+-Ionen über bestimmte Flagelline zu Stande
kommt. Flagellen kommen nur bei Organismen vor, die eine Proton Motive Force
aufbauen können (=aerobe Mikroorganismen).
Zellmigration:
Actin und -Actinin als crosslinker bilden kontraktile Stressfasen im „vorderen“ Bereich
zB eines Fibroblasten. Bei Wecheselwirkung von Integrin mit extrazellulärer Matrix
rekrutiert RhoA als Antwort auf das Integrin-Signal Talin/Vinculin; der focal complex
wird in eine focal adhesion umgewandelt. FAK baut focal adhesions im „hinteren“
Bereich ab, Integrinanker lösen sich → somit kann die Zelle das Cytoplasma weiterziehen.
35) Wie wird Muskelkontraktion ausgelöst? Schematische Darstellung einer
Myofibrille. Wie erfolgt die Relaxation, bzw wird der Ursprungszustand
hergestellt? Welche Proteine sind an der Muskelkontraktion beteiligt?
Myofibrille: langes, hochorganisiertes Bündel aus Actin, Myosin und anderen Proteinen
im Cytoplasma einer Muskelzelle; kontrahiert durch ein Gleitfilamentmechanismus
Akzessorische Proteine: halten Architektur der Myofibrille aufrecht; alpha-Aktinin; Titin,
Nebulin, Myomesin; Plectin, IF (Desmin)
Sarkomer: Wiederholungseinheit einer Myofibrille und besteht aus einer Anordnung
von überlappenden dicken (Myosin) und dünnen (Actin) Filamenten
Z-Scheibe/Streifen: Actinfilament mit dem + Ende in der Z-Scheibe verankert
Myosinköpfe, seitlich aus dem Myosinfilament herausragend, wechselwirken mit
benachbarten Actinfilamenten
erzeugen Gleitbewegung
Actinfilamente gleiten an den Myosinfilamenten vorbei
Actin- und Myosinfilamente gleiten aneinander vorbei durch Anheftung-AblösungZyklus
Verkürzung aller SerkomereMuskelkontraktion
Nach der Kontraktion vollständige Ablösung der Myosinköpfe vom Actinfilamenten
Muskel-Entspannung
Anheftung-Ablösung-Zyklus des Myosinkopfs ans Actinfilament mit gleichzeitiger ATPBindung und dessen Hydrolysierung
Myosinkopf an Actinfilament angeheftet
ATP-Bindung auf Kopf-Rückseite
Konformationsänderung
Myosinkopf-Bewegung um 5nm am Filament Richtung +Ende
ATP zu ADP und Pi hydrolysiert und fest ans Protein gebunden
neue feste Bindungsstelle des Myosinkopfs am Actinfilament
Pi Freisetzunglöst Kraftschlag aus
ursprüngliche Konformation wiederlangtADP-Verlustneuer Kreislauf
Rolle von Ca2+
Muskelkontraktion wird durch eine plötzliche Erhöhung der Ca2+-Konzentration
ausgelöst.
Ca 2+: intrazelluläres Signal, um Nachricht von außen auf interne Maschinerie der
Zelle zu übertragen, wechselwirkt mit molekularen Schalter aus spezialisierten
Hilfsproteinen
Hilfsproteine
Tropomyosin: bindet in die Furche der Actinhelix und hindert Myosinköpfe sich an das
Actinfilament anzulagern
Troponin: Proteinkomplex, enthält Ca2+ empfindliches Protein (Troponin C), beim Ca2+
Konzentrationsanstieg bindet Ca2+ an Troponin → Konformationsänderung →
Positionsänderung bei Tropomyosinmolekülen → Myosinköpfe binden an Actinfilament
→ Kontraktion
Wechselwirkung zwischen Myosin- und Actinfilamenten nur wenn Skelettmuskel ein
Signal von Nervensystem erhält:
löst Aktionspotential ausAusbreitung auf T-Tubuli
dann auf sarkoplasmatische Retikulum (SR) übertragen
enthält hohe Ca2+ Konzentration
bei el. AnregungCa2+ ins Cytosol durch Ionenkanäle abgegebenbindet an
Troponin s.o
Ende des Nervensignalskein weiterer Ca2+ Konzentrationsanstieg
SR-Pumpen pumpen Ca2+ ins SR zurück
Troponin- und Tropomyosinmoleküle in Ursprungspositionbeenden Kontraktion
36) Aktinfilamente und assoziierte Proteine in Muskel- und Nichtmuskelzellen
Helicales Proteinfilament, ca 7 nm dick, gebildet durch Polymerisation von globulären
Actinmolekülen. Besorders häufig in Muskelzellen (stabile Struktur) , sonst wie MT
instabil; polar (+/- Ende)
Hilfsproteine: verhindern Polymerisation, regulieren Länge, vernetzen Mikrotubuli. Je
nach Actin-bindenden Proteinenversch. Strukturen (steif u.. beständig: Mikrovilli;
kontraktile Bündeln; temporäre Strukturen; kontraktiler Ring: bei Teilung in 2 Hälften
einschnürt)
G-Actin: monomere Form (globuläres A) F-Actin: polymere Form (filamentöse F-Actin)
Aufgaben: Muskelkontraktion (Aktin-Myosin-Wechselwirkung); Cytoplasmaströmung;
zelluläre Fortbewegung; Zellteilung bei Tierzellen; Zellkontakt-Aufbau ; intrazelluläre
Transport Aktin-Polymerisation im Zell-Cortex ermöglicht die Fortbewegung der Zelle
(wie MT) Entlang der Akttin-Filamente können durch die Aktivität von Myosin Stoffe
(Vesikel, Proteine und auch andere Aktin-Filamente) transportiert werden.
Vergleich zu MT: polar, dünner, flexibler und kürzer, häufiger aufzufinden, länger;
Monomer (Tubulin-Dimer); Bindungsstelle für ein Nukleoid (ATP oder ADP (im Filament)
(Tubulin: GTP/GDP); parallele Protofilament (wie MT); keine kovalent verknüpfte
Polymere (wie MT); großräumige Actinstrukturen fester als einzelnes Actinfilament
Actin-bindende Substanzen:
Cytochalasine: blockieren die Polymerisation des Actins durch Bindung ans+Ende
Phalloidin: hemmt Dissoziation durch Bindung ans – Ende (hemmt Abbau) und
stabilisiert Mikrofilamente
Actinfilament im Sarkomeren: keine kurzlebige Struktur; dünnes Filament; erstreckt
sich von den Sarkomerenden (mit dem +Ende in der Z-Scheibe veramkert) nach innen
und überlappen mit den Enden der Myosinfilamente: wichtig bei der Muskelkontraktion
Actin im kontraktilen Ring: kurzlebige Struktur; zusammen mit Myosinfilamenten
überlappend; in der Anaphase aufgebaut, um Cytokinese auszuführen; mit
membranassoziieten Proteinen verknüpft; erzeugen Kräfte indem Actinfilamente am
Myosinfilamenten vorbeigleiten; wird soweit verengt, bis die Plasmamembran
fusionieren und sich die Tochterzellen voneinander trennen
37) Mikrotubuli abhängige Zellfunktionen
Aufbau: aus α und βTubulin, lange, hohle, zylindirische Struktur, mit Wand aus 13
Protofilamentenpolar, 25 nm Durchmesser; zusätzlich sind im Zentrosom γ-Tubuline
lokalisiert. Γ-Tubuline werden als Ausgangspunkt des Wachstums der mikrotubulären
Filamente beschrieben.
Tubulin: Grundbaustein der MT; Heterodimer aus 2 nahe verwandten, kugelförmigen
Proteinen, α- und β- Tubulin, durch nicht kovalente Bindung zusammengehalten.
Gerade hohle Stäbe durch Polymerisation von Tubulinmolekülen, der sofort die
Hydrolyse eines fest gebundenen GTP-Moleküls folgt.
Protofilamente: aus einandergelagerten α- und β- Tubulin-Dimeren; polar; α-Tubulin (Ende, im Zentrosom verankert; langsam wachsend) an einem Ende und β-Tubulin (+
Ende; schnell wachsend) am Anderen
MAP´s (microtubule associated proteins) MT bindende Proteine, mit denen diese in
Zellen assoziiert sind. Motorproteine treiben den intrazellulären Transport (Vesikel,
Proteine) entlang der Mikrotubuli an; bestimmen Lage des ER und Golgi-Apparates und
sind an der Oberfläche der Vesikel gebunden: in Plus-Richtung mit Hilfe der Kinesine
MT-Funktion: Intrazelluläre Transport (Vesikeln und Organellen) durch Motorproteine
(zelluläre Bewegungen)
Das Auswachsen der Axone von Nervenzellen
Die Trennung der Chromosomenpaare während der Zellteilung durch SpindelapparatAusbildung. Akzessorische Proteine werden benötigt für den : Auf-/Abbau, Bewegung,
Vernetzung, Verankerung. Mit den Mikrotubuli sind zahlreiche Proteine assoziiert:
Motorproteine, wie Dynein oder Kinesin und eine Gruppe von Proteinen mit dem
Sammelnamen MAPs, die regulatorische Funktionen wahrnehmen, stabilisieren MT
38) Molekulare Vorgänge an der neuromuskulären Synapse, Reizweiterleitung Nerv- Muskel!
Die neuromuskuläre Synapse ist eine chemische Synapse. An der präsynaptischen
Membran schüttet die Nervenzelle bei ankommendem Signal Acetylcholin aus.
vSNARE-Proteine vermitteln dabie die Fusion sekretorischer Vesikel mit der Membran.
Nach Ausschütten des Neurotransmitters und Passieren des synaptischen Spalts
binden je 2 Acetylcholinmoleküle an den Acetylcholinrezeptor, ein transmitter gated
ion channel, an der postsynaptischen Membran der Muskelzelle (20.000/μm2). Es
öffnet sich eine Pore durch Konformationsänderung des Rezeptors, bis
Acetylcholinesterase den Transmitter wieder abbaut. Der selektive Influx von Na+
depolarisiert die Membran der Muskelzelle, es kommt zur Kontraktion. Hält das Signal
länger an, inaktiviert sich der Rezeptor.
Es sind 5 Gruppen von Ionenkanälen beteiligt:
1) Ca2+ Freisetzung im Neuron aus ER → Acetylcholinausschüttung
2) Acetylcholinrezeptor → Na+ Influx im Muskel
3) voltage gated ion channel: Na+
4) Transerse (T-) tubules: voltage gated Ca2+ channel
5) Ca2+ release channels im Sarkoplasmatischen Reticulum
39) Lysosomen und Transportwege
Kugelförmiges, intrazelluläres membranumschossenes Organell; 0,1-0,8 µm; vom
Golgi-Apparat gebildet und enthalten hydrolytische Enzymen und Phosphatasen.
Hauptfunktion: intrazelluläre Verdauung von Partikeln, Makromolekülen, Organellen;
Das Innere ist stark sauer und seine Enzyme sind bei einem niedrigen (saueren) pHWert aktiv; saures Milieu (pH 3,8-4,8) wird aufrechtererhalten durch ATP-getriebene
Protonenpumpe (Transport von 2H+/pro ATP Molekül )
Lysosommembran: enthält Transportproteine (Abbauprodukte ins Cytosol); ATPgetriebene H+Pumpe (saueres Milieu zu garantieren); Membranproteinestark
glykolisiert (schützen Proteine vor Verdauung durch lysosomale Proteasen)
Entstehung
-Lysosomale Hydrolasen und Membranproteine werden im rauen ER synthetisiert und
durch
den
Golgi-Apparat
zum
trans-Golgi-Netzwerk
transportiert.
Die
Transpoertvesikel, die diese Proteine zu den späten Endosomen überbringen, knospen
vom trans-Golgi-Netzwerk ab.
- Die Vesikel nehmen lysosomale Proteine auf und schließen viele andere Proteine aus,
die dann für den Transport an einen anderen Ort in andere Transportvesikel verpackt
werden.
Lysosomen verdauen zellfremdes (Heterophagie) aber auch zelleigenes (Autophagie)
Material. Dies geschieht auch beim programmierten Zelltod (Apoptose)
Es gibt verschiedene Wege um Material zu den Lysosomen zu transportieren:
•
Endocytose (Aufnahme über coated pitsTransport zu Endosomen
•
Phagocytose (spezialisierte PhagocytenPhagosomPhagolysosom)
•
Autophagie(um überflüssige Bestandteile der Zelle selbst zu beseitigen. z.B.
Mitochondrien )
Endocytose
Transport in die Zelle duch Vesikel
Man unterscheidet zwei Formen der Endocytose je nach Größe der gebildeten Vesikel
Phagocytose („Zell-Fressen“), bei der große Partikel, wie Mikroorganismen oder tote
Zellen, in großen Vesikeln, den Phagosomen (Durchmesser meist > 250 nm)
aufgenommen werden. Die meisten eukaryotischen Zellen nehmen kontinuierlich
Flüssigkeiten und gelöste Stoffe durch Pinocytose auf.
Phagocytose
Für Protozoen Nahrungsgewinn; In Säugern spezialisierte Phagocyten (weiße
Blutkörperchen: Makrophagen, Neutrophile und Denditenzellen) Schutz vor Infektionen
Mikroorganismen werden beseitigt. Beseitigung alter und beschädigter Zellen ( pro Tag
1011 ausgediente rote Blutkörperchen) Unterschiedliche Größe (teilweise wie Phagocyt
selbst), Phagasom → Lysosom → Phagolysosom → Verdauung
Pinocytose
Konstitutiver Prozeß, läuft die ganze Zeit; Spezifische Bereiche (Coated Pits) ca 2 %
der Plasmamembran; kurze Lebensdauer, Abschnürrung von Membran; Coated Vesikel
Hülle aus Clathrin,wird abgetreift und Vesikel verschmilzt mit Endosom (pH 6);
Lysosom
40) Vesikeltransport (Exocytose, Endocytose)
Endozytose
Transport in die Zelle durch Vesikel
Phagozytose (spezialisierte Phagocyten): Mikroorganismen, tote Zellen usw.
Pinocytose(100 nm Vesikel): Flüssigkeiten und gelöste Substanzen
Die Endozytose beginnt meistens bei den clathrin-coated pits, kann aber auch in
caveolae anfangen. Fast alle Zellen verwenden die Receptor-mediated endocytosisMakromoleküle binden an transmembrane Rezeptorproteine, akkumulieren in den
clathrin-coated pits und werden als Rezeptor-Makromolekül-Komplex in clathrin-coated
Vesikeln in die Zelle transportiert und fusionieren mit den frühen Endosomen (z.B.
Cholesterol)
Die meisten Rezeptoren werden vor der Degradierung in den Lysosomen rescyled (z.B.
LDL), manche werden an eine andere Plasmamembrandomöne gebracht (Transzytose)
und manche werden in den Lysosomen degradiert (z.B EGFreceptor down regulation)
Während das frühe Endosom reift-durch Fusion mit späten Endosomen- wandert es
entlang von Mikrotubuli in das Zellinnere und verliert dabei die Recycling Vesikel.
Gleichzeitig bilden sich durch Einstülpung der Membran multivesicular bodies, die die
zu degradierenden Membranproteine für die Verdauungsenzyme in den Lysosomen
zugänglich machen. Die endozytosierten Membranproteine werden durch vier ESCRTProtein-Komplexe in die Vesikel von multivesicular bodies sortiert.
Bei der Transzytose werden Moleküle von einer Membrandomäne zu einer anderen
transportiert
Die Recycling-Endosome können regulieren wie viele Membranproteine sie freilassen,
indem sie die enthaltenen Rezeptoren speichern und nur bei einem bestimmten Signal
an die Plasmamembran transportieren
Exocytosis
Die Exozytose beinhaltet jene sekretorischen Wege die zum Zelläußeren führen.
Consitutive secretory pathway
In jeder Zelle vorhanden, läuft permanent ab
Regulated secretory pathway
In spezialisierten sekretorischen Zellen notwendig
Protein Sorting Pathways
Alle zur Sekretion fähigen Zellen müssen mindestens drei Klassen von Proteinen
unterscheiden können die das TGN verlassen
Lysosomen (Mannose-6-Phosphat Marker)
Sekretorische Vesikel
Umgehender Transport zur Zelloberfläche (kein Siganl notwendig)
Secretory Pathway
Zur Bildung von sekretorischen Vesikeln sind zwei wichtige Schritte notwendig:
In der hochionischen Umgebung des TGN sammeln sich die sekretorischen Proteine
Clathrin umhüllte Proteine verlassen das unreife sekretorische Vesikel und nehmen
Lumen mit
Bei der regulierten Exozytose können bestimmte Regionen der Plasmamembran
unabhängig voneinander funktionieren (z.B. Histamin) lokalisierte Exozytose
Die meisten Zellen in einem Gewebe sind polarisiert- sie haben ein apikale und eine
basolaterale Seite, die durch tight junctions voneinander getrennt sind.Neu
synthetisierte Proteine können (ihre richtige Plasmamembrandomäne entweder direkt
(durch Sortierung im TGN) oder indirekt falsch transportierten Proteine werden durch
Transzytose zur richtigen Domäne gebracht) erreichen.
Nerven Zellen haben zusätzlich zu den sekretorischen Vesikel auch synaptische
Vesikel. Sie speichern die Neurotransmitter-Moleküle, die sofort freigelassen werden,
wenn die Ca2+ Konzentration steigt. Da sie sehr schnell recycled werden müssen,
werden sie nach der Endozytose gleich wieder mit Neurotransmittern gefüllt, ohne
davor mit den Endosomen zu fusionieren.
41) Was versteht man unter einem cytoskelettären Motorprotein? Erklären
Sie anhand dreier Beispiele den strukturellen Aufbau, ihre Aufgabe und den
Mechanismus der Fortbewegung am Filament.
Motorproteine nutzen die Energie aus der Hydrolyse von ATP, um auf Mikrotubuli oder
Actinfilamenten entlangzuwandern
Drei Typen:
· Myosin
. Funktionales Myosin besteht aus mehreren Aminosäureketten:
* einer schweren Kette (heavy chain) sowie
* einer unterschiedlichen Anzahl von leichten Ketten.
Aktin bindend, bilden bipolare coild-coild Strukturen, wandern in Richtung des PlusEndes des Aktinfilaments
· Kinesin
Der Kinesinkomplex besteht aus zwei schweren Proteinketten und zwei leichten
Proteinketten
Kinesin kommt zusammen mit Dynein an Mikrotubuli-Filamenten (Bestandteil des
Cytoskeletts) als Transporter von Vesikeln und anderen Molekülen vor.
binden an Mikrotubuli und wandern ebenfalls in Richtung plus Ende
· Dyneine
Der Dyneinkomplex besteht aus zwei schweren Proteinketten und weiteren
Bestandteilen. Das Dynein-Protein selber besteht aus einer Kopfregion, welche an
Mikrotubuli binden kann, sowie einem Schwanzteil, der mit anderen Proteinen
interagieren kann
binden an Mikrotubli wandern aber in Richtung minus Ende
Dynein kommt zusammen mit Kinesin an Mikrotubuli-Filamenten (Bestandteil des
Cytoskeletts) als Transporter von Zellorganellen und Vesikeln vor. Zudem werden die
Flagellen und motile Cilien erst durch Dynein als Bestandteil beweglich und
ausrichtbar.
Die Beweglichkeit von Cilien (z.B. in unserem
Atmungstrakt) und Flagellen (Spermien,
Einzellern) basiert auf Mikrotubuli und Dynein.
Der bewegliche Kern wird als Axonem
bezeichnet und besteht aus Mikrotubuli, die
durch akzessorischen Proteinen in einem sog.
„9+2-Muster“ lateral miteinander verbunden
sind.
Flagellen finden sich an Samenzellen und
vielen Protozoen. Durch ihre wellenförmige
Bewegung ermöglichen sie es der Zelle, an
der sie angeheftet sind, durch flüssige Medien
zu schwimmen. Cilien und Flagellen der
Eukaryoten werden durch Basalkörper fest in
der Zelloberfläche verankert.
Der Zyklus struktureller Änderungen während der Wanderung des Myosins antlang
dem Actinfilament
42) NMJ (Neuromuscular Junction)
a) Beschreiben Sie die molekularen Vorgänge bei der Signalübertragung an
der Neuromuskulären Synapse. (siehe Frage 38); b) Am Ende der Signalübertragung kommt es zur Kontraktion von Myofibrillen. Zeichen Sie den
schematisch den Aufbau von Myofibrillen. Welche Proteien sind bei der
Muskelkontraktion involviert? (siehe Frage 35); c) Wie wird die Relaxation
der Myofibrillen wiederhergestellt? (Siehe Frage 35)
43) Funktionen und molekularer Aufbau der extrazellulären Matrix
Eigenschaften
Große Menge im Vergleich zu Zellen, ähnliche Komponenten im Tierbereich
Von Fibroblasten sezerniert (Chondrblasten, Osteoblasten)
Verhalten von Zellen: Gestalt, Funktion, Migration, Überleben Entwicklung
Biogene Materialien: Knochen, Zähne, Cornea, Sehnen, Chitinpanzer
Substanzklassen: Glucosaminoglykan (GAG), Proteoglykan (95% Zucker, 5% Protein)
Faserproteine: Collagen, Elastin, Fibronectin
Epidermolysis bullusa-mechanischer Anker defekt
Komponenten
Glucosaminoglykan: 4 Gruppen, Sulfatreste, negative Ladung
-Hyaluronan-Embyogenese: Modellierung von Holhstrukturen (Herzmuskel)
-Chondroitinsulfat/Dermatansulfat-Knorpel, Coulomb´sche Abstoßung
-Heperansulfat
-Keratansulfat
Proteoglykan: core protein, linker tatrasaccharid, GAG
-Co-Rezeptor- Verteilung von Signalstoffen, Wachstumsfaktoren
Collagen
-Synthese: a) Pro-α-chain im ER hydrolxyliert und glykosyliert, b) self assembly, c)
Triplehelix in sekretorsschem Vesikel, d) Sekretion des Procollgens, e) Proteolyse der
Propeptide, f) FibrilleSelbstassemblierung wegen geringerer Löslichkeit
- Fibroblasten regeln Orientierung der ECM
Elastin- Gummiartige Eigenschaften (5-fach bessere Elastizität)
-Tropoelastin (precursor)
-Fibrillin (scaffold)
-Marfan´s Syndrom
Fibronectin-Vermittlung von Kontakt zwischen Matrix und Zelle
-50 Exons, viele Splice-Varianten
- Type III Fibronectin repeat-Konpetitieren mit Gerinnungsfaktoren um Bindung an
Zellen ( kommt auch andere Proteinen vor)
-RGD-Motiv: Identifikation mittels synthetischer Peptide (Arg-Gly-Asp)
-Kulturboden beschichten: in vivo Bedingungen nachahmen; Venom von Schlangen
Turn over-Dynamische Degradation
-Matrix-Metalloproteasen, Serinproteasen
-Regulation: (a) local activation, (b) receptor confinement,( c)secretion of inhibitors
-Implikationen für Tumor-Metastasierung
Funktionen
* Formgebung von Geweben und Organe
* Wassergehalt der Gewebe
* Elastizität der Gewebe
* Zugfestigkeit und Stabilität der Knochen, Sehnen und Bänder
* Zytokinreservoir
* Signaltransduktion in Geweben
* Verankerung und Polaritätsvorgabe für Zellen
* Beeinflussung von Wundheilungsprozessen
* Filterleistung der Niere aufgrund ihrer speziellen Basalmembranen
44) LDL Rezeptor und Zusammenhang mit Herzinfarkt
Viele tierische Zellen nehmen Cholesterin durch Rezeptor vermittelte Endocytose auf.
Ist die Aufnahme blockiert, häuft sich das Cholesterin im Blut an und kann dort zur
Bildung von atherosklerotischen Plaques beitragen. Das sind Ablagerungen aus Lipiden
und faserförmigen Gewebe, die den Blutfluss blockieren und damit Schlaganfälle und
Herzinfakte verursachen können.
Cholesterin wird im Blut vorwiegend als Cholesterinester in Form von Lipid-ProteinPartikeln, den so genannten Low-Density-Lipoproteinen (LDL) transportiert. Sobald
eine Zelle Cholesterin für die Membransynthese braucht, synthetisiert sie
Transmembran-Rezeptorproteine für LDL und setzt sie in ihre Plasmamembran ein.
Dort diffundieren die LDL-Rezeptoren zunächst hin und her und lagern sich dann mit
neu entstehenden beschichteten Vertiefungen zusammen. Da sich die beschichteten
Vertiefungen ständig von der Membran abschnüren und Clathrin beschichtete Vesikel
bilden, werden LDL-Partikel, die an die LDL-Rezeptoren gebunden haben, sehr schnell
ins Zellinnere aufgenommen. Nach dem Entfernen der Clathrinhülle bringen die
beschichteten Vesikel ihren Inhalt zu den früheren Endosomen, die sich nahe der
Zellperipherie aufhalten. Sobald die LDL und ihre Rezeptoren auf das sauere Milieu
(pH≤6) der Endosomen treffen, werden die LDL von ihren Rezeptoren abgelöst und
mithilfe der späten Endosomen zu den Lysosomen transportiert. Dort werden die
Cholesterinnester der LDL zu freiem Cholesterin hydrolysiert, das nun der Zelle für die
Membransynthese zur Verfügung steht. Häuft sich ein Überschuss von freiem
Cholesterin in der Zelle an, schaltet die Zelle sowohl die Cholesterinsynthese als auch
die Synthese der LDL-Rezeptorproteine aus, stoppt also Synthese und Aufnahme des
Cholesterins.
Dieser regulierte Aufnahmeweg für Cholesterin ist bei Patienten, die ein defektes LDLRezeptorprotein-Gen ererbt haben, unterbrochen.
45) Welche Bereiche eines Proteins sind schwer zu bestimmen mittels
Kristallstrukturanalyse
Aus der Aminosäuresequenz eines Proteins kann man häufig vorhersagen, welche
Sekundärstrukturelemente, z.B. Membran überbrückende α-Helices, in einem Protein
zu finden sind. Derzeit ist es allerdings noch nicht möglich, die dreidimensionale
Faltungsstruktur eines Proteins aus seiner Aminosäuresequenz vorherzusagen. Es
besteht eine starke Sequenzhomologie zu einem Protein, dessen dreidimensionale
Struktur bereits bekannt ist.
46) Nucleationskeime von Cytoskelett (also das mit MTOC und ARP)
Während α- und β-Tubuline die normalen Bausteine der Mikrotubuli sind, hat das γTubulin eine spezialisierte Funktion. Dieses Protein nimmt an der Keimbildung für das
Wachstum von Mikrotubuli teil. Die Keime für Mikrotubuli werden immer an einen
bestimmten intrazellulären Stelle, dem Mikrotubuli organisierenden Zentrum MTOC
gelegt. Die Keimbildung der Mikrotubuli findet an ihrem Minus-Ende statt; die Plus
Enden wachsen aus dem MTOC. Das Centrosom ist das Haupt-MTOC der Tierzellen. Im
Cytoplasma liegt es nahe dem Kern, besteht aus einen amorphen Proteinmatrix,
darunter dem γ-Tubulin- Ringkomplex, an dem das Wachstum von Mikrotubuli beginnt.
Die Centriolen gliedern die Centrosomenmatrix, und stellen sicher, dass sie bei jedem
Zellzyklus zusammen mit den Centriolen verdoppelt wird.
Im Gegensatz zur Keimbildung der Mikrotubuli, die sich im Cytoplasma in der Nähre
des Kerns vollzieht, findet die Keimbildung der Actinfilamente an der Plasmamembran
statt. Die Keimbildung wird durch einen Proteinkomple katalysiert, der zwei Actinverwandte Proteine, oder ARPs. Die ARPs sind mit Actin zu etwa 45% identisch.
Sobald ein Cytoskelettfilament durch Keimbildung und Wachstum gebildet wurde,
werden seine Stabilität und seine mechanischen Eigenschaften durch eine Reihe
Proteine beeinflusst. Die Proteine werden unter dem Sammelbegriff Mikrotubuli
assoziierte Proteine oder MAPs zusammengefasst. Cofilin destabilisiert die
Actinfilamente und kann sowohl an Actin in der Filamentform als auch an die freie
Untereinheit binden. Plectrin ist ein besonders interessantes quer vernetzendes
Protein und bündelt nicht nur Intermediärfilamente, sondern knüpft die
Intermediärfilamente auch an Mikrotubuli. Fimbrin, Filamin, Spectrin und α-Actinin
besitzen zwei Bindungsstellen für Actin. Villin hilft, zusammen mit Fimbrin, die 20-30
Actinfilamente eng zu bündeln, die Mikrovilli gefunden werden. Filamin ruft die
Bindung eines Iosen und sehr viskosen Gels hervor, indem es zwei Actinfilamente
zusammenhält.
47) Entwickung von Ei und Spermien
Eier entwickeln sich in Stadien aus primordialen Keimzellen, die während der frühen
Embryogenese in die Gnodenanlage einwandern. Dort gehen Oogonien aus ihnen
hervor. Sie vermehren sich für einige Zeit mitotisch und differenzieren sich dann zu
primären Oocyten, die in die meiotische Teilung I eintreten und je nach Art für Tage bis
Jahre in der Prophase I verharren. Während dieser Wartezeit wachsen die Oocyten
heran, synthetisieren eine Hülle und speichern Ribosomen, mRNAs und Proteine.
Häufig unterstützen sie dabei andere Zellen- beispielsweise akzessorische Zellen aus
der Umgebung. Im folgenden Reifungsprozess beenden die primären Oocyten die
meiotische Teilung I und bilden ein kleines Polkörperchen sowie eine große sekundäre
Oocyte. Sie entwickelt sich zunächst bis zur Metaphase der meiotischen Teilung II
weiter: Bei vielen Arten unterbricht die Oocyte den Zellzyklus an diesem Punkt, und
erst die Befuchtung stimuliert sie, die Meiose zu vollenden. Anschließend kann dann
die Embryonalenentwicklung beginnen.
Ein Spermium ist gewöhnlich eine kleine kompakte Zelle, die hoch spezialisiert dafür
ist, ein Ei zu befruchten. Während beim Menschen im weiblichen Organismus der
gesamte Vorrat an Oocyten bereits vor der Geburt gebildet wird, treten beim Mann ab
der Geschlechtsreife kontinuierlich immer wieder neue Keimzellen in die Meiose ein.
Aus jeder diploiden primären Spermatocyte gehen vier haploide reife Spermien hervor.
Die Spermiendifferenzierung erfolg, nachdem die Meiose abgeschlossen ist und dauert
beim Menschen fünf Wochen. Da die reifenden Spermatogonien und Spermatocyten
keine vollständige Cytokinese durchführen, entwickelt sich die gesamte
Nachkommenshafts eines Spermatogoniums als großes Syncytium. So kann die
Spermiendifferenzierung von den Produkten beider elterlichen Chromosomensätze
gesteuert werden, obwohl jeder Zellkern für sich haploid ist.
48) Zelluläre Verbindungskomplexe/ Zell-zell Verbindungen
Zell/Zell-Verbindungen kann man in drei funktionelle Gruppen unterteilen:
1)
Undurchlässige Verbindungen dichten Zellen in einem Epithel untereinander ab,
sodass selbst kleine Moleküle nicht mehr von einer Seite der Schicht in die andere
übertreten können.
- Tight Junctions (nur in Vertebraten)
Versiegelt benachbarte Zellen in einer Epithelzellschicht, um das Austreten von
Molekülen zwischen ihnen zu verhindern
- Septumverbindungen (nur in Invertebraten)
Haben eine wesentlich regelmäßige Struktur als die Tight Junctions und bilden ein
Band um jede Epithelzelle.
2)
Ankerverbindungen verbinden Zellen (und ihr Cytoskelett)mechanisch mit ihren
Nachbarzellen oder der extrazellulären Matrix
Anheftungsstellen für Actinfilamente
-Zell/Zell- Verbindungen (Adhäsionsverbindungen) verbindet ein Actinbündel einer
Zelle mit einem gleichartigen Bündel einer Nachbarzelle
-Zell/Matrix-Verbindungen (Fokaladhäsion) ermöglichen Zellen, sich an die extrazelluläre Matrix über Integrine anzuheften, die intrazellulär mit Actinfilamenten verbunden sind.
Anheftungsstellen für Intermediärfilamente
-Zell/Zell-Verbindungen (Desmosen)
verbindet Intermediärfilamente einer Zelle mit denen der Nachbarzelle
-Zell/Matrix-Verbindugen (Hemidesmosen)
verankert Intermediärfilamente einer Zelle mit der Basalmembran
3)
Kommunizierende Verbindungen vermittteln den Durchschnitt chemischer oder
elektrischer Signale von einer Zelle zu ihrem Interaktionspartner.
-Gap Junctions
Erlaubt den Durchtritt kleiner wasserlöslicher Moleküle und Ionen
-Chemische Synapsen
-Plasmodesmata (nur in Pflanzen)
Ähnlich wie Gap Junctions und können das Cytoplasma benachbarter Zellen direkt
miteinander verbinden
4) → Adhäsionsverbindungen und Desmosomen vernieten Zellen miteinander und
werden von Cadherinen gebildet. Fokaladhäsionen und Hemidesmosomen dagegen
verbinden Zellen mit der extrazellulären Matrix und bestehen aus Integrinen. Gap
Junctions sind kommunizierende Verbindungen, die aus mehreren Connexonen
bestehen, die Molekülen unter 1000 Da die Passage von Zelle zu Zelle erlauben.
Zellen, die über Gap Junctions miteinander gekoppelt sind, haben viele anorganische
Ionen und kleinere Moleküle gemeinsam, sind also chemisch und elektrisch
miteinander gekoppelt.
49) Molekulare Mechanismen der Chromatidentrennung
Die Anaphase beginnt mit einem plötzlichen Aufreißen der Verbindung zwischen den
Schwesterchromatiden, wodurch diese sich trennen und in Richtung entgegengesetzter Spindelpole bewegen können.
Dieser Metaphase/Anaphase-Übergang wird durch die Aktivierung des Anaphase
fördernden Komplexes (APC) ausgelöst. Sobald dieser proteolytische Komplex aktiviert
wurde, spaltet er und inaktiviert das M-Phase-Cyclin (M-Cyclin) und inaktiviert damit
M-Cdk. Und APC spaltet auch ein Hemmprotein (Securin), wodurch eine als Separase
bezeichnete Protease aktiviert wird. Die Seperase spaltet daraufhin eine Untereinheit
im Cohesinkomplex und löst die Verklebung zwischen den Schwesterchromatiden. Die
Schwesterchromatide trennen sich sofort und bewegen sich zu den entgegengesetzten
Polen.
50) Der Zellkern stellt den Hauptsyntheseort von RNA und DNA dar.
a) Beschreiben Sie den Aufbau der Kernhülle.
b) Was passiert mit der Kernhülle während der Schritte der Mitose ?
c) Wie werden Makromoleküle in und aus dem Kern transportiert?
d) Welche Rolle spielen GTPasen bei diesem Prozess?
e) Mit Hilfe welches Versuches können Sie beweisen, dass ein bestimmtes
Protein in den Kern transportiert wird?
(z.B. Das normale T-Antigen-Protein umfasst die ganze Lysinreiche Sequenz und wird
folglich zu seinem Wirkort in den Zellkern importiert. T-Antigen mit einer veränderten
Kernlokalisationssequenz (ein Threonin ersetzt einen der Lysinreste) verbleibt im
Cytosol)
Die Zellkernhülle besteht aus einer inneren und einer äußeren Kernmembran. Die
äußere Kernmembran setzt sich in der Membran des Endoplasmatischen Reticulums
fort, und der Raum zwischen innerer und äußerer Kernmembran bildet mit dem ERLumen ein Kontinuum.
RNA-Moleküle, die im Kern hergestellt werden, und Ribosomenuntereinheiten, die im
Zellkern aus RNA und Proteinen zusammengesetzt werden, werden dann in das
Cytosol exportiert, während alle Proteine, die im Zellkern Dienst tun, im Cytosol
synthetisiert und dann in den Zellkern importiert werden. Der ausgedehnte
Materialaustausch
zwischen
Zellkern
und
Cytosol
vollzieht
sich
durch
Kernporenkomplexe, die einen direkten Durchgang durch die Kernhülle bilden.
Proteine mit Kernlokalisationssignalen werden aktiv durch die Kernporen nach innen
transportiert, während RNA-Moleküle und neu zusammengebaute Ribosomenuntereinheiten Kernexportsignale tragen, die ihren gerichteten, aktiven Transport aus
dem Zellkern heraus veranlassen. Einige Proteine (unter ihnen die Kernimport- und –
exportrezeptoren) pendeln unaufhörlich zwischen Cytosol und Zellkern hin und her. Die
GTPas Ran verhilft den Transportvorgängen des Zellkerns zu ihrem Richtungssinn. Der
Transport von Kernproteinen und RNA-Molekülen durch die Porenkomplexe kann
durch die Verweigerung des Zugangs zum Transportapparat reguliert werden. Da
Kernlokalisationssignale nicht entfernt werden, können Zellkernproteine wiederholt
importiert werden, wie z.B. bei der Wiederherstellung des Zellkerns nach jeder Mitose
notwendig wird.
Die Lokalisation von Ran-GDP im Cytosol und Ran-GTP im Zellkern ergibt sich aus der
differenziellen Lokalisation zweier Ran-regulatorischer Proteine : Ran-GAP (Ran-GTPase
aktivierendes Protein) findet sich im Cytosol, und Ran-GEF (Ran-Guanin-NucleotidAustauschfaktor) ist Chromatin-gebunden und findet sich daher im Zellkern
51) Erklären Sie folgenden Begriffe: Cre-Lox, floxen, Gewebespezifisch
Induzierbarer Promoter, DNA-Micro-Array, Genetic Screening
52) Erklären Sie folgenden Begriffe: Site-directed Mutagenesis, Transgener
Organismus, Locus, Allel, Knock-in, Dominant Negative Mutation
Der Locus oder Genlocus (Genort) ist die physische Position eines Gens im Genom.
Besteht das Genom aus mehreren Chromosomen, ist der Genlocus der Ort auf dem
Chromosom, auf dem sich das Gen befindet. Verschiedene Ausprägungen oder
Varianten dieses Gens werden als Allele bezeichnet, die sich alle an der gleichen Stelle
auf dem Chromosom, nämlich dem Genort befinden.
Transgener Organismus: Tiere oder Pflanzen in deren Zellen man Gene aus einem
anderen Organismus eingeschleust hat und die die Fremdgene stabil in ihr Genom
integriert haben und exprimieren. Das eingeführte Fremdgen wird als Transgen
bezeichnet.
Site-directed Mutagenesis: Bei der ortsspezifischen oder gezielten Mutagenese (engl.
site-directed mutagenesis) wird mit Hilfe der Rekombinanten DNA eine gezielte
Veränderung der DNA ermöglicht. Es können damit gezielt einzelne Nukleinbasen
eines Gens ausgetauscht oder auch ganze Gene entfernt werden. Dieses Verfahren ist
eine inzwischen weit verbreitete Methode in der Molekularbiologie, welches von der
Veränderung eines Gens auf einem Plasmid bis hin zur Knockout-Maus reicht.
53) Acetylcholinrezeptor, Aktionspotential, Axon/Dentrit, gliale Zelle,
Myelinscheide, Schwansche Zellen, Ranviersche Schnürringe, Long-term
potentiation, neuromuskuläre juncions, Oligodendrozyt, Stickoxid (NO), FACS