Zellbio WS 200405
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Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Zellbiologie WS 2004/05 1 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina ENTSTEHUNG DES LEBENS Frage nach der Entstehung des Lebens = Frage nach der Entstehung der Prokaryoten. Erste Organismen entstanden zwischen 4 Milliarden Jahren, als sich Erdkruste zu verfestigen begann, und 3,5 Milliarden Jahren, als der Planet bereits mit zur Bildung von Stromatolithen befähigten Bakterien bewohnt war. Erste Zellen- Chemische Evolution Hypothese: Leben hat sich aus lebloser Materie entwickelt, die zunächst molekulare Aggregate bildete, diese Gebilde waren vielleicht zu Replikation und Stoffwechsel befähigt. Lösung des Paradoxons der Biogenese Entstehung des Lebens aus unbelebter Materie = URZEUGUNG - diese Theorie wurde spätestens durch die Versuche Pasteurs mit flüssiger Nährlösung verworfen. Nach heutigen Erkenntnissen entsteht alles Leben auf der Erde durch Reproduktion bereits existierenden Lebens = Biogenese Aber wie entstanden die ersten Organismen? Wären sie durch Biogenese entstanden, können sie nicht die ersten gewesen sein. Heute gibt es auf der Erde keine Hinweise für spontane Entstehung von Leben, aber damals waren die Bedingungen auf der Erde noch ganz anders: wenig atmosphärischer Sauerstoff für Oxidationsprozesse, intensivere Energiequellen, wie Licht UV- Strahlung und vulkanische Tätigkeit. Auf dieser Erde mit den besonderen Eigenschaften entwickelte sich das Leben. („Panspermie Hypothese“- Leben kam durch einen Meteoriten auf die Erde) Chemische Evolution- Eine vier Stadien Hypothese der Entstehung des Lebens Chemische und physikalische Prozesse auf der sehr jungen Erde hätten dazu geführt, dass schrittweise einfache Zellen entstanden. Populäres Szenario: die ersten Organismen entstanden im Verlauf einer chemischen Evolution in vier Stadien: 1. Abiotische Synthese und Akkumulation organischer Moleküle, darunter die späteren Biomonomere wie Aminosren und Nucleotide 2. Verknüpfung dieser Monomere zu polymeren Makromolekülen, darunter Proteine und Nucleinsren 3. Entstehung selbst replizierender Moleküle, die eine Vererbung von Eigenschaften zuließen- RNA (80er- RNA- Moleküle haben katalytische Aktivität = heutige Ribozyme) 4. Verpackung all dieser Moleküle in „Protobionten“, d.h. membranumhüllte Vesikel, deren inneres andere chemische Eigenschaften aufwies als ihre Umgebung. Vorläufer der lebenden Zellen = Protobionten- bildeten sich durch Aggregation von abiotisch entstandenen Makromolekülen und waren nicht zur exakten Reproduktion imstande. Jedoch bildeten sie einen von der Umgebung abgeschlossenen chemischen Reaktionsraum und zeigten für das Leben charakteristische Eigenschaften wie Stoffwechsel und Erregbarkeit. Sie könnten sich spontan aus org. Verbindungen abiotischen Ursprungs gebildet haben. -> Protobionten- Modelle: Koazervate, Mikrosphären, Liposomen. Experiment von Miller und Urey zur Entstehung der org. Verbindungen. Die Atmosphäre bestand, laut Miller, aus H2O (Wasserdampf), H2, CH4 (Methan), und NH3 (Ammoniak). Zur Simulation von Blitzen wurden im Gasgemisch Funken entladen. Ein Kühler kondensierte den Wasserdampf ; das Wasser und die darin gelösten Substanzen wurden in das Miniaturmeer zurückgeführt. Während der Zirkulation der Stoffe durch die Apparatur nahm die zunächst klare Lösung eine dunkelbraune Färbung an. Nach einer Woche analysierte Miller und Urey den Innhalt der Lösung und fanden viele organischen Verbindungen, darunter waren auch Aminosren, die Bausteine der Proteine. Endprodukte: Lipide, Carbonsren, Aminosren 2 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Bei trockener Erhitzung Geschehen auf Festland nachgestellt- neue org. Verb:, darunter Purin-, und Pyrmidinbasen.. Die RNA- Welt Thomas Cech- RNA- Moleküle können katalytische Wirkung haben- heute Ribozyme (= relativ kurze RNAKette. Sind Infoträger für ihre dynamisch variable Eigenstruktur und agieren wie Enzyme als Biokatalysatoren für diese ihnen eigene Dynamik.). Verpackung primitiver RNA- Gene und der mit ihrer Hilfe gebildeten Polypeptide in einem membranumhüllten Raum = wichtiger Meilenstein in der Geschichte des Lebens. Die dort stattfindende Zusammenarbeit von Nucleinsren und Proteinen ermöglicht die biologische Evolution. Nachdem dieser Schritt vollzogen war, konnten sich Protobionten in eigenständige Einheiten entwickeln. RNA- Moleküle polymerisierten in den Protobionten Aminosren und Enzyme die innerhalb des Protobionten für verschiedene Reaktionen, einschließlich der Replikation der RNA genutzt wurden. Die erfolgreichsten Protobionten konnten wachsen, sich teilen und ihre Kopie den Nachkommen weitergeben. Nachkommen variieren aufgrund von Mutation (Kopierfehler der RNA). Wie durch zyklische Reaktionsfolge zwischen präbiotischen Nucleinsren und Proteinen replikative Systeme entstanden und damit chemische Evolution in eine biologische überging, beschreibt der Hyperzyklus von M. Eigen von da ab erfolgte Evolution im darwinistischen Sinne (unterschiedliche. Reproduktionserfolg von sich unterscheidenden Individuen einer Population) Hyperzyklus: beschreibt eine Reaktionskette. Er symbolisiert einerseits eine Wachstumsfunktion, andererseits aber auch einen Regelkreis (mit Rückkopplung). Beide Eigenschaften hängen ursächlich miteinander zusammen; eine Rückkopplung ist die wohl wichtigste Voraussetzung von Selbstverstärkereffekten. Kleine Ursachen können daher große Wirkungen auslösen, und damit sind wir einen weiteren wesentlichen Schritt auf dem Weg vom Einfachen zum Komplexen vorangekommen. Transkription führt zu Tarnslation von Proteinen (Polymerasen)-> kurbeln durch Replikation des Genoms auch Transkription an. Weitere notwendige Schritte zur Entstehung des Lebens: - Kompartimentierung - Entsehung von DNA → Entstehung eines Progenoten (Vorläufer der prokaryotischen Zelle, Vorläufer Der Urzelle) Erste Organismen Autotroph 1. Chemolithotroph 2. Chemoorganotroph 3. Photptroph Anaerobe Energiegewinnung (1.Schwefelatmung,.Methanbildner 2.Fermentation) Photosynthese: grüne purpurne Schwefelbakterien (=1. Photosystem) Cyanobakterien und grüne Pflanzen ( = 2. Photosystem) →Bldg. Sauerstoffhaltiger Atmosphäre (Entstehung der Ozonschicht-Bldg. Von O3 aus O2) heterotroph Mögliche Energiequellen: FeS FeS2 FeCO3 Aerobe Energiegewinnung aerober Stoffwechsel Eisensulfid Eisendisulfid Eisencarbonat 3 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Die Uratmosphäre war praktisch O2 frei. Da die Photosynthese, durch photosynthetisch aktive Cyanobakterien hervorgerufen, O2 freisetzt, hätte sich ein steter Wandel von der reduzierenden Uratmosphäre in eine oxidierende sauerstoffhaltige Atmosphäre vollziehen müssen. Die Photolyse des Wassers durch ionisierende Strahlung und UV- Licht hätte ein übriges beitragen müssen. Dennoch glaubt man, dass der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre erst später anstieg. Die einzigen photosynthetisch aktiven Prokaryoten, die Sauerstoff freisetzten, sind die Cyanobakterien (Organismengruppe die vor 2,7 Milliarden Jahren entstand). Der Hauptteil des atmosphärischen Sauerstoffs ist biologischen Ursprungs und stammt aus der Wasserspaltung während der Photosynthese. Nachdem die Sauerstoff produzierende Photosynthese entstanden war, löste sich der molekulare Sauerstoff im die Cyanobakterien umgebenden Wasser, bis Meere und Seen mit Sauerstoff gesättigt waren. Weiterer Sauerstoff reagierte mit dem gelösten Eisen und fiel als Eisenoxid aus, aus diesen marinen Sedimenten entstanden gebänderte Eisenformationen, rote Gesteinsschichten, die reich an Eisenoxid sind und heute wertvolle Eisenerzvorkommen bilden. Tatsachen dass Atmosphäre früher anaerob war: Erster Sauerstoff in Uraninit (UO2) kommt nur in Gestein vor, das älter als 2 Milliarden Jahre ist der Atmosphäre vor 2 Mrd. Jahren Gebänderte Einsenformationen [(Fe3O4) ˉ] wurden vor ca. 2 Milliarden Jahren abgelagert Erste Heterocysten sind vermutlich ca. 2 Milliarden Jahre alt Als alles gelöste Eisen ausgefällt war, begann der Sauerstoff aus den Gewässern auszugasen (Rotfärbung in eisenreichen terrestrischen Gesteinen, sie begann vor etwa 3,5 Milliarden Jahren). Cyanobakterien sind sehr früh entstanden, vor ca. 3,5 Milliarden Jahren, zugleich bildeten sich mikrobielle Matten, aus denen Stromatolithen entstanden. Akkumulation von atmosphärischem Sauerstoff nahm in der Zeit zwischen 2,7 und 2,2 Milliarden Jahren zu, schoss dann plötzlich auf einen Wert, um 10% höher als heute- dies hatte großen Einfluss auf das Leben. - Die ersten Lebewesen waren Prokaryoten, d.h. sie waren einzellig und mikroskopisch klein. Die ersten Prokaryoten waren Bakterien, die Photosynthese betrieben- Cyanobakterien. Entstehung der eukaryotischen Zelle: Hypothesen: - karyogene Hypothese - endokaryogene Hypothese - Endosymbionten- Hypothese – Verschmelzung eines Eubakteriums mit einem Archaebakterium Modell zur Entstehung eines Eukaryoten: 1. ursprünglicher Prokaryot- mit Plasmamembran, DNA und Cytoplasma → die Plasmamembran entfaltete sich 2. es entstand eine Zelle mit Kern und innerem Membransystem (Kern, ER, Kernhülle) 3. ein aerober, heterotropher Prokaryot wurde aufgenommen- entspricht den entstehenden MITOCHONDRIEN Ein ursprüglicher heterotropher Eukaryot Aufnehmen eines photoautotrophen Prokaryoten in manche Zellen → PLASTIDEN = ursprünglicher photosynthetischer Eukaryot Vermutete Stammform der Eukaryota: - glattes raues ER - Kernhülle - Chromosomen - Mitotischer Teilungsapparat - Mikrofilamente - 70S Ribosomen Vermutlich - nicht vorhanden: Mitochondrien Flagellen Dictyosomen 4 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina PROKARYOTEN EUKARYOTEN Entstehung von Vielzelligkeit und von Geweben: Zellteilungskolonien, in denen die sich teilenden Zellen mittels einer extrzellulären Matrix, einen ersten vielzelligen Organismus bilden Aggregationskolonien: in denen einzelne Zellen einer Art durch gerichtetes Zusammenwandern eine erste Vielzellerkolonie bilden. Syncytium Die Zelle Unterschied Prokaryotenzelle Eukaryotenzelle 5 Zellbiologie WS 2004/05 Prokaryoten ohne Zellkern einzellig Genom frei im Cytoplasma Fehlen einer inneren Kammerung besteht nur aus Cytoplasma, von Zellmembran umhüllt Fehlen eines Cytoskeletts Bakterien, Cyanobakterien kleiner wenige oder keine Organellen Hell Katherina Eukaryoten mit Zellkern meist mehrzellig DNA liegt im Zellkern, abegesondert vom Rest der Zelle Cytoplasma enthält mehrere mem branumgrenze Kammern mit abgegrenzten Funktionsabläufen Cytoskelett zur Verstärkung und Kontraktion Protisten, Pilze, Pflanzen, Tiere größer Kern, Mitochondrein, Plastiden,ER Arten von Bakterien: Kokkus, Bacillen, Spirillen, Die Bakterienzelle: - kein membranumhüllter Kern Fehlen eines echten Endomembransystems Genom frei im Cytoplasma Genom= Aggregat von ringförmigen DNA Doppelsträngen Frei im Cytoplasma liegende Ribosomen Pili zur Ausscheidung genetischen Materials Kapseln: weitere (Zellwand oft auch Membran) schützende Hülle um Zellwand, ermöglicht Anheften an Substrat, Schutz vor Abwehrsystem des Wirts Geißel: - zur Fortbewegung - Aufbau: lineares Aggregat von Proteinen (Flagellin) ohne Membranumhüllung. Sie ist in kreisförmiger Proteinplatte in der Zellmembran verankert, rotiert unter ATP- Verbrauch Monopolar- monotrich Monopolar- polytrich Bipolar- polytrich Peritrich Zellwand: aus Murein Antibiotika: Penicillin hemmt deren Aufbau Ribosomen Bldg der Ribosomen, frei im Cytoplasma. Werte sind kleiner als bei Eukaryoten, kleinere Ribosomen als bei Eukaryoten, enthalten weniger Proteinmoleküle Gramfärbung Geeignet, um Eubakterien in 2 Gruppen einzuteilen: -Gram- positive Bakterien: einfache Zellwand, hoher Anteil an Peptidoglykan 6 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina -Gram- negative Bakterien: äußere Membran um Zellwand (Lipopolysaccharide- oft toxisch), weniger Peptidoglykan, komplexere Struktur, gefährlicher, resistenter gegen Antibiotika (Zusätzliche Membran, mehr Murein eingelagert) Gram- Positive ZW: Aus Zellwand bestehend aus Polypeptidketten (N-Acetylglucosamine, N- Acetylmuramate) Und aus Plasmamembran mit eingelagerten Proteinen Gram- negative ZW: -Zellwand aus äußerer Membran mit Lipopolysacchariden; und periplasmatischem Gel (mit eingelagerten Proteinen und Peptidoglykan) -Plasmamembran Zellwand der Pflanzen Zum Großteil aus Cellulose bestehend, mit 1,4,β glykosidischen Bindungen Die ZW ist der Zellmembran aufgelagert und hat 3 Schichten: - dünne Mittellamelle aus Pektin - dickere Primär- und Sekundärwand Chemische Bestandteile: polymere Kohlenhydrate (Polysaccharide), darunter Pektine, Hemizellulose und Zellulose sowie Proteine. 3 Typen von Polysacchariden in ZW 1. Pektine: stellen hydrophiles, dehnbares Gel dar, demnach ist dies auch die dominante Komponente der gleich nach der Zellteilung entstehenden Mittellamelle 2. Hemizellulosen- Polymere aus Pentosen und Hexosen 3. mit zunehmender Dicke nimmt Zelluloseanteil zu. Cellulose= Polymer aus 1,4,β glykosidisch verbundenen Glukosemolekülen- garantiert Festigkeit Chemotaxis Bakterien fangen an zu taumeln und ändern dann ihre Schwimmrichtung. -Zellen steuern recht gezielt –chemische Lockstoffe werden zu diesem Zweck ausgesendet Plasmidübertragung bei der Konjugation Zellkontakt zwischen Bakterien erfolgt über Pili. Sie verkürzen sich nach Herstellung das Zellkontakts. Über diese Plasmabrücke erfolgt Übertragung der genetischen Info = Konjugation. Sie findet nur statt, wenn eine der sich paarenden Zellen das F- Plasmid (= Fertilitätsfaktor) besitzt. Sie fungiert dann als männlicher Spender F+, die andere als weiblicher Empfänger F-. Vorgang: Pilus verkürzt sich, Plasmabrücke entsteht, Einzelstrang des ringförmigen DNA- Moleküls in F+ Zelle öffnet sich und wird in Empfängerzelle überführt. In beiden Zellen beginnt sofort die Verdoppelung der Stränge, Konjugierende Zellen trennen sich- es gelangen nur Genomteile in Empfängerzelle. Es findet nur eine einseitig gerichtete Übertragung statt. Die F+ Zellen übertragen die Kopie des FPlasmids. Dadurch wird die Empfänger- Zelle ebenfalls zur F+ Zelle. Zellteilung Das einzige ringförmige Chromosom der Zelle verdoppelt sich, und die beiden Kopien bewegen sich auseinander. Gleichzeitig nimmt die Größe der Zelle zu. Wenn die Replikation der Chromosomen abgeschlossen ist, wächst die Plasmamembran nach innen und teilt die Zelle. 7 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Wachstumsphasen einer Bakterienkultur Exponentiell, stationär, Absterbephase → Endospermbldg: Sporenbldg von Umgebung abhängig- Bakterien wachsen, solange es ihnen gut geht, Zelle teilt sich- registriert schlechte Bedingungen, gen. Material wird in einen Teil der Zelle verschoben. Ribosomen = Ort der Proteinsynthese. Botschaft der Gene wird als mRNA ins Cytosol abgegeben wo sie an Ribosomen in fertige Genprodukte, also Proteine, übersetzt werden. Ribosomen bestehen aus einer kleinen und einer großen Untereinheit. Beide enthalten ribosomale RNA (rRNA). Die zwei UE lagern sich erst im Cytoplasma zur Proteinsynthese zusammen. Mit zunehmender Masse der Moleküle nimmt Sedimentationsgeschwindigkeit nicht linear zu: bei Eukaryotenzellen: 40S und 60S und gesamtes Ribosom weist 80S auf Prokaryotenzellen: Bldg der Ribosomen frei im Cytoplasma- 70 S (30S und 50S), kleinere UE besitzt 16 rRNA, große eine 5S und eine 23S rRNA Bakterienribosomen sind kleiner als die der höheren Zellen, enthalten weniger Proteinmoleküle und nur 3 rRNA Ketten, während die Eukaryotenzellen 4 davon haben Eukaryoten haben sowohl freie als auch membrangebundene Ribosomen, bei Prokaryoten dagegen liegen sie nur frei im Cytoplasma. Auf- und Abbau eines Protonengradienten (Proton Motive Force) Durch oxidativen Stoffwechsel werden H+ Ionen nach außen transportiert- Zelle wird innen alkalisch- protonenmotorische Kraft- diese kann z.B. genutzt werden um beim Rücktransport von H+ ATP mittels ATPase zu synthetisieren, Transportmechanismen anzutreiben, oder den Geißelschlag auszulösen. -> Transportmechanismen: UNIPORT-Ion wird Richtung der geringen Konzentration importiert SYMPORT-Atom zusammen mit Ion (zB Glucose mittels Na+ in Zelle importiert ANTIPORT- Ion von innen mit einem von außen ausgetauscht-ein Transport in energetisch günstige Richtung, andere in ungünstige. ATP-getriebener Efflux= Ausscheiden von positiven Ionen unter ATP Abbau. Da das Zellinnere im Vergleich zur Umgebung negativ geladen ist, begünstigt das Membranpotenzial den passiven Transport von Kationen in die Zelle hinein und von Anionen aus der Zelle heraus. à zwei Kräfte (elektrochemische Gradienten) treiben die Diffusion von Ionen durch die Membran an: 1. chemische Konzentrationsgefälle; 2. elektrische Membranpotenzial ABER: Ionen diffundieren nicht einfach entsprechend dem Konzentrationsgefälle sondern entsprechend dem elektrochemischen Gradienten .Das Membranpotenzial wird von Membranproteinen erzeugt, die Ionen aktiv transportieren. (z.B. Na+ - K+- Pumpe à Transportiert nicht Na- und K- Ionen 1:1 aber 3:2). Ein Transportprotein, das zwischen zwei Membranseiten eine elektrische Spannung aufbaut nennt man elektrogene Pumpe (elektrogenen Transport). Na+-K+ die wichtigste Pumpe. 8 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Protonengradienten für: ATP- Synthese, Bewegung der Geißel, Aufnahme von Molekülen (Natrium, Kalium, Phosphor), Glukose bewegen. Atmung: Anaerobe Atmung: Nitrat-, Schwefel-, Sulfat-, Carbonat-, Fumarat-, Eisen Atmung Aerobe Atmung = Sauerstoffatmung (E. coli) Antibiotika Streptomycin, Neomycin, Chloramphenicol -hemmen die Verknüpfung der Aminosren Erythromycin -hemmt die Funktion der 50S UE Penicillin, Cephalosporin -hemmen den Aufbau der Zellwand Eukaryoten Zellmembran Fluid Mosaic Modell der Zellmembran von Singer und Nicholson Fluid mosaic model der Membranstruktur. Die Proteinmoleküle sitzen im, nicht auf dem Lipidfilm. Manche ragen durch die Lipidschicht hindurch. Die hydrophoben Bereiche stehen in Kontakt mit den hydrophoben Schwänzen der Lipidmoleküle. Die polaren Gruppen ragen nach außenProteine dieser Kategorie bezeichnet man als integrale Membranproteine. Manche von ihnen reichen von der einen zur anderen Membranseite, viele sind zu Aggregaten vereint, und es ist daher leicht vorstellbar, wie sich Kanäle oder Poren durch die Membran hindurch bilden können. Das Modell macht aber auch die Vorhersage, daß sich die Moleküle in der Membranebene (lateral) frei bewegen können.. Die Zellmembran, als auch die Membran anderer Zellorganellen, ist eine Doppelschicht aus Phospholipiden mit verschiedenen ein- oder angelagerten Proteinen. Die Phospholipidschwänze im Inneren der Membran sind hydrophob; die Köpfe, die außen liegenden Proteine und Proteinteile sowie alle Kohlenhydratseitenketten sind dagegen hydrophil und stehen mit dem wässrigen Millieu 9 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina beiderseits der Membran in Kontakt. Kohlenhydratketten findet man ausschließlich auf der Außenseite der Plasmamembran. Welche Funktion die jeweilige Membran erfüllt, hängt von ihren Phospholipiden, Proteinen und Kohlenhydraten ab. Struktur der Phospholipide Phospholipide sind Fette besitzen aber nur zwei Fettsäuren statt drei. Ein Phospholipid besitzt einen hydrophilen (Kopf) und einen hydrophoben (Schwanz) Teil. Die Verschiedenheit der Phospholipide beruht auf Unterschieden in ihren beiden Fettsäureschwänzen sowie in den Gruppen, die an die Phosphatgruppe des Kopfes gebunden sind. Charakteristische Struktur der Phospholipide: OH- Gruppen mit Fettsreketten/ Kohlenwasserstoffketten, Glycerin, Phosphate und Enthanolamine Es gibt verschiedene Phospholipide: 1. Phosphatidylenthanolamin 2. Phosphatidylcholin 3. Phosphatidylserin 4. Sphingomyelin (als 4. Phospholipid in Zellmembran von Eukaryoten) Diese Phospholipide befinden sich innerhalb des Bilayers. Dieses spezielle Phospholipid heißt Phosphatdicholin und hat eine Cholingruppe gebunden. Der Knick in einer seiner Schwänze geht auf die Doppelbindung zurück. B) Die Strukturformel des Phosphatcholins C) Im Kalottenmodell entspricht schwarz = Kohlenstoff, grau = Wasserstoff, rot= Sauerstoff, grün = Phosphor, blau (im Kopf) = Stickstoff Verteilung von Phospholipiden beim Menschen Wichtigste Fettsren in der Membran: - Palmitinsre (16:0) - Stearinsre (18:0) - Linolsre (18:2) - Linolensre (18:3) - Ölsre (18:1) - Archidonsre (20:4) 10 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Bewegung der Lipide in der Membran Lipidmoleküle und auch manche Proteinmoleküle können sich um ihre Längsachse drehen und sich in der Membranebene seitwärts (lateral) verschieben. Keine FLIP- FLOP BEWEGUNGEN, der Wechsel quer durch die Membran von einer Ebene in die andere kommt nur sehr selten vor, denn der hydrophile Teil muss das hydrophobe Innere der Membran durchqueren. Lipidmoleküle (auch Phospholipide) bewegen sich recht schnell, im Gegensatz zu den größeren und unbeweglichen Membranmolekülen. Fluidität der Membran Bei sinkender Temperatur bleibt die Membran zunächst flüssig, aber bei einem bestimmten kritischen Wert verfestigt sie sich gelartig, ähnlich wie geschmolzenes Fett beim abkühlen erstarrt. Bei welcher Temperatur die Membran erstarrt hängt von ihrer Lipidzusammensetzung ab – je mehr Phospholipide mit ungesättigten Fettsren desto kälter kann es sein, ohne dass die Flüssigkeit der Membran verloren geht (sog. Fluidität). Jede Doppelbindung erzeugt nämlich einen Knick, wodurch solche Moleküle nicht mehr so nah aneinanderrücken können wie gesättigte Kohlenwasserstoffe und somit mehr Bewegungsfreiheit haben. Damit die Membran funktioniert, muss sie flüssig sein, bei Verfestigung wird das Protein in der Membran inaktiv. Es gibt auch eine Teperaturanpassung, wobei die Zelle die Lipidzusammensetzung verändert (Winterweizen hat im Herbst mehr ungesättigte Fettsren.) Cholesterin Cholesterin (Steroid) ist zwischen den Phospholipidmolekülen bei Tieren eingelagert und trägt zur Stabilisierung der Membranfluidität bei. Bei relativ hohen Temperaturen (z.B. 37ºC) macht Cholesterin die Membran weniger flüssig, da es die Bewegung der Phospholipide einschränkt. Da Cholesterin aber auch das dichte Zusammenrücken der Phospholipide verhindert, sorgt es andererseits dafür, dass die Membran erst bei einer geringen Temperatur ihre Fluidität verliert. Glykokalix Besteht aus Glycoproteinen, Glykolipiden und Preteoglykanen. Den „Wald“ aus Kohlenhydraten auf der Zelloberfläche nennt man Glykokalyx. Aufgaben: - Interaktion von Nachbarzellen (Zell-Zell Verbindungen) - Zellerkennung (Immunerkennung (MHC, Blutgruppen), Adhäsiosvorgänge) - Rezeptoren (Hormone, Toxine) - „Mikroklima“ (Beeinflussung der lokalen Ionenkonzentration) Transmembranproteine Sind Proteine (Monomere), die die Membran ganz durchspannen (einmal = single pass Protein; mehrfach = multi pass Protein). Diese hydrophoben Regionen bestehen aus einem oder mehreren Strängen hydrophober Aminosren (apolar). Diese Aminosren bilden oft die α- Helices. Die hydrophilen Enden sind beiderseits der Membran den wässrigen Lösungen ausgesetzt. Leu, Ile, Val, Phe, Thr, Ala, Gly Alternative zur α- Helix = β- Faltblatt in Form einer geschlossenen Trommel = β- barrel (z.B. Porin- Proteine (multi pass Transmembranprotein)) Häufig lagern sich TMP zu einem Aggregat (Oligomere) zusammen: - - gleichartige (Homo- Oligomere) verschiedenartige (Hetero- Oligomere) Bildung der Proteine an der Membran - über eine oder mehrere Fettsreketten über Oligosaccharide (kovalent) nicht kovalente Wechselwirkung mit anderen Proteinen über Prenylgruppen (isoprenoide Lipidgruppen) 11 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Poren Transportproteine bilden Poren in der Membran Funktion von Membranproteinen* Transport, Enzymaktivität, Signalübertragung, Zellverbindungen, Zell- Zell Erkennung, Verankerung am Cytoskelett und an der extrazellulären Matrix Transportsysteme in epithelialen Membranen Beweglichkeit der Membranproteine - wie bei Lipiden kein Flip- Flop Rotation um die eigene Achse (Rotationsdiffusion) Laterale Diffusion- Diffusion der Zellen mit unterschiedlich markierten Membranproteinen, innerhalb von 30- 40 Minuten gleichmäßig verteilt Diffusionskoeffizient (D) sehr variabel, of 1/10 bis 1/100 von D für Lipide (Rhodopsin in der Membran der äußersten Stäbchen – 4.10-9 cm2.sec-1) Zell- Zell Verbindungen 12 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina 1. Tight Junction (gute interzelluläre Diffusionsbarriere) 2. Gap Junction ( kommunizierende Zellverbindungen) 3. Desmosomen, Adhäsionsgürtel ( Adhäsion von Zellen) 3.1 Hemidesmosomen 1. Tight Junction (Verschlusskontakt) Verbindung von Membranen benachbarter Zellen; bildet um die Zelle einen durchgehenden Gürtel. Ist charakteristisch für Epithelien (äußere Abschlusszellen) -durch Anzahl der Tight Junctions kann man feststellen, wie dicht Epithel ist, aber nur anhand der Occuldine (verschließen) - die Membran benachbarter Zellen steht tatsächlich in Kontakt diese Verbindungen bilden Gürtel rund um die Zelle herum und verhindern so das Hindurchsickern von Gewebsflüssigkeit zwischen den Epithelzellen 2. Gap Junction (Kommunikationskontakt) Bildet zwischen den Zellen einen Kanal, der gerade so groß ist, dass keine Moleküle und Ionen ihn passieren können. Sie bilden winzige wassergefüllte Cytoplasmakanäle zwischen benachbarten Zellen Diese Kanäle werden von einem besonderen Protein gebildet: Conexin ( Durchmesser groß genug für Salzionen, Zucker, Aminosren) z.B. im Herzmuskelgewebe koordinieret der Ionenstrom durch G.J. die gemeinsame Kontraktion der Zellen über G.J. kommunizieren Epithelzellen 3. Desmosomen ( Haftkontakt/ Adhäsionsgürtel) Zell- Zell Kontakte um ganze Zelle wie ein Gürtel Verbinden die Zelle zu einer widerstandsfähigen Schicht; ist an Intermediärfilamente geheftet. Sie befinden sich unterhalb der Tight Junctions. Sie bestehen aus Cadherinen = Calcium abhängiges Adhäsionsprotein Die Adhäsionsproteine sind durch Verbindungsproteine mit dem Cytoskelett verbunden. Diese Anheftung am Cytoskelett bewirkt Zugfestigkeit und Ortsfestigkeit. Über die Desmosomen ist das reißfeste Keratin- Cytoskelett an der Plasmamembran verankert Es gibt: 13 Zellbiologie WS 2004/05 - Hell Katherina Punktförmige Desmosomen (Macula adhärens)- verbunden mit Intermediärfilamenten Ringförmige Desmosomen (Zonula adhärens)- verbunden mit Actinfilamenten 3.1 Hemidesmosomen Verankert Zellen an der extrazellulären Matrix und ist an Intermediärfilamente geheftet - die untersten Zellen der Epidermis treffen nicht auf Zellen, sondern auf Interzellulärsubstanz -> Hemidesmosomen (Zell- Zell Verbindungen) bestehen aus Integrinen =Rezeptoren für extrazelluläre Matrix Zwei single- pass Ketten, α- und β- Ketten, nicht kovalent verbunden. - Extrazellulärbindung an die Matrix - Intrazellulärbindung über Anheftungsproteine an Actin gebunden Funktion: - Erkennung (ob es richtige Umgebung ist- haben Integrine den falschen Reaktionspartner bringt sich die Zelle um Modifikation des Cytoskeletts (Integrine modifizieren in Zelle Proteine und damit das Cytoskelett) Modifikation von Enzymaktivitäten Modifikation von Integrinen: - durch Phosphorrylierung - durch Expression Möglichkeiten der WW zwischen Zellen: Zell- Zell Adhäsion Homophile Verbindung Heterophile Verbindung Verbindung mit extrazellulärer Matrix/ über extrazelluläres Verbindungsmolekül WANDERUNG DER ZELLEN IN DER EMBRYONALENTWICKLUNG Es gibt zelltypische Expressionsmuster, d.h. typ. Adhäsionsproteine. Durch die Adhäsionsmuster wird die Wanderung eingeleitet. - Es gibt ganze Familien von Adhäsionsproteinen: - Cadherine (müssen erst Calcium bilden, um Kontakt aufzunehmen) - Selectine - nicht Calcium abhängige Adhäsionsmoleküle Änderung der Kontroll- Regulations Möglichkeiten - extrazellulär- von außen kommt Aktivierungssignal (z.B. Hormon), das sich mit Rezeptor verbindet -> Signalübertragungskette im Zellinneren -> Aktivierung von Integrin - intrazellulär- Verbindung zwischen Integrin und Cytoskelett durch Phosphorylierung der Integrine- Integrine lösen sich von actinhaltiger Zellrinde und verteilen sich Adhäsionsproteine sind intern durch Hormone regulierbar. Extrazelluläre Matrix Die aus Polysacchariden und Proteinen bestehende Substanz, in welche die Zellen von tierischen Geweben eingebettet sind. = Bindegewebe mit verblüffender Vielfalt an Formen 14 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina - kalzifiziert (Knochen, Zähne..) - durchsichtig (Hornhaut des Augens) - seilartige Struktur (Sehnen) - 1. Basalmembran (Kernlamina) Die EM umfasst / Makromoleküle der EM - amorphe Grundsubstanz: - Hyaluronsre - Polysaccharide oft an Proteine gekoppelt = Proteoglykane (Glykosaminglykane) - Faserproteine - Strukturproteine: Kollagen, Elastin - Anheftungsproteine: Fibronectin, Laminin 1. Basalmembran (Kernlamina): - 40-120 nm dick - häufig dreischichtig im EM - lamina lucida, lamina rara - lamina densa - lamina reticularis -Zusammensetzung sehr variabel: Kollagen Typ IV, Perlecan, Laminin, Entactin 2. Proteoglykane: Einige häufig vorkommende Proteoglykane: Aggrecan (Knorpel), Betaglycan (Zelloberfläche + Matrix), Decorin, Periecan (Basalmembran).. 3. Kollagen: ist ein dreisträngiges, helikales Molekül (drei α-Ketten) - Synthese im ER - jede Kette enthält nicht- helikale Propeptide an beiden Enden - Helixbildung der einzelnen Kette erfolgt im ER/Golgi-Apparat - Sekretion - Abspalten der nicht- helikalen Segmente à Selbstaggregation zu Fibrillen, 10 – 300 nm im Durchmesser 15 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina 4. Elastin - hydrophobes Protein mit ca. 750 As, viel Prolin und Glycin - intensive Quervernetzung über Lysin ( -> Dehnbarkeit) (typisch für Aorta- dadurch elastisch Blutfluss, weil elastische Komponenten) - Bildet elastische Fasern in Verbindung mit Mikrofibrillen Abbauenzyme der EM - Metalloproteasen - Serinproteasen - Kollagenasen - A-PA (Urokinaseartiger Plasminogenaktivator) (z.B. bei der Metamorphose, Gewebeneubildungen etc ) ZELLKERN Vermutliche Evolution des Zellkerns: Der Zellkern enthält den allergrößten Teil des genetischen Materials der Zelle (manche Gene auch in den Mitochondrien und Chloroplasten). Mit einem Durchmesser von 5 µm ist er in der eukariontischen Zelle das am leichtesten erkennbaren Organell. Besteht aus: > Kernmembran; > Kernlamina; > Nukleoplasma; > Kernmatrix; > Chromosomen mit dem Chromatin; > Nukleolus Aufgaben: - Steuerung der Proteinsynthese - Verteilung des genetischen Materials auf die Tochterzellen 16 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina · nur in Ausnahmefällen teilen sich die Kerne ohne nachfolgende Zellteilung • es kann ein vielkerniges Gebilde entstehen à Plasmodium (Schleimpilzen) • oder einkernige Zellen können miteinander verschmelzen à Syncytium 1. Die Kernmembran (Kernhülle) Der ZK ist von einer Kernhülle umschlossen, die die Kernmatrix (seinen Innhalt) vom Rest der Zelle (Cytoplasma) trennt. Die Kernhülle ist eine Doppelmembran. Beide Membranen bestehen aus einer Lipiddoppelschicht und sind durch einen Zwischenraum getrennt. à Die KH = offene Verbindung zum Endoplasmatischen Retikulum 2. Die Kernlamina Aufbau: Die Innenseite des Zellkerns ist mit der KL bedeckt. Die KL ist eine netzförmige Anordnung von Proteinfasern, die dem Zellkern eine stabile Form verleihen. An der KL sind die Chromosomen angeheftet. 3. Kernporen Außerdem hat die Kernhülle Kernporen. An den Rändern der Kernporen gehen innere und äußere Kernmembranen ineinander über und es sind noch Proteine angelagert. Sie steuern den Transport bestimmter Makromoleküle und anderer Teilchen in den Zellkern und aus ihm heraus. - Durchmesser: 50-70 nm (ein Protein mit MG 50.000 noch leicht hindurch, ribosomale Untereinheit nicht mehr) - MG ca. 125.000kD - Multiproteinkomplex 17 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina - 3000 – 4000 pro Kern bei Säugetieren Transport von Molekülen durch die Zellmembran - ist reguliert - Proteine brauchen einen Kennungssignal (NLS) „Passschein“ um ins Kern zu kommen à Protein bekommt ein Importin à Protein kommt in Kern Betrachtet man einen Ruhekern so sieht man im Kernplasma: - helle Bereiche, elektronendichte Flecken (Euchromatin) und - dunklen Bereiche (Heterochromatin). Das Heterochromatin ist viel intensiver gefärbt weil es viel dichter gepackte DNA enthält als das Eukromatin. Jedoch die starke DNA Verdickung in einem Chromosomenabschnitt bedeutet geringe funktionelle Aktivität. Deshalb ist das Euchromatin das aktive Bereich der DNA der im Moment abgelesen wird. 4. Der Nukleolus Es besteht aus RNA, Proteine und der DNA der Nukleolusorganisationsregion. In der Feinstruktur lassen sich drei Strukturelemente erkennen: Í Pars amorpha: fein granuläre Grundsubstanz, besteht aus DNA und linearer RNA (leicht zu identifizieren) Í Pars filamentosa: fädige Strukturen, besteht aus v.a. fädigen Proteinen Í Pars granulosa: ausgedehnte granuläre Bereiche, besteht aus v.a. Ribosomenvorstufen Die Funktion des Nokleolus ist einfach : Synthese der ribosomalen RNA (rRNA) außer der 5rRNA (die wird im Zellkern synthetisiert). Zusammenfassung: Große + kleine Untereinheit d. Ribosomen à aus rRNA + ribosomalen Proteinen im Nucleolus zusammengebaut Nukleolus Organisator Region enthält rRNA Gene an ihnen wird â Vorläufer rRNA (45S) gebildet â In 18S 5,8S 28S zerschnitten + 5S-rRna (außerhalb des Nukleolus kodiert) ribosomale Proteine: schon im Cytoplasma synthetisiert à über Poren importiert 18 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina jetzt kann zusammengebaut werden: ð kleine ribosomale Untereinheit - aus 38 Proteinen - 18S rRna ð große ribosomale Untereinheit + - aus 50 Proteinen - 5,8S, 28S, 5S rRNA Diesen Zusammenbau nennt man self assembly UE der Ribosomen verlassen den Zellkern durch Poren tRNA wird an anderen Genen kodiert und gebildet. Auch sie muss durch Kernporen ins Cytoplasma transportiert werden. tRNA und Ribosomen dienen der Proteinsynthese im Cytoplasma. 5. Chromosomen mit Chromatin Jede somatische Zelle (alle Zellen außer Spermien und Eizellen) des Menschen besitzt 46 Chromosomen, diese liegen paarweise. Chromosomen die ein Paar bilden, also selbe Länge, Centromerposition und Bandmuster, nennt man homologe Chromosomen. Zwei Chromosomen eines Paares tragen Gene für dieselben Erbmerkmale. Der Mensch besitzt 22 Autosomen und 2 Heterosomen. Es gibt jedoch eine wichtige Ausnahme: das X und das Y Chromosom. Frauen besitzen zwei XChrom. (XX) und Männer ein X- und ein Y-Chrom. (XY). Diese Chromosomen werden Geschlechtschromosomen- Heterosomen genannt. Das paarweise Auftreten von Chromosomen in unseren Zellkern ist die Folge der sexuellen Fortpflanzung. Die 46 Chromosomen in unseren somatischen Zellen bestehen aus zwei Sätzen von je 23 Chromosomen (mütterlichen und väterlichen Satz) (Zygote = Verschmelzung des Spermiums und der Eizelle). Bei manchen Organismen können mehr als zwei komplette Chromosomensätze in den Zellen vorliegen. à Polyploide (z.B.Triploide 3n oder Tetraploide 4n). 5.1 Das Centromer An ihm sind die Schwesterchromatiden miteinander verbunden. 5.2 Das Telomer Die schützenden Strukturen an den Enden eukariontischer Chromosomen. Spezielle doppelt repetitive DNA-Sequenz am Ende des DNA-Moleküls von Chromosomen. Nicht kodierte Nukleinsequenzen (können viele Kopien vorhanden sein) wiederholten Einheiten können - kurz sein und hintereinander auftreten - lang sein und im Genom verteilt) Bild S. 143, Zellbiologie – Buch Struktur des Chromatins Chromosomen sind gebaut wie Perlenketten: Eine Perle (Nukleosom) entspricht einem Aggregat aus 4 Histonen (Typ 2A, 2B, 3, 4), die jeweils paarig im Inneren der Perle vorliegen. Die Histone bilden dann im Nukleosom einen Oktamerkomplex. Der DNA Faden ist außen um jede Perle herumgewickelt, wo er wegen der Ladungsunterschiede ional (heteropolar) gebunden ist. Er läuft weiter von Perle zu Perle, von einen Ende eines Chromosoms durchgehend zum anderen, ohne Unterbrechung. Nukleosom: 19 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Durchmesser: ca. 11nm Histone: 2A, 2B, 3, 4 à jeweils doppelt vorhanden è Oktamer-Komplex Das fünfte Histon, längliche H1 (H5) bindet die DNA in der Nähe einer Perle (auch für Festigung) PERLSCHNURARTIGES AUSSEHEN Modifikation der Histone erlaubt Entfaltung der DNA: - Acetylierung / Deacetylierung - Phosphorylierung / Dephosphorylierung - Anreicherung von Histon 2A - die Perlenkette ist in sich verdrillt, so dass 30 nm Fasern (dank H1, (H5)) - diese sind noch einmal in sich verdrillt zu einem Supertwist. - die Supertwists laufen schleifenartig quer durch jedes Chromosom. (In dieser kondensierten Form durchzieht nun die DNA ein jedes Chromosom in seiner gesamten Länge) Gen Ist ein Abschnitt der DNA, der zur Herstellung eines RNA Moleküls benötigt wird. Es gibt codierende und regulierende Sequenzen. Operon:. Das Operon, eine Funktionseinheit auf der DNA besteht aus einem Promotor, einem Operator und Genen. Bakterielles Operon ist häufig polycistrotisch Eukariontische Transkriptionseinheiten sind monocistrotisch Introns sind nicht codierende Bestandteile des Gens, die beim Spleißen herausgeschnitten werden, Exons dagegen sind codierende Bestandteile Doppellhelixstruktur Das DNA Molekül liegt normalerweise doppelsträngig vor, wobei das Zucker-Phosphat-Rückgrad des Polynucletoids zur Außenseite die Helix weist. DNA ist rechtsgedreht, eine vollständige Windung erstreckt sich über 10 Basenpaare. Die Polymernucleotidktte wächst während der Synthese vom 5` zum 3` Ende Dabei gibt es einen Lagging und einen Leading Strand. Im Inneren der Doppelhelix sind immer Thymin (T), und Adenin (A) (A+T) bzw. Cytosin (C) und Guanin (G) (C+G) über Wasserstoffbrücken miteinander gepaart. Die Wasserstoffbrücken werden bei der Replikation (Zellteilung) gelöst und es werden jeweils komplementäre Stränge ergänzt. Dies nennt man die semikonservative Replikation der DNA. DNA Replikation Vor jeder Zellteilung (Mitose) muss die DNA verdoppelt werden (Replikation). Die Abgabe von Information aus der DNA und das Umsetzen in Genprodukte erfolgt durch Überschreiben der Information (Transkription) auf dazwischengeschaltete Informationsträger („Messenger“, Boten) .= mRNA (Es gibt 3 Arten von DNA Replikation: konservativ, semikonservativ, dispersiv) Stränge der Doppelhelix werden nach dem Reißverschlussprinzip getrennt, an jedem Strang lagern sich Nucleotide mit jeweils komplementären Basen an. Nucleotide werden miteinander verknüpft, sodass 2 neue DNA Doppelstränge entstehen. = semikonservative Replikation - Entwindung des DNA Doppelstranges durch die DNA- Helicase (Enzym das unter ATP Verbrauch die Wasserstoffbrücken spaltet) Einzelstränge durch einzelstrangbindende Proteine stabilisiert -> y- förmige Replikationsgabel 20 Zellbiologie WS 2004/05 - - - Hell Katherina An Einzelsträngen wird mit Hilfe von RNA Polymerase= Primase, ein RNA Primer synthetisiert (= Abschnitt von Ribonucleotiden, Starter für DNA Replikation) DNA Polymerase I ersetzt Ribonucleotide des RNA Primers durch Desoxyribonucleotide DNA Polymerase III verknüpft die Dessoxyribonucleotiden in 5`- 3` Richtung -> DNA Synthese verläuft am Leitstrang kontinuierlich Primase stellt an verschiedenen Stellen RNA Primer her, die durch DNA Polymerase III zu Okazakistücken verlängert werden (NUR AM FOLGESTRANG- diskontinuierlich, aber auch in 5`- 3` Richtung) ð Primase stellt an verschiedenen Stellen zunächst kurze RNA Primer her, die durch DNA Polymerase III zu Okazakistücken verlängert werden RNA Primer und DNA Polymerase I werden entfernt und durch Dessoxyribonucleotide Ersetzt Okazakistücke werden durch DNA Ligase miteinander verbunden Zuerst muss ein Initiationskomplex gebildet werden um Replikation zu starten. 1. Helicase macht Strang auf 2. Primase synthetisiert an beiden Seiten Primer 3. Polymerase III setzt am Primer an und regeneriert den Folgestrang durch Okazakistücke (Lagging Stand) 4. Polymerase I schneidet Primer heraus und ersetzt RNA durch DNA Teile 5. Ligase verbindet Okazakistücke zu vollständigem Strang miteinander 6. Topiosomerase = Schutzmechanismus, um mechanische Belastung zu reduzieren DIE ZE LLTEILUN G MITOSE (= aus Mutterzelle entstehen 2 gleiche Tochterzellen- Zelle teilt sich in haploide Zellen) Die Interphase macht häufig 90% des Zellzyklus aus. Während dieser Phase wächst die Zelle und kopiert ihre Chromosomen zur Vorbereitung auf die Zellteilung. Eine Zelle (haploid) also (G 1), verdoppelt ihre Chromosomen (Zelle wird diploid) (S), wächst immer noch weiter und schließt dabei die Vorbereitung der Zellteilung ab (G 2). MITOSE Beginnt mit Verdoppelung des Centriols, Centriolen wandern auseinander, verdoppeln sich und begeben sich an gegenüberliegende Seiten des Zellkerns - ProphaseCentrosomen entfernen sich voneinander, um später Spindelapparat zu bilden. Erbsubstanz im Zellkern als Knäuel, Chromatinfäden verkürzen sich zu Chromosomen (aus 2 Chromatiden, am Centromer verbunden) Kernhülle löst sich durch Phosphorylierung auf - Prometaphase- Chromosomen werden sichtbar - Metaphase- Chromosomen erreichen maximale Verkürzung, ordnen sich in Äquatorialebene (entsteht dadurch, dass sich Kinetochor- Mikrotubuli an Chromosomen anlagern und sie hin und her ziehen) - Anaphase A- Mikrotubuli verkürzen sich direkt an den Kinetochoren Anaphase B- Chromatiden werden an die gegenüberliegenden Pole der Zelle gezogen, da sich Kinetochor Mikrotubuli weiter verkürzen - Telophase- an beiden Polen ein- Chromatid- Chromosomen entschrauben sich zu Chromatinfäden. Kernhülle fängt sich neu zu bilden an unter Mitwirkung von ER, oder kontraktiler Ring erzeugt Teilungsfurche 21 Zellbiologie WS 2004/05 - Hell Katherina Cytokinese- Cytoplasma beginnt sich zu teilen, die beiden Tochterzellen schnüren sich voneinander ab MEIOSE Die Meiose (Reduktionsteilung) ist eine besondere Form der Zellteilung (führt zur Bildung der Gameten = Keimzellen).Verschmelzung 2er Gameten nennt man Syngamie. Dabei werden die beiden Chromosomensätze (Allelsätze) zufallsgemäß verschmolzen, es kommt zur Plasmogamie und Karyogamiebei höheren Pilzen kann es dazwischen noch zu einer Vermehrungsphase, Dikaryophase, kommen. MEIOSE I trennt homologe Chromosomen= REDUKTIONSTEILUNG Meiotische Prophase I- Dauer viele h bis d, beim Menschen dauert die Oogenese viele Jahre Leptotän: die Chromosomen werden als feine Stränge sichtbar Zygotän: Homologenpaarung= Synapsis, synaptischer Komplex Pachytän: Vierstrangstadium der Bivalenten= Tetraden; Phase des Crossing over Diplotän: Homologen weichen auseinander, SC lösen sich auf, Bivalente bleiben am Ort der Überkreuzung zusammen= Chiasma Diakenese: Fortsetzung der Chromosomenkondensation, Auflösung der Kernhülle - Metaphase I- Anordnung in der Äquatorialebene, je ein Centromer eines Bivalentenpaares ordnet sich zu einem Pol, Chromatiden liegen in der Äquatorialebene - Anaphase I- Trennung der Chromosomen - Telophase I- Abschluss der ersten meiotischen Teilung Danach kommt sofort die Meiose II (haploide Mitose, liefert 4 haploide Zellen, die sog. Gonen) - Prophase II- Chromatiden sichtbar, richten sich in Äquatorialebene - Metaphase II- Mitochondrien heften sich an Centromer - Anaphase II- Trennung der Chromatiden - Telophase II- Abschluss der 2. meiotischen Teilung Besonderheiten der Meiose - Dictyotän- Stopp der Meiose im Diplotän (Human) - Stopp der Meiose für eine Wachstumsphase- Strepsitän= Ende der meiotischen Wachstumsphase Störungen der Meiose Aneuploidie= fehlerhafte Trennung der Chromosomen (Trisomie 21, Triple X, Klinefelter Syndrom XX0) Spermatogenese, Oogenese und Befruchtung Im Zygotän werden die Schwesterchromatiden 1 und 2 (väterlich) mit den Schwesterchromatiden 3 und 4 (mütterlich) durch den Synaptomalen Komplex verbunden. Die Chromosomen werden dabei über das ganze Pachytän miteinander verbunden und es kommt zu crossing over. Spermatogenese: eine primordiale Keimzelle macht Mitose und wird zum Spermatogonium. Dieses wird durch Mitose zur primären Spermatocyte. Aus dieser werden durch Meiose I die 2 sekundären Spermatocyten (beim Menschen erst in der Pubertät), und durch Meiose II die Spermatiden, die zu Spermien differenzieren. Oogenese: Eine primordiale Keimzelle macht Mitose und wird zum Oogonium. Dieses wird durch Mitose zur primären Oocyte. Aus dieser wird durch inäquale Teilung bei der Meiose I die sekundäre Oocyte und ein Polkörperchen, durch Meiose II (wieder inäqual) die Eizelle und ein Polkörperchen. Beim Menschen werden die Oocyten in der meiotischen Prophase I (Diplotän) arretiert -> Dictyotän. Hormonell gesteuert wird die Meiose später fortgeführt und bei den meisten Vertebraten in der Metaphase II erneut bis zur Furchung arretiert. Befruchtung einer Eizelle durch ein Spermium 1. Bindung des Spermiums an die Zona Pellucida 22 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina 2. Akrosomen- Reaktion (Vesikel des Spermiums setzten Enzyme frei, die die Schutzschicht des Ovums verdauen) 3. Durchdringen der Zona Pellucida 4. Verschmelzen der Plasmamembran (Freisetzung des Inhalts von Rindengranula-> Zona Pellucida wird modifiziert, Blockierung der Polyspermie) 5. Spermienkerndringt in das Ei- Cytoplasma ein Das Wachstum der Eizelle wird unterstützt durch die Leber (bzw. ein Äquivalent) als Nährstoffproduzent, Nährzellen in den Ovarien die über Cytoplasmabrücken mit der Eizelle verbunden sind, und Follikelzellen, die Eizelle umschließende Epithelschicht, die über gap junctions mit der Eizelle verbunden ist. Transkription Ribosomen, mRNA Transkription = Synthese von RNA gesteuert durch die DNA. Das RNA Molekül, das entsprechend der DNA Vorlage angefertigt wird, ist ein Transkript des Gens, das den Bauplan für ein Protein enthält. Man nennt diesen Typ von RNA Molekül mRNA. Translation = die Proteinsynthese nach dem RNA- Bauplan, von mRNA gesteuert. Zelle übersetzt Basenfolge eines mRNA in die Aminosresequenz eines Polypeptids. Orte der Translation= Ribosomen RNA vom 5`- zum 3` Ende synthetisiert 3 Typen von RNA: Heteronucleare RNA (hnRNA), aus der die mRNA hervorgeht transportRNA (tRNA) besteht aus 75- 90 Nucleotiden rRNA aus 1300 Nucleotiden, wird am Nucleolus Organisator gebildet- Aufbau der Ribosomen RNA- Polymerase umgibt die DNA Stränge, entwirrt/ trennt sie und kopiert daraus einen RNA Faden und hängt die RNA Nucleotide entsprechend der Basenpaarungsregeln aneinander. (In Eukaryoten gibt es verschiedene RNA- Polymerasen für spezifische Gene) So wie die DNA-Polymerasen bei der DNA-Replikation können auch RNA-Polymerasen Nukletoide nur an das 3’ Ende des wachsenden Polymers anheften. (à RNA-Molekül von 5’ – 3’). Spezifische Nukletoidsequenz an die die RNA Polymerase bindet und somit die Transkription beginnt heißen Promotor (Basentriplett AUG) (TATA-Box ist eine entscheidende DNA-Sequenz des Promotors wo der Initiationskomplex gebildet wird). Die Sequenz die das Ende der Transkrption eines Gens signalisiert nennt man Terminator (Die RNA Polymerase bindet mittels der Sigma- Untereinheit an den Promotor, nämlich an die 35- und 10 Sequenzen des Promotors. Beim Start der Transkription wird die Sigma- UE abgekoppelt. Die Transkription stoppt bei einem sog. Stem loop, wo durch eine Abfolge von C und G, die stärker binden als A und T, eine Schleife gebildet wird) Regulationsmöglichkeiten bei Prokaryota Für Transkriptionsvorgang Lac- Operon Ein Repressor blockiert die Transkription, außer er wird durch Laktose inaktiviert- räumliche Veränderung (negative Kontrolle)-( Lactosespaltungsmolekül wird nur hergestellt, wenn Laktose vorhanden ist) Negative Kontrolle: gebundenes Repressorprotein verhindert Transkription (Zugabe / Entfernen des Liganden entfernt das Repressorprotein und schaltet das Gen ein) Arabinose Operon Arabinose aktiviert AraC, dieses fördert die Transkription (positive Kontrolle) Positive Kontrolle: gebundenes Aktivatorprotein fördert Transkription (Zugabe /Entfernen des Aktivatorproteins schaltet das Gen aus) Die Transkription kann weiters durch Transkriptionsfaktoren reguliert werden (Enhancer. Können die Transkription durch Schleifenbildung der DNA auch schon stimulieren, wenn sie noch weiter weg auf dem DNA Strang liegt) 23 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Bei Prokarionten ist es die DNA selbst die die Promotor Region erkennt. Bei Eukarionten unterstützt eine Reihe von Proteinen, Transkriptionsfaktoren, die Bindung der RNA- Polymerase und die Initiation der Transkription. Erst wenn sich bestimmte Transkriptionsfaktoren an den Promotor geheftet haben, bindet die RNA- Polymerase selbst. Transkription setzt sich so lange fort, bis die RNA- Polymerase eine Terminationsstelle auf der DNA erreicht. RNA- Processing Die Polyadenylierung ist das im Zuge der posttranskriptionalen Modifikation der mRNA stattfindende Anhängen eines Polyadenin Schwanzes an das 3`Ende eines mRNA Moleküls, dabei werden die downstream sequences nach der recognition sequence für die Polymerase abgeschnitten. Die Polyadenylierung regelt den Lebenszyklus und die Transkription der mRNA, schützt sie z.B. vor RNAsen. Splicen- Das wichtigste Stadium der RNA-Prozessing ist das Entfernen eines großen Teils der RNA Moleküls, das vorher syntetisiert worden ist Die Sequenz von DNA Nukleotiden ist nicht durchgehend. Es gibt nichtkodierende Sequenzen (Introns) der DNA die in die kodierenden (Exons) eingeschoben werden. Bei der Herstellung des Primärtranskripts transkribiert die RNA-Polymerase sowohl Introns als auch Exons der DNA, aber das mRNA Molekül, welches im Cytoplasma eintritt ist eine verkürzte Version. Die Introns sind aus dem Molekül herausgeschnitten worden und die Exons sind so zusammengefügt, dass sie eine durchgehende kodierende Sequenz bilden (Spleißen). Signale für das Spleißen sind kurze Nukloidsequenzen an den Enden der Introns. Besondere Partikel erkennen diese Spleiß-Stellen à snRNProtein. Verschiedene snRNP lagern sich zusammen mit weiteren Proteinen zu einem größeren Partikel zusammen à Spleißeosom. Der Spleißeosom schneidet die Intronstellen aus und verbindet gleich die beiden Exons. Das abgeschnittene Intron wird abgebaut. tRNA- Translation tRNA ist kreuzförmig aufgebaut. Im Uhrzeigersinn und ist der Adapter zwischen RNA Codon und Aminosre. Aufgabe der tRNA ist es, Aminosren aus dem Cytoplasma zum Ribosom zu transportieren. Jede Zelle hat in seinem Cytoplasma einen Vorrat aus allen 20 Aminosren. - 3` Ende – Anheftungsstelle für Aminosren - T- Schleife- Bindugsstelle zur 5S RNA - Anticodon- Basentriplett, das den Codons der mRNA entspricht - D- Schleife - 5` Ende Die tRNA Moleküle sind nicht alle gleich. Kommt das tRNA-Molekül zum Ribosom, so trägt es an einem Ende eine Aminosäure. Am anderen Ende besitzt die tRNA ein Triplett, das man auch als Anticodon bezeichnet. Mit diesem Anticodon bindet die tRNA entsprechend den Regeln der Basenpaarung an ein komplementäres Codon auf der mRNA. Die Spezifizität (richtige Aminosre an richtige tRNA) wird durch AminoacyltRNASyntheasen gewährleistet. Bindung der tRNA an die Aminosre läuft unter ATP- Verbrauch ab. Ribosomen haben 4 Bindungsstellen für RNA, 3 davon für tRNA: Peptidyl - tRNA - Bindungsstelle (= P-Bindungsstelle) Aminoacyl - tRNA - Bindungstelle (= A-Bindungsstelle) Exit Bindungsstelle ( E- Bindungsstelle ) Bindungsstelle für mRNA 24 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Am Initiationscodon AUG startet die Translation. Die Initiator-tRNA, welche stets die Aminosäure Methionin trägt bindet am Initiaionscodon. Nach Vereinigung von mRNA, Initiator-tRNA und der kleinen ribosomalen Einheit tritt die große ribosomale Untereinheit hinzu, und ein funktionsfähiges Ribosom entsteht. Termination durch Stopp Codon UAG, UAA oder UGA (kodieren keine Aminosre aber Stoppsignale) -> Ribosom fällt von RNA ab Eine prokaryotische mRNA kann mehrere Proteine synthetisieren (hat auch mehrere RibosomenBindungsstellen), eine eukaryotische jeweils nur ein Protein. Von einem Polysom spricht man, wenn mehrere Ribosomen gleichzeitig einen mRNA Strang bearbeiten- man erhält also mehrere Exemplare desselben Proteins. Elongation (Polypeptidkettenveränderung) 3 Schritte: Codonerkennung, Bindung einer Peptidbindung, Translokation Dieser Vorgang kostet Energie, da dabei GDP und GTP abgebaut wird. Er wird mittels eines Stopp Codons beendet. - Aminoacyl- tRNA bindet an freie A- Bindungsstelle - Carboxyende des Peptids wird von tRNA in P- Bindungsstelle gelöst und mit neuer Aminosre verknüpft (Peptidyltransferase) - Freisetzung der P- Bindungsstelle, Vorrücken der mRNA, so dass die tRNA von der ABindungsstelle in die P- Bindungsstelle rutscht. Genetischer Code Ein Basentriplett stellt die Grundeinheit des Codes dar. Es gibt 64 Möglichkeiten, um ein Triplett zu bauen, dafür haben wir nur 20 Aminosren und haben 3 Stoppcodons (d.h. wie bräuchten eigentlich nur 23 Tripletts = degenerierter Code Es gibt verschiedene Tripletts, die eine Aminosre codieren (2-4 Tripletts, manchmal sogar 6, für eine AS). Die variable Base ist immer die letzte. Basen: Thymin, Adenin, Guanin, Cytosin Komplementär: T-A; G-C; und in der mRNA wird Thymin durch Uracil ersetzt, d.h U-A In die Proteinsynthese eingreifende Antibiotika Antibiotikum Zielzelle Effekt Streptomycin Tetracyclin Chloramphenicol Erythromycin Puromycin Cyclohexemid Prokaryot Prokaryot Prokaryot Prokaryot Prokaryot Eukaryot hemmt Start, verursacht Fehlpaarungen hemmt Bindung der Aminoacyl-tRNA hemmt Peptidyltransferaseaktivität hemmt Translokation vorzeitiges Ende der Translation hemmt Peptidyltransferaseaktivität 25 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Die Proteine, die synthetisiert wurden müssen an viele Organellen weitergeleitet werden: Wie kommen Proteine zu all diesen Strukturen? Endoplasmatisches Retikulum Geflächt von Membranröhren- und säcken, die sich zu Zisternen erweitern. Lumen ist das Innere des ER und wird durch Membrane vom Cytosol getrennt. Zum ER gehören 2 Bereiche mit unterschiedlichen Funktionen: - granuläres ER (GER) = mit Ribosomen besetztes ER - glattes ER (SER) = ribosomenfreies ER Funktionen der ER: Synthese von Lipiden für die Zellwnd Allg. Prozessierung von Proteinen (Faltung, Glykosylierung, Herstellen von Lipoproteinen etc.) Metabolisierung von Xenobiotika (zB mittels Cytochrom P450) Entgiftungsprozess: Cytochrom P450 Benötigt NADPH + O2, gehemmt durch CO (viele Gifte) -> lipophil -> können alle teile des Organismus erreichen und Stoffe wasserlöslich machen - Katalyse oxidativer Reaktionen Desaminierung, Hydroxylierung, Epoxierung Entgiftung von Xenobiotika Synthese von Steroiden, Thromboxan, Gibberellin 26 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Sekretion Viele Zellen sondern Proteine ab (Sekretion) die von den an das raue ER angehefteten Ribosomen produziert werden. 1. Die Polymerpeptidsynthese beginnt an einem freien Ribosom im Cytosol 2. Ein SPR bindet an das Signalpeptid, was die Proteinsynthese zunächst unterbricht. 3. Das SPR bindet an ein Rezeptorprotein (SRP- Rezeptor) in der ER-Membran. Dieser Rezeptor ist Teil des Tranlokationsprozessors; zu diesem Proteinkomplex gehören auch ein Membrankanal und ein Enzym, das die Signalsequenz abspaltet 4. Das SPR diffundiert ab, und das Polypepid beginnt wieder zu wachsen, während es durch die Membran geschleust wird- aber statt es ins Cytoplasma geschleust wird wird es in Lumen des ER gebracht (Das Signalpeptid bleibt an die Membran gebunden) 5. Das Enzym, eine Protease, schneidet das Signalpeptid ab. 6. Das fertige Polypeptid löst sich vom Ribosom und faltet sich eine endgültige Konformation. Durch späteres Abbauen des Translokator- Proteins können Proteine auch direkt in die ZW des ER eingebaut werden. Das Protein kann die Membran auch mehrmals passieren und wird so mit der Membran verwoben (multi-pass-Protein), dazu sind mehre SPRs notwendig, die nacheinander aktiv werden. Glykosylierung Nun fehlt nur noch der „Zuckerguss“, die Glykoklaix. Es sind die Zuckerreste, welche in variabler Zahl und Anordnung an der Außenseite der Zellmembran kovalent angeknüpft sein können. Wir können die Bausteine der Zellmembran wie folgt zusammenfassen: - Phospholipide: ohne und mit Glykosyl - Rest - Cholesterin - Membranproteine: 1. periphere (lösliche) mit/ohne Glykosylierung 2. integrale (nicht lösliche) mit/ohne Glykosylierung 3. spezielle Gruppen von Proteinen Die Glykokalix ist eine filzige Hüllschicht auf der Außenseite von Eukariontenzellen. Sie ist die Summe aller Glykosylierungsreste auf der Außenseite der Zellmembran. Glykosylierung beginnt schon im ER. Schon im im rauen ER, in der lumigen Seite können Zucker-Reste (Glykosyl-Reste) angeheftet werden, denn viele hier angeheftete Proteine sind Glykoproteine. Diesen Glykosylierungsschritt im rauen ER nennt man „Core gycosylation“ (im Golgi-Apparat à peripheren Glycosylierung, werden an bereits bestehende Glykosylierungsreste der Core Glykosylierungen angehängt). Synthese von Membranlipiden erfolgt im ER - assymmetrische Lipiddoppelmembran → flip- flop sorgt für symmetrische Verteilung Versorgung von Kern, Mitochondrien und Peroxisomen - Phospholipid- Transferproteine → Im ER werden Phospholipide für Zellmembran synthetisiert, allerdings nur auf der cytosolischen Seite der Membran. Durch Flippase können diese allerdings die Seite wechseln Vesikeltransport vom ER Der Transport der Proteine bzw. Membranteile erfolgt über Vesikel, welche vom rauen ER abgeschnürt werden (vesicle budding = Abschnüren von Vesikeln, wird von coat- proteinen induziert) Nachdem die Transportvesikel das ER verlassen haben, wandern sie in vielen Fällen zum Golgi Apparat. Hier werden sie abgewandelt, gespeichert und dann zu anderen Bestimmungsorten weiterbefördert. 27 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Golgi Apparat Der GA besteht aus abgeflachten durch Membranen begrenzten Hohlräumen die übereinander gestapelt sind. Häufig sind in einer Zelle mehrere solche Stapel (= Dictyosomen- Summe der Zisternen) vorhanden. Jede Zisterne des Stapels ist von einer eigenen Membran umschlossen. Der GA besitzt eine eindeutige Polarität: cis – Seite (konvexe) à ER und Zellkern zugewandt (hinein Vesikel) trans – Seite (konkave) à der Plasmamembran zugewandt (hinaus) Die Vesikel werden uU mehrmals zwischen ER und GA hin- und hergeschoben, damit ER-sässige Proteine, die versehentlich mittransportiert wurden, wieder zurückkommen. Funktionen: - Verschiebebahnhof für Kohlenhydrate - Verschiebebahnhof für Produkte des ER - weitere Verarbeitung der Proteine trans – Seite à Abspaltung von sekretorischen Vesikeln à kann Stunden od. Tagen im Cytoplasma liegen à 1. später wird sie mit Plasmamembran verschmelzen od. 2. kann zu Lysosom (Verdauungstation) werden., In polaren Zellen können Vesikel nicht zufällig mit der Membran verschmelzen. Sie werden daher entweder direkt (durch GA) oder indirekt (durch Endosomen) sortiert = Shuffling Besondere Zellorganellen sind nicht an den Golgi- Veikeltransport angeschlossen: Peroxisomen Glyxiosomen Mitochondrien Plastiden M-6-P Rezeptor akkumuliert in Clathrin coated vesikles → Rücktransport des Rezeptors zum GA 28 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Lysosomen, Endocytose und Exocytose Lysosom Ist ein Membranvesikel, das zur intrazellulären Verdauung von Makromolekülen dient (à Magen und Mülleimer der Zelle). Es beinhaltet Enzyme für die Hydrolyse von Proteinen, Polysacchariden, Lipiden also aller wichtigen Gruppen biologischer Makromoleküle. Lysosomale Proteine werden durch Mannose-6-Phosphat (M-6-P) gekennzeichnet, die Vesikel, die sie transportieren, werden zu Lysosomen, die Rezeptoren werden recycled indem sie zum GA zurücktransportiert werden. Lysosomen sind oft sehr sauer (pH 5), ein derart niedriger pH- Wert erhält die Lysosomenmembran aufrecht, indem sie Protone (H+) aus dem Cytosol in den Innenraum der Lysosome pumpt. Zyklus der Lysosomen Primäre Lysosomen - vom Golgi-Apparat freigesetzte Lysosomen durch histochemische Färbung erkennbar Sekundäre Lysosomen - entstehen durch Fusion eines primären Lysosoms mit einem Endosom, bzw. mit einer Substratvakuole Tertiäres Lysosom - = Residualkörper, Telolysosom Lipofuscingranula, Alterspigment (braune Flecken auf der Haut) (bis zu 20% des Zellvolumens) Bei Protozoen werden sek. Lysosomen ausgeschieden = Exocytose Rezeptorvermittelte Endocytose- zB LDL dockt an LDL- Rezeptoren an, Endocytose- Vesikel fusioniert mit Endosom, Rezeptoren gelangen mittels Transportvesikel zurück zur Zellmembran, der Rest ins Lysosom. - D.h. Zelle nimmt Makromoleküle auf, indem sie an der Plasmamembran neue Vesikel bildet .Der Ablauf ist im Wesendlichen eine Umkehrung der Exocytose: ein kleiner Abschnitt der Plasmamembran stülpt sich ein und bildet eine Grube, die immer tiefer wird und sich schließlich abschnürt. Diese Vesikel enthält Substanzen, die sich außerhalb der Zelle befanden. Exocytose- Ein Transportvesikel, das sich vom Golgi- Apparat abgeschnürt hat, wandert an den Fasern des Cytoskeletts entlang zur Plasmamembran. Sobald Vesikel und Plasmamembran sich berühren, ordnen sich die Lipidmoleküle der beiden Doppelschichten neu, und zwar so, dass die beiden Membranen verschmelzen. Dabei wird der Inhalt des Vesikels in die Umgebung der Zelle ausgeschüttet. (=die zelluläre Sekretion von Makromolekülen durch Verschmelzung von Vesikeln mit der Plasmamembran.) - entweder konstitutive Ausscheidung (nicht reguliert) oder mittels eines Signals (zB Hormon) induzierte regulierte Ausscheidung (Pflanzen haben nur konstitutive Bsp. Exocytose: Hormone, z. B. Adrenalin, werden auch durch Exocytose ausgeschüttet -> Adrenalin z.B. nur reguliert Peroxisomen, Glyxiosomen, Mitochondrien, Plastiden Peroxisomen Sind Microbodies und enthalten Enzyme welche Wasserstoff von verschiedenen Substraten auf Sauerstoff übertragen; produzieren Wasserstoffperoxid und bauen es dann ab. Sind spezialisierte von einer einfachen Membran umhüllte Vesikel, die Wasserstoff von verschiedenen Molekülen abspalten und auf molekuaren Sauerstoff übertragen, dabei entsteht Wasserstoffperoxid (H 2O 2) (à Name der Organellen). -teilen sich selbstständig und befreien Zellen von Giftstoffen Sie können z.B. Licht mit Hilfe von Luziferin produzieren. 29 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Aufgaben: - manche bauen Fettsäure mit Hilfe von Sauerstoff zu kleineren Molekülen ab (gelangen in Mitochondrien à Betriebstoff für Zellatmung) - die in Leber entgiften den Alkohol und andere organische Schadstoffe H2O 2 ist selbst extrem giftig à P. enthalten Enzym Katalase è wandeln H2O2 in Wasser und Sauerstoff um Glyxiosomen Ist eine spezifische Form der Peroxisomen und man findet sie im Speicherorgan fettreicher Pflanzensamen. Die in den Organellen enthaltenen Enzyme sorgen für den oxidativen Abbau von Fettsäuren, ein Vorgang durch den die im Öl der Samen gespeicherte chemische Energie zugänglich wird, bis der Keimling durch Photosynthese seine eigenen Nährstoffe herstellen kann. Teilung der Peroxisomen Sie vermehren sich durch Teilung, nachdem sie eine bestimmte Größe erreicht haben. Im Gegensatz zu den Lysosomen schnüren sich die Peroxisomen nicht vom inneren Membransystem ab, sondern wachsen durch Aufnahme von Proteinen und Lipiden, die im Cytosol hergestellt werden. Mitochondrien Mitochondrien sind von einer doppelten Membran umhüllt, wobei die innere Membran die Mitochondrien-Matrix umschließt. (in der mitte der zwei Membranen Spalt à perimitochondrialen Spalt) Die M. synthetisieren den Großteil des ATP-Bedarf einer Eukariontenzelle. Transport in der Mitochondrienmembran Die äußere Mitochondrienmembran ist permeabel für Moleküle und Ionen von geringem Molekulargewicht (à nicht für Proteine). Solche Permeabilität nicht bei Innenmembran und ihren Einfaltungen. Die Innenmembran muss aus funktionellen Gründen impermeabel sein (nur über bestimmte Transportproteine permeabel). So gelangt z.B. Pyruvat aus dem Glykolyse-Stoffwechsel durch Diffusion zwar in den perimitochondrialen Spalt, für den Weitertransport muss das Pyruvat jedoch über einen Carrier durch die Innenmembran geschleusst werden (Pyruvat-Shuttle). Dasselbe gilt für ADP du P i, die Stoffe, die bei ATP-Hydrolyse während energieverbrauchender Prozesse im Cytosol anfallen und die das Mitochondrium importieren muss, um neues ATP nachbilden und ins Cytosol exportieren zu können. Der ATP/ADP-Austausch erfolgt über ein Carrier-Protein vom Typ eines „Antiporters“, also ebenfalls in Form eines integralen Proteins der mitochondrialen Innenmembran Jedes Mitochondrium hat eigene, nackte DNA- Moleküle 30 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina ENDOSYMBIONTENHYPOTHESE - DNA ringförmig geschlossen, keine Histone - DNA enthält typische prokaryotische Sequenzen - innere Membran cholesterinfrei, aber cardiolipinhaltig - Spatium intermembranosum entspricht nicht dem Cytoplasma - F-ATPasen gibt es in Bakterien, und bei den Eukaryoten nur in Plastiden bzw. Mitochondrien Protheinsynthese Wie der Import von Proteinen aus dem Cytosol in das Mitocondrium erfolgt so erfolgt auch der Import von DNA und RNA-Polymerasen um mit seiner DNA überhaupt etwas anfangen zu können. Stoffwechsel der Mitochondrien - Citratzyklus - Atmungskette - ß-Oxidation der Fettsäuren - As-Stoffwechsel - Harnstoffsynthese - Ca2+-Speicher - Gluconeogenese - Futile Cycle- Fettsäuren werden unter Verlust von ATP auf- und wieder abgebaut Fettsäuren, Monosaccharide, Aminosren werden zu Acetyl-CoA, dieses kann imZitronensäurezyklus verarbeitet werden Zitronensäurezyklus im Innern des Mitochondriums: bei jedem Durchlauf wird 1 GTP aus GDP gemacht, 2 CO2 werden ausgeschieden und es entstehen die Reduktionsäquivalente: 3 NADH und 1 FADH2 Die Atmungskette läuft im Innern der Mitochondrienmembran, sie nutzt die Reduktionsäquivalente des Zitronensäurezyklus um ATP durch einen mittels der Reduktionsäquivalente NADH und FADH2 aufgebauten Protonengradienten über ATPase zu synthetisieren. Dabei wird Wasserstoff unter O2 Verbrauch zu Wasser oxidiert. Komplex I: Die ATP-Bildung verläuft nach einem komplexen Schema: zunächst werden die in der Mitochondrienmatrix gebildeten NADHMoleküle (Reduktionsäquivalente) an der + Innenmembran zu NAD oxidiert (I, NADHDehydronegenase). Komplex II: Elektronen (e-) werden über die Redoxkette der Cytochrome (II, III, Cytochrom c) in der Membran weitergegeben. Komplex III: Eigentlich über den Fe-Kern, der einen 3+ reversiblen Oxo-Reduktions-Vorgang (Fe 1 2+ Fe ) durchmacht. Komplex IV: + An der Cytocromoxidase (IV) gelangen Elektronen und Protonen (H ) zur Reakion mit molekularem Sauerstoff (Endoxidation, Zellatmung). Dass dabei zunächst nur H 2O gebildet wird, mag trivial erscheinen. 31 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Wichtig ist jedoch, dass vorher Protonen (+) und Elektronen (-) hinterherdiffundieren und so im perimitochondrialem Spalt angereichert werden, wogegen die Elektronen über die Cytochromoxidase wieder in die Matrix zurückgeschleußt werden. Komplex V: Aus diesem Stausee fließen Protonen in das Innere des Mitochondriums zurück, und zwar über einen Kanal im Inneren des komplexen Proteinmoleküls der ATP-Synthase, welche wie eine Turbine der Energiegewinnung dient (ATP-Synthese). Der Intermembranraum der Mitochondrien ist sauer, die Matrix darunter ist alkalisch. Durch diesen Protonengradienten wird die ATP- Synthese mittels ATPase angetrieben. ATPase ist ein sehr konservatives Protein, d.h. es ist im Grunde bei allen Lebewesen gleich Plastiden Wahrscheinlich aus symbiontischen Bakterien hervorgegangen Je nach Pigmentausstattung unterscheiden wir zwischen: - Chloroplasten (der Thylakloidstapel der Chloroplasten entsteht bei Sonneneinstrahlung mittels Knospung der inneren Membran) - Chromoplasten (z.B. Blütenblätter) - Leukoplasten, Amyloplasten (Sterkespeicherung) Pigmente: Chlorophyll a, b, c, d (Phyrolkern, Phytolrest) Carotinoide Photosynthese LICHT- / DUNKELREAKTION Lichtreaktion an der Thylakloidmembran- Aufbau eines Protonengradienten durch Sonnenenergie. ATP wird an der Membran durch Protonenmotorische Kraft mittels ATPase synthetisiert (innen alkalisch, Innenmembranraum sauer). Außerdem wird H2O und O2 umgewandelt und teilweise NADPH synthetisiert. Dunkelreaktion (im Stroma des Chloroplasten, Calvin- Zyklus) : Glukose aus 6CO2 unter Verbrauch von 12 NADPH (wird zu NADPH+). Dabei werden 18 ATP zu ADP abgebaut und 12 H2O zu 6 O2 oxidiert. Anderer Weg ATP herzustellen: Glykolysis Die Lichtreaktion ist auf Stroma- und Granalamellen verteilt, die beide Chlorophyll in ihren Membranen eingelagert haben. Für eine hohe Energieausbeute muss das Chlorophyll mit einer Reihe anderer Komponenten kombiniert werden. Diese Molekülaggregate bilden eine wirksame Lichtantenne, die im Extremfall sogar einzelne Photonen aufnehmen und energisch nutzen kann. Die Photosynthese beginnt mit dem Photosysten II. Dies besteht aus einen Antennenkomplex, der neben Chlorophyll noch eine Reihe von Komponenten enthält (P680-Komplex). Seine Aktivierung resultiert aus der Hydrolyse von Wasser. Die dabei frei werdenden ewerden von P680 aufgenommen, das auf ein höheres Energieniveau angehoben wird. Der zweite Schritt der Photosynthese besteht in einem e Transport entlang eines Cytochrom.Komplexes. Das abfallende Energieniveau wird energisch genutzt, indem gleichzeitig mit dem Elektronen-Fluss ein Protonen-Transport in die geschlossenen Säcke des Innenmembransystems des Chloroplasten in Gang gehalten wird. Die Bildung von ATP erfolgt wie bei den Mitochondrien. Erst in einem dritten Schritt kommt das Photosystem I zum Zuge. Dieses enthält wiederum eine Lichtantenne mit Chlorophyll. (da die maximale Energetisierung durch Licht von 700 nm erfolgt à 32 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina P700) Auch P700 gibt aus seinem energetisierten Zustand Energie ab, + die hier aber zur Reduktion von NADP zu NADPH genutzt wird. ATP und NADPH werden also im Anschluss an die Prozesse der Lichtreaktion gebildet. Beide Substanzen werden in der Dunkelreaktion verbraucht. Erst in der Dunkelreaktion erfolgt die Bildung von Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Glykose, mit deren die Pflanzenzelle ihre Energiebedürfnisse außerhalb des Chloroplasten bestreitet. 6CO2 + 6H2O + Licht à C6H12O6 + 6O2 Das Cytoskelett Besteht aus: 1. Intermediärfilamente 2. Mikrotubuli 3. Actin Filamente Zellstrukturen, die Cytoskelettelemente enthalten: Centriolen Cilien Muskelfasern 1. Intermediärfilamente - variabel im Aufbau, unverzweigt Aufbau: α- Helix → Doppelhelix → Tetramer aus 2 versetzt angeordneten DoppelhelixDimeren, verbinden sich zu Röhren mit ca. 10nm Durchmesser. IF gibt es bei pflanzlichen Zellen nicht Bestehen aus UE (v.a. Keratine) 2. Mikrotubuli - Im Cytoplasma aller Eukaryotenzellen Aufgabe: Geben der Zelle Form und Stütze, Transport von Vesikeln, Bldg komplexer Aggregate wie Centriol, Kernspindel, Cilien - Aufbau: 13 Protofilamente, spiralig vernetzt, ergeben einen Hohlzylinder MT sind aus α und β – Tublin(Protein) aufgebaut. . Self- assembly der MT - „Selbstzusammensetzung“- 13 Protofilamente spiralig vernetzt ergeben Hohlzylinder 33 Zellbiologie WS 2004/05 (a) (b) (c) Hell Katherina 1 α und 1 β – Tublin ergeben einen sog Heterodimer (= Baueinheit des Mikrotubulus).Durch Polymerisation werden diese zu länglichen Protofilamenten zusammengefügt. 13 solcher Protofilamente lagern sich aneinander und bilden Wand des Mikrotubulus, wobei die Protofilamente leicht gegeneinander verschoben sind. Elongation- am + Ende wachsen sie, und am – Ende werden sie gleichzeitig abgebaut, um Gleichgewicht zu erhalten Funktion als Gleitschiene In der Zelle laufen ständig Transportvorgäne ab: Sekret- bzw. Neurotransmitter-Vesikel müssen an die Zelloberfläche transportiert werden. Nach Abgabe des Inhaltes ist das Leergut (Ghost) zum Wiederauffüllen (Recycling) wieder in das Zellinnere zu schaffen. Zum Vesikeltransport verwendet die Zelle die vom Cytozentrum ausgehenden Mikrotubuli. Dazu werden die Vesikel spontan mit im Cytosol vorhandenen Motorproteinen bestückt- in diesem Falle sind es Kinesin und Dynein. Wie jeder Motor bedürfen auch sie der Energiezufuhr. Dazu spalten sie ATP (sie sind also ATPasen). Dabei wird ihre Konformation geändert und dadurch die Bewegung gegenüber den Mikrotubuli ausgelöst. Kinesin dient als Transport Richtung – nach + (nach Zellperipherie) und Dynein dient als Transport in die Gegenrichtung. Herstellung von komplexen Aggregaten In einem weiteren Self-Assembly Komplex können Mikrotubuli komplexere Strukturen bilden: Centriol, Cilien und Flagellen. Das Centriol bildet in sich teilenden Zellen das Cytozentrun (Centrosom) aus, dieses dient als Polymerisationskein für die Ausbildung cytoplasmatischer MT. (Das Cytozentrum besteht aus dem Centriol und einer angelagerten Masse von Proteinen.) Tritt eine Zelle in die Zellteilungein, so bildet je ein doppeltes Centriol den Ausgangspunkt für die beiden Pole der Kernteilungsspindel. Ein Centriol besteht aus 9 Gruppierungen von kurzen, gleich langen Mikrotubuli, die ihrerseits in Dreiergruppen (Tripletts) vereinigt sind ( 9x3 Struktur). In den Cilien und Flagellen sind die einzelnen Mikrotubuli Strukturen aus 13 Protofilamenten aufgebaut. Allerdings teilen sich die Mikrotubuli der einzelnen Tripletts jeweils 5 Protofilamente. Die Situation ist in Wirklichkeit insofern komplexer, als Centriolen immer doppelt und in senkrechter Anordnung zueinander auftreten. (Cilien bestehen aus 9x2+2 Mikrotubuli. Beim Abbiegen der Cilie verschieben sich die MT. Diese Geißelbewegung kommt durch Dyneine zustande) Self-assembly-Prozessen auf 4 Niveaus: - Protofilament Grundstruktur - Bildung von Mikrotubuli-Komplex - deren Zusammenlagerung zum ersten Einzel-Centriol - Ausbildung des zweiten Einzel-Centriol Alkaloide lagern sich an das Tublin und verhindern die Aggregation der Mikrotubuli 34 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina DER SCHL AG VON CILIEN UND GEIßELN In Gegenwart von ATP verharren die Dupletts in Ruhestellung. Erst die Hydrolyse von ATP zu ADP+Pi bewirkt eine Konformationsänderung der Dynein-Ärmchen. Da die Mikrotubuli-Dupletts fest an einer Basalplatte verankert sind, resultiert diese Bewegung des Dyneins in einem Aneinandergleiten benachbarten Dupletts bei gleichzeitiger Krümmung des Ciliums oder Flagellums. Aus der raschen Abfolge solcher reversibler Prozesse resultiert der mikroskopisch sichtbaren Schlag eines Cillums oder eines Flagellums. 3. Actinfilamente - bestehen aus Aktin (Protein). Aktin wird in der monomeren Form als G- Aktin bezeichnet. Mikrofilamente entstehen dann, wenn G- Aktin zum geeigneten F- Aktin polymerisiert (mit Hilfe geeigneter Proteinen) Molekulare Prozesse an „Leading edge“. Das F-Aktin zeigt hier besonders starke Dynamik, indem es durch Anpolymerisieren von G-Aktin (rote Punkte) an Nukleationszentren direkt an der Zellmembran verlängert wird. Dadurch wird das Vorderende der Zelle bei amöboider Bewegung vorwärts geschoben. Amöboide Bewegung. Die Zelle bewegt sich von links nach rechts, wo sie ein abgeflachtes „Leading edge“ erkennen lässt. Dort können sich flächige Lamellipodien und stielförmige Filopodien, teilweise auch gröbere Pseudopodien bilden (bei Amöben z.B.) Fp à sondieren wie Antennen das Umfeld auf chemische Reize; die anderen Fortsätze à schieben die Zelle voran. Diese Strukturen sind sehr dynamisch, indem sie durch Polymerisation von Aktin, vorwärts getrieben werden. Molekulare Prozesse an Fokalkontakten. Für die Ausbildung eines Fokalkontaktes wesentlich ist die Akkumulation von Rezeptoren für Proteine der extrazellulären Matrix, den Integrinen. Nur in Wechselwirkung mit Myosin können Mikrofilamente Kontraktilität erlangen. Ein Myosin-Molekül besteht aus zwei parallel angeordneten schweren Ketten mit je einem Schwanz und einem Kopfteil. Funktion des Mikrofilamentsystems in Nicht- Muskelzellen: Protoplasmaströmung Kontraktion bestimmter Zellbereiche Ausrichten von Chloroplasten Fortbewegung der Zelle (amöboid) Formgebung MIKROVILLI (in Darmzotten) In großer Anzahl vorhandene, fingerförmige Ausstülpungen der Ephitelzellen des Dünndarms, die dessen Oberfläche vergrößern Bestehend aus vielen Actinfilamenten Cytoplasma = Zellflüssigkeit mit präziser Ionenzusammensetzung → um Aktivität der Proteine zu kontrollieren → um Volumen der Gesamtzelle zu kontrollieren Durchschnittliche Ionenkonzentration innerhalb der Zelle Im extrazellulären Bereich ändert sich Ionenkonzentration und Zusammensetzung 35 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Osmose Diffusion von gelösten Teilchen und vom Lösungsmittel durch eine semipermeable Membran. Im biologischen Sinn bedeute Osmose in erster Linie eine Bewegung des Lösungsmittels, also eine Wasserbewegung Donnan-Gleichgewicht: Verteilung von Ionen in zwei Reaktionsräumen, die durch eine semipermeable Membran getrennt sind. Für mindestens ein Ion ist die Membran impermeabel. - ist also eigentlich ein Ungleichgewicht (denn in Zelle mehr Ionen als außen, das würde bedeuten dass die Zelle mehr Wasser einzieht, dass das nicht passiert, dafür ist das Donnan- Gleichgewicht zuständig) Stoffwechselwege des Cytoplasmas • • • • • • Glykolyse Glykogensynthese Glykogenabbau Pentosephosphatzyklus Fettsäuresynthese Proteinsynthese Signalübertragung- intrazellulär (a) über Nervenzellen (b) chem. Kommunikation über Hormone = Botenstoffe die über das Blut transportiert werden Intrazelluläre Signaltranskription Hormon, das nicht durch Plasmamembran kann gibt Signal intrazellulär weiter (Signal im Cytoplasma lokalisiert). Bindet sich an Rezeptor, dieser ändert seine KonformationG- Protein wird aktiviert und bindet ein Enzym- baut aus ATP cAMP auf -> Proteinkinase A -> Zellantwort UMBAU- / ABBAU VON ZELLMATERIAL Membranlipide bei der Temperaturanpassung - Adhäsionsmoleküle der Membran im Verlauf der Entwicklung - Kernlamina bei der Zellteilung - Mikrotubuli/Spindelapparat bei der Zellteilung - Chromosomenabbau nach Verlust des Telomers - Signalsequenzen nach Erreichen des Zielortes (Ausnahme Kernlokalisationssignale) - RNA - processing und splicing - mRNA Abbau nach der Transkription - Stoffwechselenzyme (Induktion, Abbau) - Variabilität des Cytoskeletts Zelltod- Nekrose und Apoptose Nekrose (ungeplanter Zelltod) – Zellschwellung, – Mitochondrienschwellung – verminderte Ionen/Osmoregulation, (v.a. Na+ und Ca2+ Ionen) – Aktivierung von Phospholipasen, Abbau von Membranlipiden – Freisetzung von Hydrolasen aus ruptierten Lysosomen – Degradation von Protein, RNA und DNA, à Zell-Lyse à Entzündungsreaktion Makrophagen, die nekrotische Zellen verdauen, setzen ebenfalls Entzündungsmediatoren frei Apoptose (physiologischer, geplanter Zelltod) 36 Zellbiologie WS 2004/05 Hell Katherina Es gibt verschiedene Rezeptoren, die die Zelle zur Apoptose anregen. z.B. bei Metamorphose Induziert durch: Proteasen (Caspasen) von innen, Oberflächenrezeptoren, Pharmazeutika, Strahlung, freigesetztes Cytochrom c aus Mitochondrien, etc. -> starten Signalkaskade -> führt zu: ICEProteasen- Aktivierung -> Spaltung von Proteinen, Verkleinerung, Kernauflösung Was passiert? - Veränderung des Zellvolumens und der Zellform - Zelle schrumpft - Zellkern löst sich auf- DNA wird in definierte Bruchstücke fragmentiert (Zellen durch Exocytose abgeschnürt) - Phagocytose- Zelle wird eliminiert und Entzündungsreaktion wird durch Makrophagen gehemmt (bei nekrotischen Zellen entzündet sich das Gewebe) Induziert durch: TNF ( Tumor Necrosis Factor), oder durch Proteine der Bcl- 2 Familie, die sowohl anti- als auch pro- apoptotisch wirken können. Stressignale die zur Apoptose führen können sind z.B. DNA- Schäden Bedeutung von Fas am Beispiel von T- Zellen: Simulation von T- Zellen führt zu erhöhter Expression von Fas- Rezeptoren Zeitverzögert wird auch der Ligand exprimiert ð T- Zelle wird apoptotisch Krebs Ein Fehler in der Zelle tritt auf- P53 wird produziert Krebskranke haben oft mutierte P53 Gene, diese Gene sorgen normalerweise dafür, dass eine Zelle deren DNA beschädigt ist in die Apoptose übergeht oder in der G1 Phase arretiert wird. Die Kontrolle des Zellzyklus bedeutet ein ständiges Wechselspiel von aktivierenden und hemmenden Prozessen - In Krebszellen ist die Kontrolle über dieses Wechselspiel verloren gegangen - Es müssen mehrere Fehler zusammenkommen um eine Krebszelle entstehen zu lassn Zelltypen und Viren Die 9 Kompartimente der Eucyten: Zellplasma, Zellmembran, ER, GA, Microbodies, Plastiden, Mitochondrien, Nucleus, Vakuolen/ Lysosomen Blutzellen werden in den Stromazellen des Knochenmarks hergestellt, diese sind sog. Pluripotente Zellen. (Stammzellen sind omnipotent) Zelltypen im Blut: Erythrocyten, Leukocyten, Thrombozyten - Leukocytenarten: Granuolcyten (Neutrophile gegen Bakterien/ Viren, Eosinophile gegen Würmer, Basophile gegen Parasiten) Monocyten 37 Zellbiologie WS 2004/05 Lymphocyten (B- schütten Antikörper aus, T- Killerzellen, Gedächtniszellen) Hell Katherina Helferzellen, Unterdrückerzellen, -Thrombocyten sorgen für Wundverschluss mittels Thrombusbldg (führt zu irreversiblem Pfropf) - Erythrocyten rote Blutkörperchen (Hämoglobin) Nervenzellen gliedern sich in Dendrit und Axon. Schwannzellen wickeln sich spiralförmig um das Axon -> myelisierte Nervenzellen (höhere Geschwindigkeit bei der Signalwiedergabe) Viren synthetisieren mit Hilfe des Wirts zw 2 und 200 Proteine Enzyme für eigene Replikation Proteine die RNA-, DNA-, und Proteinproduktion des Wirts stoppen Kapselproteine Beim Lytischen Zyklus wird das Chromosom des Wirts abgebaut und die Zelle produziert sofort Viren, beim Lysogenen Zyklus wird die virale DNA in die Wirts DNA eingebaut, und kann so durch Zellteilung vermehrt werden, und dann später ausbrechen Viren sind oft symmetrisch, wegen der Stabilität und weil gleiche UE die Anzahl der erforderlichen Gene reduzieren Viroide kleine, ringförmige einzelsträngige RNA- Moleküle Tumorviren können eine neoplastische Transformation herbeiführen Onkogene können Zellen zu Krebszellen machen (Proto- Onkogene- häufig Wachstumsgene) 38
