BIO112 - Zusatz
Zusätzliche Begriffe zu BIO112 UZH
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Sinneszellen - Gehör
Die Tektorialmembran ist keine Lipidmembran sondern eine gallenartige extrazelluläre Matrix. Sie besteht aus Collagen und Glycoproteinen. Die Sinneszellen im Ohr, die Haarzellen, werden bei Säugetieren nur einmal im Leben gebildet. Bei anderen Vertebraten werden sie erneuert.
Was besitzen die Haarzellen im Gehör an der apikalen Membran?
Die Haarzellen besitzen an der apikalen Membran spezialisierte Zellfortsätze, die Mikrovilli (Auch Sinneshärchen oder Stereocilien genannt). Mikrovilli sind Actin-basiert, ähnlich Filopodien aber stabil. Dienen auch zur Vergrösserung der Darmepithelzelloberfläche. Nicht verwechseln mit Mikrotubuli-basierten Flagellen und Cilien. Schallwellen bewegen die Basilarmembran -> Bewegung der Mikrovilli relativ zur Tektorialmembran -> Mikrovilli kippen seitlich ab. Abkippen öffnet via spezialisierte Cadherin mechanisch gelenkte Ionenkanäle. Ioneninflux verändert das Membranpotential und setzt an der basalen Synapse der Haarzelle Neurotransmitter frei. Jede Tonlage, hat eigene Dimensionen der Basalmembran- und Mikrovillistruktur. Das System muss extrem präzise gebaut sein!
Sinneszellen - Sehen
Im Auge ist die lichtempfindliche Schicht, die Retina (Netzhaut), aus mehreren Neuronenschichten gebaut. Das Licht muss erst durch zwei Neuronenschichten passieren, bevor es auf die sensorische Zellen, die Photorezeptoren trifft. Die äusseren Ganglionenzellen sind mit dem Gehirn verbunden, die darunterliegenden Interneuronen kontrollieren und koordinieren die Reize. Die Photorezeptoren werden nach ihrer Form in Stäbchen und Zapfen eingeteilt. Zapfen-Photorezeptoren reagieren entweder auf rote, grüne oder blaue Wellenlängen. Stäbchen-Photorezeptoren sind besonders lichtempfindlich, sehen aber nur schwarz/weiss.
Aufbau der Photorezeptorzellen
Die hochspezialisierten Photorezeptorzellen = Photorezeptoren haben mehrere Hauptbereiche. Der photosensitive Teil ist das äussere Segment. Ist wohl ein spezialisiertes Cilium da dessen Basis die typische 9+2 Mikrotubuliorganisation zeigt. Das "Cilium" ist gefüllt mit Membranscheiben, welche die photosensitiven Moleküle enthalten. Das innere Segment besitzt viele Mitochondrien und ist die Fabrik wo die photosensitiven Moleküle hergestellt werden. Am anderen Ende der Zelle ist eine Synapse die ein Signal an die Interneuronen weitergibt. Die Photorezeptorzellen sind nicht erneuerbar wohl aber die lichtsensitiven Moleküle welche laufend erneuert werden müssen. In Stäbchen ist die Erneuerung linear geordnet: ER - Golgi - proximale Scheiben - distale Scheiben.
Die Membranscheiben der Photorezeptorzellen
Die Membranscheiben enthalten die Sehpigmente aus dem lichtabsorbierenden Retinal und einem Opsin Protein, welches die spektrale Empfindlichkeit steuert, bestehen.
Im Dunkeln hält cyklisches GMP Kationenkanäle in der Plasmamembran offen. Dies bewirkt eine Sekretion hemmender Neurotransmitter.
Im Lichteinfall geht der Retinal von cis- in trans-Form. cGMP Hemmung, Ioneninflux stoppt, Plasmamembran hyperpolarisiert. Die Neurotransmittersekretion wird gehemmt -> Aktivierung.
Der Verdauungstrakt
Das Endoderm ist der Ursprung verschiedener Zellsysteme wie z.B dem Verdauungstrakt. Der Verdauungstrakt verdaut und absorbiert Nahrung ohne sich selber zu verdauen.
Trick 1: Viel Schleim (Mucus) sekretieren um die Zellen zu schützen.
Trick 2: Zellen fortwährend und schnell ersetzen.
Zuerst wird die Nahrung in einem spezialisierten Teil, dem Magen, verkleinert. Der Magen ist ebenfalls aus mehreren Zellschichten aufgebaut. Aussen Muskelzellschicht, dann Bindegewebeschicht, dann Schleimhaut. Die Magensäure (pH 1-5) aktiviert Verdauungsenzyme und tötet Krankheitserreger. Die Magenschleimhaut enthält v.a. Zellen die proteolytische Enzyme, Säure und Mucine (Proteine mit langen Polysaccharidketten) sekretieren.
Beim Austritt aus dem Magen wird von den Zellen der Bauchspeicheldrüse und der Brunner'schen Drüse Bicarbonat sekretiert -> neutralisiert Säure. Im Dünndarm geschieht die eigentliche Verdauung und die Nahrungsaufnahme. Das Gewebe ist stark gefaltet -> Oberflächenvergrösserung. Die gefaltete Oberfläche besteht aus zusätzlich gefaltetem Gewebe wobei die Berge Zotten und die Täler Krypten heissen. Zusätzlich haben die Zellen an ihrer apikalen Oberfläche Mikrovilli
Die 5 Zelltypen des Darms
Saumzelle (Enterocyt): Absorption von Nahrtung und Enzymsekretion
Becherzelle: Sekretion von Mucus
Panett-Zelle: Sekretion von Enzymen und anti-bakteriellen Proteinen
Enteroendokrine Darmzelle: Hormonsekretion zur Regulation der Verdauung
Der 5. Zelltyp des Darms
Stammzellen sind der 5. Zelltyp des Darms.
Wegen des Darmkrebses ist die Zellerneuerung des Darmepithels durch Stammzellen recht gut studiert. Der Umsatz der gesamten Schleimhaut dauert etwa 3-5 Tage! Die Stammzellen liegen gut geschützt in den Krypten. Amplifikation via Übergangszellen, welche sie schnell, aber limitiert teilen. Durch die Zellteilungen wandern die Zellen nach und nach in Richtung Zottenspitze. Auf dem Weg differenzieren die Zellen. Nicht alle neu generierten Zellen wandern gleich weit. Einige Zellen, beispielsweise die Paneth-Zellen, bleiben in den Krypten und differenzieren da.
Die Zellen der Leber
Die Leber stülpt sich, neben einer Hauptvene, vom Urdarm aus. Sie ist so direkt mit dem Blutstrom aus dem Darmsystem verbunden und verarbeitet die aufgenommene Nahrung weiter. Dabei wird eine riesige Anzahl Substanzen abgebaut, aufgebaut, umgebaut und gespeichert. Die Leber ist so wichtig für den Lipid- und den Kohlenhydratstoffwechsel und sie sekretiert die meisten Blutplasmaproteine.
Alkoholmissbrauch, Überernährung und Medikamente erhöht Anzahl Triacylglyceridtröpfchen in den Leberzellen. Dies führt mit der Zeit zu Entzündungen und in 10% der Fälle zu einer Leberzirrhose. Wir kennen das auch von der Gänseleber. Die Leber besteht vorwiegend aus Hepatocyten, einem Zelltyp der alles kann!
Hepatocyten in der Leber
Hepatocyten sind grosse, polyploide Zellen, die unregelmässig in Platten und Balken angeordnet sind. Die Hohlräume zwischen den Hepatocyten sind Blutgefüllt und werden Sinusoide genannt. Das Blut ist durch eine dünne Schicht poröser "gefensteter" Endothelzellen von den Hepatocyten getrennt. Zusätzlich kleine Kanäle, die Caniculi sind direkt mit dem Darm verbunden. -> Entledigen Abfallstoffe und liefern Galle, die der Fettaufnahme im Darm dient.
Die Spezielle Gabe der Leber
Sie kann die Grösse des Organs auch im adulten Zustand flexibel anpassen. Es kann ein Teil der Leber entfernt werden, welche nach gewisser Zeit wieder nachwächst.
Die Zellen der Lunge
Die Lunge ist ein stark verzweigtes Röhrensystem. Die Röhren enden in mehreren hundert Millionen Luftbläschen, den Alveoli.
Damit die exponierten Zellen nicht austrocknen, aber gleich genug Raum besitzen, damit wieder Luft "refillt" werden kann müssen zwei Zelltypen zusammen arbeiten: Ein Plattenepithel aus dünnen TypI-Alveolus-Epithelzellen bildet die Alveolioberfläche und ist verantwortlich für den Gasaustausch. Dazwischenliegende TypII-Alveolus-Epithelzellen sezernieren eine phospholipidreiche Substanz, das Surfactant. Dies erniedrigt die Oberflächenspannung des Wassers, dies verhindert das Zusammenkleben und Austrocknen.
Das Surfactant wird erst nach dem 5. Schwangerschaftsmonat sezerniert. Früher geborene Embryonen können ihre Lungen noch nicht mit Luft füllen.
Wie filtert die Lunge den Schmutz und die Keime aus?
Ein dickes Respirationsepithel kleidet die grösseren, äusseren Atemwege aus. Darin arbeiten Becherzellen und Cilienzellen zusammen. Die Becherzellen sekretieren Schleim, der Luftpartikel bindet. Cilienzellen transportieren Schleim und Luftpartikel raus. Makrophagen fressen was trotzem in die Alveoli gelangt.
Stündlich werden mehrere Millionen tote, mit Fremdstoffen beladene Makrophagen mit dem Schleim ausgestossen! Endokrine Zellen regulieren Schleimproduktion, Cilienschlagfrequenz und Muskeln zur Atemverengung.
Die Blutzellen
Es bestehen viele verschiedene Blutzellen mit verschiedenen Funktionen. Sie alle werden aus einer Art von endodermalen Stammzellen hergestellt. Die Determinierung geschieht stufenweise. Alle Blutzellen werden im Knochen-mark hergestellt, ausser T-Zellen die erst im Thymus reifen.
Funktion der Extrazellulären Matrix
Verankerung und Polaritätsvorgabe für Zellen, Regeneration
Signaltransduktion in Geweben
Formgebung von Geweben und Organen
Wassergehalt der Gewebe
Elastizität der Gewebe
Zugfestigkeit und Stabilität der Knochen, Sehnen und Bänder
Form, Gestalt und Polarität der Pflanzenzellen
Die Basallamina
Die Basallamina ist ein dünner (40-120nm) aber wichtiger Teil aller Epithelien und einiger nicht-epithaler Gewebe (Beispiel: Muskeln).
Evolutionär konserviert in allen Metazoen (Laminin, Kollagen IV, Nidogen, Perlecan)
Bestimmt Zellpolarität, beeinflusst den Metabolismus, reguliert Zellteilung, -differenzierung und -migration
Modell der Basallamina
Chemische Komponenten der Extrazellulären Matrix
Kollagen I-III: Zugfestigkeit der Gewebe (Fibrillen -> Fasern)
Kollagen IV,VII: Bildet Netzwerke, e.g in Basallamina
Fibrillin/Elastin: Bildet elastische Fibrillen (Beispiel: In Bindegewebe und Knorpel)
Glycosaminoglycane (GAGs): Lange, unverzweigte Polysaccharide, die ein Gel bilden (Druckresistenz)
Proteoglycane: Proteine mit GAGs
Glycosaminoglycane (GAGs) - Heparansulfat
Glycosaminoglycane (GAGs) - Hyaluronsäure
Ubiquintierung
Posttranslationale Modifikation bestimmter Proteine bei Eukaryoten. Besitzt verschiedene Funktionen, Bsp: Selektive Degradation
Cholesterin (Zusammensetzung)
- apolarer Schwanz
- polarer Kopf (OH)
- apolare Steroidringe
Mikrotubuli
Sind aus Alpha- und Beta-Proteinen aufgebaut und brauchen Chaperone für die richtige Faltung und Zusammensetzung. Beta-Tubuli kann GTP hydrolisieren, Alpha nicht. Es entsteht eine Krümmung bei der Bildung des Tubulus. Sie sind polar -> Das Beta-Ende ist positiv (wächst hauptsächlich hier, kann aber auch am minus-Ende wachsen.)
- Dynamische Stabilität -> Wachsen und schrumpfen fast gleichzeitig
- Dient zum intrazellulären Transport mit Motorproteinen
Auf ihnen findet der Transport der
Chaperone
Protein welches bei der Faltung der Proteine extern mithilft.
Aktinfilamente
Besteht aus Aktin, welches ATP bindet (G-Aktin). Diese binden aneinander und bilden ein F-Aktin.
- Das Plus-Ende wächst schnell, während das Minus-Ende sehr langsam wächst.
-> Dynamisches Gleichgewicht: ATP wird mit der Zeit hydrolisiert -> Filament wird labil und fällt auseinander -> am Plus-Ende wird weiterhin Aktin mit ATP angebunden.
Intermediärfilamente
Organisieren sich ohne Hilfe von ATP -> Besitzen eine Doppelwendel.
- Polypeptide welche ein NH3 und COOH Ende besitzen und sich immer zu zweit parallel anordnen.
Transmembranproteine und Periphere Membranproteine
Lipidanker
Bindet das Protein peripher an die Membran.
DNA Replikation
DNA -> DNA
- Bestandteil des Central Dogma und wird in der Vermehrung von Zellen (Mitose) gebraucht, um das Genmaterial zu replizieren.
Was haben alle Zellen gemeinsam?
- Alle Zellen speichern ihre Erbinformation im gleichen, linearen, chemischen Code
Desoxyribonukleinsäure (DNS/DNA)
- Alle Zellen replizieren ihre Erbinformation durch matrizengesteuerte Polymerisation
- Alle Zellen transkribieren Teile ihrer Erbinformation in die gleiche Zwischenform
Ribonukleinsäure (RNS/RNA)
- Alle Zellen übersetzen RNA auf die gleiche Weise in Protein
- Alle Zellen verwenden Proteine als Katalysatoren
- Alle Zellen arbeiten als (bio)chemische Fabriken, die die gleichen Grundbausteine
handhaben
- Alle Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben durch die Nährstoffe und
Abfallstoffe passieren
- Alle Zellen haben Gene, die Abschnitte der Erbinformation, die jeweils einem Protein
entsprechen (zum leben braucht es weniger als 500 Gene!)
- Alle Zellen brauchen (viel) freie Energie
Wieso braucht es Kompartimente in den eukaryotischen Zellen?
Kompartimente ermöglichen die intrazelluläre Arbeitsteilung. Dies ermöglicht eine enorme Differenzierung und Leistungssteigerung. Kompartimentierung ist Voraussetzung für die Entstehung komplexer,
differenzierter Organismen.
Typische Kompartimente einer Eukaryotenzelle
Cytoplasma
Zellkern (Nukleus)
Nukleolus
Golgi Apparat
Centrosom (nur tierische
Zellen und niedere Pflanzen)
Endoplasmatisches Reticulum
Verschiedenste Vesikelarten
Mitochondrien
Zilien/Microvilli
Vakuolen (Pflanzen, Pilze)
Plastiden (Pflanzen)
Was sind Organellen?
Intrazelluläre, membranumhüllte Kompartimente. Sie besitzen eine bestimmte Struktur und Funktion.
Weitere Komponenten der einer typischen Eukaryotenzelle?
Zytoskelett (Aktin, Mikrotubuli, Intermediärfilamente)
Zentriolen
Spindelpolkörper (Pilze)
Extrazelluläre Matrix (Tierische Zellen)
Zellwand (Pflanzen und Pilze)
Chromosomen/DNA
RNA
Lipide
verschiedenste Proteine/
Proteinkomplexe (z.B. Ribosomen)
Nährstoffe/Mineralien/Salze
Wasser!
Eigenschaften von Wasser
- In festem Zustand leichter als in flüssigem
- Netzwerk von Wasser extrem dynamisch
- Es ist polar
- Ionen lösen sich in Wasser
Organische Moleküle in der Zelle
Bausteine:
- Zucker -> Polysaccharide
- Nukleotide -> Nukleinsäuren DNA/RNA
- Aminosäuren -> Proteine
- Lipide/Fettsäuren -> Fette/Membranen
Oligosaccharide
Kurze Zuckerketten welche meist an andere Biomoleküle (Proteine, Lipide) angehängt werden. Dies ist wichtig für die Zell-Zell-Erkennung. Wichtig für die Zell-Zell-Erkennung, wird aber auch von Viren missbraucht.
- Beispiel: Blutgruppensystem (A und B-Typen exprimieren verschiedene Glycosyltransferasen welche die Zuckeranhängsel Proteinen verschieden modifizieren. Das Immunsystem bekämpft uinbekannte Zuckeranhängsel.
Polysaccharide
Lange Zuckerketten.In tierischen und Pilzen als Glykogen bezeichnet (Pflanze: Stärke -> andere Verzweigung). Glykogen wird in den Muskel- und Leberzellen gespeichert.
Lange Zuckerketten -> Kohlenhydrate
Kohlenhydrate
- Lange Zuckerketten welche als natürliches Produkt in der Photosynthese hergestellt werden. Die Ketten (Disaccharide, Oligosaccharide, Stärke) werden bei der Verdauung in Monosaccharide zerteilt.
- Sie sind der Hauptlieferant der meisten Zellen, weil sie anaerob über die Glycolyse abgebaut werden können. Das Endprodukt (Pyruvat) wird dann noch in den Mitochondrien durch Oxidierung noch in 15x Energie verwertet.
Nucleotide als Energielieferanten
ATP -> Adenosintriphosphat, entsteht in der Glycolyse und Oxidation
GTP -> Guanintriphosphat, entsteht während dem Citratzyklus
- Sie binden nicht kovalent an ihre Zielenzyme und generieren durch Abostossung eines Phosphates Energie. (Hydrolyse)
- Die Anhydridbindungen bei den Triphosphaten zwischen den Phosphaten kann sehr leicht hydrolisiert werden und generiert viel Energie.
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Lernkarten
Mikrotubulidepolymerisation (Prometaphase)
Verursacht ein Gleiten des äusseren Kinetochorringes und damit des Chromosomes in Richtung Mikrotubuli-Ende. Die Energie kommt von der im Mikrotubulus gespeicherten Energie aus der GTP-Hydrolyse.
Mikrotubulipolymerisation (Prometaphase)
Die Mikrotubulipolymerisation am +Ende und enzymatisches Entfernen von Tubulieinheiten am -Ende produziert einen Fluss des ganzen Mikrotubulus hin zum Spindelpol -> Angeheftete Chromosomen werden mitgezogen.
Kinesin 4 und 10 (Prometaphase)
Kinesin 4 und 10 Motorproteine erzeugen die "polare Auswurfkraft" indem sie die Chromosomenarme entlang nahegelegener Mikrotubuli in Richtung zum +Ende hinziehen.
Was verhindert, dass Schwesterkinetochoren zufällig mit Mikrotubuli des gleichen Pols verbunden haben?
Falsch verbundene Kinetochoren aktivieren einen Checkpoint Mechanismus der die Mikrotubulibindung löst und den "Versuch und Irrtum" Mechanismus erneut startet. Bipolare Ausrichtung verursacht eine Zugspannung, die irgendwie in AuroraB Kinase ausschaltet und so den "Checkpoint" Mechanismus inaktiviert.
Metaphase - Segregation
Alle Kinetochoren sind bipolar ausgerichtet.
Alle Chromosomen sind in der Mitte der Spindel angeordnet und bilden die "Metaphasenplatte".
Der Spindelcheckpoint ist vollständig aus
Die Metaphase ist ein Endzustand und dauert nur ganz kurz.
Anaphase A - Chromosomen segregieren
Die Aktivierung des APC (Anaphase fördernden Komplex) führt zur Degradation vom Cyclin und vom Securin Protein, welches die Separase, eine Protease hemmt.
Die freigewordene Separase schneidet die Cohesinkomplexe auf -> Die Schwesterchromosomen werden abrupt getrennt.
Je nach Zelltyp ist der Mikrotubuliflux durch erhöhte Depolymerisierung an den -Enden (Embryonal Tierzellen) oder die +Enden-Depolymerisierung an den Kinetochoren der Kraftspender (somatische Tierzellen, Hefezellen)
Anaphase B - Verlängerung der Spindel
Nach Beginn der Chromosomensegregation entfernen sich auch die Spindelpole voneinander.
Mechanisch: Kinesin-5 in der Überlappungszone der sich verlängernden interpolaren Mikrotubuli und Dynein am Zellkortex spielen die zentrale Rolle. Damit Dyneinmotoren Zugkräfte auf die astralen Mikrotubuli ausüben können, müssen sie am Actinkortex verankert sein.
In Hefen: Verlängerung der Spindel erheblich, weswegen dieser Schritt für die Chromosomensegregation wichtiger ist als die eigentliche Chromosomentrennung (In Säugerzelle verdoppelt sich die Länge lediglich)
Telophase - Ende der Mitose
Während der Telophase bricht erst die Spindel zusammen und die Chromosomen dekondensieren. Gleichzeitig werden die Lamine dephosphoryliert und es bilden sich neue Kernmembranen um die segregierten Chromosomen. Hier spielt ebenfalls die Ran GTPase, wie bei Spindelformation, eine zentrale Rolle.
Cytokinese
Sie schliesst die Zellteilung ab. Die Cytokinese beginnt bereits in der Anaphase. Die Zelle muss bereits zwei Probleme lösen:
1) Eine Trennwand muss generiert werden
2) Die Trennwand muss richtig positioniert werden. Dies geschieht meist in der Zellmitte um eine gerechte Verteilung des Zellinhalts zu ermöglichen.
Der Actin/Myosin II Ring
In meisten Eukaryotenzellen: Trennwand entsteht durch Einschnürung der Zellmembran. Dazu wird ein kontraktiler Ring aus Actin und Myosin II Motoren verwendet welcher an der Plasmamembran befestigt ist. Die Kontraktion dieses Ringes generiert eine Kraft, welche die Membran nach innen zieht.
Aufbau des Actin/Myosin II Ringes
Mehrere Möglichkeiten der Erklärung für den Ring.
Aktiviert wird durch die Lokalisierung von GTPasen (in tierischen Zellen RhoA). Diese rekrutieren Kinasen. Durch Phosphorylierung aktivieren die Kinasen Formine zur Aktinkeimbildung, sowie die regulatorische leichte Kette von Myosin II. Das F-Actin im Ring wird umgesetzt wobei seine Konzentration mit der Verkleinerung des Ringes abnimmt. (Anders als bei Kraftentstehung in Muskelzellen) Der Einbau neuer Membran am Ring ermöglicht die Oberflächenvergrösserung!
Die Positionierung des Actin/Myosin II Ringes
Im allgemeinen bestimmt die Mitosespindel die Position der Teilungsebene. In der Anaphase generiert sie ein Signal welches die GTPase in der Mitte über der Spindel lokalisiert. Wie genau ist noch nicht klar.
Verteilung der anderen Zellkomponenten
Der restliche Teil muss ungefähr gleich verteilt werden. Eine Mindestanzahl an Organellen ist essentiell. Organellen wie Mitochondrien oder ER können nicht neu gebaut werden.
Strategie: Mit Hilfe des Cytoskeletts bereits vor der Zellteilung gleichmässig im Cytoplasma verteilen. (Mitochrondrien, ER). Während der Mitose fragmentieren und die Fragmente an die beiden Spindelpole anlagern. (Golgi Apparat)
Die asymmetrische Zellteilung
Vor allem während der Embryonalentwicklung teilen sich manche Zelle asymmetrisch. Dabei entstehen unterschiedliche Tochterzellen.
Wichtiges Beispiel: Stammzellen. Dabei entsteht eine Stammzelle und eine differenzierte Zelle.
Bei der asymmetrischen Zellteilung werden die "Zellschicksaldeterminante" ungleich verteilt. Oft sind die Tochterzellen auch von unterschiedlicher Grösse.
Offene Fragen zur Zellteilung
Eine der fundamentalsten Fragen der Zellbiologie:
Wie messen Zellen, dass sie gross genug sind für die Zellteilung?
Die Meiose
Stellt die Gameten (Eizelle, Spermien, Sporen) für die geschlechtliche Fortpflanzung her.
Warum keine Mitose dafür? Die Mitose funktioniert mit diploiden Zellen, mit zwei Chromosomensätzen. Verschmelzen diploide Eizellen und Spermium, wird die befruchtete Eizelle tetraploid (4 Chromosomensätze). Eine "reduzierende" Zellteilung ist nötig.
Vergleich Mitose und Meiose
In der Meiose: Zwei Kernteilungen: MI und M2
Die 2. Ist mechanisch gesehen identisch mit der Mitose. In der ersten Kernteilung wird das Hauptproblem gelöst. Dafür sind nicht nur die Schwesterchromatiden gepaart, sondern auch die homologen Chromosomen. (Verhalten sich wie Schwesterchromatiden -> Deswegen findet Cross-Over nicht in der Mitose, sondern in der Meiose statt). Bei der ersten meiotischen Teilung werden nur die homologen Chromosomen getrennt, nicht aber die Schwesterchromatiden. Somit halbiert sich die Chromosomenzahl.
Warum existiert geschlechtliche Vermehrung?
Mitose generiert Klone, während in der Meiose hingegen die Gene neu gemischt werden.
1. Die elterlichen Chromosomen werden frei verteilt
2. Die homologen Chromosomen können rekombinieren und so weitere genetische Vielfalt erzeugen.
Bei der Paarung entstehen in den meisten Zellen DNA Doppelstrangbrüche die von einer Exonuclease zu Lücken (Gap-Junctions) erweitert werden. Die Reparatur mit Hilfe der DNA der homologen Chromosomen erzeugt Crossoverregionen.
Meiose I - Paarung der homologen Chromosomen
Die Paarung der homologen Chromosomen in der Prophase I der Meiose, ist sehr langsam. (Kann bei Säugern mehrere Tage dauern)
Die Crossover Regionen sind wichtig um die homologen Chromosomen zusammenzuhalten und werden als Chiasmata am Ende der Prophase I sichtbar.
Meiose I - Segregration der homologen Chromosomen
Vier Kinetochoren müssen bipolar eingefangen werden. Die Schwesterchromatide müssen am gleichen Pol befestigt sein. (In der Mitose streng verboten). -> Spezielle meiotische Proteine stellen sicher, dass sich die Schwesterkinetochore wie ein Kinetochor verhalten. In der Anaphase verhindert ein weiteres Protein (Shugoshin), dass sich die Schwesterkinetochore trennen. Für die Meiose II wird Shugoshin abgebaut.
Der Zellzyklus
Warum sterben Pflanzen nicht an Tumoren?
Pflanzen sind potipotent. Sie können jedes verlorene Organ neu herstellen. Es sind auch keine Metastasen möglich, da sich die Pflanzenzellen nicht bewegen. Dadurch können sich Krebszellen nicht ausbreiten.
Prozesse der Zellteilung
Die Phasen des Zellzyklus
Wie bestimmt man die Länge der S-Phase?
Markierung des Wasserstoff von Thymidin. (H^3-Thymidin Inkorporation)
Warum Thymidin? Jede Zelle produziert Proteine und somit RNA. Um zu wissen welche Zelle gerade in der DNA-Synthese und nicht in der Proteinproduktion ist, muss die DNA spezifische Base (Thymidin, weil es bei RNA Uracil ist) markiert werden. So kann zwischen Zellen unterschieden werden welche in der DNA- und welche in der RNA-Synthese gewesen sind. Das Tritium (H^3) von Thymidin kann dann nachgewiesen werden, da es radioaktiv ist. Diese Methode ist auch mit Bromodeoxyuridin (BrdU) möglich. Dies ist ein synthetisches Nukleotid und wird anstelle von Thymidin eingebaut. Es kann dann durch einen Antikörper nachgewiesen werden. (EInfacher für die Mikroskopie)
Nun wie wird die Dauer nachgewiesen? Es muss die Anzahl Zellen in der S- und in der M-Phase bekannt sein. Auch muss die Länge des Zellzyklus bekannt sein. Sind nun 10% aller Zellen in der S-Phase und ist der Zellzyklus 20 Stunden, dann ist die S-Phase 0.1 von 20 Stunden, als 2 Stunden.
Mitotischer Index
Mitotischer Index = Mitotische Zellen / Alle Zellen (Beispiel: Mitotische Zellen 5% -> 0.05 von 20 Stunden = 1 Stunde dauert die Mitose)
Wie bestimmt man die Länge eines Zellzyklus?
Indem man die Anzahl Zellen bei zwei verschiedenen Zeiten zählt und erstellt somit ein Flusszytometer.
Flusszytogramm
Beispiel eines Flusszytogramms einem adulten, sich nicht mehr teilendem, Pflanzenorgan.
Rosette: Verteilung der DNA ohne Zellteilung. Sie führt eine sogenannte Endoreplikation durch: Ein Zellzyklus ohne Endphase (Keine Teilung). Wieso Endoreplikation? Sie ist dadurch viel aktiver, weil sie mehr DNA besitzt um mehr Proteine herstellen zu können.
Genetischer Screen für cdc Mutanten
Cdc Mutanten stoppen bei der Temperaturerhöhung wenn sie in einer gewissen Phase essentiell für den Zellzyklus sind. Egal in welcher Phase die Zelle ist, bei Temperaturerhöhung stoppt sie erst in dem Moment wo der Mutant essentiell ist.
Genetischer Screen cdc Mutanten (nicht essentiell)
Bei cdc Mutanten, welche beispielsweise die Energieförderung hemmen, stoppen die Zellzyklen, bei Temperaturerhöhung, der verschiedenen Zellen nicht in der gleichen Phase. SIe stoppen erst, nachdem keine Energie mehr vorhanden ist und enden daher nicht alle in der gleichen Phase.
Morphologie einer cdc Mutante
Wenn Gen wichtig für Zellzykluskontrolle: Zellzyklus arretiert bei Temperaturerhöhung.
Die Zelle entscheidet in der G1-Phase: Wenn sie genug Materialien besitzt, beginnt sie den Zellzyklus zu starten.
Temperatursensitive Phase von cdc Mutanten
Temperatursensitive Mutanten geben uns die Möglichkeit zu bestimmen, zu welchem Zeitpunkt die Mutanten gebraucht werden. Um dies zu kontrollieren, können Zellen alle in der G1-Phase gestartet werden und zu unterschiedlichen Punkten wird die Temperatur so erhöht, dass die Mutation nicht mehr funktionsfähig ist. (Roter Balken = restriktive Temp / blaue Temp = erhöhte Temp). Dann wird kontrolliert in welcher Phase der Zellzyklus nicht mehr funktioniert.
PS: cdc = cell-division-cylce gene
Schlüsselkomponenten des Zellzyklus
1. Cyclin-abhängie Kinasen (CDKs)
2. CDK-modifizierende Kinasen und Phosphatasen
3. CDK-inhibierende Proteine (CKIs)
4. Ubiquitinligasen (Proteolyse)
5. Transkriptionsfaktoren (regulieren Zielgene)
Kinasen und Phosphatasen
Es sind regulatorische Enzyme welche beispielsweise einer AS ein Phopshat entziehen oder hinzufügen können.
CDK Kinase
CDK = Cyclin dependent Kinase
Eine cdk Kinase kann nur aktiv sein wenn:
1. Cyclin angehängt ist
2. Das Phosphat an der einen Stelle vorhanden ist (damit sie aktiv sein kann)
3. Das Phosphat an der anderen Stelle das nicht vorhanden sein darf, damit sie aktiv sein kann.
Nur wenn alle drei Punkte mit Ja beantwortet werden können kann sie aktiv sein.
Simplifizierter Zellzyklus: Phasenspezifische CDKs
In Vertebraten und Pflanzen gibt es eine grosse Anzahl von CDKs und Cyclinen die eine komplexe Dynamik entwickeln.
Cycline: Nehmen während des Zellzyklus immer wieder zu und ab.
CDK-Activating Kinase (CAK)
Die CDKs werden nicht nur durch Cycline reguliert, sondern auch durch Phosphorylierung.
CAK aktiviert die CDK Wee1 und Cdc25 inaktiviert/aktiviert die CDK durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung
CDK-inhibierende Proteine
CKIs (p27) inaktivieren den CDK Komplex (nicht enzymatisch)
Ubiquitin-Ligasen Komplexe
Diese Komplexe, beispielsweise SCF und APC, werden genutzt um Proteine wie CKI oder M-Cyclin abzubauen. Es ist eine kontrollierte Proteolyse.
Kontrollierte Proteolyse durch SCF
