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
Sortiersignale
Essentiell sind Sortiersignale für die Transportierung von Proteinen.
Für Prüfung: Muss nicht auswendig können.
Wieviel Prozent der Membran gehören zum ER?
Über 50%. Das ER ist in der ganzen Zelle verbreitet und wirkt als Netzwerk.
Aufbau des Endoplasmatischen Reticulum (ER)
Die Membranen des ER bilden miteinander verbundene Röhren und abgeplattete Taschen. Der zusammenhängende Hohlraum wird ER-Lumen genannt (auch Zisternenraum). Das ER und seine Lumen sind mit der Zellkernmembran und dessen Lumen verbunden. Die neuste Forschung besagt, dass die "Taschen" aus dicht angeordneten Röhren bestehen.
Variationen des ER
Man unterscheidet zwischen: Glattem ER (Eher Schläuche) und rauem ER (eher Taschen). Das raue ER wird zur Herstellung von sekretierten Proteinen, Transmembranproteinen und ER Lumen Proteinen gebraucht. Das glatte ER wird zur Herstellung der meisten Lipide genutzt.
Zusammensetzung, Funktion, Grösse und Morphologie des ER hängen stark von seiner Funktion in der jeweiligen Zelle ab. Eine Zelle welches beispielsweise viel Hormone muss produzieren, besitzt viele Ribosomen um damit mehr Proteine zu produzieren. Das ER ist zudem Ca2+ Speicher welcher für viele Signalantworten benutzt wird. (Beispiel: Muskelzellen und sarkoplasmatisches Reticulum)
Die Produktion von Proteinen am ER
In etwa 30% der Proteine einer Zelle sind integrale Transmembranproteine, ganz viele davon sind in der Plasmamembran verankert. Sekretierte Proteine müssen aus dem Cytoplasma ins ER Lumen gelangen.
Wie werden Transmembranproteine und Proteine des ER Lumen verarbeitet?
Sie werden vorwiegend kotranslational verarbeitet, das heisst, bevor die Translation abgeschlossen ist. Translatierende Ribosomen treten mit dem ER in Verbindung.
Prozess: Signalsequenz wird sichtbar -> Signalerkennungspartikel (SRP) bindet -> Translation stoppt -> SRP bindet Rezeptor am rauen ER -> Proteintranslokator kommt dazu -> SRP fällt ab -> Translation geht weiter
Mit Hilfe der Signalpeptidase wird das fertige Protein abgespalten
Das SRP
Das SRP besteht aus 6 Proteinuntereinheiten und einer SRP-RNA
SRP = Signal Recognition Particle (Nicht Protein, da es aus verschiedenen Untereinheiten besteht)
Das SRP bindet an die Signalsequenz des Gens. Es verändert die Konformation und stoppt die Translation, bis es an einen SRP-Rezeptor bindet, dann wieder eine Konformationsänderung vollzogen wird un die Translation weitergeht.
Der Translokator
Die Grundeinheit ist eine Transmembrankomplex, bestehend aus drei Proteinen. Sie ist stark konserviert (Sec61 Komplex, sogar in Bakterien). Es ist eine Doughnutförmiger Proteinkomplex mit zentralem, hydrophilem Kanal. Der Pfropfen verhindert den Verlust von Komponenten des Lumens (z.B Ca2+). Die seitliche Naht erlaubt hydrophobe Proteinsequenzen in die Membran zu entlassen.
Woher kommt die Energie zur Translokation?
Sie kommt von den ATPs und GTPs die verbraucht werden während der Translokation.
Produktion von Proteinen am ER in vivo
Wie bei der cytosolischen Translation sind mehrere Ribosomen pro mRNA am arbeiten.
Das Translokationsystem
Das Translokationsystem generiert auch Einpfad- oder Mehrpfad Transmembranproteine. N-Terminus und C-Terminus können sowohl innen wie auch aussen sein.
Einpfad-Transmembranproteine
Bei den Einpfad-Transmembranproteinen befindet sich der N-Terminus im Cytosol:
Durch Verschiebung der Signalsequenz nach innen, kann die Ausrichtung der Terminationen gespiegelt werden. Das positiver geladene Ende ist aber immer aussen. Die Differenz der Ladungen der Aminosäuren direkt vor und nach der Signalsequenz bestimmt die Ausrichtung.
Mehrpfadtransmembranproteine
Der entscheidende Unterschied zum Einpfad-Transmembranprotein ist der, dass diese Signalsequenz nicht geschnitten wird und somit weiterbesteht. Dies kann beliebig wiederholt werden, so können mehrer Transmembrandomänen entstehen. Die Reihenfolge der Transfer-Start- und Stopp-Signale entscheidet was und wieviel innen und aussen landet. Hier wird einfach eine zentral gelegene Signalsequenz mit Transfer-Stopp Sequenzen kombiniert.
Posttranslationale Translokation
Translokatoren können Proteine auch posttranslational durch die Membran schleusen. Dies benötigt Hilfsproteine zum einfädeln und zum hindurchziehen (von innen). Chaperone entfalten die Proteine für die Translokation. Die Energie kommt von der ATP Hydrolyse.
Wichtig bei Bakterien: Besitzen kein ER und deswegen ist es ist direkt an der Plasmamembran verknüpft.
Translozierte Proteine
Translozierte Proteine mit einem ER-Retentionssignal (Beispiel: KDEL) verbleiben im ER.
Weiteres Beispiel: Protein-Disulfidisomerase: Katalysiert Disulfidbrücke zwischen den Schwefelatomen zweier Cysteine anderer Proteine. Disulfidbrücken finden sich vor allem an Proteinen innerhalb von Organellen oder ausserhalb der Zelle. Es sind kovalente Bindungen und extrem stark. Im ER findet auch die Protein Glykosylierung statt: Sie dient der Kontrolle der Proteinfaltung. Ca. 90% der Proteine werden N-glycolysiert. Das erste angehängte Oligosaccharid ist immer gleich -> wird nachträglich noch bearbeitet. Es gibt auch O-Glycosylierung auf Serin, Threonin oder Hydroxylysin (-> Golgi).
Lipidsynthese im ER
Die meisten Lipide von Enzymen synthetisiert, die auf der cytosolischen Seite des glatten ER aktiv sind (Zugang zu den Reagenzien -> Fettsäuren). So wächst die Membran nur an der Aussenseite. Lösung des Problems ist die Scramblase. Sie flippt die Lipide auf die Innenseite so dass auch die innere Lipidschicht wachsen kann. Nur Cholesterol kann von alleine die Lipide so drehen, dass sie nicht nur gegen aussen wachsen.
Wie gelangen die im ER produzierten Proteine und Lipide vom ER in die Plasmamembran und an andere Orte?
Durch den Vesikeltransport. Diese Funktion wird von Transportvesikeln übernommen.
Vesikelfusion und -bildung
Die Vesikelfusion und -bildung an der Plasmamembran wird: Exocytose (Sekretion), Endocytose und Phagocytose genannt.
Wichtig: Der Unterschied zwischen den involvierten Kompartimenten muss bestehen bleiben.
Vesikeltransport zwischen Cytosol, ER und Golgi
Der Golgi-Apparat
Der Golgie-Apparat ist ein Stapel von scheibenförmigen Membrankompartimenten. Vesikel vom ER bringen Proteine und Lipide zum Golgie-Apparat und im Golgi werden diese weiter verarbeitet und modifiziert. Im Golgie werden auch die Polysaccharide hergestellt. Nach dem Transit durch den Golgi-Apparat wandern die Komponente in neu formierten Vesikeln an verschiedene Zielorte.
Golgi-Apparat, ER und Mitochondrien können nicht de novo aus Grundbausteinen aufgebaut werden - das ist genetisch nicht kodiert! Sie können nur wachsen und werden bei der Zellteilung auf die Tochterzellen verteilt. Da oft nur ein Golgi-Apparat existiert, wird dieser bei der Zellteilung fragmentiert, die Fragmente auf die Tochterzellen verteilt und daraus zwei neue Golgi-Apparate gebaut.
Er ist ein Transitorganell und dynamisch. Vesikel die vom ER kommen bilden die neuste Schicht des Golgie, währenddessen die älteste Schicht in Form in Vesikeln zum Zielort fortschreitet. Innerhalb des Golgi, während die Proteine noch nicht transportiert werden, werden sie durch Enzyme modifiziert welche die Destination angeben. So ist der Golgi immer im Fluss und immer neue Schichten entstehen, während die älteren Schichte abfallen und als Vesikel zum Zielort gelangen.
Wie unterscheiden sich Membranen resp. Membranbereiche innerhalb einer Organelle? Wie werden Proteine in bestimmte Membranbereiche aufgetrennt?
Die verschiedenen Vesikel müssen spezifisch beladen werden und müssen ihren genauen Zielort erkennen. Die meisten Vesikel sind beschichtet wenn sie knospen. Die Vesikel sind verschieden beschichtet, was auch zur Unterscheidung dient.
Die Beschichtung der Vesikel
Die Beschichtung führt auch die Vesikelbildung herbei.
Clathrinbeschichtete Vesikel (Endocytose)
Adaptorproteine rekrutieren Clathrin und bestimmte Frachtproteine. Clathrinmoleküle lagern sich automatisch zu Käfigen zusammen die sich von der Membran lösen können. Verschiedene Adapterproteine rekrutieren verschiedene Frachtproteine und organisieren eigene Clathrinvesikel.
BAR-Domänen
Clathrine alleine reichen nicht aus um die Membran zu verbiegen. Dazu werden Proteine mit BAR-Domänen benutzt welche direkt auf der Membran aufliegen. Hüllen müssen aber nicht korbartig sein. Beispielsweise: Der Retromerprotein-komplex der sich auf gewissen recyklierenden Endosomen bildet. Auch Lipide sind entscheidend für die Bildung definierter Hüllen.
PIPs
Phosphatidylinositol4,5biphosphat
Wichtige Signalstruktur an der Plasmamembran, welche sie bei Häufung zu einer Membrandomäne formt.
Verteilung von PIPs
Die Verteilung von PIPs variiert von Organelle zu Organelle und innerhlab einer Membran von Domäne zu Domäne. Verschiedene Kombinationen von aktiven PIP-Kinasen und PIP-Phosphatasen generieren lokal, spezifische Produkte und Gleichgewichte. Bestimmte Proteine des vesikulären Transports binden dann an bestimmte PIPs.
Steuerung der Vesikelformation
Der Vesikelverkehr von und zu einem Kompartiment muss in einem kontrollierten Gleichgewicht sein. Warum? Trivial: Würde immer nur in eine Richtung transportiert werden, würde die eine Seite nur wachsen und die andere nur schrumpfen. Eine zentrale Kontrollfunktion haben verschiedenste GTPasen und ihre GEFs, resp. GAPs.
Sar1-GTPase für CopII Vesikelbildung am ER
Inaktives Sar1-GDP wird durch GTP geladen und eine Konformationsänderung läuft ab. Die Hydrophobe Seite bindet sich soft an die Donatormembran. Nach der Knospung hydrolysiert die GTPase das GTP und die Hülle fällt wieder ab.
Wie werden die Vesikel transportiert?
Die Vesikel werden mit Hilfe des Cytoskeletts an die Zellmembran transportiert. Die Diffusion alleine würde auch ausreiche, aber da die Zelle möglichst effizient arbeiten will benutzt sie auch die Mikrotubuli.
Wie erkennt das Vesikel die Zielmembran?
Rab-GTPasen sind essentiell dafür. Vesikel werden mit aktiver, GTP gebundener Rab-GTPase beladen. Verschiedenste Effektorproteine erkennen und binden die GTPase. Effektorproteine stellen auch die Verbindung zu Motorproteinen her.
Die Fusion mit der Zielmembran
An der Zielmembran werden andere Effektorproteine erkannt, was die Vesikelverankerung und die Fusion ermöglicht. Der SNARE-Proteinkomplex macht die Fusion. Das v-SNARE sitzt bereits auf dem Vesikel. Das v-SNARE verbindet sich mit dem T-SNARE, welches auf der Zielmembran sitzt. Tierische Zellen besitzen mindestens 35 verschiedene SNAREs -> zusätzliche Spezifität
Aufbau der Fusion
Die Fusion läuft in zwei Schritten ab: Zuerst verschmilzt die äussere Membranschicht, dann die innere.
Endocytose und Phagocytose
Endocytose und Phagocytose dienen der Aufnahme von Makromolekülen und ganzer Organismen aus der Zellumgebung.
Phagocytose von Bakterien in Immunzellen
Endocytose in Bäkerhefe
Lysosomen
Lysosomen sind der Verdauungsapparat und die Abfallverbrennungsanlage der Zelle. Sie enthalten viele Enzyme die nur bei niedrigem pH arbeiten.
Was passiert wenn die Lysosomen kaputt gehen? Zum Schutz vor Verdau sind die Membranproteine der Lysosomen innen glycosyliert.
Lysosomen sind sehr vielfältig in Aussehen und Funktion. Das Equivalent in Hefen und Pflanzen sind die Vakuolen. Vakuolen sind aber grösser und habe zusätzliche Funktionen.
Wie bilden sich Lysosomen?
Sie bilden sich durch Fusion von bestehenden Lysosomen mit späten Endosomen. Das bringt "Nahrung/Abfall" zum Verdau.
Lysosome: Abbau von Mitochondrien
Auch Mitochondrien die abgebaut werden müssen, landen im Lysosom. Zuvor werden sie mittels Autophagie in eine Membran verpackt. Bakterien die durch Phagocytose aufgenommen wurden, werden ebenfalls zum Lysosom geführt.
Tuberkulosebakterien schaffen es die Fusion mit Lysosomen zu verhindern.
Die Organisation im Zellkern
Die DNA im Zellkern ist nicht zufällig angeordnet. Die Chromosomen haben eine eigene Position im Zellkern.
Eu- und Heterochromatin im Zellkern
Genreiche, euchromatische (nicht kondensierte) DNA-Regionen lokalisieren eher in Richtung Zellkernzentrum. Die nichttranskribierten, meist heterochromatischen (kondensierten) Regionen, sind eher an der Peripherie des Zellkerns.
Die roten Bereiche sind genarme Regionen und die grünen sind genreiche Regionen. Es gibt viele orange und gelbe Bereiche -> Die Gene werden nicht alle gleichzeitig exprimiert.
