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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Cartes-fiches
Gen Ein- und Ausschaltung im Zellkern
Definierte Bereiche des Zellkerns
Die definierten Bereiche sind nicht durch Membranen isoliert, sondern bleiben durchlässig für kleine Moleküle.
Selbstorganisation definierter Bereiche
Die definierten Bereiche im Zellkern entstehen durch unstrukturierte Aggregation verschiedener Moleküle. Das Ganze ist selbstorganisiert und wird durch unstrukturierte Domänen von Proteinen organisiert. In vielen Fällen resultiert eine spontane "Phasentrennung"
Verschiedene "Aggregate" im Zellkern
Die verschiedenen Typen von "Aggregaten" bestehen aus definierten Komponenten. Sie dienen als chemische Fabriken mit unterschiedlichen Funktionen. Fabriken sind meist sehr dynamisch. Je nach Bedarf verändern sie sich schnell => Beispielsweise je nach Zellzyklusstadium oder als Reaktion auf Signale.
Auch im Cytoplasma finden sich solche Domänen. (Beispiel: Centrosom)
Der Nucleolus
Im Lichtmikroskop sichtbar und deshalb schon lange bekannt. Enthält spezielle, transkribierte DNA Regionen. Der Nucleolus ist ein Aggregat von Proteinen, RNA und bestimmten DNA Regionen. Der Nucleolus ist eine chemische Fabrik zur Herstellung und Modifikation nicht-kodierender RNAs.
Aufbau und Funktion des Nucleolus
Die prominenteste Aufgabe ist die Herstellung der rRNA und der Zusammenbau der Untereinheiten von Ribosomen. Der Nucleolus besteht deshalb vor allem aus prozessierter und nicht prozessierter rRNA, RNA prozessierenden Enzymen und deren Leit-RNAs, den entsprechenden DNA Regionen, Transkriptionsmaschinerie, ribosomalen Proteinen und im Bau befindlichen Ribosomen.
Warum braucht es dazu eine so grosse, spezielle Region? Die wachsende tierische Zelle muss ca. 10 Millionen Ribosomen herstellen.
Wie kann dabei genug rRNA hergestellt werden? Die rRNA kodierenden Gene liegen in vielen Kopien vor. Bei uns ca. 200 in mehreren Gruppen angeordnet an mehreren Chromosomenenden.
Struktur der rRNA-Produktion
Wir haben ca. 150 snoRNAs (small nucleolar RNAs), welche als Leit-RNAs dienen, indem sie die nichtkodierenden RNAs binden und so Enzyme regulieren, welche die rRNAs prozessieren (schneiden oder chemisch modifizieren).
Weitere nicht-kodierende RNAs die im Nucleolus hergestellt werden:
U6-snRNAs zum mRNA spleissen
tRNAs für die Translation
Telomerase-RNA
RNA des SRPs
Was passiert mit dem Nucleolus während der Mitose
Wohl als Folge der DNA Kondensation löst sich der Nucleolus während der Mitose auf und organisiert sich danach von neuem selbt.
Was spielt eine zentrale Rolle bei dem Nucleolus in der Mitose?
Die rRNA kodierenden Sequenzen der DNA spielen eine zentrale Rolle.
Die Organisation der Kernmembran
Die Abschirmung der DNA vom Rest der Zelle bringt die gleichen Probleme mit sich wie die Zellmembran: Import/Export von Material und Kommunikation mit der Umgebung muss irgendwie erreicht werden.
Wieso wird nicht einfach die gleiche Maschinerie wie bei der Zellmembran benutzt? Der Zellkern hat eine Doppelmembran und sehr viel Material und sehr grosse Strukturen müssen passieren. -> Es werden spezielle Transportstrukturen benötigt.
Die Kernporen
Kernporen werden von Proteinkomplexen, den NPCs (Nuclear Pore Complex) gebildet.
In den Kern rein müssen: Viele Proteine, beispielsweise ribosomale Proteine, Transkriptionsfaktoren, DNA- und RNA-Polymerasen, Nucleotide, Histone, ATP etc.
Aus dem Kern raus müssen: mRNAs, tRNAs, Ribosomuntereinheiten etc.
Wie kommen die ribosomalen Proteine in den Zellkern rein wenn sie doch im Cytoplasma hergestellt werden, und wie kommen die gleichen Proteine nachher als (noch unreife) Ribosomen-untereinheiten wieder raus?
Dies führen die NPCs durch einen gerichteten Transport aus.
Veranschaulichung der Kernporen
Beim Mensch: Es bestehen ca. 4000 Kernporen/Zellkern und es werden damit ca. 500 Moleküle/Sekunde transportiert.
Bild: Kernmembran einer Zellkerninnenseite
Struktur der NPCs
Die NPCs bestehen aus etwa 30 Proteinen die in mehreren Kopien vorliegen so dass im Ganzen über 450 Proteine eingebaut sind.
Sie sind sehr gross!
Die Zusammensetzung der Kernporen
NPC Proteine haben unterschiedliche Bindungs- und Entkopplungsraten (kon/koff).
Rot: Binden und entkoppeln sehr schnell
Blau: Brauchen sehr lange für Bindungen und Kopplungen
Wie kommen die Komponenten durch die Pore?
Kleine wasserlösliche Teilchen diffundieren durch spezielle Kanäle. Partikel mit Durchmesser < 9nm können wohl frei durch die Mitte diffundieren (Beispiel: Tubulin mit 4x8nm).
Wie kommen die grossen Komponenten durch die Pore?
Aktiver Transport mit Hilfe von Signalsequenzen. Signalsequenzen sind ein bis zwei kurze, Aminosäuresequenzen irgendwo im Protein, welche die Lokalisation eines Proteins dirigieren.
NLS und NES
NLS (Nuclear localisation Signal) -> Kernlokalisierungssignale
NES (Nuclear Export Signal) -> Kernexportsignale
Bereits bekannte Kernlokalisierungssignale sind reich and Lysin und/oder Arginin.
Wahrscheinlich gibt es verschiedenste bisher nicht bekannte Signalsequenzen.
Wie werden NLS/NES erkannt?
NLS werden von Kernimportrezeptoren und NES von Kernexportrezeptoren erkannt. Die Rezeptoren gehören zur Proteinfamilie der Karyopherine. Diese binden gleichzeitig an die Kernporen. Verschiedene Karyopherine erkennen unterschiedliche NLS oder NES. Manchmal werden Adaptorproteine dazwischengeschaltet.
Wie erkennen Karyopherine NLS oder NES?
Die Karyopherine erkennen repetitive Phenylalanin (F)/Glycin (G) Sequenzen. Sie kommen an den cytosolischen Fibrillen und den ungeordneten Domänen der Proteine im Kanal in grosser Zahl vor. Die Rezeptoren mit ihren Frachten hangeln sich entlang dieser FG-Wiederholungen. Für den erfolgreichen Transport fehlen nun aber immer noch zwei Dinge.
Wie wird die Richtung bestimmt, respektive wie weiss der Rezeptor wann er innen oder aussen ist und deshalb seine Fracht laden oder eben loslassen soll? Woher kommt die Energie?
Die Ran GTPase vermittelt beide Funktionen. Ran-GEF und RAN-GAP stellen sicher, dass im Kern vor allem Ran-GTP und im Cytosol vor allem Ran-GDP vorhanden sind. Dieser Ran-GTP Gradient gibt die Richtung vor und treibt den Import und Export an.
Das Prinzip des nukleären Import und Export
Der Rezeptor kann grundsätzlich ohne Problem rein und raus laufen ob mit oder ohne Fracht. Im Kern bindet er Ran-GTP.
Import: Der Rezeptor bindet Fracht im Cytosol -> Transport in den Zellkern -> Ran-GTP bindet -> Fracht fällt ab -> Rezeptor + Ran-GTP gehen zurück ins Cytosol.
Export: Der Rezeptor bindet im Zellkern Ran-GTP -> Fracht kann gebunden werden -> Transport ins Cytosol -> GTP im Ran wird durch RAN-GAP hydrolysiert -> Fracht fällt ab -> Der Rezeptor kehrt in den Zellkern zurück.
Pendelproteine
Pendelproteine werden sowohl importiert wie auch exportiert. mRNAs beispielsweise werden während der Prozessierung im Zellkern (Spleissen, Capping, Polyadenylierung) mit Proteinen beladen. Diese vermitteln Exportkompetenz. Dies verhindert auch, dass Abfall-RNA oder unvollständig prozessierte RNA exportiert wird. Nach Gebrauch müssen die Proteine wieder in den Kern zurück.
Weitere wichtige Pendelproteine
Transkriptionsfaktoren und Kinasen die Transkriptionsfaktoren aktivieren oder inaktivieren. Diese sind reguliert um nur wenn nötig in den Kern zu gelangen. Dies geschieht meist über Modifikation der Proteine (Phosphorylierung etc.). Sie müssen auch wieder ausgeschaltet und vom Kern entfernt werden. (Beispiel: Zellteilungssignale bei der Wundheilung oder aktivierende Signale der Immunzellen)
Bild:T-Zellaktivierung
NPCs in der Mitose
Beim Kernmembranzerfall in der Mitose, zerfallen auch die NPCs. Ein Teil der NPC Proteine diffundiert in der ER Membran. Andere sind frei im Cytosol.
Telophase: Wiederaufbau der Kernmembran, Lamine werden dephosphoryliert, um die segregierten Chromosomen bilden sich neue Kernmembranen.
Auch beim Zusammenbau der Kernporen scheint die Ran GTPase eine zentrale Rolle zu spielen - wie genau ist unklar.
Die Organisation der Kernmembran
Die innere und äussere Kernmembran sind verschieden. Die äussere Kernmembran bindet auch Ribsomen, weil sie Proteine in den Raum zwischen den Kernmembranen translatieren. Die Verbindung zum ER erlaubt, wenn nötig, die Vergrösserung der Kernmembran.
Wann ist das wichtig? Die innere Kernmembran ist mit einem Laminnetzwerk, intranukleären Proteinkomplexen und Chromosomen verbunden. Um die Kernporen sind die innere und äussere Kernmembran verbunden, dadurch können Lipide frei diffundieren und die innere Membran kann schnell mitwachsen.
Die Funktion der Lamine
Die Kernlamina verbindet Kernmembran und Chromosomen und stabilisiert die NPCs. Aber nicht alle Eukaryoten haben eine Kernlamina. In Hefen diffundieren NPCs deshalb in der Kernmembran. Phosphorylierung der Lamine führt zu ihrer Depolymerisierung.
Wann ist das wichtig? Während der Mitose wird die Lamina von der CDK phosphoryliert und wohl auch während des Kernwachstums.
Die Kernlokalisierung
Die Position des Zellkerns ist meist direkt von der Mikrotubuliorganisaiton abhängig. Eine spezielle Position des Zellkerns ist oftmals wichtig für spezielle Funktionen. Beispielsweise lokalisiert die mRNA mit dem wandernden Zellkern.
Die Kernlokalisierung anhand der Gurke
In der noch kleinen Oocyte sind die Mikrotubuli so organisiertk dass der Nucleus am entfernten Ende der Eikammer sitzt. Gurken mRNA kommt aus dem Kern -> Lokal translatiertes Gurken Protein signalisiert "posteriore" Identität an die umgebenden Follikelzellen. Follikelzellen signalisieren zurück -> Eizelle reorganisiert Mikrotubuli. Dadurch wird Zellkern in die anteriore Ecke der Eizelle verfrachtet -> mit ihm die Gurken mRNA. In der neue Position signalisiert das Gurken Protein wiederum an die Follikelzellen die nun "dorsale Identität" annehmen.
Kernlokalisierung und Cytokinese in der Spalthefe
Interphase: Mid1 ist vor allem im Zellkern. Wenig inaktives Protein an der umgebenden Zellmembran.
Mitose: Mid1 wird im Zellkern von der Polo Kinase aktiviert. Dies führt zu: Export aus dem Zellkern, Anlagerung an umgebende Zellmembran und Rekrutierung von Regulatoren des Actin/Myosin Rings.
Wie kommt, bei der Kernlokalisierung und Cytokinese in der Spalthefe, der Zellkern in die Zellmitte und wie bleibt er trotz Längenwachstum da?
Antiparallele Mikrotubulibündel sind am Kern befestigt. DIe +Enden wachsen Richtung Zellpole wo sie drücken bevor sie eine Katastrophe haben. An beiden Zellpolen wird gedrückt: Gleichgewicht für den Zellkern in der Zellmitte, egal wie lang die Zelle ist.
Zellkollektive
Indem sie miteinander interagieren und kommunizieren bilden Zellen komplexe, mehrzellige und sehr robuste Systeme. Bei Mehrzellern sind die Zellen üblicherweise schon vor der ersten Zellteilung an, miteinander verbunden. Die Komplexität unseres Körpers entsteht durch Musterung und schrittweise Differenzierung. Es gibt aber auch Organismen die nur bei Bedarf oder Gelegenheit mehrzellig wird.
Chemotaxis
Prozess in dem Zellen einem Signalgradienten nachlaufen, nennt man Chemotaxis.
Das Hauptproblem: Wie wird der kleine Unterschied der Molekülzahl vorne und hinten gelesen? Das cAMP aktiviert eine Signalkaskade über seinen cAR1 Rezeptor und die heterotrimeren GTP-Bindungsproteine. Dabei wird PI3-Kinase aktiviert und stellt PIP3 her. Die PTEN Phosphatase stellt das Signal fortlaufend wieder ab. Näher an der Quelle wird zuerst aktiviert und das Signal sofort autoregulatorisch verstärkt. Weiter hinten wird langsamer aktiviert und effektiver wieder inaktiviert. cAMP aktiviert auch noch einen Phospholipasen Signalweg, welcher die Asymmetrie weiter verstärkt und so hilft ganz flache Gradienten zu lesen. PI3 Kinasen/PTEN Signalkaskade ist auch in unseren Immunzellen aktiv und oft auch bei der metastasierenden Krebszellen.
Aufbau des Zellkollektivs
Die Zellen laufen zum Ort der höchsten Zelldichte welche zum Zentrum wird.
Wie wird dieser Ort anfänglich definiert? Es entstehen spiralförmige Signalwellen die vom Zentrum ausgehen. Die Reaktion der Zellen auf cAMP ist nicht konstant -> sie blinkt. Offenbar werden die Signale auch nur in Pulsen abgegeben. Das Ganze koordiniert sich relativ schnell so, dass automatisch Wellen entstehen.
Aber einer gewissen Zelldichte können Zelle nicht mehr geradlinig zum Zentrum laufen. Sie bewegen sich stattdessen im Kreis ums Zentrum herum. Die Konsequenz ist, dass sich die Signalwellen spiralförmig vom Zentrum wegbewegen.
Was ist das Signal der Chemotaxis?
Das Signal hier ist sekretiertes cycklisches Adenosinmonophosphat
Pseudoplasmodium
Wenn sich genug Zellen zusammengelagert haben, entsteht das Pseudoplasmodium. Es wandert herum und richtet sich dann auf um die Differenzierung des Fruchtkörpers zu beginnen. Die Zellen innerhalb des Plasmodiums bewegen sich immer noch zirkulär aber verschieden stark in gewisse Richtungen um sich fortzubewegen.
Um den Fruchtkörper zu formen opfern sich die meisteen Zellen. Nur ganz wenige machen Sporen. Dies ist eine irreversible Differenzierung -> Form des Altruismus
Zellverbindungen
Die Robustheit der Zellkollektive kommt vom Cytoskelett, von den Zellverbindungen und von der extrazellulären Umgebung. Tierische Gewebe kann man grob in zwei Hauttypen von Zellkollektiven aufteilen: Bindegwebe und Epithelgewebe.
60% unserer Zellen sind Epithelien
Epithelien
In Epithelien gibt es verschiedene Typen von Verbindungen zwischen Zellen und deren Umgebung. Die Zellen in einem Gewebe bauen meist gleichzeitig verschiedene Verbindungen auf. Die relative Anordnung ist strikt geregelt.
Ankerverbindungen
Ankerverbindungen bestehen zwischen Nachbarzellen, sowie zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix. Sie werden intrazellulär durch die Verbindung mit dem Actin Cytoskelett oder mit Intermediärfilamenten (Desmosomen und Hemidesmosomen) stabilisiert.
Cadherine
Die zentralen Moleküle der Ankerverbindungen zwischen zwei Zellen sind die Cadherine. Cadherine findet man nur in tierischen und in Cyanogflagellaten, die einzellig und mehrzellig leben können (wir stammen wohl direkt von solchen Organismen ab).
