Zellluläre Biochemie

Laut dieser Theorie waren die proeukarytoischen Zellen räuberische Zellen welche Bakterienzellen aufgenommen haben. Die Phagozytose anderer Prokaryoten erhöht den horizontale Gentransfer und kann damit ein evulotinonärer Vorteil sein. Dafür benötigten sie ein flexible Membran, sowie ein aktiv bewegliches Zytoskellet. Um das eigene Erbmaterial bei der Aufnahme eines fremden Bakteriums zu schützen, war auch eine Art Nukleus von Vorteil. Diese Proeukaryoten waren vermutlich anaerob, auf der frühen Erde gab es nun jedoch vermehrt Sauerstoff, sodass die Aufnahme von aeroben Bakterien einen Vorteil darstellt. Dabei wurden die aeroben Bakterien bei der Aufnahme nicht zerstört sondern, lebten als ein Symbiont im Zellinneren weiter. Diese entwicklten sich dann im Laufe der Evulotion zu den heutigen Mitochondrien. Einige dieser eukaryotischen Zellen nahmen zusätzlich noch photosynthetische Prokaryoten auf, die heutigen Chloroplasten.

In einem 2020 veroeffentlichten Paper wurde das sog. E3 Modell (entangle-engulf-endogenize) postuliert. Hiebei wird auf Grund der Struktur von Asgaard Archea (vermutlich aehnlich zu LAECA) ein zunaechst symbiotisches Leben von Archeae und Bakterium vorgeschlagen, waehrend sich Zellkern und anderen Eigenschaften von heutige Eukaryoten erst spaeter entwickelt haben.

LUCA: last universal common ancestor

LAECA: last archeo-eukaryotic common ancestor

LECA: last eukaryotic common ancestor

Mycoplasma genitalium besitzt das kleinste bekannte genom mit 580kb bzw. 525 Genen. Wie viele dieser Gene werden für das Leben benötigt? Das JCVI hat versucht basierend auf rationalem Design nicht lebenswichtige Gene auszunocken. Dieser Versuch ist jedoch fehlgeschlagen. Vor diesem Hintergrund wurde anschließend eine stochastische/randomisierte Methode mit Hilfe von Transposonmutagenese durchgeführt. Hierbei konnte ein noch kleineres Genom von 531kb hersgestellt werden also ca. 10% kleiner als M. genitalium. Nun konnten die Gene anhand ihrer Funktion beschrieben werden. Dabei konnten jedoch immernoch ca. 17% der Gene keine spezifische biologische Funktion zugeordnet werden. Dies könnte Scavenger Enzyme sein. Der Stoffwechsel der Zelle ist suboptimal und bildet Nebenprodukte die toxisch sein können. Diese Enzyme können diese Nebenprodukte inaktivieren, damit sie der Zelle nicht schaden, also Schutzmechanismen. Durch Optimierung der Stoffwechselwege könnte dann noch ein einfacherer Organismus gebaut werden.

Bestandteile:

• Hydrophober Schwanz/Schwänze
• Hydrophiler Kopf, besteht aus Glycerol, Phosphat und Choline (siehe Bild)

Cholersterol moduliert die Membranfluidität. Bei physiologischen Temperaturen verrringert es die Fluidität in dem sich das hydrophobe Colesterol in die Lipiddoppelschicht einlagert. Dadurch werden Fettsäureketten in ihrer Mobilität beschränkt, wodurch die Durchlässigkeit der Membran verringert wird, da sich bei hoher Mobilität sonst stochastisch kleine Wasserkanäle oder ähnliches in der Membran bilden können.

Mizelle: Phospho-Lipid Moleküle mit nur einem Schwanz können sich energetsich günstig als Kugel anordnen, wobei der hydrophile Kopf nach außen zeigt und der hydrophobe Schwanz nach innen, z.B Fettröphen im Zellinneren.

Lipid-Doppelschicht: Phopholipid Moleküle mit zwei Schwänzen bilden Lipid-Doppelschichten aus. Diese besitzten jedoch an den Rändern hydrophobe Bereiche die Wasser ausgesetzt sind. Deshellb runden sich die Ränder ab, obwohl dies energetisch ungünstig ist, ist dies weniger ungünstig als der Kontakt mit Wasser.

Plastizität, ggf. unterschiedliche Membranfluidität. Außerdem unterschiedliche Membranstängige Enzyme, z.B Transporte und Kanäle. Die Membran kann auch die Assemblierung von Proteinen beinflussen durch sog. Raft Domains. Heterogene Membranzusammensetzungen können als auch Zellsignale dienen, z.B für die Apoptose.

Heterochromatin: verdichtetes Chromatin im Zellkern, wo die DNA stark an Histone gebunden -> keine Tranlation, Trankskription

Euchromatin: weniger dicht gepackte DNA -> aktive Erbinformation

Auf dem einfachsten Level ist Chromatin eine Doppelhelix Strukture der DNA. Diese formt dann mit Histonen einen Komplex zu Nukleosomen (Kern besteht aus 8 Histonen). Anschließend bindet ein H1 Histon an das Nuleosom, dies bezeichnet man al Chromatosome. Die H1 Histome sorgen durch Komplexierung zur Ausbildung der 30 nm Fiber. Durch dichte Packung entsteht hieraus anschließend ein Chromosom

Das Genom ist in also Form von Chromosomen organisiert (46 beim Menschen), die zusammen genommen 2m Lang wären. Diese müssen in eine 6 mikrometer kleine Struktur kondensiert werden. Die komplementären Anforderungen sind als eine enorm hohe Packungsdichte, aber gleichzeitige Zugänglichkeit für Transkription, Replikation und Reperation.

Da bekannt war das es sich zumindest in Teilen um DNA handelt, konnte zunächst die Linker DNA durch Ligasen verdaut werden, sodass nur die Nukleosomen übrig bleiben. Durch Dissoziation mit hohen Salzkonzentrationen konnte die DNA vom Histon Kern abgetrennt werden. Dies ist eine Evidenz dafür das Histon-Kern und DNA ionisch wechselwirken. Der Histonkern kann dann noch weiter dissoziert werden in seine 8 Bestandteile. 

Dies ist eine Methode zu Untersuchung der drei-dimensionalen Untersuchung des Genoms.

1. Quervernetzung mit Formaldehyd => Stabilisierung der relativen Konformationen zu einander
2. DNA Verdau mit einem Restriktionsenzym (Stellen an denen Proteine quervernetzt wurden sind vor Abbau geschützt)
3. Auffülllen der Überhänge mit Biotin markierten Basen
4. Ligation, der nah beieinander liegende Schnittstellen (Chromosomenbereiche) über geringe Ligase Konzentrationen (um nur quervernetzte Bereiche zu ligieren und nicht weit entfernte)
5. Randomisierte Spaltung der DNA, Identifizierung der Ligase Junctions über die Biotinmarkierung
6. Deepsequencing der Biotin markierten Stellen

So kann festgestellt werden welche Stellen im Chromosom nah beieinander liegen und ingesamt eine 3D Struktur erstellt werden.

1. DNA-Methylierung: Die DNA kann direkt methyliert werden, dies reduziert die Genexpression oder schaltet sie ganz aus
2. Histon-Methylierung: Hier werden die Aminosaeuren in verschiedenen Untereinheiten der Histone Methyliert. H3K9me3 steht zum Beispiel fuer eine Modifizierung des Lysins an der 9. Stelle in der H3 untereinheit des Histons. Je nach dem wo die Methylierung stattfindet kann die Genexpression verstaerkt oder verringert werden
3. Histon-Acetylierung: Acetylierung verringert die Bindung von Histon und DNA indem basische AS wie Lysin und Arginin gebunden werden, welche normalerweise fuer die Bindung zur aziden DNA sorgen. Acetylierung erhoeht also im allgemeinen die Genexpression.

Das ist die 30nm-fibre, welche durch das H1-Histon stabilisiert wird.

Struktur: siehe Bild, wichtig: keine Membran, Nukleolus ist eine dynamische Struktur die sich aus acrocentrischen Chromosomen (am kurzen Ende befindet sich die rDNA) die mit Proteinen wechselwirken bildet. Es kann deshalb auch mehrere Nukleoli geben oder der Nukleolus kann stark in seiner groesse varieren.

Funktion: primaer die Biosynthese von Ribosomen, aber auch z.B dem Splicosom oder tRNAs bzw. allgemein Komplexe die aus RNA und Proteinen bestehen. Die Synthese im Nukelolus durchzufuehren ist besonders Effizient, da sich hier die rDNA befindet, denn der Nukleolus ensteht durch die Zusammelagerung von akrozentrischen Chromosomen.