Zellbiologie der Eukaryoten
Prüfungsvorbereitung
Prüfungsvorbereitung
Was ist eine präsynaptische und was eine postsynaptische Zelle?
prä: jene, die die Botschaft absendet
post: jene, die die Botschaft empfängt
Wie erfolgt die Umwandlung eines chemischen Signals in ein elektrisches?
Neurotransmitter befinden sich in einem Vesikel. Durch einen Reiz öffnet sich der Calciumkanal und Calciumionen strömen ein, wodurch das Vesikel mit der Membran verschmilzt und die Neurotransmitter freigesetzt werden. Die Neurotransmitter binden an den Rezeptor der postsynaptischen Zelle, der Ionenkanal der posts. Zelle öffnet sich, Ionen strömen ein und das Membranpotential ändert sich (elektrisches Signal)
Was sind Neurotransmitter?
kleine Moleküle (zB Acetylcholin, GABA, Serotonin,...)
binden an Ionenkanäle der Zielzelle (Rezeptoren der Neurotransmitter): Ionenkanäle der Zielzellen sind ligandenregulierte Na+ oder Cl- Ionenekanäle
wirken erregend (=lösen Aktionspotential aus) oder hemmend (verhindern Aktionspotential)
werden rasch wieder abgebaut
viele Psychopharmaka modulieren die Wirkung von Neurotransmittern
Welche Typen von Neurotransmittern gibt es? Gib Beispiele an.
erregend: Acetylcholin, Glutamat
hemmend: GABA (Barbiturate und Beruhigungsmittel binden an GABA, regulierte Rezeptoren erhöhen die hemmende Wirkung von GABA), Glycin
Was ist Acetylcholin?
Neurotransmitter der Wirbeltier-Motoneuronen und einiger neuronaler Bahnen im Gehirn.
Wird in der Synapse von Acetylcholinesterase gespalten.
Wirkt an verschiedenen Rezeptoren
Manche dieser Rezeptoren werden auch durch Nikotin stimuliert, dh nikotinische Acetylcholinrezeptoren. Nikotinwirkung wird durch sie vermittelt. Andere Acetylcholinrezeptoren werden durch Pilzgift Muskarin stimuliert -> muskarinische Acetylcholinrezeptoren
Was ist Glutamat?
L-Glutamat: wichtigster erregender Neurotransmitter im ZNS der Wirbeltiere
synaptisch freigesetzt und bindet an spezifische Glutamat-Rezeptoren
Unterscheidung zwischen ionotrope und metabotrope Glutamatrezeptoren
Ionotrop: bestehen aus membranständigen Proteinuntereinheiten, die extrazelluläre Bindungsdomänen für ihre Liganden besitzen und einen Ionenkanal bilden.
Metabotrop: G-Protein-gekoppelter Rezeptor, leiten Signale über GTP- bindende Proteine ins Zellinnere weiter
Was ist GABA?
g-Amino-Buttersäure
wichtigster inhibitorischer Neurotransmitter im ZNS
GABA a Rezeptor ist ein ligandengesteuerter Chloridionenkanal (ionotrop), der sich öffnet und ein inhibitorisches Signal auslöst sobald GABA an ihn bindet
Dieser Rezeptor gehört zu den g-Protein-gekoppelten Rezeptoren (metabotrop), vermittelt eine erhöhte Öffnungswahrscheinlichkeit von Kaliumkanälen
GABA c Rezeptor ist ein ionotroper Rezeptor
Was ist Glycin?
inhibitorischer Neurotransmitter im ZNS
bindet an spezifische Rezeptoren (GlyR)
gehört wie GABA a und nikotinischer Acetylcholinrezeptor zur Klasse der liganden-gesteuerten Ionenkanäle (ionotroper Rezeptor)
Was sind Kompartimente und woru dienen sie?
Kompartimente= Organellen
von Einfach- oder Doppelmembran begrenzt
dienen räumlicher Trennung verschiedener Prozesse (störende Wechselwirkungen sollen vermieden werden)
Warum erfolgt ein Proteintransport in Organellen?
fast alle Proteine werden im Cytosol hergestellt
Organellen vermehren sich durch Vergrößerung und Teilung, um zu wachsen müssen Proteine nachgeliefert werden
Proteine werden zur Modifikation bzw zur Sekretion in Organellen transportiert
einige Enzyme kommen nur in bestimmten Organellen vor
Gib einen Überblick über den Transport zwischen den Zellorganellen
Welche Transportmechanismen gibt es und wo erfolgen sie?
durch Poren: Transport durch Kernporen
durch Membranen: in Chloroplasten Mitos, ER, Peroxisomen
über Vesikel: in/vom Golgi Apparat, Plasamembran, Endosome, Lysosome
Wie sind Kernporen aufgebaut?
durchdringen die Doppelmembran des Kerns
3000-4000 Poren in tier. Zellen
bestehen aus großem Proteinkomplex, ca 50 Proteine (Nukleoporine)
oktagonale Symmetrie
enthalten einen/mehrere Transportkanäle
Wo und wie erfolgt der Kerntransport?
durch den Kanal/die Kanäle der Poren
Proteine und Protein/RNA Komplexe: Proteine mit Mr<60 000 können frei diffundieren, größere werden aktiv transportiert
sowohl Import als auch Export möglich: manche Proteine werden cyclisch importiert und exportiert "nuclear shuttle protein"
Proteine enthalten ein Import- (NLS) bzw. Exportsignal (NES)
Was ist das Importsignal?
nuclear-localisation-signal (NLS)
von vielen Proteinen bereits ermittelt
häufig kurze Sequenz, reich an basischen AS
kann an irgendeiner Stelle der Primäsequenz im Protein sein, muss aber an der Oberfläche liegen
Was ist ein Exportsignal?
nuclear-export signal (NES)
bei wesentlich weniger Proteinen charakterisiert als Imports.
enthält häufig Leucine; eher hydrophob
Erkläre den Transportmechanismus
Import und Export im Prinzip gleicher Mechanismus aber in entgegengesetzte Richtung
verläuft über Import- und Exportrezeptoren "Karyopherine"
Rezeptoren binden an NLS oder NES des zu transportierenden Proteins "Cargo" und an Nucleoporine
Transportenergie aus Hydrolyso von GTP
Welche Moleküle werden importiert?
Histone, DNA und RNA Polymerasen, Transkriptionsfaktoren, ribosomale Proteine, Spleißfaktoren, snRNPs
Welche Moleküle werden exportiert?
ribosomale Untereinheiten, snRNA, tRNA, mRNA als “hnRNP-Partikel” (hnRNPs = heterogenounuclear ribonucleoproteins)
Was passiert mit der Kernmembran wenn sich die Zelle teilt?
Sie löst sich auf.
Aufbau eines Peptids/ Proteins?
Peptide haben in der Regel eine frei NH2 Gruppe und eine feie COOH- Gruppe
Richtung des Peptids wird immer vom Aminoende zum Carboxyende angegeben.
Beschreibe den Aufbau der Fettsäuren.
hydrophiler Karbonsäurekopf
hydrophober Kohlenwasserstoff "tail"
Beschreibe den Transportmechanismus von Motorproteinen an Mikrotubuli:
Motorproteine "wandern" Mikrotubuli entlang
ATP Hydrolyse bewirkt Konformationsablösung --> Ablösen des Kopfes vom Mikrotubuli --> der nächste Schritt kann gemacht werden
Bild zum besseren Verständnis:
Beschreibe die Funktionsweise des Fluoreszenzmikroskops
Aus weißem Licht aus Xenon- oder Quecksilberdampflampe wird durch Anregungsfilter für das Fluorochrom geeignete Wellenlänge herausgefiltert -> dichroischer Spiegel lässt nur Licht mit langer Wellenlänge durch, kurze WL wird reflektiert, Spielgel so wählen, dass kritische Wellenlänge zwischen Anregungs- und Emissionsmaximum des Fluorochroms liegt -> Anregungslicht wird durch das Objektiv zum Präparat gelenkt, während langwelligeres Fluoreszenzlicht (rot) Spiegel passiert und durch Okular zum Auge gelangt.
Beschreibe die Trennung der Chromatide in der Anaphase:
Chromosomen ordnen sich in Metaphasenplatte an
Verbindung Schwesterchromatide proteolitisch geteilt
Anaphase A: Chromatide werden zu Spindelpole gezogen (Mitosemikrotubuli werden durch MT Abbau verkürzt)
Anaphase B: Spindelpole rücken auseinander
Beschreibe Lipidaggregate. Welche Formen gibt es und wie bilden diese das Aggregat?
Fettsäuren haben einen hydrophilen Kopf und einen hydrophoben Schwanz und können im Wasser Oberflächenfilme oder kleine Micelle bilden.
- Triacylglyceride: bilden große runde Fetttröpfchen im Cytoplasma
- Phospholipide und Glycolipide: bilden geschlossene Lipid-Doppelschichten und sind Basis für alle Zellmembranen
Beschreibe Struktur und Funktion der Cloroplasten.
Struktur:
Doppelmembran, Thylakoide, Grana, Stoma
Funktion:
Energiegewinneun, Speicher der Chloroplasten-DNA
Beschreibe Struktur und Funktion der Mitochondrien.
Struktur:
Doppelmembran, innere Membran vielfach gefaltet (Cristae), Matrix - Innenraum, Intermembranraum
Funktion:
Energiegewinnung, Speicher der mitochondrialen DNA
Beschreibe Struktur und Funktion des Cytoskeletts.
Struktur:
Keine Membran! Aktinfilamente, Mikrotubuli,Intermediärfilamente
Funktion:
Zellbewegung und Zellform, Transportvorgänge innerhalb der Zelle, Zellteilung: koordiniert die Trennung der Chromosomen
Beschreibe Struktur und Funktion des Cytosols= Cytoplasmas
Struktur:
wässriges Gel, in das die Organellen und das Cytoskelett eingebettet sind, umschlossen von der Plasmamembran
Funktion:
Stoffabbau und -Synthese (zB. Proteinbiosynthese an den Ribosomen)
Beschrifte die Bestandteile der Membran
Beschrifte die Bestandteile des Fluoreszenzmikroskops
Beschrifte die Pfeile und bestimme die Art der Mikroskopie!
Beschrifte die Pfeile.
Wo befindet sich das "alpha"-C-Atom und welche Eigenschaften hat es?
Welche zwei Formen des Moleküls sind dargestellt?
Zwei Formen: non-ionized und ionized
Beschrifte!
Beschrifte!
Beschrifte!
Beschrifte.
Beschrifte.
Beschrifte.
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Cartes-fiches
Nenne die beiden Transport-Mechanismen, des trans-Golgi zur Plasmamembran!
Wodurch unterscheiden sie sich?
konstitutiver Ausscheidungsweg
- Sekretion findet immer statt
- versorgt die Plasmamembran mit Lipiden und Proteinen
- setzt laufend Proteine frei
geregelter Ausscheidungsweg
- Sekretion findet nur auf ein Signal hin statt
- nur in Zellen, die auf Sekretion spezialisiert sind
- sezernierte Substanzen werden in Vesikeln gespeichert, die nahe der Plasmamembran liegen
- Signal bewirkt Fusionierung der Vesikel mit PM und Ausschüttung
Beschreibe den Proteintransport vom trans-Golgi zu Lysosomen!
- Lysosomale Proteine werden im ER/cis-Golgi mit Mannose-6-Phosphat (MP) “markiert”
- im trans-Golgi erkennt ein Mannose-6-Phosphat Rezeptor (MPR) diese Proteine
- spezielle Vesikel transportieren Rezeptor-Enzym-Komplex via Endosom zu den Lysosomen
Was weißt du über Verdauungsvorgänge im Lysosom?
- Lysosome sind mit ca. 40 verschiedenen hydrolytischen Enzymen gefüllt
- haben ein saures Milieu (pH=5)
- besitzen eine H+ Pumpe
- enthalten Carrier für AS, Zucker, Nukleotide in der Membran
--> Carrier sind an Innenseite hoch glykosyliert zum Schutz vor Verdauung
Was sind Phagocytose und Autophagie?
Beschreibe die beiden Vorgänge!
Neben der Endozytose verdauen Lysosomen auch Material von zwei weiteren Routen:
durch Phagozytose und Autophagie
Phagozytose
-spezialisierte Zellen nehmen Partikel wie Bakterien, Zelltrümmer und gealterten Zellen auf und bauen diese ab. Diese verschmelzen mit Lysosomen.
Autophagie
-schrittweise Umsatz der zelleigenen Komponenten
-Umhüllung mit ER-Membran
-Verschmelzen mit einem Lysosom, und verdauen des Inhaltes
Was sind Mikrovilli und was ist ihre Funktion?
fadenförmige Zellfortsätze
zur Oberflächenvergrößerung --> Verbessereung des Stoffaustausches
Bürstensaum von Epithelzellen vor allem in Darm, Niere, Geschmacksknospen, Gebärmutter, Eizelle
Wozu führt der Filaminverlust?
Filamin bildet normalerweise 3-dimensionales Gel aus Actinfilamenten
Verlust führt zu abnormer Zellgestestallt (Tumorzellen) und Verlust der Kriechfähigkeit
Wie werden Actinfilamente in PM verankert?
in vielen Zelltypen über ERM Proteine (Proteinfamilie nach den ersten 3 Vertretern bennant Ezrin, Radixin, Moesin)
C-Terminus des Proteins bindet an Actinfilament
N-Terminus des Proteins bindet an cytoplasmatische Seite eines Transmembranproteins
Welche Actinabhängige Motorproteine gibt es?
Myosin Superfamilie (Klasse I -XIV)
binden & hydrolisieren ATP
wandern entlang Actinfilament von - nach + (nur eine Ausnahmen)
Welche Funktion hat Myosin I?
kommt in allen Zelltypen vor
besteht aus Kopf- & Schwanzdomäne
Kopf: Wechselwirkung mit Actinfilament
Schwanz: interagiert mit Fracht
z.B.: Vesikel, Plasmamembran (Veränderung Zellform)
Welche Funktion hat Myosin II?
"Muskelmyosin" aber auch in anderen Zelltypen
besteht aus zwei identischen Polypeptidketten (coiled-coil)
interaktion der Schwänze führt zur Bildung von Filamenten
Myosinfilament hat Konformation eines Doppelpfeils
bewirkt ineinanderglkeiten von Actinfilamenten
wichtig für
- Muskelbewegung
- Zellformveränderung durch kontraktile Bündel
- Zellteilung durch kontraktilen Ring
Wozu dient der Zellkortex?
komplex aufgebaut aus einer Kombination von Spectrin, Ankyrin, und ein Netz aus Actin
dient Stabilisierung der PM und Formveränderung der Zelle (Kriechbewegung)
Wie erfolgt die Kriechbewegung?
erfordert eine fetse Oberfläche
3 unabhängige Prozesse
- Ausstülpen von Fortsätzen am Leitsaum
- Fortsätze häften sich an Oberfläche
- Zelle zieht sich daran vorwärts
Bei allen 3 Forgängen ist Actin beteiligt
Welche Arten von Fortsätzen zum Kriechen gibt es und wozu dienen sie?
dienen der Erkundung
Lamelopodien: extrem flacher Membranteil
enthält Actinnetzwerk
Filopodien: dünne Fortsätze Bündel aus 10-20 Actinfilamente
5-10mm lang (Axone wachsendess Ende 50mm)
Wie funktioniert das Anhäften von Fortsätzen?
Integrine (Transmembranproteine in Lamelopodien & Filopodien) haften an Molekülen der extrazellulären Matrix oder auf Oberfläche anderer Zellen
gleichzeit verankert cytoplasmatischer Integrinanteil kontraktile Bündel aus Aktin & Myosin II
("stress fibers")
--> feste Verankerung der Zelle an Unterlage ("focal adhesion sites")
wIe zieht sich eine Zelle (die bereits auf Unterlage haftet) vorwärts?
durch Kontraktion
kommt durch Wechselwirkung Actinfilamente mit Motorproteinen (Myosin) zustande
Wo im menschlechen Körper kommt es überall zu Muskelkontraktion?
-Skelettmuskel
-Herzmuskel
-in glatter Muskulatur (= Darmmuskel)
Struktur der Muskelzellen unterscheidet sich jeweils aber Actinfilamnete & Myosin II wirken immer auf die gleiche Weise
Beschrifte den anatomischen Bau eines Muskels:
Lösung:
Muskelfaser= eine Muskelzelle
Was ist ein Sarcomer und wie ist es aufgebaut?
kontraktile Einheit
besteht aus Actinfilament & Actin-Myosin-filament
Verankerungspunkt von Actinfilamnetenennt man Z-Scheibe
Aneineanderreihung von Sarkomeren ergibt Myofibrille
Beschreibe die Energieumwandlung in Mitochondrien und Chloroplasten in 2 Schritten!
Teil 1:
Energie wird aus energiereichen Elektronen gewonnen und in einem elektrochemischen Gradient gespeichert
Teil 2:
elektrochemischer Gradient wird zur Produktion von ATP verwendet
Diese Energieumwandlung ist ein membranverankerter Prozess.
Woher kommen die energiereichen Elektronen für Zellvorgänge?
(versch. Organismen)
- Tiere: Glucose, Fettsäuren
- Pflanzen: durch Sonnenlicht angeregtes Chlorophyll
- Bakterien: Wasserstoff, Eisen, Schwefel
Beschrifte Aufbau eines Sarcomers 1
Lösung:
Welche Formen der Energiegewinnung in Mitochondrien kennst du?
1. Generierung energiereicher e- aus chemischer Energie = aus Zucker und Fetten,bei deren Abbau NADH und FADH2 entsteht
2. Oxidative Phosphorylierung:
- Elektronentransfer entlang der Atmungskette
- Aufbau des Protonengradienten
- ATP- Synthese
Wo wird in den Mitochondrien Energie gewonnen und auf welche Art und Weise?
- Generierung von NADH und FADH2 in der Matrix
- Enzyme der Atmungskette in der inneren Mito-membran
- H+-Gradient zwischen Inter membranraum und Matrix
Skizziere und Beschreibe die oxidative Phosphorylierung!
Elektronentransfer entlang der Atmungskette und Generierung des Protonengradienten sind gekoppelte Prozesse.
Die Herstellung des Protonengradienten ist ein aktiver Transportprozess.
Energiereiche Elektronen sind die Energiequelle für H+ - Transport gegen den elektrochemischen Gradienten
Was weißt du über die Atmungskette in Mitochondrien?
= Elektronentransportkette
--> besteht aus ca. 40 verschiedenen Proteinen in der inneren Mitochondrienmembran
3 Atmungsenzymkomplexe aus jeweils mehreren Proteinen wirken als Protonencarrier
– NADH Dehydrogenase-Komplex
– Cytochrom b/c1-Komplex
– Cytochromoxidase-Komplex
mobile Verbindungsmoleküle
– Ubichinon und Cytochrom c
Atmungskette
1) Warum liefert der Elektronentransfer entlang der Atmungskette Energie?
Weil hierbei hochenergetische Elektronen über mehrere (Oxidations-)Schritte in niederenergetische Elektronen umgewandelt werden und dabei Energie gewonnen wird.
Atmungskette
2) Wie werden Elektronen in der Atmungskette gebunden?
- an Eisen-Schwefel-Zentren
-binden jeweils ein e-
- an Häm
-bindet ein e-
-Fe ändert dabei seine Oxidationszahl
- an Ubichinon (Verbindungsmolekül)
-kann 2e- aufnehmen
-kein Metall als e-- Überträger
3) Wie wird der Elektronentransfer an die Bildung des Protonengradienten gekoppelt?
Gleichzeitig mit dem e- nehmen die Komplexe auch ein Proton auf bzw. geben es ab.
Proton wird auf einer Seite aufgenommen und auf der anderen Seite abgegeben.
Beschrifte Aufbau eines Sarkomers 2
Hinweis:
thick filament = Myosin
thin filament = Actin
Was ist die ATP-Synthese?
Wie funktioniert sie?
- wird von ATP-Synthase gemacht
- ist ein membranverankerter Enzymkomplex
- in der Evolution hochkonserviert
– tier. Mitochondrien,
Chloroplasten von Pflanzen und Algen,
Plasmamembran von Bakterien
- nützt den H+ Rückstrom in die Matrix, um daraus ATP zu synthetisieren
Bennene und Beschreibe folgenden Prozess!
ATP-Synthase
-ist eine reversible Reaktion
-Mechanismus: protonenbetriebener Rotor
Beschreibe den Vorgang der Muskelkontraktion
- Myosinkopf ohne gebundenes Nucleotid eng an Actinfilament gehäftet -Rigor Konfiguration
- ATP bindet an große "Spalte" (Rücksiete des Kopfes -am weitesten von Actinfilament entfernt) --> geringe Konfornationsänderung -Affinität des Kopfes für Actin vermindert --> kann sich entlang Filament bewegen
- Spalte schließt sich wie Muskelschale um ATP -->große Konformationsänderung --> Kopf bewegt sich 5nm auf Actinfilament weiter
ATP wird hydrolisiert
ADP und Pi bleiben fest an Protein gebunden - Myosinkopf jetzt schwach an neue Stelle am Actinfilament gebunden --> Freisetzung Pi
löst Kraftschlag aus --> Kopf geht in ursprüngliche Konformation zurück
--> Zyklus gebinnt von vorne
WIe effektiv ist die Muskelbewegung?
ca 300 Myosinköpfe/Myosinfilament
5 Kraftschläge/sec
5nm Bewegung/ Myosinkopf/Kraftschlag
--> ca. 15mm Bewegung/ sec
Welche Rolle spielt die Ca2+ Kozentration bei der Muskelkonzentration?
Im Ruhezustand Troponin/Tropomyosin Komplex mit Actinfilament assoziert --> Bindung Myosinköpfe an Actin behindert
Aktionspotential erhöht Ca2+ Konzentration im Cytosol
Ca2+ bindet an Troponin --> Konformationsänderung Tropomysin --> Myosinbindungsstelle wird frei
Was ist das syrkoplasmatische Reticulum?
spezialisiertes ER das um Myofibrille gewunden ist
Aktionspotetial an Plasmamembran der Muskelzelle--> Öffnung Ionenkanäle im sarkoplasmatischen Reticulum --> Ca strömt ins Cytoplasma --> Muskelkonzentration kann stattfinden
Wie werden Photonen absorbiert?
Im Reaktionszentrum von PS I & PS II
chlorophyll im Antennenkomplexabsorbiert Photonen dabei werden delokalisierte e- in höheres energieniveau gehoben
Energie der angeregten e- wird auf spezielle Chlorophylle im Reaktionszentrum geleitet
--> Bildung eines hochenergetischen e- das an benachbarte andere Pigmente weitergegeben wird
Beschreibe den Elektronenfluß während der Photosynthese
- e- kommt aus H2O (durch wasserspaltendes Enzym entzogen
- e- im Photosynthesezentrum II durch Licht energetisch angehoben
- e- wird über Plastochinon an Cytochrom b6/f-Komplex weitergegeben --> 1 Proton von Stroma in Thylakoidraum gepumpt --> ATP
- e- wird über Plastocyanin an PS I weitergeleitet
- e- wird in PS I durch Licht energetisch angehoben
- e- wird über Ferredoxin zur NADP-Reduktase weitergeleitet --> Bildung NADPH
Wie sieht die Photosynthesebilanz aus?
2H2O + 4 Photonen --> 4H+ + 4e- +O2 (PS II)
weitere Photonen zur Anhebung der e- im Photosynthesezentrum I
pro 2e- die Elektronentransportkette durchlaufen:
1ATP & 1 NADPH
Was ist die Dunkelreaktion?
in Photosynthese (Lichtreaktion) gebildetes ATP & NADPH wird in Stroma zur Kohlenstofffixierung verwendet
CO2 Fixierung = Einbau von CO2 in Zucker
3CO2 + 9ATP + 6NADPH + H2O--> Glycerinaldehyd-3Phosphat +8Pi +9ADP +6NADP+
Vergleiche die Photosynthese mit der Oxydativen Phosphirilierung:
Photosynthese:
- verbrauchen CO2 um Zucker zu synthetisieren
- Energie für energiereiche e- kommt aus Sonnenlicht
-e- die angehoben werden stammen aus H2O
--> O2 entsteht
oxidative Phosporilierung:
-zerlegung Zucker zu CO2 --> NADH entsteht
-NADH enthält energiereiche e-
-e- werden von NADH via Atmungskette auf O2 übertragen --> ATP und H2O entsteht
