BIO112 - Zellbiologie

Anstatt CO2 wird nur O2 genutzt. Das bedeutet, dass die Lichtreaktion zwar Energie produziert, diese aber danach zu 50% wieder verloren geht, weil der Kohlenstoff nicht fixiert ist. 

Dies geschieht, wenn Öffnungen (Stomata) im Blatt, wo CO2 hineinkommt, weniger CO2 aufnehmen. Problem im heissen Klima.

Bundle sheath cells: Arbeitsteilung, Dunkel- und Lichtreaktion werden in getrennten Zellen durchgeführt

Kranzanatomie: Photosynthese läuft nur in bundle sheath cells ab, die Dunkelreaktion in anderen Zellen. 

Kranzanatomie

Alle Zellen machen Licht und Dunkelreaktion

Sind die treibende Kraft für Mitochondrien und Chloroplasten, jedoch gibt es hier einen Unterschied: 

In Chloroplasten gibt es einen viel grösseren pH-Unterschied zwischen Stroma und Thylakoidraum (8-5) als im Mitochondrium (7-8). 

Bei Pflanzen reicht dieser Unterschied aus, um ATP Synthase anzutreiben, bei Mitochondrien wird neben dem Protonengradienten auch noch ein elektrischer Gradient benötigt. 

Kodiert nur für einen Teil der Proteine. Viele Proteine, die für Photosynthese/Energieproduktion gebraucht werden, befinden sich nicht im eigenen Genom. 

Nur maternal bis auf wenige Ausnahmen (Nadelbäume = paternal, Farne = beides)

Nach genügend Mitosen hat eine Tochterzelle nur noch die einen oder die anderen Chloroplasten. 

Wiederholte Zyklen von Regeneration unter Selektion macht aus heteroplastischen homoplastische Pflanzen

Organelle, welche die DNA vom Rest der Zelle abschirmt. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für Genexpression und -regulation. 

Sehr wahrscheinlich eine spezialisierte Ausbildung des ER. Grund dieser Annahme liegt darin, dass direkte Verbindung zwischen Zellkern und ER besteht und bei der offenen Mitose der Zellkern vom ER absorbiert wird und sich nach Mitose daraus zurückbildet. 

Zellkernmembran ist eine Doppelmembran!

DNA im Zellkern ist nicht zufällig/chaotisch angeordnet, sondern in verschiedene funktionelle Domänen:

- Chromosomen haben eigene Position im Zellkern

- Genreiche, euchromatische DNA-Regionen eher in Richtung Zentrum

- Nichttranskribierte, meist heterochromatische Regionen eher an Peripherie

Wird eine DNA-Region neu transkribiert, wandert sie in Richtung Zentrum. Dies führt zu ständigem Wandern.

Biochemische Bereiche werden durch Konzentration und Vernetzung verschiedener Moleküle definiert. Diese Bereiche sind, anders als cytoplasmatische Organellen nicht durch Membranen getrennt und bleiben also durchlässig für kleine Moleküle. Sie können geziehlt verklumpen. 

Diese Bereiche entstehen möglicherweise durch filamentartige Strukturen analog zu Cytoskelett. Dies ist jedoch nicht unbedingt nötig, da bereits DNA zusammen mit bestimmten Proteinen selbstorganisierend solche Domänen bilden kann. So z. B. die Kernlamina unter der Zellkernmembran. 

Verklumpter Bereich im Zellkern, im Mikroskop sichtbar. Ist die Fabrik für die Herstellung und Modifikation nichtkodierender RNAs, v.a. derjenigen, die als RNA/Proteinkomplexe wirken (rRNA und Zusammenbau der Ribosomen)

Besteht vor allem aus: 

- Prozessierter und nicht prozessierter rRNA

- RNA prozessierenden Enzymen und deren Leit-RNAs

- Den entsprechenden DNA Regionen

- Transkriptionsmaschinerie

- Ribosomalen Proteinen

- Im Bau befindliche Ribosomen

Man geht davon aus, dass dies an der enormen Zahl von rRNAs liegt, die die Zelle benötigt, weshalb sich eine dafür spezialisierte Region entwickelt hat. 

- Nucleolus

Weitere Bereiche die sichtbar gemacht werden können, denen aber noch keine genaue Funktion zugewiesen werden konnte: 

- Fibrillarin Protein

- Cajal-Körperchen

- Granuläre Cluster

Die meisten dieser Strukturen sind sehr dynamsich und ändern sich je nach Zellzyklusstadium. Dies sind alles Bereiche, keine Kompartimente (keine Membran!!!)

Da der Zellkern vom Rest der Zelle abgeschrimt ist, muss der Import/Export von Material und Kommunikation mit der Umgebung ermöglicht werden. 

Hierbei werden, ungleich zu den Plasmamembranen, Kernporen benutzt (hoch spezifische Transportstrukturen).

Die äussere Kernmembran ist mit dem ER verbunden, was, wenn nötig, eine Vergrösserung der Kernmembran erlaubt. Ausserdem bindet sie Ribosmen. 

Die innere Kernmembran ist mit einem Laminanetzwerk, mit intranukleären Proteinkomplexen und mit Chromosomen verbunden.

Lassen rein: Proteine, Transkriptionsfaktoren, DNA-/RNA-Polymerasen, Nucleotide, Histone, ATP, usw. 

Lassen raus: mRNA, tRNA, Ribosomale Untereinheiten, usw. 

Müssen deshalb in beide Richtungen kontrollierbaren Transport ermöglichen. 

Menschliche Zellkerne haben bis zu 4000 Kernporen, die pro Sekunde bis zu 500 Makromoleküle hindurchlassen können.

Gebildet von den NPCs (nuclear pore complex, bestehen aus ca. 30 Proteinen, die in mehreren Kopien vorliegen. Im Ganzen ca. 450 Proteine)

NPC Proteine sind verschieden stabil mit der Kernpore verbunden. Gewisse Proteine werden im Sekundentakt ausgewechselt, während andere bis zu 100 Stunden eingebaut bleiben. Defekte Proteine können relativ schnell ausgetauscht werden. 

Während der Mitose (dem Zerfall der Kernmembran), zerfallen auch die NPCs. Ein Teil davon diffundiert in die Membran des ER, andere ins Cytosol.

Kernlamina verbindet Kernmembran und Chromosomen und stabilisert NPCs. Nicht alle Eukaryoten haben diese Kernlamina (Hefe z.B.)

Phosphorylierung der Lamine führt zu ihrer Depolymerisierung (besonders während Mitose, wo sie von CDK phosphoryliert werden, wichtig)

Position des Zellkerns ist meist direkt mit Mikrotubuliorganisation verbunden. Eine spezielle Position des Zellkerns ist oft für spezielle Funktionen wichtig: z. B. mRNA und Definition der Hauptachsen in der Drosophila Eikammer. 

Durch Interaktion und Kommunikation untereinander, bilden Zellen komplexe, mehrzellige und sehr robuste Systeme. Bei Mehrzellern sind Zellen normalerweise schon von der ersten Zellteilung an miteinander verbunden. Die Komplexität geschieht hierbei durch Musterung und schrittweiser Differenzierung. 

Es gibt auch Organismen, die nur bei Bedarf mehrzellig werden. So z. B. der Schleimpilz Dictysteium discoideum, welcher bei Futterknappheit Zellkollektive bildet. 

Bezeichnet die Beeinflussung der Fortbewegungsrichtung von Lebewesen oder Zellen durch Stoffkonzentrationsgradienten.

Hierbei ist das Hauptproblem, den relativ kleinen Unterschied in der Anzahl Moleküle, die vorne und hinten auf Zelle treffen, zu lesen. 

Zellen laufen in Richtung der höchsten Zelldichte, also dorthin wo zufällig am meisten Zellen hinlaufen. So entstehen spiralförmige Wellen, die von Zentrum ausgehen. 

Die Reaktionen der Zellen auf das sekretierte cAMP (welches die Signalkaskaden zur Zusammenschliessung auslöst) sind nicht konstant, sondern werden in Pulsen abgegeben. 

Sind genügend Zellen zusammengelagert, entsteht das Pseudoplasodium ("slug"), welches sich wie eine Schnecke fortbewegt. 

Bindegewebe 40% -> Robustheit durch extrazelluläre Matrix (v. a. Kollagen)

Epithelgewebe 60% -> Robustheit Oberflächen (v. a. Cytoskelett)

Ankerverbindungen: verbinden Zellen untereinander oder mit extrazellulärer Matrix

Undurchlässige Verbindungen: verbinden Zellen so eng, dass nichts mehr durchgehen kann -> Isolation

Kanalbildende Verbindungen: verbinden Zellen so, dass Information ausgetauscht werden kann

Signalübertragende Verbindungen: v. a. in Nervenzellen

Bestehen zwischen Nachbarzellen, sowie zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix. Intrazellulär durch die Verbindung mit dem Actin Cytoskelett oder mit Intermediärfilamenten stabilisiert. 

Zell-Zell-Verbindungen werden durch Cadherine (Ca2+ abhängig) vermitellt

Zell-Matrix-Verbindungen werden durch Integrine vermittelt

Zelladhäsionsmoleküle können auch als Signalmoleküle fungieren. 

Sind wie Adhäsionsverbindungen intrazellulär über Ankerproteine, aber mit Intermediärfilamenten, nicht mit Actin, verbunden. 

Verleihen Gewebe mechanische Festigkeit. 

In Hautzellen verbinden Keratine die Desmosomen und Hemidesmosomen.