BIO112 - Zellbiologie

Fettsäuren bilden Lipide, Fette und Membranen. Sie sind höhere Oxidationsstufen der Alkane: 

Alkane -> Alkohole -> Aldehyde -> Carbonsäuren

Klasse organischer Verbindungen welche sich schlecht in Wasser, dafür aber gut in unpolaren Lösungsmitteln lösen. Ihr grundlegenster Baustein sind Kohlenwasserstoffketten, meist in der Form von Fettsäuren im Lipid eingebaut. Lipide können auch in der Form von cyklischen (ringförmigen) Verbindungen wie in den Steroiden vorliegen. 

Gerade Fettsäuren werden auch als gesättigt oder saturiert bezeichnet. 

Ungesättigte Fettsäuren (desaturiert) werden durch die Einführung einer Doppelbindung durch das Enzym Desaturase erzeugt und werden dadurch ungerade. 

Das Carboxylende von Fettsäuren ist im Vergleich zur Kohlenwasserstoffkette relativ reaktionsfreudig. Es kann mit Alkoholen (wie Glycerin) Esterverbindungen bilden. So können auch Proteine mit Fettsäuren verknüpft werden (Lipidierung). 

Fette und Öle bestehen aus sog. Triacylglyceriden. 

Wenn drei Fettsäuren mit einem Gylcerol verknüpft sind, spricht man von einem Tracycerid (TAG) oder Triacylglycerinen. TAG sind Neutrallipide, weil sie keine Nettungladung tragen. 

Der Schmelzpunkt dieser Neutrallipide bestimmt, ob sie als Öl oder als Fett bezeichnet werden. Je höher die Zahl an ungesättigten Fettsäuren, umso tiefer der Schmelzpunkt. 

TAGs sind die häufigsten Bestandteile in Körperfett und werden in Form von Fett-Tropfen eingelagert. 

Der Abbau einer Palmitinsäure ergibt 3x mehr ATP als einer Glucose. Im Mitochondrium werden Fettsäuren zu Acetyl-CoA oxidiert, welches im Citratcyklus und der Atmungskette zu ATP verstoffwechselt wird. 

Tragen zwei Fettsäuren am Glycerin, meist mit unterschiedlicher Staurierung.

Haben eine polare Kopfgruppe (meist aus Phosphaten und Alkoholen) welche mit Wasser intergagieren kann (hydrophil) . 

Sind amphiphil (haben einen hydrophilen und hydrophoben Anteil)

Phospholipide formen lamellare (blattartige) Phasen in Wasser, sind aber nur Flüssigkeiten, die sich aufgrund chemischer Eigenschaften zu geordneten Strukturen anordnen. (extrem stabil, können ständig Position wechseln. 

Enthalten Transmembranproteine

Es gibt zwei verschiedene Lipidklassen in biologischen Membranen: 

- Sphingolipide, enthalten oft längere und gesättigte Kohlenwasserstoffketten

- Glycosphingolipide: Sphingolipide mit Kopfgruppe aus Zucker (dient z. B. zur Erkennung)

Besteht neben dem unpolaren Kohlenwasserstoffschwanz und der polaren Kopfgruppe auch aus unpolaren strarren Steroidringen. Eingebaut in die Membran führt dies zu erhöhter Ordnung/Versteifung. 

Die Membran wird fester und stabiler und die Verfestigung wird verhindert, indem die Lipidpackung gestört wird. 

Transmembranproteine

Periphere Membranproteine

Proteine mit Lipidanker

- Undurchlässig für geladene Substanzen

- Wasser kann beschränkt passieren

- Gase können fast ungehindert passieren

- Transport von polaren/geladenen Substanzen kostet Energie und wird von spezialisierten Proteinen vollzogen

- Na+/K+ ATPase pumpt unter ATP-Verbrauch Na+ aus der Zelle und K+ in die Zelle

- Kaliumkanäle leiten hochselektiv K+ Ionen

- Chemische Gradiente treiben auch Wasser durch Membranen (Osmose)

Drei beobachtete Filamentgrössen: 

- Mikrotubuli: 25nm dick, kommen in allen Eukaryotenzellen vor

- Aktinfilamente: 7nm dick, kommen in alllen Eukaryotenzellen vor

- Intermediärfilamente: 10nm dick, kommen in allen tierischen Zellen vor

Filamente sind aus 1-2 kleinen Proteineinheiten aufgebaut, welche sich v.a. mithilfe vieler hydrophober Wechselwirkungen linear und auch seitlich aneinander lagern. 

Eines der konserviertesten Proteine der Zelle

Braucht Chaperone (Hilfsproteine beim Falten) da es sich die Zelle nicht leisten kann, dass falsch gefaltete Moleküle im Umlauf sind

Individuelle Actinmoleküle (G-Actin) polymerisieren nur zu Filamenten (F-Actin), wenn sie ATP gebunden haben (ATP führt zur Konformitätsänderung des Actins)

Actin hat ein - und ein + Ende

Actinfilamente bedecken die Zellmembraninnenseite der meisten tierischen Zellen und bilden so eine mechanisch stabilisierende Hülle, die Zellrinde (Actin Cortex)

Bei der Polymerisierung holt sich das Ende eines ATP gebunden F-Actins eine vorbeischwimmendes G-Actin. Gleichzeitig werden auch laterale Verbindungen eingegangen, was zur Entstehung eines Doppelstrangs führt, welcher zu einer alpha-Helix verzwirnt. 

Das Filament ist polar, da der hintere und vordere Teil unterschiedlich geladen sind weil Actinmoleküle nicht symmetrisch sind. 

Actin ist eine ATPase (es hydrolisiert ATP und gewinnt so Energie)

Während G-Actin nur sehr langsam hydrolisiert, hydrolisiert F-Actin ATP sehr schnell. 

Das hat zur Folge, dass hydrolysierte Einheiten weniger stabil gebunden sind. V.a. die am -Ende haben ein Problem, da sie weniger stabilisierende Bindungen haben. 

Prinzipiell kann ein neues ATP-Actin auch am -Ende binden. Dies ist aber strukturell nicht günstig. 

Deswegen fallen hinten eher Einheiten weg, während vorne neue angesetzt werden (Treadmilling). 

Untereinheiten bilden spontan kleine, instabile Aggregate, die erst ab einer bestimmten Grösse stabil genug sind, um als Keime für die Polymerisierung eines Filaments zu fungieren. Damit diese Keimbildung geschieht, müssen verschiedene Bedingungen wie Temperatur, Salzkonzentration, etc. stimmen, was die Zelle nutzt, um zu kontrollieren, wo und wann in Zellen Filamente entstehen. 

Die Polymerisierung läuft, bis ein Gleichgewicht erreicht ist, wo nicht mehr genug freies G-Actin vorhanden ist, um nur Wachstum zu erhalten (Anbau- und Abbaurate im Gleichgewicht) = kritische Konzentration

Bestehen aus zwei Untereinheiten: alpha- und beta-Tubuline. Auch diese benutzen Chaperone, um richtig gefaltet zu werden. 

alpha- und beta-Tubuline polymerisieren nur zu Proteinfilamenten, wenn beide ein GTP gebunden haben (nur beta-Tubulin ist eine GTPase, alpha-Tubulin kann sein GTP nicht hydrolisieren)

Mikrotubuli sind polar, wobei das beta-Tubulin das +Ende ist (hier geht das Wachstum auch schneller als am -Ende)

Tubulidimere formen bei der Polymerisierung lineare Proteinfilamente, welche auch lateral aneinander binden. Dies geschieht auf zwei mögliche Arten: 

- Die laterale Bindung der Dimere ist leicht gekrümmt, was dazu führt dass sich mehrere Proteinfilamente zu einem Tubus aufrollen. Dies hat ein blattförmiges Wachstum der Mikrotubuli zur Folge, der Tubus ist erst mit dem Verschluss der Gitternaht vollendet. 

- Im Proteinfilament hydrolisiert das beta-Tubulin sein GTP effizient zu GDP, was zu einer Konformationsänderung führt und zur Folge hat, dass das Proteinfilament stärker nach aussen gekrümmt wird. Wegen der stabilisierenden GTP-Tubulin Kappe und der stablisierenden Bindungen fällt der Mikrotubulus jedoch nicht sofort auseinander. 

Mikrotubuli haben kein unendliches Wachstum. Irgendwann ist eine kritische Konzentration and freien Dimeren erreicht, was zu langsamerem Wachstum und zum Verlust der schützenden GTP-Tubulin Kappe führt (am -Ende schneller als am +Ende). 

Mikrotubuli zeigen ausserdem kein Treadmilling-Verhalten sondern wachsen an einem Ende schneller und irgendwann erfolgt plötzlicher Zerfall. 

Übergänge von Wachstum zu Schrumpfen und umgekehrt heissen Katastrophe und Rettung. 

Tritt ein, wenn die GTP-Kappe verloren geht, was zum Aufholen der GTP-Hydrolyse mit dem wachsenden Ende führt. Dies geschieht häufiger am -Ende, da dieses langsamer wächst. 

Kommen v.a. in tierischen Zellen und da v.a. im Zusammenhang mit mechanischer Belastung vor. Die Untereinheiten der Intermediärfilamente sind sehr unterschiedlich, die strukturelle Gemeinsamkeit ist die Supersekundärstruktur, die zentrale Doppelwende genannt (coiled coil = 2 alpha-Helices, die sich nebeneinander lagern), dazu kommen variable Enden. 

Intermediärfilamente organisieren sich selbt zu Filamenten, dazu brauchen sie weder APT noch GTP, alles läuft über hydrophobe Wechselwirkungen. 

Sie sind deutlich weniger dynamisch als Mikrotubuli oder Actin. 

Ihre Bauart macht sie extrem flexibel und zäh (seilartig)

Meistverbreitete Intermediärfilamente

Sie bilden die Lamina, eine innere Auskleidung der Zellmembran, welche dem Zellkern Festigkeit verleit und als Anker für Proteine und DNA dient. 

Die variabelsten Intermediärfilamente

Bestehen aus jeweils einem sauren und einem basischen Keratin und werden durch kovalente Disulfidbindugen quervernetzt, was für ihre Robustheit entscheidend ist. 

Kleiden die Innenseite der Axonmembran aus. Es wird davon ausgegangen dass die Menge an produzierten Neurofilamenten wahrscheinlich die Dicke und somit die Leitfähigkeit der Axone bestimmt. 

Die Kontrolle des Cytoskeletts geschieht durch chemische Modifikation der Filamente oder mithilfe von Proteinen die mit dem Cytoskelett assoziieren. 

Actin-Filamente organisieren sich von Natur aus selbst, können aber mit Helferproteinen kontrolliert werden. 

Die Zelle kann Lokalisation und Wachstum der Actinfilamente vielseitig kontrollieren: 

- ARP: Lokalisierung der Keimbindung durch den Acin-Related-Protein (ARP) 2/3 Komplex, welcher ein freies F-Actin Ende simuliert. Er braucht eine Aktvierung durch NPFs (Nucleotide Promoting Factors) und funktioniert am besten, wenn er seitlich an ein existierendes Actinfilament gebunden ist. Dies führt zu einem verzweigten F-Actin Netzwerk. 

- Actinfilamente werden nach der Bildung oft durch weitere Proteine gebündelt, vernetzt, an Membranen angeheftet oder chemisch modifiziert. 

Zentral hierbei sind die Kontrolle der Keimbildung und der Katastrophe. Die meisten Zellen haben sog. MTOC's (Mikrotubuli organisierende Zentren), in denen sich der gamma-Tubulinringkomplex (gamma-TuRC) befindet. 

gamma-Tubulin ist eine Tubulinvariante (oft im Centrosom konzentriert), die im Komplex mit anderen Proteinen ein bestehendes Mikrotubuliende simulieren kann. 

gamma-Tubulin stabilsiert ausserdem auch das -Ende, was heisst dass vor allem die +Enden von MTOC aus wachsen. 

Die wachsenden Mikrotubulinenden sind meist an Proteine gebunden, die wie Formine am +Ende binden (+TIPs). Diese laufen aber nicht wie Formine mit, sondern erkennen die GTP Tubulinkappe, an die sie kurz binden, somit die Katastrophe verhindern und das Wachstum fördern. 

Eine Ausnahme bildet das Kinsesin13, welches die Katastrophe auslöst, indem es die Proteinfilamente nach aussen zieht. 

Filamente aggregieren zwar auch spontan, aber meist sind Hilfsproteine vorhanden, welche dies unterstützen und Intermediärfilamente auch mit anderen Strukturen verbinden. 

So verbindet Filaggrin Filamente untereinander, während Plectin Filamente untereinander/mit Mikrotubuli/mit Proteinen der Membran verbindet. 

Motorproteine können an den Cytoskelettfilamenten entlanglaufen. Bei jedem Schritt verbrauchen sie ein ATP. Sie existieren nur für Actin und Mikrotubuli (nicht für Intermediärfilamente, da diese nicht polar sind). 

Mikrotubulimotoren, von denen es sehr viele verschiedene Varianten gibt (einige laufen in Richtung + andere in Richtung -Ende)

Die meisten laufen als Dimere (obwohl Monomere und Tetramere auch vorkommen), wobei sich die Proteine durch Bildung von Doppelwendeln verbinden. 

Kinesinmarsch: ATP-Kinesin binden fest an die Mikrotubuli, ADP-Kinesin nur schwach. Der krafterzeugende Schritt ist der Austausch von ADP mit ATP. 

Grosser Mikrotubulimotorkomplex, der Richtung -Ende läuft. Er ist einer der grössten und schnellsten Motoren. Cytoplasmatisches Dynein hat zwei gekoppelte Motordomänen und funktioniert oft in Verbindung mit dem Dynactinkompelx. 

Die Dyneine des Axonems in Cilien und Flagellen haben bis zu drei Motordomänen. 

Dynein bindet in der nucleotidfreien Form am stärksten an die Mikrotubuli und wird von ATP freigesetzt. Der krafterzeugende Schritt ist die gleichzeitige Freigabe von ADP und Phosphat. 

Myosine sind F-Actinmotoren, welche in einer grossen Diversität mit vielen verschiedenen Aufgaben vorkommen. Mit einer Ausnahme laufen sie alle in Richtung F-Actin +Ende. Die meisten von ihnen laufen aus Dimere, wobei sich die Proteine durch Bildung von Doppelwendeln verbinden. Myosine besthen oft aus mehreren Untereinheiten. 

Der Myosinmarsch verbraucht ein ATP pro Schritt, ADP Myosin bindet Actin am stärksten, der krafterzeugende Schritt wird durch den Verlust des freien Phosphats ausgelöst und geht mit dem Ablösen des ADP einher. 

Mikrotubuli und Actin sind für die intrazelluläre Architektur fundamental. Eine zentrale Funktion ist das Transportieren und Positionieren von Organellen entlang der Mikrotubuli mit Kinesin-1

Transport funktioniert mithilfe von Motorproteinen und entsprechenden Verbindungsproteinen zwischen Motor und Fracht. Kinesin-1 transportiert hier Mitochondrien, Vesikel, mRNA und Proteine anterograd zu den Wachstumszonen oder Synapsen. Dynein ist meist verantwortlich für den retrograden Transport.