BIO112 - Zellbiologie

Existieren verschiedene Ausstülpungen der Membran: 

- Blebs

- Pseudopodien

- Filopodien

- Lamellipodien

Entstehen, wenn ein Signal den Actinkortex lokal auflöst und der Zellinnendruck die Zellmembran ausstülpt. Im Bleb formt sich dann ein neuer Actinkortex, der sich zusammenzieht und so die Zelle in einer unregelmässigen 3d Umgebung vorwärtszieht

Ermöglichen die Amoeboide Fortbewegung. Lösen die Zellen am vorderen Ende regionel ein Gel aus Actinfilamenten auf, kontrahiert gleichzeitig das Gel am hinteren Ende mit HIlfe von Myosin und drückt so die Membran nach vorne. 

Stachelartig und werden meist von einem wachsenden Actinbündel geformt. Entstehen meist and der Front eines Lamellipodiums. Sind vermutlich Sensoren mit denen die Zelle ihre Umgebung abtastet. Spielen aber auch in der embryonalen Morphogenese und in der Wundheilung eine wichtige Rolle. 

Flächige, blattartige Ausstülpungen, die von einem wachsenden Actinnetzwerk geformt werden. Das Actin im Lamellipodium ist verzweigt. ARP2/3 Komplex wird zur Keimbildung benutzt. Durch die Verlängerung bestehender und den Einbau neuer Actinfilamente entsteht ein retrograder Actinfilamentfluss. 

Grosser Teil unserer Körpermasse besteht aus Muskelzellen: 

- Glatte Muskulatur (Magen, Darm, Blase)

- Herzmuskulatur (komplex organisiert)

- Skelettmuskulatur (am komplexesten)

Skelettmuskeln sind die einzigen Muskeln, die willentlich gesteuert werden können. Sie entstehen aus der Verschmelzung von Vorläuferzellen, den Myoblasten und sind dadurch mehrkerning (mehrkernige Zellen = Syncytium). Sie enthalten mehrere Myofibrillen, die selbst aus aneinandergereihten Sakromeren, der funktionellen Grundeinheit bestehen. 

Beim Bau der Muskelzelle wird die regelmässige Anordnung dadurch erreicht, dass sich Mikrotubuli parallel zur Längsachse der Muskelfaserzellen ausrichten. Sie werden als Baugerüst genutzt, entlag dessen sich die Sarkomere organisieren können. Die fertigen Skelettmuskeln enthalten jedoch praktisch keine Mikrotubuli mehr, da diese in den Muskeln nur für den Bau wichtig sind. 

Einzelne Myosinköpfe sind nur kurz an Actinfilamente gebunden und machen ca. 5 Schritte/sek. (Verkürzung um 10% in 1/50 sekunde). 

Ausgelöst durch einen Nervenreiz der ein Aktionspotenzial generiert, was wiederum die Membran der Muskelzelle depolarisiert (Na+ Kanäle öffnen sich).

Dies führt dazu, dass Einstülpungen der Plasmamembran (T-Tubuli) das Aktionspotenzial in der Muskelfaser verteilen.

Das Aktionspotenzial führt zur Öffnung von Ca2+ Kanälen im sarkoplasmatischen Reticulum, was die Muskelkontraktion auslöst.

Nach 30 ms ist das Ca2+ unter ATP-Verbrauch wieder weggepumpt und der Muskel löst sich wieder. 

Im ruhenden Muskel verschiebt der Troponinproteinkomplex ein Protein, Tropomyosin, welches eigentlich in der Actinfurche bindet so, dass Myosin nicht binden kann. Ca2+ binden an Troponin C und löst so die Inhibition. 

Dann verschiebt sich Tropomyosin in die Furche und Myosin II kann Actin binden und darauf laufen. 

In Zellen der glatten Muskulatur bindet Ca2+ an Calmodulin, welches mit Troponin C verwandt ist. Ca2+/Calmodulin bindet an Caldesmon, welches im Ruhezustand die Myosin II Bindungsstellen auf dem Actin blockiert und entfert es vom Actinfilament. 

Ca2+/Calmodulin bindet und aktiviert auch die MLCK Kinase, welche die regulatorische leichte Kette von Myosin II phosphoryliert und aktiviert. 

Anders als bei der Skelettmuskulatur, muss die Kontraktion hier nicht so schnell gehen. 

Der Zellzyklus besteht aus Interphase (G1, S, G2) und Zellteilung. Während der Mitose ist die DNA kondensiert, Chromosomen sind sichtbar, wohingegen die DNA während der Interphase nicht kondensiert ist. 

Gerät dieser Zyklus ausser Kontrolle beginnt sich die Zelle unkontrolliert zu teilen, was zu Tumorbildung führen kann. Dies ist für Tiere oft letal, bei Pflanzen jedoch nicht solange genügend Nährstoffe vorhanden sind. 

- Gap-Phase 0: Gewisse Zellen verlassen den Zellzyklus und teilen sich nicht mehr, können aber unter gewissen Umständen wieder in die G1 eintreten

- Gap-Phase 1

- Synthese-Phase: die DNA wird exakt repliziert

- Gap-Phase 2

- Mitose: DNA wird auf 2 Tochterzellen aufgeteilt, Cytokinese (Zellteilung) geschieht

3H-Thymidin Inkorporation/Bromodeoxyuridin: 

Da Thymin spezifisch nur in der DNA vorkommt (da in RNA Uracil), eignet es sich gut als Marker für DNA. In diesem Verfahren wird radioaktives Thymin für kurze Zeit hinzugegeben. Nur Zellen, welche gerade in der S-Phase sind, bauen es ein. So ist es nun möglich zu bestimmen, wie viel % einer Zellpopulation in der S-Phase waren, die Länge des Zellzyklus kann man durch Verdoppelungsdauer bestimmen

Mitotischer Index = mitotische Zellen/alle Zellen

Mittels Fliesszytometer ist es möglich, G1 und G2 zu messen, indem man die Intensität der DNA und die Anzahl Zellen die diese Intensität aufweisen misst. 

Hefen wachsen sehr schnell und sind haploid, also zeigt sich der Phänotyp sofort. Dies macht sie zu guten Forschungsobjekten. 

S. pombe: ähnlicher Zellzyklus wie höhere Eukaryoten und ähnliche Teilung

S. cerevisiae: Keine G2 Phase, teilt sich durch Knospung (keine gleichmässige Cytokinese)

Konditionelle Mutanten zeigen den mutanten Phänotyp nur unter bestimmten Bedingungen (z. B. kein Wachstum ab bestimmter Temperatur). Der mutante Phänotyp kann isoliert werden, wenn nach konditionellen Mutanten gesucht wird. Dies geschieht über einen genetischen Screen für cell division cycle (cdc) Mutanten

Zellen mit der gleichen temperatursensitiven Mutation arretieren zum gleichen Zeitpunkt im Zellzyklus, wenn die Temperatur erhöht wird. Andere temperatursensitve Mutanten arretieren an einem zufälligen Zeitpunkt im Zellzyklus, nachdem die Temperatur erhöht wird

Dies ermöglicht die Isolation und das Studium gleicher Mutationen. 

Anhand des Zeitpunkts im Zellzyklus, an welchem eine Zelle arretiert, kann man bestimmen, wann ihre mutanten Genprodukte gebraucht würden.

1. Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs): Cykline akkumulieren und verschwinden über den Zellzyklus, Kinasen aktiveren und deaktivieren Proteine, indem sie diese phosphorylieren. 

2. CDK-modifizierende Kinasen und Phosphatasen: aktivieren CDKs

3. CDK-inhibierende Proteine (CKIs): inhibieren CDKs

4. Ubiquitinligasen (Proteolyse): Proteolyse = Proteinabbau, schauen dass Proteine, die nur zyklisch gebraucht werden, abgebaut werden

5. Transkriptionsfaktoren (regulieren Zielgene)

Regulatorische Enzyme

Kinasen lagern Phosphatgruppen an andere Proteine

Phosphatasen entfernen Phosphatgruppen

Phosphorylierung kann Proteine aktivieren als auch deaktivieren!

CDK Kinase wird nur aktiviert, wenn alle Bedingungen erfüllt sind (ein Phosphat vorhanden, ein Phosphat entfernt, Cyclin anwesend)

In Hefe existiert 1 CDK und 2 Cycline: 

- S-Cyclin: akkumuliert sich in der G1 und triggert die DNA-Replikations Maschinerie (S-Phase)

- M-Cyclin: akkumuliert sich in der G2 und triggert Mitose Maschinierie

- Cyclin und CDK bilden zusammen einen Komplex (teilweise aktiv) und werden durch CAK (Cdk-activating-kinase) phosphoryliert und somit vollständig aktiviert. 

In Säugern existieren viel mehr CDKs und Cycline, jedoch folgen sie dem gleichen Grundprinzip

- CAK aktiviert CDK

- Wee1 und Cdc25 inaktiviert/aktiviert CDK durch Phosphorylierung/Dephosphorylierung

- CDK-inhibierende Proteine CKIs (inaktivieren den CDK Komplex (nicht enzymatisch)

SCF: ubiquitiniert phosphorylierte Cdk Inhibitor Proteine

APC: Anaphase promoting complex: aktives APC ubiquitiniert M-Cyclin (wird Cyclin nicht abgebaut kann Zellzyklus nicht fortschreiten, dies ist letal)

G1-Checkpoint: Sind genügend Nährstoffe vorhanden? Ja -> S-Phase

G2-Checkpoint: Ist gesamte DNA repliziert? Genügend Nährstoffe vorhanden? Ja -> Mitose

Metaphasen-Checkpoint: Sind alle Chromosomen an der Spindel angebunden? Ja -> G1

- Zugabe von Koffein: kein negativer Effekt auf Zellzyklusfaktoren

- Zugabe von Hydroxyurea: Blockiert DNA Synthese -> kann nicht richtig repliziert werden -> Halt in S-Phase

- Zugabe von Hydoxyurea + Koffein: Koffein inhibiert Blockade -> DNA wird fehlerhaft repliziert -> Mitose -> fehlerhafte, nicht lebensfähige Zellen -> Apostose

Zentrale Aufgabe der Zellteilung ist es, die Komponenten einer Zelle in zwei Teile aufzuteilen, sodass beide Tochterzellen alles Notwendige zum Überleben besitzen. Dies ist nur möglich, wenn alle Funktionen mindestens im Doppel vorliegen und richtig auf beide Tochterzellen weitergegeben werden können. 

Zellteilung wird in zwei Prozesse aufgeteilt: 

- Kernteilung: DNA mit der Erbinformation wird präzise in zwei Teile aufgeteilt, unterschieden werden Mitose und Meiose

- Zytokinese: Schliesst Zellteilung ab, indem Zytoplasma inklusive bereits separierten DNA aufgeteilt wird

Mikrotubuli reorganisieren sich als Folge der Aktivierung der M-Cdk vollkommen neu, um die sog. mitotische Spindel zu formen.

Es gibt eine grosse Vielfalt unterschiedlicher Spindelformen, alle besitzen aber eine sog. bipolare Struktur.

Mikrotubuli und Motorproteine bilden eine komplexe Kräftebalance.

1. Prophase

2. Prometaphase

3. Metaphase

4. Anaphase

5. Telophase

6. Cytokinese

Verdoppelte Interphasen-DNA wird massiv verdichtet. Duplizierte Centrosomen driften auseinander in Folge der sich aufbauenden Spindelstruktur.

In den meisten Eukaryotenzellen bricht der Zellkern auf. Nun sind die Centromere mit den Kinetochoren der Schwesterchromatiden frei für die Verbindungen mit Mikrotubuli +Enden

Ist erreicht, wenn die Chromosomenpaare in der Mitte der Spindel so angeordnet sind, dass ein Centromer mit den Mikrotubuli von einem Spindelpol, das andere mit denen vom anderen Pol verbunden ist. 

Schwesterchromatiden werden getrennt und auseinandergezogen, hin zu den Spindelpolen. Gleichzeitig entferen sich die Centrosomen voneinander.

Um getrennte Chromosomen bildet sich ein neuer Zellkern, was die Mitose abschliesst. Gleichzeitig beginnt die Cytokinese.

Schliesst die Zellteilung ab und trennt beide neuen Zellkerne und den Rest der Zelle. Beginnt bereits während der Zellteilung.

Nucleosome sind die Grundeinheit der eukaryotischen Chromosomenstruktur. 

Es gibt 4 Grundhistone, um die sich die DNA jeweils zweimal wickelt.

Nucleosome werden eine Ebene höher nochmals aufgewickelt = Solenoid