Virologie

Es werden nahezu alle Lipiklassen in der ER-Membran hergestellt, wobei das häufigste Lipid das Phosphatidylcholin ist. Die Enzyme für die Lipidsynthese sitzen in der ER-Membran und haben ihre aktive Domäne im Zytosol. Ein Phospholipid-Translokator transferiert aktiv Lipide von der zytosolischen zur ER zugewandten Seite der Membran. Die Phospholipid Translokase ist dabei unspezifisch.

Lipide des ER werden über spezielle Mechanismen an Mitochondrien, Plastide und Peroxysomen übertragen. Für jedes Phospholipid gibt es ein spezielles Austausch-Protein, wobei diese die Lipide zufällig zwischen nahegelegenen Membranen austauschen und keine Energie verbraucht wird.

Kohlenhydratsynthese, Sortierung und Verpackung von im ER synthetisierten Proteine, Bildung von Sekretorischen Vesikeln. Bildung von primären Lysosomen.

Proteine werden in von COPII-Umhüllte Vesikel verpackt und von ER-exit-sites abgelöst. Die Proteine in den Vesikeln tragen eine Transportersequenz. Ebenfalls werden Protein, die in sehr hoher Konzentration im ER vorkommen in Vesikel verpackt (auch zufällige Proteine können in Vesikel gelangen).

Transportvesikel vom ER fusionieren mit anderen abgeschnürten Vesikeln (homotypische Fusion) vermittelt durch SNARE Proteine und bilden Kluster. Die Kluster fusionieren an der cis-Seite des Golgis und geben so die Proteine an den Golgi weiter. ER-ansässige Proteine werden in Vesikeln seitlich vom Golgi abgeschnürt und wieder zurück zum ER transportiert.

Der Golgi-Apparat besteht aus mehreren verbundenen Zisternen mit einer cis-Seite und einer trans-Seite. Die Proteine die durch den Golgi von cis nach trans wandern werden in den Zisternen modifiziert.

Im Golgi wird die Glykolysierung der Proteine modifiziert. Es entstehen zwei verschieden Klassen von Zuckerketten.

Mannose-Oligosaccharide und komplexe Oligosaccharide

Wie eine Zuckerkette modifiziert wird, hängt von ihrer Position im Protein ab. Komplexe Zuckerketten sind immun gegen die Aktivität von Edoglykosidasen. De Glykolysierung findet an den OH-Gruppen von Threonin und Serin statt.

An den ER-Mitochondrien-Kontaktstellen sind beide Membranen nur ca. 10nm voneinander entfernt. Der ERMES-Komplex verbindet dabei beide Organellen, wodurch der Austausch von Membranlipiden und die Grundlagen für mitochondriale Teilung, Kalziumtransfer, Autophagie und Entzündungsreaktionen geschaffen werden.

An Regionen an denen sich das Mitochndrium teilt, wickelt sich das ER einmal komplett um das Mitochondrium.

Drp1 vom Mitochondrium wird in Nähe zum ER oligomerisiert (vom ER gefördert) und INF2 sitzt in der ER-Membran und fördert die Oligomerisation von Aktin, welches die Teilung der Mitochondriem ermöglicht.

IP3R ist verantwortlich für die Kalziumausschüttung des ER. IP3R interagiert mit grp75 und VDA1C in der äusseren mitochondrialen Membran. Ein mitochondrialer Kalzium Uniporter (MCU) sitzt in der inneren Membran des Mitochondriums. in Mikrodomänen zwischen ER und Mitochondrium kommt es zu extrem hohen Kalziumkonzentrationen. Verschieden Faktoren stabilisieren die Kontaktstellen und regulieren den Kalziumaustausch. Die Kalziumausschüttung des ER als Stressantwort löst Apoptose aus, wobei eine Erhöhung des Kalziumlevels in Mitochondrien zur Freisetzung proapoptotischer Faktoren führt.

Phagophore wird vom ER abgespalten. Herrscht Nährstoffmangel, produziert das ER Phosphatidylinosityl-3-Phosphat (PtdIns3P) - Omegasom. Andere Zellorganellen liefern ebenfalls Membranbestandteile für Phagophore (Mitochondrium). Die ER-Mitochondrien-Kontaktstelle ist wichtig für die Phagophore. Bei Nährstoffmangel konzentrieren sich diverse Phagophore-Marker an den ER-Mitochondrien Kontaktstellen.

Theorie: Mitochondrien erkennen den Nährstoffmangel und fördern Phagophore-Bildung am ER.

Mfn1 und Mfn2 sind für die Fusion der Aussenmembran von Mitochondrien zuständig. Mitofusine sind GTPasen. Fusion wird durch Regulierung der Mitofusine und optic atrophy 1 gesteuert.

Optic Atrophy1 (OPA1) ist für die Fusion der Innenmembran von Mitochondrien zuständig. OPA1 ist eine GTPase und reguliert zusammen mit Mfn1 und Mfn2 die Fusion von Mitochondrien.

Cristae Junctions stabilisieren die Cristae Membraneinstülpungen im Mitochondrium.

Alle Proteine müssen den TOM-Komplex der äusseren Mitochondrienmembran passieren. TIM-Proteine schützen die importierten Proteine im Intermembranraum.

Der SAM-Komplex integriert die Proteine in die äussere Membran.

TIM22-Komplex integriert Proteine in die innere Membran.

TIM23-Komplex transportiert Proteine in die mitochondriale Matrix und integriert sie in die innere Membran.

Oxidative Phosphorylierung

Reduktionsäquivalente geben Elektronen an Proteinkomplexe in der inneren Membran ab. Dabei springen die Elektronen von Komplex 1 bis 4 und Pumpen dabei Protonen in den Intermembranraum. Dadurch entsteht ein pH-Gradient und ein Spannungsgradient, das sogenannte Membranpotential oder elektrochemischer Protonengradient. Über die ATP-Synthase werden die Protonen entlang ihres Gradienten in die mitochondriale Matrix gelassen, wodurch die Energie für die ATP-Synthese genutzt wird.

Die Elektronentransportkette in der inneren Mitochondrienmembran besteht aus 4 Komplexen. Die Komplexe bestehen aus Membranproteinen und organischen Molekülen. Die Elektronentransportkette verbraucht Sauerstoff. Sauerstoff und Protonen werden zu Wasser.

Besteht aus Flavin-Mononukleotiden, Schwefel-Eisen-Kluster-Proteinen und der NADH-Dehydrogenase. Der Komplex nimmt zwei Elektronen auf. Vier Protonen werden in den Intermembranraum gepumpt. Komplex 1 überträgt die Elektronen auf Ubiquinon.

Succinat-Dehydrogenase-Komplex nimmt Elektronen von FADH2 auf und überträgt diese auf Ubiquinon. Ubiquinon diffundiert in der Membran zu Komplex 3 und gibt unter Reduktion seine Elektronen an Komplex 3 ab.

Cytochrome-Oxidoreduktase Komplex mit Cytochrom B und Eisen-Schwefel-Proteinen. Besitzt ein Häm-Molekül welches Elektronen transportieren kann. Protonen werden dabei in den Intermembranraum gepumpt und Elektronen werden an Cytochrom C weitergegeben.

Cytochrom C-Oxidase-Komplex besitzt Häm-Moleküle und Kupferionen, die ein Sauerstoff-Molekül festhalten, bis es komplett reduziert ist. Der reduzierte Sauerstoff nimmt Protonen aus der Matrix auf und bildet dabei Wasser. Der Sauerstoff ist ein Elektronenakzeptator.

Protonen des Intermembranraumes können nur durch die ATP-Synthase in die Matrix diffundieren. Die freiwerdende  Energie wird für die Bildung von ATP genutzt. Die ATP-Synthase kann auch unter Verbrauch von ATP Protonen in den Intermembranraum befördern.

1. Oxidativer Stress fördert Mitofusin (Mfn1 und 2) Komplexbildung
2. OXPHOS Aktivität fördert die Yme1L-Aktivität, welche Opa1 aktiviert.
3. Erhöhtes ATP-Level fördert die OPA1 funktion. 
4. Metabolischer Stress (z.B. Depolarisation der inneren Membran) aktiviert Oma1 welche Opa1 inaktiviert.

Dynamin-related-Protein 1 (Drp1) ist hauptsächlich für die Teilung von Mitochondrien verantwortlich. Drp1 wird von verschiedenen Proteinen an die Aussenmembran rekrutiert und formt eine Schlinge um das Mitochondrium, wobei GTP verbraucht wird. Das Drp1 wird über Phosphorylierung reguliert. Protein Kinase A phosphoryliert Drp1 am S637 und inaktiviert Drp1. Dephosphorylierung durch Calcineurin am S637 aktiviert Drp1.

1. Inaktivierung von Drp1 bei Sport oder Stickstoff-Mangel.
2. Aktivierung von Drp1 durch metabolisches Entkoppeln der Mitochondrien.
3. Kälte aktiviert Phosphorylierung von Drp1 am S616 und aktiviert Drp1
4. Niedrigeres Energielevel erhöht die Affinität der Rezeptoren für Drp1

Da Mitochondrien die lokale Konzentration von ATP und Calcium stark beeinflussen ist ihre Verteilung in der Zelle sehr wichtig. In Spermien liegen die Mitochondrien direkt am Flagellum in Neuronen wandern sie in die Spitze des Axons. Motorproteine (Kinesin und Dynein) vor allem im Mikrotubuli vermitteln den Transport von Mitochondrien. Die Motorproteine sind über die Repetorproteine Miro1 und Miro2 mit dem Mitochondrium verbunden. Zusätzlich braucht es Adapterproteine (Miltonproteine: Trak1 und Trak2).

Ein hohes Kalziumlevel entkoppelt die Mitochondrien vom Transport. Ein hohes Glukoselevel bremst den Transport (Syntaphilin).

Die mitochondriale Masse ist reguliert durch das Gleichgewicht zwischen Biogenese und Abbau von Mitochondrien. Defekte Mitochondrien werden durch Autophagie abgebaut: Mitophagie

Die Kinase Pink1 wird in Mitochondrien transportiert und abgebaut. Depolarisation der Membran führt zu Akkumulation von Pink1 in der Aussenmembran. Pink1 führt über Phosphorylierung von Ubiquitin zur Rekrutierung der Ligase Parkin. Parkin ubiquitiniert Aussenmembranproteine, welche dann vom Proteasom abgebaut werden. Der Abbau fördert die Bindung an die Autophagosomen Membran.

1. Verlust des Membranpotentials führt zur Rekrutierung von Parkin und letzlich zur Bindung an die Autophagosomen-Membran.
2. Energiemangel aktiviert ULK1, welches dann Autophagie stimuliert.
3. Hypoxie führt zu LC3-Rekrutierung und Autophagie.
4. Erhöhte OXPHOS-Aktivität führt zu LC3-Rekrutierung und Autophagie.
5.  

1. TFAM bindet und biegt Promotorregion
2. TFAM rekrutiert PLORMT
3. TFB2M bindet und öffnet die Promotorregion
4. TFAM und TFB2M lösen sich TEFM bindet und stabilisiert den Proteinkomplex

TFAM: Mitochondrialer Transkriptionsaktivierungsfaktor A

TFB2M: Mitochondrialer Transkriptionsaktivierungsfaktor B2

TEFM: Mitochondrialer Transkriptionselongationsfaktor

PLORMT: Mitochondriale RNA-Polymerase

Einfache Signalübertragung

Übertragen das Signal in ein anderes Kompartiment.

verbinden Signalübertragende Proteine

Verstärken das Singal. viele Amplifier Proteins bilden eine Signalkaskade.

übertragen das Signal in einen andere Form.

Spalten das Signal auf.