VO Zellbiologie Kapitel 1

Here are the study notes in German:

Die Zelle

• fundamentale biologische Organisationseinheit
• Größe: meist zwischen 10-100 µm
• in Kompartimente untergliedert (= membranumschlossene Reaktionsräume – Zellorganellen)
• Gründe für Kompartimentierung:
  • pH-Wert – wichtig für Stoffwechselvorgänge
  • Differenzen im Redox-Potenzial
• Nachteil: Import von Stoffen wird schwerer; viel Energie erforderlich

Der Zellkern

• eukaryotischer Zellkern mit Doppelmembran
• Träger des Erbgutes (DNA) in Form von Chromosomen
• Kernhülle:
  • innere und äußere Kernmembran
  • steht mit ER in Verbindung
  • innere enthält Proteine -> Bindungsstellen für Chromosomen und Kernlamina
• Kernporen:
  • ermöglichen Stoffaustausch zwischen Nucleoplasma und Zytoplasma
  • meist für RNA-Moleküle/Ribosomen -> müssen sehr groß sein, damit ganze Ribosomen durchpassen können
• Nucleolus (Kernkörperchen):
  • im Inneren des Zellkerns
  • kein richtiges Zellorganell (keine Membran)
  • Syntheseort der Ribosomen: baut Ribosomen aus Proteinen und rRNA

Mitochondrien

• eigene DNA (Endosymbiontentheorie)
• Doppelmembran:
  • äußere: viele Membranproteine (Kanäle)
  • innere: stark verzweigt – mehr Oberfläche (Cristae)
• Funktionen:
  • Citratzyklus
  • ß-Oxidation (Fettsäureabbau)
  • Aminosäuren-Synthese
  • Eisen/Kalzium-Lagerung
  • Detoxifikation von Ammoniak
  • Eisen/Schwefel-Clusterbildung: wichtig für Transkription
  • Zellatmung
  • Lipid/Ceramid-Synthese
  • Thermoregulation
  • ATP-Synthese
  • Zelltod (Apoptose)
  • Metabolismus von Cholesterin und Neurotransmittern
• mitochondriale Atmungskette: 5 nacheinander-geschaltete Komplexe

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

• rau:
  • mit Ribosomen
  • an Proteinsynthese und -faltung beteiligt
• glatt:
  • ohne Ribosomen
  • Fettsäuren-, Membranlipid- und Steroidsynthese
• arbeitet immer mit Golgi zusammen
• Funktionen:
  • Segregation: baut Vesikel, die im Golgi weiter verpackt und dann zur Plasmamembran geleitet werden
  • posttranslationale Modifikation (N-Glykolysierung): Anhängen von Zuckerresten an Proteine (Zusammenspiel von ER und Golgi)
  • Bildung von Disulfidbrücken (Glykoproteine und Disulfidbrücken gibt es nur in Plasmamembran und EZM)
  • zelluläre Entgiftungsstation – Biotransformation:
    • Phase I (= Umwandlungsreaktionen): reaktive Gruppen (-OH; -SH) an apolare Moleküle angehängt
    • Phase II (= Konjugationsreaktionen): angehängte reaktive Gruppen mit wasserlöslichen Molekülen konjugiert -> erleichtert/ermöglicht Ausscheidung von Xenobiotika über Niere -> können dann entweder über Nieren oder über Galle ausgeschieden werden
  • Kalziumspeicher
  • Modulator der Apoptose
  • Lipid-Biosynthese: meisten Membranen werden vom ER gebildet

Lysosom

• "zellulärer Magen"
• "Mistkübel" der Zelle: nicht-abbaubare Stoffwechselendprodukte werden endgelagert
• sauer – niedriger pH (wichtig für Katabolismus (Abbau von DNA, Lipiden, Proteinen)
• Enzyme im Lysosom:
  • Nukleasen: spalten DNA
  • Phosphatasen: spalten Phosphor
  • Proteasen: spalten Proteine
  • Glykoasen: spalten Zucker (Enzyme brauchen niedrigen pH um zu arbeiten)Here are the study notes in German:

Zellbiologie

Citratzyklus, Elektronentransportkette und pH-Gradient

• Glykolyse im Cytosol bildet Pyruvat, das in den Matrixraum des Mitochondriums transportiert wird
• Im Citratzyklus wird Pyruvat zu NADH umgesetzt
• NADH liefert Elektronen, die in der Elektronentransportkette genutzt werden
• Die Elektronentransportkette pumpt Protonen aus dem Matrixraum in den Intermembranraum, was einen pH-Gradienten bildet
• ATP-Synthase produziert ATP aus ADP und Pi, indem sie die Energie des pH-Gradienten nutzt

Redoxpotential

• Redoxpotential misst die Affinität von Elektronen
• Redoxpotential nimmt entlang der Elektronentransportkette zu
• NADH hat ein negatives Redoxpotential und gibt gerne Elektronen ab
• O2 hat ein hohes Redoxpotential und nimmt gerne Elektronen auf

Elektrochemischer Protonengradient

• Elektrochemischer Protonengradient ist die Triebfeder für die ATP-Synthese und viele andere Prozesse in der Zelle
• Besteht aus zwei Kräften: Membranpotential und pH-Gradient

Zelluläre Umweltverschmutzung

• Freie Radikale in der Zelle können DNA und Proteine schädigen
• Anti-oxidative Systeme in Mitochondrien, wie Q10, können freie Radikale eliminieren

Zelluläre Entgiftung

• Zelle nimmt Xenobiotika auf und entfernt sie
• Leber ist das Organ der Entgiftung; hat viel endoplasmatisches Retikulum und Cytochrom P450

Zellzyklus

• Zellzyklus ist der periodische Ablauf von Ereignissen zwischen zwei Zellteilungen
• Besteht aus Interphase (G1-, S-, G2-Phase) und Mitose
• Reguliert durch Cycline und CDKs

Apoptose

• Programmierter Zelltod
• Zelle benötigt Signale von anderen Zellen, um zu überleben
• Apoptose spielt wichtige Rolle bei Entwicklung, Gewebereifung und Entsorgung geschädigter Zellen

Signaltransduktion

• Übertragung biologischer Signale von außen nach innen
• Zelle benötigt Signale zum Überleben und zur Teilung
• Signaltransduktion erfolgt über Rezeptoren und Signalkaskaden innerhalb der Zelle### Signalübertragung
• Signalübertragung über direkten Zellkontakt:
  • Zellen stehen in direktem Kontakt -> Gap junctions
  • Oberflächengebundenes Signalmolekül bindet an Rezeptorprotein auf benachbarter Zelle
  • Informationen werden direkt von einer Zelle auf andere übertragen
• Endokrine Signalübertragung:
  • Ausschüttung von Hormonen in Kreislaufsystem -> Verteilung im ganzen Körper
  • Signale werden über Blut an Zielzelle weitergegeben
  • Wirkung langanhaltend, aber langsam
• Autokrine Signalübertragung:
  • Eng mit parakriner Signalübertragung verbunden
  • Ausschüttung von Wachstumsfaktoren -> binden an zelleigene Rezeptoren an -> Wirkung auf eigene Zelle
• Synaptische Signalübertragung (synaptischer Spalt):
  • Nur bei Nervenzellen (Neuronen) -> über Synapsen
  • Wirkung schnell, aber kurz
  • Elektrische Reize öffnen spannungsgesteuerte Kanäle -> lassen Ionen (Ca2+) in Zelle -> Freiwerden von Neurotransmittern

Parakrine Signalübertragung

• Über Wachstumsfaktoren: häufig Mitogene (Substanzen, die Zelle zur Zellteilung anregen), z.B. EGF
• Wirken lokal -> benachbarte Zellen, aber kein direkter Kontakt
• Ausschüttung von Wachstumsfaktoren -> docken an Rezeptor der Zielzelle an -> intrazelluläre Signalweiterleitung

Nukleäre Kernrezeptoren (Ausnahme/Sonderfall)

• Ligand bleibt nicht extrazellulär, Rezeptor nicht membrangebunden
• Ligand diffundiert durch Membran -> bindet innerhalb der Zelle an Kernrezeptor -> Kernrezeptor aktiviert -> wandert in Zellkern
• Alle Kernrezeptoren selbst Transkriptionsfaktoren -> binden direkt an DNA -> induzieren Transkription von Zielgenen

Arten der intrazellulären Signalübertragung

• Second Messengers
• Phosphorylierung
• G-Proteine

Second Messengers (Intrazelluläre Signalübertragung)

• Intrazelluläre Signalmoleküle -> innerhalb der Zelle
• Arten:
  • Hydrophob (z.B. Diacylglycerol)
  • Hydrophil (z.B. Ca)
  • Gase (z.B. Stickoxide, H2O2)
• Reagieren durch Bindung von First Messenger an Rezeptor

Phosphorylierung (Intrazelluläre Signalübertragung)

• Inaktive Proteine im Cytoplasma -> durch Phosphorylierung/Kinasierung aktiviert
• Phosphatgruppe auf inaktives Protein übertragen -> wird aktiviert
• Phosphorylierung kann auch umgekehrt wirken -> inaktivierend! (ist aber Ausnahme)

G-Proteine (Intrazelluläre Signalübertragung)

• Können GTP binden (GTP im Citratzyklus gebildet; kann ähnlich wie ATP Proteine aktivieren)
• An Plasmamembran angelagert
• I.d.R. inaktiv, weil normalerweise GDP (nicht GTP) gebunden
• Werden aktiviert durch GEFs: tauschen GDP durch GTP aus -> G-Proteine aktiviert
• G-Proteine -> selber GTPasen -> spalten GTP zu GDP -> Auto-Inaktivierung: schalten sich selbst ab
• GAPs (Helferproteine): selber keine GTPasen; aber erhöhen GTPase-Aktivität des G-Proteins, wenn sie daran andocken -> stimulieren so Abschalten der G-Proteine

Oberflächenrezeptoren

• 3 Klassen von Oberflächenrezeptoren:
  1. Ionenkanal-Rezeptoren:
• Ligand bindet an Ionenkanal -> öffnet sich -> Ionen strömen ein -> Ladungsunterschied an Membranen außen und innen ändert sich 2. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR):
• Größte Rezeptorklasse (physisch und zahlenmäßig)
• Bsp.: Acetylcholin 3. Enzym-gekoppelte Rezeptoren:
• 2 Arten + Rezeptor ist selbst Enzym + Rezeptor rekrutiert Enzym, das dadurch aktiviert wird
• In beiden Fällen: Rezeptor liegt als Monomer vor -> wird durch Bindung mit Liganden aktiviert und bildet Dimer (Homodimer oder Heterodimer)

Autophagie

• Prozess, in dem Zellen eigene Bestandteile abbauen und verwerten: z.B. falsch gefaltete Proteine, oder sogar ganze Zellorganellen (bei Apoptose)
• Ablauf sehr komplex
• Verschiedene Arten von Autophagie: Makroautophagie, Microautophagie
• Makroautophagie:
  • Zum Abbau großer Zellorganellen
  • Gibt spezifische Prozesse innerhalb der Makroautophagie: einzelne Zellorganellen durch verschiedene Prozesse abgebaut (Mitochondrien -> Mitophagie, Lipid-Droplets -> Lipophagie, Ribosome -> Ribophagie, etc.)
• Mikroautophagie:
  • Einstülpung an Lysosom/Vakuole bildet sich -> schließt Zellorganellen ein -> Abbau durch Enzyme (Lipasen, Proteasen etc.) innerhalb der Lysosom/Vakuole

Warum Autophagie?

• 2 Gründe für Autophagie:
  1. Hunger (Bereitstellung von Energie): wenn Zelle keine Nährstoffe bekommt -> beginnt sich selber aufzufressen -> Grundmetabolismus kann aufrechterhalten werden
  2. Eliminierung von geschädigten Zellorganellen oder Protein-Aggregaten: Bsp. Mitochondrien -> erzeugen Energie mit Risiko, dass Sauerstoff-Radikale entstehen -> wenn im Alter Sauerstoff-Radikale nicht mehr vom Mitochondrium abgebaut werden können -> geschädigte Mitochondrien werden von der Mitophagie erkannt und abgebaut