Zellbiologie 2 Skript PDF

Prof. Herrmann Zellbiologie 2 Übersicht TU Kaiserslautern http://www.bio.uni-kl.de/zellbiologie/teaching/ 1 Wiederholung von Zellbio 1 (kurz), Transkription, RNA-Stabilität, 2...

Prof. Herrmann Zellbiologie 2 Übersicht TU Kaiserslautern http://www.bio.uni-kl.de/zellbiologie/teaching/ 1 Wiederholung von Zellbio 1 (kurz), Transkription, RNA-Stabilität, 2 Translation, Posttranslationale Modifikationen, Proteinfaltung, Altern Proteintransport, Membranen 3 Proteinabbau, Autophagie, Apoptose 4 ER, Golgi und das Endomembransystem 5 Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen 6 Signaltransduktion, Stammzellen, Zelldifferenzierung, Krebs 7 Viren, Immunsystem Lehrbücher der Zellbiologie „Der große Alberts“ Sehr gutes Nachlese-Buch zur Zellbiologie Enthält auch viele Details CD mit coolen Filmen Wiley-VCH, 5. 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Aufl. 2012, 69,95 € Molekularbiologie gut, aber oberflächlich Der Zelle - Aufbau http://dianacrowscience.com/wp-content/uploads/ Der Zellkern Fischblutzellen im Lichtmikroskop Der Zellkern Der Zellkern Der Zellkern Der Zellkern enthält verschiedene Domänen, die sich morphologisch und funktionell unterscheiden lassen Der Zellkern Der Zellkern enthält verschiedene Domänen, die sich morphologisch und funktionell unterscheiden lassen C: Heterochromatin (DNA eng gepackt, wenig aktiv) CB: Cajal Bodies (Transkription, RNA Prozessierung) IG: Interchromatin granule clusters (specles, Splicing) Nu: Nucleolus (Ribosomenbiosynthese) NE: Kernhülle (Kontrolliert Austausch mit Cytosol) Pevelka-Roth: Functional Ultrastructure Der Zellkern Der Zellkern enthält verschiedene Domänen, die sich morphologisch und funktionell unterscheiden lassen Euchromatin locker gepackt funktionell aktiv Heterochromatin eng gepackt funktionell wenig aktiv Nukleolus Ort der Ribosomenbildung Pevelka-Roth: Functional Ultrastructure DNA-Verpackung (Epigenetik) Euchromatin und Heterochromatin unterscheiden sich in Verpackungsgrad und Zugänglichkeit der DNA DNA-Verpackung (Epigenetik) Der kleine Alberts Pollard-Earnshaw: Cell Biology DNA-Verpackung (Epigenetik) Pollard-Earnshaw: Cell Biology DNA-Verpackung (Epigenetik) DNA-Verpackung (Epigenetik) Die Verpackung der DNA wird durch Modifikationen der DNA (Methylierung) und der Histonekomplexe (Phosphorylierung, Acetylierung, Methylierung, Ubiquitinierung, SUMOylierung,...) reguliert Meyer, Chromatin remodelling, Current Opinion in Plant Biology DNA-Verpackung (Epigenetik) Pollard, Earnshaw, Cell Biology DNA-Verpackung (Epigenetik) Alexandre Gaspar-Maia, Adi Alajem, Eran Meshorer & Miguel Ramalho-Santos Nature Reviews Molecular Cell Biology 12, 36-47 (January 2011) DNA-Verpackung (Epigenetik) Trotz ihrer Verpackung in Nukleosomen kann die DNA von Polymerase abgelesen werden. Allerdings hemmt die enge Verpackung in Heterochromatin die Transkription. RNA-Polymerase II trifft auf Nukleosom Bild: Courtney Hodges, UC Berkeley Transkription Die Bindung von Transkriptionsfaktoren wird durch die Position der Nukleosomen beeinflusst Trends in Biological Sciences (2014) 39, 381f DNA-Verpackung (Epigenetik) Jedes Chromosom hat seine spezifische Position im Zellkern. Da der Verpackungsgrad in verschiedenen Regionen des Kerns unterschiedlich sein kann, hängt die Expressionstärke eines Gens unter anderem von seiner Lage auf den Chromosomen ab. Die DNA-Moleküle (Chromosomen) sind im Zellkern in genau festgelegten Positionen angeordnet The chromosome territories of a human fibroblast Bolzer et al. 2005. PLOS Biology DNA-Verpackung (Epigenetik) Take home message Die Verpackung von DNA wird durch Modifikationen an DNA (Methylierung) und Histonen (Phosphorylierung, Acetylierung, Methylierung, Ubiquitinierung, Sumoylierung) regluiert. Dies beeinflusst die Genexpression. Der Zellkern Der Nukleolus ist eine Domäne des Zellkerns, der der Biosynthese von Ribosomen dient Ribosomen sind große Komplexe, die aus rRNA und Proteinen zusammengebaut werden Der Zusammenbau der Ribosomen erfolgt in den Nukleoli Nissan et al. (Ed Hurt lab, Heidelberg) EMBO Journal 21, 5539f Der Zellkern Neben dem Nukleolus (Ribosomenbildung) gibt es weitere Domänen im Zellkern, die man im Mikroskop erkennen kann und die sich in ihrer Proteinzusammensetzung unterscheiden. Die genaue Funktion dieser Domänen ist kaum verstanden. Der Zellkern des Menschen CB: Cajal Bodies (Transkription, RNA Prozessierung, ?) Ihre genaue Funktion und Bedeutung ist unbekannt Nucleoli und Cajal-Körperchen Bereiche, in denen aktiv gespleißt wird Chromatin Cajal-Körperchen Der "große" Alberts Der Zellkern Pollard-Earnshaw: Cell Biology Genexpression Regulation der Menge zellulärer Proteine Die Genexpression wird auf vielen Ebenen reguliert protein degradation Der "große" Alberts Genexpression Was ist ein Gen? Genexpression Promotor Start-Codon Exon Gene kodieren für RNAs Intron Exon Intron Exon Stop-Codon Terminator Transkription Die Transkription gliedert sich in Initiation Elongation Termination Das kritische Enzym für die Transkription heißt RNA-Polymerase Transkription Prokaryoten enthalten eine RNA-Polymerase Eukaryoten enthalten mehrere RNA-Polymerasen: 1. RNA-Polymerase I 5.8S, 18S, 28S rRNA 2. RNA-Polymerase II mRNAs, viele regulatorische RNAs 3. RNA-Polymerase III tRNAs, 5S rRNA, manche regulatorische RNAs 4. mitochondrial RNA-Polymerase 5. Bei Pflanzen und Algen: RNA-Polymerase der Chloroplasten Transkription Knollenblätterpilz, unser ‚tödlichster‘ Giftpilz enthält a-Amanitin, einen spezifischen Inhibitor der RNA-Polymerase II Transkription PNAS 73, 1029-1033 (1976) Transkription Der Promotor dient als Bindestelle für die RNA-Polymerase. Regulatorische Sequenzen koordinieren die Expressionsstärke, in dem sie Bindewahrscheinlichkeit der RNA- Polymerase beeinflussen. Watson: Molekularbiologie Transkription In Eukaryoten werden mRNAs von der RNA-Polymerase II synthetisiert. Sie beginnt an der TATA-Box im Promotor- Bereich Protein-kodierender Gene. Die TATA-Box befindet sich ca. 30 bp oberhalb des Transkriptionsstarts. Dort bindet das TATA-Bindeprotein (TBPI), das für die Initiation der Transkription entscheidend ist. Wikimedia: commons Transkription In Eukaryoten werden mRNAs von der RNA-Polymerase II synthetisiert. Sie beginnt an der TATA-Box im Promotor- Bereich Protein-kodierender Gene. Die TATA-Box befindet sich ca. 30 bp oberhalb des Transkriptionsstarts. Dort bindet das TATA-Bindeprotein (TBPI), das für die Initiation der Transkription entscheidend ist. Pollard-Earnshaw: Cell Biology Transkription TATA-Bindeprotein Transkription Promotersequenzen eines menschlichen Gens. Die Zahlen zeigen die Expressionsraten in verschiedenen Mutanten, bei denen die schwarz markierten Bereiche deletiert wurden. Karp: Cell Biology, 6th edition Transkription Promotersequenzen eines menschlichen Gens. Sehr viele Transkriptionsfaktoren wirken bei der Genregulation zusammen. Besonders wichtig: TATA-Box, TATA-binding protein (TBP) und RNA- Polymerase II (Pol II) Karp: Cell Biology, 6th edition Transkription Viele DNA-Bindeproteine koordinierten gemeinsam die Transkription eukaryotischer Gene Der "große" Alberts Transkription Viele DNA-Bindeproteine koordinierten gemeinsam die Transkription eukaryotischer Gene Der "große" Alberts Transkription Enhancer-Polymerase-Komplexe können sogar im Elektronenmikroskop sichtbar gemacht werden. Der "große" Alberts Transkription Transkriptionsfaktoren regulieren die Bildung von RNA im Zellkern RNA-Prozessierung In Eukaryoten werden Protein- kodierende RNAs (mRNAs) nach der Transkription modifiziert 1. Spleißen 2. Capping 3. Polyadenylierung 4. Export aus dem Kern Pollard-Earnshaw: Cell Biology Regulation der Menge zellulärer Proteine 5. RNA-Abbau Regulation der Menge zellulärer Proteine 5. RNA-Abbau Poly(A)-Tail- Verkürzung wirkt wie ein Timer zur Zerstörung der RNA durch eine RNAse Regulation der Menge zellulärer Proteine 5. RNA-Abbau Die Poly(A)-Tail- Verkürzung ist ein langsamer Prozess, der irgendwann zur Abdissoziation des Poly(A)-Bindeproteins führt. Dies führt zum schnellen Abbau der mRNA, damit nicht an unvollständigen mRNAs translatiert wird, was zu Problemen führt. Regulation der Menge zellulärer Proteine 5. RNA-Abbau https://bio-protocol.org/e2239 Regulation der Menge zellulärer Proteine 5. RNA-Abbau: Das Exosom Das Exosom ist die wichtigste RNAse in Eukaryoten und Archeaen. www.ronorp.net Regulation der Menge zellulärer Proteine 5. RNA-Abbau: Das Exosom Das Exosom ist die wichtigste RNAse in Eukaryoten und Archeaen. RNAs werden entfaltet in diesen tonnenförmigen Proteinkomplex eingefädelt und vom 3' zum 5'-Ende hin abgebaut. Das Exosom kommt im Kern und im Zytosol vor und baut mRNAs, tRNAs, rRNAs und nicht-kodierende RNAs ab. Makino, Baumgärtner, Conti. (2013) Nature 495, 70–75  Prof. Herrmann Zellbiologie 2 Übersicht TU Kaiserslautern http://www.bio.uni-kl.de/zellbiologie/teaching/ 1 Wiederholung von Zellbio 1 (kurz), Transkription, RNA-Stabilität, 2 Translation, Posttranslationale Modifikationen, Proteinfaltung, Altern 3 Proteinabbau, Autophagie, Apoptose 4 ER, Golgi und das Endomembransystem 5 Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen 6 Signaltransduktion, Stammzellen, Zelldifferenzierung, Krebs 7 Viren, Immunsystem Translation Die Initiation, Elongation und Termination der Translation werden durch verschiedene Faktoren reguliert Translation http://book.bionumbers.org/how-many-proteins-are-made-per-mrna-molecule/ Proteinfaltung Proteinfaltung Hsp70 Willmund et al. Cell 152, 196 (2013) Proteinfaltung Hsp70 Kampinga & Craig, NRMCB 11, 579f (2010) Proteinfaltung Chaperonin Haldar et al. JMB 427, 2244f (2015) Proteinfaltung Disaggregases Doyle, Wickner. TIBS 34, 40-48 (2009) Proteinfaltung Disaggregases Puchades et al, NRMCB 21, 43f (2020) Proteinfaltung Disaggregases Proteinfaltung Disaggregases https://www.youtube.com/watch?v=LafFrYc5LTY Proteinfaltung Golubinoff et al, Nat Chem Biol 14, 388f (2018) Posttranslationale Modifikationen  Posttranslationale Modifikationen Enzym für spezifische Aktivität in der Zelle Was kann die Zelle tun, wenn die Aktivität Abschalten nicht mehr Abbauen (Inaktivieren) gebraucht wird? Molekulare Schalter Beispiel: Phosphorylierung Molekulare Schalter Take home message Das Anfügen oder Entfernen von Phosphatresten an Proteine dient der Regulation unterschiedlichster zellulärer Prozesse. Proteinphosphorylierung ATP Kinase Pi ADP P Phosphatase Proteinphosphorylierung Phosphoryliert werden vor allem drei Aminosäurereste: Serin Threonin Tyrosin bass.bio.uci.edu Proteinphosphorylierung Phosphoryliert werden vor allem drei Aminosäurereste: Serin Threonin Tyrosin Nita‐Lazar A. (2011) Systems Biology and Medicine 3 Proteinphosphorylierung Mehr als 30% aller Proteine in einer menschlichen Zelle sind zu jedem gegebenen Zeitpunkt phosphoryliert, meist an vielen Stellen gleichzeitig ppo4.org Molekulare Schalter Take home message Das Anfügen oder Entfernen von Phosphatresten an Proteine wird von Kinasen und Phosphatasen katalysiert. Es gibt Serin-/Threonin-Kinasen und Tyrosin-Kinasen. Proteinphosphorylierung Phosphoryliert werden vor allem drei Aminosäurereste: Serin Threonin Tyrosin Phosphatrest führt zwei negative Ladungen ein!! bass.bio.uci.edu Proteinphosphorylierung Die Phosphorylierung kann zu großen Konformations- änderungen in Proteinen führen NtrC Protein Orange: Phosphorylierte aktive Form Blau: Unphosphorylierte inaktive Form bio.brandeis.edu Proteinphosphorylierung https://jkweb.berkeley.edu/external/pdb/2001/tgf_beta_R1/tgfbri.html Molekulare Schalter Take home message Das Anfügen oder Entfernen von Phosphatresten an Proteine kann deren Konformation deutlich ändern. Posttranslationale Modifikationen 1. Phosphorylierung Veränderte Aminosäuren: Serin, Threonin, Tyrosin Enzyme: Kinasen, Phosphatasen Wo: Cytosol, Kern, Mitochondrien, Chloroplasten Konsequenz: Einfügen von zwei negativen Ladungen durch Phosphatrest Funktion: Regulation von Proteinaktivitäten Posttranslationale Modifikationen 2. Acetylierung Acetyl-Transferase Deacetylase (Sirtuin) Posttranslationale Modifikationen 2. Acetylierung Posttranslationale Modifikationen 2. Acetylierung Posttranslationale Modifikationen 2. Acetylierung NAD + + NAD NADH NADH Posttranslationale Modifikationen 2. Acetylierung Veränderte Aminosäuren: Lysin Enzyme: Acetyltransferase, Deactetylase (Sirtuin) Wo: Cytosol, Kern, Mitochondrien Konsequenz: Neutralisieren einer positiven Ladung Funktion: Regulation von Proteinaktivitäten, wichtige Histonmodifikation Posttranslationale Modifikationen 3. Methylierung Methyl-Transferase Demethylase Posttranslationale Modifikationen 3. Methylierung Veränderte Aminosäuren: Lysin (auch Arginin) Enzyme: Methyltransferase, Demethylase Wo: Cytosol, Kern Funktion: Regulation von Proteinaktivitäten, wichtige Histonmodifikation Posttranslationale Modifikationen 4. Ubiquitinierung Veränderte Aminosäuren: Lysin (auch gelegentlich Cystein) Enzyme: Ubiquitin-Konjugasen (E2), Deubiquitinierende Enzyme (DUBs) Wo: Cytosol, Kern Konsequenz: Anfügen eines Proteins an ein Protein Funktion: Destabilisierung von Proteinen, auch Regulation der Aktivität Posttranslationale Modifikationen 5. N-Glykosylierung ER Veränderte Aminosäuren: Asparagin (N-x-S/T) Enzyme: Oligosaccharyl-Transferase-Komplex Wo: ER-Lumen (Modifikationen im Golgi) Konsequenz: Anfügen einer Zuckerkette an ein Protein Funktion: Stabilisierung von Proteinen Posttranslationale Modifikationen 6. O-Glykosylierung Veränderte Aminosäuren: Serin und Threonin Enzyme: Glycosyl-Transferasen Wo: Golgi-Lumen Konsequenz: Anfügen einer Zuckerkette an ein Protein Funktion: Stabilisierung von Proteinen Posttranslationale Modifikationen 7. Disulfidbrückenbildung Veränderte Aminosäuren: Cystein Enzyme: Oxidoreduktasen Wo: ER, Intermembranraum der Mitochondrien, Chloroplasten Konsequenz: Kovalente Bindung Funktion: Stabilisierung von Proteinen Posttranslationale Modifikationen 8. Palmitoylierung/Myristoylierung https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fimmu.2017.02003/full Posttranslationale Modifikationen 8. Palmitoylierung/Myristoylierung Veränderte Aminosäuren: Palmitoylierung: Cystein (auch Serin und Threonin) Myristoylierung: N-terminale Aminogruppe Wo: Cytosol Konsequenz: Anfügen eines Lipidankers Funktion: Regulation der Membranbindung eines Proteins Posttranslationale Modifikationen 9. Limitierte Proteolyse = Proteolytische Prozessierung Posttranslationale Modifikationen 9. Limitierte Proteolyse = Proteolytische Prozessierung Prä-Pro-Insulin (Vorstufe im Zytosol) Pro-Insulin (Vorstufe im ER) Beispiel: Insulin Insulin (sekretiertes Hormon) Posttranslationale Modifikationen 9. Limitierte Proteolyse = Proteolytische Prozessierung Veränderte Aminosäuren: jede, je nach Spezifität der Prozessierungspeptidasen Wo: ER, Cytosol, Mitochondrien, Chloroplasten Konsequenz: Herstellung der biologisch aktiven Form Funktion: Abschneiden regulatorischer (inhibierender) Bereiche Membranen Membranlipide Membranlipide Membranlipide: 1. Glycerolipide Glycerolipide stellen anteilsmäßig den größten Teil der Membranlipide Membranlipide: 1. Glycerolipide Die Zusammensetzung der Membranlipide in den beiden Membranschichten ist sehr unterschiedlich (in lebenden Zellen) Membranlipide: 1. Glycerolipide Annexin-Färbung (grün) apoptitischer Zellen Tote (apoptotische) Zellen können an Phosphatidylserin auf der Oberfläche erkannt werden (‚eat me‘-Signal) Membranlipide: 2. Cholesterin Sterolgrundgerüst Cholesterinester (Transport- und Speicherform) Cholesterin Membranlipide: 2. Cholesterin Cholesterin wird im Körper produziert und über die Nahrung aufgenommen. Im Körper wird Cholesterin (und Triglyceride) in Lipopolyproteinen in Blut und Lymphe transportiert Membranlipide: 2. Cholesterin Cholesterinablagerungen können zu verengten Arterien führen Membranlipide: 2. Cholesterin Membranlipide: 3. Sphingolipide Sphingomyelin Gangliosid (=Glykosphingolipide) Glycerolipide Cholesterin Membranlipide: 3. Sphingolipide Sphingosin Sphingomyelin Gangliosid (=Glykosphingolipide) Glycerolipide Cholesterin Membranlipide: 3. Sphingolipide Sphingolipide kommen vor allem in der Plasmamembran vor. Sie dienen u.a. der elektrischen Isolation von Nerven-, Sinnes- und Gliazellen Membranlipide: 3. Sphingolipide Sphingolipide sind sehr vielfältig und oft auf bestimmte Zelltypen und Funktionen spezialisiert Membranlipide: 3. Sphingolipide Defekte in den Abbauwegen von Sphingolipiden können zu lysosomalen Speicherkrankheiten führen Membranlipide: 3. Sphingolipide Defekte in den Abbauwegen von Sphingolipiden können zu lysosomalen Speicherkrankheiten führen Membranlipide: 3. Sphingolipide Defekte in den Abbauwegen von Sphingolipiden können zu lysosomalen Speicherkrankheiten führen Morbus Gaucher-Patient vor und nach Enzym- Ersatz-Therapie Membranlipide: 3. Sphingolipide Defekte in den Abbauwegen von Sphingolipiden können zu lysosomalen Speicherkrankheiten führen Cerezyme, ein Medikament zur Enzym- Ersatz-Therapie Membranbildung - Lipidsynthese Membranen Lipid transfer proteins erleichtern den Austausch von Lipiden zwischen verschiedenen zellulären Membranen. Sie binden dabei spezifisch bestimmte Membranlipide Take home message Lipide werden vor allem im ER gebildet und über Kontaktstellen zu anderen Organellen oder durch Lipid-Transport-Proteine weitergegeben Membranbildung - Lipidsynthese Membranbildung - Lipidsynthese Lipid bodies (Lipid droplets) bilden sich an der ER-Oberfläche Membranbildung - Lipidsynthese Lipid bodies (Lipid droplets) bilden sich an der ER-Oberfläche Lipid bodies, auch oil bodies, in Pflanzensamen Membranbildung - Lipidsynthese Lipid bodies (Lipid droplets) bilden sich an der ER-Oberfläche Membranbildung - Lipidsynthese Membranen  Prof. Herrmann Zellbiologie 2 Übersicht TU Kaiserslautern http://www.bio.uni-kl.de/zellbiologie/teaching/ 1 Wiederholung von Zellbio 1 (kurz), Transkription, RNA-Stabilität, 2 Translation, Posttranslationale Modifikationen, Proteinfaltung, Altern 3 Proteinabbau, Autophagie, Apoptose 4 ER, Golgi und das Endomembransystem 5 Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen 6 Signaltransduktion, Stammzellen, Zelldifferenzierung, Krebs 7 Viren, Immunsystem Proteolyse Abbau von Proteinen Autophagie Abbau von Organellen Apoptose Abbau von Zellen Proteinstabilität Verschiedene Proteine unterscheiden sich sehr in ihrer Stabilität. Dies hängt sehr von der Natur der einzelnen (Inhibitor des Proteasoms) Proteine ab. Int. J. Mol. Sci. 2014, 15(9), 15173-15187 Proteinstabilität Verschiedene Proteine unterscheiden sich sehr in ihrer Stabilität. Dies hängt sehr von der Natur der einzelnen Proteine ab. Proteasom Andere relevante Proteasen des Menschen, von denen Sie vielleicht schon gehört haben: Trypsin Chymotrypsin Pepsin Caspasen Signalpeptidase Mitochondriale Matrixpeptidase (MPP) Alpha-, beta- and gamma-secretase Proteinabbau: Das Proteasom Proteasom Proteasom Proteasen in der Zelle gibt es viele. Das Proteasom ist ein Komplex mit mehreren Proteasen, das für den generellen Proteinabbau in der Zelle entscheidend ist. Proteasom Zwei Ringe mit je 7 Untereinheiten bilden den Kern des Proteasoms (20S core) Drei beta-Untereinheiten sind Proteasen (1, 2 und 5), die unterschiedliche Substratspezifität haben, d.h. hinter unterschiedlichen Aminsäuren schneiden. Auf dem Kern sitzen trichterartige Komplexe mit ATPasen, die die Substrate erkennen, entfalten und in die Öffnung des Proteasoms einführen. Proteinabbau: Das Proteasom Proteinabbau: Das Proteasom Proteinabbau: Das Proteasom Exosome zum Vergleich (RNA-Abbau) Proteinabbau: Das Proteasom Pollard, Earnshaw, Cell Biology Proteasom Abgebaut werden polyubiquitinierte Proteine Substratbindung Einfädelung des Substrats in die Öffnung Entfaltung und des Translokation Proteasoms des Substrats Proteolyse (Abbau) Ubiquitin (Inhibitor des Proteasoms) Biochem. J. (2005) 392 (271–281) (Printed in Great Britain) doi:10.1042/BJ20050873 Ubiquitin Ubiquitin ist ein kurzes (8,5 KDa, 76 Aminosäuren) Protein, das an Proteine angehängt wird, um diese zu markieren. Ubiquitinierung (= Ubiquitylierung) ist eine Modifikation, die zum Beispiel den Proteinabbau reguliert. Ubiquitin hat sich im Laufe der Evolution kaum verändert Ubiquitin K = Lysin C-Terminus Ubiquitin K48 K63  Ubiquitin Mono Poly (K48) Poly (K63) Histonmodifikation Abbau DNA-Reparatur Endocytose Tzachi Hagai, and Yaakov Levy PNAS 2010;107:2001-2006 ©2010 by National Academy of Sciences Ubiquitin Ubiquitin dient nicht nur als Abbausignal, sondern wird auch genutzt, um in verschiedensten Prozessen Proteinfunktionen zu regulieren p53, ein Tumorsuppressor des Menschen (und das vielleicht bestuntersuchte Protein überhaupt Genexpression Ubiquitin Ubiquitin dient nicht nur als Abbausignal, sondern wird auch genutzt, um in verschiedensten Prozessen Proteinfunktionen zu regulieren Take home message Ubiquitin ist ein kleines Protein, das an Lysinreste von Proteinen angehängt werden kann (Ubiquitinierung). Das Anhängen ganzer Ketten von Ubiquitin- resten dient als Signal für den proteasomalen Proteinabbau. Monoubiquitinierung reguliert diverse Proteinfunktionen. Ubiquitinierung und proteosomaler Abbau Proteinabbau Pollard, Earnshaw, Cell Biology Ubiquitin E1: Ubiquitin-aktivierendes Enzym E2: Ubiquitin-konjugierende Enzyme E3: Ubiquitin-Ligasen Ubiquitin A Novel Ubiquitination Factor Is Involved in Multiubiquitin Chain Assembly Manfred Koegl, Thorsten Hoppe, Stephan Schlenker, Helle Ulrich, Thomas Mayer, Stefan Jentsch Cell 1999 Ubiquitin Die Ubiquitin-Ligasen (E3) bringen die Substrate in Nähe E2 der Ubiquitin-Konjugasen (E2) und bestimmen dadurch, E3 welche Proteine in der Zelle abgebaut werden Ubiquitin Ubiquitin Es gibt viele verschiedene E3s für die Bindung vieler verschiedener Substrate Ubiquitin Durch unterschiedliche F-Box-Proteine im SCF-Komplex können wie durch einen Baukasten verschiedene Substrate bedient werden. Ubiquitin Take home message Zur Ubiquitinierung wird Ubiquitin durch E1 aktiviert und über E2 auf Substrate übertragen. E3 bestimmt die Substratbestimmung. Verschiedenste E3s können unterschiedlichste Substrate mit E2s in Kontakt bringen und somit deren Ubiquitinierung auslösen. Proteinabbau: Das Proteasom Proteolyse Abbau von Proteinen Autophagie Abbau von Organellen Apoptose Abbau von Zellen  Lysosomaler Proteinabbau und Autophagie Lysosomen und Endosomen Lysosomen und Endosomen Pollard, Earnshaw, Cell Biology  Lysosomen und Endosomen Pollard, Earnshaw, Cell Biology Autophagie Pollard, Earnshaw, Cell Biology Autophagie Autophagie Autophagie Einschluss und Abbau von Zytosol Pevelka-Roth: Functional Ultrastructure Autophagie sowie der Einschluss und Abbau von Organellen (Peroxisomen) Pevelka-Roth: Functional Ultrastructure Mitophagie Abbau von Mitochondrien durch Autophagie Mitophagie entfernt "schlechte" Mitochondrien. Wenn dieses System gestört ist, so reichern sich Mitochondrien mit Defekten an, wodurch es zur Parkinson- Erkrankung kommen kann. Take home message Die Autophagie ist ein Vorgang, bei dem Zellbestandteile von Autophagosomen umschlossen und abgebaut werden. Autophagosomen stehen mit Lysosomen in Verbindung, die die hydrolytischen Enzyme für den Abbauvorgang enthalten. Ein defekter Abbau von Mitochondrien (Mitophagie) kann Ursache der Parkinson-Erkrankung sein. Proteolyse Abbau von Proteinen Autophagie Abbau von Organellen Apoptose Abbau von Zellen Apoptose Apoptose: intrinsischer und extrinsischer Weg Extrinsischer Weg Intrinsischer Weg (von außen) (von innen) Extrazelluläre Cytochrom c-Freisetzung Bedingungen/Liganden aus Mitochondrien Todesrezeptor Apaf-1, Apoptosom Initiatorkaspasen Initiatorkaspasen Effektorkaspasen Effektorkaspasen Zelltod Zelltod Dies führt zu drei entscheidenden Reaktionen: 1. Blebbing 2. Eat me-Signale 3. DNA-Zerschneidung Apoptose: intrinsischer und extrinischer Weg extrinsischer Weg intrinsischer Weg Apoptose: der intrinsische Weg Apoptose: der intrinsische Weg Zhou et al. Genes & Development 29, 2349f (2015) Apoptose: Caspasen sind entscheidende "Schalter" in der Signalkaskade der Apoptose Caspasen sind Proteasen. Sie werden in einer inaktiven Form gebildet, die durch proteolytische Prozessierung aktiviert wird Apoptose: Caspasen sind entscheidende "Schalter" in der Signalkaskade der Apoptose Caspasen sind Proteasen. Man unterscheidet Initiatorcaspasen (übergeordnet, lösen die Kaskade aus) und Effektorcaspasen (nachgeordnet, setzen die Reaktion um, indem sie Substrate zerschneiden  extrinsischer Weg intrinsischer Weg Membrane blebbing, cell death Take home message Apoptose, der programmierte Zelltod, erlaubt das geregelte Entfernen von Zellen. Apoptose kann durch einen extrinsischen (Todesrezeptor-vermittelten) und einen intrinsischen (Cytochrom c-vermittelten) Weg ausgelöst werden. Apoptotische Zellen zerfallen in Bläschen (blebs), die durch Makrophagen und andere Phagozyten entfernt werden. Proteolyse Abbau von Proteinen Autophagie Abbau von Organellen Apoptose Abbau von Zellen Aging  Prof. Herrmann Zellbiologie 2 Übersicht TU Kaiserslautern http://www.bio.uni-kl.de/zellbiologie/teaching/ 1 Wiederholung von Zellbio 1 (kurz), Transkription, RNA-Stabilität, 2 Translation, Posttranslationale Modifikationen, Proteinfaltung, Altern 3 Proteinabbau, Autophagie, Apoptose 4 Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen 5 ER, Golgi und das Endomembransystem 6 Signaltransduktion, Stammzellen, Zelldifferenzierung, Krebs 7 Viren, Immunsystem Energy Metabolism Apoptosis Aging Biosyntheses  Defects in mitochondrial functions are often associated with myopathies and neuropathies  Defects in mitochondrial functions are often associated with myopathies and neuropathies and play a critical role in many age-related diseases Alzheimer Cancer Parkinson Vascular and heart diseases Proteintargeting Fast alle Proteine der Zelle werden im Cytosol synthetisiert. Von dort müssen sie in ihre jeweiligen Kompartimente transportiert werden. Proteintargeting ER-Proteine sind durch eine N-terminale Signalsequenz gekennzeichnet Proteintargeting Man unterscheidet folgende Zielsequenzen: Signalsequenz ER Präsequenz (oder Matrix-targeting sequence, MTS) Mitochondrien Transit Peptide Chloroplasten Nuclear Localization Signal (NLS) Kern Peroxisomal Targeting Signal (PTS) Peroxisomen Leader Peptide Sekretierte Proteine in Bakterien Proteintargeting Man unterscheidet folgende Zielsequenzen: Signalsequenz ER Präsequenz (oder Matrix-targeting sequence, MTS) Mitochondrien Transit Peptide Chloroplasten Nuclear Localization Signal (NLS) Kern Peroxisomal Targeting Signal (PTS) Peroxisomen Leader Peptide Sekretierte Proteine in Bakterien Die meisten Zielsequenzen sind N-terminal, was vor allem Sinn macht, wenn Proteine entfaltet in ihr Zielkompartiment transportiert werden Proteintargeting Man unterscheidet folgende Zielsequenzen: Signalsequenz ER Präsequenz (oder Matrix-targeting sequence, MTS) Mitochondrien Transit Peptide Chloroplasten Nuclear Localization Signal (NLS) Kern Peroxisomal Targeting Signal (PTS) Peroxisomen Leader Peptide Sekretierte Proteine in Bakterien In den Zellkern und in Peroxisomen werden Proteine gefaltet transportiert. Deren Zielsequenzen sind innerhalb der Proteinsequenz (Kern) oder gar C-terminal (Peroxisomen)  Mitochondrial 800-1500 Proteins protein import machinery Outer membrane Intermembrane space Inner membrane Matrix Mitochondrial 8-13 Proteins ribosomes Mitochondria Mitochondrial protein import Crossing the outer membrane The TOM complex Translocase of the Outer Membrane of Mitochondria Keith R Porter Crossing the outer membrane Neurospora crassa Isolation of mitochondria Lysis in digitonin NiNta purification of Tom22-His 6 Künkele et al, Cell, 1999 Künkele et al, Cell, 1999 Kühlbrandt et al. 2017 Cell Kühlbrandt et al. 2017 Cell Kühlbrandt et al. 2017 Cell Crossing the outer membrane Crossing the outer membrane Mitochondrien Take home message 2 Etwa 99% der mitochondrialen Proteine werden im Zytosol gebildet und nach ihrer Synthese in die Mitochondrien transportiert. Der TOM- Komplex in der mitochondrialen Außenmembran erkennt diese Proteine spezifisch und transportiert sie durch eine Pore in den Intermembranraum. Crossing the inner membrane The TIM complex Translocase of the Inner Membrane of Mitochondria Keith R Porter  Mitochondrial protein targeting Matrix-targeting presequence + + + + N Amphipathic helix: one face hydrophobic, one face positively charged Rich in hydroxylated residues (serine, threonine) No negative charges (aspartate, glutamate) Contains positive charges (arginine, lysine)  Mitochondrial protein targeting Matrix-targeting presequence  70 22 20 Cytosol TOM Outer Membrane 5 40 67 Intermembrane Space 50 TIM23 complex Inner Membrane 23 17 44 J Matrix Following protein import with radiolabelled proteins  Protein import into the matrix of mitochondria Machinery and Mechanisms Keith R Porter Mitochondrien Take home message 3 Präsequenzen am Aminoterminus mitochondrialer Vorläuferproteine dienen als Zielinformation, die den Transport über den TOM- und den TIM23-Komplex ermöglichen. Dabei dienen das Membranpotential und die Hydrolyse von ATP als Triebkraft für den Transport. Mitochondrien Straub, Stiller, Wiedemann und Pfanner The inner membrane contains many large protein complexes from: Knoll & Brdiczka, BBA 733, 102f Mitochondrial proteins use different transport routes  Mitochondria Evolved from Bacteria Number of protein encoding genes: Mitochondria (humans) 13 Mitochondria (yeast) 8 Bacteria (E. coli) 4285  Mitochondria Evolved from Bacteria Number of protein encoding genes: Mitochondria Evolved from Bacteria E. coli S. cerevisiae H. sapiens Herrmann et al. 2003  Mitochondrial ribosomes Cryo-Electrotomography In Collaboration with Stefan Pfeffer und Friedrich Förster, MPI für Biochemie, Martinsried Mitochondrial ribosomes In Collaboration with Stefan Pfeffer und Friedrich Förster, MPI für Biochemie, Martinsried Mitochondrial ribosomes  Mitochondrial ribosomes Bacteria Mitochondria Cytosol Cytosol Mitochondrial ribosomes Mitochondrial ribosomes Mitochondrial ribosomes Mitochondrial ribosomes Overlay with sequence from: Structure of the yeast mitochondrial large ribosomal subunit Amunts,..., Ramakrishnan (2014) Science 343: 1485-1489 Mitochondrial ribosomes Dmba1  Mitochondrial ribosomes A density in the membrane plane might represent the Oxa1 insertase in direct proximity to Mba1.  Mitochondrial ribosomes 96-ES1 Mba1 Oxa1 Mitochondrien Take home message 4 Das mitochondriale Genom kodiert nur für 13 (Mensch) bzw. 8 (Hefe) Proteine. Die meisten davon sind hydrophobe Membranproteine, die die Reaktionszentren der Atmungs- kettenenzyme bilden. Diese werden kotranslational in die Innenmembran eingebaut. Mitochondrien Mitochondrien Mitochondrien Mitochondrien und Altern Mitochondrien und Altern Chloroplasten Chloroplasten 1.äußere Membran 2.Intermembranraum 3.innere Membran (1+2+3: Hülle) 4.Stroma 5.Thylakoidlumen (im Innern des Thylakoids) 6.Thylakoidmembran 7.Granum (Granalamelle) 8.Thylakoid (Stromalamelle) 9.Stärke 10.plastidäres Ribosom 11.plastidäre DNA 12.Plastoglobulus (kugelförmige Struktur aus Lipiden) Wikimedia commons Peroxisomen Peroxisomen / Mitochondrien Menschliche Zelle The Peroxisome: Still a mysterious organelle Histochemistry and Cell Biology 129, 421f (2008) Peroxisomen Zellweger Syndrom Schwere Erkrankung durch Defekt in der Peroxisomen-Biogenese Segers et al., Prenatal Diagnosis 33, 201-203  Zellbio 2 Lecture 5 Endomembrane System and the Secretory Pathway (Jun.Prof. Yury Bykov) Complexity behind simple things What we see Why it works Remodeling membranes and making membrane proteins is an essential process Communication Homeostasis Defense Growth Infection Endomembrane system overview Plasma Ribosomes membrane 1. Newly synthesized proteins enter it at the ER (translocation) 2. Proteins and lipids shuttle between the Nucleus organelles in vesicular carriers. Endosome Golgi ER Lysosome Endomembrane system overview Plasma Ribosomes membrane SECRETION ENDOCYTOSIS Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome  Plan for today 1. Mechanisms of vesicular trafficking Plasma Ribosomes membrane 2. Secretory pathway tour Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome Mechanisms of vesicular trafficking What are the main principles of vesicle formation? Budding Organelle 1 Fusion Fusion Budding Organelle 2 Vesicular transport is performed by coat protein complexes Coat complexes both deform the membrane to form a vesicle and select the proteins that will be transported (cargo) There can be an additional mechanism to detach the budding vesicle Dynamin is a GTPase that helps to perform membrane scission during clathrin-mediated endocytosis. The four main types of vesicle coats and where to find them Plasma Ribosomes membrane COPII Clathrin Nucleus Endosome Retromer COPI Golgi ER Lysosome  Structures of the main coat complexes Retromer Kovtun, Leneva et al. 2018 Adapters and Coat and adapters Adapters and coat Adapters and coat coat are two form one are two separate are connected separate layers intertwined layer layers (only the coat is shown) Many processes in the cell are controlled by molecular switches How small GTPases work G.E.F. GTP Effectors GDP GTP OFF hydrolysis ON G.A.P. Special GTPases are required to form some vesicles types Sar1 GTPase is the master regulator of COPII vesicle formation GTP hydrolysis is required to disassemble COPI and COPII coats GTPase embedded in the coat structure acts like a “timer”. GTP hydrolysis triggers coat disassembly. Clathrin coat is disassembled by a special chaperone using ATP hydrolysis energy. Rab GTPases orchestrate vesicle transportation and delivery Tethering protein Rabs recruit SNARE motor proteins Rabs help to define compartment identity Rabs help to define membrane subdomains with unique composition How do these domains stay small and dynamic? Rabs are organized in signaling cascades to maintain compartment dynamics How do SNAREs work? This is a ’molecular zipper’ that consists of two components: v- SNARE on a vesicle and t-SNARE on a target membrane. They latch on each other very strongly and make membranes fuse. 3 1 4 2 5 SNAREs need to be recycled after membrane fusion Donor compartment Cytosol ATP ADP v-SNARE recycling Tethering Fusion SNARE unzipping Acceptor compartment The principles of SNAREs function Each vesicular transport route has a complementary set of t- and v-SNARES (humans have 35!) A pair of complementary SNAREs is latched together promoting membrane fusion. V- and t-SNAREs need to be unwounded and recycled Secretory pathway tour Complex organelle shapes visualized by a modern electron microscope Source ER is the site of endomembrane protein synthesis and folding Plasma Ribosomes membrane Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome Endoplasmic reticulum: sheets and tubules, rough and smooth. ER is a connected membrane-bound network that spans ~30% of cellular volume. The two main morphological domains of the ER are sheets and tubules. Protein translocation into the ER A simple case: soluble protein, no transmembrane domains Signal peptide Sec61 translocon Sekretorische Proteine werden meist cotranslational ins ER importiert What happens after protein translocation in the ER? Glycosylation is a covalent link of an oligosaccharide to a protein. The first step happens in the ER, other steps in the Golgi. Oligosaccharide transferase complex (OST) sits next to the Sec61 translocon Proteins in the ER need to fold correctly Soluble protein has to “hide” hydrophobic regions inside the structure Membrane protein has to “hide” hydrophilic regions inside the structure Hydrophobic surface matches membrane thickness Only correctly folded proteins leave the ER Retrotranslocation and degradation (ERAD) Oligosaccharide as molecular timer ERAD Die Abspaltung von Zuckerbausteinen wirkt als Mannosidase-like „molekularer Timer“: Protein ERAD 1 ERAD-Rezeptoren erkennen bestimmte Zuckerketten, Mannosidase 1 signal die freigelegt werden, wenn das Protein lange genug im ER bleibt. α1,2 α1,2 α1,2 α1,2 α1,3 α1,6 α1,3 α1,6 Mannosidasen E3 E 2 Cystic fibrosis is caused by mutations in Chloride channel CFTR 1 in 3000 newborns of North European ancestry Cystic fibrosis is caused by mutations in Chloride channel CFTR ER ER ER ERAD Kanal funktioniert (einigermaßen), Kanal funktioniert nicht wird aber via ERAD abgebaut Viruses can take over the ER to make their own proteins: SARS-CoV-2 replication organelle COPI vesicles recycle ER proteins from Golgi Plasma Ribosomes membrane Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome COPI vesicles return ER-resident proteins that escaped to the Golgi Soluble ER proteins have a special signal (KDEL) that is recognized by KDEL receptor promoting sorting these proteins into COPI vesicles. pH=6 pH=7 Golgi apparatus is the hub for protein modification and sorting Plasma Ribosomes membrane Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome  The Golgi apparatus structure - Stacks of cisternae - It has cis- and trans- faces - Secreted proteins move from cis to trans - In mammals, stacks are arranged into ribbons. Different glycosylation steps occur in different cisternae What is glycosylation for? Improves solubility Protects from proteolisis Trans-Golgi network (TGN) ships proteins to different locations Plasma Ribosomes membrane Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome The main pathways of protein sorting from TGN Lysosomal hydrolases are diverted to endosomes Plasma Ribosomes membrane Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome Mannose-6-phosphate is the signal for sorting Glycosylation is important for proteins to get to the right place in the right (folded) state. Mutations can cause lysosomal diseases Bei der I-Zell-Erkrankung fehlt Patienten der Mannose- 6-Phosphatrezeptor. Dies führt zu schweren Störungen der Lysosomen. Gehört zu sog. Lysosomalen Speichererkankungen. Typisch sind vergrößerte innere Organe (Hepatomegalie, Splenomegalie, Kardiomegalie) und Retardierung Regulated secretion is a key process in our organism Plasma Ribosomes membrane Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome Insulin is secreted in response to high glucose levels Secretory vesicle maturation Insulin secretion Beta cells are specialized for regulated secretion High-speed neurotransmitter secretion underlies synapse function Ca2+ High-speed neurotransmitter secretion underlies synapse function Regulated secretion is a key process in our organism Plasma Ribosomes membrane Nucleus Endosome Golgi ER Lysosome Secretory pathway visualized in living cells using a temperature-sensitive cargo protein Vier Formen der interzellulären Signalübertragung lassen sich unterscheiden Kontaktabhänging Parakrin (juxtakrin) Synaptisch Endokrin Vier Formen der interzellulären Signalübertragung lassen sich unterscheiden Vier Formen der interzellulären Signalübertragung lassen sich unterscheiden Kontaktabhänging Parakrin (juxtakrin) wirkt nur wenige wirkt beschränkt auf Mikrometer um das Gewebe um signalisierende Zelle signalisierende Zelle Synaptisch Endokrin wirkt beschränkt auf wirkt auf alle spezifische Zielzellen Körperzellen, die entsprechende Rezeptoren haben Signaltransduktion Take home message Durch Oberflächen-Rezeptoren können Zellen mitbekommen, was "draußen" vorgeht. Hormone (endokrine Signale) können mit Rezeptoren im ganzen Körper reagieren, Gewebshormone (parakrine Signale) mit Zellen in der Umgebung. Nerven- und Sinneszellen kommunizieren durch Transmitter (synaptische Signale). Kontaktabhängige Übertragung ist die Bindung von Rezeptoren an Oberflächen- strukturen von Nachbarzellen. Mehrere Signalmoleküle wirken oft gleichzeitig Mehrere Signalmoleküle wirken oft gleichzeitig Bsp: Immunsystem, Interaktionen von Antigen-präsentierenden Zellen (APC) und T-Zellen Mehrere Signalmoleküle wirken oft gleichzeitig Mehrere Signalmoleküle wirken oft gleichzeitig Signalwege sind häufig in Kaskaden organisiert Dies dient der - Signalverstärkung und der - Verzweigung der Wirkungswege auf verschiedene Zielmoleküle Signalwege sind häufig in Kaskaden organisiert Dies dient der - Signalverstärkung und der - Verzweigung der Wirkungswege auf verschiedene Zielmoleküle Signaltransduktion Take home message Durch Signalkaskaden kommt es zur Verstärkung und Diversifizierung der Signale. Stufen in diesen Kaskaden sind hier häufig Rezeptoren, Enzyme (z.B. Kinasen), second messenger und Zielproteine (targets). Typische Elemente dieser Signalübertragungswege: Rezeptoren Enzyme in der Signalkaskade, zB Kinasen "Molekulare Schalter" Zielprotein (targets) Typische Elemente dieser Signalübertragungswege: Molekulare Schalter Phosphylierung GTP-Bindung von G-Proteinen (Kinasen, Phosphatasen) (Nukleotidaustauschfaktoren, GAPs) Typische Elemente dieser Signalübertragungswege: Second messenger Typische Elemente dieser Signalübertragungswege: Second messenger cAMP Typische Elemente dieser Signalübertragungswege: Second messenger Inositol-Phosphate Diacylglycerol Calcium-Ionen Signaltransduktion Beispiele: Adrenalin Insulin Steroidhormone Epidermal Growth Faktor, ein Wachstumsfaktor Acetylcholin, ein Transmitter Liganden des Death Receptors Der Signalweg des Adrenalin A Die Komponenten vor der Aktivierung Der Signalweg des Adrenalin B Vorgänge bei der Aktivierung durch Adrenalin Der Signalweg des Adrenalin C Schritte der Inaktivierung zur Beendigung der Reaktion Der Signalweg des Adrenalin Adrenalinrezeptor Der Signalweg des Adrenalin Adrenalinrezeptor Pharmakologisch hemmbar durch Betablocker Signaltransduktion Take home message Trimere G-Proteine sind Teil vieler Signal- kaskaden. Sie besitzen drei Untereinheiten (alpha, beta, gamma). Die alpha-Untereinheit bindet GTP bzw. GDP (daher G-Protein). Trimere G-Proteine werden meist von Rezeptoren des Sieben-Transmembran- domänen-Typs aktiviert (z.B. Adrenalinrezeptor, Rhodopsin, Geruchsrezeptoren). Aktivierte trimere G-Proteine stimulieren meist Enzyme, die second messenger bilden (z.B. cAMP, DAG, IP3). Signaltransduktion Beispiele: Adrenalin Insulin Steroidhormone Epidermal Growth Faktor, ein Wachstumsfaktor Acetylcholin, ein Transmitter Liganden des Death Receptors Beispiele: Insulin Insulin wird in den beta-Zellen des Pankeas (Bauchspeicheldrüse) gebildet. Löffler, Petrides: Pathobiochemie Beispiele: Insulin Insulin ist ein Proteinhormon, das aus zwei durch Disulfidbrücken verbundenen Ketten besteht. Löffler, Petrides: Pathobiochemie Beispiele: Insulin Die Ausschüttung von Insulin erfolgt abhängig vom Blutzuckerspiegel. American Diabetes Association Beispiele: Insulin Bei Diabetes melitus ist das Insulin- signaling gestört. Beispiele: Insulin Bei Diabetes melitus ist das Insulin- signaling gestört. Signaltransduktion Beispiele: Adrenalin Insulin Steroidhormone Epidermal Growth Faktor, ein Wachstumsfaktor Acetylcholin, ein Transmitter Liganden des Death Receptors Beispiele: Steroidhormone Bildung in den Keimdrüsen Beispiele: Steroidhormone Beispiele: Steroidhormone Steroidhormon- rezeptoren binden an responsive elements im Promotor von Ziel-Genen Beispiele: Steroidhormone Signaltransduktion Take home message Rezeptoren von Steroidhormonen (und von Schilddrüsenhormen) befinden sich im Inneren der Zelle, da diese Hormone membran- permeabel sind. Hormonbindung führt zur Bindung der Rezeptoren an Promotorelemente (responsive elements) und reguliert somit die Genexpression. Die Wirkung dieser Signalewege setzte meist erst nach Stunden oder Tagen ein. Signaltransduktion Beispiele: Adrenalin Insulin Steroidhormone Epidermal Growth Faktor, ein Wachstumsfaktor Acetylcholin, ein Transmitter Liganden des Death Receptors Der Zellzyklus Der Zellzyklus G-Proteine als Molekulare Schalter Beispiel 1: Ras reguliert Zellwachstum Wachstumsfaktor Ras Ras Zelle teilt Zelle teilt sich nicht sich G-Proteine als Molekulare Schalter Ras ist ein Onkogen, da Mutationen Krebs auslösen können. In 20% aller Krebsgeschwüre finden sich mutierte Versionen von Ras! Leber mit Krebsgeschwulsten Sciencephoto.com  GTPase GDP Pi Activating Protein (GAP) GDP/GTP Exchange Factor (GEF) GDP GTP GTP Watson: Molekularbiologie Signaltransduktion Take home message Ras ist ein kleines G-Protein, das das Zellwachstum reguliert. Durch Wachstumsfaktoren wird es in die aktive, GTP-gebundene Form gebracht. Über eine Kaskade von Kinasen signalisiert es dem Zellkern, Gene abzulesen, die zum Zellwachstum gebraucht werden. Signaltransduktion Beispiele: Adrenalin Insulin Steroidhormone Epidermal Growth Faktor, ein Wachstumsfaktor Acetylcholin, ein Transmitter Liganden des Death Receptors Synapse Transmitter Film: 11.6-Synaptic_Signaling 13.9-synaptic_vesicle Signaltransduktion Beispiele: Adrenalin Insulin Steroidhormone Epidermal Growth Faktor, ein Wachstumsfaktor Acetylcholin, ein Transmitter Liganden des Death Receptors Liganden des Todesrezeptors extrinsischer Weg intrinsischer Weg Liganden des Todesrezeptors In sekundären lymphatischen Organen werden selbst- reaktive T-Zellen entfernt. Bei ihnen wird der Todesrezeptor durch Liganden gebunden und so deren Apoptose ausgelöst. Funktioniert dies nicht richtig, so kommt es Autoimmunerkrankungen Patientin mit Lupus erythematosus Signaltransduktion Take home message T-Zellen, die körpereigene Epitope erkennen, müssen eliminiert werden, um Autoimmunreaktionen zu verhindern. Durch die Aktivierung der Todesrezeptoren wird in diesen Zellen Apoptose ausgelöst. Signaltransduktion Beispiele: Adrenalin Insulin Steroidhormone Epidermal Growth Faktor, ein Wachstumsfaktor Acetylcholin, ein Transmitter Liganden des Death Receptors Krebs Melanom (schwarzer Hautkrebs) Was ist Krebs? Gutartiger Drüsenzell- Tumor (Adenom) (bleibt an Ort und Stelle) Weiterentwicklung zu einem bösartigen Drüsenzelltumor (Adenocarcinom), das nun in umliegende Gewebe streut. Krebs Auch gutartige Tumore können tödlich sein, z.B. wenn sie nicht operabel sind Krebs - ein paar Grundbegriffe Gutartig (bleibt an Ort und Stelle) Bösartig (bildet Metastasen) Carcinom (Tumor der Epithelien), macht 80% aller Krebse aus Sarcom (Tumor der Bindegewebe) Leukämie, Lymphom (Tumor der blutbildenden Zellen) Carcinogene (verursachen Krebs): Chemikalien oder ionisierende Strahlen Krebs - ein paar Grundbegriffe Gutartig (bleibt an Ort und Stelle) Bösartig (bildet Metastasen) Carcinom (Tumor der Epithelien), macht 80% aller Krebse aus Sarcom (Tumor der Bindegewebe) Leukämie, Lymphom (Tumor der blutbildenden Zellen) Carcinogene (verursachen Krebs): Chemikalien oder ionisierende Strahlen Krebs - ein paar Grundbegriffe Gutartig (bleibt an Ort und Stelle) Bösartig (bildet Metastasen) Carcinom (Tumor der Epithelien), macht 80% aller Krebse aus Sarcom (Tumor der Bindegewebe) Leukämie, Lymphom (Tumor der blutbildenden Zellen) Carcinogene (verursachen Krebs): Chemikalien oder ionisierende Strahlen Krebs - ein paar Grundbegriffe Gutartig (bleibt an Ort und Stelle) Bösartig (bildet Metastasen) Carcinom (Tumor der Epithelien), macht 80% aller Krebse aus Sarcom (Tumor der Bindegewebe) Leukämie, Lymphom (Tumor der blutbildenden Zellen) Carcinogene (verursachen Krebs): Chemikalien oder ionisierende Strahlen Mehrere aufeinanderfolgende Veränderungen sind zur Krebsentstehung notwendig Therapeutische Ansätze der Krebsbekämpfung Krebs Take home message Krebs wird meist durch mehrere Veränderungen / Mutationen ausgelöst. Diese beeinflussen unter anderem die Signaltransduktion, die Apoptose, die Versorgung mit Blutgefäßen und die Tendenz der Metastasenbildung.  Prof. Herrmann Zellbiologie 2 Übersicht TU Kaiserslautern http://www.bio.uni-kl.de/zellbiologie/teaching/ 1 Wiederholung von Zellbio 1 (kurz), Transkription, RNA-Stabilität, 2 Translation, Posttranslationale Modifikationen, Proteinfaltung, Altern 3 Proteinabbau, Autophagie, Apoptose 4 ER, Golgi und das Endomembransystem 5 Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen 6 Signaltransduktion, Stammzellen, Zelldifferenzierung, Krebs 7 Viren, Immunsystem Viren Viren Virus Zelle Viren Einfacher Aufbau: RNA oder DNA Proteine Capsid evtl. Lipidmembran Virentypen 1. Hüllenlose Viren 2. Umhüllte Viren 1. (-) Strang-RNA-Viren 2. (+) Strang-RNA-Viren 3. Doppelstrang-RNA-Viren 4. Retroviren 5. Doppelstrang-DNA-Viren Viren Viren Viren Viren nutzen Oberflächenproteine ihrer Wirtszellen als Rezeptoren. Die meisten Viren befallen nur sehr spezifische Wirtszellen, die sie an deren Oberflächenrezeptoren erkennen Viren Viren nutzen sehr unterschiedliche Wege, um in Zellen hineinzukommen. Häufig werden Mechanismen der Endozytose als Eintrittspforte genutzt. Viren Beispiel 1 (-) Strang RNA-Virus Influenza (Grippe) Viren Beispiel 1 (-) Strang RNA-Virus Influenza (Grippe) Viren nutzen sehr unterschiedliche Wege, um in Zellen hineinzukommen. Häufig werden Mechanismen der Endozytose als Eintrittspforte genutzt. Viren Beispiel 1 (-) Strang RNA-Virus Influenza (Grippe) Viren nutzen sehr unterschiedliche Wege, um in Zellen hineinzukommen. Häufig werden Mechanismen der Endozytose als Eintrittspforte genutzt. Viren Beispiel 1 (-) Strang RNA-Virus Influenza (Grippe) Hämagglutinin (HA): Vermittelt die Bindung der Viren mit Zelloberflächenproteinen (Rezeptoren). Notwendig für die Virusfusion mit der Wirtszelle. Der Name kommt daher, dass durch Hämagglutinin Erythrozyten verbrückt werden können. Neuraminidase (NA): Wichtig für die Abspaltung neu gebildeter Viren von der Zelloberfläche. Influenza wird häufig mit Neuraminidase-Hemmern behandelt. Viren Beispiel 1 (-) Strang RNA-Virus Influenza (Grippe) zB Tamiflu Viren Beispiel 2 DNA-Viren Herpes simplex Viren Beispiel 2 DNA-Viren Herpes simplex Viren Beispiel 2 DNA-Viren Herpes simplex Herpesviren sind relativ groß und haben recht komplexe Genome mit vielen Genen. Diese kodieren für Enzyme, Strukturproteine und viele Proteine, die die Immunantwort der Wirtszellen beeinflussen Viren Beispiel 2 DNA-Viren Herpes simplex Herpesviren vermehren sich in Epithelzellen. Sie integrieren ihre DNA nicht ins Genom der Wirtszelle. Das Virus-DNA liegt als circuläre DNA im Kern infizierter Zellen vor. Herpresviren können in Nervenzellen einwandern und dort lange Zeit überdauern (Latenz). Viren Beispiel 2 DNA-Viren Herpes simplex Kinder oder Föten sind von Herpesviren oft besonders schwer betroffen, manchmal sind Kinder aber auch resistenter  Beispiel 2 DNA-Viren Herpes simplex Die Behandlung von Herpesviren erfolgt durch Nukleotidanaloga, vor allem Acyclovir Viren Beispiel 3 Retro-Viren Human Immunodeficiency Virus (HIV) HIV führt zur Krankheit AIDS (aquired immunodefiency syndrom, also ‚erworbenes Immunversagen‘) Viren Beispiel 3 Retro-Viren Human Immunodeficiency Virus (HIV) AIDS ist vor allem in Afrika sehr verbreitet Viren Beispiel 3 Retro-Viren Human Immunodeficiency Virus (HIV) Viren Beispiel 3 Retro-Viren Human Immunodeficiency Virus (HIV) Klonieren von Organismen Designer Babies - ist das die Zukunft? Immunsystem Immunsystem Immunsystem Wo ist eigentlich das Immunsystem in unserem Körper? Wo ist eigentlich das Immunsystem in unserem Körper? Gebildet wird es im Knochenmark, und es besteht aus Zellen und Proteinen, die diese bilden (vor allem Antikörper, Komplementsystem) Wo ist eigentlich das Immunsystem in unserem Körper? ‚Trainiert‘ werden die Immunzellen in den lymphatischen Organen. Dort entsteht auch die ‚Toleranz‘ gegenüber körpereigenen Antigenen Die Zellen unseres Immunsystems Die Zellen unseres Immunsystems T-Killerzellen töten körpereigene Zellen Die Zellen unseres Immunsystems T-Helferzellen stimulieren andere Immunzellen, zum Beispiel Makrophagen Die Zellen unseres Immunsystems B-Zellen produzieren Antikörper. Sie kommen in Form von naiven B-Zellen, Plasmazellen oder Gedächtniszellen vor Die Zellen unseres Immunsystems Ganulozyten geben zum Beispiel Proteasen ab, um Parasiten zu bekämpfen. Sie unterstützen oft in großer Zahl die anderen Immunzellen. Drei Formen werden unterschieden: Neutrophile, Basophile und Eosinophile Neutrophiler Granulozyt Pilzsporen https://www.pinterest.de/pin/467459636296058488/ Die Zellen unseres Immunsystems Mastzellen geben lokale Wirkstoffe (Gewebshormone) ab (parakrine Signaltransduktion). Vor allem Histamin ist hier wichtig.  MHC I- MHC II- Rezeptor Rezeptor Alles Gute! Bleiben Sie gesund!