Zusammenfassung Zellbiologie HS18 PDF

ZUSAMMENFASSUNG ZELLBIOLOGIE I Zusammenfassung über Lerninhalte der Vorlesung Zellbiologie I, basierend auf dem «Lehrbuch der molekularen Zellbiologie» (Alberts et al.) Kapitel 1-7, 9, 11-15 & 17 Ellen Straalman...

ZUSAMMENFASSUNG ZELLBIOLOGIE I Zusammenfassung über Lerninhalte der Vorlesung Zellbiologie I, basierend auf dem «Lehrbuch der molekularen Zellbiologie» (Alberts et al.) Kapitel 1-7, 9, 11-15 & 17 Ellen Straalman 17-133-695 Universität Bern HS 18 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 1 Einführung in die Zelle (S. 1-43) Allg. Informationen Alle Lebewesen bestehen aus Zellen (= Lebewesen sind Ansammlungen von Zellen) ➔ Zellen sind Grundeinheit des Lebens 1.1 Gleichheit und Vielfalt von Zellen Zellen variieren in Grösse, Aussehen und Funktionen sowie in ihren chemischen Bedürfnissen und Aktivitäten (aerob vs. anaerob, Durch Arbeitsteilung zwischen den Zellen im Organismus, Spezialisierung einiger Zellen möglich ➔ Fähigkeitsverlust, ihre Grundbedürfnisse selber zu decken > von anderen Zellen abhängig ➔ Bsp.: Weitergabe der genetischen Anweisungen → speziell durch Eizellen und Spermien Alle Zellen bestehen aus den gleichen Molekülsorten, die an denselben chemischen Reaktionstypen teilnehmen - Genetische Anweisungen bei allen Lebewesen im gleichen genetischen Code gespeichert (universeller Gen-Code) - Genetischer Code wird von der gleichen «Maschinerie» ausgewertet (RNA und Proteinen) - Gleiche Art und Weise Duplikation Proteine bestimmen Verhalten der Zelle, indem sie als Strukturelemente, chemische Katalysatoren, molekulare Motoren etc. dienen - Herstellung der Proteine durch denselben Satz aus 20 Aminosäuren - Aminosäureabfolge (bzw. Sequenz) verleiht dreidimensionale Struktur (Konformation) Viren als kompakte Einheiten genetischer Information - Vermehrung durch ausnutzen der Vermehrungsmaschinerie der Zellen Auswirkungen von Mutationen: 1. Veränderung hat negative Auswirkung → Überlebenschance/Vermehrung des Lebewesens weniger hoch (wird eliminiert) 2. Veränderung hat positive Auswirkung → Überlebenschance/Vermehrung des Lebewesens höher (wird begünstigt) 3. Veränderung hat keine (neutrale) Auswirkung (wird toleriert) Grundlage der Evolution: Das einfache Prinzip von Veränderung und Selektion, das wiederholt auf Millionen von Generationen von Zellen einwirken. ➔ Im Verlauf kommt es zu einer immer besseren Anpassung der Organismen an ihre Umwelt Ähnlichkeit der heutigen Zellen kommt dadurch zustande, dass ursprünglich alle ihre genetische Anweisung von derselben Urzelle geerbt haben (3,5 bis 3,8 Mrd. Jahren). Die weitere Entwicklung durch Mutation und Selektion führte schliesslich zu dieser Fülle von Lebensformen. D.h., alle verschiedenen Rassen und Spezies sind das Produkt unzähliger Mutationen der genetischen Information Genom = Gesamtheit der genetischen Information ➔ Gibt an, wie eine Zelle zu funktionieren hat Alle differenzierten Zellen gehen aus einer befruchteten Eizelle hervor und alle enthalten identische DNA- Kopien ➔ Unterschiedliche Eigenschaften beruhen also darauf, dass die jeweiligen Zellen ihre genetischen Anweisungen auf verschiedene Weise nutzen ➔ Unterschiedliche Zellen exprimieren unterschiedliche Gene 1 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman 1.2 Zellen unter dem Mikroskop Tafel 1-1 (S. 8/9) Elektronenmikroskop: - Beleuchtungsquelle Elektronen statt Lichtstrahlen - Kontrast durch Schwermetalle, die örtliche Elektronen absorbieren oder streuen und sie somit aus dem Strahl entfernen → schwarze Strukturen (Transmissions-EM) - Elektronenstrahl tastet die mit einem sehr dünnen Schwermetallfilm überzogene Probe ab → Detektor misst die enge an gestreuten oder emittierten Elektronen und erstellt anhand dieser Informationen ein Bild auf dem Bildschirm (Raster-EM) Extrazelluläre Matrix trennt einzelne Zellen innerhalb eines Gewebes oder Zellen sind dicht bepackt Extrazelluläre Matrix: bestehend aus Proteinfasern, die in ein Polysaccharidgel eingelagert sind Durchmesser einer Zelle: 5-20µm Zellen (unsichtbar) sichtbar machen durch: - Substanzen, die bestimmte Bestandteile unterschiedlich anfärben - Einzelne Zellkomponenten haben minimalen Unterschied in den Brechungsindizes → durch sehr gute optische Techniken lassen sich sogar die kleinsten Differenzen aufzeigen Analyse durch das (Elektronen)mikroskop: Cytoplasma - Details von einer Grösse von einigen Nanometern (nm) sichtbar - - Für Analyse muss Zellprobe fixiert werden → durch eine Chemikalie konserviert, dann durch Einbettung in Wachs oder Harz stabilisiert → Probe in hauchdünne Scheiben geschnitten und gefärbt - Untersuchung unter Hochvakuum, deshalb müssen Präparate wasserfrei sein ➔ Mit dieser Technik ist es unmöglich, lebende Zellen zu untersuchen! Membranen der Zelle: - Aussenmembran = Plasmamembran - Membrane der Organellen innerhalb der Zelle = innere Membranen 2 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman 1 m = 103 mm = 106 µm = 109 nm 1.3 Die Prokaryotenzelle Bakterien besitzen keine Zellorganellen, auch keinen Zellkern ➔ Alle Zellen, die keinen Zellkern besitzen, heissen Prokaryoten ➔ Alle Zellen, die einen Zellkern besitzen, heissen Eukaryoten Form und Anatomie von Prokaryoten: - Kugelig, stäbchenförmig oder spiralförmig - Wenige µm lang - Zellwand als robuste Schutzhülle - Zellwand umgibt die Plasmamembran, die das Cytoplasma mit der DNA umschliesst Die meisten Prokaryoten sind Einzelzellen Abbildung 1: Besitzen: Zellwand, Zellmembran, Chromosomen in Zellplasma, Plasmide und Einige aerob (= brauchen Sauerstoff um Ribosome Nahrungsmoleküle verwerten/oxidieren zu können) Einige sind strikt anaerob Mitochondrien (energieerzeugender Zellteil von Eukaryoten) ursprünglich aerobe Bakterien ➔ Unser auf Sauerstoff basierender Stoffwechsel als Produkt der Tätigkeit von Bakterienzellen Nahrungsquelle prokaryotischer Zellen: - Organisches Material (Holz, Petroleum etc.) - Anorganisches Material (C aus CO2 der Atmosphäre, Stickstoff aus N2, Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefel und Phosphor aus Luft) Energiequelle prokaryotischer Zellen: - Sonnenlicht (Photosynthese → Chloroplasten von Pflanzenzellen ursprünglich Bakterien) - Chemisch reaktive anorganische Substanzen ➔ Andere Lebewesen hängen von den organischen Verbindungen ab, die Bakterien aus anorganischen Substanzen bilden 3 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Eubakterien (eigentliche Bakterien) VS. Archaebakterien: - Eubakterien sind jene Bakterien, mit denen wir es am meisten zu tun haben - Archaebakterien können unter rauesten Bedingungen leben (anaerob, heiss, alkalisch, säurehaltig, sehr kalt etc.) 1.4 Die Eukaryotenzelle Der Zellkern (Nukleus) als Informationsspeicher - Zellkern wird durch Kernhülle eingeschlossen - Enthält die DNA Mitochondrium als Energieerzeuger - Ein bis mehrere µm lang - Werden von zwei verschiedenen Membranen umhüllt - Enthalten ihre eigene DNA und vermehren sich durch Zweiteilung - Nutzen die Energie aus der Oxidation von Nahrungsmolekülen (Zuckern), um Adenosintriphosphat (ATP) zu produzieren → Zellatmung, da sie Sauerstoff verbrauchen und als Nebenprodukt CO2 produzieren Chloroplasten der Pflanzen- und Algenzellen - Innerhalb der Chloroplaste gibt es stapelweise Membrane, die das grüne Pigment Chlorophyll enthalten - Pflanzen können Energie direkt aus dem Sonnenlicht gewinnen → Photosynthese ➔ Erzeugen die Zucker als Energiequelle für den Stoffwechsel und den Sauerstoff für die Mitochondrien - Chloroplasten enthalten (wie Mitochondrien) ihre eigene DNA Endoplasmatische Reticulum (ER) - Labyrinth aus membranumhüllte Kammern - Herstellung der meisten Zellmembranbestandteile und Substanzen für den Export Golgi-Apparat - Aus abgeflachten membranbegrenzten Säckchen bestehend - Nimm die im ER produzierten Moleküle auf, führt Modifikationen durch und leitet diese dann weiter Lysosomen - Intrazelluläre Verdauung - Nahrungspartikel und Nährstoffe freigesetzt und unerwünschte Moleküle ausgeschieden oder abgebaut Peroxisomen - Kleine membranumhüllte Vesikel, in deren Inneren ein perfektes Milieu für chemische Reaktionen herrscht - Erzeugung und Abbau von toxischem Wasserstoffperoxid ➔ Zwischen dem Endoplasmatischem Reticulum, dem Golgi-Apparat, den Lysosomen und der Zellumgebung findet ein ständiger Austausch von Materialien statt Vesikel - Vesikel schnüren sich von der Membran eines Organells ab und verschmelzen mit einer anderen Membran (Endosomen), die zu Lysosomen heranreifen, wo die importierten Stoffe verdaut werden → Endocytose - Versikel aus dem Zellinnern verschmelzen mit der Plasmamembran, um ihre Inhaltsstoffe in die Umgebung freisetzen zu können → Exocytose (Hormone, Neurotransmitter und andere Signalmoleküle) Cytosol - Cytosol als der Teil des Cytoplasmas, der nicht nur Membranen abgeteilt ist 4 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Es finden lebenswichtige Reaktionen statt, wie etwa der Aufbau und Abbau von Nährstoffmolekülen oder die Herstellung von Proteinen - Ribosomen als kleine Partikel im Cytosol (für Proteinsynthese verantwortlich) Das Cytoskelett - Das Cytosol ist in eukaryotischen Zellen mit Proteinfilamenten durchzogen - Die Filamente sind mit einem Ende in der Plasmamembran verankert oder strahlen von einer zentral gelegenen Stelle in der Nähe des Zellkerns aus Cytoskelett ø Aufgabe Aktinfilamente ≈ 7-9 nm Besonders zahlreich in Muskelzellen zur Kontraktionsstärke Intermediärfilamente ≈ 10 nm Dienen dazu, die Zellen mechanisch zu festigen Mikrotubuli ≈ 24 nm Bilden den Spindelapparat bei der Zellteilung - Mitochondrien und Chloroplasten können entlang von Cytoskelettbahnen durch das gesamte Zellinnere bewegt werden ➔ All diese Filamentarten bilden zusammen mit anderen Proteinen ein System, das der Zelle Festigkeit verleiht, ihre Form bestimmt, Transportvorgänge ermöglicht und ihre Bewegungen antreibt bzw. lenkt Eukaryoten vs. Prokaryoten - Eukaryotische Zellen 10-mal länger und haben ein 1000-mal grösseres Volumen - Protozoen: eukaryotische Mikroorganismen, die andere Zellen verschlingt 1.5 Modellorganismen Escherichia Coli (Kurzform E. Coli) als Modellorganismus der Molekularbiologie - Stäbchenförmiges Eubakterium lebt normalerweise im Darm vom Menschen - Sehr anpassungsfreudig - Vermehrt sich schnell - DNA als ein einziges, ringförmiges doppelsträngiges Molekül - Viele grundlegende Vorgänge in unseren Zellen laufen ab wie bei E. Coli Bierhefe Saccharomyces cerevisiae (einzelliger Pilz) - Besitzt eine feste Zellwand, ist relativ unbeweglich und besitzt Mitochondrien, jedoch keine Chloroplasten - Gutes Modell für die Zellmorphogenese (Ausgestaltung und Entwicklung von Organen oder Geweben) - Zellteilungszyklus wurde an der Bierhefe entscheidend untersucht Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana - Modellorganismus für Untersuchungen der Pflanzenzellen - Lässt sich in grossen Mengen heranziehen Das Tierreich durch Fliege, Wurm, Fisch, Maus und Menschen repräsentiert - Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modellorganismus der Insekten  Drosophila lieferte den endgültigen Beweis dafür, dass Gene als die Einheiten der Vererbung auf Chromosomen liegen  Vorzeigemodell von Ursache und Wirkung (Genmanipulation →Mutationen)  Modellorganismus zur Untersuchung der Embryonalentwicklung des Menschen und vieler seiner Krankheiten - Fadenwurm Caenorhabditis elegans  Besitzt exakt 959 Körperzellen  Modell für viele Vorgänge im menschlichen Körper (programmierter Zelltod) - Zebrafisch 5 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman  Gibt Einblicke in die Entwicklungsprozesse der Wirbeltiere  In den ersten beiden Wochen ist dieser Fisch durchsichtig - Die Maus als Modellorganismus für Säugetiere  Genetik, Embryonalentwicklung, Immunologie und Zellbiologie Abschliessende Informationen Wenn zwei Gene aus unterschiedlichen Organismen sehr ähnliche DNA-Sequenzen besitzen, stammen beide höchstwahrscheinlich von einem gemeinsamen Vorläufergen ab ➔ Diese Gene nennt man homolog Genom eines Organismus sagt nichts über Intelligenz aus - Genom Farn 100x > Genom Mensch 700x > Genom E. Coli - Anzahl Gene Mensch 7x > Anzahl Gene E. Coli  Gene als DNA-Abschnitte definiert, die eine Anleitung für ein Proteinmolekül enthalten  Restliche DNA (sog. «Junk-DNA») wirken an der Regulation der Genexpression oder sind überflüssiger Ausschuss 6 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 2 Chemische Bestandteile der Zelle (S. 43-87) Allg. Informationen 1. Lehre der organischen Chemie = Kohlenstoffverbindungen 2. Nahezu ausschliesslich abhängig von chemischen Reaktionen, die in wässriger Lösung und in engem Temperaturbereich stattfinden 3. Chemie des Lebens sehr komplex 4. Koordination durch riesige polymere Moleküle (Ketten aus chemischen Untereinheiten), deren Eigenschaft es ist, dass Zellen und Organismen u.a. wachsen und sich fortpflanzen können 2.1 Chemische Bindungen Atomkern besteht aus Protonen (positiv) und Neutronen (neutral) - Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die Ordnungszahl - Neutronen als ungeladene subatomare Teilchen leisten zur strukturellen Stabilität des Kerns bei - Falls zu viele bzw. zu wenige Neutronen vorhanden sind, kann der Kern unter radioaktivem Zerfall auseinanderbrechen - Isotope: gleiche Anzahl Elektronen und Protonen aber unterschiedliche Anzahl an Neutronen Masse eines Atoms steht in Relation mit der Masse eines Wasserstoffatoms (Neutronen + Protonen, da Elektronen beinahe nichts wiegen) [Dalton] 1 Gewicht eines Protons/Neutrons: 6 𝑥 1023 Gramm = Masse eines Wasserstoffatoms ❖ Ein Gramm Wasserstoff besitzt 6 x 1023 Atome ❖ 6 x 1023 = Avogadro’sche Zahl 𝑚 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑚 M= 𝑛 [ 𝑚𝑜𝑙 ] Molare Masse M m=Mxn [gramm] Gewicht in Gramm 𝑚 n= [mol] Stoffmenge bzw. Anzahl Teilchen 𝑀 CHNOPS Elemente, aus denen wir bestehen (Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Phosphor, Schwefel) Äusseren Elektronen bestimmen die Art der atomaren Wechselwirkung - Elektronen bewegen sich in Orbitalen bzw. Elektronenschalen mit strikt begrenzter Anzahl an Kapazität - Atome, deren äusserste Schale vollständig gefüllt sind, sind sehr stabil und reaktionsträge (Edelgase) - Atome, deren äusserste Schale unvollständig ist, reagieren mit anderen Atomen, um eine energetisch stabilere Form zu bekommen, indem sie entweder Elektronen teilen oder Elektronen vollständig abgeben Bindungsarten - Kovalente Bindung: Zwei Atome teilen sich ein Elektronenpaar ❖ Elektronenpaar wird ungleichmässig angezogen, wodurch eine polare kovalente Bindung entsteht ❖ Kovalente Bindungen haben charakteristische Geometrien (durch Energieminimum bestimmt) - Ionische Bindung: ein Atom gibt ein Elektron an ein anderes Atom ab ❖ Am wahrscheinlichsten mit den Atomen, deren Aussenschale nur mit einem oder zwei Elektronen besetzt sind oder in der nur eine oder zwei Elektronen zu einer abgeschlossenen Schale fehlen ❖ Wenn Elektron zu einem anderen Atom überspringt, werden beide Atome geladenen Ionen (Na+, Cl-) ❖ Durch entgegengesetzt Ladung ziehen Na+ (Anion) und Cl- (Kation) sich gegenseitig an = Ionenbindung ❖ Salze = Substanzen, die ausschliesslich durch Ionenbindungen zusammengehalten werden Die Zahl der Elektronen, die ein Atom aufnehmen oder abgeben muss (durch Teilung oder vollständige Abgabe), um eine abgeschlossene äussere Schale zu erhalten, bestimmt die Anzahl der Bindungen, die das Atom eingehen kann 7 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Moleküle = Ansammlung von Atomen, die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden Bindungslänge: Gleichgewicht zwischen Anziehung und Abstossung der zwei Atomkerne Mass der Bindungsstärke: Energie, die benötigt wird, um diese Bindung zu brechen [kcal mol-1] - [kcal mol-1 = Energiemenge, um Wassertemperatur ein Grad Celsius zu erhöhen] - 1 kcal = 4,2 Kilojoule Kovalente Bindungen sind 100-mal stärker als Wärmeenergie ihrer Umgebung Arten kovalenter Bindungen: - Einfachbindung → Rotation möglich - Doppelbindung → keine Rotation möglich; kürzer, stärker, stabiler - Polare kovalente Bindungen (Dipolmoment) O—H vs. Unpolare kovalente Bindungen O==O Elektronstatische Anziehungskräfte: - Am stärksten, wenn die beteiligten Atome vollständig geladen sind - Polare kovalente Bindungen sind wichtig, da sie durch ihr Dipolmoment den Molekülen erlaubt, über elektrostatische Anziehungskräfte miteinander in Kontakt zu treten - Wasser reduziert die Stärke elektrostatischer Anziehungskräfte - Hohe Spezifität durch Schlüssel-Schloss-Prinzip (Makromoleküle) Wasserstoffbrücken - Elektrische Anziehung des positiven H-Atoms von Molekül A und dem negativen O-Atoms von Molekül B können schwache Bindungen generieren - Von kurzer Lebensdauer durch thermische Energie - Moleküle mit polaren Bindungen lösen sich gut in Wasser, da diese Wasserstoffbrücken ausbilden können → Hydrophil - Hydrophob: Ungeladene Moleküle, die keine Wasserstoffbrücken ausbilden können (Kohlenwasserstoff als wichtiger Zellbestandteil) - Säuren: Substanzen, die ihre Protonen abgeben und dabei H3O+ erzeugen Basen: Substanzen, die Protonen aufnehmen kann und dabei OH- erzeugen - H3O+-Konzentration muss stark reguliert werden, da das Proton des Oxoniumions leicht auf viele Arten von Molekülen übertragen werden kann - Durch Anwesenheit von Puffern wird pH-Wert nahe dem Neutralwert (7) gehalten 8 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman 2.2 Die Moleküle in Zellen (Auf Zusatzpapier, von Hand) Prüfungsrelevant: Erkennen, ob die Seitenketten polar, unpolar, geladen, nicht geladen sind UNGELADENE, POLARE SEITENKETTEN UNPOLARE SEITENKETTEN 2.3 Makromoleküle in Zellen Makromoleküle = Polymere, die durch Verknüpfung (Kondensationsreaktion) von Monomeren (Untereinheiten/Bausteine) in Form von kleinen organischen Molekülen zu langen Ketten (Polymere) gebildet werden - Konformation durch viele schwache nicht kovalenten Bindungen vorgegeben - Polymerketten werden nicht zufällig aus Untereinheiten zusammengesetzt, sondern die Bausteine werden in einer bestimmten Reihenfolge (Sequenz) angehängt 1. Primärstruktur: Monomer-Sequenz 2. Sekundärstruktur: Relative Anordnung der Monomere; durch Primärstruktur und Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt (Alpha-Helix, Beta-Faltblatt, …) 3. Tertiärstruktur: dreidimensionale Struktur; bestehend aus verschiedenen Sekundärstrukturen → Abfolge der Sekundärstrukturelemente; immer nur aus einer Primärstruktur bestehend! 4. Quartärstruktur: spezifische räumliche Zuordnung der verschiedenen Polypeptidketten mit mehreren Tertiärstrukturen 9 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 3 Energie, Katalyse und Biosynthese (S. 89-127) Allg. Informationen 1. Atome und Energie für die lebenserhaltenden Reaktionen müssen aus der unbelebten Natur kommen 2. Die meisten chemischen Reaktionen, die in Zellen ablaufen, benötigen eine viel höhere Temperatur als in den Zellen vorherrschend, damit sie ablaufen können 3. Chemischen Reaktionen in der Zelle benötigen eine Erhöhung ihrer chemischen Reaktivität 4. Erhöhung der chemischen Reaktivität wird durch spezielle Proteine, den Enzymen, ermöglicht (katalysiert) 5. Metabolismus (=Stoffwechsel) - Katabolismus (kataboler Stoffwechsel): Makromoleküle werden zu kleineren Molekülen abgebaut ❖ Durch Abbau zu kleineren Molekülen wird eine nutzbare Form der Energie frei ❖ Durch Abbau entstehen kleine Moleküle, die die Zelle als Bausteine benötigt - Anabolismus (anaboler Stoffwechsel): nutzbare Energie wird verwendet, um die vielen Moleküle zu synthetisieren aus denen die Zelle besteht ❖ Durch Synthese von kleinen Molekülen zu grossen Molekülen wird Energie gebraucht 3.1 Nutzung der Energie durch die Zellen Lebende Zellen erhalten eine Ordnung aufrecht, indem sie der Umgebung Energie entnimmt und in Form von chemischer Bindungsenergie speichert - Die Entstehung von Unordnung ist ein spontaner Prozess, der nur durch regelmässige Anstrengung (Energie) umgekehrt werden kann - Je grösser die Unordnung, desto grösser ist die Entropie Zellen (Lebewesen) sind den Grundsätzen der Thermodynamik unterworfen 1. Hauptsatz der Thermodynamik: Die Energie eines Systems bleibt konstant (keine Energie kann erzeugt oder vernichtet werden) 2. Hauptsatz der Thermodynamik: Bei Energieumwandlungsprozessen wird immer ein Teil der Energie in Wärme (Unordnung) umgewandelt - Zellen erzeugen Ordnung, indem sie überleben, wachsen und komplexe Organismen bilden - Da Zellen keine isolierten Systeme sind und Energie aus ihrer Umgebung, Nahrung und dem Sonnenlicht aufnimmt, widersprechen sie dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik nicht - Eine höhere Ordnung führt immer zu Wärmeverlust durch Energieaufwand, die an die Umgebung abgegeben wird und eine grössere Entropie generieren - Zelle kann keinen Nutzen aus der produzierten Wärme ziehen, da die Wärme erzeugenden Reaktionen innerhalb der Zelle nicht direkt mit den Vorgängen verbunden ist, die die molekulare Ordnung aufrechterhalten Die gesamte Energie, die von tierischen Zellen genutzt wird kommt ursprünglich von der Sonne - Sonnenenergie erhält durch Photosynthese (elektromagnetische Energie → chemische Bindungsenergie) Zugang zur lebenden Welt 10 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Photosynthese erfolgt in zwei schritten 1. Schritt (lichtabhängig): ❖ Energie vom Sonnenlicht wird eingefangen und vorübergehend als chemische Bindungsenergie in spezialisierten Molekülen gespeichert ❖ Molekularer Sauerstoff (O2) wird als Nebenprodukt freigesetzt 2. Schritt (lichtunabhängig): ❖ Moleküle werden als Energieträger in einem Kohlenstoff fixierenden Prozess eingesetzt, in dem Zucker aus CO2 und H2O aufgebaut werden (chemisch gebundene Energie in Form von Zuckern) Lichtenergie + CO2 + H2O → Zucker + O2 + Wärmeenergie ➔ Anaboler Stoffwechsel Zellatmung - Energie aus Nahrungsmolekülen durch stufenweise Oxidation oder kontrollierte Verbrennung - Zelle ist deshalb in der Lage, Energie aus Zuckern (o.a.) zu gewinnen, indem sie es den Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen ermöglicht, sich mit Sauerstoff zu CO2 und H2O zu verbinden, d.h. zu oxidieren Zucker (C6H12O6) + O2 → CO2 + H2O + Energie + Wärme ➔ Kataboler Stoffwechsel Teil der Energie kann auf einem Energie-Carrier gespeichert werden Oxidiertes C (CO2) ist energetisch stabil Photosynthese und Zellatmung sind komplementäre Prozesse Oxidation = Alle Reaktionen, bei denen Elektronen von einem Atom auf ein anderes übertragen werden = Dehydrogenierungs-Reaktion - Entfernung von Elektronen - Kontrollierte Verbrennung - Anlagerung von O an C-Moleküle - Elektronen werden vom Kohlenstoff abgegeben und ermöglichen so den Energietransfer - Zahl der C—H-Bindungen nimmt ab 11 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Reduktion = Alle Reaktionen, bei denen Elektronen aufgenommen werden = Hydrogenierungs-Reaktion - Zahl der C—H-Bindungen nimmt zu - Elektronen werden in Molekülen aufgenommen und ermöglichen Energiespeicherung ➔ Elektronen sind die Währung der Energieumwandlungsprozessen 3.2 Freie Enthalpie und Katalyse Enzyme können energetisch ungünstige Reaktionen nicht dazu bringen, abzulaufen - Zellen müssen aber wachsen und sich teilen (ungünstige Reaktion) und braucht dabei Energie (anaboler Stoffwechsel) Freie Enthalpie = Mass für die Triebkraft einer chemischen Reaktion Beispiel einer Verbrennung von Papier - Papier + O2 → Rauch + Asche + Wärme + CO2 + H2O - Bei der Verbrennung von Papier wird seine chemische Energie in Form von Wärme verschwendet und hat sich unwiederbringlich in den chaotischen, zufälligen thermischen Bewegungen der Moleküle aufgelöst ➔ Freie Enthalpie wurde freigesetzt, d.h. Energie, die zum Verrichten von Arbeit oder zum betreiben von chemischen Reaktionen nutzbar gemacht werden kann - Energetisch günstigste Form für Kohlenstoff ist CO2 und von Wasserstoffs H2O Aktivierungsenergie = Menge an Energie die nötig ist, um die Energiebarriere zu überwinden - Moleküle in wässriger Lösung der Zelle erhalten ihren «Stoss» durch eine energetische Zufallskollision mit Molekülen in der Umgebung und mit steigender Temperatur immer heftiger werden - Enzyme (hoch selektiv) binden eng an zwei Moleküle (Substrate) und verringern die Aktivierungsenergie, um eine spezifische chemische Wechselwirkung zwischen den Molekülen hervorzurufen - Katalysator = Substanz, die die Aktivierungsenergie herabsetzen kann ❖ Beschleunigen chemische Reaktion, indem sie es ermöglichen, dass ein grösserer Teil der Zufallskollisionen mit umgebenden Molekülen die Substrate über die Energiebarriere hebt Enzyme sind hoch selektiv - Einzigartige Gestalt mit einem aktiven Zentrum - Haben keinen Einfluss auf das ∆G, sondern setzen nur Aktivierungsenergie herab Freie Enthalpie G: - Hängt von der Konzentration der Moleküle in der Reaktionsmischung ab - Unordnung nimmt zu, wenn nützliche Energie, die zur Verrichtung von Arbeit hätte verwendet werden können, als Wärme freigesetzt wird - Freie Enthalpie G als Mass für die Zunahme an Unordnung - Günstige Reaktionen besitzen ein negatives ∆G, da sie die freie Enthalpie des dazugehörigen Systems erniedrigen, damit die Unordnung in der Umgebung grösser wird - Energetisch ungünstige Reaktionen können nur dann ablaufen, wenn sie an eine zweite Reaktion mit einem negativen ∆G gekoppelt werden, dass so gross ist, dass das Netto-∆G des gesamten Prozesses negativ bleibt - Für Vergleiche braucht man ∆G0, die unabhängig von der Konzentration ist und nur von den inneren Eigenschaften der reagierenden Moleküle unter idealen Bedingungen abhängt [𝑿] ❖ ∆G = ∆G0 + RT ln [𝒀] [𝑿] ❖ Gleichgewichtskonstante K = [𝒀] als Allgemeines Mass der Bindungsstärke einer nicht kovalenten Wechselwirkung zwischen zwei Molekülen 12 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Leistung eines Enzyms hängt davon ab, wie schnell es sein Substrat umsetzen kann - Vmax: Maximalwert der Reaktionsgeschwindigkeit bei einer kritischen Substratkonzentration - KM: Substratkonzentration bei der das Enzym mit 1/2Vmax arbeitet KM klein: Substrat fest am Enzym gebunden KM gross: Substrat schwach am Enzym gebunden - Ein Enzym erniedrigt die Aktivierungsenergie der Hin- und Rückreaktion (günstige und ungünstige Richtung) 3.3 Aktivierte Trägermoleküle und Biosynthese Bei der Oxidation von Nahrungsmolekülen freigesetzte Energie muss vorübergehend gespeichert werden - Sog. «Carrier»-Moleküle speichern diese Energie in Form von chemischer Bindungsenergie - «Carrier»-Moleküle diffundieren sehr schnell durch die Zelle und bringen damit ihre gebundene Energie vom Ort der Energieerzeugung zu den Stellen, an denen die Energie für Biosynthesen eingesetzt wird - Gespeicherte Energie entweder in Form von leicht übertragbaren chemischen Gruppen oder als hochenergetische Elektronen - ATP, NADH und NADPH als Beispiele der wichtigsten Trägermoleküle - «Carrier»-Moleküle werden von verschiedenen Enzymen erkannt und verwendet (Standardwährung) - «Carrier»-Moleküle übertragen Energieeinheiten in vergleichbaren Grössen («Energiequant») Bildung eines aktivierten Trägermoleküls ist an eine günstige Reaktion gekoppelt - ATP wird in einer energetisch ungünstigen Reaktion synthetisiert, bei der eine Phosphatgruppe an das ADP angefügt wird - ATP kann das Energiepaket in einer energetisch günstigen Hydrolyse unter Entstehung von ADP und anorganischem Phosphat (Pi) wieder abgeben →ATP-Zyklus Phosphorylierungsreaktion = Reaktion, bei der eine Phosphatgruppe auf ein Molekül übertragen wird - Aktiviert Substrate - Aktiviert Proteine - Signalübertragung von Zellen - Energieübertragung für Membranpumpen, Motoren und anabole Reaktionen - Kondensationsreaktion: A—H + B—OH → A—B + H2O ∆G > 0 Indirekter Reaktionsweg: 1. B—OH + ATP → B—O—PO2-3 + ADP ∆G < 0 2. A—H + B—O—PO2-3 → A—B + Pi ∆G < 0 Netto: A—H + B—OH + ATP → A—B + Pi + ADP ∆G < 0 - NAD+ und NADP+ sind die wichtigsten Elektronenüberträger - Nehmen jeweils zwei energiereiche Elektronen und ein Proton (H+) auf - NADPH arbeitet vorwiegend mit Enzymen, die anabole Reaktionen katalysieren - NADH arbeitet hingegen vorwiegend im Prozess des katabolen Stoffwechsels mit 13 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Acetyl-CoA transportiert Acetylgruppe in einer leicht übertragbaren Bindung 14 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 4 Proteine – Struktur und Funktion (S. 129-184) Allg. Informationen 1. Proteine geben der Zelle Gestalt, Struktur und führt nahezu alle zellulären Funktionen aus 2. Enzyme katalysieren chemische Reaktionen 3. Funktionen, die die Proteine ausführen, basieren auf der Vielfalt verschiedener dreidimensionaler Formen, die Proteine einnehmen können 4. Proteine sind bezüglich Masse die wichtigsten Moleküle von Zellen 5. Proteine bestehen aus 50-2000 Aminosäuren 6. Struktur eines Proteins kann man nicht durch die Aminosäuresequenz vorhersagen, sondern muss experimentell bestimmt werden (X-Ray oder NMR) 4.1 Gestalt und Struktur von Proteinen Protein-Molekül besteht aus einer langen Kette von Aminosäuren - Jede Aminosäure ist mit seinem Nachbar über eine kovalente Peptidbindung verknüpft - Polypeptide oder Polypeptidkette - Jedes Protein hat eine einzigartige Aminosäuresequenz - Jede Polypeptidkette besteht aus einem Rückgrat, an das die verschiedenen Aminosäure-Seitenketten gebunden sind ❖ Verleiht jeder Aminosäure ihre individuelle Eigenschaft ❖ Könne unpolar und hydrophob, negativ/positiv geladen, chemisch reaktiv sein Peptidische Bindungen sind sehr beweglich - Kovalenten Bindungen erlauben eine freie Drehbarkeit der Atome - Durch Flexibilität können Proteine enorme Zahl von Formen annehmen - Jede gefaltete Kette ist durch viele schwache nicht-kovalente Bindungen eingeschränkt - Elektrostatische Anziehung, Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals-Kräfte Hydrophobe Wechselwirkung (vierte schwache Kraft) - Hydrophobe Moleküle, wie auch die unpolaren Seitenketten bestimmter Aminosäuren werden in Wasser gezwungen, sich zusammenzuhalten, um ihren zerstörerischen Einfluss auf das Netzwerk aus Wasserstoffbrückenbindungen der sie umgebenden Wassermoleküle zu minimieren - Hydrophobe Seitenketten sind im Innern des gefalteten Proteins versteckt, um den Kontakt mit dem wässrigen Cytosol zu vermeiden - Polare Seitenketten lagern sich auf der Oberfläche von Proteinen an, wo sie Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Wasser und anderen polaren Molekülen ausbilden können 15 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Polare Seitenketten im Innern des Proteins bilden Wasserstoffbrücken mit anderen polaren Aminosäuren oder dem Polypeptidgerüst aus und stabilisieren so die gefaltete Form Entfaltetes Polpeptid und die gefaltete Konformation in wässriger Umgebung Proteine falten sich in die Konformation mit der geringsten Energie - Freie Enthalpie G weist ein Minimum auf - Ganze Information zur Festlegung der 3D-Gestalt eines Proteins ist in der Aminosäuresequenz enthalten - Konformation kann sich durch Interaktion des Proteins mit anderen Molekülen in der Zelle minim ändern ❖ Diese Konformationsänderung ist entscheidend für die Funktion des Proteins Molekulare Chaperone - Proteine, die die Faltung von neu synthetisierten Proteinketten unterstützt - Machen den Faltungsprozess wirksamer und zuverlässiger Struktur eines Proteins - Beginn durch die Bestimmung seiner Aminosäuresequenz ❖ Kann durch die Nukleotidabfolge in der DNA, die für das Protein codiert, bestimmt werden (genetischer Code) Proteine bestehen aus mehreren Domänen - Domäne sind Regionen eines Proteins, die sich einzel kompakt falten können - Domäne haben verschiedene Aufgaben - Zwei Domäne sind durch eine Unterstruktur miteinander verbunden und gibt dem Protein ihre Flexibilität - Domäne 1: bindet cAMP Domäne 2: bindet DNA α-Helix und β-Faltblatt - Bestehen aus Wasserstoffbrückenbindungen zwischen N—H- und C=O-Gruppen α-Helix entsteht, wenn eine einzelne Polypeptidkette sich um die eigene Achse dreht und somit einen strukturell starren Zylinder bildet - Hydrophile Polypeptidgerüst in der α-Helix bildet mit sich selbst Wasserstoffbrückenbindungen aus und wird durch seine herausstehenden unpolaren Seitenketten von der hydrophoben Lipidumgebung der Membran abgeschirmt Antiparallel Parallel 16 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Superhelix = α-Helixpaar («coiled-coil»), die sich umeinanderwickeln (sehr stabil) ❖ Hydrophoben Reste werden so der wässrigen Umgebung weniger ausgesetzt β-Faltblatt - Entsteht, wenn sich zwischen Polypeptidbereichen, die nebeneinander liegen, Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden - β-Faltblätter bilden eine sehr starre, gefaltete Struktur und bilden den Kern vieler Proteine - β-Faltblatt-Strukturen weisen eine bemerkenswerte Zugfestigkeit auf Pathologische Konformationsänderungen - Falsche Faltungen können zu Aggregaten führen, die der Zelle oder dem Gewebe schaden können (Alzheimer, Huntington, Prionenerkrankung) - Falsch gefaltete Proteine können durch Kontakt mit korrekt gefalteten Proteinen diese ebenfalls zu falsch gefalteten Proteinen bewegen (→»infektiös») - Chaperone können unter Verbrauch von ATP die nötige Energie aufbringen, um Proteine zu entfalten und in die richtige Form falten zu lassen; dies kann aber auch in die «falsche» Richtung gehen [Ein Protein mit vielen verschiedenen Konformationen und wechselhaften chemischen Eigenschaften ist biologisch nicht brauchbar, da sie unvorhergesehen ihre Funktion verändern könnte. Deshalb ist es wichtig, dass ein Protein nur eine einzige stabile 3D-Konformation einnehmen kann, damit ihre chemischen Eigenschaften gleichbleiben und sie «nur» eine klar definierte Funktion ausführen kann.] Proteinfamilien - Mitglieder einer Proteinfamilie ähneln sich in ihrer Aminosäuresequenz und 3D-Konformation - Entstehen durch Modifikationen eines Proteins während der Zeit - Verschiedene Serin-Proteasen erkennen unterschiedliche Substrate bzw. Spaltstellen Grosse Proteinkomplexe - Bestehen aus mehreren Polypeptidketten, die über Bindungsstellen miteinander verbunden sind - Einzelne Polypeptidketten eines grösseren Proteinkomplexes werden Untereinheiten genannt Zwei identisch gefaltete Proteine bilden ein «Dimer»; vier identisch gefaltete Proteine bilden ein «Tetramer» 17 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Aktinfilamente sind helikale Strukturen, die aus vielen Proteinen des Proteins Aktin aufgebaut ist - Ribosomen und Viren bestehen aus einer Mischung von mehreren Proteinen und RNA- oder DNA- Molekülen - Faserproteine erstrecken sich über eine lange Distanz ❖ Ausserordentlich stabil (Haare, Nägel, Horn) aufgrund der Superhelix-Struktur ❖ Gerüst der Zelle besteht aus Intermediärfilamente ❖ Kommen vor allem ausserhalb der Zelle und bilden die extrazelluläre Matrix ❖ Kollagen ist das häufigste Faserprotein in tierischen Zellen ❖ Elastin ist zu einem gummiartigen, elastischen Maschenwerk verbunden - Extrazelluläre Proteine sind durch kovalente Quervernetzungen stabilisiert ❖ Häufigste Quervernetzung sind kovalente S-S-Bindungen → Disulfidbindungen ❖ Entstehen im Endoplasmatischen Reticulum (ER) ❖ Durch Disulfidbindung wird Konformation des Proteins nicht geändert ❖ Durch hohe Konzentration an reduzierten Substanzen können solche Disulfidbindungen im Cytosol nicht ausgebildet werden 4.2 Wie Proteine arbeiten Biologischen Eigenschaften eines Proteins hängen von seiner physikalischen Wechselwirkung mit anderen Molekülen ab - Affinität eines Proteins zeigt sich im KM-Wert wider - Je niedriger KM. Desto stärker ist die Bindung zwischen Protein und einem Molekül - Bindung zeigt eine grosse Spezifität ❖ Jedes Protein kann nur an eines oder wenige Moleküle aus Tausenden von verschiedenen Molekülen binden ❖ Substanz, die von einem Protein gebunden wird, bezeichnet man als Ligand ❖ Spezifität beruht auf der Bildung einer Reihe von schwachen, nichtkovalenten Wechselwirkungen, deren Anzahl gross sein muss, um die Bindung aufrechtzuerhalten ➔ Wird nur erreicht, wenn Oberflächenkontur des Liganden sehr gut zu der Bindungsstelle des Proteins passt 18 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Proteine und Co-Faktoren - Manche Proteine müssen mit Co-Faktoren interagieren, damit sie ihre Funktion erfüllen können - In Hämoglobin sind es 4 Proteinketten, die miteinander interagieren und den Co-Faktor «Häm» aufnehmen, damit es Sauerstoff transportieren kann Enzyme katalysieren chemische Reaktionen - Enzyme reduzieren die Aktivierungsenergie, dabei bleibt die Änderung der Freien Energie ∆G gleich - Enzyme beschleunigen Reaktionen, haben aber keinen Einfluss auf die Richtung der Reaktion oder den zuletzt erreichten Gleichgewichtszustand - Bei Enzymen ist das Binden des Liganden nur eine Zwischenstation, da sie nach dem Binden im aktiven Zentrum der Ligand (Substrat) zu einem chemisch veränderten Produkt umwandelt - Arbeiten oft als Tandem, wobei das Produkt des einen Enzyms zum Substrat des nächsten Enzyms wird - Ergebnis sind Stoffwechselwege, die die Zelle mit Energie versorgen Lysozym spaltet Polysaccharide (Zuckerproteine von Bakterienzellwänden) - Lysozym ermöglicht, dass Bakterien zerstört werden, indem man die Zuckerproteine in den Bakterienzellwänden spaltet - Reaktion der Hydrolyse ist energetisch günstig, da die Freie Enthalpie der getrennten Polysaccharidketten niedriger ist als die Freie Enthalpie der intakten Kette - Damit man die Polysaccharidkette brechen kann, muss zuerst ein Übergangszustand (weniger stabile Konformation) des Polysaccharids erreicht werden ❖ Um diesen Übergangszustand zu erreichen, muss die Aktivierungsenergie durch zufällige Zusammenstösse der Moleküle zugeführt werden - Zucker wird exakt so platziert, damit er mit zwei Aminosäuren des Proteins interagieren kann ❖ Das Protein dreht den Zucker zuerst so, dass die Seitenketten an den korrekten Positionen sind, um den Zucker an der spezifischen Stelle zu schneiden 19 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Enzyme können auch auf andere Art und Weise chemische Reaktionen begünstigen (B) Enzym bindet an zwei (A) Bindung des Substrats (C) Enzym verspannt das Substratmoleküle und an das Enzym bewirkt gebundene richtet sie genau aus, die Umlagerung von Substratmolekül und sodass eine Reaktion Elektronen im zwingt es dadurch in einen zwischen beiden Substrat, wodurch Übergangszustand, der die begünstigt wird positive und negative Reaktion begünstigt Ladungen entstehen, die eine Reaktion begünstigen 4.3 Wie Proteine kontrolliert werden Es werden immer nur die Moleküle hergestellt, die die Zelle benötigt, um unter den gegebenen Bedingungen zu existieren - Dadurch ist ein umfangreiches Kontrollsystem nötig, wann und wie schnell eine Reaktion ablaufen darf Rückkopplungs-Hemmung (Feedback-Hemmung) - Negative Regulation: hält ein Enzym von der Arbeit ab - Durch die Bindung des Substrats zum dazugehörigen Enzym, wird die Geschwindigkeit verändert, mit der das Enzym das Substrat umwandelt - Ist das Substrat nicht vorhanden, wird die Geschwindigkeit des Enzyms auch nicht gehemmt und sie synthetisiert das Substrat «wie gewohnt», bis sich wieder genügen Substrat angehäuft hat Positive Regulation - Wurde beispielsweise viel ATP in ADP + Pi unter Freigaben von Energie umgewandelt, bindet das ADP an Enzyme, die an der Oxidation von Zuckermolekülen beteiligt sind, die dann dazu angeregt werden, um wieder mehr ATP zu synthetisieren Allosterische Liganden - Es gibt Moleküle, die die Aktivität von Enzymen regulieren können - Diese Moleküle haben jedoch eine ganz andere Konformation als das dazugehörige Substrat des Enzyms - Enzym besitzt deshalb zwei verschiedene Bindungsstellen ❖ Aktives Zentrum erkennt das Substrat ❖ Zweite Stelle erkennt ein regulatorisches Molekül ➔ Beide Stellen müssen auf eine Art miteinander verbunden sein - Durch Bindung an das Enzym ändert sich deren Konformation in eine passive Konformation, und zwar indem das aktive Zentrum das Substratmolekül schlechter binden kann - Jeder Ligand stabilisiert die Konformation, die ihn am stärksten bindet, und bei ausreichend hohen Konzentrationen kann der Ligand die Gesamtheit der Proteine in die von ihm bevorzugte Konformation «umschalten» 20 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Regulation durch Phosphorylation - Durch enzymatische Anheftung einer Phosphatgruppe an eine Aminosäurekette des Enzyms kann eine starke Konformationsänderung hervorgerufen werden - Diese Konformationsänderung kann wiederum die Bindung von Liganden beeinflussen und so die Aktivität des Proteins verändern - Durch Entfernung der Phosphatgruppe geht das Protein wieder in seinen Normalzustand über - Proteinphosphorylierung wird durch Proteinkinase katalysiert - Dephosphorylierung wird durch eine Proteinphosphatase katalysiert - Energie für diese Vorgänge kommt aus der Hydrolyse von ATP - Durch Phosphorylierung kann Proteinaktivität auch erhöht werden - Phosphorylierung unterstützt den Zusammenbau von Proteinen zu grösseren Komplexen Phosphorylierung von GTP-Proteinen - Phosphat ist Bestandteil eines Guaninnukleotids (GTP oder GDP) und fest an das Protein gebunden - Protein hydrolisiert GTP zu GDP unter Abspaltung einer Phosphatgruppe und klappt in eine inaktive Form - Durch Bindung eines neuen GTP-Moleküls wird Protein wieder aktiviert Nukleotidhydrolyse ermöglicht grosse Bewegungen in Zellen - Durch Nukleotidhydrolyse können Motorproteinen andere Moleküle bewegen (Muskelkontraktion durch «Kippen» der Myosinköpfchen) - Durch ATP-Hydrolyse können sich Motorproteine auf einem Zytoskelett-Filament in eine Richtung bewegen 4.4 Wie Proteine untersucht werden Proteine unterscheiden sich in Grösse, Form, Ladung, Hydrophobizität und ihrer Affinität Durch Röntgenkistallographie kann auf die Struktur eines Proteins geschlossen werden - Proteinkristalle, die dabei verwendet werden, haben jedoch in Kristall eine andere Form als in Wasser, wie sie in Zellen vorkommen Durch NMR-Spektroskopie kann die Struktur eines Proteins in Lösung bestimmt werden - NMR = kernmagnetische Resonanz Cryo-Elektronen-Mikroskopie und Bildanalyse - Untersucht tausende Proteine unter dem Elektronenmikroskop und stellt dann ein «durchschnittliches» Protein mittels Bildanalyse her 21 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 5 DNA und Chromosomen (S. 185-211) Allg. Informationen 1. Erbinformation wird bei jeder Teilung einer Zelle an die Tochterzellen weitergegeben und durch Keimzellen an die nächste Generation weitergegeben 2. Genetische Information besteht primär aus Bauplänen für Proteine 3. DNA = Desoxyribonukleinsäure 4. Friedrich Miescher entdeckte im Zellkern eine Substanz aus Phosphat, Zucker und aromatischen Ringen (DNA) und nannte diese Nuclein 5. Durch James Watson und Francis Crick wurde die DNA-Struktur aufgeklärt (1953) 6. Gesamtheit der genetischen Information nennt man Genom 7. Chargaff-Regeln: - Die Basenzusammensetzung der DNA variieren zwischen Spezies - In einer gegebenen Spezies ist die Anzahl von A und T-Basen, so wie die Anzahl von G und C-Basen gleich 5.1 Struktur und Funktion von DNA Nukleotide (Einheit aus Phosphat, Zucker und Base) sind über Zucker- und Phosphatreste kovalent zu einer Kette verknüpft Polarität des DNA-Strangs - 5’ (Phosphat) zu 3’-Ende (Hydroxyl) - 5’, weil Phosphatgruppe am 5. C-Atom des Zuckers gebunden ist 3’, weil OH-Gruppe am 3. C-Atom des Zuckers gebunden ist 4 Basen (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) - Über Wasserstoffbrücken miteinander verbunden - Adenin =====Thymin Guanin ≡≡≡≡ Cytosin - Basenpaarung mit der energetisch günstigsten Anordnung Doppelsträngige DNA (Doppelhelix) - Zwei Stränge verlaufen antiparallel - Alle Basenpaare sind Purin-Pyrimidin um konstante Breite von 2 nm zu gewährleisten - Stränge sind gegenseitige Negativkopien - Rechtsdrehende Doppelhelix - Hydrophiles Rückgrat mit negativer Ladung ermöglicht eine gute Wasserlöslichkeit im Cytosol - Stumpfer Winkel der Basenpaare führen zu Ausbildungen kleiner und grosser Furchen - 10 Nukleotidpaare pro Drehung (3,4 nm) 5.2 Die Struktur eukaryotischer Chromosomen Erbinformation in den Zellen ist auf 23 Chromosomen verteilt - Jedes Chromosom besteht aus einem sehr langen linearen DNA-Molekül, das mit Proteinen interagiert, um eine kompakte Struktur zu ermöglichen - Chromatin = DNA + Protein - Jede Zelle enthält zwei Kopien (diploid) von jedem Chromosom (eines von der Mutter, eines vom Vater) ➔ Homologe Chromosomen (Homologe) - Geschlechtschromosomen Y (Vater) und X (Mutter) sind nichthomologe Chromosomen 22 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Karyotyp = Darstellung aller 46 menschlichen Chromosomen (22 Autosome und Geschlechtschromosomen XX und XY) ❖ Durch «Chromosome-Painting» kann man die beiden homologen Chromosomen ausfindig machen ❖ Durch Giemsa-Färbung entsteht ein Bandenmuster (spezifisch A/T-reiche Regionen) - Chromosomen dienen als Verpackungs- und Transporteinheit für Gene - Gen = Stück DNA, das den Bauplan für ein bestimmtes Protein enthält - Jung-DNA sind nichtcodierende Regionen, trotzdem sehr wichtig Zellzyklus - Interphase = Chromosomen werden kopiert (2n zu 4n) ❖ Chromosomen sind ausgedehnt ❖ Mehrere bestimmte Nukleotidsequenzen fungieren als Replikationsursprung, um die Chromosomen zu kopieren ❖ Telomere garantieren das Kopieren der Chromosomenenden - Mitose = Chromosomen werden auf zwei Tochterzellen verteilt (4n → 2 x 2n) ❖ DNA wickelt sich immer mehr auf und nimmt kompaktere Struktur an → Mitosechromosom ❖ Sobald Chromosom kondensiert ist, greifen Spindelapparate am Centromer an und werden auf die Tochterzellen verteilt - Nukleolus = Bereich, indem sich die Teile der Chromosomen zusammendrängen, die Gene für rRNA codieren - Heterochromatin = Gene sind transkriptionell inaktiv, befinden sich überwiegend in der Peripherie des Zellkerns - Euchromatin = Aufgelockertes Chromatin, dass weniger dicht bepackt ist; transkriptionell aktiv Nukleosomen als Verpackungsfunktion von DNA - Histone = DNA-bindende Proteine - Chromatin = Einheit aus DNA und DNA-bindende Proteine - Nukleosom = DNA, das um einen Proteinkern aus 8 Histon-Molekülen (H2A, H2B, H3 und H4) zwei Mal gewunden ist - Jedes Nukleosomen-Kernpartikel ist vom nächsten durch Linker-DNA getrennt - Durch positive Ladung der Histone wird eine noch festere Bindung zum negativ geladenen Zucker-Phosphat-Gerüst der DNA gewährleistet - Die N-terminalen Aminosäuren-«Schwänze» der beteiligten Histonen haben eine wichtige Funktion für die Regulation des Chromatins Chromatin grösstenteils in der 30 nm-Faser Struktur gepackt 23 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman 5.3 Regulation der Chromosomenstruktur Chromatin-Struktur wird verändert, um bestimmte DNA-Abschnitte freizulegen - Proteine können an diesen freigelegten Strukturen binden (Genexpression, DNA Replikation, DNA Reparatur, …) - Chromatin-Umformungs-Komplexe ❖ Nutzen ATP, um Position der DNA zu verändern, die um Nukleosomen gewickelt ist ❖ Schieben fest gebundene DNA voran und können DNA auflockern bzw. dekondensieren ❖ Während Mitose sind einige Chromatin-Umformungs-Komplexe inaktiviert - Reversible Modifikationen der Histone ❖ Histonschwänze sind kovalenter Modifikationen ausgesetzt ❖ Acetyl-, Phosphat- oder Methylgruppen wirken auf die Stabilität der 30 nm-Faser ❖ Modifikationen beeinflussen Fähigkeit, an spezielle Proteine zu binden ❖ Modifizierungsmuster der Histonschwänze bestimmt, wie ein Chromatinbereich von der Zelle behandelt wird (methyli + acetyliert = transkriptionell aktiv; methyliert = transkriptionell inaktiv) ➔ Unterschiedlichen Modifikationen der Histonschwänze locken unterschiedliche Proteine an Struktur eines Interphasechromosoms variiert - Heterochromatin = stärkste kondensierte Form eines Interphasechromosoms - Grosser Teil der Heterochromatine enthalten keine Gene - Ein zufällig gewähltes X-Chromosom bei weiblichen Säugetieren wird schon früh zu Heterochromatin kondensiert und auf diese Weise inaktiviert - Euchromatin = dekondensierteste Form eines Interphasechromosoms 24 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 6 Replikation, Reparatur und Rekombination von DNA (S. 213-246) siehe Genetik I & II Allg. Informationen 1. Verdopplungsprozess der DNA = DNA-Replikation 2. Trotz Überwachung und Reparatursysteme können Mutationen auftreten 6.1 DNA-Replikation DNA-Stränge sind komplementär zueinander und dienen gegenseitig als Matrize des anderen Strangs ❖ Bei der DNA-Replikation wird für neue Tochterdoppelhelix ein Strang des Elternstrangs als Matrize verwendet; somit besteht eine Tochterdoppelhelix je aus einem Elternstrang und aus einem neu synthetisierten Strang - semikonservativ Vorgang der DNA-Replikation 1. Initiationsproteine binden an die DNA und ziehen Stränge auseinander (H- Brücken werden gebrochen) ❖ Replikationsursprung = Stelle, wo die DNA als erstes geöffnet wird (durch DNA-Sequenz gekennzeichnet) ➔ A/T-reiche Regionen, weil weniger Energie aufgewendet werden muss, um die lediglich 2 H-Brücken aufzubrechen ❖ DNA-Replikation findet an mehreren Stellen gleichzeitig ab ❖ An Replikationsgabel bewegt sich die Replikationsmaschinerie ➔ Bidirektional (arbeitet in zwei Richtungen) ❖ Durch DNA-Helicase unter Verwendung von ATP 3wird die DNA-Doppelhelix entwunden 2. DNA-Polymerase katalysiert die Anbindung von Nukleotiden an das 3’-Ende der wachsenden Kette ❖ DNA-Polymerase verwendet Energie aus Hydrolyse der beiden äusseren Phosphatgruppen und macht dadurch die Reaktion irreversibel ❖ DNA-Polymerase kann neuer DNA-Strang nur in 5’-3’-Richtung neu synthetisieren, d.h. sie liest in 3’-5’-Richtung des Elternstrangs ab ➔ Leitstrang 3’-5’ kann kontinuierlich synthetisiert ➔ Folgestrang 5’-3’ wird diskontinuierlich synthetisiert, es entstehen Okazaki-Fragmente, die durch die Ligase miteinander verbunden werden DNA-Polymerase korrigiert sich selbst - Falsche Basenpaarungen A/C oder G/T müssen vermieden werden - Korrekturlesen (3’-5’) erfolgt gleichzeitig wie die DNA-Synthese (5’- 3’)Sobald das richtig gepaarte 3’-Ende gebunden ist, kann ein nächstes Nukleotid angefügt werden Primer müssen an DNA binden, damit DNA-Polymerase mit Synthese starten kann - DNA-Polymerase benötigt ein korrekt gepaartes 3’-Ende, um die Synthese starten zu können - DNA-Polymerase ist deshalb nicht in der Lage, einen völlig neuen Strang zu beginnen, da dort ein 3’-Ende fehlt 25 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Ein Primer ist nötig, der das nötige 3’-Ende für die DNA-Polymerase bereitstellt - RNA-Primer wird am Leitstrang nur einmal am Replikationsursprung benötigt - RNA-Primer wird am Folgestrang ständig benötigt, weil diskontinuierliche Synthese - Reparaturpolymerase ersetzt RNA-Nukleotide mit DNA-Nukleotide - Primer machen häufig Fehler, diese werden aber durch die Reparaturpolymerase erkannt und durch die korrekte DNA ersetzt Telomerase: die Replikation der DNA-Ende 1. Das längere 3’-Ende des ursprünglichen Stranges wird von der Telomerase erkannt 2. Telomerase daran bindet und fügt zusätzlich TTAGGG Sequenzen an das 3’-Ende hinzu 3. Ein RNA-Primer kann weiter aussen binden und die DNA-Polymerase kann den gesamten DNA-Strang synthetisieren, damit am Schluss das 3’-Ende und das 5’-Ende wieder gleich lang sind und keine DNA verloren geht 26 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 7 Von der DNA zum Protein: Wie Zellen das Genom lesen (S. 247-285) Allg. Informationen 1. DNA codieren für Proteine, welche die wesentlichen Grundbausteine der Zelle sind - Bestimmen Struktur der Zelle - Bestimmten Funktion der Zelle 2. Jede Proteinart hat eine einzigartige Aminosäurensequenz, die die Faltung so dirigiert, dass ein Molekül mit einer bestimmten Form und Eigenschaft entsteht ➔ Informationen der DNA legen also diese Aminosäuresequenz fest 3. Proteinsynthese: DNA → RNA → Protein 4. Zentrales Dogma der Molekularbiologie: Alle Lebewesen exprimieren auf diese Weise (DNA → RNA → Protein) ihre genetischen Informationen 5. DNA – Transkription → RNA – Translation → Protein 7.1 Von der DNA zur RNA Gene können mit unterschiedlicher Effizient exprimiert werden - Jedes Gen kann mit unterschiedlicher Häufigkeit transkribiert und translatiert werden - Zelle kann Expression eines Gens den Bedürfnissen zu einem bestimmten Zeitpunkt anpassen Transkription - DNA-Sequenz wird in eine RNA-Sequenz umgeschrieben (transkribiert) - Unterschied zwischen DNA und RNA 1. Zucker von RNA ist Ribose, die von DNA Desoxyribose 2. RNA enthält anstelle von Thymin Uracil als Base (Adenin, Guanin, Cytosin, Uracil) 3. RNA immer einsträngig 4. DNA ausschliesslich Informationsspeicher, RNA hat auch strukturelle und katalytische Aufgaben 5. RNA-Sequenzen (einige Tsd. Nukleotide) sind kürzer als DNA (250 Mio. Nukleotidpaare) - RNA-Moleküle können intramolekulare Basenpaare ausbilden und falten sich zu spezifischen Strukturen Vorgang der Transkription - Lokale Öffnung und Entwindung der DNA-Doppelhelix - RNA-Polymerase liest 3’-5’-Matrizenstrang der DNA ab und synthetisiert RNA-Strang 5’-3’ (RNA-Strang = Transkript) - RNA-Polymerase braucht keinen Primer, sie kann sowohl initiieren als auch elongieren - RNA-Polymerase besitzt keine Korrekturfähigkeit - Mehrere RNA-Polymerasen transkribieren gleichzeitig ein Gen - Gen mit 1500 BP wird in ca. 50 Sekunden transkribiert → ca. 500 Aminosäuren (1500/3 = 500) 3 = Basentripplets codieren für eine Aminosäure Verschiedene Typen von RNA - Messenger RNA (mRNA) ❖ 1-2% der Zell-RNA, 300'000 mRNA-Moleküle pro Zelle, ❖ Codieren für Proteine ❖ Unterschiedlich in Länge und Sequenz - Transfer RNA (tRNA) ❖ 10-12% der Zell-RNA ❖ Verantwortlich für Proteinsynthese ❖ Ca. 75 Nukleotide lang ❖ 20-30 verschiedene Arten 27 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Ribosomale RNA (rRNA) ❖ 70-75% der Zell-RNA ❖ Grundstruktur und katalytisches Zentrum des Ribosoms ❖ Eine Art in kleiner Untereinheit, 2-3 Arten in grosser Untereinheit des Ribosoms - Verschiedene kurze RNA’s ❖ 2-5% der Zell-RNA ❖ Steuern RNA-Precessing, RNA-Stabilität, Translation, Protein-Sekretion, Telomerase, … ❖ 20-300 Nukleotide lang - Vorläufer der obigen RNA’s ❖ 10-15% der Zell-RNA im Zellkern ❖ Die meisten RNA’s müssen nach der Transkription irgendwie in die Endprodukte prozessiert werden Start- und Stoppvorgang der RNA-Polymerase bei Bakterien - Promotor = DNA-Sequenz, die den Startpunkt anzeigt ❖ Promotor ist asymmetrisch und bindet die RNA-Polymerase nur in eine Richtung (5’-3’) ❖ Je nachdem wie der Promotor an die DNA bindet, können beide DNA-Stränge als Matrize dienen - Sigma-Faktor = Untereinheit der bakteriellen RNA-Polymerase, die den Promotor auf der DNA erkennt und die RNA-Polymerase fester daran binden lässt ❖ Sigma-Faktor löst sich von der RNA-Polymerase, sobald diese mit der Transkription gestartet ist - Stopp-Stelle = Spezifische DNA-Sequenz, die den Endpunkt der RNA-Synthese anzeigt ❖ Stopp-Stellen sind oft G und C reiche Sequenzen, da diese 3 H-Brücken ausbilden und durch sog. Haarnadelstrukturen die RNA-Polymerase stoppen, da diese durch die H-Brücken nicht mehr weitersynthetisieren kann Eukaryontische Transkription ist komplex - 3 verschiedene RNA-Polymerasen (I, II, III) - Anstelle von Sigma-Faktor gibt es sog. Allgemeine Transkriptionsfaktoren (TFIIA-H) ❖ Regulieren Transkriptionsinitiation durch Bindung von Promotorsequenz - Gene sind weiter über die DNA verteilt - Mehr Flexibilität, um Gene zu regulieren - Verpackung der DNA im Chromatin muss bei der Transkription berücksichtigt werden RNA-Polymerase I ribosomale RNA’s (rRNA) RNA-Polymerase II mRNA und einige kurze RNA-Arten RNA-Polymerase III tRNA und einige andere kurze RNA-Arten Bindung der RNA-Polymerase erfolgt durch mehrere allg. Transkriptionsfaktoren - TFIID-Komplex (ein Transkriptionsfaktor) bindet zur «TATA»-Box, welches sich 25 BP stromaufwärts der Transkriptionsstelle befindet - Untereinheit des TFIID-Komplexes, das «TATA-Bindungsprotein» (TBP) bindet an die TATA-Box und biegt die DNA ➔ Biegung der DNA fungiert als Erkennungszeichen für weitere Transkriptionsfaktoren - TFIIB (ein weiterer Transkriptionsfaktor) bindet nun ebenfalls zur TATA-Box 28 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Nun kann die RNA-Polymerase II zusammen mit weiteren Transkriptionsfaktoren an den Promotor binden - Der «Schwanz» der RNA-Polymerase II wird sobald sie an den Promotor gebunden hat phosphoryliert ➔ Signal, dass die Transkription auslöst ➔ Nur phosphorylierte RNA-Polymerase kann transkribieren Nur dephosphorylierte RNA-Polymerase kann an Promotor binden - Nach Beginn der Transkription werden die meisten Transkriptionsfaktoren von der DNA freigesetzt Bearbeitung der eukaryontischen RNA’s - DNA befindet sich im Zellkern → Transkription findet im Zellkern statt - Proteinsynthese (Translation) findet an Ribosomen im Cytoplasma statt ➔ mRNA muss also zuerst vom Zellkern durch die Kernporen ins Cytoplasma gelangen - Im Zellkern finden während Transkription die RNA-Prozessierung statt ❖ Aufsetzen einer Kappe (Guanin mit einer Methylgruppe) am 5’-Ende des mRNA’s ❖ Polyadenylierung am 3’-Ende des mRNA’s → Poly-A-Schwanz ➔ Modifizierungen dienen zur Stabilität, Transport ins Cytoplasma und weisen das RNA-Molekül als mRNA aus - Die Zeitspanne, die ein mRNA-Moleküle in der Zelle verbringt, beeinflusst die Proteinmenge, die nach seiner Anweisung produziert wird, da dasselbe mRNA-Molekül viele Male translatiert werden kann (Regulation der Syntheserate) - RNA-Spleissen ❖ Introns: Enthalten keine Information zum Bau von Proteinen (länger) ❖ Exons: Enthalten die Informationen zum Bau von Proteinen (kürzer) ❖ Spleissen wird durch RNA-Moleküle und nicht durch Proteine durchgeführt ❖ Durch das Spleissen ist es möglich, aus derselben DNA-Sequenz verschiedene RNA zu transkribieren, es werden also auch teilweise Exons ausgeschnitten, falls diese in der Proteinsynthese nicht gebraucht werden ❖ Exons codieren oft für Proteindomänen ❖ Introns liegen oft zwischen den Proteindomänen ❖ Nur reife mRNA ist für die Zelle nützlich  Geschnittene Introns, gebrochene RNA oder falsche Transkripte müssen abgebaut werden, damit Bausteine wieder für die Transkription wiederverwendet werden können  Reife mRNA werden durch den Kernporenkomplex erkannt und werden ins Cytosol transportiert  Reife RNA interagiert mit Poly-A-Schwanz-Protein, «Cap»-Protein und Proteinen, die das vollständige Spleissen signalisieren 7.2 Von der RNA zum Protein Genetischer Code - Bedingungsanleitung, wie die Nukleotidsequenz eines Gens in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird - Nukleotidsequenz wird in Dreiergruppen gelesen (Tripplets) - 4 x 4 x 4 = 64 mögliche Kombinationen aus 4 verschiedenen Nukleotiden bestehend aus drei Nukleotiden, jedoch nur 20 Aminosäuren vorhanden ➔ Code ist redundant = manche Aminosäuren werden von mehr als einem Tripplet spezifiziert ➔ Fehler an der 3. Position (Wobble Position) kann toleriert werden - Codon = Gruppe aus drei aufeinanderfolgende Nukleotiden 29 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Aufgaben der tRNA’s - mRNA benötigt Adaptermoleküle (tRNA), um die Aminosäuren erkennen zu können - tRNA’s sehen aus wie Kleeblätter - Zwei ungepaarte Nukleotidbereiche auf tRNA’s haben entscheidende Funktionen 1. Anticodon: Tripplet auf dem tRNA, die mit dem komplementären Codon der mRNA paart 2. Kurzer einzelsträngiger Bereich am 3’-Ende: die Stelle, wo die Aminosäure, die zum Codon passt, an der tRNA befestigt ist - Befestigung der korrekten Aminosäure am 3’-Ende der tRNA erfolgt durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ❖ Für jede der 20 Aminosäuren gibt es eine eigene Synthetase ❖ Kopplung der Aminosäure an das RNA-Molekül ist gekoppelt mit der Hydrolyse von ATP Aufgaben der Ribosomen - Ribosom = Proteinfabrik, die an der mRNA entlangwandert, komplementäre tRNA’s einfängt und an einer bestimmen Position festhält und die Aminosäuren miteinander verknüpft - Bestehend aus über 50 Proteinen + RNA-Moleküle - Zusammensetzung aus grossen und kleinen Untereinheiten ❖ Kleine Untereinheiten teilt den Codons der mRNA die passende tRNA zu ❖ Grosse Untereinheit katalysiert die Bildung der Peptidbindung - Proteine werden im Endoplasmatischen Reticulum (ER) von mehreren Ribosomen synthetisiert - Ribosom besitzt drei Bindungsstellen für tRNA’s 1. A-Position: Aminoacyl-Position 2. P-Position: Peptid-Position 3. E-Position: Entwurf-Position - Zyklus der Translation in 4 Schritten 1. Beladenes tRNA-Molekül ○4 begibt sich an die A-Stelle, indem sie mit dem komplementären Codon des mRNA-Moleküls bindet; an der E-Stelle wird das unbeladene tRNA-Molekül ○2 freigesetzt 2. Aminosäure an der A-Stelle wird mit der Peptidkette verbunden, die von der tRNA ○3 an der benachbarten P-Stelle gehalten wird 3. Grosse Untereinheit verlagert sich ➔ Peptidtransferaseaktivität des Ribosoms wird aktiviert 4. Kleine Untereinheit verlagert sich ❖ tRNA ○3 befindet sich nun an der E-Stelle ❖ tRNA ○4 befindet sich nun an der P-Stelle 5. (1. Schritt) Beladenes tRNA Molekül ○5 begibt sich an die A-Stelle, … 30 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Struktur des Ribosoms - 2/3 RNA, 1/3 Proteine - rRNA’s bilden den Kern des Ribosoms und sind zu kompakten, genauen dreidimensionalen Strukturen gefaltet - Ribosomale Proteine befinden sich mehrheitlich an der Oberfläche des Ribosoms ❖ Stabilisieren den RNA-Kern ❖ Ermöglichen Konformationsänderungen der rRNA - RNA-Moleküle mit katalytischen Aktivitäten werden als Ribozyme bezeichnet Initiation der Proteinsynthese - Stelle, wo die Proteinsynthese beginnt ist von enormer Bedeutung, da hier der Leserahmen der gesamten Länge der mRNA festgelegt wird - Translation einer mRNA beginnt mit einem AUG-Codon, wofür eine spezielle tRNA benötigt wird ❖ Initiator-tRNA trägt immer Methionin als erste Aminosäure ❖ Initiator-tRNA Methionin ≠ tRNA Methionin 1. Initiator-tRNA interagiert mit Translationsinitiationsfaktoren und koppelt an der P-Stelle der kleinen Untereinheit des Ribosoms 2. Kleine Untereinheit des Ribosoms bindet an das 5’-Ende eines mRNA-Moleküls und bewegt sich vorwärts von 5’ zu 3’, bis das erste AUG auftaucht 3. Wird ein erstes AUG angetroffen, dissoziieren einige Initiationsfaktoren von der kleinen Untereinheit ab 4. Da das Initiator-Methionin an der P-Stelle gekoppelt ist, kann die Proteinsynthese an der A-Stelle beginnen Beendung der Proteinsynthese - Durch Anwesenheit eines Stopp-Codons wird das Ende der Proteinsynthese signalisiert ❖ UAA, UAG, UGA sind Stopp-Codons ❖ Stopp-Codons werden von tRNA nicht erkannt und der Einbau einer Aminosäure erfolgt nicht ❖ Release-Faktoren binden an jedes Stopp-Codon, das die A-Stelle erreicht  Bindung der Release-Faktoren verändert die Peptidyl-Transferase-Aktivität und veranlasst das Ribosom, anstelle einer Aminosäure ein Wassermolekül an die Peptidyl-tRNA anzufügen  Carboxyl-Ende löst sich von tRNA und Polypeptidkette wird ins Cytosol entlassen 31 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Polyribosome - mRNA wird gleichzeitig von mehreren Ribosomen translatiert - Ribosome haben auf der mRNA zueinander einen Abstand von ca. 80 Nukleotiden Wirkung von Antibiotika - Inhibitoren der prokaryotischen Proteinsynthese werden als Antibiotika benützt - Viele der Antibiotika wurden aus Pilzen isoliert Proteinabbau - Durch Proteasomen können kurzlebige und unerwünschte Proteine verdaut werden ❖ Im Innern der Proteasomen befinden sich die Enzyme Proteasen, die Proteine abbauen ❖ Abzubauende Proteine werden durch die Anbindung des kleinen Proteins Ubiquitin für den Abbau markiert Aktivierung von neu synthetisierten Proteinen - Viele Proteine benötigen noch Modifikationen, um als aktives Protein fungieren zu können - Mögliche Modifikationen ❖ Phosphorylierung ❖ Bindung von kleinen Cofaktor-Molekülen ❖ Zusammenlagerung mit anderen Proteinuntereinheiten - Chaperone sind Hilfsproteine, die die unfertige Proteine funktionsfähig machen 7.3 RNA und der Ursprung des Lebens Hypothese der RNA-Welt - RNA fungierte demnach sowohl als Speicher der Erbinformation als auch als Katalysator für chemische Reaktionen - Erst später übernahm DNA die Speicherung der Erbinformation Chicken-Egg-Problem - Nukleinsäuren sind nötig, um die Synthese von Proteine zu steuern, jedoch sind Proteine nötig, um Nukleinsäuren zu synthetisieren ➔ Welche Komponente ist zuerst entstanden??? - Ein RNA-Molekül ist prinzipiell in der Lage, sich selbst zu kopieren; Proteine sind das nicht - Ribozyme = RNA’s mit katalytischen Eigenschaften ❖ Durch einzigartige Faltung der RNA durch H-Brücken können RNA’s auch als Enzyme wirken ❖ Möglichkeit besteht, dass ein RNA-Molekül einst seine eigene Synthese katalysierte - RNA’s sind in der Evolution zeitlich vor den Proteinen und DNA einzuordnen 32 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 9 Wie sich Gene und Genome entwickeln (S. 317-347) Allg. Informationen 1. Verschiedenheit der Arten beruht auf einem sensiblen Gleichgewicht zwischen der konservativen Genauigkeit der DNA-Replikation (Erben der Vorzüge der Eltern), und den Fehlern der Replikation und Erhaltung des Genoms, die es den Organismen erlaubt, neue Eigenschaften «auszuprobieren» und neue Fähigkeiten zu entwickeln 9.1 Die Entwicklung genetischer Variation Artenvielfalt entstand durch die vielfache Variation schon existierender Ausgangsformen - Mutationen in einem Gen ❖ Austausch einzelner Nukleotiden ❖ Entfernen (Deletieren) von ein oder mehreren Nukleotiden ❖ Verdoppelung ein oder mehrerer Nukleotiden - Mutation innerhalb der regulatorischen DNA-Sequenz eines Gens ❖ Wann und wo ein Gen exprimiert wird, kann durch regulatorische DNA-Sequenzen beeinflusst werden - Genverdoppelung (Duplikation) ❖ Gen, DNA-Abschnitt oder gesamtes Genom kann verdoppelt werden - Neukombination von Exons (exon shuffling) ❖ Zwei oder mehrere Gene können gespalten und zu einem Hybridgen vereinigt werden ❖ Dieses Hybridgen besteht dann aus DNA-Abschnitten, die zuvor zu getrennten Genen gehört haben - Horizontaler Gentransfer ❖ Stück DNA kann vom Genom einer Zelle (oder einer anderen Art) in das einer anderen übertragen werden ❖ Weit verbreitet bei Bakterien, die so ihre Resistenz gegenüber Antibiotika durch die Übertragung von Plasmiden weitergeben können Spezialisierte Fortpflanzungszellen (Gameten) - Keimzelle, die eine Kopie des Genoms an die nächste Generation weitergibt - Spermium (haploid) + Eizelle (haploid) bilden nach Verschmelzung eine diploide Zygote ❖ Die haploiden Zellen werden durch den Prozess der Meiose generiert  2n – Chromosomverdopplung → 4n – Zellteilung → 2x 2n – Zellteilung → 4 x 1n ❖ Durch Crossing-Over (= homologe Rekombination) während der Meiose wird die genetische Vielfalt induziert 33 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman ❖ Keimbahn = Zelllinie, die die Keimzellen bildet  Somatische Zellen bestehen nur deshalb, um den Zellen der Keimbahn beim Überleben und bei der Fortpflanzung zu helfen  Mutationen werden nur dann an die nächste Generation weitergegeben, falls diese Mutation in einer Zelle der Keimbahn auftritt Punktmutationen - Veränderung, das nur ein einzelnes Nukleotidpaar betrifft - Einige dieser Mutationen verleihen der Zelle einen Selektionsvorteil - Mutationshäufigkeit bei E. Coli: 1 Nukleotidaustausch pro 109 Nukleotidpaare pro Zellgeneration Mutationshäufigkeit bei Menschen: 0,1 Nukleotidaustausch pro 109 kopierte Nukleotidpaare - Neutrale Mutation = Mutation, die keinerlei Auswirkungen auf den Organismus hat - Punktmutationen innerhalb einer codierenden Sequenz sind einfach zu erkennen, da die Aminosäureabfolge auf berechenbare Weise verändert wird - Punktmutationen innerhalb von regulatorischen DNA-Sequenzen sind schwieriger zu erkennen, da sie wie unbedeutende Veränderungen innerhalb langer DNA-Bereiche erscheinen, deren aktuelle Nukleotidsequenz scheinbar keine grosse Rolle spielt Evolutionstheorie (massiv vereinfacht) - Durch vorteilhafte oder neutrale Mutationen wird die genetische Vielfalt erhöht - Nachteilige Mutationen werden durch die natürliche Selektion eliminiert - Der Selektionsdruck wählt vorteilhafte Mutationen aus, verändert damit die genetische Zusammensetzung der Population und verringert die genetische Vielfalt ➔ Anpassung an veränderte Umweltbewegungen oder Entstehung neuer Arten Begriff der Mutationsrate - In molekularbiologischem Sinn ❖ Mutationen sind mehr oder weniger überall im Genom gleich häufig - In der Evolutionsbiologie ❖ Häufigkeit, mit der sich Mutationen in einer Population ausbreiten ❖ Mutationsrate von funktionell wichtigen Sequenzen < Mutationsrate von funktionell unwichtigen Sequenzen Phänomen der Genverdoppelung (Genduplikation) - Wichtiger Mechanismus für die Entstehung von Proteinfamilien - Wichtigster Mechanismus, um aus alten Genen neue Gene zu erzeugen ❖ Ist ein Gen verdoppelt, kann eines der beiden Genkopien mutieren und sich spezialisieren, um eine andere Funktion auszuüben - Entstehen durch ungleiche homologe Rekombination ❖ Genduplikation geht immer mit einer Gendeletion einher 34 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Phänomen der Neukombination von Exons (exon shuffling) - Entsteht durch ungleiches Crossing-Over - Wichtiger Mechanismus für die Entstehung von Proteinfamilien Fehlpaarung 9.2 Die Rekonstruktion des Stammbaums des Lebens Postgenomische Ära - Ära ab 2005 bis jetzt - Mittlerweilen haben wir von einigen Organismen die Genome fast komplett sequenziert (Archaea, Eubacteria, Pilze, Protozoen, Pflanzen, Tiere) Verwandtschaftsbeziehung unter Primaten - Menschen und Primaten teilen die gleichen 25'000 Gene - Fast gleiche Chromosomenstruktur - Sequenzen aller 4 Arten (Mensch, Schimpanse, Gorilla und Orang-Utan) unterscheiden sich lediglich in 1,5% vom letztgemeinsamen Vorfahren Vergleich Mensch – Maus - 180 Chromosomenbrüche/-Verschmelzungen haben Struktur der Chromosomen stark verändert - Centromer der Menschen ist submetazentrisch (mittig) und der Mäuse akrozentrisch (am Ende) - Viele Blöcke sind von konservierter Syntenie → Bereiche, bei denen entsprechende Gene mit der gleichen Reihenfolge verbunden sind - 50% der Nukleotide haben sich zwischen Mensch und Maus verändert ❖ In einigen Regionen wurden solche Veränderungen jedoch nicht toleriert und diese sind gleichgeblieben ❖ Sequenzen werden durch negative Selektion konserviert → Individuen mit Mutationen in wichtigen Genfunktionen können nicht überleben Das Genom von Vertebraten - Ca. die gleiche Anzahl an Genen, jedoch stark unterschiedliche Genomgrössen - Kleine Sequenzblöcke können schnell aus dem Genom verloren gehen oder zu den Genomen hinzugefügt werden Stammbaum aller Lebewesen - Hochkonservierte Sequenzen ermöglichen die Konstruktion eines molekularen Stammbaums aller Lebensformen - Gen, das in allen lebenden Arten konserviert wurde, war das Gen, welches für die rRNA’s codiert 35 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman - Welt der Lebewesen unterteilt sich in drei grosse Domänen: 1. Bacteria 2. Archaea 3. Eukaryoten 9.3 Die Untersuchung des menschlichen Genoms Menschliches Genom - 3,2 x 109 Nukleotidpaare auf 22 Autosomen und einem Geschlechtschromosom verteilt - Nur ein paar Prozent des Genoms codiert für Proteine und katalytische und strukturelle RNA’s - Beinahe die Hälfte der DNA besteht aus mobilen genetischen Einheiten ❖ LINEs und SINEs sind retrovirusartige Transposons, die sich selbst kopieren können - Umfangreiche Durchschnittsgrösse der Gene beträgt 27'000 Nukleotidpaare - Grösster DNA-Teil in einem Gen besteht aus nicht-codierenden Introns - Exons und regulatorische DNA-Sequenzen machen 2% des menschlichen Genoms aus - Genom besitzt ca. 25'000 Gene - Unterschiedliche Genome zwischen Menschen ❖ Meisten genetischen Variationen im menschlichen Genom sind Änderungen einzelner Basen (Punktmutationen), die Einzelnukleotid-Polymorphismen genannt werden = single-nucleotide polymorphism = SNP’s [snips] ❖ Zwei Genome von unterschiedlichen Menschen unterscheiden sich in ca. 2,5 x 106 SNP’s, die über das gesamte Genom verteilt sind ➔ Da SNP’s in einer so hohen Dichte im Genom vorkommen, stellen sie nützliche Marker bei genetischen Analysen dar (Korrelation zu Anfälligkeiten von Krankheiten) ❖ Menschen besitzen unterschiedlich lange repetitive Nukleotidsequenzen (CA- Wiederholungen) ➔ Unterschiede in der Anzahl CA-Wiederholungen werden eingesetzt, um bei Kriminalermittlungen u.Ä. bestimmte Personen über den DNA-Fingerabdruck zu identifizieren Vergleich Mensch – Schimpanse - Mensch und Schimpanse unterscheiden sich lediglich in 0,5% der Nukleotide innerhalb von 6 x 106 Jahren - Stark konservierte DNA-Sequenzen haben sich in 6 x 106 Jahren, in denen sich Mensch und Schimpanse auseinanderentwickelt haben, sehr stark verändert ➔ «Human accelerated regions» ➔ 50 dieser «Human accelerated regions» wurden als Gene, die für die Entwicklung des Nervensystems wichtig sind, identifiziert Noch zu klärende Fragen - Unterschied zwischen Mensch, Maus und Schimpanse hängt von der Regulation der Genexpression ab; wie die Regulator-DNA-Sequenzen funktionieren, ist noch relativ unbekannt - Wie funktioniert das alternative Spleissen? - Was ist die Rolle von nicht-codierenden RNA’s? 36 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Kapitel 11 Membranstruktur (S. 389-414) Allg. Informationen 1. Plasmamembran ist ein Gefäss, in dem eine lebende Zelle sich selbst reproduzieren kann 2. Plasmamembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht mit einer Dicke von ca. 5 nm 3. Funktion der Plasmamembran ist, den Zellinhalt vor dem Entweichen und der Vermischung mit dem umgebenden Medium zu schützen 4. Damit eine Zelle überleben kann, müssen Nährstoffe durch die Plasmamembran eintreten sowie Abfallstoffe hinaustreten können ➔ Um diesen Austausch zu ermöglichen, ist die Plasmamembran mit hochselektiven Kanälen und Pumpen durchsetzt (selektive Permeabilität) 5. Eukaryotische Zellen besitzen innere Membrane, die intrazelluläre Kompartimente umschliessen (Endoplasmatisches Reticulum, Golgi-Apparat, Mitochondrien) - Feine Unterschiede in der Membranzusammensetzung verleihen jedem Organell seine besondere Eigenschaft - Alle Membranen bestehen aus Lipiden und Proteinen 11.1 Die Lipiddoppelschicht Aufbau eines Lipids - Hydrophilen «Kopf» und hydrophober «Kohlenwasserstoff-Schwanz» - Phospholipide der Zellmembranen sind am «Kopf» mit dem Rest des Lipids durch eine Phosphatgruppe verbunden - Amphipathisch = Moleküle, die sowohl hydrophile und hydrophobe Eigenschaften aufweisen ➔ Hydrophiler Kopf wird von Wasser angestossen, hydrophiler Schwanz wird vom Wasser gemieden ➔ Hydrophile Köpfe treten an beiden Seiten der Oberfläche mit der wässrigen Umgebung in Kontakt - Flexibilität = Fähigkeit der Membran, sich zu biegen Lipiddoppelschicht ist eine zweidimensionale Flüssigkeit - Phospholipidmoleküle machen selten einen Purzelbaum (Flip-Flop) ❖ Enzym Flippase kann Phospholipide schnell auf die andere Seite der Membran befördern - Durch die Wärmebewegung wechseln die Phospholipidmoleküle oft mit ihrem Nachbarn den Platz ❖ Wenn die Temperatur abnimmt, senkt der Abfall der Wärmeenergie die Bewegungsgeschwindigkeit der Phospholipidmoleküle, wodurch die Fluidität der Doppelschicht nachlässt ❖ Fluidität = Leichtigkeit, mit der sich Lipidmoleküle innerhalb der Ebene der Doppelschicht bewegen können  Abhängig von der Beschaffenheit der Kohlenwasserstoffschwänze  Länge und Anzahl der Doppelbindungen beeinflussen die Fluidität 37 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman  Kürzere Ketten erhöhen die Fluidität  Ungesättigte Fettsäuren enthalten Doppelbindungen und somit einen «Knick» und erhöhen somit die Fluidität der Membran, da die Schwänze so weniger dicht zusammendrängen können  Cholesterin in tierischen Zellen modulieren die Membranfluidität, indem sie die Zwischenräume zwischen benachbarten Phospholipidmolekülen ausfüllen → Fluidität nimmt ab Das Sterol Cholesterin - Bei warmen Temperaturen (37°C) beschränkt es die Bewegung der Phospholipide - Bei kühlen Temperaturen gewährleistet es, dass die Membran flüssig bleibt, indem es ein enges Packen der Phospholipide verhindert - Das Sterol kann bis zu 20% der Membranlipide ausmachen Die Membran und ihre Eigenschaften - Membranproteine bestimmten die meisten spezifischen Eigenschaften der Membran - Durch Abkühlung gehen Membranen vom flüssigen in einen festen Zustand über (typabhängig) - Membranen mit mehr ungesättigten Fettsäuren sind flüssiger als solche mit vielen gesättigten Fettsäuren - Um zu funktionieren, müssen Membranen flüssig sein - Lipiddoppelschicht ist asymmetrisch ❖ Oberflächen der beiden Lipidschichten unterscheiden sich ❖ Unterschied zwischen cytosolische Seite und nicht-cytosolische Seite ❖ Asymmetrie wird während des Membrantransports beibehalten - Membransynthese findet im ER statt ❖ Durch Abschnüren vom ER wandern die Vesikel zu anderen Membranen, wo sie durch Verschmelzen in die Membran eingebaut werden - Glykolipide = Lipide mit der auffälligsten und konsequentesten asymmetrischen Verteilung ❖ Kommen hauptsächlich in der Plasmamembran auf der nicht-cytosolischen Seite vor 11.2 Membranproteine Membranfunktion durch Membranproteine - Plasmamembran besteht aus 50% Proteinen - Transportieren Nährstoffe, Metaboliten und Ionen - Verankern die Membran an Makromolekülen - Rezeptoren, die chemische Signale in der Umgebung der Zelle aufspüren und sie an das Zellinnere weiterleiten - Manche arbeiten als Enzyme und katalysieren Reaktionen 38 Zusammenfassung Zellbiologie Kapitel 1-7, 9, 11-15, 17 Universität Bern Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie (u.a. Alberts) Ellen Straalman Die Verankerung der Proteine in der Membran - Proteine können sich durch die Doppelschicht von innen nach aussen erstrecken (A) - Proteine können vollständig im Cytosol lokalisiert sein und durch eine amphipathische α-Helix auf der Proteinoberfläche mit der Innenschicht der Membran verbunden sein(B) - Proteine können vollständig ausserhalb der Doppelschicht liegen und nur durch kovalent verknüpfte Lipidgruppen an die Membran gebunden sein (C) - Proteine können nur indirekt durch Wechselwirkungen mit anderen Membranproteinen an ihrem Platz gehalten werden (D) Die Durchquerung der Lipiddoppelmembran - Polypeptidketten (Proteine) durchqueren die Membran als α-Helices ❖ Peptidbindungen, die die einzelnen Aminosäuren miteinander verbinden sind polar und somit ist das Rückgrat des Proteins hydrophil  Da in der Lipiddoppelschicht kein Wasser vorkommt, werden die Peptidbindungen dazu gezwungen, miteinander H-Brücken zu bilden  Zahl der H-Brücken wird maximiert, wenn die Po