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Zusammenfassung Biologie Semester 2 Inhalt A: Biophysik der Zellen (K. Weiss)........................................................................................................... 3 Vorlesung 1.....................................................................................................

Zusammenfassung Biologie Semester 2 Inhalt A: Biophysik der Zellen (K. Weiss)........................................................................................................... 3 Vorlesung 1......................................................................................................................................... 3 Vorlesung 2......................................................................................................................................... 6 B: Zellbiologie der Prokaryoten............................................................................................................ 13 Zusammenfassung............................................................................................................................ 13 Vorlesung 1....................................................................................................................................... 15 Vorlesung 2....................................................................................................................................... 25 Vorlesung 3....................................................................................................................................... 34 Vorlesung 4....................................................................................................................................... 42 C: Konzepte in Eukaryoten (Y. Barral)................................................................................................... 54 Vorlesung 1....................................................................................................................................... 54 Vorlesung 2....................................................................................................................................... 64 Vorlesung 3....................................................................................................................................... 69 D: Eukaryotische Genexpression (F. Allain).......................................................................................... 75 Vorlesung 1....................................................................................................................................... 75 Vorlesung 2....................................................................................................................................... 83 Vorlesung 3....................................................................................................................................... 93 E: Kompartimente und Proteinsortierung (I. Zemp und U. Kutay)..................................................... 104 Zusammenfassung.......................................................................................................................... 104 Vorlesung 1..................................................................................................................................... 107 Vorlesung 2..................................................................................................................................... 120 Vorlesung 3..................................................................................................................................... 128 F: Vesikulärer Transport (U. Kutay)..................................................................................................... 137 Zusammenfassung.......................................................................................................................... 137 Vorlesung 1..................................................................................................................................... 140 Vorlesung 2..................................................................................................................................... 147 Vorlesung 3..................................................................................................................................... 155 Vorlesung 4..................................................................................................................................... 163 Vorlesung 5..................................................................................................................................... 171 G: Membranlose Kompartimente (K. Weiss)...................................................................................... 179 Zusammenfassung.......................................................................................................................... 179 Vorlesung 1..................................................................................................................................... 179 Seite 1 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Vorlesung 2..................................................................................................................................... 185 H: Zellteilung (M. Peter)...................................................................................................................... 189 Vorlesung 1..................................................................................................................................... 189 Vorlesung 2..................................................................................................................................... 196 Vorlesung 3..................................................................................................................................... 200 Vorlesung 4..................................................................................................................................... 207 I: Funktionelle Vielfalt bei Eukaryoten (Y. Barral)............................................................................... 213 Zusammenfassung.......................................................................................................................... 213 Voresung 1...................................................................................................................................... 213 Seite 2 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 A: Biophysik der Zellen (K. Weiss) Vorlesung 1 Der menschliche Körper besteht aus 50-100 Trillionen Zellen. Nur 10% davon sind menschliche Zellen, 90% sind Mikroben (Mikrobiom). Robert Hooke War der erste Wissenschaftler, der Mikroorganismen unter dem Mikroskop untersucht hat. Hat den Begriff Zelle erfunden. Zellwachstum und Zellteilung Das Zellwachstum und die Zellteilung laufen in koordinierten Zyklen ab (= Zellzyklus). Einer dieser Zyklen wird als Generation bezeichnet. Zellen vermehren sich (in optimalen Bedingungen) Exponentiell (2n). Generation Time und Anzahl Zellen berechnen Zellwachstum Rechnung Eine E.Coli Zelle besitzt 3 x 106 Proteine. Wenn sie sich alle 20-30 Minuten (1500s) teilt, so muss sie in diesem Fall 2000 Proteine/s synthetisieren. Ein Protein hat ca. 3000aa, somit muss der Translationsapparat 6 x 105 aa/s verarbeiten. Jede Zelle besitzt ca. 20 000 Ribosomen. Das bedeutet jedes Ribosom muss 30aa/s translatieren. Es wurde herausgefunden, dass Ribosomen ca. 20-30aa/s synthetisieren können. Das bedeutet, wenn die Zelle die höchstmögliche Teilungsanzahl erreichen will, müssen die Ribosomen an ihrem maximalen Translationsvolumen Operieren. Seite 3 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Die DNA Polymerase kann ca. 250-1000bp/s replizieren. Das ist in etwa das, was die Zelle in einem Zyklus replizieren muss, um das gesamte Genom zu verdoppeln. Generationszeit im Vergleich zum Zellvolumen Im Volumen um ein Vielfaches grössere Zellen müssen viel mehr Proteine synthetisieren, aber ihre Generationszeit ist trotzdem nicht viel höher (siehe links). Das bedeutet, dass grössere Zellen auch ein viel grösseren Protein und DNA Synthetisierungsapparat besitzen müssen. Ausserdem wichtig: Je grösser das Volumen einer Zelle, desto kleiner seine Oberfläche im Vergleich zum Volumen. Die Oberfläche könnte also limitierend für das Zellwachstum sein. Otto Warburg Hat herausgefunden, dass sich schnell teilende Zellen (Hefe, menschliche Krebszellen) oft Glykolyse betreiben. Somit scheint nicht die Anzahl Energie in Form von ATP limitierend für das Zellwachstum zu sein (Glykolyse erzeugt 2 ATP, Atmung 38 ATP), sondern die Anzahl Baustoffe. Dicht bebackte Zellen Zellen sind sehr dicht bepackt (crowded). Als Faustregel kann man sich merken, dass der Abstand zwischen zwei Molekülen entwa so gross ist, wie das Molekül selbst. Je mehr Moleküle sich in einer E. Coli Zelle befinden, desto höher die Konzentration (nM). Je grösser ein Molekül, desto kleiner die Konzentration. Seite 4 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Entkopplung Zellwachstum und -teilung Beispiel 1: Teilung ohne Wachstum im frühen Wachstum (Zellenzahl wird erhöht, ohne Wachstum) Beispiel 2: Wachstum ohne Teilung, beim Muskelzellen trainieren werden die Zellengrössen erhöht, aber es entstehen keine neuen Zellen durch Teilung Antwortzeit (Response time) Die Antwortzeit gibt an, wie schnell eine Zelle auf eine Veränderung reagieren kann (z.B. Änderung der Anzahl eines Proteins). Die Response Time ist für ein stabiles Protein nur von der Verdünnung durch Zellteilugn abhängig. (Das stabile Protein wird mit der Zeit immer weniger vorhanden sein, bis hin zu komplett verschwinden durch Verdünnung). Dies würde extrem lange dauern. Aus diesem Grund ist für die Zelle nicht nur Synthese, sondern auch abbauch wichtig. Menge eines Proteins in einer Zelle werden also durch folgende Faktoren bestimmt: 1. Rate der Synthese 2. Rate des Abbaus (Degradierung und Verdünnung) Seite 5 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Die Response Time (Halbwertszeit) ist nur abhängig von der Abbaurate. Die Syntheserate bestimmt zwar, wie steil obige Kurve ist, jedoch wie lange es geht, bis sich wieder ein neuer Steady State bildet ist nur abhängig davon, wie schnell ein Protein abgebaut wird. Folge: Ein Protein, welches sich schnell regulieren muss, muss eine kurze Halbwertszeit haben. Stabile Proteine, die sich nur durch Verdünnung abbauen können, haben eine sehr lange Halbwertszeit. Reaktionszeit gewährleisten zu können. Vorlesung 2 2. Gesetz der Thermodynamik Der Gleichgewichtszustand der Entropie (= Mass der Unordnung) liegt auf der Seite der grösseren Unordnung -> 2. Gesetz der Thermodynamik. Will man wieder eine Ordnung erschaffen, so muss man Energie anwenden. Zellen müssen konstant Energie aufwenden, um diesen Gleichgewichtszustand auf der Seite der grösseren Ordnung zu halten. Durch Abgabe von Hitze wird das mass Der Ordnung in der Zelle erhöht und das der Umgebung erniedrigt. Aber: Entropy ist nicht nur ein Mass der Unordnung, sondern eher ein Mass der Wahrscheinlichkeit. Beispiel: Box mit 1000 Münzen wird geschüttelt. Die Wahrscheinlichkeit, dass 500 Kopf sind und 500 Zahl ist höher als z.B. 1000 Kopf oder 1000 Zahl. Dies weil es viele verschiedene Möglichkeiten für 500/500 gibt, für 1000 Kopf/Zahl gibt es lediglich eine Möglichkeit. Seite 6 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 wenn gilt: 500/500 Die Gibbs Freie Energie wird definiert durch: Enthalpie minus Temperatur mal Entropie: Was man daraus lernen kann: Die grösste mögliche Unordnung hat die grösste Wahrscheinlichkeit. Diffusion Wenn man eine Box mit Teilchen in einer Ecke schüttelt (Wärme) werden die Teilchen sich mit der Zeit am wahrscheinlichsten in der ganzen Box verteilen. Am wahrscheinlichsten ist die grösstmögliche Unordnung. Das ist die Treibende Kraft der Diffusion. Diffusion genannt. Diese Bewegung hat keine Richtung. Thermische Diffusion beobachten, zwei Möglichkeiten: 1. Mehreren Partikeln über einzelne Schritte folgen 2. Einzelnen Partikeln über mehrere Schritte folgen Im Bild Oben sieht man die Bewegung, die ein Teilchen machen könnte. Diese Bewegung wurde rechts in ein Diagramm eingetragen. Ist eine Bewegung xi, dann gilt: -> Da positive sowie negative x vorkommen Also die Durchschnittliche Distanz nach einer gewissen Zeit eines Teilchens ist nach der thermischen Diffusion, wenn keine Zusätzliche Energie zugeführt wird am wahrscheinlichsten 0. Seite 7 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Mean Square Displacement (MSD) Nach einer Zeit durchschnittliche Verschiebung im Quadrat ist nicht 0 (es sei denn es fand gar keine Positionsänderung statt). -> Durch das Quadrat nur noch positive x Dies führt zu folgender Gleichung: Einsteins Diffusionskonstante (T = Temperatur, kB = Boltzmann konstante): Drei Möglichkeiten für MSD: a: MSD in Freiem Raum (z.B. Ozean) -> normale Diffusion b: MSD in beschränktem Raum (z.B. Gefäss) -> normale Diffusion c: MSD in der Zelle, da die Zelle sehr stark bepackt ist -> abnormale Diffusion Zusätzlich: Fast exponentieller Graph: Kann sich um aktiven Transport handeln (siehe weiter unten) Seite 8 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Das Diffusionsverhalten eines Moleküls ist auch abhängig von ihrer Grösse: Dextran ist ein Zucker, welcher in verschiedenen Grössen vorhanden ist, genauso wie DNA. Je grösser das Molekül, desto kleiner auch das Verhältnis des Diffusionsverhaltens im Cytoplasma mit dem im Wasser. Oder je grösser das Molekül desto grösser die Differenz zwischen D von Cytoplasma und D von Wasser. Im Bild links stellen die Kästen Möglichkeiten für Moleküle dar sich aufzuhalten. Überlegung: Wie wahrscheinlich ist es, dass ein Ligand den Rezeptor findet? Crowding Moleküle sind (in unserem Modell) stationäre Moleküle, die die Ligandmoleküle bei der Diffusion behindern. Je mehr Crowding Moleküle desto grösser die Wahrscheinlichkeit, dass der Ligand den Rezeptor findet, da der Ligand weniger mögliche Wege zur Diffusion hat. Crowding erhöht die «effektive» Konzentration Dies lässt sich auch experimentell bestätigen: Auf der Grafik links wird die Kurve nach links verschoben, wenn crowding höher ist (schwarze Punkte). Somit wird die Wahrscheinlichkeit, dass Ligand und Protein zusammenstossen erhöht, je mehr crowding vorliegt. Crowding hat also zwei Seiten: Zwar verlangsamt es das Diffusionsverhalten von v.a. grossen Molekülen, auf der anderen Seite aber erhöht es die Wahrscheinlichkeit, dass ein Ligand ein Rezeptor trifft. Seite 9 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Passive Diffusion und aktiver Transport Passiver Transport: Aktiver Transport: - Kein Energie Input - Transport durch Membrane (geg Gradient) - Freie Diffusion / Brownian Bewegung - Direkter Transport: Motorproteine - Erleichterte Diffusion (durch Membranprotein) Zellen operieren nicht am Gleichgewichtszustand So erzeugen Zellen Ordnung Ein für die Zelle unvorteilhafter Metabolit (x) und ein vorteilhafter (y) stehen im Gleichgewicht und das Gleichgewicht liegt auf der x Seite. Die Zelle erzeugt in diesem Fall Ordnung, indem eine weitere Reaktion gekoppelt wird (y -> z). Bei dieser Reaktion liegt das Gleichgewicht auf der Seite von z. Dadurch wird die Menge von x deutlich verringert. Am Ende wird trotzdem ein Gleichgewichtszustand ohne Nettofluss (x,y,z Menge ändert sich nicht mehr)erreicht. Die Zelle generiert Nettoflüsse, indem zum Beispiel ATP verwendet wird um die Reaktion y -> z irreversibel zu machen. Dadurch ist dann fast kein x mehr vorhanden. Beispiel wie ein Gleichgewicht verwendet wird um Ordnung zu Schaffen Seite 10 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Zuerst wird raum geöffnet, da Picasso Liebhaber länger drin Bleiben ist Anteil an Liebhabern im Museum grösser. Dann wird nur noch ein one Way Ausgang geöffnet. Ergebnis: Alle Nichtliebhaber haben das Museum verlassen mit nur sehr wenig Einbusse an Liebhabern. Also: Wenn man zuerst Equilibrium schliesst und dann mit einer irreversiblen Reaktion koppelt, so wird der gewollte Stoff häufig angereichert. Beispiel aus der Biologie: Translation Zum Teil ist Unterschied zwischen tRNA Anticodons nur eine Base (sehr geringer Energieunterschied). Somit können Fehler entstehen (1:10000). Links sieht man, wie die Reaktion der Bindung abläuft. Sowohl C als auch d tRNA kann an das Codon binden. Da die tRNA Moleküle zufällig an die Aktive Stelle des Ribosoms gelangen ist kon ähnlich. Lediglich koff ist stark unterschiedlich. Allerdings beträgt die Differenz der beiden k Werte lediglich 1/100. Die sehr geringe Fehlerrate wird so erreicht: GTP Ase (EF Tu) kann an tRNA binden und bindet zusammen mit tRNA an ein RNA Codon. Dann hydrolisiert GTP eine Phosphatbindung und erzeugt so ein «Drehkreuz» ähnlich dem Museumsbeispiel, denn die Reaktionen 2 -> 3 und 3 -> 1 werden irreversibel. Dadurch ist die tRNA gezwungen länger an der RNA zu binden. Wenn die tRNA stimmt, so wird sie auch weiterhin binden (4). Stimmt sie nicht wird sie die RNA viel eher wieder verlassen (direkt Seite 11 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 wieder zu 1). Am Punkt 1 kann die Reaktion von vorn beginnen. Die Zelle verbraucht also Energie, um die Fehlerrate zu erniedrigen. Diese Reaktion garantiert zusätzlich eine Fehlerrate von 1/100 zusammen mit den anderen 1/100 der unterschiedlichen koff Werte ergibt sich eine Fehlerrate von 1:10000. Gorter und Grendel Experiment Links eine Skizze des Langmuir apparatus. Gorter und Grendel wollten 1925 dieses System verwenden, um herauszufinden, wie gross die Oberfläche einer Zelle ist. Dies haben sie dann gemessen, genauso wie sie die Oberfläche einer Zelle abgeschätzt hatten. Sie fanden heraus, dass das Verhältnis geschätzter Oberfläche zu Lipid Oberfläche immer 1 : 2 war. So haben sie entdeckt, dass es sich bei der Zellmembran um einen Bilayer handeln muss. Doch es gab zwei Probleme mit dem Experiment: hätten sie andere Zellen (mit Intermembransystemen) verwendet hätten sie falsche Ergebnisse bekommen. Ausserdem haben sie unter dem Mikroskop nicht die richtige Form der Erythrozyten erkannt. Dies wurde durch Zufall ausgeglichen, da ihre Aufreinigung mit Azeton einen kleinen Teil der Lipide zerstörte. Seite 12 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 B: Zellbiologie der Prokaryoten Zusammenfassung (Unbeding können) Vorlesung: 1 Prokaryotische Zellteilung und Form - Zellteilung ist für jede Spezies sehr wichtig - Actin-, Tubulin- und ESCRT-III Homologe Kontrollieren Zellteilung und -form - Homologe in Archen und Bakterien (mit unterschiedlichen Funktionen?) - Archaele Versionen von Homologen sind Vorfahren von eukaryotischen Gegenstücken - Diversität: Da drei Hauptmechanismen zur Verfügung stehen, und die noch mutieren können, gibt es eine grosse Diversität: Die phylogenetische Position von Prokaryoten kannn nicht vorhergesagt werden durch seine Morphologie (= Form) und anders herum. Beispiel: Alphaproteobakterien besitzen alle eine unterschiedliche Form obwohl sehr nah verwandt. Vorlesung 1: Zellstrukturen - Bakterien und Archaeen haben unterschiedliche Lösungen für dasselbe Problem - mehrere Varianten - - Äussere Oberfläche Gram oder Kapseln: Zucker - Äussere Oberfläche Gram+: modifizierte, phosphorylierte Alkohole - Äussere Oberfläche Archaeen: Negativ geladene 2D kristalline Schicht (S-Layer) - Das Cytoskelett der Bakterien kontrolliert die Zellhüllen Biosynthese, Wachstum, form sowie Zellteilung. Einige Elemente sind konserviert in Eukaryoten - Barriere führt zu Transportproblemen -> Spezialisierte Lösungen (Transporter, Flipasen, äussere Membran Porine) erlauben den Zusammenbau äusserer Strukturen (Peptidoglycan, LPS) oder den Wechsel von Metaboliten Vorlesung 2: Motilität (Fähigkeit zur Bewegung) - Chemotaxis Rezeptoren erkennen Nährstoff Konzentrationen, welche 10 100 Mal kleiner sind, als die Zelle benötigt um Effizient wachsen zu können. Sie erhöht die Wahrscheinlichkeit der Zelle in strukturierter Umgebung (= Nährstoffe sind nicht gleich verteilt) schneller wachsen zu können. - Biased random movement -> voraussagbare Bewegung in Richtung Attraktant aber nicht direkt (run / tumble) - Die Motilität ist ein Beispiel der biologischen Signalübertragung - Membran Rezeptoren = Sensoren - Signalintegration durch CheY - Signalverstärkung durch Protein Phosphorylierungs Kaskaden Seite 13 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 - Protein Phosphatasen werden verwendet, um das System zurückzusetzen (garantiert schnelle Reaktionszeit) - aber: Bauplan der Flagellen ist grundsätzlich gleich, lediglich Unterschiede zwischen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten Vorlesung 2: Antibiotika Antibiotika: - Hindern Bakterien in ihrem Wachstum oder töten sie ganz - Werden häufig aus Bakterien isoliert Genetische Resistens - Mutationen - Resistente Gene (möglicherweise auch aus anderen Stämmen) Toleranz, Persistenz - Weitverbreitet - Genotyp ist unverändert - Kann Antibiotikatherapie erschweren Endosporen - Beispiel von Zelldifferentiation - Genotyp ist unverändert - Überleben über langen Zeitraum Vorlesung 3: Die wichtigsten Transduktionssysteme der Bakterien Bakterien analysieren die Umwelt (Chemikalien, nährstoffe, Physio- chemische parameter), welche als Input für das Berechnen der optimalen Anpassung dienen. Seite 14 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Die Zellhülle dient als Filter und beeinflusst so, welche Signale die Rezeptoren (LBD) erreichen. In Bakterien kommen 3 Signal Transduktionssysteme häufig vor (siehe oben). Vorlesung 3: Regulierung der Genexpression Regulierung: Optimales Wachstum oder Überleben in einer bestimmten Umgebung Sekundäre Messengers: Nukleoide Derivative Gleichgewicht: wird erreicht in konstanten Umgebungen Richtige Umgebungen sind Strukturiert und beherbergen Interaktionspartner Da Umgebungen meist nicht konstant sind, müssen sich Bakterien konstant ändern (Interaktionsnetzwerke, Phänotypische Anpassung), siehe Schema links. Vorlesung 4: DNA in Prokaryoten - Genome werden permanent evolviert - Neue DNA wird durch horizontalen Gentransfer erworben - Verteidigungen limitieren Vireninfektionen (Co- Evolution) - Diversität durch Mutation, Genduplikation, Transposbalmen Elementen - Genom Umlagerungen minimieren die Genomgrösse und optimieren seine Struktur Vorlesung 1 Mikrobiologie hilft, die Geschichte des Lebens besser zu verstehen (alles beginnt mit LUCA) und Mikroorganismen sind ein Prototyp des Lebens (einheitliche Prinzipien wurden von Prokaryoten übernommen und bieten spezielle Lösungen für z.B. Therapien oder Immunabwehr). Ausserdem gibt es praktische Gründe wie Biotechnologie, Risikobeurteilung, Düngung oder das Lösen von Antibiotika Resistenz Problemen. Seite 15 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 FISH Fluorescent in situ hybridization färbt verschiedene Bakterien sodass sie unter dem Lichtmikroskop unterschieden werden können. Dabei werden konservative und nicht konservative Sequenzen von rRNA ausgenutzt (da sie in allen Organismen vorkommt). Durch die hoch konservierten Regionen lassen sich Bakterien von Archen unterscheiden, durch die Variablen Regionen (V1 V9) können dann Diese Technologie kann verwendet werden um Mikroorganismen zu entdecken, zu spezifizieren oder Ribosomale RNA Sequenzen zu erkennen. Bakteriengrösse Bakterien sind klein (0.25 3 m), dieses Wissen erlaubt zwei Dinge: 1. Sterilisierung einer Probe durch Filter mit z.B. 0.2 m Porendurchmesser 2. Menge an Bakterien kann bestimmt werden durch Trübung einer Flüssigkeit (andere wellenlänge) -> Turbidimetrie, siehe unten Seite 16 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Der Tyndall Effekt ist: Licht streut sich durch Partikel, da es mit ihnen kollidiert. Je mehr Partikel, desto mehr streut es sich. Das Licht kann dann durch ein Spektrophotometer gemessen werden. Je mehr Licht durchdringt, desto mehr Bakterien sind vorhanden. E. coli: 1-2x 109 Zellen / ml entspricht OD540 = 1 Zellformen von Bakterien und Archen Zellmembranen Wichtig: Phosphatidylethanolamin lernen! Seite 17 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Die Zellmembran hat 3 Aufgaben: 1. Permeable Membran verhindert unkontrollierten Austausch von Makromolekülen und garantiert evolvierbarkeit (eine Zelle kann effizienter als eine andere sein) 2. Proteinanker für Membranproteine und Chemosensoren 3. Batterie Durch Protongradient kann ATP Ase ATP hergestellt werden (oder ATP aufwenden um Protongradient aufrechtzuhalten) Zellhülle von Prokaryoten Die Zellhülle enthält die Zytoplasmamembran, Zellwand, Wand verbundene Moleküle und äussere Membran / S-layer L-Form (sehr selten) - Besitzen keine Zellwand (besitzen aber Enzyme um eine herzustellen) - Möglicherweise war LUCA in L-Form - Hochsensitiv zu Osmotischer Lysis (Auflösung von Zellen nach Zerstörung ihrer Membran) Zellwand von Bakterien Andere Worte für Zellwand sind: Peptidoglycanschicht und Morinsacculus. Sie schützt die Bakterie vom osmotischen Tod. Evolution: Bereits vorhanden in LUCA, Ursprung von Cytoskelett Proteinen und Glycosyl Transferasen. Medizin: Ziel einiger unserer besten Antibiotika und triggert die Immunantwort. Seite 18 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Die Zellwand besteht aus sich repetierenden Disaccharide- Tetrapeptide (zwei Zuckerreste, M, G), welche durch u.a. D- Aminosäuren (sehr selten in der Biologie!) verbunden werden. Es handelt sich um D-AS, um Protease Resistenz zu garantieren. DAP ist eigendlich ein Lysine mit einer COOH Gruppe dran, es gibt auch die Möglichkeit, dass Lysine anstelle von DAP verwendet wird. Peptidoglycan Biosynthese Um zu wachsen muss das Bakterium eine limitierte Hydrolyse, also einen Schnitt der Zellwand (durch Autolysin Enzyme) durchführen. Danach können durch eine Synthese neue Murein Einheiten hinzugefügt werden. Links sieht man die Teilung von zwei Bakterien. Die Mureinschicht wächst nach innen (gelb) und in der Mitte dieser neuen Mureinschicht werden zwei Schichten durch Hydrolyse gebildet. Es entstehen zwei Zellen mit je eigener Zellwand, ohne Risiko durch osmotischen Tod. Murein Bausteine werden vom zentralen Metabolismus geliefert. Es gibt ein Vorläufermolekül (Penta-Peptid, roter Knick sowie die beiden Zucker, M/G), welches an ein Bactoprenol bindet. Das Bactoprenol wird dann unter Energieaufwand mit dem Vorläufermolekül auf die andere Seite der Zellmembran gedreht und kann in die Zellwand eingebaut werden. Murein Bausteine werden mithilfe von zwei enzymatischen Schritten (oft mithilfe desselben Proteins): 1. Transglycosylase schafft eine neue Verbindung und fügt so den neuen Baustein in die Murein Schicht ein. Die Energie kommt von der Phosphodiester Bindung am Bactoprenol, welche dafür aufgespalten wird (roter Kreis). 2. Transpeptidase spaltet eine Peptidbindung (ein D-Ala wird entfernt) und formt eine neue Peptidbindung (schwarzer Pfeil). Es wird aus einem Pentapeptid ein Tetrapeptid. Seite 19 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Transpeptidase Penicilin und D-Ala-D-Ala sieht sich relativ ähnlich und kann so an die Transpeptidase binden. Danach führt eine chemische Veränderung im Penicilin dazu, dass die Bindung Penicilin-Transpeptidase irreversibel wird. Dies macht die Transpeptidase unbrauchbar. Dies führt zu «Löchern» im Mureinsacculus und später zum Zelltod durch Osmose (Zelle platzt da sie zu viel Wasser aufnimmt). Regulierung des Peptidoglycan Wie man im Bild links sehen kann, gibt es zwei Wachstumszonen für neues Murein: - Entlang der Bakterienachse: Wird durch MreB Filamente reguliert, welche - Beim Septum: Für die Zellteilung muss in der Mitte der Zelle neues Murein gebildet werden (siehe oben). Dieser Vorgang wird durch FtsZ kontrolliert. Im Bild links in Grau sind Antiregulatoren (verhindert, dass FtsZ sich an der Falschen Stelle aufbaut, zwingt es, eine Ringförmige Struktur in der Mitte zwischen einer sich teilenden Zelle aufzubauen. Wichtig: - Wachstum wird stark reguliert - Stäbchenbakterien wachsen wie oben gezeigt (entlang ihrer Achse und in der Mitte) - Cytoskelett Proteine Rekrutieren und bewegen Proteine, welche für die Peptidoglycan Synthese benötigt werden. Seite 20 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Zellteilung Divisome Komplex = Murin Biosynthese Maschinerie = Koordination von Chromosomteilung, Peptidoglycan und Membranbiosynthese am Septum Wichtige Divisom Proteine (merken, die anderen oben nicht) verantwortlich, den Divisom Komplex zu bewegen: FtsZ: GTPase, Koordiniert Z-Ring formation, bewegt divisome (FtsZ = Tubulin Homolog*) FtsA: ATPase, Rekrutiert FtsZ und andere Komponenten (FtsA = Actin Homolog*) *sind bei Eukaryoten zentrale Elemente des Zytoskeletts FtsZ-GTP wird vorne an den Komplex binden und hydrolisiert werden. Sobald dies geschehen ist, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es aufhört an den Komplex zu binden. Dies wird immer wiederholt und mit der Zeit bilden sich kleinere Kreise am Septum. So kann FtsZ eine gerichtete Bewegung für den Divisome Komplex erzeugen. Zellteilung in Eukaryoten ESCRT-III Komplex und der 20 S Proteasome simd homolog und kommen sowohl in Hefe (Eukaryot) als auch in Archaeen vor. Template bildet CdvB1 und CdvB2 Komplex aus, diese Proteine sind dieser ESCRT-III Komplex. Die 20 S Proteasome wirken als Trigger: Das Template wird abgebaut und es kommt zu einer Abschnürung durch Kraft aus dem CdvB1. Seite 21 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Protein Superfamilien, welche das Cytoskelett sowie Membran Form/Teilung kontrollieren haben einen prokaryotischen Ursprung. Sowohl Prokaryoten als auch Eukaryoten können diese 3 Superfamilien besitzen und sogar mehrere. Diese Superfamilien sind: - PspA / ESCRT-III - FtsZ / Tubulin - FtsA / Actin Funktionelle Diversität: Zusätzliche Domainen haben unterschiedliche Effekte auf die Zellform und Lebensfähigkeit. Gram Positive Zellhülle Grampositive Bakterien besitzen einen «Panzer» aus vielen Murein Schichten. Dieser ist durch kovalente Bindungen Modifiziert mit Teichonsäuren (rechts, lange Ribitol Stränge, welche D-Ala und Glucose enthalten und durch Diesterverbindungen miteinander verbunden sind. Lipoteichonsäuren sind wie Teichonsäuren aufgebaut, besitzen aber einen Membranlipidanker und sind mit der Cytoplasmamembran verbunden. Durch die Phosphatreste besitzen Gram Positive Bakterien eine negative Ladung an ihrer Oberfläche. Gramnegative Bakterien Besitzen eine dünne Mureinschicht und Ausserhalb eine Membran. Sind asymmetrisch aufgebaut (was speziell ist für biol. Membranen): - Outer Leaflet = LPS (Lipopolysachharide) - Inner Leaflet = Vor allem Phosphatidylethanolamine Proteine: Porine, Brauns Lipoprotein (verbindet äussere Membran mit Mureinschicht), Oberflächenorganellen Seite 22 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Aufgaben: - Schützt die Zelle durch Kontrolle der Aufnahme von Gallensalzen, Antibiotika, Proteasen, Lysozyme, Antimikrobiologischen Peptiden - Periplasma ist eine Lücke zwischen Cytoplasma und äusserer Membran. In ihm befinden sich z.B. Nährstoffe, dass die Zelle Stoffwechsel betreiben kann - Durch die äussere Membran hat die Zelle nur begrenzten Zugang zu Nährstoffen. Porine erlauben den Zugang zu kleinen Nährstoffmolekülen Lipopolysaccharide (LPS) (nicht Struktur auswendig lernen) O-spezifische Oligosaccharide Besteht aus repetitiven Oligosaccharide Einheiten -> gram Negative sind «Zuckerumhüllt» O-Antigen ist sehr variabel zwischen den Strängen Kern Oligo Saccharide Barrierefunktion, die Phosphatgruppen werden durch positiv geladene Ionen (Mg) abgepuffert, welche verhindern, dass sich die Membranlipid Bestandteile voneinander abstossen. Lipid A Ein sehr langes Membran Lipid mit 4-7 Acyl Seitenketten. Ist stark konserviert und ein Schlüssel Trigger für die tierische Immun Verteidigung (Endotoxin) Outer Membrane Proteins (OMP) Die Äusssere Membran wirkt wie eine Barriere Porine formen Wasser gefüllte Poren (ca. 1 nm) in der äusseren Membran. Durch diese können kleine (< 600 Da) hydrophile Moleküle ins Periplasma diffundieren. Will sich also eine gram Negative Bakterie von Proteinen ernähren, so muss diese zuerst Proteasen ausschütten, die die AS abbauen und diese können dann ins Periplasma gelangen. Grösse: 34 37 kDa Spezifische Pronine: z.B. für Vitamin B12 Seite 23 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Zellhüllen auflösen (z.B. um an die DNA zu gelangen) 1. EDTA verwenden, um Mg2+ mit Tris+ zu ersetzen 2. Lysis mithilfe von alkalischen Detergentien (SDS, NaOH) Zellhüllen von Archaeen Pseudopeptidoglycan (exakte Struktur nicht auswendig können) Stoffe, die eine B-1,4 Verbindung (bei Prokaryoten) knacken können, können die B-1,3 Verbindung von Archen nicht durchbrechen. S-Layer (= Surface Layer) Selbst polymerisierende Oberflächenproteine, welche einen 2D kristallinen Surface Layer an der Oberfläche der Archaeen bilden. Diese enthalten negativ geladene Poren mit ca. 1.3 nm Durchmesser. Kapseln Kapseln = Dicht angehängte äussere Schicht, welche kleine Partikel abhält Schleimschicht = Weniger dicht angehängt, hält keine kleinen Partikel ab Zusammensetzung: Polysaccharide (inkl. Amino-Zucker, Polyalkohole), variable Dicke Funktion: - Adhesion - Biofilm formung - Anti Phagazytose (aufnehmen der Bakterienzelle durch eine eukaryotische Zelle) - Gegen Austrocknung Diversität: Sogar bei strängen derselben Spezies (welche Zucker genau aneinander gehängt sind, wie Seite 24 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Vorlesung 2 Chemotaxis 1 Zelle bauen: 16 x 109 ATP Moleküle und 3 x 109 Glukose Moleküle (aerobisch) Lösungen: - Anpassen: Die richtigen metabolischen Wege gehen, Hydrolasen absondern, Andere Zellen töten, Kooperation - Bewegen: Neue Quellen erreichen - Einfrieren: Sporen, Persister Zellen - Ändern: Neue DNA erwerdben Flagellen Bakterien benutzen Flagellen um sich in Richtung für Wachstum und Überleben günstige Umgebungen zu bewegen. Der Mechanismus ist in allen Bakterien relativ konserviert. Die maximale Geschwindigkeit beträgt 60x Zelllänge pro Sekunde. Flagellen sind rotierende Maschinen und sie kommen unterschiedlich in Bakterien for: Polares Flagellum (einfach begeisselt) oder peritrichöses Flagellum (mehrfach begeisselt). Der Rotor dreht sich und der Stator ist starr. Durch einen Protonengradienten werden Protonen durch H+ Turbinen (Mot Proteine) von aussen nach innen befördert. Dies führt zu einer Drehbewegung des Rotors (C, MS Ringe) und dieser wird an den Rod übertragen und von diesem zum flagellaren Filament. Die L und P Ringe drehen sich nicht und wirken wie ein Lager für den Rod. Der Hook sorgt dafür, dass die Bewegung, die senkrecht von unten kommt in eine Horizontalbewegung gedreht wird. Wichtige Zahlen und Fakten von Flagellen (lernen!): Energiequelle: H+ Gradient Rotationsgeschwindigkeit: 100 300s-1 Energieoutput: 10-16 W Geschwindigkeit: 60 Zelllängen/s = 17cm/h Seite 25 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Betriebskosten: 0,1% Totaler Energieverbr. Synthesekosten: 2% der Totalen Biosynthese Bewegung in Richtung Chemikalien wird Chemotaxis genannt. Z.B. O2, Licht und Osmolarität können Taxis Reize sein. Chemotaxis: Bakterien erkennen temporäre Gradienten. Ein positiver Gradient eines Attraktanten bewirkt längere Runs, weniger Tumbles. Chemotaxis Messen In einer Kapillare befindet sich ein Attraktant, nichts (Control) oder ein für Bakterien gefährlicher Stoff (Repellent). Nach einer gewissen Zeit lässt sich die Bakterienkonzentration bestimmen. Sie ist links aufgezeigt und stimmt mit der Theorie überein. Rotation umkehren Das CheY Protein kann Phosphoryliert werden und an das FiM des Rotors binden (CW rotation, Polar begeisseltes Bakterium schwimmt rückwärts). Wenn kein phosphoryliertes CheY Protein angehängt ist, führt dies zu einer CCW rotation (Polar begeisseltes Bakterium schwimmt vorwärts). Bei Periträch begeisselten Bakterien führt CCW rotation der Flagellen zur Ausbildung eines Superflagellums, CW rotation führt zu Tumble. Seite 26 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Sensor und Regulation Sensor An ein Membranprotein (z.B. Methyl-accepting Chemotaxis Protein MCP) bindet ein Attraktant. Je weniger Attraktant an das MCP bindet, desto mehr wird CheA Phosphoryliert. Normalerweise besitzen Bakterien viele Rezeptoren für verschiedene Attraktanten (Liganden). Diese Rezeptoren befinden sich an der Cytoplasmamembran und Liganden müssen demnach bei z.B. Gram- Bakterien zuerst durch Porine diffundieren. Typische Ligand Affinitäten: KD = 0.01 0.03 mM Computation Signal Kaskade: CheA Autophosphorylierung; Phosphotransfer zu CheY; Dephosphorylierung CheY Output CheY-P bindet an FliM, ändert von CCW (run) zu CW (tuble) Es handelt sich bei diesem System um ein modifiziertes zwei Komponenten System (siehe nächste Vorlesung). Das MCP, CheW und das CheA mit seinem Histidine wirken als Rezeptor Kinase. Das CheY und CheB wirken als Response Regulatoren. Die Antwortzeit dieses Systems beträgt etwa 1/10 Sekunde. CheA, CheZ und CheY Sensor kinase CheA ist eine Histidine Kinase. Das Signal wird Verstärkt durch Protein Phosphorylation. Phosphat Transfer von CheA zu Asp im CheY um das Signal zu übertragen. LUCA besass vermutlich auch CheA. CheZ ist eine Protein Phosphatase, welche die Phosphat Gruppe von der CheY-P entfernt. Dies erlaubt einen schnellen Wechsel von hoch zu wenig tumble-Frequenzen (z.B., wenn Attraktant Konzentration sich erhöht). Dies Garantiert eine ähnliche Funktion wie das Museumsbeispiel, wo Energie verwendet wird, um schneller reagieren zu können. Seite 27 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Unterschiede der Flagellen Arten der Bewegung von Mikroorganismen Protein Sekretionssysteme Oberflächen- und Sekretionsproteine erlauben Interaktionen mit der Umwelt. Es gibt lediglich wenige Protein Sekretionsmechanismen. Sec Transport System Dass das Protein Sekretiert werden kann muss es ein SecA Protein oder ein Signal recognition Particle am N Terminalen Ende enthalten. Hat es das, wird es durch das Sec System zur Membran transportiert. Dieses Sec System funktioniert so gut, dass auch Eukaryoten es übernommen haben (ein homologes System besitzen). Die Proteine werden dann ungefaltet sekretiert. Tat Sekretionssystem Erkennt N-Terminale Signalsequenz, welche 2 Typische Arginin Reste enthält (Twin Arginine Translocation). Diese werden dann im Cytoplasma gefaltet und gefaltet sekretiert. Auch LUCA hatte vermutlich so ein System, da viele Biochemische Reaktionen an Vents durch Eisen-Schwefel Cluster katalysiert werden. Dieses System ist wichtig für die Evolvierbarkeit von Kofaktor basierter Katalyse. Seite 28 von 219 Zusammenfassung Biologie Semester 2 Typ I Fimbrien Fimbrien sind kleine, Haarähnliche Verlängerungen. An der Typ I Fimbrie oder Typ I pili (Pilus = Lange Struktur, die an Zelloberflächen oder oder anderen Strukturen bindet) befinden sich Lektine (Proteine, die an Zucker binden). Diese Typ I Fimbrien helfen dem Uropathogenen E.Coli sich am Harnweg festzusetzen (und so eine Infektion zu verursachen). Typ III Sekretionssysteme Typ 3 Sekretionssysteme (T3SS) werden von vielen pathogenen Bakterien verwendet, welche Pflanzen und Tiere infizieren. T3SS injiziert Toxine vom bakteriellen Cytoplasma direkt in das Cytoplasma einer Wirtszelle. Diese T3SS Systeme entstanden aus Flagellen. Gewisse Teile der Flagellen wurden übernommen. Die Röhre durch die Membran beispielsweise, welche die Flagelle braucht, um sich aufzubauen wurde übernommen. Das Flagellum wurde durch eine Nadel ersetzt. Der Stator (MotA) sowie Teile des Rotors (FliG) wurden nicht übernommen. Sex Pilus Plasmide besitzen meist zusätzlich zu z.B. der Information über Antibiotikaresistenz Informationen zur Ausbildung eines Sex Pilus. Diese Information zwingt die Donor Zelle (männliche Zelle) ein Sex pilus auszubauen, dieser zieht die weibliche Zelle an sich heran (Matin pair wird gebildet) und sorgt so dafür, dass eine spezielle Art der Replikation passieren kann (z.B. Rolling Circle Replikation des F plasmids): Einer der beiden Stränge wird aufgeknackt, repliziert und während der Replikation landet ein Strang in der weiblichen Zelle. So geschieht je eine Replikation in einer Zelle. Am Ende dieses Vorgangs hat man 2 männliche Zellen. Seite 29 von 219