Zusammenfassung Zellbiologie PDF

glaubten. Er beschrieb unter anderem kleine ZUSAMMENFASSUNG Box ähnliche Strukturen, welche er als Zellen ZELLBIOLOGIE bezeichnete. → Entdeckung der Pflanzenzelle...

glaubten. Er beschrieb unter anderem kleine ZUSAMMENFASSUNG Box ähnliche Strukturen, welche er als Zellen ZELLBIOLOGIE bezeichnete. → Entdeckung der Pflanzenzelle und Prägung des Wortes „Zelle“ (unbedingt die Vorlesungen nachsehen, zeigt nämlich viele Videos) Die drei Domänen Der hier dargestellte Baum zeigt die Einteilung · Zelle und Zellbiologie B anhand von Ähnlichkeiten der Nukleotid Zellen sind die Basis jeden Lebens. Es gibt drei Sequenzen der RNA & die Distanz wichtige Domänen: repräsentiert die Nummer der evolutionären Veränderungen. Am Anfang des Lebens gab es (Prokor, then Bakterien (Prokaryoten) nur Bakterien und Archaea. UNTERSCHEIDEN SICH STARK IN DEREN STRUKTUR Eukaryota UNDIHTER AUFGABEN !! Archaea (Prokaryoten) Zellen unterscheiden sich stark in ihrer Struktur und in ihren Aufgaben. Zellbiologie ist die Lehre über die Funktion der Zellen und wie diese miteinander interagieren. Während sich Molekular Biologie auf die Gemeinsamkeiten aller Zellen Moleküle des Lebens (Proteine, Nukleinsäure, Alle Arten von Zellen speichern ihre …) konzentriert, konzentriert sich die Informationen in derselben Art von Zellbiologie wie diese Moleküle genutzt chemischen Codes: DNA werden. o Besteht aus Phosphatrest, In Biomedizinischen Untersuchungen, nutzt Ribose & Base → Nukleotid man Zellbiologie, um herauszufinden wie o Antiparallel Doppelsträngig Zellen normalerweise arbeiten und was zu o Geformt zu einer Helix Störungen und Krankheiten führen kann. Alle Arten von Zellen transkribieren Dieses Verständnis kann bei der Behandlung ihre Informationen in dieselbe von Vorteil sein. übergangsform: RNA o DNA wird verdoppelt Die Ursprünge des Wortes "Zelle" o DNA wird transkribiert Robert Hooke veröffentlichte 1665 das Buch: Alle Arten von Zellen nutzen Proteine „Micrographia“, ein Buch, in dem er als Katalysatoren: Enzyme Zeichnungen veröffentlichte von Dingen, die o Beispiele. er sich im Mikroskop angesehen hat. Diese ▪ Hydrolase Bilder waren der Welt damals unbekannt. ▪ Isomerase Hooke war einer der ersten Wissenschaftler, ▪ Lyase welcher ein Mikroskop besaß. Er designte sein ▪ Oxidoreductase eigenes Lichtmikroskop, welches mit multiplen ▪ Synthetase Glaslinsen versehen war, um das Licht zu ▪ Transferase reflektieren. Alle Arten von Zellen translatieren die RNA zu Proteinen gleich Manche seiner o Es gibt 3 Stopcodons inment # Zeichnungen o Es gibt 64 kodierenden waren so Codons selben Art von chemischen in der merkwürdig, Code = DA - nutzen Proteine als Katalysa dass die Leute T toren = Senzyme die Riva zu Protei - translatieren ihm gar nicht nen gleich ! ) 3 Stopcodons/64 kodierenden ↳ Kodans !  Wie viele Gene sind tatsächlich Das Leben als autokatalytischer notwendig? Prozess Eine lebende Zelle kann mit weniger als 500 Fundamental gesehen ist eine Zelle eine Genen auskommen. selbstreplizierende Sammlung von Katalysatoren. Die „Nahrung“ wird zum Das Bakterium Mycoplasma besitzt das Antrieb der Katalysatoren und zum Aufbau der kleinste bekannte Genom. Es besteht aus nur Zelle verwendet. 530 Genen, wobei nur 400 essenziell sind. Das Genom von 580.070 Nukleotiden Paaren Sagt die Zellgröße etwas über die repräsentiert eine Informationsmenge von Größe des Organismus aus? 145.018 Byte. Nein, die Zellen verschiedener Organsimen sind annähernd gleichgroß, bei selber da · Alle Zellen fungieren als A Funktion. (Ausnahme Eizellen) SS RNA, Jede Zelle M Biochemische Produktion &NA und Proteine herstellen ↳ ENERSie in form von : - Jede Zelle muss DNA, RNA & Proteine Metabolische Anforderungen setzen ATP gespeichert - herstellen. Daher besitzen sie einfache Zucker, >de Zelle - plasmamembran besitzt eine Obergrenzen für die Größe der ↳ fungiert eine selch - Nukleotide und Aminosäuren, sowie andere Zellen in ↳HYDROPHOBE/ Substanzen, um dies zu gewährleisten. Energie wird in Form von ATP gespeichert. Manche Zellen müssen zelluläre Komponenten und HYDROPHiLE Seite Organismen, wie Pflanzen, erzeugen ihr chemische Energie gewinnen, um zu Nährstoffe unteranderem durch das überleben. Sonnenlicht. Andere Organismen, wie Tiere, Die Stoffwechselrate einer Zelle ist müssen Nahrung zu sich nehmen & können eine Funktion ihrer Masse / ihres diese nicht selbst produzieren. Volumens Plasmamembran Die Rate des Materialaustauschs ist Jede Zelle besitzt eine Plasmamembran. Diese eine Funktion ihrer Oberfläche fungiert als eine selektive Barriere, welche Wenn eine Zelle wächst, nimmt das Volumen erlaubt Nährstoffe durch Phagp- oder schneller zu als die Oberfläche, was zu einer Pinozytose aufzunehmen, und Abfall über verringerten Oberfläche: Volumen Verhältnis Vesikel auszuscheiden. Ohne Plasmamembran führt könnte die Zelle ihr chemisches System nicht aufrechterhalten. Wenn die Stoffwechselrate die Austauschrate von lebenswichtigen Die Moleküle, welche eine Plasmamembran Stoffen und Abfällen übersteigt, wird bilden sind amphiphil, was bedeutet sie die Zelle irgendwann sterben besitzt eine hydrophobe und eine hydrophile Daher neigen wachsende Zellen dazu, Seite. sich zu teilen und klein zu bleiben, um ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufrechtzuerhalten zum Überleben geeignet Diese Schicht ist nicht vollständig impermeabel. Sie besitzt bestimmte Proteine, die beim Transport durch die Membran helfen. Diese Proteine bestimmen welche Moleküle die Membran passieren können. Gemeinsamkeiten der Zellen Zusammenfassung Alle Zellen speichern ihre Information als chemischen Code: DNA Alle Zellen replizieren ihre Informationen mit einer Polymerisationsvorlage Eukaryotische Zelle: Alle Zellen transkribieren Teile ihrer Informationen in dieselbe Membranumschlossene Organellen übergangsform: RNA Sind komplexer als Prokaryotische Alle Zellen nutzen Proteine als Zellen Katalysatoren Hierzu zählen Alle Zellen translatieren RNA gleich in o Protisten Proteine o Pilze Alle Zellen dienen als Biochemische o Tiere Produktion & arbeiten mit denselben o Pflanzen grundlegenden Molekularen Pflanzliche & tierische Zellen sind im Bausteinen Großteil sehr ähnlich & unterscheiden Alle Zellen werden von einer sich nur in ein paar dingen Plasmamembran umgeben, welche von Nährstoffen und Abfall passiert Aufbau der eukaryotischen Zelle werden muss Die drei Domänen des Lebens Bakterien und Archaea zählen zu den Prokaryoten Die meisten Prokaryoten sind Einzeller & Mikroskopisch klein Die größte Biochemische Diversität existiert bei den Prokaryoten Prokaryotische Zellen gibt es in vielen Verschiedenen Formen, was oftmals Der Zellkern: Nucleus auf die extremen Lebensräume Der Nucleus beinhaltet den Großteil zurückzuführen ist der Gene & ist normalerweise die Größte Zellorganelle Die Kernhülle umschließt den Zellkern und separiert ihn vom Cytoplasma Die Kernmembran ist eine Doppelmembran mit einer Charakteristische Merkmale der Prokaryoten: Lipiddoppelschicht kein Zellkern Die Kernporen das ein und austreten DNA in einer nicht gebundenen von Molekülen Region namens Nukleoid Die Form des Zellkerns wird von der Keine Membran gebundenen Kern-Lima bestimmt, welche aus Organellen Proteinen besteht Cytoplasma wird von der Plasma Die DNA ist als Chromosomen Membran gebildet organisiert  Im Zellkern wird DNA und Proteine Organellen des Endomembransystem: von genetischen Material Chromatin Kernhülle genannt Endoplasmatisches Retikulum Chromatin kondensiert zu Golgiapparat Chromosomen Lysosomen Der Nukleolus ist im Zellkern platziert, hier wird die ribosomale (rRNA) Vakuole synthetisiert Plasma Membran Diese Organellen sind entweder durchgehen oder über Vesikel verbunden. Endoplasmatisches Retikulum (ER) Das ER zählt zu mehr als der Hälfte der Zellmembran Die ER-Membran hängt mit der, der Kernhülle zusammen Ribosomen Das ER gliedert sich in zwei Untereinheiten Ribosomen werden aus rRNA und Proteinen o Glattes ER (ohne Ribosomen) synthetisiert. o Raues ER (mit Ribosomen) Diese Zellbestandteile sind für die Protein Glattes ER: Synthese verantwortlich. Sie sind nicht Membran gebunden und zählen nicht zu den Synthetisiert Lipide Organellen. Metabolisiert Kohlenhydrate im Cytosol (freie Ribosomen) Verstoffwechselt Drogen und Gifte am Endoplasmatischen Retikulum Speichert Kalzium Ionen (gebundene Ribosomen) In einer Säugetier Zelle mehr als 10. Millionen Zellen nutzen 60% ihrer Energie, um Raues ER: sie zu erzeugen Sie bestehen aus einer großen & einer Hat gebundene Ribosomen, welche kleinen Untereinheit Glykoproteine absondern Verteilt Transportvisikel Ist eine Membran Produktion für die Zelle Golgiapparat Versand- und Empfangszentrum Endomembransystem Das Endomembransystem reguliert das Der Golgiapparat besteht aus flachen Protein verkehr & regelt die metabolischen Membran Säcken, die man Zisternen nennt Funktionen der Zelle Aufgaben: Kontraktile Vakuolen, zu finden in Süßwasser Protisten, pumpen Modifiziert die Produkte des ER überschüssiges Wasser aus der Zelle Produziert Makromoleküle Zentrale Vakuolen, in den meisten Sortiert & verpackt Materialen in Pflanzenzellen zu finden, enthält Vesikeln organische Verbindungen und Wasser Zusammenfassend: Lysosom Das Endomembransystem ist ein Komplex & Verdauungsorganellen ein dynamisches System der Zellkompartment Ein Lysosom ist ein Mambransack mit Organisation Hydrolytische Enzyme, die Mitochondrien & Chloroplasten Makromoleküle verdauen können Mitochondrien: Lysosomale Enzyme können Proteine, Fett, Polysaccharide & Nukleinsäuren sind die Orte der Zellatmung, ein verdauen Stoffwechselprozess, der Sauerstoff Lysosomale Enzyme arbeiten am verwendet, um ATP zu erzeugen besten in der sauren Umgebung des zu finden in so gut wie allen Lysosoms eukaryotischen Zellen Manche Zelltypen nehmen über Sie besitzen ihre eigene DNA Phagozytose andere Zellen auf, durch Hat eine glatte Außenfläche & eine Bildung einer Essensvakuole → Die innere gefaltete Membran → Cristae Essensvakuole verschmilzt mit einem Die innere Membran teilt sich in zwei Lysosom, welches dann den Inhalt Kompartments: verdauen kann o Intermembran Bereich Lysosomen nutzen ihre Enzyme auch o Mitochondriale Matrix für das Recycling der Organellen & Einige Stoffwechselschritte der Makromoleküle → Autophagie Zellatmung werden in der mitochondrialen Matrix Cristae besitzt eine große Oberfläche für Enzyme zur ATP-Synthese Chloroplasten: Vakuole Sind große Vesikel, erzeugt von ER & zu finden in Pflanzen & Algen Golgiapparat hier findet Photosynthese statt Hat eine Vielzahl von Aufgaben enthalten das grün Pigmentierte Essensvakuolen entstehen durch Chlorophyll, Enzyme & andere Phagozytose Moleküle für die Photosynthese  Chloroplasten findet man in Blättern Die extrazelluläre Matrix besteht aus & anderen grünen Pflanzenteilen von Glykoproteinen wie Kollagen, Pflanzen & Algen Proteoglykane und Fibronektin Struktur: Extrazelluläre Matrixproteine binden o Thylakoide: Membransäcke, an Rezeptorproteine in der zu einem Granum gestapelt Plasmamembran, die Integrine o Stroma: die innere Flüssigkeit genannt werden Chloroplasten zählen zu den Plastiden Die extrazelluläre Matrix spielt eine einflussreiche Rolle im Leben der Zellen Es kann das Verhalten einer Zelle regulieren, indem es über Integrine mit einer Zelle kommuniziert Mechanische Signale können durch Veränderungen des Zytoskeletts Peroxisome erfolgen, die chemische Signale in der Peroxisome sind spezialisierte Zelle auslösen. So kann die Stoffwechselkompartimente, die von einer extrazelluläre Matrix um eine Zelle die einzigen Membran begrenzt werden Aktivität des Gens im Zellkern Peroxisomen führen Reaktionen mit vielen beeinflussen verschiedenen Funktionen durch. Benachbarte Zellen in Geweben, Peroxisomen bauen organische Moleküle Organen oder Organsystemen haften, (insbesondere Fettsäuren und Aminosäuren) interagieren und kommunizieren oft durch den Prozess der Oxidation ab, um durch direkten physischen Kontakt. Wasserstoffperoxid zu erzeugen, welches die Grundlage für den Namen Peroxisom ist. Zellkommunikation Dieses wird dann schnell in Sauerstoff und Es gibt 3 Zellkommunikationstypen in Wasser umgewandelt. tierischen Zellen Peroxisomen produzieren Cholesterin und An Tight Junctions werden Phospholipide, die im Gehirn- und Membranen benachbarter Zellen Herzgewebe vorkommen. In Pflanzen wandelt zusammengedrückt, die durch eine Art von Peroxisom Fettsäuren in spezifische Proteine gebunden sind, Kohlenhydrate um. wodurch das Austreten extrazellulärer Flüssigkeit verhindert wird. Zum Beispiel: Hautzellen wasserdicht! Desmosomen fungieren als Nieten, um Zellen zu starken Schichten zu verbinden. Zum Beispiel: in Muskelzellen Gap Junctions stellen zytoplasmatische Kanäle zwischen benachbarten Zellen bereit und ähneln auf diese Weise in ihrer Funktion dem Plasmodesmen in Pflanzen. Extrazelluläre Komponenten Tierischen Zellen fehlen Zellwände, sind aber von einer ausgeklügelten extrazellulären Matrix bedeckt Zellwände b) Die Plasma Membran stellt eine Die meisten Zellen synthetisieren und Selektive Barriere dar sezernieren Materialien, die sich außerhalb c) Die Größe der Zelle ist unabhängig der Plasmamembran befinden von der Größe der Organismen d) Prokaryotische Zellen sind im Diese extrazellulären Strukturen sind an vielen Vergleich zu eukaryotischen lebenswichtigen Zellfunktionen beteiligt! normalerweise kleiner & einfacher aufgebaut & enthalten keinen Nukleus Die Zellwand ist eine extrazelluläre oder andere membranumhüllte Struktur, welche Pflanzenzellen von Organellen tierischen Zellen unterscheidet, aber nicht ausschließlich für Pflanzen gilt Endosymbionten Theorie Prokaryoten, Pilze und einige Sowohl Bakterien, tierische Zellen als auch einzellige Eukaryoten haben auch eukaryotische Einzeller können ihre Zellform Zellwände verändern, um andere Organismen oder Die Zellwand schützt die Pflanzenzelle, Moleküle durch Phagozytose durch die behält ihre Form bei und verhindert Membran hindurch aufzunehmen. eine übermäßige Wasseraufnahme Pflanzliche Zellwände bestehen aus Eukaryotische Zellen könnten als „Räuber“ Zellulosefasern, die in andere entstanden sein. Polysaccharide und Protein Wie und in welcher Reihenfolge all die eingebettet sind einzigartigen Eigenschaften eukaryotischer Plasmodesmen sind Kanäle, die Zellen entstanden sind, ist immer noch ein pflanzliche Zellwände perforieren Rätsel. Eine plausible Hypothese ist, dass sie Durch sie können Wasser und kleine alle die Art und Weise widerspiegeln, wie gelöste Stoffe (und manchmal Urzellen als Raubtiere lebten. Lebten durch Proteine und RNA) von Zelle zu Zelle das „Fangen“ & „essen“ von anderen Zellen. gelangen Das Mitochondrium ist das beste Beispiel für diese Theorie. Es ist von einer Doppelmembran umgeben Haben eine ähnliche Größe wie kleine Bakterien Sie besitzen ihre eigene DNA in Keine Zell Komponente arbeitet allein: Zellen zirkulärer Anordnung sind auf die Integration von Strukturen und Sie besitzen Ribosomen, welche sich Organellen angewiesen, um zu funktionieren von allen anderen in der eukaryotisch Zum Beispiel betrifft die Fähigkeit eines lebenden Zelle differenzieren Makrophagen, Bakterien zu zerstören, die Sie haben ihre eigene tRNA gesamte Zelle und koordiniert Komponenten Es ist heute allgemein anerkannt, dass wie das Zytoskelett, die Lysosomen und die Mitochondrien von aeroben Bakterien Plasmamembran. stammen, die von einer Ahnenzelle Beispiel Frage: verschlungen wurden, die sonst keinen Sauerstoff metabolisieren könnte. Welche der Folgenden Aussagen Treffen zu?: Die Bakterien, die der Verdauung der Zellen a) Nur eukaryotische Zellen verwenden entkamen, entwickelten sich in Symbiose mit Proteine als Katalysatoren der verschlingenden Zelle und ihren Nachkommen und erhielten Schutz und Protozoen haben sie eine harte Nahrung als Gegenleistung für die Außenwand, die ihre Energieerzeugung, die sie für ihre Wirte Bewegungsfähigkeit einschränkt durchführten. Diese Symbiose wurde vor etwa Sie haben sich von Jägern zu 1.5 Milliarden Jahren eingegangen. Aasfressern entwickelt Das bedeutet, dass sich Pilzzellen vorwiegend von abgesonderten Nährstoffmolekülen anderer Zellen leben. Membranlose Zellkompartimente Probleme der Zellbiologie sind, herauszufinden wie der eng bepackte Raum organisiert, ist & wie komplexe biochemische Reaktionen ablaufen können. Genomische Analysen zeigen, dass die erste eukaryotische Zelle aus einer Archea Zelle in Eine Möglichkeit, eine raumzeitliche Kontrolle der Verbindung mit einem Bakterium zu erreichen, besteht darin, die Lokalisierung entstand. von Reaktionskomponenten zu regulieren: Die Konzentration von Komponenten kann die Genau wie Mitochondrien besitzen auch Reaktionskinetik erhöhen, während ihre Chloroplasten ihr eigenes Genom. Bei Trennung Reaktionen verlangsamen oder Chloroplasten hat es sich vermutlich um hemmen kann. Photosynthese betreibende Bakterien gehandelt. Klassische Organellen, wie das ER oder der Golgi-Apparat, sind Kompartimente, die durch Zellen, die mit Chloroplasten ausgestattet umgebende Lipiddoppelschichtmembranen sind, brauchen keine anderen Zellen „jagen“, definiert sind, die für die meisten biologischen da sie von den Erzeugnissen der Chloroplasten Moleküle undurchlässig sind. So werden das leben können. Innere und Äußere klassischer Organellen Pflanzenzellen, besitzen grundsätzlich alle physikalisch getrennt und Zellkomponenten, um sich fortzubewegen, Organellenkompositionen durch spezialisierte aber dennoch haben sie die Fähigkeit sich Membrantransportmaschinen reguliert. schnell zu verformen und Anderer Zellen per Einige der zellulären Kompartimente sind Phagozytose aufzunehmen verloren. nicht durch eine Membran gebunden. z.B. Stattdesseen besitzen sie eine starke RNA-Proteingranula wie Nukleolen, Cajal- schützende Zellwand. Körper und PML-Kernkörper im Zellkern sowie Zusammenfassend kann man nun sagen, dass Stressgranula und Keimgranula im Chloroplasten & Mitochondrien, so wie Zytoplasma. andere Plastiden, kleine prokaryotische Zellen Wie entstehen membranlose sind, welche in den eukaryotischen Zellen Zellkompartimente? Leben. Ein wichtiger Hinweis, kam von der Pilz Zellen: Entdeckung, dass einige von ihnen Pilze, wie z.B. die Bäckerhefe repräsentieren Eigenschaften von Flüssigkeiten haben. eine andere Methode des eukaryotischen Tatsächlich sind viele dieser Strukturen Lebens. flüssigkeitsähnlich und bilden sich durch Flüssigkeitsmischungen mit der Umgebung & Sie besitzen Mitochondrien, aber im dem Zytoplasma. Auch bekannt als Gegensatz zu tierischen Zellen und Phasentrennung. Beispiel: Es wurde festgestellt, dass FUS, das fluoreszenzaktivierter Zellsortierer: mit der neurodegenerativen Erkrankung ALS Hier passieren einzelne Zellen, die sich in assoziiert wird, bei Stress in menschlichen einem feinen Strom bewegen, einen Zellen dynamische Kompartimente bildet. FUS Laserstrahl, welcher die Fluoreszenz jeder bildet Kondensate im Zellkern, nachdem Zelle misst. Eine vibrierende Düse erzeugt Zellen mit einem Laser bestrahlt wurden, was winzige Tröpfchen, von denen jeder entweder DNA-Schäden verursacht. FUS bildet auch eine Zelle oder keine Zellen enthalten. Die Kondensate in das Zytoplasma nach Tröpfchen, die eine einzelne Zelle enthalten, Hitzestress. erhalten im Moment der Bildung automatisch Analyse von Zellen eine positive oder negative Ladung, je Wissenschaftlicher Fortschritt hängt sehr eng nachdem, ob die darin enthaltene Zelle mit technischen Innovationen zusammen. fluoreszierend ist. Sie werden dann durch ein starkes elektrisches Feld in einen geeigneten Beim Beispiel der Bäckerhefe lässt sich schön Behälter abgelenkt. Gelegentliche beilden sich beobachten, wie schnell diese wachsen. Man Zellklumpen, die durch ihre erhöhte kann dies sehr einfach isolieren & in einem Lichtstreuung erkannt werden. Dies bleiben geeigneten Medium wachsen lassen. ungeladen und werden in einen Abfallbehälter Typische Medien wären: geworfen. Solche Maschinen können 1 fluoreszierende Zelle aus einem Pool von 1000 Hefe Extrakt unmarkierten Zellen genau auswählen und Peptone mehrere tausend Zellen sortieren. Glukose Die eukaryotische Zelllinien ist eine weit Isolation von Zellen aus Geweben & verbreitete Quelle homogener Zellen. deren Züchtung in Kulturen Aber warum gibt es so viele verschiedene Um möglichst viele Informationen über die Zelllinien? Zellen in einem Gewebe zu erhalten, haben Eine Biotechnologische Anwendung wäre zum Biologen Möglichkeiten entwickelt, Zellen von Beispiel, dass Hybridoma-Zelllinien Fabriken Geweben zu trennen und nach Typus zu sind, welche monoklonale Antikörper sortieren. Diese Manipulationen führen zu produzieren können. → passive Impfung einer relativ homogenen Population von Zellen, die dann analysiert werden können. → Zellen können in ihre entweder man kann sie direkt untersuchen oder man muss sie erst auf einem Kompartimente getrennt werden Dies funktioniert mixen der Zellen. SO Nährmedium vermehren. entsteht z.B. aus einer Ansammlung von Es gibt mehrere verschiedene Ansätze die Gewebszellen eine homogene Mischung der verschiedenen Zelltypen zu trennen. Kompartimente. Eine der am besten funktionierenden Diese Homogene Mischung kann dann Methoden ist dabei die Verwendung von anschließend in einer Zentrifuge in mehreren Antikörpern, an denen ein Schritten & in verschiedenen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt ist, um Geschwindigkeiten zentrifugiert werden. bestimmte Zellen zu markieren. Es wird ein In folgender Reihenfolge können die Antikörper gewählt, der spezifisch an die Zellbestandteile dann aus dem Sediment Oberfläche nur eines Zelltyps im Gewebe („Bodensatz“) entnommen werden: bindet. Die markierten Zellen können dann von den nicht markierten Zellen getrennt werden. Low Speed: Ganze Zellen Nuklei Cytoskelett Medium Speed: Mitochondrien Lysosomen Peroxisome High Speed: Mikrosomen Kleine Visikel Very high Speed: Hier wird eine schrittweise Vergrößerung vom Daumen bis zu den Atomen eines Ribosomen Mitochondriums dargestellt. Viren Große Makromoleküle 10-fache Vergrößerung bei jedem neuen Bild Was sind nun die möglichen Verwendungen Mit dem bloßen Auge kann man die davon: ersten zwei Bilder sehen Isolierung von Zellen und deren Mit dem Lichtmikroskop kann man bis Züchtung etwa zum vierten oder fünften Bild Reinigung von Proteinen sehen Mit dem Elektronenmikroskop kann Analyse von Proteinen man dann bis zum siebten oder Analyse & Manipulation von DNA achten Bild sehen Untersuchung der Genexpression & deren Funktion Mathematische Analyse von Zellfunktionen Zellen sichtbar machen Um zu verstehen, wie Zellen funktionieren, ist es sehr wichtig, ihre strukturelle Organisation visualisieren zu können. Typische tierische Zellen: 10-20 μm Durchmesser (ca. 1/5 von Vor etwa 100 Jahren war das Licht der dem, was wir mit dem bloßen Auge limitierende Faktor bei Lichtmikroskopen. Dies sehen können) lag bei der Wellenlänge des sichtbaren Lichtes Sie sind farblos & transparent → bei 0.4 μm für Violett & 0.7 μm für rot. In der daher muss man die Zellen einfärben, Praxis sind Bakterien und Mitochondrien, die um sie sichtbar darstellen zu können etwa 1 μm breit sind, im Allgemeinen die Die Vorbereitung der Probe ist genauso kleinsten Objekte, deren Form wir im wichtig wie die Leistung des Mikroskops. Lichtmikroskop deutlich erkennen können. Lichtmikroskop theoretisch eine Auflösungsgrenze von etwa Das Lichtmikroskop 0,2 μm oder 200 nm erreichen. kann Details im Lebende Zellen sind in einem Phasenkontrast- Abstand von 0,2 μm oder Differentialinterferenz- auflösen. Kontrastmikroskop deutlich zu sehen Um zu verstehen, wie Kontrast ist sehr hilfreich, um Zellen sichtbar das funktioniert, muss zu machen. Bei Lichtmikroskopischen man das Licht Durch Untersuchungen, kann man daher sehr oft das Mikroskop alleine an der Veränderung der verfolgen. (siehe links) Lichtverhältnisse Objekte besser sichtbar machen. Aber auch spezifische Moleküle oder Strukturen können sichtbar gemacht werden. Spezifische Moleküle können mittels Fluoreszenzmikroskopie in Zellen lokalisiert werden Aufgrund seiner Wellennatur folgt Wie werden die Licht nicht den idealisierten geraden speziellen Moleküle Strahlenpfaden, die geometrisch Optik nun mit Fluorophor voraussagt markiert? Sie verhalten sich eher wie Wellen im Wasser, sodass sie miteinander Man nimmt ein interferieren und sich gegenseitig immobiles Antigen. ablenken können → führt zu Dazu fügt man den optischen Beugungseffekt primären Wenn die Wellen in derselben Antikörper, welche Frequenz schwingen, dann verstärken nun an das Antigen sie sich → Verstärkung der Helligkeit bindet. Wenn Wellen Anschließend fügt unterschiedlich man die schwingen, dann Sekundären schwächen sie Antikörper, welche sich ab → das mit einem Marker Licht wird besetzt sind, hinzu. gedimmt Diese erkennen nun den primären Antikörper und haften ebenfalls dort. → Anfärbung des Die Wechselwirkung von Licht mit einem gewünschten Antigens. Objekt verändert die Phasenverhältnisse der Lichtwellen in einer Weise, die komplexe Auch DNA und Chromosomen können durch Interferenzeffekte erzeugt. fluoreszierende Färbung sichtbar gemacht werden. Der Grenzabstand, bei dem zwei Objekte unterschiedlich erscheinen – die sogenannte In den oben genannten Beispielen wurde stets Auflösungsgrenze – hängt sowohl von der mit toten Zellen gearbeitet. Dabei entgehen Wellenlänge des Lichts als auch von der uns aber typische Bewegungsmuster & numerischen Apertur des verwendeten Dynamiken. Linsensystems ab. Unter den bestmöglichen Bedingungen kann das Basislichtmikroskop Einzelne Proteine können in lebenden Zellen Es ist und Organismen fluoreszierend markiert viel größer & werden. steht „upside down“ Z.B.: mit GFP→ green fluorescent protein, Die Dieses absorbiert blaues Licht & ultraviolettes Lichtquelle ist Licht, wodurch die angefärbte Struktur Grün ein Filament erscheint oder eine Kathode, die Elektronen an der Spitze einer 2 m hohen zylindrischen Säule abgibt. Da Elektronen durch Kollisionen mit Luftmolekülen gestreut werden, wird Luft aus der Säule entfernt → Entstehung eines Vakuums Durch eine Schleuse wird die Probe in das Vakuum unter die Säule gelegt Wie in der Lichtmikroskopie wird die Probe in der Regel gefärbt – in diesem Fall mit elektronendichtem Material. Super-Resolution-Fluoreszenztechniken Das Bild kann mit einer können beugungsbegrenzte Auflösung hochauflösenden Digitalkamera überwinden aufgenommen werden. → dichte Bereiche der Probe sehen aufgrund Mikroskope, die andere Arten von Strahlung des reduzierten Elektronenflusses verwenden - insbesondere dunkel aus. Elektronenmikroskope - können viel kleinere Strukturen auflösen, als dies mit Licht möglich Beispiel Frage: wäre. Das Lichtmikroskop kann folgende Abstände In einem Elektronenmikroskop sollte die auflösen? (Alle richtigen ankreuzen) Auflösung etwa 0,002 nm betragen, was dem a) 0.1 nm Entfernung 100.000-fachen des Lichtmikroskops b) 1 nm Entfernung entspricht. Das praktische c) 10 nm Entfernung Auflösungsvermögen moderner d) 1 µm Entfernung Elektronenmikroskope liegt jedoch, selbst bei sorgfältiger Bildverarbeitung zur Korrektur von Membranstruktur Linsenaberrationen, bei etwa 0,05 nm (0,5 Å). Membranen helfen, die charakteristischen Die Probenvorbereitung für die Unterschiede zwischen dem Inhalt jeder Elektronenmikroskopie ist komplex und es ist Organelle und dem Zytosol aufrechtzuerhalten schwieriger, sicher zu sein, dass das, was wir auf dem Bild sehen, genau dem Original Durch die Wirkung spezialisierter entspricht. Membranproteine ermöglicht dies die Bildung von Ionengradienten über Membranen Im Gesamtdesign ähnelt das hinweg (z.B. nützlich, um ATP zu Transmissionselektronenmikroskop einem synthetisieren). Lichtmikroskop: Im Falle der Plasmamembran spielen Phosphoglyceride, Sphingolipide und Sterole Membranproteine auch andere sind die wichtigsten Lipide in Zellmembranen. Schlüsselrollen, wie zum Beispiel als Sensoren Die am häufigsten vorkommenden für externe Membranlipide sind die Phospholipide. → Signale, die es Phospholipide haben eine polare Kopfgruppe, der Zelle die eine Phosphatgruppe und zwei ermöglichen, ihr hydrophobe Kohlenwasserstoffschwänze Verhalten in enthält. Diese Moleküle sind amphiphil, mit Reaktion auf die einem Hydrophoben Ende & einem Umwelt. Hydrophilen Kopf. Gemeinsame Merkmale aller Membranen: Sehr dünner Film aus Lipid- und Proteinmolekülen. Hauptsächlich zusammengehalten durch nicht-kovalente Amphiphil→ Sowohl hydrophil also auch Wechselwirkungen. lipophil Es sind hoch dynamische Strukturen. Hydrophob→ Wasser unlöslich, aber dafür Die Lipidmoleküle sind als durchgehende auch lipophil Doppelschicht von etwa 5 nm Dicke Hydrophil→ Wasser löslich, aber dafür angeordnet, die die grundlegende lipophob Flüssigkeitsstruktur der Membran bildet und als relativ undurchlässige Barriere für die Lipophil→ Fett löslich, aber dafür hydrophob Durchgang der meisten wasserlöslichen Lipophob→ Fett unlöslich, aber dafür auch Moleküle. Die meisten Komponenten von hydrophil Membranen bewegen sich entlang der Oberfläche der Membran. Einer der beiden Schwänze hat typischerweise eine oder mehrere cis-Doppelbindungen → Die daher ungesättigt, während der andere Lipiddoppelschicht Schwanz dies nicht tut,→ gesättigt innerhalb einer Membran sorgt für Jede cis-Doppelbindung verursacht einen die Grundstruktur., Knick im Schwanz. Unterschiede in der Länge Die und Sättigung der Fettsäureschwänze beeinflussen, wie sich Phospholipidmoleküle Doppelschichtstruktur ist ausschließlich auf gegeneinander packen und Beeinflussen die besonderen Eigenschaften der dadurch die Fluidität der Membran. Lipidmoleküle zurückzuführen. Phosphoglyceride besitzen: Ein Drei-Kohlenstoff-Glycerin-Rückgrat Zwei langkettige Fettsäuren sind durch Esterbindungen an benachbarte Kohlenstoffatome des Glycerins gebunden Das dritte Kohlenstoffatom des Glycerins ist an eine Phosphatgruppe gebunden. Durch die Kombination mehrerer Wassermolekülen eingehen können. Wenn sie verschiedener Fettsäuren und Kopfgruppen in Wasser dispergiert werden, zwingen sie die bilden Zellen viele verschiedene benachbarten Wassermoleküle, sich in Phosphoglyceride, Phoyphatidylethanolamin, eisähnliche Käfige umzuorganisieren, die das Phosphatidylserin & Phosphatidylcholin. hydrophobe Molekül umgeben. Da diese Käfigstrukturen geordneter sind als das Eine weitere wichtige Klasse von umgebende Wasser, wird die freie Energie Phospholipiden sind die Sphingolipide, die aus erhöht. Sphingosin und nicht aus Glycerin aufgebaut sind. Sphingosin ist eine lange Acylkette mit einer Aminogruppe (NH2) und zwei Hydroxylgruppen (OH) an einem Ende. In Sphingomyelin, dem häufigsten Sphingolipid, ist ein Fettsäureschwanz an die Aminogruppe gebunden und die Phosphocholingruppe ist an die terminale Hydroxylgruppe gebunden. Eukaryotische Plasmamembranen enthalten Diese Kosten für freie Energie werden jedoch besonders große Mengen an Cholesterin → minimiert, wenn sich die hydrophoben bis zu einem Molekül pro Moleküle (oder die hydrophoben Anteile Phospholipidmolekül. Cholesterin, das ein amphiphiler Moleküle) so Sterol ist, dies enthält eine starre Ringstruktur, zusammenschließen, dass die geringste Anzahl an die eine einzelne polare Hydroxylgruppe von Wassermolekülen betroffen ist. Sie und eine kurze unpolare sammeln sich spontan, um ihre hydrophoben Kohlenwasserstoffkette binden. Schwänze im Inneren zu vergraben, wo sie vom Wasser abgeschirmt sind, und richten die Cholesterinmoleküle orientieren sich in der hydrophilen Köpfe nach außen. Doppelschicht mit ihrer Hydroxylgruppe nahe an den polaren Abhängig von Kopfgruppen ihrer Form benachbarter können sich Phospholipidmoleküle. Lipide auf Cholesterinmoleküle zwei Arten regulieren die selbst Fließfähigkeit der organisieren: Membran Sie können bidirektional. kugelförmige Mizellen Wie formen sich bilden, mit Lipiddoppelmembranen den Hydrophile Moleküle lösen sich in Wasser auf, Schwänzen nach innen, oder sie können weil sie geladene Gruppen oder ungeladene doppelschichtige Blätter oder polare Gruppen enthalten, die entweder Doppelschichten bilden, wobei die günstige elektrostatische Wechselwirkungen hydrophoben Schwänze zwischen den oder Wasserstoffbrückenbindungen mit hydrophilen Kopfgruppen eingeklemmt sind. Wassermolekülen eingehen können. Die gleichen Kräfte, die Phospholipide zur Hydrophobe Moleküle hingegen sind in Bildung von Doppelschichten treiben, bieten Wasser unlöslich, da die meisten ihrer Atome auch eine selbstversiegelnde Eigenschaft. Ein ungeladen sind und daher keine energetisch kleiner Riss in der Doppelschicht erzeugt eine günstigen Wechselwirkungen mit freie Kante mit Wasser. a dies energetisch ungünstig ist, neigen die wird, wechselt bei einer charakteristischen Lipide dazu, sich spontan neu anzuordnen, um Temperatur von einem flüssigen Zustand in den freien Rand zu eliminieren. Das einen gelartigen Zustand. Diese Verschwinden freier Kanten hat tiefgreifende Zustandsänderung → Phasenübergang Konsequenzen: Die einzige Möglichkeit für Die Temperatur, bei der sie auftritt, ist eine Doppelschicht, Kanten zu vermeiden, typischerweise niedriger, wenn die besteht darin, sich in sich selbst zu schließen & Kohlenwasserstoffketten kurz sind oder eine Kugel zu bilden. → Diese Lebenswichtige Doppelbindungen aufweisen. Das liegt daran, Eigenschaft stammt grundlegend aus der dass eine kürzere Kettenlänge die Tendenz der amphiphile Natur des Phospholipidmoleküls. Kohlenwasserstoffschwänze verringert, Eine Lipiddoppelschicht hat auch andere miteinander zu interagieren, und cis- Eigenschaften, die sie zu einer idealen Struktur Doppelbindungen Knicke in den Ketten für Zellmembranen machen. Eine der erzeugen, die es schwieriger machen, sie wichtigsten davon ist die Fluidität, die für viele zusammen zu packen, so dass die Membran Membranfunktionen entscheidend ist. bei niedrigeren Temperaturen flüssig bleibt. Die Lipiddoppelschicht ist eine Bakterien, Hefen und andere Organismen, zweidimensionale Flüssigkeit: deren Temperatur, mit der ihrer Umgebung schwankt, passen die Vor etwa 50 Jahren erkannten Forscher Fettsäurezusammensetzung ihrer erstmals, dass einzelne Lipidmoleküle in der Membranlipide an, um eine relativ konstante Lage sind, innerhalb der Ebene einer Fließfähigkeit aufrechtzuerhalten. Wenn die Lipiddoppelschicht frei zu diffundieren. Temperatur sinkt, synthetisieren die Zellen Phospholipidmoleküle in synthetischen dieser Organismen beispielsweise Fettsäuren Doppelschichten wandern sehr selten von der mit mehr cis-Doppelbindungen. Monoschicht auf der einen Seite zur anderen Cholesterin kann auch die Eigenschaften von Monoschicht. Dieser Prozess wird als "Flip- Lipiddoppelschichten modulieren: Flop". Eine bemerkenswerte Ausnahme tritt bei Cholesterin auf, das schnell umkippen Cholesterin fügt sich mit seiner kann. Hydroxylgruppe in der Nähe der polaren Kopfgruppen der Phospholipide in die WICHTIG: Zellmembranen ähneln Doppelschicht ein, so dass seine starren, synthetischen Doppelschichten in vielerlei plattenartigen Steroidringe mit diesen Hinsicht, jedoch sind einige Regionen der Kohlenwasserstoffketten Proteinmembranen in der Lage, ihr Verhalten interagieren. zu ändern! Durch die Verringerung der Beweglichkeit der Die Fließfähigkeit von Zellmembranen muss ersten CH2-Gruppen der Ketten der genau reguliert werden! Phospholipidmoleküle macht Cholesterin die Verschiedene Enzymaktivitäten Lipiddoppelschicht in dieser Region weniger stoppen zum Beispiel, wenn die verformbar und verringert dadurch die Fließfähigkeit über ein bestimmtes Durchlässigkeit der Doppelschicht für kleine Niveau hinaus reduziert wird. wasserlösliche Moleküle. Die Fließfähigkeit einer Lipiddoppelschicht Wichtig: Obwohl Cholesterin die Packung der hängt sowohl von ihrer Zusammensetzung als Lipide in einer Doppelschicht festzieht, macht auch von ihrer Temperatur ab: es die Membranen nicht weniger flüssig. Bei den hohen Konzentrationen, die in den Eine synthetische Doppelschicht, welche nur meisten eukaryotischen Plasmamembranen aus einer Art von Phospholipid hergestellt gefunden werden, verhindert Cholesterin auch, dass die Kohlenwasserstoffketten Umwandlung extrazellulärer Signale in zusammenkommen und kristallisierend! intrazelluläre. Zum Beispiel binden viele Proteine im Zytosol an bestimmte Wie speichern Zellen Lipide? Lipidkopfgruppen, die in der zytosolischen Lipidtröpfchen sind von einer Phospholipid- Monoschicht der Lipiddoppelschicht gefunden Monoschicht umgeben werden. So treibt die Lipidasymmetrie eine Proteinasymmetrie an, die hilft, die Kommunikation zwischen innerhalb & außerhalb der Zelle zu kontrollieren. Glykolipide, weisen die extremste Asymmetrie in ihrer Membranverteilung auf: Diese Moleküle, ob in der Plasmamembran oder in intrazellulären Membranen, befinden sich Die meisten Zellen speichern einen ausschließlich in der dem Zytosol Überschuss an Lipiden in Strukturen, die als abgewandten Monoschicht. Lipidtröpfchen bezeichnet werden, von wo Es wird angenommen, dass Glykolipide in der aus sie als Bausteine für die Plasmamembran aller eukaryotischen Zellen Membransynthese oder als Nahrungsquelle existieren, wo sie im Allgemeinen etwa 5% der abgerufen werden können. Lipidmoleküle in der äußeren Monoschicht Adipocyten → Fettzellen ausmachen. Sie sind auch in einigen intrazellulären Membranen zu finden. Fettzellen oder Adipozyten, die auf die Lipidspeicherung spezialisiert sind, enthalten Die Lipiddoppelschicht: ein riesiges Lipidtröpfchen, das den größten Zusammenfassung Teil ihres Zytoplasmas füllt. Phosphoglyceride, Sphingolipide und Fettsäuren können bei Bedarf aus Sterole sind die wichtigsten Lipide in Lipidtröpfchen befreit und in andere Zellen Zellmembranen durch den Blutkreislauf exportiert werden. Phospholipide bilden spontan Doppelschichten Lipidtröpfchen sind einzigartige Organellen, da Die Lipiddoppelschicht ist eine sie von einer einzigen Monoschicht von zweidimensionale Flüssigkeit Phospholipiden umgeben sind, die eine große Die Fließfähigkeit einer Vielzahl von Proteinen enthält. Lipiddoppelschicht hängt von ihrer Die Asymmetrie der Zusammensetzung ab Lipidtröpfchen sind von einer Lipiddoppelschicht ist funktionell Phospholipid-Monoschicht umgeben wichtig Die Asymmetrie der Die Lipidzusammensetzungen der beiden Lipiddoppelschicht ist funktionell Monoschichten der Lipiddoppelschicht wichtig unterscheiden sich in vielen Membranen Glykolipide befinden sich auf der auffallend. Oberfläche aller eukaryotischen Plasmamembranen Membran Proteine Membranproteine übernehmen die meisten Diese Asymmetrie in der Lipidverteilung ist spezifischen Aufgaben der Membran und funktionell wichtig, insbesondere bei der verleihen daher jedem Zellmembrantyp ihre charakteristischen funktionellen Eigenschaften. Dementsprechend sind die Oberfläche des Proteins exponiert ist→ Mengen und Arten von Proteinen in einer Beispiel 4 (siehe oben), oder durch eine oder Membran sehr variabel. mehrere kovalent angehängte Lipidketten → Beispiel 5 (siehe oben). Da Lipidmoleküle im Vergleich zu Proteinmolekülen klein sind, gibt es immer Andere Membranproteine sind vollständig an viel mehr Lipidmoleküle als Proteinmoleküle in der äußeren Zelloberfläche exponiert und Zellmembranen → etwa 50 Lipidmoleküle für werden nur durch eine kovalente Verknüpfung jedes Proteinmolekül an einen Lipidanker in der äußeren Monoschicht des Plasmas an die Membranproteine unterscheiden sich stark in Lipiddoppelschicht gebunden. Membran→ ihrer Struktur und in der Art und Weise, wie wie in Beispiel 6 (siehe links). sie sich mit der Lipiddoppelschicht verbinden. Membranassoziierte Proteine reichen nicht in Membranproteine können auf verschiedene das hydrophobe Innere der Weise mit der Lipiddoppelschicht assoziiert Lipiddoppelschicht. Sie sind stattdessen durch werden. nichtkovalente Wechselwirkungen mit anderen Membranproteinen an beide Seiten der Membran gebunden→ Beispielen 7 und 8 (siehe links) Diese Proteine werden oft als periphere Membranproteine bezeichnet. Viele Membranproteine sind glykosyliert: Viele Membranproteine erstrecken sich durch Die meisten Transmembranproteine in die Lipiddoppelschicht und werden daher tierischen Zellen sind Transmembranproteine genannt, wobei ein glykosyliert. Wichtig Teil ihrer Masse auf beiden Seiten ist,→ siehe ist, dass die Beispiele 1, 2 und 3 in der Abbildung oben. Oligosaccharidketten Sie enthalten hydrophobe Regionen, die durch immer auf der nicht die Membran gehen und mit den zytosolischen Seite hydrophoben Schwänzen der Lipidmoleküle der Membran im Inneren der Doppelschicht interagieren. vorhanden sind, wie in dieser Abbildung Sie enthalten auch hydrophile Regionen, die dargestellt. Die auf beiden Seiten der Membran Wasser Oligosaccharide sind ausgesetzt sind. blau. Nur Transmembranproteine können auf Da der extrazelluläre beiden Seiten der Doppelschicht funktionieren Teil der meisten Plasmamembranproteine oder Moleküle über sie transportieren. glykosyliert ist, bedecken Kohlenhydrate die Zelloberflächenrezeptoren zum Beispiel sind Oberfläche aller eukaryotischen Zellen meist Transmembranproteine, die großflächig. Diese Kohlenhydrate treten als Signalmoleküle im extrazellulären Raum kovalent gebundene Oligosaccharidketten an binden und unterschiedliche intrazelluläre Membranproteinen & Lipiden auf. Signale erzeugen. Die Diversität und die exponierte Position der Andere Membranproteine befinden sich Oligosaccharide auf der Zelloberfläche vollständig im Zytosol und sind an die machen sie besonders gut geeignet, um in zytosolische Monoschicht der spezifischen Zellerkennungsprozessen zu Lipiddoppelschicht gebunden, entweder durch funktionieren. eine amphiphile α-Helix, die auf der Membran Proteine: Wir wissen, dass praktisch jedes Molekül über eine proteinfreie Lipiddoppelschicht in seinem Zusammenfassung Konzentrationsgradienten diffundiert, wenn Membranproteine können auf genug Zeit vergeht. Die Diffusionsrate variiert verschiedene Weise mit der jedoch enorm, teilweise abhängig von der Lipiddoppelschicht assoziiert werden Größe des Moleküls, aber hauptsächlich auf Lipidanker steuern die seiner Hydrophobie oder Löslichkeit in Öl. Membranlokalisation einiger Proteine (insbesondere an der Im Allgemeinen gilt: Je kleiner das Molekül Signalübertragung beteiligt) und je hydrophober oder unpolarer es ist, Viele Membranproteine sind desto leichter diffundiert es über eine glykosyliert Lipiddoppelschicht. Kleine unpolare Moleküle wie Sauerstoff, O2 und Kohlendioxid, CO2, Prinzipien des Membrantransports lösen sich leicht in Lipiddoppelschichten und Aufgrund ihres hydrophoben Inneren schränkt Diffundieren daher schnell. Kleine ungeladene die Lipiddoppelschicht der Zellmembranen polare Moleküle wie Wasser oder Harnstoff den Durchgang der meisten polaren Moleküle diffundieren ebenfalls über eine ein. Diese Barrierefunktion ermöglicht es der Doppelschicht, aber viel langsamer. Zelle, Konzentrationen von gelösten Stoffen in ihrem Zytosol aufrechtzuerhalten, die sich von Im Gegensatz dazu sind Lipiddoppelschichten im denen in der extrazellulären Flüssigkeit und in Wesentlichen jedem der intrazellulären undurchlässig Ionen, membranumschlossenen Kompartimente. egal wie klein sie sind: Um von dieser Barriere zu profitieren, Die Ladung und der mussten Zellen jedoch Wege entwickeln, um hohe Hydratationsgrad bestimmte wasserlösliche Moleküle und Ionen solcher Moleküle über ihre Membranen zu übertragen, um verhindern, dass sie in essenzielle Nährstoffe aufzunehmen, die metabolische Abfallprodukte auszuscheiden Kohlenwasserstoffphase und intrazelluläre Ionenkonzentrationen zu der Doppelschicht regulieren. Dazu nutzen Zellen spezialisierte eintreten. Membrantransportproteine, um dieses Ziel zu Es gibt zwei Hauptklassen von erreichen. Membrantransportproteinen: Transporter Die Bedeutung eines solchen Transports und Kanäle kleiner Moleküle spiegelt sich in der großen Zellen sind mit speziellen Anzahl von Genen in allen Organismen wider, Membrantransportproteinen ausgestattet, die die für Transmembrantransportproteine solche gelösten Stoffe über Zellmembranen kodieren, die machen 15-30% der übertragen. Diese Proteine kommen in vielen Membranproteine in allen Zellen aus. Formen und in allen Arten von biologischen Zellen können auch Makromoleküle und sogar Membranen vor. Jedes Protein transportiert große Partikel über ihre Membranen oft nur eine bestimmte molekulare Spezies übertragen, aber die Mechanismen, die in den oder manchmal eine Klasse von Molekülen meisten dieser Fälle beteiligt sind, (wie Ionen, Zucker oder z.B. Aminosäuren). unterscheiden sich von denen, die für den Transfer kleiner Moleküle verwendet werden. Transporter und Kanäle sind die beiden Hauptklassen von Proteinfreie Lipiddoppelschichten sind Membrantransportproteinen. impermeabel für Ionen:  deren Pumpaktivität gerichtet ist, weil sie eng an eine metabolische Energiequelle wie einen Ionengradienten oder ATP gekoppelt ist. Prinzipien des Membrantransports kleiner Moleküle: Zusammenfassung Transporter binden den zu transportierenden Proteinfreie Lipiddoppelschichten sind spezifischen gelösten Stoff und durchlaufen durchlässig für hydrophobe kleine eine Reihe von Konformationsänderungen, die Moleküle, aber weitgehend abwechselnd gelöste Bindungsstellen auf der undurchlässig für die meisten Ionen einen Seite der Membran und dann auf der Um kleine wasserlösliche Moleküle in anderen Seite freilegen, um den gelösten Stoff oder aus Zellen oder intrazellulären darüber zu übertragen. membranumschlossenen Kompartimenten zu transportieren, enthalten Zellmembranen verschiedene Membrantransportproteine, von denen jedes für die Übertragung eines Kanäle interagieren mit dem gelösten Stoff, bestimmten gelösten Stoffes oder um viel schwächer transportiert zu werden. einer Klasse von gelösten Stoffen über Kanäle bilden durchgehende Poren, die sich die Membran verantwortlich ist. über die Lipiddoppelschicht erstrecken. Wenn Es gibt zwei Hauptklassen von sie geöffnet sind, lassen diese Poren Membrantransportproteinen: bestimmte gelöste Stoffe durch sie hindurch Transporter und Kanäle und passieren dadurch die Membran. Während die Transmembranbewegung, die durch Der Transport durch Kanäle erfolgt tendenziell Transporter vermittelt wird, entweder viel schneller als der Transport, der durch aktiv oder passiv sein kann, ist der Transporter. Fluss gelöster Stoffe durch Kanalproteine immer passiv. Aktiver & Passiver Transport Sowohl der aktive als auch der passive Aktiver Transport wird durch Transporter Ionentransport werden durch den vermittelt, die an eine Energiequelle Konzentrationsgradienten (und das gekoppelt sind. Membranpotential) des Ions Alle Kanäle und viele Transporter ermöglichen beeinflusst. es gelösten Stoffen, die Membran nur passiv zu passieren→ passiver Transport Intrazelluläre Kompartimente und Proteinsortierung Im Falle des Transports eines einzelnen Proteine können sich auf unterschiedliche ungeladenen Moleküls treibt der Weise zwischen Kompartimenten bewegen Konzentrationsunterschied auf den beiden Seiten der Membran den passiven Transport Die Synthese aller Proteine beginnt an an und bestimmt seine Richtung. Ribosomen im Zytosol, mit Ausnahme der wenigen, die auf den Ribosomen von Neben dem passiven Transport müssen Zellen Mitochondrien und Plastiden stattfindet. in der Lage sein, bestimmte gelöste Stoffe aktiv gegen ihre Gradienten über die Das weitere Schicksal von Proteinen hängt von Membran zu pumpen. Ein solcher aktiver ihrer Aminosäuresequenz ab, welche Transport wird durch Transporter vermittelt, Sortiersignale enthalten kann, die ihre Abgabe an Orte außerhalb des Zytosols oder an Proteintranslokation: Transmembranprotein- Organellenoberflächen lenken. Translokatoren Einige Proteine haben kein Sortiersignal und Bei der Proteintranslokation, dem zweiten verbleiben daher als permanente Bewohner Transportweg, transportieren im Zytosol. Viele andere haben jedoch Transmembranprotein → Translokatoren, spezifische Sortiersignale, die ihren Transport spezifische Proteine direkt über eine vom Zytosol in den Zellkern, das ER, Membran vom Zytosol in einen Raum, der Mitochondrien, Plastiden oder Peroxisomen topologisch unterschiedlich ist. steuern. Proteine können sich zwischen den Sortiersignale können auch den Transport von Kompartimenten unterschiedlich bewegen: Proteinen vom ER zu anderen Zielen in der vesikulärer Transport: Bei diesem Zelle lenken. Transportweg dienen membranumschlossene Transportzwischenprodukte als Fähren, um Proteine von einem Kompartiment zum anderen zu bewegen. Was typischerweise passiert, ist, dass Transportvesikel mit einer Ladung von Molekülen beladen werden, die aus dem Lumen eines Kompartiments stammen, wenn sie von seiner Membran Um die allgemeinen Prinzipien zu verstehen, knospen und nach denen Sortiersignale funktionieren, ist es abklemmen. Sie wichtig, drei grundlegend unterschiedliche entladen ihre Ladung in Arten zu unterscheiden, auf denen sich ein zweites Fach, indem sie mit der Membran Proteine von einem Kompartiment zum verschmelzen, die dieses Fach umschließt. anderen bewegen. So erfolgt beispielsweise der Transfer löslicher Gated Transport Proteine aus dem ER in den Golgi-Apparat. Transmembrantransport Die Kompartimentierung der Zellen: Vesikulärer Transport Zusammenfassung Gated Transport: Proteine bewegen sich Eukaryotische Zellen enthalten intrazelluläre, zwischen dem Zytosol und dem Zellkern durch membranumschlossene Organellen, die fast Kernporenkomplexe in der Kernhülle. die Hälfte des Gesamtvolumens der Zelle ausmachen. Diese Organellen enthalten Die Kernporenkomplexe fungieren als unterschiedliche Proteinsätze, welche für die selektives Gatter, die den aktiven Transport einzigartige Funktion jeder Organelle spezifischer Makromoleküle und zuständig sind. makromolekularer Anordnungen zwischen den beiden topologisch äquivalenten Räumen Jedes neu synthetisierte Organellenprotein unterstützen, obwohl sie auch die freie muss seinen Weg von einem Ribosom im Diffusion von kleineren Molekülen Zytosol, wo das Protein hergestellt wird, zu ermöglichen. der Organelle finden, wo es funktioniert. Es müssen. Alle drei Filament Systeme des tut dies, indem es einem bestimmten Pfad Zytoskeletts müssen normalerweise folgt, der von Sortiersignalen in seiner gemeinsam funktionieren, um einer Zelle ihre Aminosäuresequenz geleitet wird, die als Stärke, ihre Form und ihre eines der beiden Signale fungieren. Bewegungsfähigkeit zu verleihen. Sortiersignale werden von komplementären Zytoskelette sind nicht statisch. Sie bewegen Sortierrezeptoren erkannt, die das Protein an sich ständig, was für das Leben unerlässlich ist, die entsprechende Zielorganelle abgeben. da es für die Zellmorphologie & Zellbewegung zuständig ist. Proteine, die im Zytosol funktionieren, enthalten keine Sortiersignale und verbleiben Funktion und Ursprung des daher nach der Synthese dort. Zytoskeletts Das Zytoskelett Aktinfilament Funktionen: Damit Zellen richtig funktionieren, müssen sie: bestimmen die Form der sich im Raum organisieren & Zelloberfläche mechanisch miteinander & mit ihrer sind notwendig für die Bewegung der Umgebung interagieren ganzen Zelle richtig geformt sein, sie müssen treiben die Teilung der Zelle in zwei physisch robust & auch intern richtig voran, während der Zellteilung strukturiert sein. Aktinfilament Eigenschaften: ihre Form ändern und von einem Ort zum anderen ziehen können helikale Polymere des Proteins Aktin ihre internen Komponenten flexible Strukturen mit einem anordnen/verschieben können, wenn Durchmesser von 8 nm sie wachsen, sich teilen und sich an organisieren sich in einer Vielzahl von ändernde Umstände anpassen linearen Bündeln, zweidimensionalen Netzwerken und 3-dimensionalen Diese räumlichen und mechanischen Gelen. Funktionen hängen von einem Obwohl Aktinfilamente in der bemerkenswerten System von Filamenten ab, gesamten Zelle verteilt sind, sind sie das als Zytoskelett bezeichnet wird. am konzentriertesten im Kortex, Die verschiedenen Funktionen des direkt unter der Plasmamembran Zytoskeletts hängen vom Verhalten von drei Typen von Proteinfilamenten ab: Actinfilamente (die kleinsten Bestandteile) Intermediärfilamente Mikrotubuli Funktionen: Mikrotubuli (die größten Bestandteile) Bestimmen die Positionen von Jede Art von Filament hat unterschiedliche membranumschlossenen Organellen, mechanische Eigenschaften, Dynamiken & indem sie sie in der Zelle bewegen biologische Rollen, aber alle haben die direkter intrazellulärer Transport gleichen grundlegende Merkmale. bilden die mitotische Spindel Man kann die drei Filamenttypen mit unseren Knochen, Bändern & Sehnen vergleich. Das bedeutet, dass alle Einzelteile funktionieren Mikrotubuli Eigenschaften: Die Zelle baut die Filamente, indem sie eine große Anzahl der kleinen Untereinheiten Mikrotubuli sind typischerweise lange, zusammensetzt. Da die Untereinheiten klein hohle Zylinder aus dem Protein sind, können sie im Zytosol schnell Tubulin diffundieren, während die Haben einen Außendurchmesser von zusammengesetzten Filamente dies nicht 25 nm können. Auf diese Weise können Zellen Viel steifer als Aktinfilamente. schnelle strukturelle Reorganisationen Mikrotubuli sind lang und gerade durchlaufen, indem sie Filamente an einer häufig mit einem Ende an ein Stelle zerlegen und an einer anderen Stelle Mikrotubuli-organisierenden Zentrum innerhalb der Zelle wieder zusammensetzen. gebunden, einem sogenannten Zentrosom. Aktinfilamente und Mikrotubuli werden aus Untereinheiten aufgebaut, die kompakt und kugelförmig sind (Aktin bzw. Tubuli) Intermediärfilamente bestehen aus kleineren Untereinheiten, die selbst länglich und faserig sind Intermediärfilament Funktionen: Alle drei Haupttypen von Zytoskelettfilamenten bilden sich aus verleihen der Zelle mechanische helikaler Anordnungen von Festigkeit. Untereinheiten, die sich selbst Intermediärfilament Eigenschaften: Anordnen, indem sie eine Kombination aus End-to-End- & Side- Bilden seilartige Fasern mit einem to-Side-Proteinkontakten verwenden Durchmesser von etwa 10 nm Unterschiede in den Strukturen der Hergestellt aus intermediären Untereinheiten und die Stärken der Filamentproteinen, die eine große und Anziehungskräfte zwischen ihnen heterogene Gruppe bilden. führen zu wichtigen Unterschieden in Eine Art von Zwischenfilament bildet der Stabilität und mechanischen ein Geflecht, das Kernlamina genannt Eigenschaften jeder Art von Filament wird, direkt unter der inneren Während kovalente Bindungen Kernmembran zwischen ihren Untereinheiten das Andere Arten erstrecken sich über das Rückgrat vieler biologischer Polymere Zytoplasma und geben den Zellen zusammenhalten, sind es schwache mechanische Kraft. nichtkovalente Wechselwirkungen, die die drei Arten von Zytoskelettpolymeren zusammenhalten. Folglich kann ihre Montage und Demontage schnell erfolgen. Actinfilamente bauen sich Head-to-Tail auf, Wie werden Filamente gebildet das heißt von Kopf zum Schwanz Filamente setzen sich aus Proteinuntereinheiten zusammen, die Jede Aktin-Untereinheit (globulär oder spezifische physikalische und dynamische G-Aktin) ist ein 375-Aminosäuren- Eigenschaften verleihen Polypeptid, das ein eng assoziiertes Molekül von ATP oder ADP trägt  Aktin-Untereinheiten setzen sich von Untereinheits-Untereinheitskontakte Kopf zu Schwanz zusammen, um eine stabilisiert wird und sich dann durch enge, rechtsdrehende Helix zu bilden, Hinzufügen weiterer Untereinheiten die eine etwa 8 nm breite Struktur schnell verlängern kann. bildet, die filamentös oder F-Aktin Für Mikrotubuli ist das Prinzip im genannt wird Allgemeinen das gleiche, auch wenn Ein sehr wichtiges Merkmal von Aktin der Prozess etwas komplizierter ist. ist, dass Aktin selbst die Hydrolyse des Aktinfilamente haben zwei verschiedene Nukleosidtriphosphats ATP Enden, die unterschiedlich schnell wachsen katalysieren kann Da die asymmetrischen Aktin- Für freie Aktin-Untereinheiten verläuft Untereinheiten eines Filaments alle in die ATP-Hydrolyse sehr langsam; diese die gleiche Richtung zeigen, sind wird jedoch beschleunigt, wenn die Filamente polar und haben strukturell Untereinheiten in Filamente unterschiedliche Enden: ein langsamer eingebaut werden. wachsendes Ende, das als Minusende Kurz nach der ATP-Hydrolyse wird die bezeichnet wird; und ein schneller freie Phosphatgruppe aus jeder wachsendes Ende, was Plus-Ende Untereinheit freigesetzt, aber das ADP genannt wird. bleibt in der Filamentstruktur Innerhalb des Filaments sind die gebunden. So können zwei Untereinheiten mit ihrer ATP- oder verschiedene Arten von ADP-Bindespalte zum Minusende Filamentstrukturen entstehen, eine gerichtet mit der "T-Form" der Einzelne Aktinfilamente, sind recht Nukleotidbindung (ATP) und eine mit flexibel. In einer lebenden Zelle jedoch der "D-Form" gebunden (ADP). vernetzen und bündeln akzessorische In lebenden Zellen liegen die meisten löslichen Proteine die Filamente miteinander, Aktin-Untereinheiten in T-Form vor, da die wodurch großflächige Aktinstrukturen freie Konzentration von ATP etwa zehnmal entstehen, die viel steifer als ein höher ist als die von ADP. Je länger sich jedoch einzelnes Aktinfilament sind Untereinheiten im Aktinfilament befinden, Kernbildung ist der desto wahrscheinlicher ist es, dass sie ihr ATP geschwindigkeitsbegrenzende Schritt bei der hydrolysiert haben. Dies hat wichtige Bildung von Aktinfilamenten Konsequenzen für die Dynamik der Filamentmontage und -demontage! Die Regulation der Aktinfilament Bildung ist ein wichtiger Aktin-bindende Proteine Mechanismus, mit dem Zellen ihre beeinflussen Filamentdynamik und - Form und Bewegung steuern. Kleine Oligomere von Aktin- organisation Untereinheiten können sich spontan In einem Reagenzglas wird die Polymerisation zusammensetzen, aber sie sind von Aktin einfach durch seine Konzentration instabil und zerfallen leicht, da jedes gesteuert. Monomer nur an ein oder zwei andere Innerhalb einer Zelle wird das Aktinverhalten Monomere gebunden ist. aber auch durch zahlreiche akzessorische Damit sich ein neues Aktinfilament Proteine reguliert, die Aktinmonomere oder bilden kann, müssen sich Filamente binden. Untereinheiten zu einem Kern zusammensetzen, der durch mehrere Aktin-bindende Proteine verändern die Dynamik und Organisation von Aktinfilamenten durch räumliche und zeitliche Tubuline am Minusende und β-Tubuline am Kontrolle des Monomers dramatisch → Plus-Ende exponiert sind. Verfügbarkeit, Filamentkeimbildung, Dehnung Bei Aktinfilamenten verleiht die regelmäßige, und Depolymerisation. parallele Ausrichtung ihrer Untereinheiten den Mikrotubuli strukturelle und dynamische Polarität, wobei die Plusenden schneller wachsen und schrumpfen. Die Dynamik von Mikrotubuli wird, wie die von Aktinfilamenten, stark durch die Bindung und Hydrolyse von Nukleotid beeinflusst. Die GTP-Hydrolyse findet nur innerhalb der β- Tubulin-Untereinheit des Tubulindimers statt. Es verläuft sehr langsam in freien Tubulin- Untereinheiten, wird aber beschleunigt, wenn