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Zellbiologie HS2022 1. Einführung und Grundlagen A. Anfänge der Zellbiologie  Robert Hooke: definierte den Zellenbegriff, indem er Kompartimente in Kork beobachtete  Antoni van Leeuwenhoek: ent...

Zellbiologie HS2022 1. Einführung und Grundlagen A. Anfänge der Zellbiologie  Robert Hooke: definierte den Zellenbegriff, indem er Kompartimente in Kork beobachtete  Antoni van Leeuwenhoek: entdeckte für das Auge unsichtbare Leben, möglich durch das Mikroskop B. Mikroskopie B.1 Mikroskopie als Motor der Zellbiologie Lichtmikroskopie = zentrale Technologie der Zellbiologie, Strukturen im Bereich von 250 nm werden sichtbar. Elektronenmikroskopie (ab 1931): Strukturen im Bereich von 1nm werden sichtbar: - Transmissions EM: Organellen - Scanning EM: 3-D Strukturen Rasterkraftmikroskopie/AFM (ab 1986): Kohlenmonoxidmoleküle/Rotoren einer bakteriellen ATP- Synthease (Durchmesser von ca. 5.4 nm). B.2 Zellbiologie als Motor der Mikroskopie GFP: Green fluroescent protein, entdeckt in Quallen (Chemie Nobelpreis in 2008), leuchtet grün wenn mit Blaulicht angeregt Fluoreszenzmikroskopie: Verfahren: FRET,FLAP,FLIP,FLIM,TIRF,FCS,FCCS,FACS, CLEM etc. Funktionsweise: 1. Lichtquelle: Anregungsfilter filtert ge- wünschte Lichtfrequenz 2. Fluoreszenz: gewünschte Struktur fluo- resziert 3. Sperrfilter: filtert Anregunslicht weg 4. Detektion Dynamische Prozesse können zeitaufgelöst und quantitativ analysiert werden. Durch Mu- tation konnten weitere Fluorochrome isoliert werden: 4  Zellbiologie HS2022 Fluoreszenz im Labor: Fortbewegung von Viren an Zellmembran, Brainbow (Gehirnkartierung), Marker für transgene Tiere, Tumormarker (Darmkrebs) Hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie (STED,PALM,STORM,SIM): 2 Kernporenproteine (Krallen- froschzelle) Strukturen im Bereich von 20nm werden sichtbar C. Disziplinen der Zellbiologie Moderne Zellbiologie kombiniert Mikroskopie mit verschiedenen experimentellen Methoden: - Genetik - Molekularbiologie - Biochemie - Biophysik Modellorganismen: Hefe Fruchtfliege Zebrafisch Maus Fadenwurm Ackerschmalwand Krallenfrosch Saccharomyces Drosophila Danio re- Mus Caenorhabditis Arabidopsis thali- Xenopus lae- cerevisiae melanogaster rio musculus elegans ana vis 2-D Zellkulturen, 3-D Zellkulturen, Organoide Genetik: man nimmt eine Komponente weg und sieht, ob es noch läuft: - Läuft nicht: Komponente notwendig - Läuft aber indirekte Schäden Das Ganze nachbauen: synthetische Biologie D. Prinzipen der zellulären Organisation Zellgrösse: - tierische Zelle: 10-30 μM - pflanzliche Zelle: 10-100 μm kleinste Zelle: 150-250 nm (Mycoplasma Bakterium), grösste Zelle: 17 x 14 cm (Straussenei) Nervenzelle Mensch: bis zu 1.5 m lang Nervezelle Giraffe: mehrere Meter lang Nervenzellen mit blossem Auge nicht sichtbar: nur 1-10 μm dick: kleines Volumen Syncitium = Zelle mit vielen Zellkernen E. Definition Zelle/Leben Zelle: von einer Membran umhüllte, abgeschlossene Systeme: - Sie nutzen Energie um chemische Prozesse anzutreiben - Sie schaffen und erhalten Ordnung & erschaffen neue Komponente aus Grundkomponente, die sie aus der Umgebung aufnehmen - Sie können sich selber vermehren Zellen - sind dynamisch sind Nachkommen und komplex, weitArt, von gleicher weg mitvom klarchemischen Gleichgewicht vorgegebenen Strukturen und Eigenheiten Eigenschaften, über welche alle Zellen verfügen: Erbinformation - Linearer chemischer Code (DNS) - Replikation durch matritzengesteuerte Po- lymerisation - Zwischenform: RNA - Gene: zum Leben braucht es weniger als 500 Gene - RNA zu Proteine Proteine - Proteine als Katalysatoren Biochemische Fabrik - Gleiche Grundbausteine Plasmamembran - Nährstoffe und Abfallstoffe können durch Membran passieren Energie - Viel freie Energie wird benötigt 5  Zellbiologie HS2022 Phototrophe Zellen Lithotrophe Zellen Organotrophe Zellen (anorganische Lichtquelle) (anorganische Lichtquelle) (organische Energiequelle) Mineralische Umgebung (Schwefel, Eisen, Mangan): Beziehen Energie aus Licht Für gewöhnlich Einzeller, wel- Substanzen, die von Lebewe- che in extremen Habitaten le- sen gebildet werden ben, aerobe oder anaerobe Energieerzeugung möglich. F. Domänen des Lebens 3-4 Milliarden Jahre: erste prokaryotische Zelle (Ursuppentheorie, Entstehung aus Grundsubstanz könn- te eine Milliarde Jahre gedauert haben 1.8 Milliarden Jahre: erste eukaryotische Zelle Sauerstoffkatastrophe: 2.5 Milliarden Jahre, Cyanobakterien begannen durch Photosynthese Sauerstoff freizusetzen, wodurch die Atmosphäre der Erde stark sauerstoffreich wurde. Hat sich zuerst in Ozeanen angereichert: Neutralisierung Eisen (Oceans Rust). Nach Verbrauch von Eisen: Ozonschicht: Vergiftung -> Massensterben, Eukaryotenzellen mit oxidati- vem Metabolismus profitierten. G.Katalogisierung von Organismen Äussere Merkmale, biochemische Merkmale: traditionelle Methoden Vergleichende genetische Analyse: anfänglich ribosomale RNA, heute werden gesamte Genome vergli- chen Archaeen erst seit 1977 als eigene Domäne erkannt 6  Zellbiologie HS2022 H. Prokaryoten / Eukaryoten H.1 Eukaryotische Zelle 7  Zellbiologie HS2022 Eukaryotische Zellen sind kompartimentiert: Viele verschiedene funktionelle Bereiche, einzelne Kompar- timente könne zerstückelt sein Arbeitsteilung ermöglicht Differenzierung, Kompartimentierung als Voraussetzung für komplexere, differenzierte Organismen Cytoplasma Gelartige Substanz, in der Organellen und Zell- bestandteile eingeschlossen sind Zellkern (Nukleus) Enthält die genetische Information Nukleolus Produziert und montiert Ribosomen Golgi-Apparat Modifiziert, sortiert und versendet Proteine Centrosom (nur tierische und niedere Pflanzen) Hauptorganisator der Mikrotubuli, beteiligt an Zellteilung und Zellstruktur Endoplasmatisches Retikulum (glatt und rau) Stellt Lipide und Proteine her Vesikelarten Kleine membranumhüllte Bläschen, die Stoffe innerhalb der Zelle transportieren Mitochondrien Produzieren Energie (ATP) für die Zelle Zilien/Microvili Kleine, haarähnliche Zellfortsätze für Bewegung und Sensorik Vakuolen (Pflanzen, Pilze) Speicherung von Stoffen und Regulation des Zelldrucks Plastiden (Pflanzen) Doppelmembran-Organellen, darunter Chloro- plasten für Photosynthese bei Pflanzen Organellen: Intrazellulläre Kompartimente, oft membranumhüllt, mit definierter Struktur, Komposi- tion und Funktion: - Cytoplasma: Kompartiment, aber kein Organell - Einzelnes Mitochondrium=Organell, Kompartiment Summe aller Organellen Weitere Komponente: Cytoskelett: Aktin, Mikrotubuli, Intermediärfilamente Zentriolen (Spindelkörper in Pilzen) Extrazelluläre Matrix (tierische Zellen) Zellwand (Pflanzen und Pilze) Chromosomen/DNS RNA Lipide Proteine/Proteinkomplexe (z.B. Ribosomen) Nährstoffe/Mineralien/Salze Wasser 8  Zellbiologie HS2022 I. Wasser: Das Lebenselixier - Die chemischen Reaktionen des Lebens entwickelten sich im Wasser - Zellen bestehen aus 70 % aus Wasser - Wasser als Lösungsmittel - Polarisierung der Ladung: hoher Schmelz und Siedepunkt - Dichteanomalie: Eis schwimmt - Wasser hat Oberflächenspannung: Wasserläufer - Hydrophober Effekt bei Proteinfaltung - Zelle = abgegrenzte wässrige Lösung J. Quantitative Analyse 9  Zellbiologie HS2022 2. Bausteine der Zellen A. Anorganische Moleküle Ionen: H+, Na+ ,K+ ,Cl-, Mg2+, Ca2+, Cu+, Co+, Zn2+, Fe2+/3+, Mn2+, I- Phosphate - Kontrolle osmotischer Druck - Stabilisierung von Proteinen - Regulierung und Koordination von Proteinaktivitäten (z.B. Cofaktoren bei Enzymen) - Energieübertragung und Energiespeicherung B. Organische Moleküle Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff (96.5 % des Gesamtgewichts); Schwefel, Halogene (Fluor, Chlor, Brom, Iod) Chemie des Lebens = Kohlenstoffchemie -> Kohlenstoff kann vier Bindungen eingehen & mit sich selber langkettige und ringförmige Moleküle bilden, Silizium weist ähnliche Eigenschaften auf Bausteine Beispiel Bauteile/Produkte Zucker Fructose Polysaccharide Nukleotide Adenosinmonophosphat Nukleinsäuren (DNS/RNS) Aminosäuren Alanin Proteine Lipide / Fettsäuren Trans-Fettsäure Fette/Membrane B.1 Zucker – Saccharide - Kohlenhydrate D-Zucker: OH- Gruppe rechts, kommt in Zelle vor L-Zucker: OH-Gruppe links Zucker mit Aldehydgruppe: Aldosen Zucker mit Ketongruppe: Ketose In Wasser: Ringbildung: erhöht Stabilität 10  Zellbiologie HS2022 Monosaccharide: (CH2O)n, n= 3-8 C6H12O6: Glucose/Dextrose Aldose Galactose Aldose Mannose Aldose Fructose/Fruchtzucker Ketose mit Ketongruppe Mehrfachzucker: Disaccharide, Oligosaccharide, Polysaccharide Disaccharide: 2 glycosidisch verbundene Monosaccharide Disaccharide prominent in unserer Ernährung aber nicht essentiell Oligosaccharide (kurze Zuckerketten): werden meist an andere Biomoleküle (Proteine, Lipide ange- hängt): - Kann die Eigenschaften der Moleküle verändern - Kann als Markierung dienen (Zell-Zell Erkennung) - Wird oft von Viren gebraucht und missbraucht Blutgruppensysteme: A und B-Typen exprimieren unterschiedliche Glycosyltransferasen, welche Zuckeranhängsel an Proteine unterschiedlich modifizieren. Das Immunsystem bekämpft unbekannte Zuckeran- hängsel. Bislang sind 43 Blutgruppensysteme definiert, auch proteinbasiert wie z.B. Rhesusfaktor Auch Spikeprotein von SARS CoV-2 ist stark glycosyliert. 11  Zellbiologie HS2022 Polysaccharide: lange Zuckerketten Stärke: Reservestoff pflanzlicher Zellen Stabilisierung in 3-D durch Wasserstoffbrücken Lineare Form/ Körner: 1/3 (Amylose) Verzweigte Form: 2/3 (Amylopektin) Glykogen: Reservestoff von Pilzen & tierischen Zellen Stärkere Verzweigung als Stärke: mehr Enden -> schneller Verfügbarkeit Glykogenspeicher nach 60-90 Minuten aufgebraucht Wird vor allem in Muskel-und Leberzellen gelagert Glykogenkorn mit Glycogeninprotein im Zentrum 12  Zellbiologie HS2022 Zellulose: Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand Chitin: - Hauptbestandteil des Exoskeletts von Gliedertieren (Insekten, Spinnen,…) - Bestandteil der Zellwand von Pilzen - Wirbeltiere (Schuppen von Fischen und Amphibien) Chitin wie Zellulose aber mit Acetamidogruppe statt OH am 2ten C im Zuckerring -> bessere Wasserstoffbindungen Herkunft Kohlenhydrate: Photosynthese - Kohlenhydrate werden bei Verdauung zu Monosacchariden zerlegt - Cellulose, Chitin, ß1-4: nicht verdaubar (Ballaststoffe wie z.B. Mais) - Kohlenhydrate: Hauptenergielieferanten der meisten Zellen & vgl. zu Fetten können Kohlen- hydrate anaerob abgebaut werden (Glycolyse). - Endprodukt Glykolyse (Pyruvat) wird in den Mitochondrien oxidiert & 15 x mehr Energie kann gewonnen werden - Bausteine für andere Biomoleküle (z.B. Nukleotide) 13  Zellbiologie HS2022 B.2 Nukleotide Nukleosid: Base + Zucker Nukleotid: Base + Zucker + Phosphat Nucleotide als Energielieferanten: - ATP wird durch Glycolyse und Oxidation aus Glucose hergestellt - Triphosphate binden nicht kovalent an ihr Zielenzym - Hydrolyse (Abspaltung) des äussersten Phosphat liefert Energie - ADP wird am Zielenzym durch ATP ausgetauscht - Ein 80 kg Mensch verbraucht 80 kg ATP (1025Moleküle -> Recycling) Nucleotide als Signalmoleküle: - Second messengers, wirken meist als Aktivatoren von Kinasen:  cAMP: cyclisches Adenosinmonophosphat  cGMP: zyklische Guanosinmonophosphat - Regulieren u.a.: Hormonausschüttung, Relaxation von Muskeln und Blutgefässen, Sehvor- gang in Retina 14  Zellbiologie HS2022 DNS: 1869: Miescher entdeckte DNS 1919: Levene identifizierte Bestandteile der DNS (Base, Zucker, Phosphat) 1943: Avery et al.: Weitergabe erblicher Information zwischen Bakterienstämmen, Widerlegung das Proteine Träger der Erbinformation sind 1952: Hershey & Chase: T4-Bakteriophagen: Blender Experiment 1953: auf Grundlagen von Franklin publizierten Watson & Crick den strukturellen Aufbau der DNS, welcher den Mechanismus der Informationsvermehrung aufdeckte Was passiert mit einer Zelle, wenn keine DNS da ist? Erythrozyt: überlebt 100-120 Tagen ohne Zellkern Thrombozyt: überlebt bis zu einer Woche ohne Zellkern Zellen könne ohne DNS leben Ohne DNS -> keine neue RNS -> keine neue Proteinbausteine -> keine langfristige Vermehrung -> der Zelle fehlt die Bauanleitung - Lineares Molekül: chemischer Code, welcher Informationen zum Unterhalt, Vermehrung und Spezialisierung von Zellen speichert - 2 m DNS in jedem Zellkern ( Mensch ca. 100 Billionen Zellen) - Verpackung nicht trivial - Mitochondrien haben eigene DNS - DNS als polares Polymer wasserlöslich - 5’-3’ Ende - Nucleotide: Phosphodiesterbindung: Brücke zwischen 5er und 3er Kohlenstoff 15  Zellbiologie HS2022 Zentrale Dogma der Molekularbiologie: Replikation: DNS- Verdopplung in S-Phase Spezialfälle:  Meiose II = Zellteilung ohne Rep- likation  Polyploidie = Replikation ohne Kern und Zellteilung  Synzytium = Replikation mit Kernteilung ohne Zellteilung Transkription: - RNS: Ribose als Zucker - Anstelle von Thymin wird Uracil verwen- det: keine Verwechslung des Reperatur- systemes - Eukaryoten: verschiedene RNAs von ver- schiedenen RNA Polymerasen:  mRNA: RNA Polymerase II  rRNA: RNA Polymerase I  tRNA: RNA Polymerase III Nicht-kodierende RNA (ncRNA) macht einen Großteil der menschlichen RNA aus (ca. 98 %). Sie um- fasst verschiedene Moleküle, die nicht direkt in die Proteinbildung involviert sind. Ihre Funktionen sind vielfältig: 1. Regulation: Einige ncRNAs regulieren die Genexpression, indem sie an komplementäre Bereiche auf Ziel-mRNA binden. Dadurch beeinflussen sie die mRNA-Stabilität oder hemmen die Translation. 2. Housekeeping: Zu den ncRNAs gehören auch rRNA, das den strukturellen Kern der Ribosomen bil- det, und tRNA, die Aminosäuren zu den Ribosomen transportiert und so zur Proteinsynthese beiträgt. Neben bekannten Funktionen sind viele Details über ncRNAs noch unklar. Einige könnten bisher als ge- netischer "Junk" angesehene Moleküle sein, jedoch zeigen Forschungen ihre Bedeutung in Prozessen wie der Krebsentstehung und Alzheimer-Erkrankung. 16  Zellbiologie HS2022 Translation: Translation durch Ribosome im Zytoplasma - Ribosome Komplex aus RNA + Pro- teine - Polysomen: Perlenschnüre von meh- reren Ribosomen Genetische Code: - Universal - Degeneriert - 43 = 64 Anordnungsmöglichkeiten der Co- dons - DNS besteht nicht nur aus Codons:  Regulatorische Berei- che  Strukturelle Elemente  Elemente für nichtco- diernde RNA B.3 Aminosäure/Proteine 20 protinogene Aminosäuren: kanonische Amino- säuren (L-Form) Nicht kanonische Aminosäuren: posttranslationale chemische Modifikation der kanonischen Aminosäu- ren >400 natürliche nicht proteinogene Aminosäuren mit biologischer Funktion Essentielle Aminosäuren ( müssen durch die Nah- rung aufgenommen werden, da sie nicht selber im Körper synthetisiert werden können). Isoldes trübe Theorien machen Leutnant Valentin phänomenal lüstern. 17  Zellbiologie HS2022 Proteine spielen eine zentrale Rolle in zellulären Prozessen. Peptide sind kurze Proteine mit weniger als 100 Aminosäuren. Die enorme Vielfalt an Proteinen entsteht durch den Abbau während der Verdauung, es sei denn, sie sind vor diesem Prozess geschützt, wie beim Botulinumtoxin. Die korrekte Proteinfaltung ist entscheidend. Die Aminosäuresequenz enthält Informationen für die Fal- tung: hydrophobe Seitenketten richten sich nach innen, während hydrophile (polare) Ketten nach außen zeigen. Chemische Modifikationen, wie die Bindung von Schwefelatomen von Cysteinen, beeinflussen die Faltung. Hilfsproteine, sogenannte Chaperone, unterstützen diesen Prozess. Methylierung Wasserstoff- ~ brücken Sekundärstruktur: durch Wasserstoffbindungen zusammengehalten: Die α-Helix durch Bindung zwischen jeder 4ten Aminosäure. Das ß-Faltblatt durch Bindung zwischen parallelen oder antiparallele Kettenabschnitten. Tertiärstruktur: endgültige, spezifische Faltung des Proteins, energetisch am günstigsten, kann sich durch Aminosäurenmodifikationen oder Bindung an andere Moleküle ändern. Quartärstruktur: Komplexe von mehreren Polypeptidketten Supersekundärstrukturen (geben keinen Hinweis auf die Proteinfunktion): Doppelwendel (coiled coil): Zwei oder mehr umeinander gewickelte α-Helices, erlaubt hydrophobe Seitenketten der α-Helices abzu- schirmen ( durch AS vorhersagbar) Coiled coils sind linear, sehr stabil -> mechanisch beanspruchte Proteine (-> Intermediärfilamente und Motorproteine) 18  Zellbiologie HS2022 Proteindomänen: Abschnitte, die sich unabhängig zu einer kompakten stabilen Unterstruktur falten, ver- fügen über bestimmte Eigenschaften wie enzymatische Funktion oder Membranbindungsfunktion Evolution: neue Kombinationen von Domänen: neue Proteine und Funktionskombinationen, Verände- rung der Domänfunktion, Coiled Coil Protein Origami für gezieltes Drug Delivery. Proteinfamilien: Proteine werden nach Domänen in Familien eingeteilt, auch Aminosäuresequenzhomo- logie (Gensequenz auf der DNS) kann Proteinfamilie definieren 1) Kinasen Kinasen hydrolysieren ATP und hängen die frei werdende Phosphatgruppe mit zwei negativen Ladun- gen an Serin, Threonin oder Tyrosin an (selten auch Histidin, Arginin, Lysin, Cystein, Glutamat oder As- partat). Kinasen werden selber über Phosphorylierung aktiviert/inaktiviert. Bei der Signalübermittlung entsteht eine Phosphorylierungskaskade. Phosphatasen sind Gegenspieler von Kinasen und entfernen das Phosphat. 2) GTPasen 19  Zellbiologie HS2022 GTP Hydrolyse verändert die Proteinkonformation und inaktiviert das Protein Aktivierung: Austausch von GDP mit GTP mithilfe von GEF ( guanine nucleotide exchange factor, Aus- tausch ist schnell und aktiviert eigentliche Funktion der GTPase, welche meistens darin besteht, andere Proteine zu binden. Die Hydrolyse des GTP passiert spontan, wird aber meist von Regulationsproteinen beschleunigt -> GAPs (= GTPase activating proteine). GAP: aktiviert intrinsische Hydrolysefunktion der GTPase, inaktivieren ihre eigentliche Funktion RAS: Onkogen Posttranslationale Proteinmodifikation Glykosylierung: Anhängen von Zuckerresten Phosphorylierung: Anhängen von Phosphatgruppen Methylierung: +CH3 Acetylierung: +C2H3O z.B. Histone Lipidation: Anhängen von Fettsäuren-> Einbindung in die Membran Proteasen: schneidet Protein zurecht, Aktivierung oder Lokalisierung, z.B. Abspaltung der Signalse- quenz Disulfidbrücken: kovalente Verbindung der Schwe- felatome zweier Cysteine Kovalente Verbindungen mit anderen Proteinen: Sumo (Sumoylierung) oder Ubiqutin (Ubiquitinylie- rung). Proteinstabilität Gewisse Proteine sind sehr stabil und werden nicht aktiv abgebaut (Keratin) Falsch gefaltete, alte oder denaturierte Proteine werden automatisch eliminiert Regulierte Elimination: Cycline werden einmal pro Zellzyklus aufgebaut und wieder abgebaut Proteasome: im Cytoplasma und im Zellkern, 1 % Gesamtproteinmasse der Zelle Zylindrische Form erlaubt prozessive Funktion & schottet gefährliche Proteasenaktivi- tät ab Proteine, welche degradiert werden sollen, werden durch Polyubiquitinylierung für das Proteasome markiert 1) E1 bindet und aktiviert Ubiquitin (verbraucht ATP) 2) E1 übergibt Ubiquitin an E2 3) E2 bindet E3 Ubiquitin Ligase, welche Degrons in der Zielpro- teinsequenz erkennt & hilft das erste Ubiquitin an ein Lysin anzu- hängen: Monoubiquintinylierung 4) Polyubiquitinylierung: weitere Ubiquitine werden an Lysin ange- hängt Nicht reguliert: im Proteininneren verborgene Degrons werden durch fal- sche Faltung sichtbar Reguliert: - Freilegen eines Degrons z.B. mittels Phosphorylierung oder Pro- teintrennung - Generieren eines N-terminalen Degrons durch Acetylierung oder Aminosäureabsplatung - Verschiedene, aktivierbare E3 Proteine erkennen ausgewählte Degrons20  Zellbiologie HS2022 N-Regel: wie stabil ist das Protein? Methionin nicht immer zwingend erste AS aufgrund posttranslationaler Modifikation Erste Stelle entscheidet über die Erkennungseffizienz einer E3 Ubiquitinligase Collagen: Hauptbestandteil von Bindegewebe, Sehnen und Knorpel und macht 25-35% unseres gesam- ten Proteinpools aus. Titin: Strukturprotein im Muskel und ist mit bis zu 33’000 Aminosäuren(je nach Spleissvariante) und 244 Proteindomänen das grösste bekannte Protein. Botulinum Toxin (Botox): blockiert die Signalübertragung von Nervenzellen und ist das wohl giftigste be- kannte Protein. Es wird geschätzt, dass bereits 100ng einen Menschen töten. Down syndrom cell adhesion molecule (Dscam): Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist ein Rezep- tormolekül der neuronalen Axone. Durch alternatives Spleissen der mRNA können über 38’0000 ver- schiedene Proteinvarianten hergestellt werden. 21  Zellbiologie HS2022 3. Membranen A. Lipide Lipide: Biomoleküle, die in Fetten oder organischen Lösungsmittel löslich, in Wasser jedoch unlöslich sind. - Typische Lipide: lange Kohlenwasserstoffketten (Fettsäuren), kondensierte Ringsysteme wie z.B. Steroide - Über 46'000 biologische relevante Lipidsorten bekannt - Lipide sind genetisch nicht codiert Fettsäuren: Carbonsäuren bestehend aus einer Kohlenstoffkette (apolar, hydrophob, chemisch sehr trä- ge) (n≥4) und einem Carboxylende (COOH) (in Lösung ionisiert, da in Lösung deprotoniert (COO-) -> meist kovalent an andere Moleküle gebunden. Moleküle mit hydrophilen und hydrophoben Teil werden auch als aliphatisch bezeichnet. Sie bilden als Phospholipide die Hauptbestandteile der zellulären Membran. Triglyceride dienen als Energiequelle. Kohlenstoffketten der natürlichen Fettsäuren sind unverzweigt (Knick= cis/trans Konfiguration), unter- scheiden sich durch Anzahl Kohlenstoffatomen und der Position und Anzahl von Doppelbindungen. Gesättigte Fettsäuren = Fettsäuren ohne Doppel- Alle tierische Lebensmittel (Butter, Milchprodukte, bindung Fleisch) Bestandteil fester, pflanzlicher Fette Einfach ungesättigte Fettsäuren Olivenöl, Rapsöl, Avocados, Nüsse Mehrfach ungesättigte Fettsäuren Linolsäure – C18 - zweifach ungesättigte Fettsäure - Omega-6-Fettsäure - Lipidname 18:2 (ω−6). α-Linolensäure – C18 - dreifach ungesättigte Fettsäure - Omega-3-Fettsäure - Lipidname 18:3 (ω−3). 22  Zellbiologie HS2022 Triaglycerine: Glycerol + drei Fettsäuren: das gesamte Molekül ist hydrophob, Variation durch ver- schiedene Fettsäuren, Nahrungsfette sind meist Triaglycerine Zellen speichern Fettsäuren als Triaglycerintröpfchen, im Extremfall in Form von Adipocyten. Der Ab- bau findet durch Abspalten von Fettsäuren statt in Form von Hydro- lyse zu Zweikohlenstoffeinheiten (identisch zum Zuckerabbau). Während der Abbau von Triaglyce- rine im Schnitt 6 x mehr brauchba- re Energie liefert als Glucose, kann Glucose anaerob abgebaut wer- den. Triglyceridwerte sollten unter 150 mg/dl liegen, da ansonsten Thrombose und Artheriosklerosegefahr herrscht, v.a. bei gleichzeitig erhöhten Cholesterinwerten. Eine erhöhte Einlagerung von Triaglyceriden kann zu einer Fettleber führen, was v.a. Überernährung, Alkoholmissbrauch und Medikamente als Ursa- che hat. In 10 % aller Fälle kann eine Fettleber zu einer Leberzirrhose führen. Leberzellen mit krankhaf- ten erhöhten Fetteinlagerungen sind als weisse Flächen erkennbar. Phospholipide: Hauptbestandteile der zellulären Membran, in wässriger Lösung negativ geladen, be- stehen aus Glycerol, zwei Fettsäuren, einer hydrophilen Phosphatgruppe mit einer weiteren hydro- philen Kopfgruppe wie Phosphatidylcholin (PC), Phosphatidylserin (PS), Phosphatidylethanolamin (PE), in wässriger Lösung negativ geladen Sphingomyelin: Sphingosin + eine Fettsäure + Phospocholin Polare OH-Gruppe kann H-Brücken mit Proteinen oder Nachbarlipiden eingehen, hohe Konzentration in Memb- ranen der Myelinzellen, welche die Axone der Nerven- zellen isolieren. Multiple Sclerose: Immunsystem greift Myelinschicht an, wobei die verursachten Entzündungen und Narben zu Nervenschädigungen führen. 23  Zellbiologie HS2022 Amphipatische Natur: Grenzflächenaktivität, organisieren sich automatisch an Grenzflächen, abhängig von der Fettsäure entstehen in wässriger Lösung spontan Mizellen oder Doppellipidschichten (Liposo- men) -> als Transportmedium wie z.B. verpackte mRNA bei Impfungen Steroide: bestehend aus Steran, wichtige Lipid- komponente von Membranen, wirken auch als Vitamine, Hormone oder Gifte (Krötengift, Digita- lis, Oleander etc.) Cholesterin: verfügt über OH-Gruppe, wichtig für die Hormonherstellung, wichtig für Membran- komponente, durch die starre Steroidfläche von Cholesterin stabilisiert es die Membran, verhin- dert aber auch die Kristallisierung derer. Choles- terin kann spontan von einer Membranseite (leaflet) auf die andere hüpfen -> Flip-Flop Steroidhormone: Corticosteroide & Geschlechts- hormone, werden in verschiedenen Geweben aus Cholesterin hergestellt. B. Membranen Hauptaufgabe der Lipiden ist es, Membranen zu bilden, die v.a. als Barriere für wasserlösliche Moleküle dienen. Phosphor - Membrane bestehen aus einer Phospholipiddoppelschicht, hydro- - Durchmesser ca. 5 nm Phil - Hydrophile Köpfe aussen, hydrophobe Kohlenstoffketten innen - Membranen in wässriger Lösung versuchen immer in sich geschlossen zu sein: Löcher und Risse schliessen sich von hydro- prob selbst -> Selbstorganisation -Eindrückliche Kräfte halten die Membran zusammen 24  Zellbiologie HS2022 Plasmamembran: begrenzt alle Zellen (Cytoplasma), isoliert den Zellinhalt vor den zerstörerischen äusseren Einflüssen (u.a. Verdünnung der Komponenten), Barriere für Stoffe (rein und raus), kon- zentrierte biochemische Prozesse auf kleinstem Raum (Membranoberfläche). Endosymbiontentheorie: besagt, dass bestimmte Organellen, wie Mitochondrien und Chloroplasten, einst unabhängige Prokaryoten waren, die von einer eukaryotischen Zelle aufgenommen wurden. Im Laufe der Evolution entwickelten sie eine symbiotische Beziehung, wodurch komplexe eukaryotische Zellen entstanden. Subzelluläre Membran: innerhalb von eukaryotischen Zellen bilden Organellen Membranen (Zelle inner- halb der Zelle), Organellmembranen sind Barrieren, die chemische Prozesse vom Rest der Zelle ab- schirmen Membranen sind zweidimensionale Flüssigkeiten, welche durch vorwiegend nicht-kovalente Bindungen zusammengehalten werden und daher flüssig vorliegen. Phospolipide schwimmen in der Membran, late- rale Diffusion von 2μm/sec. Fluidität wird durch Knick (cis-Doppelbindung) und kürzere Fettsäuren (we- niger Widerstand) beeinflusst. Aufgrund amphiphilen Eigenschaften ist Flip-Flop kaum möglich -> energetische Hürde zu gross, Phos- pholipidtranslokatoren katalysieren Flip Flop. Flippase verschiebt v.a. Phos- phatidylethanolamin und Phos- phatidylserin Floppase befördern Phospholipide von innen nach aussen Scramblase befördern Lipide in bei- de Richtungen Lipidkompositionen unterscheiden sich vom äusseren und inneren leaflet erheblich, z.B. Erythrozyten: aussen v.a. Phosphatidylcholin und Sphingomyelin, innen v.a. Phosphatidylserin und Phosphatdyletha- nolamin. Phosphatidylserin hat negative Ladung: grosser Ladungsunterschied zwischen Membraninnen– und – aussenseite. Membranasymmetrie wichtig für die Signaltransduktion, Sti- mulation von aussen rekrutierten Proteine aus dem Cytoplas- ma an die Plasmamembran: involviert häufig Interaktion mit Lipidkopfgruppen. Serin/Threonin Proteinkinase C (PKC): Aktivierung braucht negative Ladung von Phosphatidylserine und auch Diacylglycerol, verschiedene Signalprozesse rekru- tieren PKC an die Membran. Lipidmodifikation: Signaltransduktion braucht oft Lipidmodifikation, z.B. Phosphatidylinositol: eher selte- nes Lipid der Membraninnenseite, wird von Lipidkinasen phosphoryliert und von Phosphatasen dephos- phoryliert -> verschiedene Varianten mit unterschiedlichen Funktionen 25  Zellbiologie HS2022 ~ aktiviertalipase Aktivierung Proteinkinase ( Die aktivierte Phospholipase C spaltet PIP2 in Inositol-1,4,5- trisphosphat (IP3) und Diacylglyce- rol (DAG). IP3 öffnet Kalziumkanäle im ER, was zu einer Freisetzung * Öffnung von Kalzium ins Zytosol führt. DAG calciumkanäle bleibt in der Zellmembran und akti- viert die Protein Kinase C (PKC). *Freisetzungdie Membrandomänen: Zellmembranen bestehen aus sehr vielen Lipidarten, welche sich spontan zu Do- mänen mit bestimmter Lipidzusammensetzung organisieren, membranständige Proteine bevorzugen bestimmte Lipidzusammensetzung Bekannteste Membrandomänen sind Lipid- flösse (engl. Lipid rafts) -> hoher Anteil an Sphingolipiden und Cholesterin: Sphingolipi- de -> lange gerade Fettsäuren: macht Lipid- flösse dicker als die umgebende Membran. Selbstorganisation der Lipiden in vitro zu Flössen, zusätzliche Stabilisierung durch Pro- teine in vivo. Lipid rafts verfügen über viele Funktionen, u.a. Inseln für Moleküle der Sig- naltransduktion -> Eintrittspforte wie Viren wie HIV. Glycolipide sind auf der Aussenseite der Lipidflösse angereichert, hängt mit ihrer Her- stellung im Golgi-Apparat zusammen. Im Darmepithelzellen sind Glycolipide hoch kon- zentriert an der exponierten apikalen Memb- ran, wo sie vor Verdauungsenzymen und dem niederen pH schützen (Glycokalix) -> wird von Choleratoxin missbraucht. Membranproteine: 30 % der Membranenfläche bestehen aus Proteinen, in der durchschnittlichen Zelle machen Proteine 50 % der Membrantrockenmasse aus, allerdings kommen 50 Lipide auf ein Protein -> Lipide sind wesentlich kleiner als Proteine. Aufgrund der Barrierefunktion der Membran verfügen viele Proteine Transportaufgaben, zudem gibt es auch katalytische Proteine (ATP-Synthese an der Membran der Mitochondrien), Rezeptorproteine (Signale aus der Umgebung), Zelladhäsionsmoleküle. 26  Zellbiologie HS2022 Plamamembranproteine von tierischen Zellen sind meist glycolisiert: Glycokalix. Membranproteine sind in Lipiden gelöst, diffundieren wie die Lipide in der Membranebene (2D). Membranproteine brauchen bestimmte Lipide zum Funktionieren und Lokalisieren, Membranproteinen funktionieren oft in grossen Komplexen, z.B. CytochromeC Oxidase der Atmungskette. Transport durch die Membran: Diffusionsgeschwindigkeit von Grösse und Ladung abhängig, O2 und CO2 klein und unpolar: diffundieren problemlos, Wasser diffundiert sehr langsam, auch Ionen (zu gross auf- grund Wasserhülle) & Nukleotide, Aminosäuren und Zucker diffundieren kaum -> Membranfunktionen schleusen Moleküle. Aquaporine: Wasser kann bidirektional durch enge Kanäle der Aquaporine wandern, unterstützt durch den speziellen Bau der Pore, 3 Milliarden Moleküle wandern pro Sekunde durch eine Pore Ca. 30 % aller Membranproteine schleussen Ionen oder kleine, wasserlösliche Moleküle durch die Membran, Membrantransportproteine sind Mehrpfadproteine: schirmen die zu transportierenden Sub- stanzen von der hydrophoben Lipidkette ab. Kanäle: Poren, die wenn geöffnet, passiven Transport er- lauben. Transporter: Transport durch bewegliche Bereiche, Transport durch Membran auch mittels Sek- retion und Endozytose (Vesikeltransport) möglich. Membrantransportproteine sind spezifisch: transportieren nur bestimmte Moleküle, viele Erbkrankheiten sind mit Mutationen in Transportproteinen verbunden, da sie oft nur bestimmte nicht-essentielle Fakto- ren transportieren. Alle Kanäle und viele Transporter machen nur passiven Transport entlang des Kon- zentrationsgradienten -> erleichterte Diffusion. Bei geladenen Molekülen spielt auch der elektrochemi- sche Gradient eine Rolle, die meisten Plasmamembranen haben einen Spannungsunterschied, wobei die Innenseite negativ, die Aussenseite positiv geladen ist. ↳ entgegen Gradient Zellen und Organellen benutzen Membrantransportproteine um Energie zu speichern, dies wird durch den Aufbau unterschiedlicher Ionenkonzentrationen an Membraninnen- und -aussenseite erreicht (Kon- zentrationsgradienten). Aktiver Transport benötigt Energie, welcher Transportprozesse antreibt, erzeugt elektrische Signale und ist an der ATP-Herstellung beteiligt (Mitochondrien). Aktiver Transport verläuft entgegen den Konzentrations- oder Ladungsgardienten Gekoppelter Transport: blinder Passagier mit einem bergab Molekül, Energie durch Herstellung eines Konzentrationsgradienten. ATP getriebene Pumpen: ATP Hydrolyse liefert Energie Licht getriebene Pumpen: v.a. bei Bakterien und Archaeen, generieren Energiespeicher in Form eines Ionengradienten z.B. durch nach aussen pumpen von H+. 27  Zellbiologie HS2022 Primär aktiver Transport: Ionenunterschied innen/aussen wird hergestellt -> Energieverbrauch P-Typ Pumpen Na+/K+ ATPase: Mehrpfad α-Helix Protein, das sich selber phosphoryliert (deshalb P-Typ). Pro ATP ge- hen 3 Na+ Ionen raus und 2 K+ Ionen rein ~ ATP -3 Nationen = ,2ktlonen] im innern + F/V Typ: Mitochondrien, Bakterien, H+ Gradienten ABC-Transporter: kleine Moleküle Sekundär aktiver Transport: Symporter in Darmepithelzellen, nicht direkt von ATP angetrieben, sondern von Na+ Gradienten: Unter ATP-Verbrauch generiert Ionenpumpe einen Na+ Konzentrationsgradienten. Wird Na+ in die Zelle zurückgeschleust und mit ihnen Zucker oder Aminosäuren: spezialisierte Sympor- ter für verwandte Zucker oder Aminosäuren, Bakterien, Hefen und Organellen tierischer Zellen benutzen einen H+ anstelle eines Na+ Gradienten. 28  Zellbiologie HS2022 4. Cytoskelett actin helical - polymers linear bundes microfilaments - 2D networks 3D gels - - 7nm dick - Kommen in allen Eukaryotenzellen vor hollow cylinders tubrlin more rigid microtubule organizing Center (MTOC) centrosome - 25nm dick - Kommen in allen Eukaryotenzellen vor ropelike fibers nuclear kamina - 10nm dicke Filamente - Kommen nur in tierischen Zellen vor 29  Zellbiologie HS2022 Das Cytoskelett ist sehr dynamisch und in seiner Funktion und Architektur extrem vielfältig: Zellformgeber, Transportweg, Kraftgenerator, Kraftsensor, Stabilisator, Baugerüst, Baustein, Signalübermittler Alle Filamente sind aus 1-2 kleinen Protein- einheiten aufgebaut, welche sich mit Hilfe vie- ler hydrophober Wechselwirkung linear und seitlich aneinander lagern, was zur entspre- chenden Stabilität führt, da ansonsten unter den thermischen Kräften die lineare Protein- filamenten schnell zerbrechen. G-Activ A. Actin + ATP ↓ ( Polymerisierung /Filament F - Activ Eines der konserviertesten Proteine der Zelle Benötigt Chaperone zum korrekten Falten, was die Anzahl fehlerhaften Molekülen reduziert, fehlerhafte Grundbaustein gefaltete Proteine (=Prionen) können u.a. zum Rinderwahnsinn führen. Actinmoleküle (=G-Actin) poly- merisieren zu Filamenten (=F-Actin) wenn sie ATP gebunden haben, ATP verändert die Konformation des G-Actin und damit die Bindungskonstante kon. Polymerisierung: + Ende eines ATP gebundenen F-Actins bindet an -Ende eines vorbeischwimmenden ATP-gebundenen G-Actins, gleichzeitig seitliche, laterale Verbindung: liegt immer als Doppelstrang vor, die Actinstruktur bestimmt die Natur der lateralen Bindung: Doppelstrang verzwirnt zu Helix -> laterale Stabilisierung und gleichzeitig Elastizität. Polymerisierung läuft bis zum Gleichgewicht, bis zur kritischen Konzentration von G-Actin -> nicht mehr genug G-Actin für Wachstumsüberschuss. Actin ist eine ATPase: G-Actin hydrolysiert ATP nur sehr langsam, F-Actin hydrolisiert das ATP relativ schnell -> hydrolysierte Einheiten sind weniger stabil gebunden, v.a. am -Ende entsteht ein Problem. Prinzipiell kann ATP-Actin auch am -Ende binden -> strukturell weniger günstig. Hinten fallen Einheiten weg: Treadmilling 30  Zellbiologie HS2022 F-Actin Keimbildung: ATP-gebundenes G-Actin bilden spontan kleine Aggregate, ab bestimmter Grösse stabil genug um als Keime für die Polymerisierung eines Fila- ments zu dienen. Die Natur kontrolliert mit Hilfe von weite- ren Proteinen wo und wann in der Zelle Filamente entste- hen. Actin ist eine der häufigsten Protein in der Zelle, Actinfilamente bedecken Zellmembraninnenseite der meisten tierischen Zellen: - Mechanisch stabilisierende Hülle = Actincortex (=Zellrinde) - Verankerung für viele Moleküle B. Mikrotubuli Werden aus zwei fast identischen Untereinheiten gebaut α- und ß-Tubuline brauchen Chaperone zum korrekten Falten und zur Dimerisierung. α- und ß-Tubulindimere polymerisieren zu Proteinfilamenten wenn beide ein GTP gebunden haben Mikrotubuli verfügen über Polarität (ß-Tubulinende = + Ende) Mikrotubuli aus reinem Tubulin wachsen auch am -Ende Die kon eines α-Tubulins an ein im Proteinfilament bestehendes ß-Tubulin ist grösser als umgekehrt Die laterale Bindung der Tubulindimere ist leicht gekrümmt: mehrere Protofilamente (=PF) formen auto- matisch einen Tubus 31  Zellbiologie HS2022 Mikrotubuli wachsen blattförmig Der Tubus ist erst mit dem Verschluss der Gitternaht vollendet ß-Tubulin ist eine GTPase, α-Tubulin nicht, im Proteinfilament hydrolisiert ß-Tubulin sein GTP effizient zu GDP -> Drang nach Konformationsänderung, würde noch eine stärkere Krümmung des Proteinfila- ment verursachen, wird durch stabilisierende GTP-Tubulin Kappe (am wachsenden -Ende) und stabili- sierende laterale Bindungen verhindert. Wenn die kritische Konzentration an freien Dimeren erreicht wird, verlangsamt das Wachstum: schützende Kappe geht verloren (am -Ende schneller als am +Ende. Mikrotubuli verfügen über kein Tread milling, stattdessen zeigen beide Enden, wenn sie frei sind, dyna- mische Instabilität, was als Katastrophe und Rettung (mehrmals pro Minute) bezeichnet wird -> dynami- sche Instabilität, wobei die Katastrophe durch den Verlust der GTP-Kappe induziert wird -> GTP- Hydrolyse holt wachsendes Ende ein, geschieht zufällig bei konstanter Tubulindimerkonzentration. Da das -Ende langsamer wächst, wird es häufiger von der Hydrolyse eingeholt (häufigere Katastrophe). Rettung ist noch nicht verstanden, allerdings wird vermutet, dass einige gebundene GTP ß-Tubuline im Gitter verbleiben und dies lokal stabilisieren, was zur Ursache hat, dass die Depolymerisierung stoppt und neue Tubuline anwachsen können. Actinfilamente sind relativ flexibel und elastisch, wobei Mikrotubuli steif sind & leichter brechen wenn Kräfte zu gross werden. Mikrotubuli gehören zu den wichtigsten medizinischen Angriffszielen, v.a. bei der Krebsbekämpfung (Taxol, Nocadazole, Vinblastine, Vincristine, Toxatere). Die meisten Viren missbrauchen Mikrotubuli für ihre Zwecke, Mikrotubuli sind auch wichtige Angriffsziele von Fungiziden (Carbendazim, Thiabendazole). C. Intermediärfilamente Kommen in tierischen Zellen vor im Zusammenhang mit tierischen Zellen, Untereinheiten weisen hohe Diversität bezüglich Grösse und Proteinsequenz auf (Mensch ca. 70 Gene, davon 54 Kreatine). Monome Intermediärfilamente verfügen alle über die gleiche Supersekundärstruktur (coiled coil) mit variablen En- Dimer den. Intermediärfilamente organisieren sich selbst durch hydrophobe Wechselwirkung zu Filamenten und be- Tetramer nötigen weder ATP noch GTP: 5 antiparallel Monomere – Dimere aus parallelen Monomeren – Tetrameren aus antiparallelen Dimeren (lösliche Grundeinheit) – Tetramere durch Kopf an Kopf Ver- bindung – acht Tetramere verbinden sich lateral und rollen sich zu einem Filament zusammen, können sich weiter bündeln (z.B. Neurofilamente). Intermediärfilamente verfügen über keine Polarität 32  Zellbiologie HS2022 Intermediärfilamente sind weniger dynamisch als Aktin oder Mikrotubuli, trotzdem extrem flexibel und zäh. Kernlamine Am meisten verbreitet, wohl am ursprünglichsten, bilden Lamina (=Netzwerk, welches die innere Zellkernmembran auskleidet), gibt dem Zellkern Festigkeit und verankert Proteine und DNS Mutationen in den Lamingenen verursachen Lami- nopathien wie Progerie: seltene genetische Er- krankung, die vorzeitig schnelles Altern bei Kin- dern verursacht. Mutation führt zu einer fehlerhaf- ten Produktion des Proteins Lamin A, das eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Zell- struktur spielt. Keratine Variabelste Intermediärfilamente, Hautzellen pro- duzieren bis zu 20 verschiedene Keratine, z.T. gleichzeitig, bestehen jeweils aus einem sauren und einem basischen Keratinfilament (Heterodi- mer), kovalente Disulfidbindungen verbinden Kera- tinfilamente: Robustheit sogar über den Zelltod hinaus, defekte Keratine verursachen mehrere Erbkrankheiten: Epidermis bullosa simplex -> Ke- ratin 5 und Keratin 14 kodieren. wichtig für die Stabilität der Hautzellen & Bildung der epiderma- len Schicht der Haut. Die genetischen Verände- rungen führen zu einer Schwächung der Zellver- bindungen, was dazu führt, dass die Haut anfällig für Blasenbildung und Ablösung wird, selbst bei geringer Reibung oder Druck. Neurofilamente Kleiden Innenseite der Axonmembran aus, ermög- licht meterlange Axone, Neurofilamentproteinmen- ge bestimmt wahrscheinlich Dicke und somit Leit- fähigkeit der Axone. 33  Zellbiologie HS2022 D. Organisation des Cytoskeletts Verschiedene Werkzeuge & Strategien ermöglichen eine grosse Vielfalt an zellulärer Cytoskelettver- teilung, kann sogar in gleicher Zelle varieren (z.B. Mikrotubuli im wachsendem Neuron: Axon: stabil, parallel, lang, Soma: dynamisch,antiparallel, lang), Organisation wird unter anderem durch chemi- sche Modifikation der Filamente oder mit Hilfe von assoziierten Proteinen erreicht. D.1 Actinfilamente Aktinfilamente sind meistens gebündelt oder in einem Netzwerk: Aktincortex (Zellmigration) Viele Möglichkeiten, die Lokalisie- rung und das Wachstum der Actin- filamente zu kontrollieren: - Profilin und Thymosin kontrol- lieren den G-Actin Pool & sind dabei Konkurrenten - Profilin an G-Actin: Bindung nur noch am + Ende, was la- terale Bindung verhindert, somit gibt es keine Keimbil- dung - Thymosin verhindert jegliche Bindung Nukleasation: wo soll das Aktin beginnen zu wachsen? Mehrere μm lange Actin Filamente formieren und organisieren sich selbst Die Lokalisierung der Keimbildung ist eine der wichtigsten Kontrollfunktionen: Keimbildung durch den Actin-Related-Protein (Arp) 2/3 Komplex: simuliert ein freies F-Actin Ende, wird durch Nucleation promo- ting factors aktiviert (lokalisieren den Komplex). Arp 2/3 ist Hauptakteur für verzweigte F-Actin Netzwer- ke. Keimbildung und Elongation durch Formine -> F-Actinbündel Formindimere stabilisieren ein Actindimer & gaukelt F-Actin Ende vor: Keimbil- dung. Gewisse Formine haben zusätzliche Hilfshaare: Whiskers 34  Zellbiologie HS2022 Actinfilamente werden nach der Bildung oft durch weitere Proteine gebündelt oder vernetzt, können auch chemisch modifiziert werden (z.B. phosphoryliert,acetyliert…) D.2 Mikrotubuli ende -stabilisiert = grichteter Transporte Zentral sind Kontrolle von Keimbildung und Katastrophe: O Meiste Zellen haben Mikrotubuli organisie- glped wackiga rende Zentren (MTOC’s), in welchen sich γ- Tubulinkomplexe (γ-TuRC) befinden, wel- che ein Mikrotubuliende stimulieren. γ – Tu- bulin ist eine Tubulinvariante, an einem be- ↳ verhindern stehenden Mikrotubulus. An einem beste- Katastrophe henden Mikrotubulus stabilisiert der γ- BlüstKatastro e TuRC das -Ende : nur + Enden wachsen vom MTOC  Extrem wichtig für den gerichte- ten Transport ( =DNS in Zelltei- lung) Die γ-TuRC sind oft in Centrosomen konzentriert (v.a. in kultivierten Zellen), das Centrosom ist im EM sichtbar (schon lange als MTOC bekannt). In mehrzelligen Organismen wachsen Mikrotubuli wohl in den meisten Zellen auch von anderen Ortem, im Centrosom gibt es auch Mikrotubuli mit freiem – Ende. Wachsende Mikrotubulienden werden in der Regel von Proteinen dekoriert, die als Plusend-Tracking- Proteine (+TIPs) bekannt sind. Diese +TIPs scheinen mit dem Plusende zu "mitlaufen", binden jedoch lediglich an die GTP-Tubulinkappe, bevor sie wieder abfallen. Das Wachstum der Mikrotubuli verschiebt die GTP-Kappe und schafft so neue Bindungsstellen für die +TIPs. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen den +TIPs und den sogenannten Forminen, die auch an der Regulation des Mikrotubuliwachstums beteiligt sind. Die meisten +TIPs haben eine doppelte Funktion: Sie verhindern einerseits eine Katastrophe, also das Schrumpfen der Mikrotubuli, und fördern gleichzeitig das Wachstum der Struktur. Sie tragen somit dazu bei, dass die Mikrotubuli dynamisch und funktionsfähig bleiben. Eine Ausnahme bildet das Protein Kinesin13, das die Katastrophe auslöst, indem es die Protofilamente, die die Mikrotubuli bilden, nach außen zieht. EB1-Proteine erkennen strukturelle Merkmale der wach- senden Plusenden der Mikrotubuli, ermöglichen die Akkumulation anderer +TIPs und generieren durch die Nutzung der Mikrotubulus-Polymerisationsenergie Schubkräfte zur Zellstruktur-Positionierung. 35  Zellbiologie HS2022 Microtubuli können durch weitere Proteine gebündelt werden, werden mit Intermediär – und Actinfila- menten sowie Membranen verbunden, Mikrotubuli können auch chemisch modifiziert werden, um sie zu stabilisieren (z.B. in Axonen): Tau: Aggregate bei Alzheimer, zu stabil: machen Neuronen kaputt MAP2 (Mikrotubulus-assoziiertes Protein 2): Protein, das eine wichtige Rolle beim Aufbau und der Stabi- lisierung von Mikrotubuli im Zellskelett spielt. Plectin: verbindet Mikrotubuli mit Intermediärfilamenten D.3 Intermediärfilament-assoziierte Proteine (IFaPs) Hilfsproteine unterstützen spontane Aggregation, verbinden Intermediärfilamente auch mit anderen Zell- strukturen. Filaggrin: verbindet Filamente untereinander Plectin: verbindet Filamente untereinander, mit Actinfilamenten, mit Mikrotubuli und mit Proteinen an Membranen, Plectinmutation verursacht Blasenbildung der Haut (Epidermolysis Bullosa, sowie Herz- und Skelettmuskeldefekte (Muskeldystrophie). E. Motorproteine Laufen entlang den Cytoskelettfilamenten, verbrauchen pro Schritt ein ATP, aufgrund fehlender Po- larität verfügen Intermediärfilamente über keine Motorproteine. E.1 Kinesin Motorproteinfamilie Kinesine sind Mikrotubulimotoren, kommen in vielen Varianten vor, haben viele Aufgaben, können in + und – Richtung laufen. Die meisten Kinesine laufen als Dimere und sind meist durch Doppelwendel ver- bunden, allerdings gibt es auch monomere und tetramere Kinesine, Kinesine können auch aus mehre- ren Untereinheiten bestehen (z.B. die klassische Transportkinesine). 1) ATP-Kinesin bindet fest an Mikrotubuli, ADP-Kinesin nur schwach. 2) Krafterzeugender Schritt (Power Stroke) durch Aus- (in tausch von ADP mit ATP Muskeln = Muskelkontraktion 3) über 100 Schritte pro Se- kunde sind möglich (8nm Schritte) 36  Zellbiologie HS2022 E.2 Dynein Dynein ist ein grosser Mikrotubulimotorkomplex, läuft in Richtung -Ende, sind die grössten und schnells- ten Motoren (14µm/sec) & machen 8 nm Schritte. Cytoplasmatisches Dynein hat zwei gekoppelte Mo- tordomänen (A) und funktioniert oft in Verbindung mit dem Dynactinkomplex (B). Die Dyneine des Axo- nems in Cillien und Flagellen haben bis zu drei Motordomänen. Dynein bindet in der nu- cleotidfreien Form am stärksten and die Mikro- tubuli und wird von ATP freigesetzt. Krafterzeugender Schritt: gleichzeitige Freigabe von ADP und Phosphat - > wie eine gespannte Feder. E.3 Myosin Motorproteinfamilie Myosine sind F-Actinmotoren, 40 Varianten im Mensch, mit einer Ausnahme laufen Myosine, als Dop- pelwendel verbundenene Dimere, in Richtung F-Actin +Ende. Meist bestehen Myosine aus mehreren Untereinheiten (z.B. die Muskelmyosine). 37  Zellbiologie HS2022 5. Funktionen des Cytoskelett Meist konservierte Funktion: Gerüst, Kraftgenerator, Transportweg, mitotische Spindel aus Mikro- tubuli mit Verankerungen im Actinkortex, Cytokinesering aus F-Actin und Myosinmotoren. Das Cytoskelett als Transportweg: Eine wichtige Funktion ist das Transportieren und Positionieren von Organellen, transportiert werden z.B. Membranvesikel. Pro Vesikel sind viele Motoren gebunden. Mikrotubuli in den Axonen als Transportweg, brauchen Motorproteine, Proteine, die die Fracht verbinden. Kinesin-1 transportiert anterograd (meist Actin) zu Wachstumszonen oder Synapsen: Vesikel, mRNA Partikel (z.B. Actin mRNA), Mitochond- rien, Proteine. Retograder Transport: hin zum Zellkörper (meist Dynein) Verteilung der Kraft (ATP-Verbrauch): Regula- tion durch konkurrierende Kräfte, Transport in beide Richtungen durch zufälliges Verteil- gleichgewicht Verankerung von mRNA bei Drosophila In der Bäckerhefe wird auch F-Actin als Trans- portweg für mRNAs benutzt, supprimiert den Wechsel des Paarungstypus in der Tochterzel- le, F-Actin dient auch zur Verankerung, Hefe- zellen haben kein Actincortex (dafür stabile Zellwand). Farbanpassung in grossen Zellen durch Mela- nosomen, Zellen benutzen Mikrotubuli um Me- lanosomen zu verteilen oder zu konzentrieren, Dynein vermittelt geradlinige Konzentration im Zentrum, sternförmige Orientierung der Mikro- tubuli, Verteilung nach aussen ist sprunghaft: Kinesine wirken dem Dynein entgegen, auch Actinmotor Myosin V ist beteiligt: lokales Fest- halten zur besseren Verteilung. Viren benutzen das Cytoskelett als Transportweg mit Hilfe von ihnen rekrutierten zellulären Kinesinen. 38  Zellbiologie HS2022 Positionierungsfunktion des Zytoskeletts: aktiver Transport hält auch grössere Organellen in Position, z.B. endoplasmatisches Retikulum: in tierischer Zelle führt Zerstörung der Mikrotubuli zum Kollaps des ER, in Pflanzenzellen und Hefen lokalisiert F-Actin das ER. In tierischen Zellen wird der Golgiapparat durch Dynein ans Centrosom gezogen, Zerstörung der Mikrotubuli fragmentiert das Golgimembransys- tem, Spalthefezellen verteilen Mitochondrien mittels Mikrotubuli: ein Protein an den Mikrotubuli bindet Mitochondrien kurz: werden so von der Mitte weggezupft. Cytoskelett und Zellmobilität: ermöglicht verschiedenste Arten von Zellfortbewegung Fortbewegung mit Hilfe haarartiger Anhängsel: Cilien und Flagellen (auch Geisseln genannt). Bakterien bewegen sich mit Hilfe einer oder mehrerer Flagellen oder Geisseln fort (E.coli z.B. 4-6 Stück), bakterielle Flagellen funktionieren anders: Bakterielle Flagellen sind an einen Rotationsmotor gekoppelt, Proteine der bakteriellen Rotationsmoto- ren haben nichts mit den Cytoskelettproteinen in den Flagellen von Eukaryoten zu tun, Drehrichtung be- stimmt, ob Zelle sich geradlinig bewegen oder durch taumeln (Tumbling) die Bewegungsrichtung än- dern. Eukaryoten: bewegliche Cilien = Kinocilien, Flagellen sind fadenartige Ausstülpungen der Zellmembran: beide sind identisch aus Mikrotubuli und Dyneinmotoren aufgebaut Flagellen: kommen einzeln vor und bewegen sich wegen ihrer Länge meist wellenförmig Cilien: kommen als Gruppe vor und bewegen sich eher peitschenartig, helfen z.B. die links/rechts Achse in unserem Körper zu etablieren (Feld von Cilien erzeugt Flüssigkeitsstrom, der Signalmoleküle ablenkt -> Situs inversus ( Organe auf entgegengesetzter Seite angeordnet)., Eizellentransport durch Cilien durch den Ovidukt. Aufbau von Flagellen und Cilien: Die Bewegung eines Ziliums oder einer Geißel wird durch die Biegung seines Kerns erzeugt, der als Axonem bezeichnet wird. Das- Axonem besteht aus - Mikrotubuli und ihren assoziierten Proteinen, die in einem charakteristischen und regelmäßigen Muster angeordnet sind: Ring aus 9 Mikrotubuli-Dupletts + zentrales Mikrotubulipaar: 9 + 2 Anordnung, Dyneinmotoren und Hilfsprote- ine verbinden Mikrotubuli-Dupletts und zentrales Mikrotubulipaar. Dynein läuft entlang benachbarten Mikrotubuli-Duplett, was die Mikrotubuli-Dupletts gegeneinander verschiebt & aufgrund mechanischer Einschränkungen des Axonem verbiegt. 39  Zellbiologie HS2022 Das Axomen entspringt dem Basalkörper, welcher als Verankerung dient. Die- Basalkörper bestehen aus 9 Mikrotubuli-Triplets. Basalkörper sind strukturell identisch mit den Centriolen in den Centrosomen. Mitose: in den meisten Zellen sind Centrosomen zentrale Spindelorganisatoren. Primärcilien: 2 (39 + Im Vergleich zu den Kinocilien sind Primärcilien unbe- weglich, 9+0 Anordnung, verfügen über kein Dyneien und kein zentrales Mikrotubulipaar (Ausnahme: Feld der schlagenden Primärcilien, die links/rechts definieren). Fast alle tierische Zellen haben ein Primärcilium, das Primärcilium dient v.a. als Sensor und als Signalemp- fangzentrum: Signalproteine befinden sich auf Oberflä- che der Cilien. Die Primärzilien von Nierenepithelzellen neh- men den Urinfluss wahr und kontrollieren die Zellproliferation. (A) Die Biegung der Primärzilie, verursacht durch den Fluss im Nephronentubu- im Nephrontubulus lus, wird von zwei Transmembranproteinen, PC1 (orange) und PC2 (rot), erkannt. Der Fluss induziert einen Ca2+-Einstrom durch PC2 und hält STAT6 (gelb) und P100 (türkis) in einem Komplex an den Schwanz von PC1 gebunden. Der Fluss führt auch zu einer Hochregulierung von Inversin (lila), das das zytoplasmische Dsh (grün) für den Abbau durch das Proteasom mar- kiert. (B) In Abwesenheit von Fluss wird der Ca2+-Einstrom reduziert und der Schwanz von PC1 wird abgespalten, was es P100 und STAT6 ermöglicht, in den Zellkern zu gelangen und die Transkription zu aktivieren. Der Mangel an Fluss & reduziert auch die Inversin-Spiegel, stabilisiert Dsh-Spiegel und ermöglicht es β-Catenin, die Transkription von Zielgenen des kanonischen Wnt-Signalwegs zu initiieren. Die gleichen Sig- nalwege können aktiviert werden, wenn PC1, PC2 oder die Zilie selbst fehlen, was zu unkon- trollierter Zellproliferation und Bildung von Zys- ten führt. 40  Zellbiologie HS2022 Ciliopathien: Defekte in > 400 Genen, welche Bildung oder Funktion von Primärcilien beeinträchtigen, verursachen Ciliopathien. Cytoskelett und Zellmobilität: Viele Zellen bewegen sich, indem sie über Oberflächen kriechen, anstatt Cilien oder Flagellen zum Schwimmen zu verwenden. Zellwanderung bei Embryogenese, Grundlagen der Metastasenbildung bei Krebs, Hauptgrund für den tödlichen Ausgang. Das Kriechen von Zellen ist sehr komplex und geschieht meist in drei Stufen: 1) Austülpung, 2) Anhef- tung, 3) Zug -> F-Actin ist zentral in der Kraftgeneration Blebs: Signal löst den Actincortex lokal auf: Zellinnen- druck stülpt Zellmembran nach aussen, im Bleb formt sich ein neuer Actinkortex, der sich zusam- menzieht: Zelle wird in unregelmässiger 3-D Um- gebung vorwärts gezogen, Fortbewegungsart bei metastasierenden Krebszellen. Filopodien: Stachelartig, werden von einem F-Actinbündel ge- formt (grüne Punkte sind Formine), entstehen meist an der Front eines Lamelliopodiums, Filopo- dien sind vermutlich Sensoren, mit welchen die Zelle die Umgebung abtastet. Zentrale Rolle bei Wundheilung & Morphogenese. Lamelliopodien: Flächige, blattartige Ausstülpungen, die von einem Filopodien wachsenden F-Actinnetzwerk geformt werden, das F-Actin im Lamelliopodium ist verzweigt. Lamellipodien 41  Zellbiologie HS2022 F-Actin als Kraftgenerator: in Lamelliopodien wird der Arp 2/3 Komplex zur Keimbildung benuzt. Verlän- gerung bestehender, und Einbau neuer Actinfilamente, generiert retrograden F-Actinfluss (eine Art Treadmilling). Die Zellmembran kann durch Polarisierung (Ionengradieneten) vorwärts geschoben wer- den. Lz B.. Zellmembran Brownsche Ratschenmodelle. : (a) Brownsche Ratsche: Die Last (1) unterliegt aufgrund thermischer Fluktuationen der Brownschen Bewegung. Dieses Phänomen erzeugt eine Lücke zwischen dem Fila- ment (rot) und der Last (2), die in unserem Fall die Plasmamembran ist. Der Raum ermöglicht es einem Aktin-Monomer (pink), sich an der Spitze des Filaments zu binden. Diese Hinzufügung verlängert das Filament (3), wodurch die Last nach vorne gedrückt wird. (b) Elastische Brownsche Ratsche: Dieses modifizierte Modell bezieht die Elastizität mit ein. In diesem Fall ist das Filament flexibel (2) und kann sich biegen, um Platz für die Hinzufügung von Monomeren zu schaffen. Die elastische Energie drückt dann die Last nach vorne, nachdem das Filament verlängert wurde. Zelladhäsion und Zellmassenbewegung: Um sich fortbewegen muss die Zelle an der wachsenden Front (Leitsaum) neue Zelladhäsionspunkte generieren und sie am Zellende wieder entfernen. (A) Aktin-Monomere lagern sich am spitzen Ende Aktin-Monomere von Aktinfilamenten an der Vorderkante an. Transmembran-Integrin-Proteine (blau) helfen bei der Bildung von fokalen Adhäsionen, die die Zellmembran mit dem Substrat verbinden. (B) Wenn es keine Wechselwirkung zwischen (fokale Achasion den Aktinfilamenten und fokalen Adhäsionen gibt, wird das Aktinfilament nach hinten getrie- ben, während neues Aktin gebildet wird. Myosin- Motoren (grün) tragen auch zur Bewegung der & Filamente bei. (C) Wechselwirkungen zwischen aktinbinden- & nicht altiv - den Adapterproteinen (braun) und Integrinen verbinden das Aktin-Zytoskelett mit dem Sub- strat. Durch Myosin-vermittelte kontraktile Kräfte werden dann über die fokalen Adhäsionen Zug- kräfte auf die extrazelluläre Matrix erzeugt, und neue Aktinpolymerisation treibt die Vorderkante vorwärts in einer Ausstülpung. Kraftgenerator: meistens Myosin II: kontrahiert F-Actinnetzwerk aktinbindende (v.a. hinterer Bereich der Zelle). Adapter proteine 42  Zellbiologie HS2022 Zelluläre Morphogenese benutzt die Mechanismen der Zellwanderung, z.B. Wachstum der Axone und Dendriten in der Neurogenese, verglichen zur Zellmigration wird der Zellkörper nicht nachgezogen. Die Etablierung vieler Arten von Zellpolarität hängt von der lokalen Regulation des Aktin-Zytoskeletts durch externe Signale ab. Viele dieser Signale scheinen innerhalb der Zelle auf eine Gruppe eng ver- wandter monomerer GTPasen zu convergieren, die Mitglieder der Rho-Protein-Familie sind - Cdc42, Rac und Rho. Wie andere monomere GTPasen wirken die Rho-Proteine als molekulare Schalter, die zwischen einem aktiven, GTP-gebundenen Zustand und einem inaktiven, GDP-gebundenen Zustand zyklisieren. Die Aktivierung von Cdc42 auf der inneren Oberfläche der Plasmamembran löst die Poly- merisation und Bündelung von Aktin aus, um Filopodien zu bilden. Die Aktivierung von Rac fördert die Polymerisation von Aktin am Zellperipherie, was zur Bildung von blattartigen lamellipodialen Erweite- rungen führt. Die Aktivierung von Rho fördert sowohl die Bündelung von Aktinfilamenten mit Myosin-II- Filamenten zu Stressfasern als auch die Ansammlung von Integrinen und assoziierten Proteinen zur Bildung von fokalen Adhäsionen. Diese dramatischen und komplexen strukturellen Veränderungen tre- ten auf, weil jeder dieser drei molekularen Schalter zahlreiche Zielproteine nachgeschaltet hat, die die Organisation und Dynamik von Aktin beeinflussen. Die gegensätzlichen Auswirkungen der Ak- tivierung von Rac und Rho auf die Organi- sation von Aktin. go (A) Rac Pathway: Die Aktivierung von Rac führt zur Aktinnukleation durch das WASp- Proteinfamilie/Arp2/3-Komplex und fördert die Bildung von verzweigten Aktin- Netzwerken in Lamellipodien. Zusätzlich aktiviert Rac PAK, wodurch die Myosin-II- Filamente abgebaut werden und die kon- traktile Aktivität verringert wird. and (B) Rho Pathway: Die Aktivierung von Rho führt zur Aktinnukleation durch Formine und fördert die Kontraktion durch Myosin II, was verzweigt zur Bildung von kontraktilen Aktinbündeln Aktin-Network wie Stressfasern führt. Rock, eine Rho- abhängige Proteinkinase, hemmt die Dephosphorylierung der leichten Myosinket- ten und trägt zur Stabilisierung der kontrak- tilen Aktinfilamentbündel bei, indem sie den Aktin-depolymerisierenden Faktor Cofilin hemmt. 43  Zellbiologie HS2022 Muskelzellen: Skelettmuskelzellen: Skelettmuskelzellen (=Muskelfasern) ent- stehen aus der Verschmelzung von den Muskelvorläuferzellen, den Myoblasten: Skelettmuskeln sind dadurch mehrkernig (=Synzizium). Skelettmuskelzellen ent- halten mehrere Myofibrillen, die wiede- rum aus aneinandergereihten Sakrome- ren bestehen -> Sakromeren sind Grund- einheiten der Muskelzellen Myofibrille:regelmässige Architektur, Myosinköpfe sind nur kurz an F-Aktinfilamente gebunden und ma- chen ca. 5 Schritte/Sekunde (Verkürzung um 10 % in 1/50 Sekunde). 44  Zellbiologie HS2022 Sakromere: Actinumsatzt: sehr gering, Halbwertszeit von mehreren Tagen Nebulin: molekulares Linial, bestimmt Minimallänge des Sakromers, Nemalin-Myopathien: Mutationen im Nebulin Titin: Spannfeder und molekulares Lineal, legt Maximallänge fest Kontrolle der Kontraktion: 10 ① Wird durch Nervenreiz ausgelöst, was ein Aktionspotential generiert. Durch die Depolarisation der Mus- ③ kelzellmembranen öffnen sich die Na+ Kanäle. Einstülpungen der Plasmamembran (T-Tubuli) verteilen das Aktionspotenzial in der Muskelfaser in Millisekunden. Das Aktionspotential führt zur Öffnung von ⑪ Ca2+ Kanälen im sakroplasmatischen Reticulum, was die Muskelkontraktion auslöst. Nach 30 ms is das Ca2+ unter ATP-Verbrauch wieder weggepumpt. - > Im ruhenden Muskel kann Myosin nicht binden, da & der Troponinproteinkomplex das Tropomyosin so verdrängt, dass es die Bindugsstellen blockiert. Wenn Ca2+ an Troponin C bindet, wird die Inhibition gelöst: Tropomyosin verschiebt sich in die Furche und Myosin II kann F-Actin binden. 45  Zellbiologie HS2022 Die regelmässige Anordnung von F-Actin und Myosin wird durch die Ausrichtung der Mikrotubuli parallel zur Längsachse der Muskelzellen erreicht. Dies dient als Baugerüst, entlang dessen sich die Sakromere organisieren können: die fertigen Skelettmuskeln erhalten praktisch keine Mikrotubuli mehr. In individuellen Zellen existieren verschiedene Funktionen des Cytoskeletts gleichzeitig: Sepiahaut: Zusammenspiel von Pigmentzellaktivität (Mikrotubuli/Kinesin/Dynein) und Muskelkontraktion (Actin/Myosin), durch Nervenzellen koordiniert. 46  Zellbiologie HS2022 6. Zytoskelett der Pflanzen A. Funktion des Zytoskeletts (A) Verankerung. Das Zytoskelett verankert Organellen und andere makromolekulare Strukturen (z. B. Polyso- men) innerhalb der Zelle. (B) Beweglichkeit. Das Zytoskelett unterstützt aktive und gerichtete intrazelluläre Bewegung von zellulären Bestandteilen. (C) Polarität. Der informative Inhalt der Zytoskelettfa- sern hängt von der Polarität der Fasern ab, die aus asymmetrischen Untereinheiten gebildet werden und eine Richtung entlang des Polymers definieren. In die- sem Beispiel wird die Fracht an einem Ort zusammen- gebaut, durch die Zelle über das Zytoskelett bewegt und an einem zweiten Ort abgeliefert. Komponente des pflanzlichen Zytoskelett: Aktine: Petunia hat 90 Actingene (Tiere ca.8) Tubuline:. α und β Tubuline: 4-9 Kopien, ähnlich wie im Tiergenom Hypothesen für Genfamilien: 1) Funktionelle Divergenz von Isotypen, 2) regulatorische Flexibilität, 3) evolutionärer Zufall (Polyploidie) Wie kann ich experimentell zwischen 1) und 2) unterscheiden: Funktionelle Divergenz von Isotypen die Vielfalt von Proteinvarianten schafft, die spezifische Funktionen erfüllen, während die regulatorische Flexibilität es den Zellen ermöglicht, auf veränderte Umweltbedingungen und zelluläre Anforderungen zu reagieren und ihre Proteinfunktionen entsprechend anzupassen -> Domain swap experiment  Funktionelle Spezialisierung, in Wurzelhaarzellen können verschiedene Aktine ein mutantes Aktin2 ersetzen (zellspezifische Expression: Aktin 11 in reproduktiven Organen). Kinesine, Dyneine, tubulin- und aktinassoziierte Proteine (Regulation) -> Komponente sind konserviert. 47  Zellbiologie HS2022 Intermediärfilamente: wahrscheinlich in Pflanzen nicht vorhanden. In tierischen Zytoskeletten werden Intermediate Filamente aus einer Gruppe bekannter Proteine wie Keratin oder Vimentin gebildet, die für ihre Dicke benannt sind und mit 10-15 nm Durchmesser dünner als Mikrotubuli und dicker als Aktinfila- mente sind. In Pflanzen gibt es anscheinend kein filamentöses System, das unabhängig von Mikrotubuli und Aktin ist, und auch keine unverwechselbar homologen Sequenzen von Intermediate-Filament- Proteinen aus dem Genom der Pflanzen. In tierischen Zellen dienen Intermediate Filamente hauptsäch- lich zur Stärkung und Elastizität (z. B. erhärten Keratinfilamente die Hautzellen). In Pflanzen können analoge Funktionen durch die Zellwand übernommen werden. Es wird vermutet, dass Intermediate Filamente möglicherweise im Zellkern von Pflanzen benötigt werden könnten, aber die entsprechenden Proteine haben möglicherweise eine unabhängige evolutionäre Herkunft von den Intermediate Filamen- ten in tierischen Zellen. Nukleäre Lamina: u.a an der Genregulation beteiligt, die Nukleäre Lamina reguliert die Genexpression durch Genlokalisierung, Chromatin-Modifikationen, Interaktion mit Transkriptionsfaktoren und Kontrolle der DNA-Replikation. LAD = Lamina-Associated Domains Crowded nuclei (CRWN) Proteine: übernehmen Funktionen der Lamina in Pflanzenzellen  Es gibt keine direkten Homologe der Lamina-Gene in Pflanzen, aber eine Struktur ähnlich der Lamina wurde in Tabaknuclei identifiziert, und es gibt Proteine in Pflanzen, die ähnliche Funktio- nen wie Lamina-assoziierte Proteine ausüben und als "plamina" bezeichnet werden.  Transmembran Sad1/UNC-84-Proteine (SUN) sind in Pflanzen, Tieren und Pilzen konserviert und spielen eine Rolle bei der Verankerung von Proteinen an der Kernhülle.  Es gibt keine bekannten Homologe von KASH-Proteinen in Pflanzen, aber ähnliche Funktionen wurden für WPP-Domäne-Interaktionsproteine (WIPs) und WPP-Domäne-Interaktions-Tail- Ankerproteine (WITs) postuliert. 48  Zellbiologie HS2022 B. Aktinfilamente In allen Zellen interagiert das Zytoskelett mit Organellen, um sie gezielt zu bewegen oder ihre Bewe- gung zu verhindern, indem es Verankerung bietet. In Pflanzenzellen bewegen sich die Organellen hauptsächlich auf Aktin, während sie in Tierzellen hauptsächlich auf Mikrotubuli fahren. Es gibt Aus- nahmen, und in beiden Königreichen wird zunehmend erkannt, dass Mikrotubuli und Aktin zusammen- arbeiten, um den Organelle-Verkehr optimal zu steuern. Kurioserweise tritt eine ähnliche Umkehrung auch bei der Zellformung auf, die bei Tieren durch Aktin gesteuert wird, aber bei Pflanzen durch Mikro- tubuli. = Gleis für Bewegung grosser Organellen & Vesikel Pollenschlauchwachstum: > Aktinfilamente variieren in ihrer Häufigkeit ent- longitudinale lang des Pollenschlauchs. An der Spitze sind - Aktinbündel elmässige sie weniger vorhanden, während sie in der sub- inringe apikalen Region einen regelmäßigen Aktinring I bilden. In der Schaftregion sind Aktinfilamente zu longitudinale Aktinbündel gepackt. Diese Bündel dienen als Gleise für die Bewegung von großen Organellen und Vesikeln von der Basis - dear zur Spitze. Die Organellen und Vesikel kehren zone * in der subapikalen Region um und gelangen über die Mitte des Pollenschlauchs zurück zur Organellen drehen um