Zellbiologie (Fach) / Mitos+Plastiden/Zellkern/Nucleinsäure (Lektion)

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• Aufbau der Mitochondrien Mitochondrien gehören zu den großen Zellorganellen Mitochondrien können bis zu 25 % des Zellvolumens einnehmen! Details ihrer Struktur lassen sich nur elektronenmikroskopisch darstellen Mitochondrien besitzen zwei Membranen–äußere Membran–innere Membran–dazwischen Intermembranraum–innen Matrix "List of ingredients":1.zwei Membranen (äußere und innere)2.jede Menge Proteine! (z. B. Porine, Permeasen/Transporter, Pumpen, ATP Synthase)3.DNA4.Ribosomen5.Transkriptions- und Translationsmaschinerie Dimensionen:Länge ca. 1 - 2 mm Breite/Tiefe ca. 0,1 - 0,5 mm
• Aufbau der Mitochondrien - Äußere Membran Innere Membran Äußere Membran enthält Transmembran-Kanäle aufgebaut aus dem Protein "Porin" die meisten kleinen Moleküle können frei permeieren. Innere Membran besteht zu 76 % aus Proteinen! diese sind z. T. für den Ionentransport zu O2 und für die ATP-Synthese verantwortlich Permeasen erlauben den Durchtritt von z. B. ADP stark gefaltet - dadurch Oberflächenvergrößerung es wird zunächst ein Protonengradient aufgebaut der Ionengradient treibt die ATP-Synthese an
• Mitchell-Hypothese Die H+-Ionen im Intermembranraum bilden die „Proton Motive Force“
• Mitochondrien und Plastiden Fast alle Lebensvorgänge benötigen die Zufuhr von Energie Der Haupt-Energieträger ist ATP (durch die Spaltung einer der Phosphoanhydrid-Bindungen wird Energie freigesetzt) ATP wird vor allem durch zwei Prozesse hergestellt:-Verstoffwechslung von Glucose (Glycolyse) → 2 ATP-Ausnützung eines Ionengradienten (Mitochondrien und Plastiden) → ~30 ATP Glucose → Pyruvat = 2 ATP Pyruvat → Mitochondrien = ~ 30 ATP
• Braunes Fettgewebe Wärmeproduktion
• David Luck Mitochondrien vermehren sich durch Teilung
• Mitochondriale DNA Genetik der Mitochondrien Zirkulär, 25μm lang DNA: es gibt Mutationen, die nicht nach den klassischen Erbgängen vererbt werden! = "cytoplasmatische Vererbung" Bsp.: - Hefe: petite Mutanten - Mais: cytoplasmatische männliche Sterilität - menschliche Erbkrankheiten Grundlage für diese Art der Vererbung: Es gibt DNA in der Matrix der Mitochondrien! (nur die mütterlichen Mitochondrien werden weitergegeben!!!) Die mtDNA codiert für rRNAs, tRNAs und einige mitochondriale Proteine. ABER: Der Großteil der mitochondrialen Proteine wird im Cytosol synthetisiert und ist im Zellkern codiert! Folge: Import großer Mengen von Proteinen ist notwendig (klassisches Untersuchungsobjekt für Proteinimport!) Problem: Es gibt Multienzymkomplexe, deren Proteine z. T. im Kern codiert sind und z. T. in der mtDNA! Die Aktivierung der entsprechenden Gene, Transkription und Translation müssen aufeinander abgestimmt sein!!! Besonderheiten: Die mtDNA ist doppelsträngig und zirkulär! Die Gene auf der mtDNA weisen nur wenige Introns auf (Species-Unterschiede!). Die Ribosomen sind ähnlich den bakteriellen Ribosomen. Proteinsynthese kann durch die gleichen Substanzen wie bei Bakterien gehemmt werden. Der genetische Code weist Änderungen zum Standard-Code auf!
• Beispiel für veränderten genetischen Code - Genetik der Mitochondrien AGA codiert für Arg bei Eukaryoten Stop in Mitochondrien von Mammalia Ser in Mitochondrien von Drosophila Arg in Mitochondrien von Hefe
• Plastiden Plastiden kommen in praktisch allen Pflanzenzellen vor Man denkt dabei hauptsächlich an Chloroplasten: - dort läuft Photosynthese (also Energiegewinnung), - Sauerstoffproduktion - CO2-Fixierung Daneben gibt es noch mehrere weitere Typen von Plastiden. In einer Pflanzenzelle kommt immer nur je ein einziger Typ von Plastiden vor!
• Arten von Plastiden Leukoplast Chloroplast - Thylakoide ("Grana") Gerontoplast Chromoplast Plastiden haben ein 3. Membransystem: 2 Hüllmembranen + 3. innen liegende und vergrößerte Membran genau wie bei Mitochondrien ist der Import größerer Proteinmengen notwendig für den Transport in die 3. Membran sind 2 Signalsequenzen notwendig!
• Proplastiden wenig differenziert farblos in meristematischen Zellen wenige interne Strukturen differenzieren je nach Gewebetyp in den entsprechenden Plastidentyp
• Chloroplasten die Plastiden der photosynthetisch aktiven Pflanzenzellen; müssen nicht immer grün sein! - Rotalgen: Phycocyanin, Phycoerythrin - Braunalgen: Fucoxanthin → grün wird von anderen Farben überlagert! Sonderform: Etioplasten (entstehen bei der Keimung ohne Licht; leicht gelbliche Vorstufen) Thylakoide ("Grana")
• Chromoplasten gelb bis rot gefärbt kommen in Blüten und Früchten vor
• Leukoplasten farblos in nicht-photosynthetischen Geweben zu finden üben oft Speicherfunktion aus: – Amyloplasten: Stärke – Elaioplasten: Lipide – Proteinoplasten: Proteine
• Gerontoplasten "alte" Chloroplasten Chlorophyll wurde abgebaut, Carotinoide bleiben zurück im Herbstlaub zu finden
• Plastiden - Zeigen große Ähnlichkeiten mit Mitochondrien! Die DNA der Plastiden ist doppelsträngig und zirkulär. Die ptDNA codiert für rRNAs, tRNAs und mehrere plastidären Proteine. Der Großteil der plastidären Proteine (ca. 80%) muss im Cytosol synthetisiert und im Zellkern codiert werden! Die Ribosomen sind ähnlich den bakteriellen Ribosomen. Der genetische Code weist aber Änderungen zum Standard-Code auf !
• Mitochondrien und Plastiden - Besonderheiten NUR dieser Organellen Mitochondrien und Plastiden haben 2 Membranen. Die innere Membran ist in ihrer Lipidzusammensetzung ähnlich einer bakteriellen Membran. Beide haben ein eigenes Genom. Das Genom ist wie das Genom von Prokaryoten strukturiert. Die Ribosomen sind wie Ribosomen von Bakterien aufgebaut.
• Endosymbiontenhypothese Aufgrund der genannten Besonderheiten wird angenommen, dass sie sich aus ehemals selbständigen prokaryotischen Lebewesen entwickelten!
• Zellkern - Form, Bestandteile meist kugelförmig bis spindelförmig bei tierischen Zellen meistens +/- zentral in der Zelle ca. 10 % des Zellvolumens bei Säugern → Kern-Plasma-Relation: größere Zellen haben meistens besonders große Kerne (oft polyploid) oder sind vielkernig Steuerzentrale der eukaryontischen Zelle genetisches Material als DNA gelagert Replikation des Erbmaterials bei der Zellteilung Beginn der Übersetzung in die Sprache der Proteine
• Zellkern - Strukturkomponenten Kernhülle (doppelte Membran) Kernporen Chromatin (genetisches Material) Heterochromatin, Euchromatin Nucleolus (Kernkörperchen) Karyoplasma (Kern-Grundsubstanz) Kernskelett a. Kerngerüst b. Nucleolarskelett c. Lamina
• Kernhülle (nuclear envelope) - Zellkern Struktur der Kernhülle phylogenetisch wahrscheinlich ältestes Endomembransystem in hungernden Zellen werden z. B. ER und Golgi abgebaut → die Regeneration der Membransysteme geht von der Kernhülle aus bei der Zellteilung zerfällt sie in Vesikel äußere und innere Membran der von beiden Membranen umschlossene Raum (Perinuclearzisterne) steht in Verbindung mit dem ER zum Stoffaustausch mit dem Cytoplasma dienen Kernporenkomplexe ("nuclear pore complexes", NPCs)
• Kern - Nucleinsäuren + Proteine Nucleinsäuren DNA hnRNA/mRNA tRNA rRNA snRNA Proteine Histone NHPs Replikationsapparat Transkriptionsapparat ribosomale Proteine Gerüstproteine Transcription + Replication
• Cytoplasma Nucleinsäuren + Proteine Nucleinsäuren mRNA tRNA rRNA Proteine Strukturproteine Enzyme Membrantransporter Translation
• Kerntransport: Grundsätzliche Probleme Ribosomen bestehen aus rRNA und Proteinen, rRNA und mRNAs für ribosomale Proteine werden im Kern transkribiert, Translation der Proteine im Cytoplasma, Import der Proteine in den Kern, Zusammenbau im Nucleolus, Export der großen und kleinen Untereinheiten ins Cytoplasma! Schätzung (Schnell wachsende Hefe Kultur): Import ca. 150 000 ribosomaler Proteine pro Minute, Export ca. 4 000 ribosomaler Untereinheiten pro Minute!
• Die Lösung des Problems: NPCs Kernporenkomplexe (nuclear pore complexes, NPCs) Randwulst (Annulus [lat.: Ring]) aus 8 Untereinheiten Pore von 50 - 70 nm Weite vom Annulus reichen acht “Speichen” nach innen in der Mitte sitzt ein “Zentralgranulum” → "Plug" (= wichtig für Kontrolle der Transportvorgänge! Gesamtmasse  120 MDa = 30 Ribosomen ! enthalten wahrscheinlich mehr als 100 unterschiedliche Proteine, aber auch mehrere RNAs
• Kerntransport von Proteinen An NPCs wird Kerntransport kontrolliert! Bsp.: T-Antigen von SV-40 Kern-Targeting-Signal -KKKRK-
• Signale entscheiden über unser Leben 1.Signalpeptid:10-15 vorwiegend hydrophobe Aminosäuren am Amino-Terminus von sekretorischen und Membran-Proteinen (Translokation von Proteinen über die ER-Membran). 2.KDEL (Lys-Asp-Glu-Leu) am C-Terminus: Dieses Peptid vermittelt die Retention von Proteinen im ER. 3.Man-6-P: Mannose-6-Phosphat (an bestimmten Asparagin-Resten) als lysosomales Targeting-Signal. 4.SKL (Ser-Lys-Leu): Peroxisomales Targeting-Signal am C-Terminus 5.Positive Ladung am N-Terminus: 3-5 Arg-oder Lys-Reste als mitochondriales Importsignal 6.KKKRK (Lys-Lys-Lys-Arg-Lys): Kern-Targeting-Signal; Sequenz positiv geladener Aminosäuren am N-oder C-Terminus
• Kernlamina (nuclear lamina) liegt der Innenseite der Kernhülle an im EM dunkle Schicht unterschiedlicher Dicke → Netzwerk aus Protein-Filamenten: besteht aus Laminen  Intermediärfilamente! bindet stark an Chromatin bei der Zellteilung löst sich die Kernhülle auf geht mit Phosphorylierung der Lamine einher nach der Zellteilung Dephosphorylierung
• Kernkörperchen - Nucleolus kugelig, kompakt 1 - 6 % des Kernvolumens Bildungsort der Präribosomen → geht von Satellitenchromosomen ausAufbau: Pars fibrosa: 5-8 nm dicke Filamente Pars granulosa: Granula mit 15 - 20 nm Ø-diese beiden Teile durchdringen einander
• Ribosomen bestehen aus ribosomaler RNA (rRNA) und aus Proteinen Einteilung erfolgt nach Sedimentationskonstanten (S-Wert) werden in den Nucleoli des Zellkerns zusammengebaut Eukaryoten: 80 S 75 - 85 Proteine40 S UE     60 S UE Prokaryoten: 70 S 55 - 60 Proteine30 S UE   50 S UE  (aber auch: Mitochondrien, Plastiden)
• Chromosomen / Chromatin W. Waldeyer, 1888: " ... dichte, bei Mitose und Meiose im Lichtmikroskop sichtbare Chromatingebilde ..." Chromatin = alles, was bei der Zellteilung in den Chromosomen ist. Heute wird der Begriff viel weiter gefaßt: auch Genome von Prokaryoten, Mitochondrien, Plastiden und Viren. Grundproblem:Jede menschliche Zelle enthält ca. 2 m DNADurchmesser einer durchschnittlichen Zelle: < 10 μm (Faktor > 105)Wie bringt man 10 000 Meilen Spaghetti in einem Basketball unter?Lösung: Verpackung mit Hilfe von Proteinen in Form von Chromatin
• Chromosomen / Chromatin - Heterochromatin elektronenmikroskopisches Bild: auch ausser- halb der Zellteilung dunkel, also relativ stark kondensiert es handelt sich meistens um hochrepetitive DNA wird selten transkribiert
• Chromosomen / Chromatin - Euchromatin im elektronenmikroskopischen Bild zwischen den Zellteilungen hell, also stark dekondensiert hohe Transkriptionsaktivität
• Chromosomen Bei Eukaryonten ist das Erbmaterial komplex organisiert:- mindestens doppelt (diploid) [Ausnahme: Fortpflanzungszellen, Sporen, Gametophyten]- gestückelt in mehrere Stränge bzw. Chromosomen- mit Proteinen komplexiert = Chromatin Der DNA-Gehalt ist weitaus höher als bei Prokaryonten (Vorsicht: die DNA-Menge korreliert aber nicht mit der Phylogenie/dem Entwicklungsstand !) Lichtmikroskopisch nur bei Zellteilung zu sehen!
• Funktionell wichtige Teile von Chromosomen Centromer: zentrale bis terminale Einschnürung Telomere: Endregionen der Chromosomen autonom replizierende SequenzenDies sind die Mindestanforderungen, damit ein DNA-Stück bei der Zellteilung auf die Tochterzellen aufgeteilt werden kann. → Yeast Artificial Chromosomes (YACs)! Schematische Darstellung chromosomaler Bänderungen:kurzer Arm "p"langer Arm "q"Telomer
• Wer/was bestimmt die äußere Form der Chromosomen? Chromatinstruktur: Gerüstproteine bestimmen die äußere Form der Chromosomen Die Chromatinfibrillen sind in Schleifen angeordnet und bilden sog. Chromatin-Domänen. Die DNA dieser Domänen ist ca. 30 000 bis 100 000 Basenpaare ("30 - 100 kb") lang und enthält die Gene bzw. Transkriptionseinheiten. An der Basis sind die Schleifen an einem Gerüst aus Nicht-Histon-Proteinen ("chromosome scaffold") verankert. Die DNA-Sequenz in diesen Bereichen bildet die "scaffold attachment region" (SAR). Chromosomen (Metaphase) enthalten ~ 2 x soviel Protein wie DNA! DNA bildet einen Komplex mit Histonen, genannt Nucleosomen:H1      basische ProteineH2A   vielfach posttranslational modifiziert:2B     PhosphorylierungH3     MethylierungH4     Acetylierung und weitere ...
• Chromatinstruktur: Genom einer menschlichen Zelle ca. 6 Milliarden Basenpaare organisiert über ca. 30 Millionen Nucleosomen Konformation der Histon-Octamere wechselt im Zeitraum von 2 Nanosekunden
• Chromatinstruktur Je 2 Moleküle H2A, H2B, H3 und H4 bilden einen Octamerkomplex. Die DNA windet sich ~ 2 x um diesen Komplex (entspricht etwa 200 Basenpaaren) = Nucleosom. Benachbarte Octamer - DNA Komplexe werden durch das Histon H1 zusammengehalten. Weitere Proteine kontrollieren den korrekten Zusammenbau der Octamere und die weitergehende Anordnung der Nucleosomen (Nicht-Histonproteine, non-histone proteins, NHP).
• Beziehung zwischen Nucleosomen, Chromatosomen und Nucleosom-Grundpartikeln Nucleosom165-245 bp DNA+ Histon-Oktamer+ Histon H1(2 vollständige DNA-Windungen + Linker-DNA) ↓ -0.80bp Chromatosom165 bp DNA+ Histone-Oktamer+ Histon H1(2 vollständige DNA-Windungen) ↓ -20 bp / -H1 Nucleosom-Grundpartitel145 bp DNA+ Histon-Oktamer(1 3/4 DNA-Windungen)
• Weitere Kompaktierung von DNA DNA Doppelhelix "Breads-on-a-string" form of chromatin Chromatin fiber of packed nucleosomes Extended section of chromosome Condensed section of chromosome Metaphase chromosome
• DNA-Verpackung und Organisationsstufen des Chromatins DNA Nucleosomen-filament Solenoid twisted ribbon crossed linker Chromationschleife 300nm-Fibrille Chromatide
• Histon-Modifikationen Die Verbindung Histon - DNA ist sehr fest → Hindernis bei DNA Replikation und Transkription Lockerung der Bindung durch gezielte Modifikation der Histone! Lysin + Essigs Enzym: HAT (Histon-Acetyl-Transferase) ↑ Enzym: HDAC (Histon-Deacetylase) ↓ = Acetyl-Lysin
• Arginin-Methylierung von Histonen Verantwortliche Enzyme: Protein-Arginin-Methyltransferasen (PRMTs) Monomethyl-Arg asymmetrisches Dimethyl-Arg symmetrisches Dimethyl-Arg
• Nucleinsäuren Desoxyribonucleinsäure DNA Zellkern / Kernäquivalent Mitochondrien Plastiden Ribonucleinsäure RNAmRNAtRNArRNARibozyme
• Nucleinsäuren - Chemische Zusammensetzung Zucker Phosphat organische Basen= Nucleotideim Verhältnis 1 : 1 : 1
• Nucleinsäuren - Zucker Zucker der: RNARibose DNA2´-Desoxyribose Zucker sind über Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft
• Basen der Nucleinsäuren PyrimidineCytosinThyminUracil PurineAdeninGuanin Zucker+ Base+ Phosphat= Nucleotid Zucker+ Base= Nucleosid
• Nomenklatur der Nucleotide Basen              Nucleoside                 Nucleotide Adenin              Adenosid                      AMP, dAMP, ADP, dADP, ATP, dATP Guanin              Guanosid                     GMP, dGMP, ... Cytosin             Cytidin                          CMP, dCMP, ... Uracil                Uridin                            UMP, ... Thymin              Thymidin                      TMP, dTMP, ...
• Struktur der DNA Die DNA ist unter physiologischen Bedingungen ein helical gewundener Doppelstrang. Die Helix ist rechtsgängig. Die Orientierung der beiden Stränge ist gegenläufig (= revers komplementär)! 5' → 3'3' ← 5' Das Zucker-Phosphat-Rückgrat verläuft außen entlang des Doppelstranges. Die Basen zeigen nach innen und werden durch H-Brücken zusammengehalten. zwischen A und T: 2 H-Brücken zwischen G und C: 3 H-Brücken
• Unterschiede DNA - RNA sie enthält die Base Uracil statt Thymin als Zucker findet man die Ribose, die eine OH-Gruppe mehr hat RNA ist meist einzelsträngig häufig treten intramolekulare Basenpaarungen auf; Bsp. tRNA der Großteil der RNA bildet mit Proteinen größere Komplexe (z. B.: Ribosomen) RNA kann katalytisch wirken: Ribozyme; RNA ist das genetische Material einer Reihe von Viren ([1]Polio, Influenza, TMV;[2] Rota, Reo, ...)

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