Proteinsortierung;   Secretory Pathway

Cytosol: Raum der Zelle außerhalb der Organellen

Cytoplasma: Raum der Zelle außerhalb des Zellkerns

Cytoskelett: Aktin (= Mikrofilamente), Intermediärfilamente,Mikrotubuli

Zellwand:feste Zellbegrenzung außerhalb der Plasmamembran (in Pflanzen und Pilzen, nicht in Tieren)

Organellen:

Zellkern

Mitochondrien

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Golgi (= Dictyosom)

Lysosomen (in Tieren) bzw. Vakuolen (in Pflanzen und Pilzen)

Endosomen 

Peroxisomen

Chloroplasten (nur in Pflanzen)

Der Teil der Zelle, der von der Plasmamembran umgeben, aber nicht Bestandteil eines Organells ist

Wichtige Bestandteile:

Cytoskelett 

Polyribosomen

Enzyme des Stoffwechsels

Trennt DNA vom Cytosol und Transkription von Translation

(Eukaryonten haben Introns -> deswegen prä mRNA-> erst reife mRNA geht ins Cytosol-> deswegen wichtig das Translation und Transkription getrennt)

4 Subkompartimente

• Nukleolus (“Ribosomenfabrik

• Außenmembran (Übergang zu ER fließend) 

• Innenmembran

• Kernporen

ATP‐Synthese bei aerobem Stoffwechsel (Atmung)

verschiedene weitere Stoffwechselwege

Kontrolle des Zelltods

Altern der Zelle

4 Sub‐Kompartimente:

• Außenmembran

• Intermembranraum

• Innenmembran

• Matrix 

Cristae enthalten Atmungskomplexe

Photosynthese in höheren Pflanzen und Grünalgen

6 Subkompartimente

• Außenmembran

• Intermembranraum

• Innenmembran

• Stroma

• Thylakoidmembran

• Thylakoidlumen

Verantwortlich für den Abbau von Fettsäuren und Toxischen Molekülen

Merkmale:

Einzelmembranen 

Enthalten Oxidasen und Katalase

Hauptaufgaben:

• Synthese der meisten Membranproteine und der  Proteine, die aus der Zelle ausgeschleust werden (raues ER: ist mit Ribosomen besetzt)

• Synthese der meisten Lipide (glattes ER)

• Calcium‐Speicher (für Muskelkontraktion)

 Merkmale

• Geschlossenes Netzwerk von untereinander  verbundenen Schläuchen 

• Raues und glattes ER 

• Verbunden mit der Kernmembran

Modifiziert und sortiert die meisten Produkte aus dem ER 

(Proteine und Lipide)

Hauptmerkmale:

Stapel flacher Kompartimente und Vesikel

3 Regionen: cis (Eingang), medial, trans (Ausgang)

Abbau von: 

Bestimmten Zellbestandteilen

Material, das aus dem Extrazellulärraum internalisiert  wurde

Merkmale:

Einzelne Membran

pH des Lumens =5 

Saure Hydrolasen vermitteln Abbaureaktionen

-Die eukaryontische Zelle ist in Kompartimente (Reaktionsräume) gegliedert, die eine effiziente Arbeitsteilung ermöglichen. Von Membranen abgegrenzte Kompartimente bezeichnet man als Zellorganell. Ein Zellorganell kann in

Subkompartimente untergliedert sein.

-Im Cytosol finden die Proteinsynthese an Ribosomen, viele Stoffwechselreaktionen und die Aktivitäten des Cytoskeletts statt.

-Im Zellkern finden Replikation und Transkription der DNA statt.

-In den Mitochondrien findet (neben vielen weiteren Funktionen) die Synthese von ATP in der Atmungskette statt.

-In Pflanzenzellen findet die Photosynthese in Chloroplasten statt.

-In Peroxisomen finden Entgiftungsreaktionen und diverse Stoffwechselprozesse statt.

-Die Organellen des Secretory Pathway sind durch Transportvesikel miteinander verbunden (ER, Golgi, Plasmamembran, Endosomen, Lysosomen/Vakuole).

-Im Endoplasmatischen Retikulum (ER) finden Synthese undImport sekretorischer Proteine statt sowie der Großteil der zellulären Lipidbiosynthese.

-Der Golgi (Dictyosom) ist eine Sortier-und Verteilerstation im Secretory Pathway und Ort der Synthese von Kohlenhydraten.

-Das Lysosom in tierischen Zellen bzw. die Vakuole in Pflanzen und Pilzen ist ein Verdauungsorganell.

-Exocytose ist die Ausscheidung zellulärer Produkte, Endocytose die Aufnahme von Stoffen aus dem extrazellulären Medium.

Das Lumen des ER und Golgi entspricht topologisch dem 

Außenraum der Zelle (rot) und ist mit diesem über Transportvesikel verbunden

Roter Bereich=oxidierender Bereich

Prinzip 1: Zielsteuerung durch Sortierungssignale

Prinzip 2: Zielsteuerung durch Verpackung in Transportvesikel

Überblick über Sekretion (Ausscheidung) und Endocytose (Aufnahme) von Proteinen (Endo- und Exocytose im Gleichgewicht)

Das Endoplasmatische Retikulum: Ausgangspunkt des sekretorischen Weges

Raues ER: dicht besetzt mit Ribosomen->Beginn des sekretorischen Wegs, erste Proteinmodifizierungsreaktionen: z.B. Prozessierung, Bildung von Disulfidbrücken, Glycosylierung

Glattes ER: Röhrensystem ->Synthese von Lipiden und Steroidhormonen, Entgiftungsreaktionen, Calcium‐Speicher

Raues ER geht kontinuierlich in Kern‐Membran über

Translokation sekretorischer Proteine über die ER‐Membran

1. Synthese der N‐terminalen Signalsequenz

2. Bindung von SRP (signal recognition particle) an 

Signalsequenz

3. Bindung von SRP an SRP‐Rezeptor in der ER‐Membran 

(stabilisiert durch GTP)

4. Eintritt des Peptids ins Translocon (dabei Öffnen des 

Kanals), GTP‐Hydrolyse (SRP dissoziiert ab)

5. Prozessierung der Signalsequenz durch Signal‐Peptidase

6. Elongation der Polypeptidkette ins ER‐Lumen (Ribosom ist treibende Kraft) 

7. Weitere Synthese/Translokation

8. Ribosom dissoziiert ab, Kanal schließt sich

Das Singnal Recognition Particle (SRP) ist ein Komplex aus einer RNA und mehreren Proteinuntereinheiten.

Es erkennt die N‐terminale Signalsequenz, sobald sie aus dem Ribosom austritt, bindet daran und pausiert die Translation.

Durch Bindung von SRP an den SRP‐Rezeptor in der ER‐Membran wird das Ribosom ans ER rekrutiert (SRP und Rezeptor enthalten GTPase‐Domänen).

Nach GTP‐ Hydrolyse wird das SRP freigesetzt, die Signalsequenz tritt in das Translocon ein und das Ribosom translatiert weiter.

Häufig in Hefe, gelegentlich in Säugern

1. Signalsequenz interagiert direkt mit dem Translocon; Prozessierung

2. Bindung von Chaperonen (Hsp70) im Lumen

3. Zyklen von Chaperon‐Bindung: molekularer Sperrhaken = treibende Kraft

Proteine des ER, Golgi, Lysosomen, Plasmamembran und sezernierte Proteine werden am rauen ER synthetisiert undüber bzw. in die ER‐Membran transloziert

Proteine, die ins ER geschleust werden, besitzen typischerweise eine N‐terminale hydrophobe Signalsequenz

Co‐translationale Translokation: SRP vermittelt Bindung des Ribosoms an das Translokon; Proteinsynthese ist die treibende Kraft

Post‐translationale Translokation: Signalsequenz bindet direkt an das Translokon; Chaperone treibende Kraft

Signalsequenz wird durch Signal‐Peptidase während der Translokation abgespalten

Anheftung und Prozessierung von Kohlenhydraten (Glycosylierung) im ER und Golgi

Bildung von Disulfidbrücken im ER

Faltung der Polypeptidkette und Assemblierung in Oligomere im ER

Spezifische proteolytische Prozessierungen im ER, Golgi und sekretorischen Vesikeln

Ein vorgefertigter Rest aus 14 Zuckermolekülen wird im rauen ER noch während der Translation an viele Proteine angeheftet

->wichtig für die Faltung und Stabilität von Glycoproteinen

weiterer Ausbau im Golgi

Helferprotein: PDI (Protein‐Disulfid‐Isomerase)

Der Golgi‐Apparat: Verteilerstation im sekretorischen Weg

Sortier‐ und Verteilerstation für Produkte des ER

Ausbau von Kohlenhydratresten von Proteinen, die aus dem ER kommen

Hauptsyntheseort für Kohlenhydrate (z.B. Zellwandbausteine, extrazelluläre Matrix etc.)

Zuckerreste werden im Golgi weiter prozessiert

3 Vesikelklassen: COPI, COPII, Clathrin

GTPasen kontrollieren Bindung und Freisetzung der Mantelproteine

Vesikel werden durch Mantelproteine geformt

Mantelproteine rekrutieren Frachtproteine und ‐rezeptoren

Abschnürung von der Donormembran mit Dynamin

Mantel löst sich nach Abschnürung des Vesikels ab

SNARE‐Proteine vermitteln die Fusion des Vesikels mit der Zielmembran

SNAREs sind Membranproteine im Vesikel und der Zielmembran, die die Membranfusion vermitteln

Jede Transportvesikel/Zielmembran‐Kombination hat ein spezifisches SNARE‐Paar

SNARE‐Komplexe werden nach der Fusion unter ATP‐

Verbrauch getrennt und für eine erneute Fusion aktiviert (Energie!)

Rab‐GTPasen vermitteln zusätzliche Spezifität für die 

Zielsteuerung der Transportvesikel

Vesikel sind relativ proteinreich

Transportproteine in multiplen Kopien

Lysosomen/Vakuolen: Endstationen des sekretorischen Weges

Proteine werden im sekretorischen Weg sezerniert bzw. in die Plasmamembran eingebaut, oder sie erreichen intrazelluläre Kompartimente, in denen sie abgebaut werden: Lysosomen (Tiere) oder Vakuolen (Pflanzen)

Lysosomen enthalten ca. 40 Hydrolasen: Proteasen, Nucleasen, Lipasen ...

Abbauprodukte (Aminosäuren, Nukleotide ...) werden ins Cytosol ausgeschleust

Die Pflanzenvakuole dient zusätzlich als Speicherkompartiment und reguliert den Turgor

3 Wege führen in das Lysosom: Endocytose, Autophagie, Phagocytose

Endozytose: Aufnahme von gelösten Stoffen  von außen

Phagozytose (nur bei spezialisierten Zellen: Aufnahme von größeren Partikeln von   außen

Autophagie (= Autophagozytose): Abbau zelleigener Komponenten

LDL (Low‐Density‐Lipoprotein) bindet an LDL‐Rezeptor

Clathrin‐Coat wird gebildet

Coat geht verloren, Vesikel fusioniert mit Endosom; saurer pH löst Lipoprotein vom Rezeptor; Recyling vom LDL‐Rezeptor

Endosom fusioniert mit Lysosom

LDL wird abgebaut, Cholesterin wird freigesetzt