Zellbio Vorlesung

GAP 1: Zelle wächst (Zellexpansion), Vorbereitung auf die DNA Replikation

S-Phase: DNA-Synthese, Chromosomen Replikation (2n->4n)

GAP 2: Zellexpansion, Vorbereitung auf die Zellteilung (Synthetisierung von Proteinen für die Mitose)

Prophase: Chromosomen werden sichtbar, Kernhülle löst sich, Spindelapparat entsteht

Metaphase: Chromosomen in Äquatorialebene, Spindelapparat mit Chromosomen verbunden

Anaphase: Chromosomen teilen sich und je ein Chromatid wird zu einem Centrosom gezogen

Telophase: Kernhüllen bilden sich, Chromosomen dekondensieren, Spindel löst sich auf

Cytokinese: Zellwandbildung bei Pflanzen, Teilungsfurche bei Tieren

• APC (Anaphase-Promoting Complex):

  • Funktion: Der APC reguliert den Übergang von der Metaphase zur Anaphase im Zellzyklus. Er markiert Zielproteine für den Abbau durch das 26S-Proteasom, indem er sie mit Ubiquitin markiert.

  • Aktivierung-Spezifität: Der APC wird während der Metaphase und Anaphase aktiviert.

  • Zielproteine: APC zielt auf Proteine wie Cyclin B und Securin ab.

• Sfc/F-Box/Cullin E3 Ubiquitin-Ligase-Komplexe:

  • Funktion: Diese Komplexe sind für den Abbau von Proteinen verantwortlich. Sie erkennen Zielproteine über F-Box-Proteine und markieren sie mit Ubiquitin.

  • Aktivierung-Spezifität: Die Aktivierung hängt von den spezifischen F-Box-Proteinen ab.

  • Zielproteine: Verschiedene F-Box-Proteine erkennen unterschiedliche Zielproteine.

Kinetochore

Die Mikrotubuli der Spindel (Kinetochor Mikrotubuli) binden direkt an die Kinetochore. Die Kinetochore befinden sich an den Zentrosomen der Chromosomen.

Die Verbindung ist zunächst instabil.

Mechanismus: search and capture. Zunächst reversible Bindung an verschiedene Mikrotubuli-Bündel. Suche nach stabilem Zustand: Bindung der Mikrotubuli ausgehend von unterschiedlichen Polen.

monotelisch: nur eine der Schwester-Kinetochore heftet an die Mikrotubuli an und die andere nicht

amphitelisch: beide Kinetochore heften an Mikrotubuli von je dem entgegengesetzen Pol

Durch die dynamische Instabilität der Mikrotubuli entsteht eine Zugkraft (Mikrotubuli Flux), die die Mikrotubuli bewegt. Diese Zugkraft trennt Chromatide voneinander und bewegt sie zu den gegenüberligenden Polen der Zelle.

Speckle-Mikroskopie: Infektion geringer Mengen an Floureszenzmarkiertem Tubulin

Kymograph: Graphische Representation: Zeit-Weg-Plot

Anaphase A: Chromosomen werden zu den Polen gezogen, Kräfte gehen von den Mikrotubuli aus (kinetochore poleward flux und microtubuli flux)

-> Chromosomen Segregation

Anaphase B: Pole gehen auseinander, Kräfte gehen von Motorproteinen (Kinesin-5, Dynein) aus

-> Spindelpol Segregation

• microtubuli poleward flux: dynamische Instabilität Mikrotubuli -> Zugkraft, Komponenten: Mikrotubuli, Spindelpol, Kinetochor

• kinetochore poleward flux: passive Depolymerisation der Mikrotubuli am Kinetochor (+Ende), Motorprotein hilft bei Verkürzung der Mikrotubuli -> Chromosomentrennung, Komponenten: Kinesin-13, Mikrotubuli, Kinetochor

• polar ejection force: Spindelpole werden voneinander weg gedrückt, Kraftentwicklung durch Spindelmatrix und durch Chromokinesin, Komponenten: Chromokinesin, Polmikrotubuli

• Auxin aktiviert eine Protonenpumpe (H+ATPase) an der Plasmamembran, die die Zellwand ansäuert

• der niedrige pH-Wert aktiviert wachstumsspezifische Enzyme, die die Zellwand auflockern also felxibler machen

• es findet eine Hydrolyse der Zellulose-Mikrofibrillen statt -> lockert Cellulose und Xylogllucan Verbindungen -> Auflockerung der Zellwand

• diese lockere Zellwand verursacht Aufnahme von Wasser -> passive VErgrößerung der Zelle

• PDK phophoriliert AGC-Kinase, u die Aktivität zu regulieren

• AGC phosphoriliert GEF -> Rekrutierung des GEF am der Membran der Spitze

• Cysteinreiche Polypeptidmoleküle stimulieren die Aktivität der PRK, die GEF aktiviert

• GEF katalysiert den Austausch von GDP gegen GTP

• durch GTP wird Rap aktiviert

• Interaktion mit EFfektoren aktiviert

• Effektoren modulieren CA2+ Gradienten und Aktindynamik und beeinflussen so das Wachstum

-> Inaktivierung durch RhoGAPs, die den Abbau von GTP zu GDP fördern

Zellpolarität

Zelltypen: Blattepidermiszellen, Pollenschlauchzellen

ROPS interagieren mit Aktinbindenden Proteinen und somit auf die Dynamik des Aktinskeletts. -> Einfluss auf Morphologie

Rop-GTPasen interagieren mit MAPs (Mikrtotubuli-assoziierten Proteinen) -> Vertiefungen in Zellen

In Lappen ist ROP2 aktiv und organisiert Aktin Zytoskelett, PHGAPs werden hier durch Posphorylierung destabilisiert

In Vertiefungen inaktiviert PHGAP das ROP2. So kann ROP6 aktiv werden und parallele Mikrotubuli Anordung regulieren.

Die Hypothese besagt, dass die Einlagerung der Mikrofibrillen in der Zellwand parallel zu der Ausrichtung der kortikalen Mikrotubuli erfolgt.

Diese Anordnung sorgt für einen Widerstand gegen radiale Ausdehnung, was bedeutet, dass die Zelle nur an der Hauptwachstumsachse in die Länge wächst und nicht in die Breite.

Die Teilungsbene entsteht senkrecht zur Spindelpol-Achse. Dabei gibt es einen kontraktilen Ring aus Aktin und Myosin II, dessen Aufbau und Funktion Rho A kontrolliert.

• astrale Mikrotubuli transportieren die Signale, die die Furchenbildung auslösen und am Zellkortex auf halben Weg zwischen Spundelpolen konzentriert werden

• astrale Mikrotubuli fördern die lokale Entspannung von Aktin-Myosin-Bündeln am Zellkortex

• die zentrale Spindel erzeugt ein Signal (RhoA), das die Furchenbildung an der Zellrinde auslöst

Funktion: Die Mikrotubuli des Phragmiplasten transportieren Vesikle mit Zellwandmaterial in die Teilungseben. Wenn diese Vesikel verschmelzen entsteht die Zellplatte.

Synzytium= mehrere Kerne teilen sich ein gemeinsames Zytoplasma. Ein Synzytium entsteht wenn Zellen mehrere Runden Mitose ohne abschließende Zytokinese durchlaufen. Es finden also mehrere Kernteilungen synchron statt aber ohne Zytoplasmateilung.

Beispiele: Drosophila Embryonarzellen, Endosperm, weiblicher Gametophyt

GAP 1: Zelle wächst (Zellexpansion), Vorbereitung auf die DNA Replikation

S-Phase: DNA-Synthese, Chromosomen Replikation (2n->4n)

GAP2: Zellexpansion, Vorbereitung auf die Zellteilung (Synthetisierung von Proteinen für die Mitose)

Extern: Schwerkraft, Licht, Wasser, Temperatur, Nährstoffe, Pathogene

Intern: Pflanzenhormone, Abwehrstoffe, Metabolite

Horizontal orientierte Wurzel: Auxin auf der Untersteite über dem Optimum -> hemmt den Wachstum an der Unterseite -> Wachstum nur auf Oberseite -> Krümmung nach unten

Horizontal orientierter Spross: Auxin auf der Unterseite im Optimium -> fördert Wachstum an der Unterseite -> Wachstum verstärkt auf Unterseite -> Krümmung nach oben

• PIN-Proteine sind in der Zytoplasmamembran lokalisiert

• pH-Wert Zelläußere 5-5,5

• pH-Wert Zellinnere 7-7,5 (weniger Protonen) 7,4

• Indolessigsäure (Auxin) im Zelläußeren protoniert und kann deswegen freier durch die Membran diffundieren HIAA

• Im Zellinneren wird das Suxin deprotoniert (IAA- +H+), dann ist es geladen und kann nicht einfach aus der Zelle raus -> nur mit PIN-Proteinen. -> aktiver Transport nur in eine Richtung

Long Pins haben eine lange zentrale hydrophile Schleife (HL) zwischen den Amino- und Carboxy-terminalen Enden (sitzen in PM)

Short Pins haben eine deutlich kürzeren hydrophilic loop (HL) (sitzen im ER)

PIN 1,2,3,4,7 = long PINs in Plasmamembran

PIN 5,6,8 = short PINs im ER

• Auxinabhängiger Promoter

• 9 mal invertiert

• 2 Promotorsequenzen: 35S min und 35S pA

• Sequenz: 5` CCTTT TGTCTC 3`

  
  

  DR5

  35S min

  GFP-ER

  35S pA

Reportergen, welches für GFP kodiert, bindet an Promoter. Wird Auxin wahrgenommen, so wird DR5-GFP exprimiert und der grüne Flouresuenzfarbstoff leuchtet.

Bei einer horizontal orientierten Wurzel lagert sich das Auxin an der Unterseite an, wo auch eine stärkere Farbreaktion durch das GFP sichtbar wird

• 2,4-D und NPA: Keine Änderung der Auxinverteilung, da nur Influx möglich ist -> Wachstum gehemmt

• 1-NAA und 1-NOA: Auxin Umverteilung, da Influx ist gehemmt -> Krümmung der Wurzel nach unten

• 2,4-D hemmt Efflux

• NPA hemmt PINs (Efflux Carrier)

• 1-NAA hemmt Influx

• 1-NOA hemmt Influx Carrier

Laser-Ablation: Durch zwei aufeinandertreffende Laserstrahlen ist es möglich geziehlt einzelne Zellen zu zerstören. Dadurch kann leicht bestimmt werden, welche Zellen sensitiv sind. Schnelleres Sterben => Höhere Sensitivität

Mit Lat-B (Hemmung f-Actinphasern) behandelte Pflanzen krümmen sich schneller, als die in der Kontrollgruppe.

=> Keine Beteiligung von Actinphasern bei der gravitropen Reizrezeption

Eine Bewegung, die durch die Drehung der Wurzel um 90° ausgelöst wird. Dabei bewegen sich die Statolithen Stück für Stück nach unten mit Zwischenzeitigen Stopps.

-> Kein Kontinuierlicher Prozess

-> An der PM sorgen sie für Ca Einstrom

Ähnelt den höheren Blütenpflanzen

Lange Rhizoide und sind in langen Internodien und kurzen Nodien gegliedert

Auf Quirlästen sitzen Gametangien

Sporen -> Fallen runter -> wachsen Protonema -> Knospen -> Pflanze

Rhizoid: positiver Gravitropismus

Protonema: negativer Gravitropismus

Bei einem höheren Calciumgehalt gibt es mehr Vesikeleinbau und Wachstum des Rhizoids geht in diese Richtung

Stärke

Bei Chara aus Bariumsulfat

Due Statolithen bewegen sich nach oben hin von der Spitze weg sobald die Wirkung der Gravitation nachlässt

Je länger sie in Schwerelosigkeit sind, desto weiter bewegen sich Statolithen auseinander

-> Akkumulation wird aufgelöst

Fb= Zugkraft Aktin, Myosin

Fa= Statolithenbeschleunigung

Licht: negative und positive Phototaxis

Schwerkraft: negative Gravitaxis

Bei Dunkelheit wirkt nur die Gravitaxis -> Zellen schwimmen nach oben (negative Gravitaxis)

Bei Licht -> Zellen schwimmen zur Lichtquelle (positive Phototaxis)

Zu starkes Licht -> Zellen schwimmen weg von Licht (negative Phototaxis)

In einem Texusflug wurden motile und unmotile Zellen untersucht. Dabie wurden die Orientierungsgeschwindigkeit dieser Zellen untersucht, also wie lange sie für eine Reorentierung brauchen.

Motile Zellen konnten ihre Oreintierung schnell wiederherstellen

Unmotile Zellen nur eine Anpassung von ca. 20%

=> Gravitatxis 80% aktiv und 20% passiver Effekt

Die Gravitaxis hängt von Dichteunterschied gegenüber dem Medium ab.

• Dicht außen < Dichte innen -> negative Gravitaxis

• Dichte außen = Dichte innen -> keine Orientierung

• Dichte außen > Dichte innen -> positive Gravitatxis (umgedrehte Orientierung)

Durch Öffnung der Calciumkanäle und Eistrom von Calcium ändert sich Mebranpotential.

-> Signal für die Zelle zur Änderung der Bewegungsrichtung -> Geißelschlag

Ohne Calcium keine Orientierung

• Änderung Calcium Konzentration

• blockieren Calciumkanäle durch Inhibitoren

• binden Calciumionen durch Liganden

• Licht, Schwerkraft beeinflussen

• Änderung der Mebranspannung

Calmodulin (Protein) bindet an Calcium

Ausgeschaltetes Calmodulin 1 mit RNAi -> keine Schwimmbewegungen und Zellteilung beeinträchtigt

Ausgeschaltetes Calmoulin 2 mit RNAi -> hemmt Gravitaxis

Calmodulin 2 ist am Geißelschlag beteiligt

PKA= Proteinkinase A

Wird von cAMP stimuliert und phosphoryliert weitere Proteine, die am Geißelschlag beteiligt sind

Nachweis: Durch RNAi (Knockdown) gegen PKA: inhibiert die Gravitaxis und Phototaxis

PACa Knockdown -> PKA wird runterreugliert -> PACa und PKA sind genetisch gekoppelt

Je mehr Kraft aufgewendet wird, desto größer ist die Kinetik und desto schneller ist die Reorientierung der Zellen. Es muss dafür allerdings zuerst ein Schwellenwert von nahe 0,6 pN überschritten werden.

Thermisch bedingte statistische Schwankungen der Ladungsträgerverteilung in einem elektrischen Leiter

Basiert auf dem zufälligen Zusammentreffen eines Teilchens mit umgebenden Molekülen. Die Teilchen bewegen sich angetrieben durch kontinuierliche Kollisionen mit umgebenden Molekülen ununterbrochen und zufällig.

-> bei doppelter Entfernung 4x Zeit

=> Kurze Entfernungen schneller Transport; Größere Entfernung jedoch nicht

Je kleiner ein Organismus ist, desto mehr spielt die Viskosität des Mediums eine Rolle bei der Bewegung durch das Medium.

Grund dafür somd Lösungsmittel-Zell-Interaktionen.

Je größer der Organismus, desto größer die Reynoldsnummer und damit geringer die Interaktion mit dem Medium.

Die Gravitaxis bei Euglena ist ein statisches Signal. Euglena hat eine einseitige Inonenkanalloskalisation und dreht sich um die eigene Achse. Dadurch entsteht ein sinusförmiges Signal.

Die Schallwellen beim Hörprozess treffen auch als sinusförmiges Signal auf die Ohrmuschel und lösen dort ein Aktionspotential aus, wenn sie einen bestimmten Schwellenwert überschreiten.