Kapitel 1: Struktur und Funktion der Zelle

Zelle: kleinste, selbstständig lebens- und vermehrungsfähige Einheit aller Lebewesen (“Grundbaustein”)

Entstehung: durch…

• Teilung bereits existierender Zellen

• Verschmelzung von Zellen (Samen-, und Eizelle)

Genom: Information über Struktur/Funktion

• Gesamtheit der genetischen Informationen eines Organismus, die in DNA enthalten sind

• umfasst nukleäre DNA (im Zellkern) und extrachromosomale DNA (Mitochondrien, bei Pflanzen zusätzlich noch in Chloroplasten)

DNA:

• Molekül, das die genetische Information in Form einer Sequenz von Nukleotiden speichert

• In Form von Chromatin (hauptsächlich) organisiert

  -> Form der DNA ist abhängig von Phase des Zellzyklus, in der sich Zelle befindet

Chromosom:

• Hochgradig kondensierte Form der DNA (entsteht während Zellteilung) -> dicht gepackte Chromatiden

• Jedes Chromosom = besteht aus langem, fadenförmigen DNA-Doppel-Strang, der dicht um Histone (Proteine) gewickelt ist

• (Im Zellkern: 46 Chromosomen(23 Paare))

Gen: “Viele Kapitel auf dem Chromosom”

• Spezifischer Abschnitt der DNA

• Trägt Anweisungen zur Synthese eines Proteins oder funktioneller RNA-Moleküle

Chromatin:

• locker und entspannter Zustand der DNA (während Interphase)

• Ebenfalls um Histone gewickelt (DNA-Doppelstrang)

=> Nukleotide: Bausteine der DNA

• Ein Zucker (Desoxyribose)

• Eine Phosphatgruppe

• Eine der 4 stickstofhaltigen Basen: Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin

  
  

Merkhilfe:

Nukleotid = Zucker + Base + Phosphatgruppe

Nukleosid = Zucker + Base

• Zelluläre Mikroorganismen!

  Merkmal	Prokaryoten	Eukrayoten
  Organismen	Bakterien, Archeen	Protisten, Pflanzen, Tiere, Pilze
  Organisation	meist einzellig	ein-, oder vielzellig
  Zellkern	kein echter Zellkern (Nucleoid) DNA frei im Cytoplasma	echter Zellkern (Nucleus) DNA umschlossen von Zellkern
  DNA	zirkulär organisiert (geschlossen als Ring)	linear, in Form von Chromosom/Chromatin organisiert
  Rekombination	Konjugation (Materialaustausch zw. zwei Zellen)	Meiose und Befruchtung
  Zellvermehrung	DNA wird repliziert -> Zelle wächst und zieht sich auseinander -> Jede Zelle 1x Kopie	DNA in großen Chromosomen -> Prozess der Mitose, damit Chromosomen richtig getrennt werden (Kernteilung (Mitose) vor Zellteilung (Cytokinese)
  Organellen	———	Mitochondrien, Chloroplasten

Prokayoten:

• Mycoplasmen = kleinsten, prokaryotischen Zellen

  -> Ernährung vom Wirt + Leben auf/in Organismus

Nicht-Zelluläre Mikroorganismen: keine Zellen

• Viren

  -> bestehen aus DNA/RNA + Proteinhülle

  -> angewiesen auf Wirt, kein eigener Stoffwechsel

• Viroide

  -> bestehen aus kleinem RNA-Molekül ohne Proteinhülle

• Prione

  -> Protein ohne genetisches Material

  -> Durch Modifizierung können Krankheiten entstehen

Besonderheit: besitzen eigenes zirkuläres Genom

Ursprung: Endosymbiontentheorie

• ursprünglich eigenständige Prokaryoten

  -> Aufnahme durch eukaryotische Zelle

  -> Entwicklung einer Symbiose

  -> Entwicklung zu den heutigen Organellen

=> Nutzung von O2 in ihren Prozessen

Mitochondrien: Zellatmung -> aerober Stoffwechsel -> ATP-Produktion

Chloroplasten: Photosynthese -> O2 Nebenprodukt

=> Doppellipidschicht -> Aufgebaut aus amphiphilen Lipiden und Membranproteinen

Amphiphile Lipide:

• hydrophiler (wasserlöslich) Kopf

• hydrophober (wasserabweisend) Schwanz (aus Fettsäuren)

Beispiele von Membranlipiden: Struktur

• Phospholipide = Kopf enthält Phosphatgruppe -> Grundstruktur der Membran (Hauptbestandteil)

• Glykolipide = Kopf enthält Zuckerrest

• Cholesterin = Regulierung Fluidität der Membran -> sorgt, dass Membran bei unterschiedlichen Temperaturen stabil bleibt (nicht zu fest oder flüssig)

Membranproteine:

=> wirken als: Transporter, Rezeptor, Enzyme, Verankerung

Zwei Hauptkategorien:

1) Integrale Membranproteine

• Fest mit Lipidschicht verankert, durchdringen teilweise oder ganz die Schicht

• Transmembranproteine -> durchdringen ganz

  • Hydrophobe Bereiche interagieren mit hydrophoben Schwänzen der Lipide (A-Helix Form)

  Beispiel:

  • Ionenkanäle z.B. Natriumkanäle

  • Glykoproteine

  • Aquaporine

2) Periphere Membranproteine

• Nicht fest verankert mit Lipidschicht -> befinden sich auf der Oberfläche

• Gebunden an Kopfgruppen der Lipide oder an integralen Proteinen durch Bindungen

• befinden sich auf intrazellulären oder extrazellulären Seite

Beispiel:

• Spektrin

• Enzyme wie Phospholipase C

=> “Schutzschicht auf der äußeren Oberfläche der Zellmembran” - hauptsächlich bei tierischen Zellen

besteht aus…

• Zuckerresten, die von Glykoproteinen, Glykolipiden oder Proteoglykanen nach außen getragen werden

Funktion:

• Schutz vor Schäden, chemischen Einflüssen etc.

• Erkennung der Zuckerreste von Lektinen (Proteinen) -> Wechselwirkung

Funktion von Lektin:

• Zell-Zell-Kommunikation: können an Zuckerreste von benachbarten Zellen binden

• Immunabwehr: Erkennung körperfremder Zuckerresten/strukturen der Erreger -> markieren für Fresszellen

Zwei Hauptgruppen der Transmembranproteine!

1) Trägerproteine:

• Bindung eines Liganden auf einer Seite der Membran

  -> Protein durchläuft Konformationsänderung

  -> Ligand wird auf anderen Seite herausgelassen

=> passiv und aktiv!

Beispiel:

Uniporter: Ein Molekül, eine Richtung (meist passiv)

Symporter: Zwei Moleküle, eine Richtung (aktiv)

Antiporter: Zwei Moleküle, entgegengesetzte Richtungen (aktiv)

2) Kanalproteine: “Ionenkanäle”

• Ionenkanäle, spez. für Ionen oder auch Wasser

  -> passiver Transport!

Formen für Ionen:

• ligandenabhängiger Ionenkanal

• spannungsabhängiger Ionenkanal

• mechanisch gesteuerter Ionenkanal

Formen für Wasser:

• Aquaporine

=> Prozess, bei dem Zellen Substanzen aus ihrer Umgebung aufnehmen, indem sie einen Teil ihrer Zellmembran einstülpen und so ein Vesikel bilden, das die aufzunehmenden Moleküle umschließt

Substanzen = große Moleküle (Proteine, Nährstoffe etc.) oder kleine gelöste Moleküle/ Flüssigkeiten

Formen der Endozytose, je nachdem, was aufgenommen wird:

1) Phagocytose

• Aufnahme großer Partikeln oder ganzer Zellen (z.B. Bakterien)

• wichtig für Immunsystem -> Aufnahme von Erregern

2) Pinocytose

• Aufnahme flüssiger Substanzen und gelösten Molekülen

3) Rezeptorvermittelte Endozytose

• Aufnahme spezifischer Moleküle, die an Rezeptoren auf Zelloberfläche binden

  -> Cholesterin an LDL-Rezeptor

1) Erkennung: Abhängig von Art der Endocytose

• Phagocytose: Erkennung großer Moleküle durch unspezifische Rezeptoren

• Pinocytose: Ohne speziellen Rezeptor, unspezifische Aufnahme gelöster Stoffe/Flüssigkeiten

• Rezeptorvermittelte Endocytose: hochspezifische Rezeptoren - binden nur an spez. Liganden (LDL an Cholesterin)

2) Einziehung der Zellmembran

• Einstülpung der Zellmembran im Bereich der erkannten Substanz

3) Bildung Vesikel

• Eingestülpte Membran formt Tasche, die sich abschnürt -> Entstehung Vesikel

  -> Bereits im Cytoplasma der Zelle

4) Transport des Vesikels im Cytoplasma

• Weiterer Transport innerhalb der Zelle entlang der Mikrotubuli zu Endosomen oder Lysosomen

5) Fusion mit Endosomen/Lysosomen

6) Verarbeitung des Vesikelinhalts

• Abbau der aufgenommenen Substanzen im Lysosom durch Enzyme

7) Rückkehr/Recycling von Rezeptoren (bei rezeptorvermittelter Endozytose)

• Rezeptoren der Aufnahme können zur Zellmembran zurückgeführt und wiederverwendet werden

Besonderheit: Rezeptorvermittelt!

• Bei Ligandenbindung wird Clathrin (Protein) aktiviert und wandert zur Stelle der eingestülpten Membran

  -> Vesikel bekommt Clathrin-Beschichtung

  • Strukturelle Unterstützung

  • Effiziente Aufnahme und Transport

=> Prozess, bei dem Zellen Substanzen aus ihrem Inneren nach außen (extrazellulären Raum) abgeben

=> Rolle bei Sekretion: Substanzen wie Hormone, Verdauungsenzyme und Neurotransmitter

Ablauf:

1) Bildung Vesikel

• Substanzen werden in sekretorische Vesikel verpackt

  -> häufig am Golgi-Apparat (wo Moleküle modifiziert und verpackt werden für Transport)

2) Transport durch Cytoplasma zur Zellmembran

3) Fusion mit Zellmembran

• Lipiddoppelschicht des Vesikels verschmilzt mit Zellmembran -> durch SNARE-Proteine

4) Freisetzung des Inhalts

• Nach Fusionierung wird Inhalt im extrazellulären Raum freigesetzt

• Substanzen wie Neurotransmitter erfüllen ihre Funktion

5) Membranerneuerung

• Zellmembran wird durch Vesikelmembran ergänzt

1) Zellkern

2) Mitochondrien (Tiere und Pflanzen)

3) Chloroplasten (nur Pflanzen)

=> 2x Doppellipidschichten

4) Endoplasmatisches Retikulum (eR)

5) Golgi-Apparat

6) Lysosomen

7) Peroxisomen

=> 1x Doppelschicht

Inneres Membransystem:

• Innere Membran trennt jedes Organell vom Cytoplasma

• Golgi-Apparat, Lysosomen, Endoplasmatisches Retikulum, Peroxisomen -> 1x Lipiddoppelschicht

• Zellkern, Mitochondrien = 2x Doppellipidschichten (= zwei Membranen)

Mitochondrien:

• Innere Mitochondrienmembran

• Äußere Mitochondrienmembran

Zellkern:

• Innere Kernmembran

• Äußere Kernmembran

Äußeres Membransystem:

• bezieht sich vor allem auf Zellmembran

  -> trennt Zellinneres von Außenwelt

  -> schützt die Zelle

  -> ermöglicht Kommunikation und Transport

=> verzweigtes Netzwerk oder Kanalsystem, das aus untereinander verbundenen, membranumhüllten Kanälen, Röhren und Säckchen (Zisternen) besteht

=> Mit der äußeren Kernmembran des Zellkerns verbunden!

Zwei Formen:

1) Raues ER:

• Hauptfunktionen:

  • Proteinbiosynthese -> Synthese von Proteinen im Ribosom

  • Modifikation der Proteine

    -> Falten, Anhängen von Zuckergruppen (Glykosylierung) und weitere chemische Modifikationen

  • Verpacken und Transport zum Golgi

    -> Über COPII-Vesikel: ER -> Golgi

    
    

Ribosomen: Proteinfabrik der Zelle

• Freie Ribosomen

  • Schwimmen im Cytoplasma

  • Synthese von Proteinen, die im Cytoplasma bleiben (z.B. Enzyme) oder in Zellorganellen (z.B. Mitochondrien, Peroxisomen) transportiert werden

• Membrangebundene Ribosomen

  • Auf Oberfläche des rauen ERs

  • Synthese von Proteinen

    -> für Zellmembran -> Membranrezeptoren

    ->für Sekretion nach außen -> Hormone, Enzyme

    -> für Lumen von Organellen (Lysosomen)

    
    

2) Glattes ER:

• Keine Ribosomen

• Hauptfunktionen:

  • Synthese von Lipiden -> Fettstoffwechsel

  • Entgiftung -> Drogen, Toxine und Schadstoffe

    -> stark in Leber ausgebildet

  • Calciumspeicherung in z.b. Muskelzellen

=> Membranumschlossenes Organell, das aus einer Reihe flacher, gestapelter Membransäcke (Zisternen) besteht

Zwei Seiten:

• Cis-Seite (cis-Golgi-Netzwerk)

  • Seite, die ER zugewandt ist

    -> Vesikel treffen aus ER ein

    
    

• Trans-Seite (trans-Golgi-Netzwerk)

  • Seite ist Zellmembran oder anderen Organellen zugewandt

    -> Verpackung modifizierter Moleküle in spez. Vesikel -> Transport zum Zielort

    => Endgültige Sortierung und Verpackung der Moleküle

    
    

    
    

Hauptfunktionen:

• Modifikation von Proteinen und Lipiden:

  -> Hinzufügen von Zuckerresten, Phosphatgruppen oder Sulfatgruppen

• Sortierung und Verpackung:

  -> Sortierung der modifizierten Moleküle an Trans-Seite und Verpackung in Vesikel

• Transport von Molekülen:

  -> Sendung der verpackten Vesikel an Zielort:

  • Sekretorische Vesikel: Transport von Molekülen zur Zelloberfläche (Exocytose)

  • Lysosomale Vesikel: Transport von Hydrolasen zu Lysosomen

  • COPI-Vesikel: Transport von Molekülen vom Golgi zum ER

    
    

A) Endosomen:

• Sortierstationen in der Zelle “frühen Endosomen”

• Entstehung: Vesikel der Endocytose werden entweder selbst zu frühen Endosomen oder fusionieren mit bereits vorhandenen frühen Endosomen

Funktion:

• Sortierung der aufgenommenen Substanzen (entscheiden ob…)

  • Rücktransport zur Zellmembran

  • Verwertung zu Lysosomen für Verdauung -> Reifung der frühen Endosomen zu späten Endosomen, die mit Lysosomen fusionieren

  • Transport zu anderen Zielorten

B) Lysosomen:

• verdauende Organellen der Zelle

• Vielzahl an Hydrolasen -> Abbau Makromoleküle: Proteine, Lipide (Hauptfunktion)

Funktion:

• Intrazelluläre Verdauung

  -> Autophagie: Abbau von beschädigten Organellen (z.B. alte Mitochondrien) durch Fusionierung

  -> Heterophagie: Abbau von fremdem Material, das durch Endocytose aufgenommen wurde

• Enstehung: lysosomale Vesikel entstehen an Trans-Golgi-Netzwerk, Enzyme bereits am ER

C) Peroxisomen:

• Organellen, für Abbau von Fettsäuren + Entgiftung von schädlichen Substanzen (Wasserstoffperoxid) mit Enzymen (Katalasen) -> Funktionen

• Entstehung: Abspaltung vom glatten ER oder durch Teilung von bereits vorhandenen Peroxisomen

Cytoplasma:

• Grundsubstanz der Zelle (umschlossen von Zellmembran: Ausnahme Zellkern)

  = Cytosol + Zellorganellen + Cytoskelett

  
  

Bestandteile:

Cytosol -> flüssige Matrix des Cytoplasmas

• Matrix: H2O, gelöste Ionen etc.

• Ohne Zellorganellen + Cytoskelett

  
  

Zellorganellen -> Mitochondrien etc.

Cytoskelett -> Netzwerk aus Proteinfilamenten: Stabilität, Festigkeit

• Externes Signal (Ligand (Hormon)) bindet an Rezeptor auf Zellmembran

• Aktivierung des Rezeptors -> Konformationsänderung -> Kaskade -> Weiterleitung

Chaperone = Proteine, die bei korrekter Faltung anderer Proteine helfen

-> z.B. Hitzeschockproteine

-> Ort: Cytosol, ER, Mitochondrien

-> sorgen für korrekte Faltung der Proteine der Signaltransduktion (z.B. Rezeptor, Kinasen)

=> Netzwerk aus Proteinfilamenten (3 Typen)

=> Verleiht der Zelle: Form, Stabilität, Bewegungsfähigkeit

Drei Hauptkomponenten:

1) Aktinfilamente

Aufbau: Doppelhelix aus G-Aktin-Monomeren (zu langer Kette -> F-Aktin)

Inhibitoren: Cytochalasin, Phalloidin -> hemmen Ring bei Zellteilung

Funktion:

• Zellform und Stabilität

• Zellteilung: bilden Teilungring = kontraktilen Ring

• Zellbewegung -> Die Polymerisation von G-Aktin zu F-Aktin entstehen zelluläre Fortsätze (Mikrovilli, Filopodien etc.)

• Muskelkontraktion -> Aktin und Myosin bilden Einheit -> durch Prozesse wird Muskel kontrahiert

2) Mikrotubuli

Aufbau:

• hohle Röhren aus 13 Protofilamenten

  -> Protofilamente: bestehen aus Alpha-, und Beta-Tubulin-Dimeren

Inhibitoren:

Colchicin -> Hemmung Polymerisation der Mikrotobuli

Taxol -> stabilisiert Mikrotubuli + verhindert Umstrukturierung für Zellteilung

Funktion:

• Intrazellulärer Transport

  -> “Schienen” für Vesikel/Organellen

  -> zum + Ende: Kinesin

  -> zum - Ende: Dynein

• Zellteilung -> bilden Spindelapparat

• Zellstabilität und Form

3) Intermediärfilamente

Aufbau: faserartige Strukturen aus langen Ketten von Proteinen: Keratine, Vimentin, Neurofilamente, Lamine, Desmine

Funktion:

• Verleihen Zellen Stabilität und Festigkeit gegenüber mechanischer Belastung

Beispiel:

• Keratin (Filament) -> aus Keratinproteinen -> In Epithelzellen

• Desmin (Filament -> aus Desminproteinen -> in Muskelzellen

Verschlusskontakte (Tight Junctions)

• Sorgen für Abdichtung zwischen benachbarten Zellen und verhindern Durchsickern von Substanzen

  -> Protein Occludin und Claudin

  
  

Adhäsionskontakte

• binden benachbarte Zellen mechanisch miteinande: Nutzung Cadherine als Adhäsionsmoleküle

  
  

Desmosomen

• stärkere Zell-Zell-Verbindungen

  -> Verbinden Intermediärfilamente (z. B. Keratin) zweier benachbarter Zellen miteinander über Proteine wie Desmoglein und Desmocollin

Verankerungskontakte (Hemidesmosomen)

• Verbinden Zellen (Intermediärfilamente) mit der Basallamina (Teil der extrazellulären Matrix)

• Über IntegrinProteine

• Zell-Matrix-Kontakt

Kommunikationskontakte (Gap Junctions)

• Verbinden Cytoplasmen durch Kanäle aus Connexinen -> Austausch von Molekülen/Ionen zwischen Zellen

  
  

=> Grundsubstanz aus Makromolekülen in der tierische Zellen eingebettet sind

Funktion:

• Mechanische Stabilität

• Signalübertragung zwischen Zellen

• Ermöglicht Zelladhäsion/wanderung

Bestandteil:

• Strukturproteinen (Kollagen und Elastin) → sorgen für Festigkeit und Elastizität

  -> sind in wassereiches Gel (aus Proteoglykanen und Polysacchariden) eingebettet

• Adhäsionsproteinen (Fibronektin und Laminin) → ermöglichen die Zelladhäsion an die EZM

P.S.: Zelladhäsion beschreibt den Prozess, durch den Zellen sich an benachbarte Zellen oder an die extrazelluläre Matrix (EZM) binden.

=> “Kraftwerke" der Zelle

Funktion:

• Energiegewinnung - Produktion von ATP durch Zellatmung

  • Citratzyklus: in Matrix

  • Phosphorylierung: in Inneren Membran

• Beteiligung an Einleitung der Apoptose durch Freisetzung von Cytochrom c

Struktur und Aufbau:

• Ovale bis zylinderförmige Form

• Eigenes ribosomales Genom + Ribosomen (ringförmig = zirkulär) mtDNA

• Besitz von zwei Membranen (2x Lipiddoppelschicht)

  • Äußere Membran:

    • trennt Mitochondrium vom Cytoplasma

    • Porine (Kanäle) -> Ionentransport und Austausch kleiner Moleküle (ATP etc.) in und aus Mitochondrium

  • Intermembranraum:

    • Raum zwischen äußerer und innerer Membran: bei Atmungskette werden Protonen hier gepumpt

  • Innere Membran:

    • Bildung von Cristae (Einfaltungen) -> Vergrößerung der Oberfläche für Atmungskette

    • Proteine und ATP-Synthase

  • Matrix: -> umgeben von der inneren Membran

    • mit Enzymen für Citratzyklus

      -> Oxidation von Pyruvat/Fettsäuren

=> “Steuereinheit der Zelle”

-> Enthält Genom in Form von DNA

Funktion:

• Zellteilung/Kernteilung

• Proteinproduktion (Ort der Transkription (DNA → mRNA)

• Regulation Genexpression

Struktur und Aufbau:

• Kernhülle: umgibt Zellkern (2 Membranen - 2x Doppellipidschicht)

  • Innere Membran:

    • grenzt Nucleoplasma von anderen Zellkomponenten ab

  • Äußere Membran:

    • Grenzt an Cytoplasma der Zelle

    • kontinuierlich mit rauem ER verbunden

    • enthält oft Ribosomen wie raues ER

Kernpore und Transport:

• Kernhülle mit Kernporen -> Transport von Molekülen/Substanzen

  -> Diffusion bis zu 20 kDA (passiv)

  -> aktiver Transportmechanismus gesteuert durch…

  • Nukleäre Lokalisationssignale (NLS)

    -> hilft, Proteine in Zellkern zu importieren

  • Nukleäre Exportsignale (NES)

    -> hilft, Protein aus Zellkern heraus

Nucleoplasma: Flüssigkeit des Zellkerns

Enthält…

• Chromatin (DNA)

• Nucleolus (Bildungsort Ribosomen)

  -> werden ins Cytoplasma transportiert

• Enzyme für Replikation und Transkription von DNA

• Chromatin = Form, in der DNA während der Interphase im Zellkern vorliegt

  • Kann als Euchromatin oder Heterochromatin vorliegen

  -> besteht aus DNA und Histonproteinen

  -> DNA ist um Histone gewickelt = Bildung Nucleosom (Struktur)

Aufbau Nucleosom:

• Histon-Octamer: H2A, H2B, H3 und H4 (jeweils zwei Kopien von jedem)

• etwa 200 Basenpaare (bp) der DNA

• Linker-DNA: Region der DNA zwischen den Nucleosomen (verbindet Nucleosomen)

=> sorgt für effiziente Verpackung der DNA in Zelle und stabile Struktur

Interphase:

• DNA liegt in Form von Chromatin vor

  -> Euchromatin: lockere Form

  -> Heterochromatin: dichtere Form

• Diffus im Zellkern verteilt

• NICHT als Chromosom sichtbar!

=> Erst während Kernteilung wird Chromatin zu Chromosom kondensiert und sichtbar!

Polytäne-Riesenchromosomen:

• besonders große Chromosomen -> Vorkommen in Zellen von Drosophila

• Entstehung: DNA-Replikation ohne Kernteilung

  -> hundert/tausend DNA-Stränge sind parallel angeordnet und verpackt

  -> Kerne sind polyploid

Metaphase-Chromosom:

Während Mitose:

• DNA wird zunehmend kondensiert -> lockererer Form des Chromatins zu sichtbareren Chromosomen

In der Metaphase:

• DNA maximal kondensiert und liegt in Form von sichtbaren Chromosomen vor

  • 2 Schwesterchromatiden, verbunden durch Zentromer

  
  

Forschung:

• Durch Sichtbarkeit -> Analyse und Zählen der Chromosomen

  -> Hilfreich für chromosomale Anomalien

Apoptose:

• Kontrollierter Zelltod

• Gezielte Zerstörung ohne Auslösung einer Entzündungsreaktion

  
  

kann durch zwei Hauptwege ausgelöst werden:

Innerer Weg: Zelluläre Schäden

• Ausgelöst durch zelluläre Schäden (DNA-Schäden, oxidativen Stress) direkt in Zelle oder auch Mitochondrien

• Reaktion von Mitochondrien auf Schaden

  -> Freisetzung von Cytochrom c in Cytoplasma

  -> Aktivierung einer Kaskade von Caspasen -> Abbau der Zelle

Äußerer Weg: Externe Signale

• Bindung externer Liganden an spezifische Todesrezeptoren auf Zellmembran

• Bindung führt zur Aktivierung einer Kaskade von Caspasen -> Abbau Zelle

Nekrose:

• Unkontrollierter Zelltod

• Verursachung durch äußere Faktoren

  • Infektionen, toxische Substanzen oder mangelhafte Blutzufuhr

Folgen:

• Zellschwellung -> Platzen Zellmembran -> Auslösung Entzündungsreaktion und Schäden

1. Mitose (für somatische Zellen z.B. Körperzellen (Haut-, Muskelzellen)

2. Meiose (für Keimzellen (Vorläuferzellen der Geschlechtszellen)

Mitose:

• Ziel: zwei genetisch identische Tochterzellen -> gleicher diploider Chromosomensatz wie Mutterzelle

• Funktion: Zellteilung für Wachstum, Gewebereparatur und Regeneration

• Teil des Zellzyklus

  -> Besteht aus folgenden Phasen

  • Interphase (Vorbereitung auf die Teilung, DNA-Replikation)

  • Mitose (Kernteilung)

  • Cytokinese (Teilung des Zellplasmas)

Meiose: spezieller Kernteilungsprozess in Keimzellen

• Ziel: Vier genetisch unterschiedliche Gameten mit haploiden Chromosomensatz

• Funktion: Sexuelle Fortpflanzung, Rekombination für genetische Vielfalt

• Besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilungen

  • Meiose I (Reduktionsteilung) Chromosomenzahl wird halbiert

  • Meiose II (Äquationsteilung) ähnlich der Mitose Trennung der Schwesterchromatiden

Zellzyklus:

• Gesamter Prozess von der Entstehung einer Zelle bis zu ihrer Teilung in zwei Tochterzellen

  
  

1) Interphase:

• Zellwachstum, DNA-Replikation, Vorbereitung auf Mitose

2) Teilungsphase: Mitose + Cytokinese

Mitose -> Kernteilung

• Teilung Zellkern in zwei Tochterkerne

Cytokinese -> Zellteilung

• Aufteilung des Cytoplasmas -> Entstehung von zwei Tochterzellen

Zellzyklus: Interphase -> Mitose -> Cytokinese

1. Interphase

   • präsynthetische Phase (G1) -> Zellwachstum, Vorbereitung DNA-Replikation

     • Jedes Chromosom aus 1x Chromatid

   • synthetische Phase (S) -> DNA-Replikation

     • Jedes Chromosom aus 2x Schwesterchromatiden (verbunden über Centromer)

     • DNA liegt dennoch noch als lockeres Chromatin (Euchromatin) vor -> KEIN sichtbares Chromosom

   • postsynthetische Phase (G2) -> Zellwachstum, Vorbereitung auf Mitose

• Ziel: DNA-Replikation, Zellwachstum, Vorbereitung auf Mitose

• 2n: diploider Chromosomensatz

  • 46 Chromosomen in 23 Paaren

• 2c: doppelter DNA-Gehalt

  • Jedes Chromosom (46) aus 1x Chromatid (G1-Phase)

• 4c: vierfacher DNA-Gehalt

  • Jedes Chromosom (46) aus 2x Schwesterchromatiden (nach S-Phase bis zur Anaphase der Mitose)

=> Kernteilung: Zellkern mit replizierter DNA teilt sich in zwei Tochterkerne

Ablauf -> 5 Phasen

1) Prophase Beginn der Kondensation

• 2 Chromatiden pro Chromosom (verbunden am Centromer)

• Bildung Spindelapparat

  -> Mikrotubuli von Centriolen werden ausgestreckt

• Bildung Pol der Spindel

• Auflösung Kernhülle (Beginn)

2) Prometaphase

• Zerfall Kernhülle

• Chromosomen bewegen sich zur Äquatorialebene

• Mikrotubuli der Spindel heften sich an Kinetochoren am Centromer der Chromosomen

3) Metaphase

• Chromosomen ordnen sich in Äquatorialebene an

• am stärksten kondensiert -> sichtbar als Chromosomen!

4) Anaphase

• Trennung der Schwesterchromatiden -> werden zum jeweiligen Pol gezogen

5) Telophase

• Erreichen Pol

• Bildung neuer Kernhülle

• Auflösung Spindelfaser

• Rückkehrung Chromatinstruktur

Endergebnis: 2x Tochterkerne in einer Zelle

Anschluss: Cytokinese

Endergebnis: 2x Tochterzellen

Ab Anaphase:

• Ein Pol: 46 Chromatiden

• Anderer Pol: 46 Chromatiden

• Endergebnis: 2x Tochterkerne mit 46 Chromatiden (diploid 2n) und 2c (1x Chromatid pro Chromosom)

  
  

=> Zellteilung: Teilung des Cytoplasmas der ursprünglichen Zelle -> Entstehung zweier Tochterzellen/ vier Gschlechtszellen

1) Bildung des kontraktilen Rings:

• Schmale Linie oder Zone (entlang der ehemaligen Äquatorialebene)

• Bestandteil: Aktin- und Myosinfilamenten

• Entstehung: Lagerung der Aktinfilamente in Zellmitte (meistens ab Ana-, oder Telophase der Mitose/Meiose)

2) Einschnürung der Zelle:

• Interaktion der Proteine (Aktin & Myosin)

  -> Zusammenziehen des Rings (Linie) -> Einschnürrung der Zellmembran links und rechts

  -> Verteilung des Cytoplasmas gleichmäßig auf beide Tochterzellen

1) Normale Zellen: Verschiedene Rückkopplungsmechanismen

• Sicherstellung der kontrollierten Zellteilung und Zellwachstum

• Verhinderung des unkontrollierten Zellwachstums

2) Kontrollpunkte “Checkpoints”

=> prüfen, ob Zelle bereit ist in nächste Phase überzugehen

• Kontrollpunkt G1/S-Phase:

  • Entscheidung, ob Zelle in S-Phase (DNA-Replikation) eintritt oder in Ruhezustand (G0-Phase) geht

  • Reguliert durch Cycline (D, E) und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs)

• Kontrollpunkt G2-Phase/Mitose:

  • Kontrolle -> Vollständigkeit der DNA-Replikation und Übergang in Mitose

    • Regulation: Cyclin B und CDK1

3) Wachstumsfaktoren:

• Beeinflussen Zellvermehrung

• Bindung an Rezeptoren auf Zelloberfläche

  -> Aktivierung Signalwege zur Zellzyklusförderung

=> Spezieller Kernteilungsprozess -> Bildung der Gameten (Geschlechtszellen)

Ziel:

• Reduktion des Chromosomensatzes -> Gameten sind haploid

• Rekombination -> genetische Vielfalt -> Crossing Over

Ablauf:

=> Zuerst auch Interphase für DNA-Replikation -> Ausgang von 46 Chromosomen mit je 2 Schwesterchromatiden

Meiose I ->Chromosomenzahl wird halbiert aus 2n zu n

1) Prophase I: Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän, Diakinese

• Paarung zu homologen Chromosomenpaaren -> mit genetischer Rekombination (Crossing Over)

2) Metaphase I:

• Anordnung Äquatorialebene

• Bindung des Spindelapparats an Centromere der homologen Chromosomenpaare

3) Anaphase I:

• Trennung der homologen Chromosomenpaare zu den Polen

  -> Jedes Chromosom besteht noch aus 2 Schwesterchromatiden

4) Telophase I:

• Rekonstruktion der Kernhülle

Anschluss: Cytokinese nach Meiose I

• Entstehung zweier haploider Zellen

• Chromosomen aus zwei Schwesterchromatiden (4c), aber Chromosomensatz haploid (n)

Meiose II -> Trennung der Schwesterchromatiden

=> Ablauf wie bei der Mitose

=> ABER ohne vorherige DNA-Replikation in Interphase!

1) Prophase II: Beginn der Kondensation

• 2 Chromatiden pro Chromosom (Ausgang 23 Chromosomen mit 2 Schwesterchromatiden) verbunden am Centromer

• Bildung Spindelapparat

  -> Mikrotubuli von Centriolen werden ausgestreckt

• Bildung Pol der Spindel

• Auflösung Kernhülle (Beginn)

2) Prometaphase II

• Zerfall Kernhülle

• Chromosomen bewegen sich zur Äquatorialebene

• Mikrotubuli der Spindel heften sich an Kinetochoren am Centromer der Chromosomen

3) Metaphase

• Chromosomen ordnen sich in Äquatorialebene an

• am stärksten kondensiert -> sichtbar als Chromosomen!

4) Anaphase

• Trennung der Schwesterchromatiden -> werden zum jeweiligen Pol gezogen

5) Telophase

• Erreichen Pol

• Bildung neuer Kernhülle

• Auflösung Spindelfaser

• Rückkehrung Chromatinstruktur

Im Anschluss: Cytokinese!

Endergebnis: Vier genetisch unterschiedliche Gameten mit haploiden Chromosomensatz

Mitose: 2 Tochterzellen mit jeweils 46 Chromosomen und 1 Chromatid pro Chromosom

Meiose I: 2 haploide Tochterzellen mit jeweils 23 Chromosomen, jedes Chromosom hat 2 Chromatiden

Meiose II: 4 haploide Tochterzellen (Gameten) jede mit 23 Chromosomen, die jeweils nur 1 Chromatid enthalten