Molekulare Zellbiologie
Schlüsselfunktionen und Biogenese von Zellmembranen
• Zellmembranen, die aus einer Lipid- monoschicht aufgebaut sind sind stabilder, da die Van-
der-Waals Kräfte die Schmezltemperatur erhöhen
• sie sind undurchlässig für wasserlösliche Moleküle
• Membranen können sich selbstregulieren, aber nicht selbsterneuern!
• Ribosomen haben zwei Schlüsselfunktionen
◦ dekodierung “lesen” von mRNA
◦ mRNA katalysiert Peptidbindungen
◦ (Transkription beschreibt das Umschreiben der Gene in mRNA. Im
Anschluss wird die mRNA an Ribosomen außerhalb des Zellkerns in
Aminosäuresequenzen übersetzt, dieser Teilschritt wird Translation
genannt)
◦ Proteine tragen überwiegend eine strukturelle Rolle
• Phosphoatidylcholine als wichtiger Bestandteil der Lipiddoppelschicht mit
apolarem (hydrophob) und polarem (hydrophil) Teil
• der hydrophobe Effekt veranlasst, dass sich die apolaren
Schwänzchen vom Wasser abneigen und so spontan
Doppelschichten bilden
• Lipide bewegen sich schnell lateral, aber nur selten in die Flip-
Flop Richtung, da sie dabei die polaren WW überwinden
müssen
Durchlässigkeit einer Lipiddoppelschicht
• je größer und je polarer (je mehr H2O es bindet) das Molekül, desto weniger durchlässig für
die Membran und desto langsamer
• Aquaporine helfen den Wassermolekülen, die Membran schneller zu durchqueren
• integrale Membranproteine:
◦ Rezeptoren, Transporter und Kanäle
◦ aus alpha Helices oder beta Faltblättern
• periphere Membranproteine:
◦ mit amphipatischen Bindungen, dadurch nur teilweise in die Membran verankert
◦ nicht- kovalente WW mit anderen Membranproteinen
Signalsequenzen dirigieren Proteine zur richtigen Zellkompartimenten
• fast alle Proteine werden im Zytoplasma synthetisiert an dem Ribosomen
◦ nur 1,9% von den Membranproteinen werden im Mitochondrium
synthetisiert
• Signalsequenzen am Ende eines entfalteten Proteins wird im gefalteten
Zustand abgesondert
• oder Signalpatch, dass aus mehreren Regionen im Protein entsteht und sich
zusammenfügt, bleibt erhalten
• einige wichtige Signalsequenzen:
◦ Im-/ Export in den Zellkern
◦ Import zu Mitochondrium, Peroxisom
◦ Im-/ Export in das ER
• Proteine ohne Sortiersignal verbleiben dort, wo sie synthetisiert wurden, also meist im
Cytosol
Evolutionärer Ursprung ders sekretorischen Transportwegs/ Endosymbionentheorie:
• die ehemalige Prokaryotenzelle wurde durch Einstülpung der einzigen Membran ein ER und
Golgi Apparat “hinzugefügt” der damit die DNA umhüllte und somit auch einen Zellkern
(mit Doppelmembran) entwickelte
◦ Beweise für Endosymbiontentheorie (dass Eukaryotische Zellen Prokaryoten wie
Mitochondrien und Chloroplasten “verschluckt” haben):
, ▪ Mitochondrien und Chlorosplasten enthalten ringförmige DNA, wie Prokaryoten →
selbstständige Vermehrung
▪ Mitochondrien nutzen eine anderen genetischen Code
▪ beide Organellen enthalten Bakterienribosomen
▪ die Doppelmembran verrät, dass die Äußere durch die Einstülpung der Zellmembran
kam und die Innere ist die eines Prokaryoten
◦ Vorteil von Mitochondrien für die Eukaryoten: bringt mehr ATP Synthese mit sich, als
nur aus der Glykolyse → effektiver
• (Vergleich aerobe Oxidation von Glucose in Mitochondrien 28 ATP vs. Anaerobe
mit 2 ATP pro Glukosemolekül)
Proteintransport in das endoplasmatische Retikulum
• durch Transmembrantransport mittels Transmembranproteine
• Endoplasmatisches Retikulum/ Ort der Proteinbiosynthese
• Eintrittspunkt des sekretorischen Transportwegs, für ER Lumen, Golgi, Endosomen
und Lysosomen bestimmt
• intrazellulärer Kalziumspeiche
◦ Ca2+ Pumpen und -Kanäle sorgen für Gleichgewicht
▪ gestapelte Zisterne, Netzwerk von Röhrchen
▪ mit Mikrotubuli verbunden
▪ glattes ER: Lipidbiosynthese ← Membranbioginese (Lipide
▪ raues ER: Proteinbiosynthese durch Ribosomen und Proteine)
Lipiddoppelschichten werden im ER gebildet (Membranbioginese)
1. Stufenweise Synthese einer Fettsäure durch das FAS Enzym
2. Enzym bindet Proteine
3. lagert sich in der Zytosolen Lipidschicht der Membran an und wird durch CoA
aktiviert → Phospholipid entsteht
4. CoA wird durch Acyl-Transferase angespalten und durch Glycerin 3 Phosphat
ersetzt
5. Phasphatgruppe abgespalten, durch CDP-Cholin ersetzt und so ist ein
Phosphoatidylcholin in der Membran entstanden
• hierdurch wird aber nur die zytosolische Hälfte der Doppelschicht
versorgt
• eine “Scramblase” katalysiert das umspringen von
Phospholipidmolekülen, dass ein symmetrischen Anwachsen beider
Membranhälften gesichert ist
Inkorporation von Proteinen
• kotranslationale Proteintranslokation:
◦ Ribosomen synthetisieren Protein noch, während das Protein durch die Membran
transportiert wird
• posttransionale Proteintranslokation:
◦ Transmembrantransport erst nach vollständiger Faltung des Proteins
▪ → Vorteil der kotranslationalen Translokation ist, dass es weniger Energie als die
posttranslationale Translokation braucht, da die Faltung zusätzliche Faltungsenzyme
mit ATP Nutzung benötigt
Signalhyphothese
• wenn Signal(start)sequenz beim aktiven Translokator ankommt, wird die von der
Signalspeptidase abgespalten und befindet sich
danach in der Membran
• Signalstoppsequenzen sind hydrophob und
stoppen damit die Reifung der Proteine, sodass
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