Eine der behandelten Zellkontaktstrukturen wird auch als elektrische Synapse bezeichnet. Erläutern Sie!
Gap Junctions sind direkte Zell-Zell-Verbindungen, die in einigen Zelltypen für eine elektrische Kopplung der Zellen verantwortlich sind (z.B. Nervenzellen, glatte Muskelzellen, Herzmuskelzellen). Membranpotentialänderungen, die auf Ionenströmen basieren, können so ungehindert von einer Zelle auf die andere übergehen, da die Gap Junctions für Ionen frei passierbar sind. So können z.B. Aktionspotentiale auch ohne chemische Synapse direkt von einer auf die nächste Zelle überspringen, daher der Begriff elektrische Synapse.
Mit welchen Cytoskelettsystemen sind Desmosomen, Hemidesmosomen und Adherens Junctions verbunden?
Desmosomen und Hemidesmosomen sind mit Intermediärfilamenten assoziiert, Adherens Junctions mit dem Actin-Cytoskelett.
Welche Rolle spielen Tight Junctions beim transepithelialen Transport?
Tight Junctions sind Verschlusskontakte an der apikal-basolateralen Grenze von Epithelzellen. Sie stellen eine zweifache Barriere dar:
Zu transportierende Stoffe können je nach Ausprägung der Tight Junctions nicht oder nur in sehr geringem Ausmaß zwischen den Zellen hindurch diffundieren (parazelluläre Diffusion). Sie müssen also gerichtet durch die Zelle transportiert werden.
Am transepithelialen Transport beteiligte Transportproteine sind meist auf die unterschiedlichen Membrandomänen (apikal und basolateral) beschränkt. Ein Protein sorgt für den Eintransport in der apikalen Membrandomäne und ein weiteres für den Austransport in der basolateralen Membrandomäne. Die Trennung dieser Proteine ist auf die Tight Junctions zurückzuführen, welche die laterale Diffusion zwischen apikaler und basolateraler Membran verhindern. Nur so ist ein gerichteter Stofftransport über ein Epithel hinweg überhaupt möglich (Bsp.: Glucose-Resorption im Dünndarm).
Nennen Sie fünf verschiedene Zellkontaktstrukturen sowie jeweils ein dazugehöriges Transmembranprotein!
Tight Junction (Claudin),
Adherens Junction (E-Cadherin),
Desmosom (Desmoglein),
Gap Junction (Connexin),
Hemidesmosom (α6β4-Integrin).
Worin liegen die Unterschiede bei Perzeption und Transduktion von Aktivin- bzw. BMP-Signalen?
Beide Signalmolekültypen binden als Dimere an Rezeptortetramerkomplexe mit intrazellulärer Serin/Threonin-Kinase-Aktivität. Activin-Rezeptoren interagieren allerdings daraufhin mit den signalwegspezifischen Smads 2 bzw. 3 und phosphorylieren diese. BMP-Rezeptoren dagegen phosphorylieren die Smads 1,5,8. In beiden Fällen bilden die phosphorylierten Smads einen Komplex mit Smad 4, werden mit diesem zusammen in den Kern transportiert und aktivieren dort jeweils unterschiedliche Zielgene. Die Aktivität beider Signalwege kann mit Hilfe von spezifischen Antikörpern gegen phosphoryliertes Smad 1 (signalisiert aktives BMP-Signal) bzw. phosphoryliertes Smad 2 (signalisiert aktives Aktivin-Signal) untersucht werden.
Wie funktioniert die Signaltransduktion über Regelung von Proteinstabilitäten bzw. -abbau? Beschreiben Sie ein Beispiel!
Das Grundprinzip ist, dass ein an der Signaltransduktion beteiligtes Protein, z.B. ein Transkriptionsfaktor, in Abwesenheit des Signals permanent abgebaut wird, sodass in unstimulierten Zellen die Menge des Transkriptionsfaktors äußerst gering ist. Auf das passende Signal hin wird die Abbau-Maschinerie inhibiert, woraufhin der Transkriptionsfaktor in der Zelle akkumuliert, in den Zellkern transportiert wird und dort seine Zielgene beeinflusst. Ein klassisches Beispiel für so ein System stellt der Wnt-β-Catenin-Signalweg dar. Hier wird normalerweise cytoplasmatisches β-Catenin über einen Multiproteinkomplex dem Ubiquitin-Proteasom-Abbau zugeführt. Schlüsselreaktion ist dabei die Phosphorylierung von β-Catenin durch die Glykogen-Synthetase-Kinase 3β (GSK-3β). Nach Bindung des Signals (Wnt) an seinen Rezeptor (Frizzled, ein Transmembranprotein) wird das Protein Dishevelled aktiviert, das seinerseits die GSK-3β inhibiert. So wird die Phosphorylierung und damit der Abbau von β-Catenin gestoppt. β-Catenin akkumuliert im Cytoplasma, wird in den Kern transportiert und beeinflusst dort zusammen mit dem Co-Transkriptionsfaktor Lef/Tcf-3 seine Zielgene.
Was sind die Gemeinsamkeiten der Reaktionen, welche zur Aktivierung von G-Proteinen bzw. Ras führen? Wo liegen die Unterschiede?
In beiden Fällen ist die Aktivierung von einem GDP/GTP-Austausch abhängig. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren aktivieren über ihre intrazelluläre Domäne direkt das G-Protein. Rezeptoren, über die Ras aktiviert wird, müssen nach Ligandenbindung erst noch selbst aktiviert werden (durch Phosphorylierung). Außerdem sind zwischen Rezeptor und Ras noch Adaptorproteine zwischengeschaltet, von denen eines Ras schließlich aktiviert.
Warum ist der cAMP-Gehalt in der Zelle normalerweise sehr niedrig? Welche Mechanismen sind dafür verantwortlich?
Der cAMP-Gehalt ist niedrig, weil so die Signalweiterleitung sehr empfindlich reagieren kann. Wäre der Gehalt wesentlich höher, würde die Mengenänderung, die durch Signal-Rezeptor-Wechselwirkung ausgelöst wird, nicht so sehr ins Gewicht fallen. Zur Verdeutlichung: eine Änderung von 0 auf 10 ist auffälliger als eine von 90 auf 100. Der cAMP-Gehalt wird durch die Wirkung der Phosphodiesterase (katalysiert die Bildung von AMP aus cAMP) gering gehalten. Außerdem ist die Adenylatcyclase, die cAMP bildet, immer nur begrenzte Zeit nach Aktivierung durch ein G-Protein aktiv.
Nennen Sie zwei verschiedene Möglichkeiten der intrazellulären Verstärkung bei der Signaltransduktion!
Weiterleitung und Verstärkung über sekundäre Messenger (cAMP, DAG, IP3, Ca2+), die in großer Zahl gebildet werden.
Weiterleitung und Verstärkung über Phosphorylierungskaskaden.
Was sind Unterschiede, was Gemeinsamkeiten der pflanzlichen Zellwand und der extrazellulären Matrix der Tiere?
In der Zellwand der Pflanzen sind Cellulosefasern in einer Matrix aus Pektin und Hemicellulose eingebettet. Die EZM der Tiere besitzt als Faseranteil Kollagen, welches in einer Matrix aus Proteoglykanen eingebettet ist. Beide Strukturen enthalten also lange in Matrix eingebettete Fasern, bei Tieren bestehen sie aus Protein, bei Pflanzen aus Zuckern.
Was sind Integrine, und was sind deren Funktionen?
Integrine sind transmembrane Glykoproteine bestehend aus einer α- und einer β-Einheit. Mehr als 20 unterschiedliche α-β-Integrine binden verschiedene EZM-Komponenten wie Fibronektine, Laminine oder Kollagene. α6β4-Integrin ist die Transmembrankomponente der Hemidesomsomen. Die intrazellulären Domänen binden an das Cytoskelett (Actin- oder Intermediärfilamentsystem). Darüberhinaus dienen Integrinkomplexe auch als Signalzentren und können z.B. das Ras-MAP-Kinase-System aktivieren.
Wie wird verhindert, dass sich bereits intrazellulär Kollagenfasern bilden?
Kollagen wird intrazellulär als Prokollagen mit assoziierten Propeptidketten synthetisiert und auch exocytiert. Diese werden erst extrazellulär abgespalten, und erst dann bilden sich Fibrillen und Fasern. Die Propeptide verändern die Löslichkeit des Proteins offenbar so, dass sich intrazellulär keine Fasern bilden können.
Nennen Sie einige Strukturen, die hauptsächlich aus extrazellulärem Material bestehen!
Knochen, Knorpel, Sehnen, Basallaminae, Schalen oder Zellpanzer, Cuticulapanzer der Arthropoden, Zellwände bei Pflanzen, Pilzen und Prokaryoten.
Was ist ein Proteoglykankomplex?
Proteoglykane bestehen aus einer Polypeptidkette mit langen Glykosaminoglykanseitenketten aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten (hauptsächlich N-Acetylglucosamin oder N-Acetylgalactosamin). Proteoglykane können mit Hyaluronsäure riesige supramolekulare Molekülkomplexe formen, die Proteoglykankomplexe. Die Bindung der Proteoglykane an die Hyaluronsäure erfolgt über Linkerproteine.
Welches sind die Hauptkomponenten der EZM?
Kollagene oder andere Fasern (Elastin, Fibrillin), Proteoglykane, Verbindungsmoleküle wie Laminine und Fibronektine.
Was versteht man unter Glykokalyx?
Hierbei handelt es sich um eine Schicht, die außen der Cytoplasmamembran anliegt und komplexe Oligosaccharide enthält. Sie wird von Glykoproteinen und Glykolipiden gebildet, die direkt (z.B. integrale Glykoproteine) oder indirekt (z.B. periphere Glykoproteine) mit der Membran assoziiert sind. Die Schicht kann sehr dicht sein und einen regelrechten Zuckermantel bilden.
Welche Aufgaben kommen den Zelloberflächen zu?
Zellerkennung, Kommunikation, Aufnahme von Nährstoffen, Kontaktbildung zu anderen Zellen bzw. zur EZM, Schutz
