Grundlagen der Zellbiologie Zellbiologie II Lehrbuch: Molecular Biology of the Cell, sechste Auflage, Alberts et al, 2015 Prüfungsrelevante Folien sind mit gekennzeichnet Paul Walther, Andreas Ziegler Zentrale Einrichtung Elektronenmikroskopie 0

0 Grundlagen der Zellbiologie Zellbiologie II Themen: 1.0 Membranstruktur (Kapitel 10) 2.0 Membrantransport kleiner Moleküle (Kapitel 11) 3.0 Zellverbindungen (Kapitel 19) 4.0 Extrazelluläre Matrix (Kapitel 19) 5.0 Zellkommunikation durch Signalmoleküle (Kaptel 15) Lehrbuch: Molecular Biology of the Cell, sechste Auflage, Alberts et al, 2015

Struktur der Prokaryotenzelle 0

Struktur der Tierzelle 0

Struktur der Pflanzenzelle 0

Funktion der Plasmamembran (Barriere und Kommunikation mit Außenraum) 1.0 Membranstruktur 1

Der Aufbau der Plasmamembran 2 amphipathisch 30% der proteincodierenden Gene er Zelle sind Membranproteine Lipide machen etwa 50% der Membranmasse aus. In einer kleinen Zelle ~5x 10 6 Lipidmoleküle pro μm 2 oder 10 9 Lipid-Moleküle.

1.1 Die Lipid Doppelschicht (Lipid Bilayer) Phospholipide Phosphatidylcholin 3 amphipathisch Die Fettsäuren sind meistens C-Atome lang.

Die häufigsten Phospholipide der Säugerzellmembran 4 Acylkette mit 2 Hydroxylgrupen und einer Aminogruppe Phosphocholin Diese Phosphoipide machen etwa 50% der Lipidmasse aus

1.1.2 Struktur des Cholesterins 5 1 Cholesterin pro Phospholipid!

Struktur des Cholesterins 6

7b Film 2

1.1.3 Micellen und Lipid-bilayer 8

Störung der “Wasserstruktur“ 9 Bildung eisähnlicher Käfige erhöht die freie Energie

Entstehung von Liposomen 10

1.1.4 Mobilität der Phospholipide 11 1/month 10 7 /sec, velocity: 2µm/sec Elektronen Spin Resonanz Spektroskopie: ESR Spin Marker: Nitroxyl-Gruppe: =N-O  (das ungepaarte Elektron produziert ein paramagnetisches Signal)

12

Temperatur für Phasenübergang flüssig-kristallin niedrighoch 13 Fluidität niedrig Fluidität hoch Einfluss der cis-Doppelbindung auf die Membranfluidität flüssig Gelartig oder ”kristallin“

Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 1:1 Phosphatidylcholin- Sphingomyelin 1:1:1 Phosphatidylcholin- Sphingomyelin-Cholesterin Lipid- „Rafts“ 14

15

Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Bildung von Lipidtropfen 16

1.1.7 Asymetrie der Lipidmembran 17 Phospholipid Translokatoren Plasmamembran: Flipase ER-Membran: Scramblase Rote Blutzellen: Phosphatidylcholin Sphingomyelin Glykolipide Rote Blutzellen: Phosphatidylethanolamin Phosphatidylinositol Phosphatidylserin außen innen selbstassoziierte Microaggregate

1.1.8 Glycolipide 18 N-acetylneuraminsäure Sphingomyellin

Die Zusammensetzung verschiedener Menbranen

Membraproteine Spezifischer Transport von Molekülen Katalyse membranassoziierter Reaktionen Verbindungsstrukturen mit Cytoskellet oder extrazellulärer Matrix Rezeptoren für chemische oder physikalische Signale die ins Zellinnere weitergegeben werden Proteinanteil an den Membranen: Myelin - 25% der Masse Innere Mitochondrienmembran - 75% der Masse Gewöhnliche Membran – 50% der Masse Auf ein Protein kommen 50 Lipidmoleküle

1.2.1 Verankerung der Proteine in der Membran 1.2 Membraproteine 20 Spezifischer Transport von Molekülen Katalyse membranassoziierter Reaktionen Verbindungsstrukturen mit Cytoskelett oder extrazellulärer Matrix Rezeptoren für chemische oder physikalische Signale die ins Zellinnere weitergegeben werden Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-Anker

Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Verankerung über Fettsäuren 22 Myristylsäure 14-CPalmitylsäure16-C Prenylgruppe: Farnesyl-, Geranylgeranylgruppe AS-AS-AS

Transmembran alfa - Helix 23 Alfa-Helix meist hydrophobe Aminosärenreste

Hydropathie Plot 24 Der Hydropathie-Index hängt ab von der Energie die benötigt wird oder frei wird um eine bestimmte Sequenz von AS (zum Beispiel 10 AS-Reste) einem nicht polaren Lösungsmittel in Wasser zu lösen. Index (+): Energie wird benötigt Index (-): Energie wird frei

Aquaporin 25

Beta-Faltblätter als Transmembrandomänen 26

1.2.2 Glykoproteine und Glykokalix 27 Glykoprotein

Glykokalix 28

Glykocalix besteht aus Glycolipiden, Glycoproteinen und Proteoglykanen 29

1.2.3 Bakteriorhodopsin aus Halobakterium halobium 30

Bakteriorhodopsin aus Halobakterium halobium 31

1.2.4 Diffusion der Proteine in der Memnbran 32

33 Diffusion der Proteine in der Membran Fluorescence Recovery After Photobleaching

34 Diffusion der Proteine in der Membran

1.2.5 Proteinverteilung in Membranen 35

Membranprotein-Verteilung in Spermien 36

Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2015) Proteinverteilung in Membranen 37 Aggregation Interaktion mit intrazellulären Makromolekülen Interaktion mit Proteinen benachbarter Zellen Interaktion mit extrazellulären Makromolekülen

Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2015) Erythrocytenmembran 38

Aufbau der Erythrocytenmembran 39 Spektrin, Glycophorin und Band 3-Protein 60 % der Proteinmasse. Spektrine sind dünne flexible Stäbe die etwa 100 nm lang sind. Sie machen 25% der Membranassoziierten Masse aus. Das entspricht 2,5x 10 5 Moleküle pro Zelle. Band 3 Protein besitzt 14 Transmembran Alfa-Helices. Es ist ein Dimer und es gibt 10 6 Moleküle pro Zelle. Das Protein ist ein Cl-/ HCO 3 - Austauscher das Cl- aus der Zelle heraustransportiert und dafür ein HCO 3 - hineintransportiert.

Aufbau der Erythrocytenmembran 40

1.2.7 Diffusionsbarrieren durch Cytoskelettfilamente 41

Membran biegende Proteine B) Fläche einer Hälfte vergrößern C) Steife Grüstproteine (Membran Budding) D) Lipide zu Clustern zusammenlagern. Größe der Kopfgruppe bestimmt Grad und Richtung der Krümmung. Große Kopfgruppen führen zu positiver Krümmung. Wenn z.B. Kopfgruppe entfernt wird führt das zu einer negativen Krümmung