Programmierter Zelltod, glattes ER,

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1 Programmierter Zelltod, glattes ER,
Prof. Dr. Pál Röhlich ÁOK 2012/ I. Semester: Grundlagen der Zellbiologie, 8. Okt

2 Zwei Formen des programmierten Zelltodes:
Programmierter Zelltod Zwei Seiten der Körpergestaltung: Zellvermehrung und programmierter Zelltod. Gleichgewicht zwischen Zellvermehrung und Zelltod (Zell-Homeostase), Ausschaltung von verälteten, überflüssigen oder beschädigten Zellen aus der Zellpopulation. Gezielte Anpassung der Körperteile an Funktionsänderungen (z.B. Brustdrüse: Hypertrophie und Abbau). Eliminierung von Strukturen während der Embyonalentwicklung. Selbstmordprogramm ist in jede Zelle eingebaut, das auf intra- oder extracelluläre Signale aktiviert wird: die Zelle begeht Selbstmord. Zwei Formen des programmierten Zelltodes: Apoptose (kommt am häufigsten vor) Autophagie (siehe Endocytose)

3 Apoptose    Mikroskopisches Bild
Die Zelle schrumpft, rundet sich ab, die Oberfläche wird gelappt, die Lappen lösen sich ab und zerfallen in kleinere Stücke (apoptotische Körperchen). Chromatin des Zellkerns gliedert sich in hellere und kompakte Teile (letztere oft halbmondartig unter der Kernhülle), der Kern schrumpft und zerfällt (Pyknose, Karyorhexis). Membranen bleiben intakt. Die molekulare Struktur der Zelloberfläche ist geändert, Makrophagen erkennen die geänderte Oberfläche, phagozytieren rasch die apoptotischen Zellen oder Körperchen und bauen sie mit Hilfe von lysosomalen Enzymen ab. Die abgestorbene Zelle verschwindet sauber und schnell, ohne Spuren.  Apoptotische Zellen, LM Aufnahme. Makrophag mit phagozytierten apoptotischen Zellen und Körperchen. Lympknoten, lichtmikroskopische Aufnahme.   Apoptotische Zelle, EM Bild

4 Biochemischer und cytochemischer Nachweis
Im Laufe der Apoptose ist DNA durch das Enzym Endonuklease in kleine Stücke zerschnitten Die DNA-Fragmente (die verschiede Zahlen der Nukleosomen enthalten) können nachgewiesen werden durch: Gel-Elektrophorese (regelmäßige Bänder entsprechend den verschieden großen DNS-Fragmenten: „DNA-Leiter”). TUNEL-Reaktion. An die freien Enden der DNA-Fragmente können mit Hilfe eines Enzyms Fluorochrom-markierte Nukleotide angeheftet werden. Im Fluoreszenzmikroskop sind diese gut sichtbar.  Während der Apoptose werden die negativgeladenen Phospholipidmoleküle (Phosphatidylserin) von der inneren Schicht der Phospholipiddoppelschicht in die äußere Schicht umgelagert. Diese Moleküle an der Zelloberfläche können mit einem fluorochrommarkierten Proteinmolekül (Annexin V) nachgewiesen werden.. Apoptotische Zellen in einer sich entwickelnden Mauspfote: TUNEL-Reaktion. apoptotische Zelle Grün: Annexin, rot: Mitochondrien, blau: DNS

5 Im Mittelpunkt: die Caspasen. . Wie ist Apoptose in Gang gesetzt?
Molekulare Grundlagen der Apoptose Im Mittelpunkt: die Caspasen. . Proteolytische Enzyme. Inaktiver Zustand: Pro-Caspase. Aktivierung durch Abspaltung eines Teils des Moleküls. Die aktivierten Caspasen spalten und aktivieren dabei weitere Caspasen: proteolytische Kaskade (selbstverstärkend und unumwendbar). Initiator Caspasen (Caspasen 2, 8, 9, 10) sind am Anfang der Kaskade. „Exekutierende” Caspasen (Caspasen 3, 6, 7) übermitteln das Signal weiter und bauen die Zelle ab. Zielpunkte der exekutierenden Caspasen: Lamine in der Kernlamina (die Kernhülle zerfällt), Zelladhäsionsproteine und cytoskeletale Proteine (die Zelle rundet sich ab), Hemmungsprotein des Enzyms Endonuklease (Endonuklease wird dadurch aktiviert und fragmentiert die DNS), Gewebstransglutaminase wird aktiviert und bildet kovalente Bindungen zwischen Aminosäuren Lysin und Glutamin (Isopeptidbindung), wodurch die Proteine in eine funktionsunfähige Masse zusammengebunden werden, … Wie ist Apoptose in Gang gesetzt? 1. Externe Signale. Apoptose-induzierende Signale (z.B. Fas-Ligand), binden an Receptoren (death receptors), die zur Aktivierung der Caspase-Kaskade führen. Mangel an Überlebensfaktoren (z.B. Wachstumsfaktoren) Entwicklungssignale 

6 Wie ist Cytochrom C Ausströmung von Mitochondrien geregelt?
2. Interne Signale von Mitochondrien. Cytochrom C wird von Mitochondrien ins Cytosol freigesetzt, wo es an ein Adapterprotein bindet. Nach Oligomerisierung sammelt dieser Komplex Caspase 9 Moleküle ein und aktiviert sie. Caspase 9 (Initiator) setzt die Caspase-Kaskade in Gang. Wie ist Cytochrom C Ausströmung von Mitochondrien geregelt? Bcl2 Proteinfamilie. Einige Proteine dieser Familie (Bak, Bax) fördern die Apoptose. Sie aggregieren in der äusseren Mitochondrienmembran und bilden Kanäle, wodurch Cytochrom C (und andere lösbare Proteine) vom Mitochondrium ausströmen. Andere (anti-apoptotische) Bcl2 Proteine hemmen die Apoptose durch Blockierung der Bak und Bax Proteine. Weitere Bcl2 Proteine wirken gegen die anti-apoptotischen Bcl2 Proteine und fördern die Apoptose. Diese Proteine bilden den Knotenpunkt, wohin verschiedene apoptotische Signale eintreffen (p53 Tumorsuppressor erkennt DNS Schädigungen, Mangel an Sauerstoff, Nährstoffe und Überlebensfaktoren). Überlebensfaktoren. Soziale Kontrolle des Organismus hält Zellen im Leben oder sendet ihnen Todesbefehle. (nur diejenigen Zellen bleiben im Leben, die für den Organismus nützlich sind). Die Überlebensfaktoren wirken an die Zellen durch verschiedene Membranreceptoren und angeschlossene Signalübertragungswege (z.B. aktivieren ein Bcl2 Gen, oder entfernen ein Hemmungsprotein von Bcl2).

7 Exekutierende Caspasen
Mangel an Überlebensfaktoren, und interne Signale (DNS-Schädigung, Sauerstoffmangel, usw.) Externe Signale („Todesbefehle”) Ausströmung von Proteinen aus Mitochondrien, geregelt durch die Bcl2 Proteinfamilie Adapterproteine Initiator-Caspasen Exekutierende Caspasen Lamine Transglutaminase Cytoskeletale und Adhäsionsproteine Endonuklease

8 Wegbleiben der Apoptose führt zur
Bedeutung der Apoptose: In der Embryonalentwicklung: Modellierung der Organe (Ausbildung des Blastocoels, Trennung der Finger, Ausbildung der Gelenkspalte, Abbau des größten Teils der Urniere, Rückbildung von Wolff- und Müller-Gang im anderen Geschlecht), Anzahl sich entwickelnder Nervenzellen sind ihrer Zielzellen angepaßt (Ausschaltung überfüßiger Nervenzellen). Trennung der Finger in einer Mauspfote  Im erwachsenen Organismus: Ausschaltung überflüßiger Spermiogonien und Oogonien, Entfernung autoreaktiver T Lymphocyten (Autoimmunität!), Suizid der B-Lymphocyten ohne Antigen, Transformation der Talgdrüsenzellen in Sekret, Rückbildung hormonabhängiger Drüsenzellen in Abwesenheit des Hormons (Rückbildung der Brustdrüse nach der Laktationsperiode, Prostataepithel, ovariale Follikel, usw.), Verhornung der Epithelzellen im Epidermis …  In pathologischen Zuständen: Tod der Nervenzellen in neurodegenerativen Krankheiten, Zerstörung der Krebszellen während der Chemotherapie, Absterben der Herzmuskelzellen in der Umgebung des Infarktes Wegbleiben der Apoptose führt zur Ausbildung von Tumoren (wegen Wegbleiben der Abtötung DNA-geschädigter Zellen), Autoimmunität (wegen Überleben autoreaktiver Lymphocyten), Entwicklungsfehler (wegen der Störung der normalen Modellierung der Organe)

9  Necrose Apoptose  Zerfall der Zelle, kein Selbstmordprogramm
Die Zelle ist stark beschädigt durch äußere Einwirkungen (Sauerstoffmangel, physikalische, chemische Schädigungen). Die Zelle quellt stark an und „explodiert” Ruptur der Membranen Das Cytoplasma mit den Zellorganellen fließt aus. Weiße Blutzellen sind angelockt (Entzündungsreaktion) in der Umgebung. Apoptose Selbstmordprogramm. Die Zelle schrumpft, Chromatinstruktur verändert sich, Cytoplasma und Zellkern sind zerkleinert, (apoptotische Körperchen), Proteine sind quervernetzt. Erkennung, Aufnahme und Verdauung durch Phagocyten. Die Zelle verschwindet schnell und spurlos.  EM Bilder

10 Differenzierung Spezialisierung der Zellen in Struktur und Funktion, damit sie fähig sind bestimmte komplexe Aufgaben zu erfüllen. Erscheinung von neuen Proteinen und ihre Wechselwirkung. Die Zellen ändern ihre Form und innere Struktur. Beispiele: Nervenzelle, quergestreifte Muskelfaser. Ein-und Ausschaltung bestimmter Gene, Genregulation. Oft ein mehrstufiger Prozess („master” Gene, deren Produkte weitere Gene aktivieren, Kaskade, z.B. myoD). Induziert oft von anderen Zellen des Organismus (Signalmoleküle: Differenzierungsfaktoren, Wachstumsfaktoren, die an Receptoren der Zelle binden und deren Information durch einen intracellulären Signaltransduktionsweg den Zellkern erreicht und dort Gene reguliert). Ein einziges Genregulatorprotein kann die Entwicklung eines ganzen Organs auslösen (z.B. Augenentwicklung bei Drosophila oder bei Säugertieren, Ey bzw. pax-6 als Gene für Genregulationsproteine, siehe Embryologie). Entwicklungsfähigkeiten (Potenzen) sind während der Differenzierung eingeschrenkt. Omnipotente, pluripotente, multipotente und unipotente Zellen während der Entwicklung. Dedifferenzierung, Transdifferenzierung. Zellteilung und Differenzierung: 1. Bestimmte differenzierte Zelltypen (z.B. Leber-, Nierenzellen) können sich zum Ersatz abgestorbener Zellen teilen, sie bewahren dabei ihre differenzierten Merkmale. 2. Manche Zelltypen sind aber so stark differenziert (Enddifferenzierung oder Terminaldifferenzierung), daß sie ihre Teilungsfähigkeit völlig verlieren. Solche Zellen werden von gewebsspezifischen Stammzellen durch Teilung und Neudifferenzierung ersetzt (z.B. Blutzellen, Hautepithelzellen) oder sie werden gar nicht ersetzt (Nervenzellen, Herzmuskelzellen). Differenzierte Zellen befinden sich in der G0 Phase des Zellzyklus (mit Ausnahme von teilenden Zellen).

11 Stammzellen wenig differenzierte, pluripotente Zellen (mit mehreren möglichen Differenzierungswegen) Eigenschaften: Teilen sich selten (Teilungsrate niedrig) Ihre Teilungsfähigkeit ist nicht begrenzt (Selbsterneuerung, unausschöpfbare Reserve), Pluripotente Zellen (Differenzierung in mehreren Richtungen möglich) Asymmetrische Teilungen (die eine Tochterzelle bleibt Stammzelle, die andere Tochterzelle bildet eine sich rasch vermehrende und dann differenzierende Zellpopulation). Embryonale Stammzellen (ESC): Zellen eines frühen menschlichen Keimes, die in Zellkultur gehalten werden können (bei überzähligen Embryonen im Rahmen einer in vitro Befruchtung). Durch verschiedene Wirkstoffe können die Zellen in bestimmte Differenzierungsrichtungen gezwungen werden. Hoffnungen für Ersatz abgestorbener Zellen bei degenerativen Krankheiten. Ethische Probleme. Adulte Stammzellen. Stammzellen in verschiedenen Geweben, die in undifferenziertem Zustand in „Gewebsnichen” geblieben sind. Durch spezifische Einwirkungen können sie sich in Gewebekultur vermehren und zur Differenzierung gefördert werden. Ausser gewebsspezifischer Differenzierung können sie sich zu anderen Gewebstypen differenzieren, z.B. Stammzellen aus dem Knochenmark können retinale oder Herzmuskelzellen bilden. Zwischenlösung: Zellkern gewonnen von einer adulten Gewebszelle wird in eine kernlose Eizelle transplantiert. Zellen des resultierenden Keimes können als embryonale Stammzellen verwendet werden. Vorteile.

12 Stammzellen und Differenzierung
Vermehrung der Stammzellen mit symmetrischen Teilungen asymmetrische Teilung Stammzelllinie (Vorrat) Progenitorzelle (verpflichtet) Vermehrung der Zellen mit einander- folgenden Teilungen („transit-amplifying cells”) Nachschub der Stammzellen Enddifferenzierung (keine Teilungen) terminaldifferenzierte Zellen 

13 Glattes endoplasmatisches Reticulum (sER)
3D System von Tubuli und Cisternen. Die große intracytoplasmatische Membranoberfläche gibt die Möglichkeit zum Unterbringen von verschiedenen membrangebundenen Enzymen (und/oder Transportmolekülen).   Ausschnitt aus einer retinalen Pigmentepithelzelle. Feine Tubuli des glatten ERs bilden ein verzweigtes System. EM Bild. Ausschnitt aus einer Luteinzelle. Dichtes Netz aus Cisternen des glatten ERs. EM Bild.

14 Struktureller Zusammenhang zwischen glattem und rauhem ER
Das glatte ER ist oft im rauhen ER fortgesetzt. Bedeutung in der Neubildung von Membranen. Das Bild stammt aus einer Steroidhormon-synthetisierenden Zelle. glattes ER rER EM Aufnahme Kern 

15 Funktionen I. Allgemeine Funktion.
Lipidsynthese. Enzyme für die Synthese von Phospholipiden, Cholesterin, neutralen Fetten (Triacylglycerine) befinden sich in der Membran des glatten ERs. Auch die Lipiddoppelschicht der Membranen kommt hier zustande. II. Spezielle Funktionen in bestimmten Zellarten. Glukose-6-Phosphatase ist im glatten ER lokalisiert. Dieses Enzym spaltet die Phosphatgruppe von Glc-6-P ab. Glukose kann von der Zelle austreten (Leberzelle). Ca-Speicherung. Ca-ATPase pumpt Ca vom Cytosol in das Innere des glatten ERs ein, Ca-bindende Proteine (z.B. Calsequestrin) binden Ca mit schwachen Bindungen im Lumen des ERs. Auf bestimmte Signale setzen ligandgeregelte Ca-Kanäle Ca-Ionen ins Cytosol frei. Ca-Ionen spielen wichtige Rolle in Signalübertragungsmechanismen! Spezialisiertes glattes ER in der quergestreiften Muskelfaser: sarkoplasmatisches Reticulum (wichtige Regelrolle bei der Muskelkontraktion). Retinal-Reisomerisierung. Das Retinalmolekül des Photoreceptorproteins wird im glatten ER des retinalen Pigmentepithels von der trans-Isomerform in die cis-Form reisomerisiert (Regeneration des Photoreceptormoleküls). Das Enzym dafür ist in der Membran des ERs lokalisiert und heißt Isomerohydrolase, p65. Synthese und Modifizierungen der Steroidhormone (p450 Monooxygenasen). In Zellen der Nebennierenrinde, in Leydig-Zellen des Hodens, in Gelbkörperzellen des Ovars. Entgiftung. Hydrophobe Verbindungen (die in Fetten und Lipiden akkumulieren, z.B. Xenobiotika, Phenobarbital) sind durch Enzyme (p450 Monooxigenasen) mit Ankopplung von polaren Gruppen (OH-Gruppen, Glukuronsäure, usw.) in hydrophile Substanzen umgewandelt. Diese können dann vom Organismus durch Ausscheidung entfernt weden. Typische Stelle: Leberzelle.

16 Kapiteln in den Lehrbüchern: Quellen der verwendeten Illustrationen:
Lüllman-Rauch: Histologie, 2. Auflage, Kapitel 6.4, 5.1.3 Lehrbuch der molekularen Zellbiologie, 3. Auflage, Kapitel 18.3, 15.3 Quellen der verwendeten Illustrationen:  Röhlich: Szövettan, 3. Auflage, Semmelweis Verlag, Budapest  Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. Auflage, Garland Science  Röhlich: eigene Präparate und/oder Aufnahmen bzw. Zeichnungen  Lehrbuch der molekularen Zellbiologie, 3. Auflage, Wiley-VCH