Biologie IV: Molekularbiologie der Zelle - Cheatsheet

Mechanismen der DNA-Replikation

Definition:

DNA-Replikation: Verdopplung der DNA, zentrales Ereignis im Zellzyklus, Bildung von Tochtersträngen aus einem Mutterstrang.

Details:

• Semikonservatives Modell \rightarrow jeder Tochterstrang enthält eine ursprüngliche und eine neue DNA-Stranghälfte
• Replikationsursprung (Origin of Replication): Startpunkt, Bildung der Replikationsgabel
• Leitstrang (leading strand), Folgestrang (lagging strand) \rightarrow unterschiedliche Syntheserichtung
• Enzyme: Helicase (Entwindung der DNA), Primase (Synthese RNA-Primer), DNA-Polymerase (Synthese; Pol III Hauptenzym, Pol I Primerentfernung), Ligase (Verbindung Okazaki-Fragmente)
• Proofreading und Fehlerkorrektur durch DNA-Polymerase
• Kontinuierliche vs. diskontinuierliche Synthese \rightarrow Leitstrang kontinuierlich, Folgestrang in Okazaki-Fragmenten

Mismatch-Reparatursystem

Definition:

Fehlerkorrektursystem zur Reparatur von Fehlpaarungen in der DNA, die während der Replikation entstehen.

Details:

• Erkennt Fehlpaarungen durch veränderte DNA-Struktur.
• MutS, MutL und MutH sind wichtige Enzyme im Prozess.
• MutS bindet an Fehlpaarung, MutL verbindet MutS mit MutH, MutH schneidet den Fehlerbereich.
• Exonuklease entfernt fehlerhaften Strangbereich, DNA-Polymerase und Ligase füllen Lücke auf.
• Fehlende Reparatur führt zu erhöhten Mutationsraten, z.B. bei HNPCC (hereditäres nicht-polypöses Kolonkarzinom).

Epigenetische Regulation der Genexpression

Definition:

Steuerung der Genaktivität durch nicht-genetische Faktoren wie DNA-Methylierung, Histonmodifikationen und nicht-kodierende RNAs.

Details:

• DNA-Methylierung: Hinzufügen einer Methylgruppe an Cytosinbasen (\text{meist} \text{CpG} \text{Inseln}), hemmt Transkription.
• Histonmodifikationen: Posttranslationale Modifikationen (z.B. Acetylierung, Methylierung) der Histone beeinflussen Chromatinstruktur und Genexpression.
• Chromatin-Remodeling: Veränderungen des Chromatins durch ATP-abhängige Komplexe, beeinflusst Zugänglichkeit der DNA.
• nicht-kodierende RNAs: z.B. miRNAs und lncRNAs regulieren Genexpression auf posttranskriptionaler Ebene.

Hauptsignalwege wie MAPK und PI3K/Akt

Definition:

MAPK- und PI3K/Akt-Signalwege sind zentrale Signaltransduktionspfade, die Zellprozesse wie Wachstum, Proliferation und Überleben steuern.

Details:

• MAPK (Mitogen-aktivierte Proteinkinase): Besteht aus RAS → RAF → MEK → ERK Kaskade.
• PI3K/Akt: Involviert PI3K-Aktivierung, PIP2 zu PIP3 Umwandlung, und Aktivierung von Akt.
• Regulieren Genexpression über Transkriptionsfaktoren wie AP-1 (MAPK) und FOXO (PI3K/Akt).
• Beide Wege sind häufig in Krebs und anderen Erkrankungen fehlreguliert.
• Interagieren oft miteinander, z.B. über TSC2 und mTOR.
• Modulation dieser Wege durch Wachstumshormone, Stress und andere externe Stimuli.

Kontrollpunkte im Zellzyklus

Definition:

Mechanismen, die sicherstellen, dass der Zellzyklus korrekt und in der richtigen Reihenfolge abläuft.

Details:

• G1-Kontrollpunkt: Überprüft die Zellgröße, Nährstoffversorgung, Wachstumsfaktoren und DNA-Schäden. Übergang zu S-Phase, wenn Bedingungen erfüllt.
• G2-Kontrollpunkt: Verifiziert die DNA-Replikation und mögliche DNA-Schäden. Übergang zu Mitose, wenn Bedingungen erfüllt.
• Metaphasen-Kontrollpunkt (Spindle Checkpoint): Sicherstellung, dass alle Chromosomen korrekt an der Spindel angeheftet sind. Weiter zur Anaphase, wenn Bedingungen erfüllt.

Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen

Definition:

Cycline sind Proteine, die die Zellzyklusphase steuern; Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) sind Enzyme, die Cycline binden und aktivieren, um den Zellzyklus voranzutreiben.

Details:

• Cycline modulieren Phasen des Zellzyklus (G1, S, G2, M-Phase).
• CDKs benötigen Bindung eines Cyclins zur Aktivierung.
• Regulation durch Phosphorylierung und spezifische Inhibitoren (CKIs).
• Aktivierte CDKs phosphorylieren Zielproteine zur Promotion des Zellzyklus.

Intrinsic und extrinsic Apoptosewege

Definition:

Intrinsische und extrinsische Pfade für die Zellauslösung durch Apoptose.

Details:

• Intrinsischer Weg: wird durch intrazelluläre Stresssignale aktiviert, die zu einer Freisetzung von Cytochrom c aus den Mitochondrien führen.
• Cytochrom c bindet an Apaf-1 (Apoptose-aktivierender Faktor-1), was zur Bildung des Apoptosoms führt.
• Apoptosom aktiviert Pro-Caspase-9 zu Caspase-9, welche die Caspase-Kaskade in Gang setzt.
• Extrinsischer Weg: wird durch extrazelluläre Todesliganden wie FasL oder TNFα aktiviert, die an Todesrezeptoren (Fas/TNFR) auf der Zelloberfläche binden.
• Bindung führt zur Ausbildung des Todesinduzierenden Signalkomplexes (DISC), der Pro-Caspase-8 aktiviert.
• Caspase-8 aktiviert dann entweder direkt Caspase-3 oder die mitochondriale (intrinsische) Apoptose durch Bid.
• Beide Wege konvergieren auf die Aktivierung von Effektor-Caspasen (wie Caspase-3), die die zelluläre Demontage einleiten.

Bcl-2-Familie von Proteinen

Definition:

Reguliert den programmierten Zelltod (Apoptose) durch Kontrolle der mitochondrialen Membranpermeabilität.

Details:

• Drei Hauptgruppen: Anti-apoptotische, pro-apoptotische Effektorproteine und pro-apoptotische BH3-Only Proteine.
• Anti-apoptotische Proteine (z.B. Bcl-2, Bcl-xL) inhibieren die Freisetzung von Cytochrom c.
• Pro-apoptotische Effektorproteine (z.B. Bax, Bak) fördern die Freisetzung von Cytochrom c.
• BH3-Only Proteine (z.B. Bid, Bim) aktivieren pro-apoptotische Effektorproteine oder inaktivieren anti-apoptotische Proteine.
• Gegenseitige Interaktionen bestimmen das Zellschicksal durch Gleichgewicht der apoptotischen Signale.
• Modulation dieser Proteine kann zur Krebsbehandlung oder Verringerung von Zellschäden genutzt werden.