Biologie / Zellbiologie - Exam

Aufgabe 1)

Die Zellmembran ist eine semipermeable Biomembran, die die Zelle umgibt. Sie besteht aus einer Doppellipidschicht mit eingelagerten Proteinen. Die Basisstruktur besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, deren hydrophile Köpfe nach außen und die hydrophoben Schwänze nach innen zeigen. Cholesterin stabilisiert die Membran. Integrale Proteine durchspannen die Membran, während periphere Proteine an der Oberfläche zu finden sind. Zu den Hauptfunktionen der Zellmembran gehören die Abgrenzung der Zelle, der Stofftransport, die Signalweiterleitung sowie die selektive Permeabilität, bei der nur bestimmte Moleküle die Membran passieren können. Es gibt verschiedene Transportmechanismen wie Diffusion, erleichterte Diffusion und aktiver Transport. Die Oberflächenstruktur tierischer Zellen wird auch als Glykokalyx bezeichnet und spielt eine wichtige Rolle in der Zell-Zell-Kommunikation durch Rezeptorproteine.

a)

Beschreibe die Rolle von Cholesterin in der Zellmembran und erkläre, wie es die Membranstruktur und -funktion beeinflusst. Nutze spezifische biologische Mechanismen, um Deine Antwort zu untermauern.

Lösung:

Cholesterin spielt eine essentielle Rolle in der Struktur und Funktion der Zellmembran. Hier sind einige wichtige Punkte, wie Cholesterin die Membran beeinflusst:

• Stabilisierung der Membran: Cholesterin fügt sich zwischen die Phospholipide der Zellmembran ein und erhöht so die Dichte der Lipidschicht. Dadurch wird die Membran stabiler und flexibler.
• Flüssigkeitsregulation: Cholesterin reguliert die Fluidität der Zellmembran. Es verhindert, dass die Membran bei niedrigen Temperaturen zu starr wird und bei hohen Temperaturen zu flüssig. Dies wird erreicht, indem Cholesterin die Beweglichkeit der Phospholipidmoleküle begrenzt.
• Bildung von Lipid-Rafts: Cholesterin ist ein wesentlicher Bestandteil der sogenannten Lipid-Rafts, die spezialisierte Mikrodomänen innerhalb der Membran darstellen. Diese Lipid-Rafts sind reich an Cholesterin und bestimmten Proteinen und spielen eine wichtige Rolle bei der Signalweiterleitung sowie bei der Organisation der Membran.
• Selektive Permeabilität: Durch die Einlagerung von Cholesterin in die Membran wird die Durchlässigkeit für kleine wasserlösliche Moleküle und Ionen verringert. Dies trägt zur selektiven Permeabilität der Membran bei und ermöglicht eine streng kontrollierte Umgebung innerhalb der Zelle.

Im Zusammenspiel all dieser Faktoren trägt Cholesterin wesentlich zur Aufrechterhaltung einer funktionalen und dynamischen Zellmembran bei.

b)

Erkläre die Transportmechanismen, die durch die Zellmembran möglich sind, und vergiss nicht, die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien wie Diffusion und osmotischen Druck mit mathematischen Formeln darzustellen. Diskutiere zumindest einen Mechanismus im Detail und führe eine Beispielrechnung für einen Konzentrationsgradienten durch.

Lösung:

Die Zellmembran ermöglicht verschiedene Transportmechanismen, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren. Hier sind die wichtigsten Mechanismen:

• Diffusion: Dies ist der passive Transport von Molekülen von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedrigerer Konzentration, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Die Diffusionsrate kann durch das Fick'sche Gesetz beschrieben werden:

\[ \frac{dQ}{dt} = -D \frac{dC}{dx} \]

• \(\frac{dQ}{dt}\): Stoffmenge pro Zeiteinheit
• \(D\): Diffusionskoeffizient
• \(\frac{dC}{dx}\): Konzentrationsgradient

Ein Beispiel: Wenn die Konzentration von Sauerstoff außerhalb der Zelle 0,4 mM und innerhalb der Zelle 0,1 mM beträgt und der Diffusionskoeffizient 2 x 10⁻⁵ cm²/s ist, kann man die Diffusionsrate berechnen:

\[ \frac{dQ}{dt} = - (2 \times 10^{-5} \text{ cm}^2/s) \times \frac{0,4 \text{ mM} - 0,1 \text{ mM}}{dx} \]

• Erleichterte Diffusion: Bei dieser Form des Transports erfolgt die Diffusion von Molekülen durch Transportproteine in der Zellmembran, ohne dass Energie benötigt wird. Die Geschwindigkeit der erleichterten Diffusion kann durch die Michaelis-Menten-Gleichung beschrieben werden:

\[ v = \frac{V_{\text{max}} [S]}{K_m + [S]} \]

• \(v\): Transportgeschwindigkeit
• \(V_{\text{max}}\): maximale Geschwindigkeit
• \([S]\): Substratkonzentration
• \(K_m\): Michaelis-Menten-Konstante

• Aktiver Transport: Hierbei bewegen sich Moleküle gegen ihren Konzentrationsgradienten durch die Zellmembran, wobei Energie in Form von ATP verbraucht wird. Ein Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe, die durch ATP-Hydrolyse angetrieben wird:

\[ \text{Na}^+-\text{K}^+-\text{ATPase}: 3\ \text{Na}^+ \ \text{aus der Zelle} \ \text{gegen} \ 2\ \text{K}^+ \ \text{in die Zelle}\]

• Osmose: Dies ist die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran von einem Bereich niedriger Konzentration an gelösten Stoffen zu einem Bereich hoher Konzentration. Der osmotische Druck kann durch die Van't Hoff'sche Gleichung beschrieben werden:

\[ \pi = iCRT \]

• \(\pi\): osmotischer Druck
• \(i\): Van't Hoff-Faktor
• \(C\): Konzentration der Lösung
• \(R\): allgemeine Gaskonstante
• \(T\): Temperatur

Ein detaillierter betrachteter Mechanismus ist die erleichterte Diffusion:

Betrachten wir eine erleichterte Diffusion von Glukose durch eine Zellmembran. Angenommen, die maximale Transportgeschwindigkeit (V_max) beträgt 1,5 µmol/min und die Michaelis-Konstante (K_m) liegt bei 0,05 mM. Wenn die Substratkonzentration [S] 0,1 mM beträgt, kann die Transportgeschwindigkeit (v) folgendermaßen berechnet werden:

\[ v = \frac{V_{\text{max}} [S]}{K_m + [S]} \]

\[ v = \frac{1,5\,\text{µmol/min} \times 0,1\,\text{mM}}{0,05\,\text{mM} + 0,1\,\text{mM}} \]

\[ v = \frac{0,15\,\text{µmol/min}}{0,15\,\text{mM}} = 1\,\text{µmol/min} \]

Die Transportgeschwindigkeit (v) beträgt daher 1 µmol/min. Diese detaillierte Berechnung illustriert, wie die erleichterte Diffusion quantitativ beschrieben werden kann.

c)

Beschreibe die Struktur und Funktion der Glykokalyx bei tierischen Zellen. Welche Rolle spielt diese in der Zell-Zell-Kommunikation? Füge Beispiele für Rezeptorproteine hinzu, die an dieser Kommunikation beteiligt sind, und erkläre deren Wirkungsweise.

Lösung:

Die Glykokalyx ist eine umfangreiche, komplexe Struktur auf der Außenseite der Zellmembran tierischer Zellen. Sie besteht hauptsächlich aus Glykolipiden und Glykoproteinen, die kovalent an die Lipid- und Proteinbestandteile der Zellmembran gebunden sind. Die Glykokalyx spielt eine wichtige Rolle in verschiedenen zellulären Prozessen:

• Schutz und Barriere: Die Glykokalyx schützt die Zelloberfläche vor mechanischen Schäden und chemischen Angriffen. Sie bildet eine physikalische Barriere gegen pathogene Mikroorganismen und toxische Substanzen.
• Zell-Zell-Erkennung: Glykoproteine und Glykolipide auf der Zelloberfläche fungieren als Erkennungsstellen für andere Zellen. Diese Moleküle ermöglichen spezifische Zell-Zell-Interaktionen, die für die Gewebeformation und die Immunantwort wichtig sind.
• Adhäsion: Die Glykokalyx unterstützt die Zelladhäsion durch die Bereitstellung von Bindungsstellen für Zelladhäsionsmoleküle (CAMs), die Interaktionen zwischen Zellen und ihrer extrazellulären Matrix vermitteln.

Ein entscheidender Aspekt der Glykokalyx ist ihre Rolle in der Zell-Zell-Kommunikation. Rezeptorproteine, die in der Glykokalyx verankert sind, erkennen und binden spezifische Liganden, was zu einer Signalweiterleitung innerhalb der Zelle führt. Hier sind einige Beispiele für Rezeptorproteine und ihre Wirkungsweise:

• Integrine: Diese Rezeptoren interagieren mit der extrazellulären Matrix und anderen Zellen, um Zelladhäsion und Signaltransduktion zu vermitteln. Durch ihre Wechselwirkung mit Liganden wie Fibronectin und Laminin spielen Integrine eine Schlüsselrolle in der Zellbewegung, Differenzierung und Überlebenssignalen.
• Selektine: Selektine sind wichtig für die Zell-Zell-Erkennung und das Einfangen von Leukozyten an Entzündungs- oder Verletzungsstellen. E-Selektin auf Endothelzellen bindet beispielsweise an spezifische Kohlenhydrate auf Leukozyten und initiiert deren Einwanderung in das betroffene Gewebe.
• G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs): Diese Rezeptoren binden Hormone, Neurotransmitter und andere Signalmoleküle, um intrazelluläre Signalwege zu aktivieren. Ein Beispiel ist der Adrenalinrezeptor, der durch Bindung von Adrenalin eine Kaskade von Reaktionen auslöst, die zur Mobilisierung von Energie und einer schnellen Reaktion auf Stress führen.

Insgesamt ist die Glykokalyx von zentraler Bedeutung für die Zellkommunikation und die Aufrechterhaltung der Zellhomöostase. Sie ermöglicht es den Zellen, auf externe Signale zu reagieren, sich an veränderte Bedingungen anzupassen und miteinander zu interagieren.

Aufgabe 2)

Signaltransduktionswege wie cAMP und MAPKSignaltransduktionswege wie cAMP und MAPK sind zentrale Kommunikationsmechanismen in Zellen, die helfen, Signale von der Zelloberfläche ins Zellinnere weiterzuleiten.

• cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat): Sekundärer Botenstoff, aktiviert Proteinkinase A (PKA).
• MAPK (Mitogen-aktivierte Proteinkinase): Kaskade von Kinaseaktivierungen, endet bei der Aktivierung von Transkriptionsfaktoren.
• Wichtige Schritte im cAMP-Weg: Hormon bindet an G-Protein-gekoppelten Rezeptor, Aktivierung von Adenylylcyclase, cAMP-Produktion, Aktivierung von PKA.
• Wichtige Schritte im MAPK-Weg: Wachstumsfaktor bindet an Rezeptor, Rezeptor-Tyrosinkinase-Aktivierung, Aktivierung von RAS, RAF, MEK, und schließlich ERK.
• cAMP Formel: \[ \text{ATP} \rightarrow[\text{Adenylylcyclase}] \text{cAMP} + \text{PPi} \]
• MAPK Kaskade: \[ \text{RAS} \rightarrow \text{RAF} \rightarrow \text{MEK} \rightarrow \text{ERK} \]

a)

Beschreibe detailliert die Schritte der cAMP-Signaltransduktionskaskade. Erkläre insbesondere die Rolle der Adenylylcyclase und der Proteinkinase A (PKA).

Lösung:

Die Schritte der cAMP-Signaltransduktionskaskade

Im Folgenden werden die Schritte der cAMP-Signaltransduktionskaskade detailliert beschrieben, einschließlich der Rolle der Adenylylcyclase und der Proteinkinase A (PKA).

• Schritt 1: HormonbindungEin extrazelluläres Hormon bindet an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) auf der Zelloberfläche.
• Schritt 2: Aktivierung des G-ProteinsDiese Bindung führt zu einer Konformationsänderung im Rezeptor, wodurch ein G-Protein aktiviert wird, das an den Rezeptor gebunden ist. Das G-Protein tauscht GDP gegen GTP aus, wobei die alpha-Untereinheit des G-Proteins aktiviert wird.
• Schritt 3: Aktivierung der AdenylylcyclaseDie aktivierte alpha-Untereinheit des G-Proteins bindet und aktiviert dadurch die Adenylylcyclase, ein membranständiges Enzym.
• Schritt 4: Produktion von cAMPDie aktivierte Adenylylcyclase katalysiert die Umwandlung von ATP zu zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP), einem sekundären Botenstoff.
• Schritt 5: Aktivierung von Proteinkinase A (PKA)cAMP bindet an die regulatorischen Untereinheiten der Proteinkinase A (PKA), wodurch die katalytischen Untereinheiten freigesetzt und aktiviert werden. Die aktivierte PKA kann dann in den Zellkern wandern und dort verschiedene Proteine phosphorylieren, einschließlich Transkriptionsfaktoren, die die Genexpression verändern.

Rolle der Adenylylcyclase und der Proteinkinase A (PKA)

• Adenylylcyclase: Dieses Enzym spielt eine zentrale Rolle in der cAMP-Signaltransduktionskaskade, indem es ATP in cAMP umwandelt. Es wird durch das aktivierte G-Protein reguliert und stellt sicher, dass genügend cAMP produziert wird, um die nächsten Schritte der Signaltransduktion zu ermöglichen.
• Proteinkinase A (PKA): PKA ist ein wichtiges Enzym, das durch cAMP aktiviert wird. Nach der Aktivierung phosphoryliert PKA eine Vielzahl von Zielproteinen, was zu vielen zellulären Reaktionen führt. Diese Reaktionen können Änderungen in der Genexpression, Enzymaktivität und zellulären Funktionen umfassen.

Zusammenfassend sind die Adenylylcyclase und die Proteinkinase A (PKA) entscheidend für die cAMP-Signaltransduktionskaskade, da sie die Umwandlung und Weiterleitung von Signalen vom Zelloberflächenrezeptor zu den inneren zellulären Prozessen steuern.

b)

Erläutere den MAPK-Signalweg und beschreibe die Funktion der jeweiligen Kinasen (RAS, RAF, MEK, ERK) in der Kaskade. Wie trägt dieser Weg zur Genregulation bei?

Lösung:

Der MAPK-Signalweg

Der MAPK-Signalweg (Mitogen-aktivierte Proteinkinase) ist ein komplexes Netzwerk, das Signale von der Zelloberfläche ins Zellinnere überträgt. Die entscheidenden Schritte und Kinasen in dieser Kaskade sind RAS, RAF, MEK und ERK. Dieser Weg trägt entscheidend zur Genregulation bei.

• Schritt 1: Bindung des WachstumsfaktorsEin Wachstumsfaktor bindet an einen Rezeptor-Tyrosinkinase (RTK) auf der Zelloberfläche. Dieser Rezeptor wird dadurch aktiviert und autophosphoryliert sich selbst an spezifischen Tyrosinresten.
• Schritt 2: Aktivierung von RASDie phosphorylierten Tyrosinreste des RTK dienen als Dockingstellen für Adapterproteine und GEFs (Guanine-Nucleotide Exchange Factors), die RAS aktivieren. RAS ist ein kleines G-Protein, das GDP gegen GTP austauscht und so aktiviert wird.
• Schritt 3: Aktivierung von RAFDie aktivierte RAS-GTP-Komplex interagiert mit und aktiviert RAF, eine Serin/Threonin-Proteinkinase.
• Schritt 4: Aktivierung von MEKRAF phosphoryliert und aktiviert MEK. MEK ist eine duale Spezifität Kinase, die sowohl Serin/Threonin- als auch Tyrosin-Reste phosphorylieren kann.
• Schritt 5: Aktivierung von ERKMEK phosphoryliert und aktiviert schließlich ERK, eine weitere Serin/Threonin-Proteinkinase. ERK kann in den Zellkern translozieren und dort Transkriptionsfaktoren oder direkt die DNA beeinflussen.

Funktion der Kinasen in der MAPK-Kaskade

• RAS: Ein kleines G-Protein, das als molekularer Schalter fungiert und die Aktivierung von RAF initiiert. Es spielt eine zentrale Rolle bei der Übertragung von Signalen vom RTK zur MAPK-Kaskade.
• RAF: Eine Serin/Threonin-Kinase, die durch RAS aktiviert wird und die Kaskade weiterleitet, indem es MEK phosphoryliert und aktiviert.
• MEK: Eine dualen Spezifität Kinase, die sowohl Serin/Threonin- als auch Tyrosin-Reste phosphorylieren kann. Es vermittelt die Signalweiterleitung, indem es ERK aktiviert.
• ERK: Eine Serin/Threonin-Kinase, die durch MEK aktiviert wird. ERK kann in den Zellkern wandern und dort eine Vielzahl von Anwendungen haben, einschließlich der Phosphorylierung von Transkriptionsfaktoren, die die Genexpression regulieren.

Beitrag des MAPK-Wegs zur Genregulation

Der MAPK-Weg trägt wesentlich zur Genregulation bei, indem er die Aktivierung und Translokation von ERK in den Zellkern steuert. Dort kann ERK spezifische Transkriptionsfaktoren phosphorylieren, die entweder die Expression bestimmter Gene aktivieren oder hemmen. Diese Genprodukte können die Zellproliferation, Differenzierung, Überleben und andere grundlegende zelluläre Prozesse beeinflussen. Somit spielt der MAPK-Signalweg eine entscheidende Rolle bei der Anpassung der Zelle an äußere Stimuli und bei der Regulierung von wichtigen Zellfunktionen.

c)

Berechne die theoretische Menge an cAMP, die aus 10 mM ATP in einem gegebenen Reaktionsvolumen von 1 L durch die Aktivität der Adenylylcyclase produziert wird. Gehe dabei davon aus, dass die Reaktion vollständig abläuft und keine anderen Reaktionswege das ATP verbrauchen. Der Umwandlungsschritt lautet: \[ \text{ATP} \rightarrow[\text{Adenylylcyclase}] \text{cAMP} + \text{PPi} \]

Lösung:

Theoretische Berechnung der cAMP-Produktion

Um die theoretische Menge an cAMP zu berechnen, die aus 10 mM ATP in einem Reaktionsvolumen von 1 Liter durch die Aktivität der Adenylylcyclase produziert wird, gehen wir wie folgt vor:

Gegebene Informationen

• Konzentration von ATP: 10 mM (Millimol pro Liter)
• Reaktionsvolumen: 1 Liter

Reaktionsgleichung

Der Umwandlungsschritt lautet:

\[ \text{ATP} \rightarrow[\text{Adenylylcyclase}] \text{cAMP} + \text{PPi} \]

Berechnungsschritte

• Da die Reaktion vollständig abläuft und kein ATP für andere Reaktionswege verbraucht wird, entspricht 1 mol ATP 1 mol cAMP.
• Die ATP-Konzentration beträgt 10 mM, was 10 Millimol pro Liter entspricht.
• Da das Reaktionsvolumen 1 Liter beträgt, ist die Anzahl der Mol cAMP die gleiche wie die Anzahl der Mol ATP.
• 10 mM = 10 Millimol in 1 Liter bedeutet, dass 10 Millimol ATP in 10 Millimol cAMP umgewandelt werden.

Ergebnis

Die theoretische Menge an cAMP, die aus 10 mM ATP in einem Reaktionsvolumen von 1 Liter produziert wird, beträgt 10 Millimol.

Formel:

\[ 10 \text{ mM ATP} \rightarrow 10 \text{ mM cAMP} \text{ in 1 Liter } (10 \text{ Millimol}) \]

Aufgabe 3)

Regulation der Genexpression durch Promotoren und Enhancer.

• Promotor: DNA-Sequenz vor dem Gen, bindet RNA-Polymerase, startet Transkription.
• Enhancer: DNA-Sequenz, weit entfernt vom Gen, bindet Transkriptionsfaktoren, erhöht Transkriptionsrate.
• Introns und Exons: Introns (nicht-kodierend), Exons (kodierend).
• Transkriptionsfaktoren: Proteine, die an DNA binden und Transkription regulieren.
• RNA Polymerase: Enzym, das RNA-Synthese katalysiert.
• Chromatinstruktur: Offen (euchromatin) für Transkription, dicht (heterochromatin) für Inaktivität.

a)

A. Promotoren und Unterdrückung von GenenBeschreibe detailliert das Zusammenspiel von Promotoren und Repressoren in der Regulation der Genexpression. Welche Rolle spielt die Position des Promotors in Bezug auf das gen, und wie beeinflussen Repressoren die Funktion eines Promotors?

Lösung:

Regulation der Genexpression durch Promotoren und Enhancer.

• Promotor: DNA-Sequenz vor dem Gen, bindet RNA-Polymerase, startet Transkription.
• Enhancer: DNA-Sequenz, weit entfernt vom Gen, bindet Transkriptionsfaktoren, erhöht Transkriptionsrate.
• Introns und Exons: Introns (nicht-kodierend), Exons (kodierend).
• Transkriptionsfaktoren: Proteine, die an DNA binden und Transkription regulieren.
• RNA Polymerase: Enzym, das RNA-Synthese katalysiert.
• Chromatinstruktur: Offen (euchromatin) für Transkription, dicht (heterochromatin) für Inaktivität.

• Promotor und seine Position: Der Promotor ist eine DNA-Sequenz, die sich unmittelbar vor dem Beginn eines Gens befindet. Diese Sequenz dient als Bindestelle für die RNA-Polymerase, welche die Transkription des Gens initiiert. Die korrekte Position des Promotors relativ zum Gen ist entscheidend, da die RNA-Polymerase den Promotor erkennen und an ihm binden muss, um die Transkription korrekt zu starten.
• Repressoren: Repressoren sind Proteine, die die Funktion des Promotors hemmen können. Sie binden entweder direkt an den Promotor oder an nahe gelegene Sequenzen, um die Bindung der RNA-Polymerase zu blockieren oder die Rekrutierung von Transkriptionsfaktoren zu verhindern. Auf diese Weise reduzieren oder verhindern sie die Transkription des Gens.
• Mechanismus der Unterdrückung: Der genaue Mechanismus, durch den Repressoren die Transkription hemmen, kann variieren. Einige Repressoren binden spezifisch an die DNA und blockieren physisch die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase. Andere können die Chromatinstruktur beeinflussen, indem sie die DNA in eine kompakte, inaktive Form (Heterochromatin) überführen, wodurch der Promotor für die RNA-Polymerase unzugänglich wird.
• Zusammenwirken von Repressoren und Promotoren: Das Zusammenspiel zwischen Promotoren und Repressoren ist ein dynamischer Prozess, der die Genexpression fein abstimmt. Diese Regulation ist besonders wichtig, um sicherzustellen, dass Gene nur dann exprimiert werden, wenn sie benötigt werden, und um die Zellfunktion aufrechtzuerhalten.

c)

C. Enhancer und ChromatinstrukturErkläre, wie die Chromatinstruktur die Funktion von Enhancern beeinflussen kann. Welche strukturellen Veränderungen im Chromatin sind erforderlich, damit ein Enhancer seine Rolle bei der Transkriptionsstimulation ausüben kann?

Lösung:

Regulation der Genexpression durch Promotoren und Enhancer.

• Promotor: DNA-Sequenz vor dem Gen, bindet RNA-Polymerase, startet Transkription.
• Enhancer: DNA-Sequenz, weit entfernt vom Gen, bindet Transkriptionsfaktoren, erhöht Transkriptionsrate.
• Introns und Exons: Introns (nicht-kodierend), Exons (kodierend).
• Transkriptionsfaktoren: Proteine, die an DNA binden und Transkription regulieren.
• RNA Polymerase: Enzym, das RNA-Synthese katalysiert.
• Chromatinstruktur: Offen (euchromatin) für Transkription, dicht (heterochromatin) für Inaktivität.

• Chromatinstruktur: Chromatin kann entweder in einer offenen (Euchromatin) oder einer dichten (Heterochromatin) Konformation vorliegen. Die offene Konformation ist zugänglich für Transkriptionsfaktoren und DNA-bindende Proteine, während die dichte Konformation dies nicht ist.
• Enhancer-Aktivität: Enhancer sind DNA-Sequenzen, die weit entfernt von ihren Zielgenen liegen können und durch die Bindung spezifischer Transkriptionsfaktoren die Transkriptionsrate eines Gens erhöhen. Damit diese Enhancer ihre Rolle erfüllen können, muss die DNA in einer zugänglichen und offenen Konformation vorliegen.
• Benötigte strukturelle Veränderungen:
  • Chromatin-Remodeling: Enzyme, wie die Chromatin-Remodellierungs-Komplexe, sind notwendig, um das Chromatin von einer dichten zu einer offenen Struktur zu verändern. Diese Komplexe verschieben die Nukleosomenpositionen, was die DNA für Transkriptionsfaktoren zugänglich macht.
  • Histon-Modifikationen: Modifikationen an Histonproteinen, wie Acetylierung, Methylierung oder Phosphorylierung, können die Chromatinstruktur beeinflussen. Acetylierte Histone zum Beispiel sind mit offenen Chromatinregionen assoziiert, die Transkriptionsfaktoren binden können.
  • DNA-Methylierung: Die Methylierung der DNA kann die Chromatinstruktur verändern. In der Regel ist stark methylierte DNA mit einer dichteren, inaktiven Chromatinstruktur assoziiert und weniger zugänglich für Transkriptionsfaktoren.
• Zusammenfassung: Damit Enhancer ihre Rolle in der Stimulierung der Transkription erfüllen können, muss das Chromatin in der Nähe des Enhancers in einer offenen Struktur vorliegen. Dies erfordert spezifische Modifikationen und Umbauten des Chromatins, um den Zugang der Transkriptionsfaktoren zur DNA zu ermöglichen.

d)

D. Unterschied zwischen Enhancern und PromotorenErläutere die Hauptunterschiede zwischen Promotoren und Enhancern in Bezug auf ihre Position, Funktionen und Mechanismen der Genregulation. Wie wirken beide Elemente zusammen, um die Genexpression zu regulieren?

Lösung:

Regulation der Genexpression durch Promotoren und Enhancer.

• Promotor: DNA-Sequenz vor dem Gen, bindet RNA-Polymerase, startet Transkription.
• Enhancer: DNA-Sequenz, weit entfernt vom Gen, bindet Transkriptionsfaktoren, erhöht Transkriptionsrate.
• Introns und Exons: Introns (nicht-kodierend), Exons (kodierend).
• Transkriptionsfaktoren: Proteine, die an DNA binden und Transkription regulieren.
• RNA Polymerase: Enzym, das RNA-Synthese katalysiert.
• Chromatinstruktur: Offen (euchromatin) für Transkription, dicht (heterochromatin) für Inaktivität.

• Position:
  • Promotoren: Promotorsequenzen befinden sich unmittelbar vor dem Beginn eines Gens und sind in der Regel sehr nah am Transkriptionsstartpunkt.
  • Enhancer: Enhancer können weit entfernt von ihrem Zielgen liegen, manchmal sogar mehrere tausend Basenpaare entfernt, und können sowohl upstream als auch downstream des Gens oder innerhalb von Introns liegen.
• Funktion:
  • Promotoren: Promotoren sind notwendig, um die Transkription zu starten. Sie binden die RNA-Polymerase und andere notwendige Proteine, um die Synthese der mRNA zu beginnen.
  • Enhancer: Enhancer erhöhen die Transkriptionsrate eines Gens durch die Bindung spezifischer Transkriptionsfaktoren. Sie können die Effizienz der Transkription unabhängig von ihrer Position relativ zum promotor erhöhen.
• Mechanismen der Genregulation:
  • Promotoren: Promotoren wirken als Kontrollzentren, die die RNA-Polymerase und allgemeine Transkriptionsfaktoren zur Initiation der Transkription rekrutieren.
  • Enhancer: Enhancer arbeiten durch die Bindung spezifischer Transkriptionsfaktoren und Co-Aktivatoren, die Chromatinmodifikationen induzieren können, um die Accessibilität des Promotors und die Rekrutierung der Transkriptionsmaschinerie zu erhöhen.
• Zusammenwirken zur Genregulation:
  • Für eine effektive Genregulation wirken Promotoren und Enhancer zusammen. Während der Promotor die notwendige Plattform für den Transkriptionsstart bietet, steigern Enhancer die Effizienz dieses Prozesses, oft indem sie durch DNA-Schleifen Kontakt zum Promotor herstellen. Diese Interaktionen ermöglichen eine feine und flexible Kontrolle der Genexpression, abhängig von den Bedürfnissen der Zelle und äußeren Signalen.

Aufgabe 4)

Du erhälst die Aufgabe, die Phasen des Zellzyklus detailliert zu erklären und ihre Bedeutung für die Zellvermehrung zu diskutieren. Dabei sollst du insbesondere auf die G1-, S-, G2- und M-Phase eingehen, und beschreiben, welche biochemischen und zellulären Prozesse in jeder Phase ablaufen.

a)

Erkläre die Hauptfunktionen der G1-Phase und benenne zwei wichtige biochemische Prozesse, die während dieser Phase stattfinden.

Lösung:

Die G1-Phase, auch als Gap 1-Phase bekannt, ist eine der vier Hauptphasen des Zellzyklus und spielt eine entscheidende Rolle bei der Vorbereitung der Zelle auf die DNA-Replikation. Während dieser Phase führt die Zelle verschiedene Aktivitäten zur Zellwachstums- und Funktionswiederherstellung durch. Hier sind die Hauptfunktionen der G1-Phase und zwei wichtige biochemische Prozesse, die in dieser Phase stattfinden:

• Hauptfunktionen der G1-Phase:
  • Zellwachstum: Während der G1-Phase wächst die Zelle an Größe, indem sie neue Proteine und Organellen synthetisiert. Dieser Wachstumsprozess ist wichtig, um ausreichend Kapazität für die DNA-Replikation und die nachfolgende Zellteilung zu schaffen.
  • Vorbereitung auf DNA-Replikation: Die Zelle sammelt notwendige Nährstoffe und Energie, die für die Replikation ihrer DNA in der S-Phase (Synthese-Phase) benötigt werden. Außerdem erfolgt die Synthese von RNA und die Produktion von Enzymen, die für die DNA-Synthese benötigt werden.
  • Überprüfung der Umweltbedingungen: Die Zelle überwacht die Umgebung, um sicherzustellen, dass genügend Nährstoffe und geeignete Bedingungen für die anschließende Zellteilung vorhanden sind. Falls die Bedingungen nicht optimal sind, kann die Zelle in eine Ruhephase (G0-Phase) eintreten.
• Wichtige biochemische Prozesse in der G1-Phase:
  • Proteinbiosynthese: Während der G1-Phase wird intensiv DNA-exprimiert und mRNA transkribiert, die für die Produktion von Proteinen notwendig ist. Diese Proteine sind essentiell für das Wachstum der Zelle und die Vorbereitung auf die DNA-Replikation.
  • Enzymsynthese: Die Zelle synthetisiert spezielle Enzyme, darunter DNA-Polymerasen und andere Proteine, die für die DNA-Replikation in der S-Phase benötigt werden. Diese Enzyme sind von entscheidender Bedeutung für die präzise Verdopplung der genetischen Information.

b)

In der S-Phase kommt es zur DNA-Replikation. Beschreibe diesen Prozess im Detail und erläutere, welche Enzyme und Proteine dabei eine Rolle spielen. Führe dabei mindestens drei spezifische Enzyme auf und erkläre ihre jeweilige Funktion.

Lösung:

In der S-Phase des Zellzyklus, auch als Synthesephase bezeichnet, findet die DNA-Replikation statt. Dies ist ein kritischer Prozess, bei dem die gesamte DNA der Zelle verdoppelt wird, sodass zwei identische Kopien entstehen. Diese Verdopplung ist notwendig, damit jede Tochterzelle nach der Zellteilung eine vollständige Kopie des genetischen Materials besitzt. Hier ist eine detaillierte Beschreibung des DNA-Replikationsprozesses und der wichtigsten Enzyme und Proteine, die daran beteiligt sind:

• Initiation der DNA-Replikation: Die DNA-Replikation beginnt an spezifischen Stellen auf der DNA, die als Replikationsursprünge (Origins of Replication) bezeichnet werden. Hier binden spezifische Proteine, um den Replikationsprozess zu starten.
• Auftrennung der DNA-Stränge: Ein Enzym namens Helikase entwindet die Doppelhelix der DNA und trennt die beiden Stränge, indem es die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren aufbricht. Dadurch entsteht eine Replikationsgabel, an der die Replikation fortschreitet.
• Stabilisierung der Einzelstränge: Einzelstrangbindungsproteine (SSB) binden an die getrennten DNA-Stränge, um sie stabil zu halten und zu verhindern, dass sie sich wieder zusammenlagern.
• Synthese der neuen DNA-Stränge:
  • Leitstrang und Folgestrang: Die DNA-Replikation verläuft in 5'-3' Richtung. Der Leitstrang wird kontinuierlich synthetisiert, während der Folgestrang diskontinuierlich in Form von Okazaki-Fragmenten synthetisiert wird.
  • Primase: Dieses Enzym synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen. Die Primer werden sowohl für den Leitstrang als auch für die Okazaki-Fragmente auf dem Folgestrang benötigt.
  • DNA-Polymerase: Dieses Enzym fügt neue Nukleotide an das 3'-Ende der RNA-Primer an und synthetisiert so den neuen DNA-Strang. Bei Eukaryoten sind verschiedene DNA-Polymerasen im Einsatz, z.B. DNA-Polymerase δ und ε. Die DNA-Polymerase hat auch eine Korrekturlesefunktion, mit der sie Fehler bei der Nukleotid-Addition erkennen und korrigieren kann.
• Verlängerung der Okazaki-Fragmente: Die RNA-Primer der Okazaki-Fragmente werden entfernt und durch DNA ersetzt. Dies geschieht durch DNA-Polymerase I (bei Prokaryoten) oder durch spezielle eukaryotische DNA-Polymerasen.
• Verbinden der Okazaki-Fragmente: Das Enzym DNA-Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente, indem es die Phosphodiesterbindungen zwischen den Nukleotiden verknüpft, sodass ein kontinuierlicher DNA-Strang entsteht.

Hier ist eine Zusammenfassung der wichtigsten Enzyme und ihrer Funktionen:

• Helikase: Entwindet und trennt die beiden DNA-Stränge.
• Primase: Synthetisiert RNA-Primer als Startpunkt für die DNA-Synthese.
• DNA-Polymerase: Synthetisiert neue DNA-Stränge, fügt Nukleotide hinzu und korrigiert Fehler.
• DNA-Ligase: Verbindet die Okazaki-Fragmente und schließt die Phosphodiesterbindungen.

c)

Berechne anhand des folgenden Szenarios die Gesamtzeit, die eine Zelle benötigt, um den Zellzyklus zu durchlaufen. Gegeben ist, dass die G1-Phase 5 Stunden dauert, die S-Phase 6 Stunden, die G2-Phase 4 Stunden und die M-Phase 2 Stunden. Zeige dabei auch, wie du auf dein Ergebnis kommst. Zusätzlich, erkläre die Bedeutung der G2-Phase im Kontext des Zellzyklus und diskutiere, warum eine korrekte Funktion der G2-Phase wichtig für die Zellteilung ist.

Lösung:

Berechnung der Gesamtzeit des Zellzyklus

Um die Gesamtzeit zu berechnen, die eine Zelle benötigt, um den Zellzyklus zu durchlaufen, summieren wir die Zeiten für jede der vier Phasen: G1, S, G2 und M.

• G1-Phase: 5 Stunden
• S-Phase: 6 Stunden
• G2-Phase: 4 Stunden
• M-Phase: 2 Stunden

Die Gesamtzeit ergibt sich durch die Addition der einzelnen Zeiten:

 5 Stunden + 6 Stunden + 4 Stunden + 2 Stunden = 17 Stunden

Die Zelle benötigt also insgesamt 17 Stunden, um den kompletten Zellzyklus zu durchlaufen.

Bedeutung der G2-Phase und ihre Rolle im Zellzyklus

Die G2-Phase, auch Spaltphase 2 genannt, ist die letzte Phase vor der Mitose (M-Phase) und spielt eine wesentliche Rolle bei der Vorbereitung der Zelle auf die Zellteilung. Hier sind einige der Hauptfunktionen der G2-Phase:

• Zellwachstum: Die Zelle setzt ihr Wachstum fort, synthetisiert zusätzliche Organellen und Proteine und erhöht ihre Größe, um sicherzustellen, dass beide Tochterzellen nach der Teilung ausreichend Ressourcen haben.
• Reparatur von DNA-Schäden: Die Zelle überprüft und repariert eventuelle Schäden, die während der DNA-Replikation in der S-Phase entstanden sein könnten. Dies ist entscheidend, um die genetische Integrität und die fehlerfreie Vererbung des genetischen Materials sicherzustellen.
• Vorbereitung der Mitose: Die Zelle synthetisiert Proteine, die für die Bildung des Spindelapparates erforderlich sind, der die Chromosomen während der Zellteilung korrekt verteilt. Dies schließt auch die Verdopplung der Zentriolen ein, die an der Ausbildung der Spindelfasern beteiligt sind.

Warum ist eine korrekte Funktion der G2-Phase wichtig?

Eine korrekte Funktion der G2-Phase ist entscheidend für eine fehlerfreie Zellteilung aus mehreren Gründen:

• Vermeidung genetischer Mutationen: Durch Überprüfung und Reparatur der DNA können Mutationen und chromosomale Anomalien, welche zu Krebs und anderen genetischen Krankheiten führen könnten, reduziert oder vermieden werden.
• Sichere Vorbereitung der Zellteilung: Nur eine richtig vorbereitete Zelle kann eine erfolgreiche Mitose durchlaufen, die zu zwei gesunden Tochterzellen führt. Fehler in der G2-Phase können zu ungleichmäßiger Verteilung der Chromosomen und Zellstrukturen führen, was die Lebensfähigkeit der Tochterzellen beeinträchtigen kann.
• Überprüfung der Zellorganellen: Alle Zellorganellen, einschließlich Mitochondrien und des endoplasmatischen Retikulums, werden überprüft und gegebenenfalls repariert oder vermehrt, um sicherzustellen, dass sie korrekt auf die Tochterzellen verteilt werden.

Zusammenfassend ist die G2-Phase von zentraler Bedeutung für die Sicherstellung der genetischen und zellulären Integrität vor der Zellteilung, was wiederum für das gesunde Wachstum und die Fortpflanzung der Zellen und des Organismus essentiell ist.