Grundlagen der Zellbiologie - Exam

Aufgabe 1)

Beschreibe detailliert die Phasen des Zellzyklus (G1, S, G2 und M) und erkläre ihre spezifischen Funktionen im Prozess der Zellteilung und DNA-Replikation.

a)

Erkläre die G1-Phase des Zellzyklus. Was sind die Hauptziele dieser Phase und welche zellulären Prozesse laufen ab? Diskutiere auch, welche externen und internen Signale eine Rolle beim Übergang zur S-Phase spielen könnten.

Lösung:

G1-Phase des Zellzyklus

Definition:Die G1-Phase (Gap 1) ist die erste Phase im Zellzyklus nach der Zellteilung (Mitose). Sie ist eine von vier Hauptphasen des Zellzyklus: G1, S, G2 und M.

• Hauptziele der G1-Phase:

• Wachstum: Die Zelle wächst in der Größe und bildet neue Organellen, um sich auf die nächste Phase, die S-Phase, vorzubereiten.
• Proteinsynthese: Es werden viele Proteine synthetisiert, die für den Zellstoffwechsel und die DNA-Replikation erforderlich sind.
• Zelluläre Überprüfung: Die Zelle prüft, ob sie bereit ist, weiter im Zellzyklus fortzuschreiten.

• Prozesse, die in der G1-Phase ablaufen:

• mRNA-Synthese: Die Zelle benötigt neue mRNA-Moleküle, um die Produktion neuer Proteine zu steuern.
• Proteinsynthese: Ribosomen in der Zelle produzieren eine Vielzahl von Proteinen, die für das Zellwachstum und die spätere DNA-Replikation notwendig sind.
• Nährstoffaufnahme: Die Zelle nimmt aktiv Nährstoffe aus der Umgebung auf, um das Zellwachstum zu unterstützen.
• Organellenbildung: Die Zelle bildet neue Organellen oder vergrößert bestehende, um die gesteigerte Stoffwechselaktivität zu bewältigen.

• Externe Signale für den Übergang zur S-Phase:

• Wachstumsfaktoren: Hormonähnliche Substanzen, die von anderen Zellen freigesetzt werden und das Zellwachstum und die Zellteilung stimulieren.
• Nährstoffe: Eine ausreichende Verfügbarkeit von Nährstoffen ermöglicht es der Zelle, in die S-Phase überzugehen.

• Interne Signale für den Übergang zur S-Phase:

• Zellgröße: Die Zelle muss eine bestimmte Größe erreicht haben, bevor sie zur S-Phase übergehen kann.
• DNA-Integrität: Die Zelle überprüft, ob die DNA intakt und repariert ist.
• Vorhandensein von Cyclinen und Cyclin-abhängigen Kinasen (CDKs): Diese Proteine spielen eine Schlüsselrolle bei der Regulation des Zellzyklus und signalisieren den Übergang zur S-Phase.

b)

Diskutiere im Detail den Prozess der DNA-Replikation während der S-Phase. Welche Enzyme und Proteine sind daran beteiligt und welche spezifischen Aufgaben haben sie? Zeichne ein schematisches Diagramm des Replikationsgabels und beschrifte die wesentlichen Komponenten.

Lösung:

Prozess der DNA-Replikation während der S-Phase

Definition:Die S-Phase (Synthese-Phase) ist eine zentrale Phase im Zellzyklus, in der die DNA der Zelle repliziert wird, um zwei identische Kopien für die nachfolgende Zellteilung zu erzeugen.

• Enzyme und Proteine, die an der DNA-Replikation beteiligt sind:

• Helikase: Entwindet die DNA-Doppelhelix an der Replikationsgabel, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den Basenpaaren aufbricht.
• Topoisomerase: Verhindert das Entstehen von Überdrillungen (supercoiling) in der DNA vor der Replikationsgabel, indem sie temporär den DNA-Strang schneidet und wieder verbindet.
• Primase: Synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkte für die DNA-Synthese dienen.
• DNA-Polymerase: Füllt die neuen DNA-Stränge, indem sie Nukleotide ergänzt, die komplementär zu den Basen der Matrizenstränge sind. Die DNA-Polymerase kann nur in Richtung 5' zu 3' arbeiten.
• Leitstrang- und Folgestrangsynthese: Der Leitstrang (leading strand) wird kontinuierlich synthetisiert, während der Folgestrang (lagging strand) stückweise in Okazaki-Fragmenten synthetisiert wird.
• DNA-Ligase: Verbindet die Okazaki-Fragmente des Folgestrangs, indem sie die Phosphodiesterbindungen zwischen den Fragmenten schließt.
• Einzelstrang-bindende Proteine (SSB): Stabilisieren die einzelsträngigen DNA-Regionen und verhindern, dass sie sich wieder zu einer Doppelhelix verbinden oder abgebaut werden.

Schematisches Diagramm der Replikationsgabel:

• Komponenten der Replikationsgabel:

• Helikase
• Leitstrang
• Folgestrang
• Primase
• RNA-Primer
• Okazaki-Fragmente
• DNA-Polymerase
• DNA-Ligase
• Einzelstrang-bindende Proteine (SSB)
• Topoisomerase

Detaillierte Funktionen:

• Replikationsursprung (origin of replication): Der Ort auf der DNA, an dem die Replikation beginnt.
• Leitstrang: Der neue DNA-Strang, der kontinuierlich in Richtung der Öffnung der Replikationsgabel synthetisiert wird.
• Folgestrang: Der neue DNA-Strang, der diskontinuierlich in Okazaki-Fragmenten synthetisiert wird.
• Replikationsgabel: Die Y-förmige Struktur, die an der Replikationsstelle entsteht, wo die DNA-Doppelhelix in zwei einzelsträngige Matrizen auseinandergedreht wird.

c)

Beschreibe den Übergang von der G2-Phase zur M-Phase. Welche Kontrollmechanismen und Checkpoints existieren an dieser Stelle des Zellzyklus? Erkläre auch, wie die korrekte Verteilung der Chromosomen während der Mitose sichergestellt wird. Führe hierbei die mathematische Beziehung zur quantitativen Verteilung der Chromosomen an.

Lösung:

Übergang von der G2-Phase zur M-Phase

Definition:Die G2-Phase (Gap 2) folgt der S-Phase und ist die letzte Phase, bevor die Zelle in die Mitose (M-Phase) eintritt. In der G2-Phase bereitet sich die Zelle weiter darauf vor, ihre Chromosomen korrekt zu teilen.

• Kontrollmechanismen und Checkpoints:

• G2/M-Checkpoint: Dieser Checkpoint prüft, ob die DNA vollständig und korrekt repliziert wurde und ob die Zelle groß genug für die Mitose ist. Folgende Komponenten spielen hierbei eine Rolle:
• Cyclin B und CDK1: Diese Proteine bilden zusammen den M-Phase-promoting Factor (MPF), der den Übergang zur Mitose initiiert, sobald alle Bedingungen erfüllt sind.
• p53: Ein Tumorsuppressorprotein, das den Zellzyklus anhalten kann, falls DNA-Schäden vorliegen, um Reparaturmechanismen zu aktivieren oder, wenn nötig, den Zelltod (Apoptose) einzuleiten.
• ATR/ATM-Kinasen: Diese Enzyme erkennen DNA-Schäden und aktivieren daraufhin p53 und andere Reparaturproteine.

• Prozess der Mitose: Die Mitose umfasst mehrere Phasen, die insgesamt die korrekte Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen sicherstellen. Diese Phasen sind:

• Prophase: Die Chromosomen kondensieren und werden sichtbar. Der Mitose-Spindelapparat beginnt sich zu bilden.
• Prometaphase: Die Kernhülle zerfällt, und die Spindelfasern binden an die Kinetochoren der Chromosomen.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Zellmitte (Metaphasenplatte) an.
• Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden getrennt und zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen.
• Telophase: Eine neue Kernhülle bildet sich um die getrennten Chromosomen, die Chromosomen dekondensieren wieder.
• Zytokinese: Die Zellmembran schnürt sich ein und teilt die Zelle in zwei Tochterzellen.

• Mathematische Beziehung zur Chromosomenverteilung:

• In einer diploiden menschlichen Zelle gibt es 46 Chromosomen (23 Paare). Während der Mitose müssen diese Chromosomen exakt auf die beiden Tochterzellen aufgeteilt werden. Dies bedeutet, dass jede Tochterzelle 46 Chromosomen enthalten muss. Die korrekte Verteilung der Chromosomen (2n = 46) wird durch die Mechanismen der Mitose sichergestellt, welche die Trennung und Verteilung der Schwesterchromatiden auf die Tochterzellen kontrollieren.

Zusammenfassung:Der Übergang von der G2-Phase zur M-Phase wird durch den G2/M-Checkpoint kontrolliert, der sicherstellt, dass die Zelle zur Mitose bereit ist. Wichtige regulatorische Proteine wie Cyclin B/CDK1, p53 und ATR/ATM überwachen und kontrollieren diesen Übergang. Während der Mitose sorgen unterschiedliche Mechanismen dafür, dass die Chromosomen korrekt auf die Tochterzellen verteilt werden, sodass jede Tochterzelle die gleiche Anzahl von Chromosomen erhält.

Aufgabe 2)

Die Mitose und Meiose sind fundamentale Prozesse der Zellbiologie, die für das Wachstum und die Fortpflanzung von Organismen unverzichtbar sind. Während der Mitose wird eine Mutterzelle in zwei genetisch identische Tochterzellen geteilt, was essentiell für das Wachstum und die Gewebereparatur ist. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der Meiose eine Reduktionsteilung, die zur Bildung von vier genetisch unterschiedlichen Gameten führt, was die genetische Vielfalt in einer Population erhöht. Es gibt mehrere Phasen sowohl in der Mitose als auch in der Meiose, die spezifische Ereignisse beinhalten.

• Mitose: DNA-Replikation in der Interphase
• Mitosephasen: Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase, Zytokinese
• Meiose I: Trennung homologer Chromosomen
• Meiose II: Trennung der Schwesterchromatiden
• Crossing-over während der Prophase I der Meiose
• haploider Chromosomensatz nach Meiose
• genetische Vielfalt durch unabhängige Verteilung und Rekombination

a)

Beschreibe die einzelnen Phasen der Mitose und ihre charakteristischen Merkmale. Gehe insbesondere auf die Veränderungen der Chromosomen und des Spindelapparats ein.

Lösung:

Die Mitose ist in verschiedene Phasen unterteilt, die jeweils spezifische Ereignisse und Charakteristika aufweisen. Diese Phasen sind:

• Prophase: In dieser Phase beginnt die Chromatinfaser sich zu kondensieren, wodurch die Chromosomen sichtbar werden. Jedes Chromosom besteht aus zwei Schwesterchromatiden, die am Centromer verbunden sind. Der Spindelapparat beginnt sich zu bilden, und die Kernhülle löst sich auf.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an, wodurch sie in einer Reihe in der Mitte der Zelle erscheinen. Die Spindelfasern verbinden die Centromere der Chromosomen mit den Polen des Spindelapparats.
• Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden getrennt und bewegen sich zu den entgegengesetzten Polen der Zelle. Dies wird durch die Verkürzung der Spindelfasern ermöglicht.
• Telophase: An den Polen der Zelle bilden sich neue Kernhüllen um die Chromatidensätze. Die Chromosomen beginnen, sich wieder zu de-kondensieren, und der Spindelapparat löst sich auf. Damit endet die Mitose, und die Kernteilung ist abgeschlossen.
• Zytokinese: Diese Phase folgt unmittelbar der Telophase und betrifft die Teilung des Zellplasmas. Die Zellmembran schnürt sich in der Mitte der Zelle ein, und es entstehen zwei genetisch identische Tochterzellen, jede mit einem vollständigen Satz von Chromosomen.

Während der gesamten Mitose gibt es signifikante Veränderungen sowohl der Chromosomen als auch des Spindelapparats. Diese Veränderungen sind notwendig, um die präzise Trennung der genetischen Information auf die Tochterzellen sicherzustellen.

b)

Erkläre den Prozess des Crossing-overs während der Prophase I der Meiose. Welche Bedeutung hat dieser Prozess für die genetische Vielfalt?

Lösung:

Der Prozess des Crossing-overs findet während der Prophase I der Meiose statt und ist ein entscheidender Mechanismus für die genetische Vielfalt. Das Crossing-over beschreibt den Austausch von genetischem Material zwischen homologen Chromosomen. Der Prozess kann wie folgt beschrieben werden:

• Synapsis: Während der frühen Prophase I, konkret in der Leptotän- und Zygotän-Phase, paaren sich homologe Chromosomen und bilden synaptonemale Komplexe. Diese Paarung der Chromosomen wird als Synapsis bezeichnet.
• Chiasmata-Bildung: In der nächsten Phase, dem Pachytän, überkreuzen sich die Chromatiden der homologen Chromosomen an bestimmten Stellen, den Chiasmata. Diese Überkreuzungen sind die physikalischen Orte, an denen der Austausch von genetischem Material stattfindet.
• Rekombination: Der Austausch selbst, bei welchem Abschnitte nicht-schwesterlicher Chromatiden ausgetauscht werden, wird genetische Rekombination genannt. Dabei bleiben die homologen Chromosomen über das Chiasma verbunden, bis sie später in der Meiose I getrennt werden.
• Trennung der Chromosomen: Während der späteren Phasen der Prophase I (Diplotän und Diakinese) und der Metaphase I löst sich der synaptonemale Komplex auf, die Chiasmata bleiben jedoch bestehen, bis die homologen Chromosomen in der Anaphase I voneinander getrennt werden.

Die Bedeutung des Crossing-overs für die genetische Vielfalt ist enorm:

• Erhöhung der genetischen Variabilität: Durch den Austausch von genetischem Material entstehen neue Kombinationen von Allelen auf den Chromosomen. Dies führt dazu, dass die resultierenden Gameten genetisch einzigartig sind.
• Förderung der Evolution: Die durch Crossing-over erzeugte genetische Diversität ist eine wichtige Grundlage für die Evolution. Sie ermöglicht es einer Population, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen und verbessert das Überleben der Art.

c)

Wie unterscheiden sich die Mechanismen der Chromosomentrennung in der Anaphase der Mitose und der Meiose II? Welche Rolle spielt dabei der Spindelfaserapparat?

Lösung:

Die Mechanismen der Chromosomentrennung in der Anaphase der Mitose und der Meiose II weisen einige Unterschiede auf. Beide Prozesse beinhalten jedoch die Trennung der Chromatiden durch den Spindelfaserapparat.

• Anaphase der Mitose:
  • In der Mitose-Anaphase werden die Schwesterchromatiden jeder chromosomalen Einheit getrennt.
  • Die Spindelfasern, die sich von den gegenüberliegenden Polen der Zelle aus erstrecken, verkürzen sich und ziehen die Schwesterchromatiden zu den Polen.
  • Dies führt dazu, dass jede Tochterzelle am Ende der Mitose eine exakte Kopie jedes Chromosoms besitzt, wodurch genetisch identische Tochterzellen entstehen.
• Anaphase der Meiose II:
  • Die Anaphase II der Meiose ähnelt der Anaphase der Mitose, jedoch unterscheiden sich die Vorbedingungen.
  • Während der Meiose I wurden die homologen Chromosomen getrennt, sodass jede Zelle nach Meiose I einen haploiden Satz von Chromosomen enthält, die jeweils aus zwei Schwesterchromatiden bestehen.
  • In der Anaphase II trennen sich dann die Schwesterchromatiden jeder chromosomalen Einheit, indem die Spindelfasern sie zu den gegenüberliegenden Polen der Zelle ziehen.
  • Am Ende der Meiose II führt dies zur Bildung von vier genetisch unterschiedlichen haploiden Gameten, da in jeder Gamete ein unterschiedlicher Satz von Chromatiden vorhanden ist.

Rolle des Spindelfaserapparats:

• Der Spindelfaserapparat spielt in beiden Prozessen eine entscheidende Rolle, indem er die Anheftung der Chromosomen und deren Trennung ermöglicht.
• Während der Metaphase sowohl in der Mitose als auch in der Meiose II heften sich die Chromosomen an die Spindelfasern an den Centromeren.
• Durch die Verkürzung der Spindelfasern in der Anaphase werden die Chromatiden zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen, was die Trennung und Verteilung des genetischen Materials sicherstellt.

Während die Mitose zur Bildung von zwei genetisch identischen Tochterzellen führt, resultiert die Meiose II in der Bildung von vier genetisch unterschiedlichen Gameten, was zur Erhöhung der genetischen Vielfalt in einer Population beiträgt.

d)

Mathematische Herausforderung: Wenn ein diploider Organismus mit dem Chromosomensatz 2n = 6 in die Meiose eintritt, wie viele verschiedene mögliche Gameten können durch die unabhängige Verteilung der Chromosomen entstehen? Berechne die Anzahl der möglichen Kombinationen und erkläre den Rechenweg.

Lösung:

Um die Anzahl der verschiedenen möglichen Gameten durch die unabhängige Verteilung der Chromosomen in der Meiose zu berechnen, müssen wir den Chromosomensatz des Organismus und die Kombinationen betrachten, die während der Meiose entstehen können.

Ein diploider Organismus mit dem Chromosomensatz 2n = 6 bedeutet, dass es 3 homologe Chromosomenpaare gibt, da n = 3. Während der Meiose I werden diese homologen Chromosomenpaare unabhängig voneinander verteilt.

Der entscheidende Punkt ist, dass jedes Chromosomenpaar unabhängig von den anderen zufällig in eine der beiden resultierenden Zellen verteilt wird. Das bedeutet, dass für jede der 3 homologen Chromosomenpaare zwei Möglichkeiten bestehen (entweder das eine oder das andere Chromosom gelangt in eine Gamete).

Die Gesamtzahl der möglichen Kombinationen von Gameten ist durch die Formel

(2^n) gegeben, wobei n die Anzahl der Chromosomenpaare ist.Berechnen wir dies für n = 3:

(2^3 = 8)

Das bedeutet, dass es 8 verschiedene mögliche Gameten gibt, die durch die unabhängige Verteilung der Chromosomen entstehen können. Hier sind die Schritte im Detail:

1. Es gibt 2 Möglichkeiten für jedes der 3 Chromosomenpaare, wie sie verteilt werden können.
2. Die Gesamtzahl der Kombinationen wird berechnet, indem die 2 Möglichkeiten für jedes Chromosomenpaar multipliziert werden:
3. p (2 × 2 × 2 = 8)

Daher kann der Organismus mit einem Chromosomensatz von 2n = 6 insgesamt 8 verschiedene Arten von Gameten durch die unabhängige Verteilung der Chromosomen während der Meiose erzeugen.

Aufgabe 3)

In einem biologischen Experiment wurdest Du gebeten, die Interaktion eines neuen Liganden, LF-X, mit einem spezifischen Rezeptor, RY, in einer Zelllinie zu untersuchen. Der Ligand LF-X wird als Mediator für Zellwachstum betrachtet. Die Messung der Dissoziationskonstante (\(K_d\)) gibt Aufschluss über die Affinität des Liganden zu seinem Rezeptor. Du hast auch beobachtet, dass die Bindung von LF-X an RY eine Signalkaskade durch den sekundären Messenger cAMP auslöst, die die Genexpression spezifischer Wachstumsfaktoren fördert. Die nachfolgende Aufgabe zielt darauf ab, diese Konzepte zu vertiefen und spezifische Vorgänge in der Signaltransduktion zu verstehen.

a)

Definiere die Begriffe Ligand und Rezeptor im Zusammenhang mit der Signaltransduktion ausführlich und nenne mindestens zwei unterschiedliche Typen von Rezeptoren sowie ein Beispiel für jeden Typ.

Lösung:

Ligand:Ein Ligand ist ein Molekül, das an ein spezifisches Zielmolekül, oft einen Rezeptor, bindet. In der Signaltransduktion fungiert der Ligand oft als Signalmolekül, das die Aktivierung oder Hemmung eines Rezeptors auslöst. Diese Bindung kann verschiedene zelluläre Reaktionen initiieren, die von der Aktivierung von Enzymen bis hin zur Regulation der Genexpression reichen. Ein Ligand kann dabei ein Hormon, Neurotransmitter, Medikament oder ein anderes Molekül sein.

Rezeptor:Ein Rezeptor ist ein Protein, das sich in der Zellmembran oder im Zellinneren befindet und spezifische Moleküle (Liganden) erkennt und bindet. Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors, die dann eine Signalkaskade innerhalb der Zelle auslösen kann. Rezeptoren sind essenziell für die Kommunikation und Steuerung vieler biologischer Prozesse.

Typen von Rezeptoren und Beispiele:

• G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs):Dieser Typ von Rezeptoren aktiviert nach der Bindung eines Liganden ein G-Protein, das dann weitere intrazelluläre Signale weiterleitet. Ein Beispiel für einen GPCR ist der Beta-adrenerge Rezeptor, der durch Adrenalin aktiviert wird und für die Regulation des Herzschlags verantwortlich ist.
• Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs):Dieser Typ von Rezeptoren hat eine intrinsische Kinaseaktivität. Nach der Bindung eines Liganden phosphorylieren sie sich selbst und andere Proteine, was eine Signalkaskade zur Folge hat. Ein Beispiel für einen RTK ist der Insulinrezeptor, der nach der Bindung von Insulin eine Kaskade von Reaktionen auslöst, die den Glukosestoffwechsel regulieren.

Beide Typen von Rezeptoren spielen eine zentrale Rolle in der Zellkommunikation und der Regulation biologischer Prozesse und sind häufig Ziel molekularer Therapien.

b)

Berechne die Dissoziationskonstante (\(K_d\)), wenn die Konzentration des Rezeptors ([Rezeptor]) 10 nM, die des Liganden ([Ligand]) 15 nM und die Konzentration des Rezeptor-Ligand-Komplexes ([Rezeptor-Ligand-Komplex]) 5 nM beträgt. Interpretiere Deinen berechneten Wert im Zusammenhang mit der Affinität von LF-X zu RY.

Lösung:

Um die Dissoziationskonstante (\(K_d\)) zu berechnen, verwenden wir die folgende Gleichung:

\[K_d = \frac{[Rezeptor] \times [Ligand]}{[Rezeptor-Ligand-Komplex]} \]

Geben wir die gegebenen Werte in die Gleichung ein:

• [Rezeptor] = 10 nM
• [Ligand] = 15 nM
• [Rezeptor-Ligand-Komplex] = 5 nM

Nun setzen wir die Werte in die Gleichung ein:

\[K_d = \frac{(10\text{ nM}) \times (15\text{ nM})}{5\text{ nM}} \]

Das vereinfacht sich zu:

\[K_d = \frac{150\text{ nM}^2}{5\text{ nM}} \]

Das gibt:

\[K_d = 30\text{ nM} \]

Die berechnete Dissoziationskonstante (\(K_d\)) beträgt also 30 nM.

Interpretation:

Die Dissoziationskonstante (\(K_d\)) gibt die Affinität eines Liganden zu seinem Rezeptor an. Ein niedriger Wert für \(K_d\) steht für eine hohe Affinität, da dies bedeutet, dass der Ligand auch bei niedrigen Konzentrationen stark an den Rezeptor bindet. Ein hoher Wert für \(K_d\) weist hingegen auf eine geringere Affinität hin.

In diesem Fall beträgt \(K_d\) 30 nM, was auf eine moderate Affinität von LF-X zu RY hinweist. Der Ligand LF-X bindet relativ gut, aber nicht extrem stark an den Rezeptor RY. Dies bedeutet, dass wir eine angemessene Konzentration des Liganden benötigen, um eine signifikante Bindung und damit die nachfolgende Signalkaskade durch den sekundären Messenger cAMP auszulösen.

c)

Beschreibe den möglichen Signaltransduktionsweg, der durch die Bindung von LF-X an RY und die nachfolgende Erhöhung von cAMP initiiert wird. Gehe hierbei auf die Rolle von Kinasen und Transkriptionsfaktoren bei der Regulation der Genexpression ein.

Lösung:

Signaltransduktionsweg initiiert durch die Bindung von LF-X an RY:

Wenn der Ligand LF-X an den Rezeptor RY bindet, wird eine Signalkaskade innerhalb der Zelle ausgelöst. Ein möglicher Signalweg könnte folgendermaßen aussehen:

1. Bindung von LF-X an RY:Die Bindung von LF-X an den speziellen Rezeptor RY führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors.
2. Aktivierung eines G-Proteins:Falls RY ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) ist, kann die Konformationsänderung die Aktivierung eines assoziierten G-Proteins (bestehend aus den Untereinheiten α, β, und γ) bewirken. Das G-Protein tauscht GDP gegen GTP an der α-Untereinheit aus, wodurch die α-Untereinheit und die βγ-Dimere aktiviert werden.
3. Aktivierung der Adenylylcyclase:Die aktivierte α-Untereinheit des G-Proteins interagiert mit dem Effektorprotein Adenylylcyclase, was zu einer Aktivierung dieses Enzyms führt.
4. Erhöhung von cAMP:Die aktivierte Adenylylcyclase wandelt ATP in den sekundären Messenger cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) um. Die Erhöhung der cAMP-Konzentration in der Zelle initiiert weitere Signalübertragungen.
5. Aktivierung von Proteinkinase A (PKA):cAMP bindet an die regulatorischen Untereinheiten der Proteinkinase A (PKA), was zur Freisetzung und Aktivierung der katalytischen Untereinheiten von PKA führt.

Rolle von Kinasen und Transkriptionsfaktoren:

1. Phosphorylierung von Zielproteinen durch PKA:Die aktiven katalytischen Untereinheiten von PKA phosphorylieren verschiedene spezifische Zielproteine, darunter Enzyme, Ionenkanäle und andere Kinasen. Diese Phosphorylierung kann die Aktivität der Zielproteine modulieren.
2. Aktivierung von Transkriptionsfaktoren:Zu den Zielproteinen von PKA gehören auch Transkriptionsfaktoren wie CREB (cAMP Response Element-Binding Protein). PKA phosphoryliert CREB an einer spezifischen Serinrest, was zur Aktivierung des Transkriptionsfaktors führt.
3. Regulation der Genexpression:Der phosphorylierte CREB bindet an cAMP-Response-Elemente (CRE) in der DNA, die sich in den Promotorregionen spezifischer Gene befinden. Dies rekrutiert Koaktivatoren und die Basaltranskriptionsmaschinerie, was zur Transkription der Zielgene führt.
4. Produktion von Wachstumsfaktoren:Die Transkription der Zielgene führt zur Synthese von mRNA und anschließender Translation in Wachstumsfaktoren. Diese Wachstumsfaktoren können dann die Zellproliferation und andere zelluläre Prozesse fördern.

Zusammenfassend aktiviert die Bindung von LF-X an RY eine Signalkaskade, die über G-Protein-Aktivierung und cAMP-Produktion zur Aktivierung der PKA führt. PKA wiederum phosphoryliert Transkriptionsfaktoren wie CREB, die die Genexpression spezifischer Wachstumsfaktoren regulieren und somit das Zellwachstum fördern.

Aufgabe 4)

Intrazelluläre Signalkaskaden: Intrazelluläre Signalwege ermöglichen die Übertragung von Signalen von der Zelloberfläche zum Zellkern und steuern dabei wichtige zelluläre Prozesse wie Zellproliferation, Differenzierung und Überleben. Beispiele für diese Signalwege sind der MAP-Kinase-Weg, der cAMP-Weg sowie andere wie PI3K/AKT, JAK/STAT und IP3/DAG.

• MAP-Kinase-Weg: Dieser Weg wird durch Wachstumsfaktoren aktiviert und verläuft über die Sequenz: RAS --> RAF --> MEK --> ERK.
• cAMP-Weg: Dieser beginnt mit der Aktivierung eines G-Protein-gekoppelten Rezeptors (GPCR), gefolgt von Adenylatzyklase, cAMP, PKA und letztlich CREB.
• Weitere Signalwege: PI3K/AKT, JAK/STAT und IP3/DAG spielen ebenfalls eine Rolle in der Regulierung von Genexpression, Zellzyklus und Apoptose.

a)

Erkläre den Ablauf des MAP-Kinase-Weges von der Aktivierung des ersten Proteins bis zur Wirkung im Zellkern und stelle dar, wie sich dieser Signalweg auf die Genexpression auswirkt. Gehe dabei auch auf die Rolle der jeweiligen Proteine (RAS, RAF, MEK, ERK) ein.

Lösung:

Ablauf des MAP-Kinase-Weges und seine Auswirkung auf die Genexpression:

• Aktivierung durch Wachstumsfaktoren: Der MAP-Kinase-Weg beginnt mit der Bindung von Wachstumsfaktoren an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche. Diese Wachstumsfaktoren können beispielsweise epidermale Wachstumsfaktoren (EGFs) sein, die an den EGF-Rezeptor (EGFR) binden.
• Aktivierung von RAS: Die Bindung des Wachstumsfaktors führt zur Aktivierung des Rezeptors, der daraufhin RAS, ein kleine GTPase, aktiviert, indem es GDP gegen GTP austauscht. RAS spielt eine entscheidende Rolle bei der Weiterleitung des Signals aus dem Zellmembranbereich in das Innere der Zelle.
• Aktivierung von RAF: Das aktivierte RAS aktiviert anschließend RAF, eine Serin/Threonin-Kinase. RAF leistet den ersten wichtigen Schritt in der Kinasekaskade und phosphoryliert das nächste Element im Signalkaskadenprozess.
• Aktivierung von MEK: RAF phosphoryliert und aktiviert MEK (MAP kinase/ERK kinase), das ebenfalls eine duale Spezifitätskinase ist. MEK ist verantwortlich für die Aktivierung von ERK durch Phosphorylierung.
• Aktivierung von ERK: MEK phosphoryliert und aktiviert schließlich ERK (extrazellulär-signalregulierte Kinase). ERK ist eine zentrale Kinase, die eine Vielzahl von Substraten im Zytoplasma und Zellkern phosphoryliert.
• Wirkung im Zellkern und Änderung der Genexpression: Die aktivierte ERK transloziert in den Zellkern, wo sie verschiedene Transkriptionsfaktoren wie z.B. c-Fos und c-Jun phosphoryliert. Diese Transkriptionsfaktoren binden an spezifische DNA-Sequenzen und regulieren die Genexpression, indem sie die Transkription bestimmter Gene fördern oder hemmen. Dadurch steuert der MAP-Kinase-Weg wesentliche Prozesse wie Zellproliferation, Differenzierung und Überleben.

b)

Beschreibe den cAMP-Signalweg, beginnend mit der Aktivierung eines GPCR und der anschließenden Signalübertragung bis zur Wirkung auf die Genexpression. Erkläre dabei insbesondere die Rolle von cAMP und der Protein Kinase A (PKA) in diesem Signalweg.

Lösung:

Beschreibung des cAMP-Signalwegs und seine Auswirkung auf die Genexpression:

• Aktivierung des GPCR: Der cAMP-Signalweg beginnt mit der Bindung eines extrazellulären Liganden (z.B. Adrenalin) an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) auf der Zelloberfläche. Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung des GPCR.
• Aktivierung des G-Proteins: Die Konformationsänderung des GPCRs aktiviert ein heterotrimeres G-Protein im Inneren der Zelle, indem das GDP in der Alpha-Untereinheit gegen GTP ausgetauscht wird. Dies führt zur Dissoziation der Alpha-Untereinheit vom Beta-Gamma-Komplex.
• Aktivierung der Adenylatzyklase: Die aktivierte Alpha-Untereinheit (meistens Gs-Alpha) interagiert nun mit der Membran-gebundenen Adenylatzyklase und aktiviert sie.
• Produktion von cAMP: Die aktivierte Adenylatzyklase katalysiert die Umwandlung von ATP zu cyclischem Adenosinmonophosphat (cAMP), einem sekundären Botenstoff.
• Aktivierung der Protein Kinase A (PKA): cAMP bindet an die regulatorischen Untereinheiten der Protein Kinase A (PKA) und führt zur Freisetzung der katalytischen Untereinheiten. Diese katalytischen Untereinheiten sind nun aktiv und können Phosphorylierungen durchführen.
• Einfluss auf die Genexpression: Die aktiven katalytischen Untereinheiten der PKA translozieren in den Zellkern, wo sie verschiedene Transkriptionsfaktoren, wie z.B. das cAMP response element-binding protein (CREB), phosphorylieren. Phosphoryliertes CREB bindet an spezifische DNA-Sequenzen, die als cAMP response elements (CREs) bekannt sind, und reguliert dadurch die Transkription spezifischer Gene.

Zusammenfassend steuern cAMP und PKA durch die Aktivierung und Bindung spezifischer Transkriptionsfaktoren die Genexpression und tragen so zur Regulation wichtiger zellulärer Prozesse bei.

c)

Vergleiche den MAP-Kinase-Weg und den cAMP-Weg hinsichtlich ihrer Aktivierung, Signalübertragung und Zelluläre Effekte. Zeige Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Signalwege auf, insbesondere hinsichtlich der Endeffekte auf die Genexpression und den Zellzyklus.

Lösung:

Vergleich zwischen dem MAP-Kinase-Weg und dem cAMP-Weg:

• Aktivierung:
• MAP-Kinase-Weg: Dieser Signalweg wird durch Wachstumsfaktoren aktiviert, die an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden und über RAS --> RAF --> MEK --> ERK verläuft.
• cAMP-Weg: Der cAMP-Weg startet mit der Aktivierung eines G-Protein-gekoppelten Rezeptors (GPCR) durch einen Liganden wie Adrenalin. Dies führt zur Aktivierung eines G-Proteins, das wiederum die Adenylatzyklase aktiviert und die Produktion von cAMP initiiert.
• Signalübertragung:
• MAP-Kinase-Weg: Die Signalübertragung erfolgt durch eine Kaskade von Phosphorylierungen: RAS aktiviert RAF, RAF phosphoryliert und aktiviert MEK, und MEK aktiviert ERK durch weitere Phosphorylierung.
• cAMP-Weg: In diesem Weg führt die Aktivierung der Adenylatzyklase zur Produktion von cAMP. cAMP aktiviert die Protein Kinase A (PKA), die dann verschiedene Ziele phosphoryliert, einschließlich Transkriptionsfaktoren.
• Zelluläre Effekte:
• Genexpression:
  • MAP-Kinase-Weg: ERK transloziert in den Zellkern und phosphoryliert Transkriptionsfaktoren wie c-Fos und c-Jun, die die Genexpression regulieren.
  • cAMP-Weg: PKA transloziert in den Zellkern und phosphoryliert CREB, einen Transkriptionsfaktor, der an CRE-Bindungsstellen auf der DNA bindet und die Genexpression reguliert.
• Zellzyklus und weitere Effekte:
  • MAP-Kinase-Weg: Dieser Weg beeinflusst Zellproliferation, Differenzierung und Überleben durch Regulation der Genexpression und Förderung des Zellzyklusfortschritts.
  • cAMP-Weg: Neben der Regulation der Genexpression kann der cAMP-Weg auch den Zellzyklus, Stoffwechselvorgänge und andere Zellfunktionen modulieren.
• Gemeinsamkeiten:
• Beide Signalwege beginnen mit der Aktivierung von Rezeptoren an der Zelloberfläche.
• Beide Wege enden mit der Regulation der Genexpression durch phosphorylierte Transkriptionsfaktoren im Zellkern.
• Beide Signalwege spielen wichtige Rollen bei der Regulation von Zellproliferation und Überleben.
• Unterschiede:
• Die Aktivierung des MAP-Kinase-Weges erfolgt durch Wachstumsfaktoren, während der cAMP-Weg durch GPCRs aktiviert wird.
• Der MAP-Kinase-Weg nutzt eine Kinase-Kaskade für die Signalübertragung, während der cAMP-Weg die Produktion eines sekundären Botenstoffs, cAMP, und die Aktivierung von PKA umfasst.
• Die spezifischen Transkriptionsfaktoren, die in beiden Wegen phosphoryliert werden, sind unterschiedlich (z.B. c-Fos und c-Jun im MAP-Kinase-Weg und CREB im cAMP-Weg).

Zusammenfassend zeigt der Vergleich, dass trotz unterschiedlicher Aktivierungsmechanismen und molekularer Details beide Signalwege wichtige Rollen bei der Regulation von Zellprozessen durch Beeinflussung der Genexpression und des Zellzyklus spielen.