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Biologie 1 Zellbiologie Herangehensweise Hypothesengetrieber Wissenschaft -

Theorie in Wissenschaft = Fakt -> man kann sie für die Wahrheit halten, da sie gut genug überprüft und gestützt wurde

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Wissenschaftliche Herangehensweise zur Überprüfung von Hypothesen um zu einer Theorie zu kommen:

Zelltheorie und Merkmale von Zellen -

Zelltheorie -> Alle Lebewesen bestehen aus Zellen und alle Zellen entstehen aus Zellen

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Wurde Mitte des 19. Jahrhunders formuliert, nachdem man mit den ersten Mikroskomen zum ersten Mal Zellen gesehen hat

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Allgemeine Merkmale von Zellen: 

Vermehrung durch Vererbung (Zellteilung mit zwei identischen Tochterzellen)

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Zellen speichern Erbinformation in Form von DNA -> dient als Replikations-Matrize für die Vererbung

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Ein Protein entsteht aus einem Gen mit RNA als Zwischenform -> Proteinsynthese wird stark reguliert

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Proteine als ausführende Einheit

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Zellen sind umhüllt von einer selektiv permeablen Membran

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Alle Zellen brauchen Energie und nutzen dieselben biochemischen Bausteine

Endosymbiontentheorie

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Einstülpung der Membran führte zur Bildung des Endomembransystems -> daher sind Kernhülle und ER auch „doppelschichtig“

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Dann kam es erst zur Symbiotischen Aufnahme von Einzellern -> Mitochondrien und Chloroplasten

Zellorganellen -

Zellorganellen sind membranöse Kompartimente -> Bakterien haben keine membranösen Kompartimente als Organellen

Ribosom -

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große Komplexe aus Proteinen und rRNA -> bestehen aus zwei Untereinheiten: 

Bakterien -> 70s Ribosomen mit einer 50s großen und einer 30s kleinen Untereinheit

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Eukaryoten -> 80s Ribosomen mit einer 60s großen und einer 40s kleinen Untereinheit

Die rRNA der Ribosomen wird im Zellkern synthetisiert und dort bereits mit den Proteinen zu den Untereinheiten zusammengebaut und dann aus dem Zellkern ins Cytosol entlassen

Endoplasmatisches Retikulum -

raues ER -> Synthese von Transmembranproteinen und Proteinen für die Sekretion oder andere Kompartimente

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glattes ER -> Calcium Lagerung (v.a. in Muskelzellen), Lipidbiosynthese und Entgiftung (Leberzellen), Synthese von Steroidhormonen (Nebennierenzellen)

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Funktion oder Ort von Zellen oft schon an der Ausprägung des ERs zu erkennen

Golgi-Apparat -

Ist ein Membranstapel mit zwei verschiedenen Seiten -> Cis und trans

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hier kommt es zur Glycolisierung von Proteinen -> modifiziert die Eigenschaften der Proteine

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durch den „Gklycocode“ können die Proteine in Vesikel sortiert werden

Endomembransystem -

die intrazellularen Kompartimente bilden ein Kontinuum mit dem extrazellularen Raum

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es kann durch den Membranfluss durch Vesikel auch zu einer spezifischen Umverteilung von Membranen kommen -> z.B. zur Fortbewegung oder zur apikalen Konstruktion (herstellen einer „Pyramidenform“ durch Abtransport von Membran an einer Stelle)

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Vorteile der Kompartimentierung: 

Membrankompartimente vergrößern die Reaktionsoberfläche bei fast gleich bleibendem Volumen

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Effizienterer Ablauf biochemischer Reaktionen -> durch Nähe und Spezifität der beteiligten Proteine/Enzyme, da sie im Kompartiment gehalten werden

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Unterschiedliche Anforderungen an verschiedene Reaktionen in einer Zelle erfüllbar -> z.B. saures oder neutrales Millieu

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Zellkern -> Schutz für die DNA

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Teile des Endomembransystems:

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Kernhülle, ER, Goli-Apparat, Plasmamembran, Endosomen, Lysosomen und andere Vesikel

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Kompartimente entstehen durch Biomembranen

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Phospholipid-Doppelschicht aus Phospholipiden, Cholesterin, Glycolipide und anderen eingelagerten Proteinen

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Amphipathie und Form der Phospholipide lässt sie sich zu Doppelschichten zusammenlagern, die sich zu Vesikeln schließen

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Beweglichkeit der Lipide sorgen für Fluidität und Wiederstansfähigkeit der Membran

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Beschaffenheit der Membran kann angepasst werden: 

mehr ungesättigte Fettsäuren in den Lipidmolekülen erhöhen deren Beweglichkeit und solit die Fluidität der Membran

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Cholesterin die Membran undurchlässiger macht, aber die Fluidität nicht beinflusst

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Membranproteine können sich seitlich durch die Doppelschicht bewegen -> Fluidität einer Membran experimentell durch FRAP (teilweises bleichen von mit GFP markierten Membranproteinen)

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Vesikel

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Stofftransport in Vesikeln erfolgt über Abknospung und Verschmelzung der Vesikel mit anderen Membranen

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Die Abknospung (Vesikelbildung) wird von Proteinhüllen unterstützt -> Hüllproteine (wie z.B. Clathrin) 

Interzellulare Frachtpoteine binden an Rezeptoren in der Zellmembran -> diese rekrutieren immer mehr Hüllproteine über Adapterproteine

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Die dreidimensionale Struktur der Hüllproteine sorgt für eine räumliche Veränderung der Membran -> es kommt zur Ausstülpung

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Nachdem das Vesikel abgeschnürt wurde, fallen die Hüllproteine wieder ab

Kondensation der DNA -

während der Interphase liegt die DNA dekondensiert und locker vor -> sie ist somit zugänglich zur Replikation und Translation

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Differentielle Genaktivität der DNA in der Interphase -> unterschiedliche Stärke der Kontensation an verschiedenen Stellen der DNA -> Heterochromatin (schwerer zugänglich) und Euchromatin (besser zugänglich)

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für die Zellteilung wird die DNA nach der Replikation stark kondensiert um sie transportieren zu können

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bei den kondensierten Chromosomen liegen zwei Schwesterchromatiden vor -> Kohäsinringe halten diese am Zentromer zusammen -> typische „X-Form“ (in der Metaphase)

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Kondensation

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Die DNA liegt immer mit vielen verschiedenen Proteinen assoziiert vor, auch in der Interphase in der dekondensierten Form -> Chromatin = DNA + Proteine

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Zur Kondensation windet sich die DNA um Histone (Proteinkomplexe aus 8 Einzelproteinen) -> Nucleosom = DNA + Histon

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Es bildet sich ein „Perlenstrang“ aus Nucleosomen mit kurzen Strecken freier DNA zwischen den Nucleosomen (Linker-DNA) -> 10nm-Faser

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Wechselwirkungen zwischen den Nucleosomen und der Linker-DNA sorgen dafür, dass sich die 10nm-Faser weiter faltet und die 30nm-Faser bildet -> Ein weiteres Protein (Histon A) stabilisiert diese

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Die 30nm-Faser bildet nun Schlaufenstrukturen (Schlaufendomänen) aus, die an einem Kerngerüst aus Proteinen (unter anderem Topoisomerasen) verankert sind -> es bildet sich die 300nm-Faser

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Die 300nm-Faser wickelt sich dann wiederum auf und bildet den Supertwist (700nm-Faser) -> dieser verdrillt sich in die Form des Chromosoms -> vollständige Kondensation abgeschlossen

Proteine: Von der DNA bis zur Sekretion Synthese der Proteine -

DNA wird transkribiert, wodurch die Prä-mRNA ensteht -> diese wird zur reifen mRNA prozessiert/gespleißt (nur bei eukaryotischer mRNA): 

Es werden die nicht codierenden Introns ausgeschnitten

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Es werden ein Poly-A-Schwanz und eine 5’-Cap angehängt -> erhöhen Stabilität der mRNA und bestimmen die Initiation der der Translation

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An die mRNA sind immer Proteine gebunden -> einige helfen beim Ausschleusen ins Cytosol und werden mitgenommen, andere bleiben im Zellkern zurück

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Die mRNA bindet anschließend für die Translation an ein Ribosom

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tRNAs bringen nun während der Translation die zum genetischen Code auf der mRNA passenden Aminosäuren zum Ribosom -> Synthese des Proteins

Transport der Proteine -

Proteine werden mit einer Signalsequenz synthetisiert -> sie gibt an welchen Bestimmungsort das Protein kommen soll

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Transport der Proteine an ihren Bestimmungsort durch: 

Translokatoren (Proteine in der Membran) -> TransmembranTransport

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Selektiver Zugang in Kompartimente durch Assoziation mit weiteren Proteinen (bestimmt durch Signalsequenz) -> z.B. Kernpore, ER, Mitochondrien, … -> Signalsequenz wird anschließend abgespalten

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Viskulärer Transport -> in Vesikeln

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um Sekretiert zu werden muss das Protein ins ER eingeschleust werden, da es nicht einfach in ein bereits existierendes Vesikel eingeschleust werden kann -> wird bereits bei der Transkription mithilfe der Signalsequenz ins ER synthetisiert

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dies geschieht über Hilfsproteine, die das Protein „einfangen“ und zur ER-Membran bringen (so können z.B. Membranproteine auch direkt während der Synthese bereits in die Membran eingewoben werden)

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anschließend können die Proteine in einem Vesikel vom ER abgeschnürt werden -> die Vesikel werden dann zum Golgi-Apparat transportiert und verschmelzen dort mit der cis-Seite

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im Golgi-Apparat werden die Proteine modifiziert (glycosyliert) und dann an der trans-Seite des Golgi-Apparates wieder in Vesikeln abgeschnürt

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die Vesikel werden zur Zellmembran transportiert und verschmelzen mit ihr -> Exocytose der im Vesikel enthaltenen Proteine

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die Exocytose kann als konstitutive oder regulierte Ausscheidung stattfinden: 

konstituiv -> nicht regulierte Ausscheidung -> ständige/kontinuierliche Exocytose von Proteinen

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reguliert -> die Vesikel verschmelzen nur nach einem Signal (z.B. durch ein Hormon oder Neurotransmitter) mit der Zellmembran, bis dahin wird das Protein in den Vesikeln gespeichert

Stoffaufnahme und Stoffabbau

Endocytose und Stoffaufnahme -

Bei der Endocytose werden Substanzen aus dem Extrazellularraum aufgenommen -> Vesikelabschnürung (bei der rezeptorvermittelten Endocytose mithilfe von Hüllproteinen = Clathrin)

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Mechanismen der Endocytose 

Pinocytose -> Flüssigkeitsaufnahme in Vesikeln

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Makropinocytose -> große Mengen an Flüssigkeit über Membranausstülpungen aufnehmen (wie ein „Handschuh“ der nach Außen greift)

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Phagocytose -> Endocytose großer Partikel

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Rezeptorvermittelte Endocytose -> induziert durch Ligand-RezeptorBindungen

Lysosomaler Abbau von Stoffen -

Die bei den Endocytose entstanden Endocytosevesikel verschmelzen miteinander und mit dem frühen Endosom -> sie dienen als Sortierstelle -> schnüren Membran (mit Rezeptoren etc.) wieder ab, die zurück zur Plasmamembran gebracht werden (Recycling) -> ist dieser Vorgang abgeschlossen ist es ein spätes Endosom

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Das späte Endosom verschmilzt anschließend mit Lysosomen mit Versauungsenzymen und wird zum Endolysosom, in dem die Stoffe verdaut werden

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Lysosomen -> der „Magen“ der Zelle -> ein Vesikel mit angesäuertem Milieu (durch Protonenpumpen) und Verdauungsenzymen -> eigene Membran und Membranproteine des Lysosoms werden durch starke Glycosylierung vor dem Abbau geschützt

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Rezeptorvermittelte Endocytose und anschließender lysosomaler Abbau am Beispiel von LDL-Teilchen und -Rezeptoren:

Cytoskelett -

Das Cytoskelett ermöglicht der Zelle Organisation, Stabilität und Bewegung

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3 Teile des Cytoskeletts und deren Aufgaben: 

Aktinfilamente -> Form der Zelloberfläche (ausstülpungen wie Mikrovilli oder Podien), Zellwanderung, Durchschnüren der Zelle bei der Zellteilung und Kontraktion in Muskelzellen

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Mikrotubuli -> polarität der Zelle, Cilien (Wimpern), Lage der Organellen, Vesikeltransport und Segretion von Chromosomen durch Aufbau des Spindelapparates

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Intermediärfilamente -> Stabilität gegen mechanischen Stress & baut die Kernlamina auf (Schicht in der Kernhülle -> Stabilität für Zellkern)

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alle drei werden aus Untereinheiten aufgebaut und sind daher sehr dynamisch, aber trotzdem auch sehr stabil

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die Cytosklett-Systeme sind alle miteinander durch Plektin vernetzt

Aktinfilamente -

besteht aus Akltin-Bausteinen -> ein polares globuläres Protein -> hat eine Plus- und eine Minus-Seite -> diese Polarität herrscht auch in den späteren Fasern (Plus- und MinusEnde)

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die globulären/monomären Aktinmoleküle werden g-Aktin genannt, die daraus zusammen gelagerten Fasern f-Aktin

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g-Aktin hat im Zentrum ein ATP gebunden -> wird zu ADP hydrolisiert für Bindungsenergie, wenn sich die Untereinheiten zu langen Molekülen zusammen lagern

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zwei Faktoren beeinflussen das Filamentwachstum: 

Konzentration -> je mehr Untereinheiten vorhanden sind, desto schneller wächst das Filament -> Anlagerung proportional zur Konzentration

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Konformation -> da bei der Anlagerung am Minus-Ende im Gegensatz zum Plus-Ende erst eine Konformationsänderung des g-Aktin erfolgen muss, geht die Anlagerung am Plus Ende schneller -> Plus-Ende wächst schneller

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immer wieder kommt es zu einem spontanen Abfall von Untereinheiten vom Filament -> die Wachstumsrate muss also über der Zerfallsrate liegen, damit das Filament wächst

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da die Wachstumsrate von Konzentration abhängig -> bei der sogenannten Kritischen Konzentration ist Zerfallsrate=Wchstumsrate und somit gibt es kein Wachstum

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da Wachstumsrate auch von Konformation abhängig -> Plus- und Minus-Ende haben eine unterschiedliche kritische Konzentration -> bei bestimmten Konzentrationen kann es passieren, das das Filament am Plus-Ende wächst und am Minus-Ende zerfällt -> das sogenannte „treadmilling“

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Der treadmilling-Status ist energiezehrend (da ja ständig ATP zum Anlagern verbraucht wird), aber so ist das Aktinfilament als „Wachstumsansatz“ jederzeit „ready to go“ -> da die Länge konstant bleibt ist es wie eine Art „Stand-by-Modus“

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wird dann das Aktinfilament benötigt, wird die Konzentration erhöht und das Filament wächst sofort -> schnelles Wachstum, da das Filament nicht komplett von Grund auf neu gebildet werden muss

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die Konzentration des g-Aktin wird dabei von Bindeproteinen gesteuert, indem sie freie g-Aktine binden und deren Anlagerung an die Fasern entweder verhindern (Thyosin) oder unterstützen (Profilin)

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Myosin -> Motorporotein-Komplex für Aktin

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Lange Proteine mit einem langen Schwanz und zwei Köpfen -> die Köpfe können sich unabhägig voneinader bewegen -> binden an die Aktinfilamente, schieben sie weiter, lösen die Bindung und binden ein stück weiter wieder, …

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Aktivierung der Myosine durch Phosphorylierung -> Myosinschwanz entwindet sich

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Myosin-Moleküle können sich spontan zusammenlagern -> im Muskel liegen Myosinfilamente als bipolare Fasern vor -> Myosinfasern ziehen an beiden Enden Aktin-Filamente (sogenannte Z-Scheiben) zu sich -> Z-Scheiben nähern sich aneinander an -> Muskelkontraktion

Mikrotubuli -

Mikrotubuli sind hohle Röhren -> bestehen aus Tubulin-Heterodimeren, die aus einem α- und einem β-Tubulin bestehen-> haben zwei GTP gebunden -> eines ist fest, das andere wird als Energiequelle für die Bindung genutzt (hydrolysiert)

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die Heterodimere bilden Protofilamente -> diese haben wieder ein Plus-Ende (wächst schneller) und ein Minus-Ende (wächst langsamer) -> 13 Protofilamente im Kreis bauen einen Mikrotubulus auf

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der γ-Tubulin-Ringkomplex (in Form einer überlappenden Spirale) aus sieben γ-TuSCEinheiten bildet den Keim, auf dem die aufgebaut werden

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Mikroturbuli zeigen beim Wachstum dynamische Instabilität -> dynamischer Aufund Abbau der Mikrotubuli -> erlaubt ständiges sondieren („abtasten“) der Zelle, ob sie irgendwo gebraucht werden

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Heterodimere lagern sich schnell aneinander an -> das GTP in den Tubulindimeren hydrolosiert erst etwas später zu GDP, wodurch es zu einer Konformationsänderung kommt -> von gesteckt zu gebogen

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Der Bereich mit GDP haltigen Tubulindimeren ist daher instabiler als der Teil indem GTP noch nicht hydrolysiert wurde -> „GTP“-Kappe -> diese kann spontan verloren gehen, wodurch die Protofilamente am Ende des Mikrotubulis aufgrund der gebogenen Konformation einfach auseinander klappen

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die Mikrotubuli werden vom Centrosom (=Mikrotubuliorganisierendes Zentrum MTOC) aus organisiert -> es ist eine Zusammenlagerung aus Proteinen -> ein Centriolenpaar mit einer pericentriolären Matrix, auf der sich Polymerisationsursprünge für Mikroturbuli befinden (Minus-Ende ist am Centrosom fest, während das Plus-Ende wächst)

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die Zentriolen sind sehr komplexe Strukturen -> aufgebaut aus neun MikroturbuliTripletts -> die Tripletts bestehen aus einem vollständigen und zwei „halben“ angelagerten Mikrotubulis -> die Tripletts sind als Röhre aufgebaut, die im Zentrum eine weitere komplexe Struktur

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die Centriolen im Centrosom organisieren das Centrosom und die Spindelpole und dienen als Basalkörper für Cilien (Pflanzen und Pilze haben keine Centriolen)

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Kinesine und Dyneine -> mikroturbulibasierte Motorproteine -> ermöglichen den Transport entlang von Mikroturbuli

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Können jeweils nur in eine Richtung wandern -> „laufen“ mit ihren zwei Köpfen -> einer vor, einer hinterher

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Kinesine zum Plus- Ende (Eselsbrücke: beginnt mit K genau wie Kationen -> +)

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Dyneine wandern zum Minus-Ende (Eselsbrücke: Dynein klingt wie dünn -> - ist dünner als +)

Cilien sind komplexe Strukturen, die aus Mikroturbuli aufgebaut sind -> Bewegung durch axonemale Dyneine -> wandern an einem Mikroturbuli entlang und sind an einem andern Fest -> Nexine, die die Mikroturbuli zusammen halten als Gegenspieler -> Verbiegen der Cilie

Intermediärfilamente -

Intermediärfilamente bestehen aus langgestreckten, filamentösen Monomeren (Untereinheiten) -> nicht polar (kein Plus- & Minus-Ende)

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Lagern sich leicht versetzt (-> höhere Stabilität) zu immer größeren Strukturen aneinander -> ausgelegt auf Zugfestigkeit

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eine vielfältige Gruppe von Proteinen, die an vielen Stellen vorkommt:

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Keratine in Epithelien (Haut, Nägel, Haare)

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Vimentine und vimentinähnliche Protzeine (im Bindegewebe, Muskelzellen, …)

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Neurofilamente (in Nervenzellen)

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Kernlamina -> kleidet die Kernhülle von innen aus -> sorgt für Festigkeit des Zellkerns

Intermidärfilamente sind essentiell für die Integrität von Epithelien und auch für ZellZell-Verbindungen -> z.B. defektes Keratin sorgt dafür, dass sich Epitel...