Zellbiologie: Zytoskelett, Zellzyklus, Zelltod, Signaltransduktion

**Zytoskelett**

Das Zytoskelett ist eine dynamische Struktur, die aus drei Hauptkomponenten besteht:

• Mikrotubuli
• Mikrofilamente
• Intermediärfilamente

Diese drei Komponenten sind ATP-Katalysatoren.

Mikrotubuli

Mikrotubuli bestehen aus dem Protein Tubulin. Sie haben einen Durchmesser von 25 nm, bilden die mitotische Spindel und sind am Transport von Vesikeln in der Zelle beteiligt. Sie entstehen aus dem Kern und der Zellmembran. Im Gegensatz zu den anderen beiden Komponenten des Zytoskeletts organisieren sie sich in einem einzelnen Kanal, da sie Proteine organisieren.

Intermediärfilamente

Intermediärfilamente bestehen aus Faserproteinen, die sich miteinander verbinden. Sie organisieren das Zentrum der Zelle, verleihen ihr mechanische Stabilität und sind überall in der Zelle zu finden. Ihr Durchmesser beträgt 10 nm.

Mikrofilamente

Mikrofilamente bestehen aus dem Protein Aktin, das eine Doppelhelix bildet. Sie sind dynamisch und kontrollieren die Bewegung und Form der Zelle. Sie befinden sich in der Nähe der Zellmembran und haben einen Durchmesser von 5 nm.

Zellzyklus

Der Zellzyklus ist der Prozess, bei dem sich eine Zelle teilt, um zwei identische Tochterzellen zu erzeugen. Er gliedert sich in drei Phasen:

1. Interphase

Die Interphase ist der Prozess, der der Mitose vorausgeht. In dieser Phase sind die Chromosomen nicht unterscheidbar.

• G1-Phase: Die Zelle wächst und bereitet sich auf die Teilung vor.
• S-Phase: Die Proteinsynthese findet statt und das genetische Material wird dupliziert.
• G2-Phase: Die für die Teilung (Mitose) notwendigen Komponenten werden synthetisiert.

2. Mitose

Die Mitose ist die eigentliche Zellteilung und gliedert sich in vier Phasen:

• Prophase: Das genetische Material kondensiert und bildet die mitotische Spindel.
• Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in zwei Chromatidensätze an.
• Anaphase: Das genetische Material kondensiert weiter, die Chromosomen bewegen sich zu den Polen und die Kernhülle (Karyothek) geht verloren.
• Telophase: Die Chromosomen dekondensieren und die Kernmembran bildet sich neu.

3. Zytokinese

Die Zytokinese ist die Teilung des Zytoplasmas, wodurch zwei separate Tochterzellen entstehen. An diesem Prozess sind zwei Proteinklassen beteiligt:

• Kinasen (z.B. CAK): Enzyme, die Phosphatgruppen hinzufügen und Cyclin-abhängig sind.
• Phosphatasen: Enzyme, die Phosphatgruppen entfernen.

Die Cyclin-Kinase-Aktivierung löst zelluläre Prozesse aus. MCDK initiiert die Mitose. CDK reguliert den Zellzyklus durch Phosphorylierung (CAK) und Dephosphorylierung (CDC25) mittels positivem Feedback. P53 erkennt beschädigte DNA. F21 hemmt CDK und stoppt so den Zellzyklus.

Zelltod

Es gibt zwei Hauptarten des Zelltods:

• Apoptose: Programmierter Zelltod, der keine Auswirkungen auf benachbarte Zellen hat und das Gleichgewicht in der Zelle aufrechterhält. Absterbende Zellen werden von Vesikeln erkannt. Die Zellreste werden von Makrophagen durch Phagozytose aufgenommen. Die Apoptose kann durch äußere oder innere Faktoren ausgelöst werden.
• Nekrose: Zelltod durch Trauma. Zellen platzen und ihr Inhalt schädigt benachbarte Zellen.

Äußere Faktoren des Zelltods: Viren oder andere externe Faktoren, die nicht von der Zelle selbst stammen, können den Zelltod auslösen. Sie binden an Rezeptoren und aktivieren die Proenzym-Caspase. Die Caspase empfängt das Signal, dass die Zelle absterben soll.

Drei Faktoren, die die Anzahl und Größe der Zellen regulieren:

• Mitogene: Ausgeschiedene Proteine oder natürliche/künstliche Faktoren, die das Zellwachstum oder die Zellgröße beeinflussen.
• Wachstumsfaktoren: Erhöhen die Zellmasse durch die Produktion von Proteinen.
• Überlebensfaktoren: Aktivieren Anti-Apoptose-Faktoren.

Signaltransduktion

Signaltransduktion ist der Prozess, bei dem Zellen Signale empfangen und darauf reagieren. Zielzellen nehmen Signale auf und führen sie aus. Signalmoleküle können Proteine, Peptide, Aminosäuren, Nukleotide, Steroide oder Gase sein. Sie können an die Zellmembran oder im Zytoplasma wirken.

Vier Arten der Signalübertragung:

1. Endokrin: Das Signalmolekül wird ausgeschüttet und gelangt über den Blutkreislauf zum weit entfernten Rezeptor (z.B. Insulin aus der Bauchspeicheldrüse).
2. Parakrin: Die signalisierende Zelle produziert das Signal und der Rezeptor befindet sich in unmittelbarer Nähe.
3. Neuronal: Neuronen empfangen Impulse über Dendriten und leiten sie über das Axon weiter, um Neurotransmitter freizusetzen.
4. Kontakt-abhängig: z.B. im Immunsystem.

Ohne Rezeptor gibt es keine Antwort und die Zielzelle reagiert nicht. Die Wirkung eines Signalmoleküls hängt von zwei Faktoren ab:

• Zelltyp: Ein Signalmolekül kann in verschiedenen Zelltypen unterschiedliche Wirkungen haben.
• Rezeptortyp: Ein Signalmolekül kann an verschiedene Rezeptoren binden.

Wenn eine Zelle keine Signale empfängt, stirbt sie. Die Signalkaskade führt zur Aktivierung und schließlich zur zellulären Antwort. Ein Signalmolekül bindet an ein Rezeptorprotein, das intrazelluläre Signalwege aktiviert, die wiederum Zielproteine beeinflussen.

Extrazelluläre Matrix

Die extrazelluläre Matrix hängt von der zellulären Umgebung ab und besteht aus drei Teilen:

• Basalmembran
• Primäre Zellwand
• Plasmamembran

Kollagenfasern können einfach sein oder eine Dreifachhelix bilden, die Kollagenfibrillen genannt wird. Der Kollagentyp hängt von der Zelle ab, die es produziert (z.B. Fibroblasten in der Haut).

Zellverbindungen:

1. Tight Junctions: Bestehen aus Claudinen und Occludinen.
2. Adherens Junctions: Verbinden Aktinfilamente und bilden Adhäsionsgürtel, die eine große Zelle bilden.
3. Desmosomen: Cadherin-Proteine verankern Intermediärfilamente und binden an ähnliche Cadherine.
4. Hemidesmosomen: Bilden Verbindungen zwischen der Basalmembran und Intermediärfilamenten. An diesen Verbindungen sind Integrine und Lamine beteiligt.

Zelldifferenzierung

Die Zelldifferenzierung umfasst vier Phasen:

1. Zellteilung
2. Zellwachstum
3. Zellbewegung
4. Zellspezialisierung

Zelluläre Kommunikation: Interzelluläre Adhäsion und interzelluläres Gedächtnis spielen eine Rolle. Stammzellen und Vorläuferzellen differenzieren sich im Laufe der Teilung.

Terminale Differenzierung: Stammzellen können sich selbst erhalten und sich nicht teilen. Vorläuferzellen können sich zu myeloischen oder lymphatischen Zellen entwickeln, die sich dann weiter spezialisieren.

Totipotenz: Eine früh differenzierte Zelle kann die Fähigkeit zur Totipotenz besitzen, d.h. die Fähigkeit, einen vollständigen Organismus zu bilden (Klonen). Bei einer unbefruchteten Eizelle kann der Kern entfernt und durch den Kern einer zu klonenden Zelle ersetzt werden. Die Zelle beginnt sich zu teilen und es entsteht ein Embryo, der für therapeutische oder reproduktive Zwecke verwendet werden kann.

Krebs

Eigenschaften von Krebszellen:

1. Vermehrung entgegen üblicher Beschränkungen (gutartige Tumore).
2. Besiedlung von Gebieten, die anderen Zellen vorbehalten sind (maligne Tumore, Metastasierung).

Epidemiologie: Umweltfaktoren wie Lebensstil und Ernährung sowie genetische Veranlagung (Vererbung) spielen eine Rolle.

Weitere Eigenschaften von Krebszellen:

3. Unbegrenzte Vermehrung.
4. Genetische Instabilität.
5. Invasion in fremdes Gewebe.
6. Überleben und Vermehrung in fremden Geweben.

Zwei Arten von Krebsgenen:

• Protoonkogene: Normale Gene, die nicht zu Krebs führen.
• Onkogene: Mutierte Gene, die Krebs verursachen.

• A: Onkogenmutation (Zelle wird aktiviert).
• B: Tumorsuppressorgene (z.B. P53).

Ursachen für die Umwandlung von Protoonkogenen in Onkogene:

• Mutationen in der DNA-Sequenz.
• Genamplifikation.
• Chromosomen-Umlagerung.

Krebstherapie:

• Operation.
• Bestrahlung.
• Chemotherapie.
• Biologische Therapie: Antikörper in Verbindung mit Toxinen.