TEIL 5 - Department für Chemie

Universität für Bodenkultur Wien
Department für Chemie
TEIL 5:
Stoffwechselregulation
Hormone – Endokrinologie
Enzymregulation
Beispiel: Stoffwechselvorgänge in der Leber
Immunologie
04.05.2012
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I
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Erika Staudacher
1
STOFFWECHSEL-REGULATION
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genetische Ebene : Expression ja oder nein
Kompartimentierung
Energiehaushalt : Beispiel Glykolyse
Hormone
Enzyme
Signalvermittlung
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2
HORMONE - ENDOKRINOLOGIE
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Hormone sind Regulationsstoffe, die vom Organismus selbst (oft in
anatomisch abgegrenzten "endokrinen Organen") produziert werden.
Sie erreichen auf dem Blutweg ein oder mehrere Erfolgsorgane und
beeinflussen deren Stoffwechsel charakteristisch.
Für die Wirkung sind meist nur sehr geringe Konzentrationen notwendig
(Mikrogrammbereich !).
Analyse der Wirkungsweise:
- Beobachtung der Veränderung bei Zufuhr großer Mengen
- Beobachtung der Veränderung nach Entfernen der
hormonproduzierenden Drüse
ACHTUNG: auch gegenseitige Beeinflussung !
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3
Beispiele:
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Schilddrüsenhormon: Wirkung stark dosisabhängig
- Steigerung der Proteinbiosynthese in Leber, Muskel, Gehirn,..
- erhöhter Energieverbrauch (ATP),
- Einfluss auf Wachstum und Teilung von Zellen
ABER wenn zu viel: herabgesetzte Glukosetoleranz, zu
schneller Insulinabbau,
bei Amphibien: beschleunigte Metamorphose
(Kaulquappe - Frosch)
Hormone des Nebennierenmarks: Adrenalin, Noradrenalin
- chemische Erregungsübertragung zwischen 2 Nervenzellen
- Herztätigkeit (Frequenz, Schlagvolumen)
- Erhöhung der Glukosekonzentration
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Pankreashormone: Glukagon, Insulin, Somatostatin
Insulin:
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- erhöht Zellpermeabilität: erhöhte Aufnahme von
Monosacchariden
- Induktor von Schlüsselenzymen der Glykolyse und
- Vermehrte Bildung von Fettsäuren
- Stimulierung der Aminosäurenaufnahme
Glukagon:
- wirkt wie Adrenalin aber selektiv auf die Leber, es
kommt zu Aktivitätssteigerung von Leberenzymen
- unterstützt Proteinabbau, es kommt zu vermehrter
Harnsäure bzw. Harnstoffproduktion
- Freisetzung von nichtveresterten Fettsäuren ins Blut
Somatostatin
- Wachstumshormon mit hoher Artspezifität
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5
Hormone der Nebennierenrinde:
Glucocorticoide:
- hauptsächlich Kohlenhydrathaushalt
Mineralocorticoide:
- hauptsächlich Kalium-Natrium-Haushalt
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Hypophysenvorderlappen, Plazenta:
Adrenocorticotropes Hormon: - kontrolliert Bildung und
Ausschüttung der Nebennierenrindenhomone
Hypothalamus, Hypophysenvorderlappen, Nebennierenrinde,
Testes, Ovar: Sexualhormone:
- Wachstum und Entwicklung der Fortpflanzungsorgane
- Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale
- monatlicher Zyklus
- Ablauf einer Schwangerschaft
- Laktation, Auslösung von Brutinstinkten
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Melanozyten stimulierendes Hormon - ermöglicht Kaltblütern
das Verändern der Hautfarbe
Melatonin - bei Kaltblütern der Antagonist zum
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Vorangegangenen
- bei Warmblütern Einfluss auf Gonaden junger Tiere
- ????
große Zahl von Thymushormonen - regulieren Geschwindigkeit von
Wachstum und Entwicklung
Serotonin - wirkt auf glatte Muskulatur der Gefäße, des Respirationsund Gastrointestinaltraktes,
- Neurotransmitter
Histamin: Bestandteil von Bienengift, Speichel stechender Insekten,
Brennessel, ...
- unterschiedliche Einflüsse auf glatte Muskulatur je nach Organ
Erythropoetin - Steigerung der Hämsynthese im Knochenmark
Prostaglandine - Einfluss auf viele andere Hormone, weit verbreitet,
hohe Wirksamkeit
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Pflanzliche Hormone (Wuchsstoffe)
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AUXINE, Indolessigsäure (merismatische Gewebe, Samen): Universität
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Längenwachstum, apikale Dominanz, hemmen
Nebentriebe, Differenzierung der Gewebe;
GIBBERELLINE (Wurzeln, Samen): Regulation von Blühen und
Fruchten, beenden Ruhephasen, Längenwachstum des
Sprosses;
CYTOKININE (Wurzelspitzen, Adeninderivate):Gewebedifferenzierung,
Blattwachstum, Zellteilung;
ABSCISINSÄURE (Blätter): Antagonist der Auxine, Gibberelline und
Kinine, hemmt Keimung von Samen und Wachstum der Triebe,
fördert Blatt- und Fruchtfall, Winterruhe der Knospen;
ETHYLEN (alle Zellen, gasförmig): Regulation der Fruchtreife;
SYSTEMIN (höhere Pflanzen. Polypeptidhormon aus 18 Aminosäuren):wird
bei Verletzungen freigesetzt, aktiviert pflanzliches Abwehrsystem.
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ENZYMREGULATION
genet. Ebene
reversible chemische Modifikationen
irreversible chemische Modifikationen
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Allosterie
Inhibition
positive oder negative Rückkoppelung (muß nicht direktes Produkt
sein - Kaskade)
Coenzymkonzentration
Substratkonzentration (Metabolit)
Enzymkonkurrenz
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Aminosäureabbau in der Leber
Transport
im Blut
Aminosäuren
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Proteinsynthese
in den Geweben
Pyruvat
Gluconeogenese
Transaminierung,
Oxidation
Glucose
Leber- und
Plasmaproteine
NH3
Harnstoffcyclus
Acety-CoA
Tricarbonsäurecyclus,
Elektronentransport
Porphyrine
ATP
CO2 + H2O
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Harnstoff
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Lipidabbau in der Leber
Plasmalipide und
Lipoproteine zum
Transport in andere
Gewebe
Lipide
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Fettsäuren
Oxidation
Lipide,
Steroide
Acetyl-CoA
Transport in andere
Gewebe zur Oxidation
Tricarbonsäurecyclus,
Elektronentransport
Transport in
andere Gewebe
CO2 + H2O
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ATP
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Glucose-Abbau in der Leber
Glucose-6-phosphat
Glucose-6-phosphatase
Blutzucker
Glykolyse
Pyruvat
Transport zu
anderen Geweben
zur Oxidation
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Glykogen
NADPH zur
Fettsäure- und
Steroidsynthese
Acetyl-CoA
Tricarbonsäurecyclus,
Elektronentransport
Fettsäuren
Lipide,
Lipoproteine
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CO2 + H2O
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ATP
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IMMUNOLOGIE
Definition: ??
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„Befasst sich mit der körpereigenen Abwehr von Infektionen.“
„Aufgabe: Wirbeltiere vor Infektionen zu schützen.“
„Verantwortlich für die Unterscheidung eigen-fremd.“
„Proteinerkennung und spezifische, schnelle Reaktion darauf.“
„Charakterisiert durch Spezifität, Toleranz, Gedächtnis.“
Mikroorganismen finden im tierischen Körper verschiedene
Bedingungen:
trocken - feucht (Haut - Mundhöhle)
aerob - anaerob (Lunge - Darm)
pH-Wert
Nährstoffangebot
jeder Organismus bevorzugt andere Stelle
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ABLAUF:
* Kontakt mit Mikroorganismus
* Anheftung an Haut oder Schleimhaut (wirtsspezifisch,
gewebespezifisch, über Rezeptoren)
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* Eindringen = Invasion (verletzte Stelle, durch Medikamente
geschwächte Schleimhaut, Bakterielle Enzyme helfen
beim Eindringen: Hyaluronidase, Kollagenase,
fibrinolytische Enzyme)
* (eventuell Transport zum Zielorgan mit Blut oder Lymphe)
* Kolonisierung / Wachstum: es bildet sich ein Infektionsherd
symptomlos (eventuell später !)
Schädigung des Wirts (meist durch Toxine),
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TOXINE:
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- Exotoxine: sind Proteine
° greifen Zellbausteine enzymatisch (z.B. Lecithinasen,
Phosphatasen) an, es kommt zur Lyse der Zelle
° Stimulation einer überschießenden Immunantwort,
es kommt zu systemischen Entzündungen
° Untereinheit des Toxins dringt in die Zelle und
unterbricht die Proteinbiosynthese,
° Enterotoxine = Exotoxine im Dünndarm: führen zu
starker Flüssigkeitsabsonderung (z.B. Cholera)
- Endotoxine: sind Lipopolysaccharide
° beeinflussen das Wärmezentrum
(z.B. Salmonellen)
° generalisierte Entzündungen
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Fieber !
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Tierarten gegenüber bestimmten Infektionen sehr
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unterschiedlich empfindlich !
(z.B. Milzbrand
Mensch: einige Pusteln, Rind: tödliche Blutvergiftung)
Infektionsanfälligkeit abhängig von
- Tierart
- genetischer Disposition des Individuums
- Alter (sehr junge und sehr alte Individuen sind empfindlicher)
- Stress
- Ernährungszustand (Mangel, aber auch zu viel - Darmflora)
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Gegenmassnahmen des Organismus
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* MECHANISCH: z.B. Schleimhautabsonderung,
* ENZYMATISCH: Enzyme in Körperflüssigkeiten, die
Bakterien abtöten,
* UNSPEZIFISCHE IMMUNANTWORT: Phagocyten zerstören
eingedrungene Zellen (über Bildung von
Sauerstoffradikale)
* SPEZIFISCHE IMMUNANTWORT: Bildung von Antikörpern
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Spezifische Immunantwort charakterisiert
durch:
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SPEZIFITÄT: Ein Antikörper reagiert nur mit einem einzigen
Antigen.
GEDÄCHTNIS: jeder weitere Kontakt mit dem Antigen löst eine
schnellere Reaktion aus und erzeugt eine größere Menge an
spezifischen Antikörpern.
TOLERANZ: Zellen, die Antikörper gegen körpereigene Proteine
produzieren werden während der Embryonalentwicklung
vernichtet.
pathogenspezifisches Abwehrsystem
körpereigene Antigene werden toleriert,
fremde Antigene werden zerstört
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Zellvermittelte Immunität:
- cytotoxische T-Zellen: reagieren direkt mit
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Antigen-tragenden Zellen,
- T-Helferzellen: sezernieren Cytokine, die
Effektorzellen aktivieren, welche dann die Antigen-tragenden
Zellen zerstören;
Humorale Immunität:
- B-Lymphocyten produzieren Immunglobuline oder
Antikörper. Diese kommen an der Oberfläche der
B-Lymphocyten oder als lösliche Proteine im Serum
und anderen Körpersekreten vor und können die
Antigene neutralisieren oder zerstören.
Alle an der Immunantwort beteiligten Zellen befinden sich hauptsächlich im
Blut oder der Lymphflüssigkeit.
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Entwicklung der wesentlichen an der Immunantwort
beteiligten Zellen
Stammzelle des
Knochenmarks
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Blutplättchen
Myeloide Vorläuferzelle
Lymphoide Vorläuferzelle
Reifung im
Thymus
Monocyten Polymorphkernige Mastzelle
Leukocyten
T-Zellen
Y
Y
Y
Y
Makrophagen
Antikörper
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Reifung im
Knochenmark
I
Plasmazellen
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B-Zellen
Gedächtniszellen
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Angeborenes Immunsystem:
- Makrophagen: umschließen eingedrungene
Erreger und verdauen sie.
- Mastzellen: setzen entzündungsfördernde
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Substanzen frei (z.B. Histamine)
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- Granulocyten (Neutrophile, Eosinophile, Basophile) setzen sowohl
entzündungsfördernde Substanzen frei, können auch
wie Makrophagen wirken.
- Dendritische Zellen: präsentieren den Zellen des adaptiven
Systems Antigene und regen diese an.
- Natürliche Killerzellen: zerstören befallene und entartete
körpereigene Zellen.
Adaptives Immunsystem:
- B-Zellen: werden durch körperfremde Substanzen (Antigene)
zur Antikörperproduktion angeregt.
- T-Zellen: Killer-T-Lymphozyten zerstören Zellen, die ein von ihnen
erkanntes Antigen tragen. Helfer- und regulatorische
T-Lymphozyten koordinieren die Immunreaktion.
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Menschliche Immunglobuline
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Eigenschaften
extrazelluläre Flüssigkeit:
Blut, Lymphe
IgA
wichtigster zirkulierender
Antikörper, aktiviert
Komplementsystem
erster Antikörper der
erscheint, aktiviert
Komplementsystem
wichtigster Antikörper des
Serums,
IgD
zirkulierend, geringe
Bedeutung
Blut, Lymphe, Oberfläche
von B-Zellen
IgE
an allergischen Reaktionen Blut, Lymphe, bindet an die
beteiligt
Oberfläche von Mastzellen
IgG
IgM
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Vorkommen
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Blut, Lymphe, Monomer auf
der Oberfläche von BZellen
Speichel, Kolostrum,
Intestinaltrakt
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Immunglobulin G
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Molekulargewicht: ~ 150 000 Da
4 Polypeptidketten verbunden über
Disulfidbrücken
Leichte Ketten: 1 konstante, 1 variable
Domäne,
Schwere Ketten: 3 konstante, 1 variable
Domäne
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MHC-Proteine: (Produkte der Gene des
Haupthistokompatibilitätskomplexes)
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Bringen Antigenpeptide an die Oberfläche von
Zielzellen oder antigen-präsentierenden Zellen,
von wo aus diese Peptide mit den T-Zell-Rezeptoren auf T-Zellen
in Wechselwirkung treten können.
Komplementsystem:
Besteht aus verschiedenen Proteinen, von denen einige
enzymatische Aktivität besitzen;
Reagieren mit Antigen/Antikörper-Komplexen, schädigen die
Zellmembran oder lysieren Bakterienzellen.
Vorteil: Körper muß nicht für jedes Antigen eigenes System
zur Zerstörung aufbauen.
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Immunisierung
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Infektion - natürliche aktive Immunität
Injektion des Antigens (Impfung) - künstliche aktive Immunität
Injektion von Antiserum - künstliche passive Immunität
Mütterliche Antikörper im Blut von Säuglingen - natürliche passive Immunität
aktiv
passiv
Kontakt mit Antigen
ja
nein
Aktivierung des Immunsystems
ja
nein
Immunantwort wird aufrecht erhalten
(Gedächtnis)
ja
nein
einige Wochen
sofort
Zeit bis zur vollen Immunität
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Fehlfunktionen
Immunsystem (zu) schwach:
- erblich bedingt
- Erstinfektion
- Ernährungszustand
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- Lebensalter
- Mehrfachinfektion
- Einfluss von Medikamenten
Überschießende Reaktion des Immunsystems:
- Allergie (IgE)
Pollen, Insektengifte, Lebensmittel, Pilzsporen,
Hausstaubmilben, Penicillin, Tierhaare, ....
- Autoimmunerkrankungen
juveniler Diabetes (>< Langerhanssche Inseln)
rheumatoide Arthritis ( >< Knorpel)
systemischer Lupus erythematodes
( >< verschiedene Zellbestandteile)
multiple Sklerose ( >< Zentralnervensystem)
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Neu im Jahr 2010
Neutrophile Granulocyten:
Lebensdauer: 6 Stunden, am Ende formen
sie ein Netz aus DNA und toxischen
Proteinen um Bakterien zu bekämpfen.
J. Cell. Biol 191, 677-691 (2010)
Bakterielles “Immunsystem”:
DNA-Sequenzen aus früheren
Infektionen kodieren für crRNA. Diese
Fragmente bilden Komplexe mit
spaltenden Enzymen.
Nature 468, 67-71 (2010)
Infektionen
4 May 2012
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