Die Zelle - Biochemie
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Einteilung der Lebewesen: klassisch 1 Dr. G. Mehrke 2009 Einteilung der Lebewesen: modern 2 Dr. G. Mehrke 2009 < 2% Unterschiede in der DNA zwischen Mensch & Schimpanse 3 Dr. G. Mehrke 2009 Organismus - Zelle • Zelle • Gewebe • Organe • • Verband gleichartiger Zellen • Verband mehrerer Gewebe – anatomisch funktionelle Einheit • Organismen 4 Dr. G. Mehrke 2009 1raues ER 2 Zellkern 3 Mitochondrium 4 Cytoplasma 5 Zellmembran 6 Zytoskelett 7 glattes ER 8 Lysosom 9 Golgi-Apparat 5 Dr. G. Mehrke 2009 Die Zelle im Überblick •Zelle ist abgegrenzte Einheit; Stoff- und Informationsaustausch mit dem umgebenden Medium •Unterschiedliche „Kompartimente“ als unterschiedliche chemische Reaktionsräume (pH, Ionen) 6 Dr. G. Mehrke 2009 Die Plasmamembran •„Selbstorganisierend“; flexibel; kann sich eigenständig schließen; •Undurchlässig für hydrophile Substanzen, durchlässig für lipohile (Gase!) •Selektiv permeabel für Ionen und polare Substanzen dank spezieller „Proteinporen“ •„Flüssigmosaikmodell“ der Plasmamembran •zweidimensionaler chemischer Reaktionsraum (höhere Interaktions-wahrscheinlichkeit für Reaktionspartner) •„Kondensatormodell“ der Plasmamembran (Ladungstrennung) Dr. G. Mehrke 2009 7 Phospholipide • Polare Phospholipide bilden eine doppelte Lipidschicht 8 Dr. G. Mehrke 2009 Lipid-Doppelschicht 9 Dr. G. Mehrke 2009 Cholesterol Cholesterol „versteift“ die Membran Grundsubstanz für Stoffwechselprodukte (Hormone) 10 Dr. G. Mehrke 2009 Die Plasmamembran: „Transporter“ und „Pumpen“ 11 Dr. G. Mehrke 2009 Die Plasmamembran: Endozytose, Exozytose 12 Dr. G. Mehrke 2009 Die Zellorganellen 13 Dr. G. Mehrke 2009 Das interne Membransystem 14 Dr. G. Mehrke 2009 Das interne Membransystem: ER Labyrinthartiger, membranumschlossener Raum (hier in grün) „raues“ endoplasmatisches Reticulum (ER): Proteinsynthese „glattes“ER: Lipidstoffwechsel Dr. G. Mehrke 2009 •intrazellulärer Calciumspeicher (Ausschüttung bei Muskelkontraktion) 15 Endoplasmatisches Retikulum 16 Dr. G. Mehrke 2009 Ribosomen Proteinsynthese 17 Dr. G. Mehrke 2009 Das interne Membransystem: Golgi-Apparat •flache Stapel von membranumschlossenen Räumen •Vesikel •„posttranslationale Modifikation“; „Reifung“ von Proteinen; „Adressierung“; Transport 18 Dr. G. Mehrke 2009 19 Dr. G. Mehrke 2009 Das interne Membransystem: Lysosomen •der „Magen“ der Zelle •enthalten Enzyme, die Proteine, Polysaccharide und Lipide abbauen können •„Recycling“ von nicht mehr funktionellen Zellbestandteilen; Verdau von komplexen Molekülen (durch Endozytose aufgenommen) •niedriger pH-Wert ( pH 5); optimal für lysosomale Enzyme 20 Dr. G. Mehrke 2009 Das interne Membransystem: Peroxisomen •Isolierte Reaktionsräume für chemische Reaktionen, bei denen agressive Verbindungen entstehen (z.B. freie Radikale, H2O2) •hohe Konzentrationen von Katalase 21 Dr. G. Mehrke 2009 Der Zellkern •„Steuerzentrale“ •enthält nahezu die gesamte Zell-DNA (Chromatin - Chromosomen) •Ort der „Transkription“ (RNA-Synthese) 22 Dr. G. Mehrke 2009 Der Zellkern: Chromosomen, Chromatin 23 Dr. G. Mehrke 2009 Der Zellkern: Chromosomen, Chromatin 24 Dr. G. Mehrke 2009 Die Mitochondrien der Zelle •katalysieren die Oxidation energiereicher organischer Nährstoffe durch O2 Energieübertragung auf ATP •entstehen nur durch Teilung bereits vorhandener Mitochondrien •enthalten eigene DNA, RNA und Ribosomen •„Endosymbionten“-Theorie •„Kraftwerke“ 25 Dr. G. Mehrke 2009 Die Mitochondrien 26 Dr. G. Mehrke 2009 Biochemie: Zellen und ihre Kompartimente Das Cytoplasma Wässrige Phase mit großer Zahl gelöster nieder- und hochmolekularer Substanzen, RNA Dr. G. Mehrke 2009 27 Das Cytoskelett 28 Dr. G. Mehrke 2009 Was ist das Cytoskelett? • • • Protein-Netzwerk im Zellplasma Keine statische Struktur Zweck: – Form & Stabilität der Zelle – Lage der Organellen – Transporte innerhalb der Zelle – Bewegung der Zelle – Wichtig bei Zellteilung • Beinhaltet drei Komponenten/Proteine: – Mikrotubuli (im Bild grün) – Mikrofilamente (Aktin-Filamente, im Bild rot) – Intermediär-Filamente Floureszenzmikroskopie eines Zytoskelettes einer Drüsenzelle 29 Dr. G. Mehrke 2009 Aufbau des Cytoskelettes 30 Dr. G. Mehrke 2009 Proteinnetzwerk der Zelle schematisch dargestellt 31 Dr. G. Mehrke 2009 Mikrotubuli Mikrotubuli Netzwerk 32 Dr. G. Mehrke 2009 Mikrotubuli • Röhrenförmige Proteine bestehend aus Alphaund Beta- Tubulindimere (in Helizes polymerisiert) • • Durchmesser: 15-25 nm Besitzen zwei „unterschiedliche“ Enden (polar): – – – • Am Plus (alpha) Ende findet die Polymerisation schneller statt (im Ggs. Zum Minus (beta) Ende) Transport (von Vesikeln, Mitochondrien, etc.) findet gerichtet statt (Motorprotein-abhängig) Bilden sich an dem MTOC und kann dort auch abgelöst werden Funktion: – – Stabilität der Zelle Stofftransport (Trennung der Chromosomen bei Zellteilung) Bildung der MT Materialtransport an einem MT 33 Dr. G. Mehrke 2009 Mikrofilamente Aktin Filament-Netzwerk Mit Myosin dekorierte Aktin Filamente: Die Asymmetrie der Helizes geben uns die Information, wo welche Enden liegen (Pfeil zeigt in „pointed end“ = Minus Ende) 34 Dr. G. Mehrke 2009 Mikrofilamente • • • • • Hauptprotein: Aktin; zwei aus Aktinmonomeren polymerisierte Ketten bilden ein Aktin-Filament (d~7nm) Die Zelle wird unterhalb der Plasmamembran mit AktinFilamenten vernetzt Auch hier polare Enden mit schnell wachsenden PlusEnde bzw. langsam wachsenden Minus-Ende Aktin-Filamente sind rund 30 mal länger als MT Funktion: – Stabilität durch das Vernetzen mit Verbindungsproteinen – Stofftransport (kurzstreckig) von Vesikeln – Fixierung von Transmembranproteinen (Kanäle, Rezeptoren, etc) – Zellmotilität durch gezielte Polymerisierung sowie Myosin-Aktin WW (Muskelfaser) 35 Dr. G. Mehrke 2009 Intermediär-Filamente Intermediär-Filament-Netzwerk Intermediär-F. (blau eingefärbt) wechselwirken mit Mikrotubuli (rot) durch u.a. Plektin Proteinen (grün) 36 Dr. G. Mehrke 2009 Intermediär-Filamente • Durchmesser: 8-12nm, somit zwischen MT und Mikrofil., Aufgebaut aus versch. Faserproteinen • Aufbau: – Zwei Monomere verknüpfen sich parallel zu einem Dimer – Zwei Dimere verknüpfen antiparallel zu einem Tetramer – Mehrere Tetramere verbinden sich parallel zu einer Protofibrille, diese können Bündel bilden (Tonofilamente) • Gewebsspezifische Proteine. Beispiele: Keratin, Desmin, Neurofilamente Durchspannt die komplette Zelle Funktion: – Auch hier Stabilität der Zelle – Fixierung der Zellorganellen – nicht beteiligt an Zellmotilität • • 37 Dr. G. Mehrke 2009 Zellbewegung / Zellmigration + Immunantwort + Reparation von Gewebe - chronische Entzündungen - Tumor und Metastasenbildung Zellmotilität (Zellbeweglichkeit) Komplexes Zusammenspiel vieler Bestandteile 38 Dr. G. Mehrke 2009 Vorgang der Zellmigration • • • Externes chemotaktisches Signal Signal wird ins Zellinnere geleitet Lokale Aktivierung von „Crosslinkern“ • Und Polymerisation von Aktin Fortsatzbildung • Ausbildung eines Bogens • Anheften an das Substrat (spezielle Komplexe sammeln sich an) • Der Zellkörper wird durch Actomyosin-Filamente nach vorne gezogen • Der letzte „Fuß“ wird losgelassen und nach vorne gezogen 39 Dr. G. Mehrke 2009 Richtungsfindung • • • Der Fortsatz selber ist hart Die Vorschubkräfte sind aber klein Ab 300 Pa Widerstand zieht sich der Fortsatz ein Stück zurück und ändert dann zufällig seine Wachstumsrichtung Durch Druck auf die Zellmembran werden Ca2+ Kanäle geöffnet. Ca2+ aktiviert Gelsolin, das die Depolimerisation von Aktin bewirkt 40 Dr. G. Mehrke 2009 Cytoskelett als Teil eines mechanischen Sensors • • • • An gedehntes und nicht gedehntes Cytoskelett können unterschiedliche Proteine binden (Erfolgsorgan) Druck auf die Zelle kann sich auf die Transkription von Cytoskelettproteinen auswirken. Das Cytoskelett ist dafür geeignet, Kraft in weit entfernte Regionen der Zelle weiter zu geben. Z.B. entstehen chemische Stoffe an anderen Stellen als die Kraft ausgeübt wird. Transmembranproteine enthüllen bei Krafteinwirkung Schlüsselstellen, an die Cytoskelett-Linker anbinden können. Diese Konformationsänderung und eine höhere Konzentration von den Komplexen für die Adhäsion helfen Zelle größere Kräfte auszuüben. Z.B. bei steifem Untergrund 41 Dr. G. Mehrke 2009 Prüfen des Zelluntergrunds • • • • • Viele Zellen wachsen nur auf einem Untergrund gut, der die gleiche Steifigkeit hat, wie sie selbst. Z.B. zeigt Zellwachstum auf weichem Agar-Gel Krebszellen an. Zellen überprüfen ihre Umgebung, indem sie daran ziehen (Kontraktion durch Myosin) und auf gute Adhäsion (Anhaften an den Untergrund). Wenn man das Myosin blockiert, erkennen die Zellen harten Untergrund nicht mehr. Sie passen sich in gewissem Maß an den Untergrund an. 42 Dr. G. Mehrke 2009 43 Dr. G. Mehrke 2009 Biochemie 44 Dr. G. Mehrke 2009 Physiologische Chemie 45 Dr. G. Mehrke 2009 Chemische Elemente Elemente und Verbindungen 46 Dr. G. Mehrke 2009 Chemische Elemente Wasserstoffatom Ein Proton Ein Elektron Symbol: H + 47 Dr. G. Mehrke 2009 Periodensystem der Elemente Periodensystem 48 Dr. G. Mehrke 2009 49 Dr. G. Mehrke 2009 Chemische Elemente Die wichtigsten sind: Sauerstoff Kohlenstoff Wasserstoff Stickstoff O C H N diese vier Elemente bilden 96% der Körpermasse Phosphor P Schwefel S Natrium Na Chlor Cl Kalium K Calcium Ca Magnesium Mg diese Mineralstoffe bilden weitere 3% der Körpermasse. Das verbleibende Prozent bilden die Spurenelemente, die nur in Spuren im menschlichen Organismus vorkommen. 50 Dr. G. Mehrke 2009 Mineralien 51 Dr. G. Mehrke 2009 Chemische Bindungen Kovalente Bindungen und Ionenbindungen • kovalente Bindung: sie ist sehr stabil und bleibt auch dann erhalten, wenn die entsprechende Verbindung in Lösung gebracht wird; z.B. Traubenzucker (Glucose, C6H12O6) in Wasser. • Ionenbindung: in Lösung gebracht, wird die Bindung aufgespalten und es entstehen elektrisch geladene Teilchen, Ionen; z.B. Kochsalz NaCl Na+ + Cl- in Wasser. 52 Dr. G. Mehrke 2009 Kovalente Bindung Gemeinsame Elektronen der äußeren Schale vermitteln die Bindung 53 Dr. G. Mehrke 2009 Ionenbindung Elektronenübertragung führt zur Bildung von positiven (Kationen) und negativen (Anionen) Ionen 54 Dr. G. Mehrke 2009 NaCl Kristallstruktur 55 Dr. G. Mehrke 2009 Wasser „trennt“ die Ionen - + In Lösung liegen Na+ und Cl- vor Ionen: geladene Teilchen + NaCl Na+ + Cl56 Dr. G. Mehrke 2009 Säuren und Basen • Säuren geben in wässriger Lösung H+-Ionen ab • Basen können H+-Ionen aufnehmen. • Je mehr H+-Ionen sich in einer Lösung befinden, desto saurer ist diese Lösung. Je weniger H+-Ionen sich darin befinden, desto basischer (alkalischer) ist die Lösung. • Der pH-Wert ist der negative Zehnerlogarithmus der Konzentration von H+Ionen in einer Lösung; z.B. 10-3 mol/l H+-Ionen pH 3 – saure Lösungen haben einen pH-Wert 7 – neutrale Lösungen, z.B. reines Wasser haben einen pH-Wert 7 – basische/alkalische Lösungen haben einen pH-Wert 7 – Der pH-Wert kann zwischen 0 und 14 liegen. Die pH-Werte im Körper werden in sehr engen Grenzen gehalten und bewegen sich um den Wert 7,4. Dies geschieht durch „Puffersysteme“. Der wichtigste Puffer ist der Natriumbikarbonatpuffer. • Na2CO3 2Na+ + CO32- CO32- + H+ HCO3- HCO3- + H+ H2CO3 57 Dr. G. Mehrke 2009 Wichtige Stoffgruppen der Biologie Eiweiße (Proteine) Eiweiße sind aus Aminosäuren aufgebaut, die kovalent miteinander verbunden sind. Es gibt 20 verschiedene Aminosäuren (AS). AS bestehen aus der COOH-Gruppe (Carboxylgruppe), einer NH2-Gruppe (Aminogruppe), einem Wasserstoffatom und einenem variabler Rest. Durch diesen variablen Rest unterscheiden sich die 20 Aminosäuren. 58 Dr. G. Mehrke 2009 Aminosäure 59 Dr. G. Mehrke 2009 60 Dr. G. Mehrke 2009 Peptid Insulin 61 Dr. G. Mehrke 2009 Proteine Räumliche Struktur der Proteinketten Myoglobin 62 Dr. G. Mehrke 2009 Lipide Neutralfette 63 Dr. G. Mehrke 2009 Fette Phospholipid Neutralfett 64 Dr. G. Mehrke 2009 Kohlenhydrate Glukose Fruktose 65 Dr. G. Mehrke 2009 Kohlenhydrate Glykogen 66 Dr. G. Mehrke 2009 Nukleinsäuren • Phosphorsäure • (Desoxy-)Ribose • Nukleinbase (Adenin – Thymidin [Urazil] – Cytosin – Guanin) 67 Dr. G. Mehrke 2009 Molekulargewicht - Molarität Ein Mol entspricht dem Molekulargewicht in Gramm Konzentrationen von Substanzen werden in mol/l angegeben Beispiel: NaCl Eine 1 molare Lösung von NaCl (Mol.Gew.: 58,44 g) enthält 58,44 g pro Liter 68 Dr. G. Mehrke 2009 Diffusion ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur Durchmischung zweier Stoffe führt. Diffusion bewirkt den Abbau von Konzentrationsunterschieden bis hin zur vollständigen Durchmischung VD = K * DC Die Diffusionsgeschwindigkeit ist proportional zum Konzentrationsunterschied DC 69 Dr. G. Mehrke 2009 Diffusion Konzentrationsunterschiede gleichen sich aus Permeable Membran 70 Dr. G. Mehrke 2009 Osmose Osmose, die Bewegung von Wasser durch eine semipermeable Membran aufgrund eines Unterschieds im osmotischen Druck. Wasser wandert von der Lösung mit niedriger Konzentration (geringer osm. Druck) zur Lösung höherer Konzentration (hoher osm. Druck) 71 Dr. G. Mehrke 2009 Das Gleichgewicht ist erreicht, wenn osmotischer Druck und hydrostatischer Druck sich die Waage halten. Osmotischer Druck: [osmol]: Konzentration in mol/l 72 Dr. G. Mehrke 2009 Zusammenfassung • Chemische Elemente liegen als Verbindungen vor • Wichtigste Elemente: H – C – O – N • Die Kovalente Bindung ist sehr fest • Die Ionenbindung führt zur Bildung von Ionen (geladenen Teilchen) in Lösung • 4 verschiedene Stoffgruppen: Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße, Nukleinsäuren 73 Dr. G. Mehrke 2009 Zusammenfassung • Verbindungen die H+-Ionen freisetzen sind Säuren • Verbindungen die H+-Ionen binden (OH--Ionen freisetzen) sind Basen • Der pH-Wert gibt die Konzentration der H+-Ionen an (Säurewert) [neg. Log. der H+-Ionen-Konz.] • pH 0 bis < 7 -sauer; pH 7 – neutral; pH >7 bis 14 alkalisch • Puffer können H+-Ionen binden und freisetzen 74 Dr. G. Mehrke 2009 Zusammenfassung • Diffusion und Osmose bewirken einen Konzentrationsausgleich durch Wanderung von gelösten Teilchen oder Lösungsmittel (Osmose – semipermeable Membran) • Der osmotische Druck ist proportional zur Konzentration des gelösten Stoffes. Maßeinheit: osmol 75 Dr. G. Mehrke 2009
