STOFFWECHSEL-REGULATION
Universität für Bodenkultur Wien
Department für Chemie
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Department für Chemie
genetische Ebene : Expression ja oder nein
TEIL 5:
Stoffwechselregulation
Hormone – Endokrinologie
Enzymregulation
Beispiel: Stoffwechselvorgänge in der Leber
Immunologie
Kompartimentierung
Energiehaushalt : Beispiel Glykolyse
Hormone
Enzyme
Signalvermittlung
04.05.2012
Biochemie für LW
I
Unit 5
I
Erika Staudacher
1
HORMONE - ENDOKRINOLOGIE
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Analyse der Wirkungsweise:
- Beobachtung der Veränderung bei Zufuhr großer Mengen
- Beobachtung der Veränderung nach Entfernen der
hormonproduzierenden Drüse
I
Unit 5
I
3
Erika Staudacher
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
I
Unit 5
I
Erika Staudacher
I
Erika Staudacher
2
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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)
04.05.2012
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I
Unit 5
I
4
Erika Staudacher
Hormone der Nebennierenrinde:
Glucocorticoide:
- hauptsächlich Kohlenhydrathaushalt
Mineralocorticoide:
- hauptsächlich Kalium-Natrium-Haushalt
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Hypothalamus, Hypophysenvorderlappen, Nebennierenrinde,
Testes, Ovar: Sexualhormone:
- Wachstum und Entwicklung der Fortpflanzungsorgane
- Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale
- monatlicher Zyklus
- Ablauf einer Schwangerschaft
- Laktation, Auslösung von Brutinstinkten
Somatostatin
- Wachstumshormon mit hoher Artspezifität
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Unit 5
Hypophysenvorderlappen, Plazenta:
Adrenocorticotropes Hormon: - kontrolliert Bildung und
Ausschüttung der Nebennierenrindenhomone
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
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I
Hormone des Nebennierenmarks: Adrenalin, Noradrenalin
- chemische Erregungsübertragung zwischen 2 Nervenzellen
- Herztätigkeit (Frequenz, Schlagvolumen)
- Erhöhung der Glukosekonzentration
ACHTUNG: auch gegenseitige Beeinflussung !
Biochemie für LW
Biochemie für LW
Beispiele:
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 !).
04.05.2012
04.05.2012
5
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I
Unit 5
I
Erika Staudacher
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1
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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I
Unit 5
I
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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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genet. Ebene
reversible chemische Modifikationen
irreversible chemische Modifikationen
I
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Proteinsynthese
in den Geweben
Pyruvat
Glucose
Leber- und
Plasmaproteine
NH3
Substratkonzentration (Metabolit)
Enzymkonkurrenz
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I
Tricarbonsäurecyclus,
Elektronentransport
Porphyrine
Coenzymkonzentration
I
Lipidabbau in der Leber
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Harnstoff
ATP
CO2 + H2O
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Erika Staudacher
Harnstoffcyclus
Acety-CoA
sein - Kaskade)
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Gluconeogenese
Transaminierung,
Oxidation
Allosterie
Inhibition
positive oder negative Rückkoppelung (muß nicht direktes Produkt
I
Unit 5
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Glucose-Abbau in der Leber
Lipide
Glucose-6-phosphat
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Glucose-6-phosphatase
Fettsäuren
Blutzucker
Glykolyse
Pyruvat
Lipide,
Steroide
Acetyl-CoA
Transport in andere
Gewebe zur Oxidation
Tricarbonsäurecyclus,
Elektronentransport
Transport zu
anderen Geweben
zur Oxidation
Transport in
andere Gewebe
Glykogen
Acetyl-CoA
Tricarbonsäurecyclus,
Elektronentransport
Fettsäuren
CO2 + H2O
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NADPH zur
Fettsäure- und
Steroidsynthese
Oxidation
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Aminosäuren
Transport
im Blut
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Plasmalipide und
Lipoproteine zum
Transport in andere
Gewebe
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Aminosäureabbau in der Leber
ENZYMREGULATION
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I
I
Unit 5
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Lipide,
Lipoproteine
ATP
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CO2 + H2O
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I
Unit 5
ATP
I
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2
ABLAUF:
IMMUNOLOGIE
* Kontakt mit Mikroorganismus
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.“
* (eventuell Transport zum Zielorgan mit Blut oder Lymphe)
* Kolonisierung / Wachstum: es bildet sich ein Infektionsherd
symptomlos (eventuell später !)
Schädigung des Wirts (meist durch Toxine),
jeder Organismus bevorzugt andere Stelle
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* Eindringen = Invasion (verletzte Stelle, durch Medikamente
geschwächte Schleimhaut, Bakterielle Enzyme helfen
beim Eindringen: Hyaluronidase, Kollagenase,
fibrinolytische Enzyme)
Mikroorganismen finden im tierischen Körper verschiedene
Bedingungen:
trocken - feucht (Haut - Mundhöhle)
aerob - anaerob (Lunge - Darm)
pH-Wert
Nährstoffangebot
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* Anheftung an Haut oder Schleimhaut (wirtsspezifisch,
gewebespezifisch, über Rezeptoren)
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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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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)
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)
Gegenmassnahmen des Organismus
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Unit 5
I
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Spezifische Immunantwort charakterisiert
durch:
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* MECHANISCH: z.B. Schleimhautabsonderung,
SPEZIFITÄT: Ein Antikörper reagiert nur mit einem einzigen
Antigen.
* ENZYMATISCH: Enzyme in Körperflüssigkeiten, die
Bakterien abtöten,
GEDÄCHTNIS: jeder weitere Kontakt mit dem Antigen löst eine
schnellere Reaktion aus und erzeugt eine größere Menge an
spezifischen Antikörpern.
* UNSPEZIFISCHE IMMUNANTWORT: Phagocyten zerstören
eingedrungene Zellen (über Bildung von
Sauerstoffradikale)
TOLERANZ: Zellen, die Antikörper gegen körpereigene Proteine
produzieren werden während der Embryonalentwicklung
vernichtet.
pathogenspezifisches Abwehrsystem
körpereigene Antigene werden toleriert,
fremde Antigene werden zerstört
* SPEZIFISCHE IMMUNANTWORT: Bildung von Antikörpern
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I
Unit 5
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3
Entwicklung der wesentlichen an der Immunantwort
beteiligten Zellen
Stammzelle des
Knochenmarks
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;
Myeloide Vorläuferzelle
Monocyten Polymorphkernige Mastzelle
Leukocyten
I
Unit 5
I
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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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I
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Reifung im
Knochenmark
Y
Y
Makrophagen
Plasmazellen
Antikörper
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I
Unit 5
B-Zellen
T-Zellen
Y
Y
Alle an der Immunantwort beteiligten Zellen befinden sich hauptsächlich im
Blut oder der Lymphflüssigkeit.
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Lymphoide Vorläuferzelle
Reifung im
Thymus
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.
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Blutplättchen
I
Gedächtniszellen
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Menschliche Immunglobuline
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Eigenschaften
Vorkommen
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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Unit 5
I
Blut, Lymphe, Monomer auf
der Oberfläche von BZellen
Speichel, Kolostrum,
Intestinaltrakt
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Immunglobulin G
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.
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Molekulargewicht: ~ 150 000 Da
4 Polypeptidketten verbunden über
Disulfidbrücken
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.
Leichte Ketten: 1 konstante, 1 variable
Domäne,
Schwere Ketten: 3 konstante, 1 variable
Domäne
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04.05.2012
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Unit 5
I
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4
Immunisierung
Fehlfunktionen
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Immunsystem (zu) schwach:
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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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- 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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stoffwechsel-regulation hormone - endokrinologie