TEIL 5 - Department für Chemie
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Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie TEIL 5: Stoffwechselregulation Hormone – Endokrinologie Enzymregulation Beispiel: Stoffwechselvorgänge in der Leber Immunologie 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 1 STOFFWECHSEL-REGULATION Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie genetische Ebene : Expression ja oder nein Kompartimentierung Energiehaushalt : Beispiel Glykolyse Hormone Enzyme Signalvermittlung 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 2 HORMONE - ENDOKRINOLOGIE Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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 ! 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 3 Beispiele: Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 4 Pankreashormone: Glukagon, Insulin, Somatostatin Insulin: Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie - 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 5 Hormone der Nebennierenrinde: Glucocorticoide: - hauptsächlich Kohlenhydrathaushalt Mineralocorticoide: - hauptsächlich Kalium-Natrium-Haushalt Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 6 Melanozyten stimulierendes Hormon - ermöglicht Kaltblütern das Verändern der Hautfarbe Melatonin - bei Kaltblütern der Antagonist zum Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 7 Pflanzliche Hormone (Wuchsstoffe) für Bodenkultur Wien AUXINE, Indolessigsäure (merismatische Gewebe, Samen): Universität Department für Chemie 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. 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 8 ENZYMREGULATION genet. Ebene reversible chemische Modifikationen irreversible chemische Modifikationen Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Allosterie Inhibition positive oder negative Rückkoppelung (muß nicht direktes Produkt sein - Kaskade) Coenzymkonzentration Substratkonzentration (Metabolit) Enzymkonkurrenz 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 9 Aminosäureabbau in der Leber Transport im Blut Aminosäuren Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Proteinsynthese in den Geweben Pyruvat Gluconeogenese Transaminierung, Oxidation Glucose Leber- und Plasmaproteine NH3 Harnstoffcyclus Acety-CoA Tricarbonsäurecyclus, Elektronentransport Porphyrine ATP CO2 + H2O 04.05.2012 Biochemie für LW Harnstoff I Unit 5 I Erika Staudacher 10 Lipidabbau in der Leber Plasmalipide und Lipoproteine zum Transport in andere Gewebe Lipide Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Fettsäuren Oxidation Lipide, Steroide Acetyl-CoA Transport in andere Gewebe zur Oxidation Tricarbonsäurecyclus, Elektronentransport Transport in andere Gewebe CO2 + H2O 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher ATP 11 Glucose-Abbau in der Leber Glucose-6-phosphat Glucose-6-phosphatase Blutzucker Glykolyse Pyruvat Transport zu anderen Geweben zur Oxidation Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Glykogen NADPH zur Fettsäure- und Steroidsynthese Acetyl-CoA Tricarbonsäurecyclus, Elektronentransport Fettsäuren Lipide, Lipoproteine 04.05.2012 CO2 + H2O Biochemie für LW I Unit 5 ATP I Erika Staudacher 12 IMMUNOLOGIE Definition: ?? Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie „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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 13 ABLAUF: * Kontakt mit Mikroorganismus * Anheftung an Haut oder Schleimhaut (wirtsspezifisch, gewebespezifisch, über Rezeptoren) Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie * 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), 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 14 TOXINE: Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie - 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher Fieber ! 15 Tierarten gegenüber bestimmten Infektionen sehr Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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) 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 16 Gegenmassnahmen des Organismus Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie * 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 17 Spezifische Immunantwort charakterisiert durch: Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 18 Zellvermittelte Immunität: - cytotoxische T-Zellen: reagieren direkt mit Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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. 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 19 Entwicklung der wesentlichen an der Immunantwort beteiligten Zellen Stammzelle des Knochenmarks Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Blutplättchen Myeloide Vorläuferzelle Lymphoide Vorläuferzelle Reifung im Thymus Monocyten Polymorphkernige Mastzelle Leukocyten T-Zellen Y Y Y Y Makrophagen Antikörper 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 Reifung im Knochenmark I Plasmazellen Erika Staudacher B-Zellen Gedächtniszellen 20 Angeborenes Immunsystem: - Makrophagen: umschließen eingedrungene Erreger und verdauen sie. - Mastzellen: setzen entzündungsfördernde Universität für Bodenkultur Wien Substanzen frei (z.B. Histamine) Department für Chemie - 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. 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 21 Menschliche Immunglobuline Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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 04.05.2012 Vorkommen Biochemie für LW I Unit 5 I Blut, Lymphe, Monomer auf der Oberfläche von BZellen Speichel, Kolostrum, Intestinaltrakt Erika Staudacher 22 Immunglobulin G Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Molekulargewicht: ~ 150 000 Da 4 Polypeptidketten verbunden über Disulfidbrücken Leichte Ketten: 1 konstante, 1 variable Domäne, Schwere Ketten: 3 konstante, 1 variable Domäne 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 23 MHC-Proteine: (Produkte der Gene des Haupthistokompatibilitätskomplexes) Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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. 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 24 Immunisierung Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie 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 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 25 Fehlfunktionen Immunsystem (zu) schwach: - erblich bedingt - Erstinfektion - Ernährungszustand Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie - 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) 04.05.2012 Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 26 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 Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Biochemie für LW I Unit 5 I Erika Staudacher 27
