Biologie für Mediziner

Biologie für Mediziner
- Zellbiologie 1 -
Prof. Dr. Reiner Peters
Institut für Medizinische Physik und
Biophysik/CeNTech
Robert-Koch-Strasse 31
Tel. 0251-835 6933,
[email protected]
Dr. Martin Kahms
Institut für Medizinische Physik und Biophysik/
CeNTech
Gievenbecker Weg 11
Tel. 0251-835 6933
[email protected]
Literatur
Biologie für Mediziner
und Naturwissenschaftler
Monica Hirsch-Kauffmann
Manfred Schweiger
Thieme Verlag
Literatur
Biologie
Lehrbuch der allgemeinen
Biologie für Mediziner und
Naturwissenschaftler
Koecke, Emschermann, Härle
Schattauer Verlag
Membrantransport
Stofftransport über die Zellmembran erfolgt
• als Bläschentransport (Endo/ Exocytose)
• durch Diffusion und erleichterte Diffusion
• als aktiver Transport (Ionenpumpen, Carrier)
Endocytose
Exocytose
Diffusion
die auf eine gleichmäßige Verteilung (Durchmischung)
gerichtete Ausbreitung von Molekülen/ Ionen
Ausgleich von Konzentrationsgradienten
Ursache: Brownsche Molekularbewegung
Ausbreitung von Kaliumpermanganat in Wasser
Passive Membranpermeabilität
durch die Membran
einige Gase diffundieren
wie z.B. CO2, O2, N2
kleine ungeladene polare Moleküle
wie z.B. Ethanol und Wasser
gehen durch
grosse polare Moleküle sowie
geladene Ionen/Moleküle können
nicht durch die Membran diffundieren
spezielle Transporter
sind notwendig
Erleichterte Diffusion
Glukosetransport an
Erythrocyten
Transport geht schneller als
osmotische Eigenschaften
erlauben würden
spezifische Transportermoleküle
permanentes Öffnen/Schliessen
Glucose kann von beiden Seiten
binden
Beförderung entlang
Konzentrationsgradienten
passiv, ohne Energieaufwand
Ionenkanäle
geschlossen
geöffnet
Bsp. Kanäle für Natrium oder
Kalium
Öffnung erst auf ein spezifisches
Signal,
z.B. Bindung eines Moleküls
oder
Änderung der
Membranspannung
Wichtig bei der Reizweiterleitung
Im Nervensystem
Ionen fliessen passiv entlang
ihres Konzentrationsgradienten
Aktive Transporte
• Transport gegen ein Konzentrationsgradienten
• Transporter arbeiten unter Energieverbrauch (Pumpe)
• Energiequelle: Spaltung von ATP oder Ionengradient
Na/ K- ATPase
Transport von 3 Natrium-Ionen in den Extrazellulärraum
gekoppelt mit Transport von 2 Kalium-Ionen in die Zelle
Verbrauch von Energie in Form von ATP
ATP – die Energiewährung
Adenosintriphosphat (ATP) wird zu
Adenosindiphosphat (ADP) und
einem Phosphatrest durch Reaktion
mit Wasser gespalten (Hydrolyse)
dabei wird Energie frei
Energie kann genutzt werden
Transport
Bewegung (Muskel)
chemische Reaktionen
Glukose/ Natrium Symport
Glukose-Transport im Darm
Glukose und Natrium
werden in die gleiche Richtung
Transportiert
Transport von Glukose
entgegen Konzentrationsgradient
Energie aus
Natriumgradienten
über die Membran
Zellkern - Aufbau
•
umgeben von einer Doppelmembran
•
äußere Membran geht direkt in das
endoplasmatische Retikulum über
•
Membranen sind von Poren
durchsetzt
•
Karyoplasma (Kernplasma) enthält
Chromatin und Nucleoli
(Kernkörperchen)
Zellkern - Funktion
•
Organisation der DNA (größter
Teil im Kern lokalisiert)
•
Schutz der DNA
•
Ort der Replikation:
Vervielfältigung der genetischen
Information
•
Ort der Transkription: Ablesen
der genetischen Information
(Umwandlung DNA-> RNA)
Zellkern angefärbt
mit Fluoreszenzfarbstoff,
der an DNA bindet
Organisation der DNA
Länge der Gesamt DNA
Ausgestreckt pro Zelle ca. 1 m
Kerndurchmesser ca. 5 µm
(5*10-6m)
DNA wird intensiv gefaltet mit Hilfe
von DNA-Bindungsproteinen
(Histone)
Komplex aus DNA und Histonen
wird als Nukleosom bezeichnet
Nukleosomenfaden windet sich in
weiter in Schleifen und bildet
letztendlich das Chromosom
Nucleoli
„Kernkörperchen“
Nukleolus
•
manche Zellen haben mehrere
•
membranlos
•
enthält DNA-Schleifen unterschiedlicher
Chromosomen
•
DNA trägt Informationen für ribosomale RNA
(Ribosomen: Orte der Proteinsynthese,
bestehen aus Proteinen und RNA)
•
Ort der Synthese der ribosomalen RNA
•
teilweise Zusammenbau von ribosomalen
Untereinheiten
Kern
Dogma der Molekularbiologie
DNA
Transkription
RNA
Translation
Protein
auch Ausnahmen bekannt (z.B. RNA-Viren)
Rolle der Transkription
•
Information wird von DNA in RNA
umgeschrieben
•
RNA kann den Zellkern verlassen
•
regulierbar: nicht die ganze
Information der DNA muss
verwertet werden
•
mehrfaches kopieren der
Information ist möglich;
Vervielfältigung
DNA-Doppelhelix
Genetischer Code
jeweils drei Basen der DNA kodieren für 1 eine Aminosäure
AGTGGTTCC
DNA (codogener Strang)
UCACCAAGG
RNA
Serin - Prolin - Arginin Protein
Unterschied DNA/ RNA
RNA
DNA
fehlende OH-Gruppe in Deoxyribose macht DNA
inert gegen hydrolytische Spaltung
Unterschied DNA/ RNA
RNA
Uracil (U)
DNA
Thymin (T)
Thymin (komplementäre Base zu Adenin) in
RNA durch Uracil ersetzt
Mechanismus der Transkription
nur ein Strang wird transkribiert
(codogener Strang)
Enzym: RNA-Polymerase
bindet an spezifische DNA-Sequenzen
(Promotoren)
Aufwinden des Doppelstranges
Anlagerung von komplementären RNA-Nukleotiden
in 5´-3´Richtung
Verknüpfung und Bildung einer messenger-RNA
(mRNA), die sich vom DNA-Strang löst
Ablesen endet an spezifischen Basensequenzen
(Stopp-Signale) oder durch Terminationsfaktoren
Mechanismus der Transkription
RNA-Nukleotide lagern sich an den
codogenen Strang gemäß
Basen-Komplementaritätsregeln an
und werden verknüpft
Adenin = Uracil (ersetzt Thymin in RNA)
Thymin = Adenin
Cytosin = Guanin
Guanin = Cytosin
Genetischer Code
jeweils drei Basen der DNA kodieren für 1 eine Aminosäure
AGTGGTTCC
DNA (codogener Strang)
UCACCAAGG
RNA
Serin - Prolin - Arginin Protein
Transport von m-RNA
Synthese von m-RNA im Nukleus
Proteinsynthese an Ribosomen (löslich oder an das ER gebunden)
Transport von mRNA über die Doppelmembran des Zellkerns
Nuclear Pore Complex (NPC)
cytoplasmatische Seite
nukleäre Seite
elektronenmikroskopische Aufnahmen
Nuclear Pore Complex (NPC)
•
•
•
•
•
Regulation Stofftransport Nukleus/
Cytoplasma
Porenkomplex aus ca. 30
verschiedenen Proteinen
8 oktaederartig angeordnete
Proteineinheiten
ermöglichen freie Diffusion von
kleinen Molekülen und Ionen
selektiver Transport von
Proteinen, mRNA
Modell des NPC
Und weiter?
mRNA ist im Cytosol
Information der m-RNA wird an Ribosomen
über den Prozess der Translation in Proteine umgesetzt