Zusammenfassung Umwelthygiene WS 2003/04
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Einführung in die biologischen Grundlagen der Umwelthygiene I Zusammenfassung von Ana Sesartic WS 2003/04 Einführung in die biologischen Grundlagen der Umwelthygiene I...........................................1 1 Entwicklung des menschlichen Organismus .....................................................................2 1.1 Befruchtung ..........................................................................................................2 1.2 Von der Zygote zur dreiblättrigen Keimscheibe....................................................3 1.3 Embryonalperiode.................................................................................................4 1.4 Fetalperiode..........................................................................................................4 1.5 Angeborene Fehlbildungen und ihre Ursachen ....................................................4 2 Differenzierung von Zellen............................................................................................6 2.1 Was lehren Klonierungsexperimente?..................................................................6 2.2 Differenzierung ermöglicht die Entwicklung vielfältiger Zell- und Gewebetypen ..6 2.3 Zellorganellen und die Bildung von Zellmaterial ...................................................7 2.4 Erneuerung von differenzierten Zellen..................................................................7 3 Das Immunsystem........................................................................................................8 3.1 Überblick...............................................................................................................8 3.2 Die lymphoiden Organe ........................................................................................9 3.3 Antigene und Antikörper .......................................................................................9 3.4 Antikörper inaktivieren Antigene und beschleunigen deren Zerstörung ...............9 3.5 Die klonale Selektion ............................................................................................9 3.6 Die Antikörper-Vielfalt entsteht durch DNA-Rekombination ...............................10 3.7 Es gibt verschiedene Klassen von Antikörpern ..................................................10 3.8 Das Immunsystem verfügt über ein Gedächtnis.................................................10 3.9 Die Geschichte mit der Histokompatibilität und der Antigenpräsentation ...........11 3.10 Die T-Lymphocyten und der T-Zell-Rezeptor .....................................................11 3.11 Cytotoxische T-Zellen bekämpfen intrazelluläre Erreger und Krebszellen .........11 3.12 T-Helfer-Zellen spielen eine zentrale Rolle bei der Aktivierung von B-Zellen.....11 3.13 Das Komplement-System hilft im Kampf gegen bakterielle Infektionen .............12 4 Von der Muskelzelle zur Leistungsphysiologie...........................................................12 4.1 Aufbau und Kontraktion der Muskelfaser............................................................12 4.2 Energieliefernde Prozesse..................................................................................12 4.3 Nutzung der Energieträger im Verlauf körperlicher Arbeit ..................................13 4.4 Energieumsatz....................................................................................................13 4.5 Körperliche Leistungsfähigkeit............................................................................14 5 Molekulare Zellbiologie...............................................................................................14 5.1 Der Informationsfluss vom Gen zum Protein ......................................................14 5.2 Eukaryontische Zellen modifizieren die mRNA nach der Transkription..............15 5.3 Die Kontrolle der Genexpression bei Eukaryonten.............................................15 5.4 Koordination der Genregulation in einem vielzelligen Organismus ....................17 6.1 Das Prinzip der Genmanipulation .......................................................................17 6.2 Die grundlegenden Methoden der Gentechnologie ............................................18 6.3 Anwendungen der rekombinanten DNA-Technologie in der Forschung ............18 7 Mutationen und Krebs ................................................................................................19 7.1 Begriffe und Beispiele.........................................................................................19 7.2 Tumoren .............................................................................................................19 7.3 Die Wirkungsmechanismen von mutagenen Agenzien ......................................20 7.4 Zellen verfügen über effiziente DNA-Reparatur-Mechanismen ..........................20 © 2003 Ana Sesartic 1 1 Entwicklung des menschlichen Organismus Aus zwei unterschiedlichen Genomen geht ein neues einmaliges Individuum hervor Voraussetzung ist die Halbierung des diploiden mütterlichen und väterlichen Chromosomensatzes. (Meiose) Eizelle wird durch Befruchtung aktiviert Entwicklung des Organismus beinhaltet Zellteilung, -differenzierung und Morphogenese (Gestaltentwicklung) Organe entstehen aus den drei Keimblättern 1.1 Befruchtung Die Eizelle ist mit 0.1mm die grösste menschliche Zelle, Spermien sind die kleinsten Zellen. Durch den Eileiter mit Flimmerepithel und mithilfe von Schleimproduktion wird die Oozyte in den Uterus befördert. Die meisten Befruchtungen finden aber bereits im oberen Drittel des Eileiters statt. Die Eizelle ist von Follikel-Zellen umgeben, diese Begleitzellen hatten die Aufgaben, die Eizelle während ihrer Bildung zu ernähren. 1) Spermium durchdringt die Hülle aus Follikelzellen und bindet an einem Rezeptormolekül in der Zona pellucida (bewirkt das nur Spermien der eigenen Spezies gebunden werden) des Eies. 2) Diese Bindung löst Freisetzung von Enzymen aus dem Akrosomvesikel des Spermiums aus. 3) Diese Enzymen helfen dem Spermium die Eizelle zu erreichen und sich an sie zu binden. 4) Dies löst eine Depolarisation der Ei-Plasmamembran aus. Dadurch können sich keine weiteren Spermien mehr anhaften. 5) Fusion der Plasmamembranen ermöglicht Eindringen des Spermiums in die Eizelle. 6) Cortikalgranula verbinden sich mit der Membran und setzen Enzyme frei, die die Zona pellucida verhärten und somit Eindringen weiterer Spermien verhindern. 7) Die Eizelle, die bei der Meiose II stehen blieb, beendet sie nun. Weiblicher Vorkern bildet sich. 8) Spermienkern schwillt zum gleichgrossen männlichen Vorkern an. 9) Eizelle wird aktiviert, Stoffumsatz erhöht sich, DNA-Replikation und Zellteilungen beginnen. Beim Mann werden seit der Pubertät 108 Spermien pro Tag produziert. Bis die Meiose durchgelaufen ist, braucht es 2 Monate. Bei der Frau beginnt die Meiose bereits im Embryo, dort werden 5*105 Eizellen bis zu der Geburt angelegt. Danach ruhen die Zellen bis zu der Pubertät, worauf 1 Ei pro Monat entwickelt wird, welches beim Eisprung in der Meiose II stehen bleibt. Die Meiose II wird nur beendet, wenn das Ei befruchtet wird. Mitose (normale Zellteilung): Diploide 2n Ausgangszelle Æ DNA-Replikation Æ verdoppelte Chromosomen richten sich einzeln an der Spindel aus Æ Von jedem verdoppeltem Chromosom gelangt je eine Schwester-Chromatide in die Tochterzelle Æ zwei diploide (2n) Zellen, deren Chromosomen identisch mit denen der Ausgangszelle sind Meiose: „Urkeimzelle“ (2n) Æ DNA-Replikation Æ Paarung homologer Chromosomen zur Tetrade und Crossing-Over Æ Homologe Paare der verdoppelten Chromosomen richten sich an der Spindel aus und trennen sich Æ Meiose I Æ Meiose II Æ Es entstehen 4 Keimzellen (Gameten) (n). Beim Mann 4 Spermien, bei der Frau eine Oocyte und 3 Polkörper. © 2003 Ana Sesartic 2 Mitose DNA-Replikation Paarung der Homologen Anzahl Tochterzellen und genetische Zusammensetzung Bedeutung für Körper, resp. Spezies Meiose Vor Beginn der Zellteilung Vor Beginn der 1.Zellteilung (nur 1 X) Findet nicht statt Voraussetzung für Rekombination zwischen Nicht-SchwesterChromatiden 2, beide diploid (2n), 4, jede haploid (n), genetisch weder genetisch identisch mit mit Ausgangszelle noch Ausgangszelle untereinander identisch Bildung eines vielzelligen Bildung von genetisch Körpers aus einer Zygote; verschiedenen Gameten mit Wachstum; Regeneration halbiertem Chromosomensatz; von Gewebe nächste Generation einmaliger neuer diploider Organismus 1.2 Von der Zygote zur dreiblättrigen Keimscheibe Während der Embryonalentwicklung nimmt die Zellzahl zu, und die Zellen differenzieren sich. Es bilden sich Gewebe und Organe, und sie werden verlagert. Diese Prozesse der Gestaltentwicklung heissen Morphogenese. Furchung Die Zygote (befruchtete Eizelle) durchläuft eine Reihe von Mitosen, mit welchen die Zahl der Zellen (Blastomeren) steigt. Nach 4 Tagen entsteht das Morula Stadium mit einer inneren Zellmasse, die zum Embryo wird und einer äusseren Zellschicht, die den Trophoblast bildet, der sich später zur Plazenta entwickelt. Alle Zellen des sehr frühen Säugetier-Embryos (bis zum 8-Zellstadium) sind funktionell äquivalent und in ihren Fähigkeiten unbeschränkt (totipotent). Darum können sich eineiige Zwillinge entwickeln, also zwei normale Individuen aus einem einzigen befruchteten Ei. Entstehung der Blastozyste und Implantation Wenn die Morula die Gebärmutterhöhle erreicht, beginnt Flüssigkeit zwischen den Zellen der inneren Zellmasse einzudringen, die Zona pellucida löst sich auf und es bildet sich die gehöhlte Blastozyste. Die innere Zellschicht bildet den Embryoblasten, und die äussere den Trophoblasten sowie die Wand der Blastozyste. 5.5 bis 6 Tage nach der Ovulation heftet sich die Blastozyste mit dem embryonalen Pol an die Uterusschleimhaut an und die Trophoblast-zellen dringen zwischen die Eipthelzellen der Uterusschleimhaut ein. Zweiblättrige Keimscheibe Zellen im Zentrum des Embryoblasten bilden Ektoderm, gegen die Blastozystenhöhle bildet sich das Entoderm. Ekto- und Entoderm bilden die zweiblättrige Keimscheibe. Bei der Ektoderm-Formation entsteht gegen Trophoblasten hin die Amnionhöhle die später zur Fruchtblase wird. Entodermzellen kleiden die ehemalige Blastozystenhöhle aus. Der Primäre Dottersack entsteht. Der Trophoblast wächst und es entstehen Verbindungen zwischen den Lakunen des Trophoblasten und den zu Sinusoiden erweiterten mütterlichen Blutgefässen. Aus dieser Verbindung bildet sich die Plazenta. Mit dem Weiterwachsen des Trophoblasten bildet sich der kleinere sekundäre Dottersack. Die Embryonalanlage bleibt über den Haftstiel, der am kaudalen Ende des Embryos liegt, mit dem Trophoblast verbunden. Aus dem Haftstiel entstehen die Nabelschnurgefässe. Haftstiel und Auskleidung der Chorionhöhle bestehen aus extraembryonalem Mesodermgewebe. Am Ende der dritten Woche beginnt die Bildung der Blutgefässe, in der vierten Entwicklungswoche beginnt das Herz zu schlagen, und die Chorionzotten können nun den Embryo mit Nahrungsstoffen und Sauerstoff versorgen. Bis dahin geschah dies durch Diffusion. © 2003 Ana Sesartic 3 Die dreiblättrige Keimscheibe Im Bereich des Primitivstreifens (zur Mittellinie gewanderte Ektodermzellen) wandern die Zellen zwischen Ektoderm und Entoderm ein und bilden so ein mittleres Keimblatt, das Mesoderm. 1.3 Embryonalperiode Embryonalperiode ist der Zeitraum zwischen der 4. und 8. Entwicklungswoche. In der Zeit entwickeln sich die Organanlagen aus den drei Keimblättern. Die Bildung von Organanlagen ist begleitet von Faltung, Abspaltung und Verdichtung von Zellgruppen. Derivate des Ektoderms Nervensystem und Epidermis der Haut. Das Neuralrohr, aus dem das Zentralnervensystem (ZNS) hervorgeht, wird gebildet durch ein Signal aus Chorda, dass die darüber liegenden Zellen zur Bildung einer Neuralrinne veranlasst. Derivate des Mesoderms Aus dem Mesoderm entsteht das Stützsystem, die Muskulatur, die Blutzellen, das Blutgefässsystem mit dem Herzen und Blutgefässen, die Milz, die Niere, die Keimdrüsen und die inneren Sexualorgane. Derivate des Entoderms und die Abfaltung des Embryos Aus dem Entoderm bildet sich der Magen-Darm-Kanal und alle Darmderivate (Leber, Pankreas und Lungen). Nach der Bildung des 3.Keimblattes falten sich die seitlichen Ränder der Keimscheibe nach unten. Gleichzeitig mit dem Wachstum der Organanlagen krümmt sich der Embryo. Aus dem Dottersack gehen die Keimzellen sowie die Stammzellen für die Blutbildung hervor. 1.4 Fetalperiode Fetalperiode ist der Zeitraum vom Beginn des 3. Monats bis zur Geburt. In der Zeit wächst der Körper sehr schnell, die Differenzierung tritt zurück, daher entstehen kaum noch Missbildungen. Cytotoxische Faktoren können jedoch zu Zelluntergang und funktionellen Einbussen führen. Im 3.-5. Monat erfolgt v.a. das Längenwachstum, eine wesentliche Gewichtszunahme erst in letzen drei Schwangerschaftsmonaten. Bau und Funktion der Plazenta Plazenta ist ein ca. 20cm*2-3cm grosses, ca. 500g schweres scheibenförmiges Organ. Es dient dem Stoffaustausch zwischen mütterlichem und fetalem Blut und somit der Ernährung des Feten und der Ausscheidung seiner Stoffwechselendprodukte. Die Plazenta produziert auch Hormone, u.a. HCG, das man zum Schwangerschaftsnachweis benutzt. Die Plazentaschranke trennt den intervillösen Raum (Mutter) von den Zottenkapillaren (Kind). Sie ist durchlässig für Gase, Nährstoffe, Stoffwechselendprodukte, aber auch für Elektrolyte, bestimmte Antikörper, gewisse Viren (Röteln/Masern), verschiedene Medikamente und Drogen. 1.5 Angeborene Fehlbildungen und ihre Ursachen Angeborene Fehlbildungen sind primär morphologische Defekte. Sie umfassen auch Verhaltensstörungen, funktionelle Defekte und Stoffwechselkrankheiten. Sie nebst genetischen Ursprungs, auch durch Umwelteinflüssen entstehen. 4-6% Kinder besitzen angeborene Fehlbildungen. © 2003 Ana Sesartic 4 1.5.1 Exogene Ursachen Infektion, mütterliche Stoffwechselerkrankungen, ionisierende Strahlen, Medikamente, Genussgifte und andere Chemikalien Infektiöse Ursachen Das Rubeola-Virus (Röteln) kann Missbildungen des Auges, des Innenohres, des Herzens und der Blutgefässe hervorrufen, sowie einen Wachstumsrückstand während der Schwangerschaft. Die Art der Missbildung hängt vom embryonalen Entwicklungsstadium ab, in dem die Infektion stattfindet. Die bei einer Infektion hervorgerufene erhöhte Körpertemperatur stellt auch einen teratogenen Faktor dar. Stoffwechselstörungen und Mangelernährung der Mutter Diabetes bei der Mutter erhöht das Risiko von Totgeburten, übergrossen Kindern und Missbildungen. Ausserdem ist mit Anomalien des Herzens, des Skelettsystems und des ZNS zu rechnen. Jodmangel bedingt eine Entwicklungsstörung des Gehirns und des Skelettsystems. Folsäuremangel führt zu Neuralrohrdefekten wie Spina bifida (offener Rücken) und Anenzephalie (rudimänterer Schädel ohne Gehirn). Strahlen Ionisierende Strahlen haben teratogene Wirkung. Die Art der Missbildung hängt von der Strahlungsdosis und vom Entwicklungsstadium ab. Ausserdem wirkt sie indirekt auf die Keimzellen. Chemikalien in der Umwelt Der Fetus ist gegenüber Quecksilber empfindlicher als die Mutter, somit kann Quecksilber zu zentralen Lähmungen führen. Herbizide, z.B. das Entlaubungsmittel 2,4,5-T und dessen Nebenprodukt Dioxin haben ebenfalls teratogene Wirkung. Alkohol Schwer Alkohol-geschädigte Kinder weisen charakteristische Gesichtsanomalien auf (u.a. ein kleines Gehirn). Bereits niedrige Alkoholkonzentrationen können das fetale Gehirn beeinflussen und das Lern- und Erinnerungsvermögen noch im Erwachsenenalter beeinträchtigen. Alkohol kann Rezeptoren von Synapsen hemmen oder überaktivieren. Wenn dies ist der Phase der Synapsenbildung zwischen den Nervenzellen passiert (letzte 3 Schwangerschaftsmonate), wird bei den Zellen der programmierte Zelltod ausgelöst. In anderen Phasen der Gehirnentwicklung führt Alkohol zu ungeordnetem Wachstum der Nervenzellen. Rauchen Rauchen führt zur Verringerung des Geburtsgewichtes, Beeinträchtigung des mentalen und physischen Wachstums, häufigeren Frühgeburten, Fehlgeburten oder spontanen Aborten. Schädigend ist das mit O2 um Hämoglobin stärker konkurrierende CO (führt zu O2 Mangel), sowie Nicotin. Passivrauchen ist gleich gefährlich wie aktives Rauchen. Koffein (Kaffee, Tee) Übermässiger Kaffeegenuss führt zu untergewichtigen Kindern und erhöhtem Risiko von Fehlgeburten. Arzneimittel Thalidomid, ein zur Behandlung von Übelkeit und Schlaflosigkeit angewandtes Medikament führte zu völligem oder partiellem Fehlen der Extremitäten. © 2003 Ana Sesartic 5 1.5.2 Allgemeines über die Wirkung von Teratogenen Das Entwicklungsstadium des Embryos ist für die Empfindlichkeit gegenüber teratogenen Faktoren massgebend. Die Wirkung eines teratogenen Faktors hängt vom Genotyp ab. Die Ausprägung einer Fehlbildung ist abhängig von der Einwirkungsdauer und der Dosis des Teratogens. Eine Fehlbildung hat abgestufte Schweregrade der Ausprägung. In der Embryonalperiode sind die meisten teratogenen Stoffe hoch wirksam. Jede Organanlage scheint in den frühen Differenzierungsstadien die grösste Empfindlichkeit zu besitzen. Die Empfindlichkeit gegenüber teratogenen Substanzen nimmt in der Fetalperiode rasch ab. Einige Organe, wie das Kleinhirn, die Grosshirnrinde und das Immunsystem bleiben bis in späte Schwangerschaft empfindlich. Teratogene erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Missbildungen, die auf eine genetische Labilität zurückzuführen sind. Pränatale Diagnostik Untersuchung von angeborenen Fehlbildungen und Erbkrankheiten durch UltraschallUntersuchungen, Amniocentese (Fruchtwasserpunktion) und Chorionzotten-Biopsie. 2 Differenzierung von Zellen 2.1 Was lehren Klonierungsexperimente? Differenzierung von Zellen durch unterschiedliche Produktion und Akkumulation von RNAund Proteinmolekülen. Die Körperzellen unterscheiden sich, weil sie verschiedene Gene exprimieren. Das gesamte Genom bliebt im Verlauf der Differenzierung erhalten. 2.2 Differenzierung ermöglicht die Entwicklung vielfältiger Zell- und Gewebetypen Zellen des vielzelligen Organismus bilden einen Klon (eine Gruppe identischer Zellen). Eukaryontenzellen und ihre Nachkommen verharren in ihren verschieden spezialisierten Zuständen, selbst nachdem die Einflüsse, die ursprünglich ihre Differenzierung gelenkt hatten, wieder verschwunden sind. 2.2.1 Zell- und Gewebetypen des menschlichen Körpers Es gibt ca. 200 verschiedene Zelltypen im menschlichen Körper. Epithelien Epithelzellen kleiden die inneren und äusseren Körperoberflächen aus. Die Zellen ruhen auf einer Basallamina und werden durch Tight Junctions zusammengehalten. Bsp.: Darmepithel, Drüsen Bindegewebe Heterogenes, regenerationsfähiges Gewebe, entwickelt aus dem Mesoderm. Fibrocyten mit ausserhalb der Zellen liegenden Proteinfasern (Kollagen und Elastin). Bsp.: Knochen, Fettzellen, Blut Muskel Lange, schmale Zellen. Kontraktion wird durch Muskelproteine Aktin und Myosin ermöglicht. © 2003 Ana Sesartic 6 Skelettmuskel: Muskelzellen mit vielen Zellkernen, so lang wie der entsprechende Muskel (Aktin und Myosin machen Querstreifen) Glatter Muskel: Lange Zellen mit je einem Kern. In allen inneren Hohlorganen (Arterien und Venen, Verdauungskanal, Luftwege, Blase). Herzmuskel: Benachbarte Zellen durch el. Leitende Verbindungen gekoppelt. Synchrone Kontraktion. Nervenzellen Neurone (Nervenzellen) übertragen Signale. (Gehirn und Rückenmark). Sinneszellen sind hochspezialisierte Nervenzellen, die äussere Reize wahrnehmen. 2.3 Zellorganellen und die Bildung von Zellmaterial In allen Zellen findet kontinuierlich Neusynthese von Zellmaterial statt. Eukaryontische Zellen haben ausgedehntes inneres Membransystem mit Organellen. Zellkern: DNA Nucleolus: (Teil des Zellkerns) Aufbau der Ribosomen Endoplasmatisches Retikulum (ER): o Rauhes ER: Ribosomen an der Oberfläche, Proteinsynthese o Glattes ER: Synthese von lipidähnlichen, wasserunlöslichen Stoffen (u.a. Steroidhormone), Metabolisierung von Fremdstoffen Golgi-Apparat: Fertigungs- und Verteilzentrale Transportvesikel: Transport von Makromolekülen Lysosome: Abfallbeseitigungsanlage mit Verdauungsenzymen Mitochondrien: Kraftwerke, erzeugen ATP Cytosol: umgibt Organellen, enthält gelöste Enzyme, Ort vieler Stoffwechselreaktionen Ribosomen: ohne Membran, bestehen aus RNA und Proteinen; Proteinsynthese ER Æ Golgi-Apparat Æ Zellmembran Rauhes ER ist für Synthese von Proteinen zuständig, die in Membranen eingebaut oder aus den Zellen ausgeschieden werden sollen. Viele sekretorische Proteine sind Glycoproteine (tragen kovalent gebundene Seitenketten von Oligosacchariden). Proteine verlassen ER in Form von Vesikeln und wandern zum Golgi-Apparat. Dort werden sie abgewandelt, ev. auch gespeichert und dann zu anderen Bestimmungsorten weiter befördert. Beispiele von sekretorischen Zellen Proteinsekretion: z.B. Zellen der Bauchspeicheldrüse. Proteine werden im rER synthetisiert, in Vesikeln zum Golgi-Apparat transportiert, von dort zur Zellmembran gebracht und danach aus der Zelle abgegeben (Exocytose). Das Sekret ist dabei stets durch eine Membran vom übrigen Cytoplasma abgetrennt. Glykoproteinsekretion: z.B. Schleim produzierende Zellen des Dünndarms und der Atemwege. Glykoprotein enthaltende Vesikel werden im apikalen Teil der Zelle gespeichert und bei Bedarf freigesetzt. Steroidsekretion: Ausgangssubstanz von Steroidhormonen (z.B. Geschlechtshormonen) ist das Lipid Cholesterin. In Zellen der Nebennieren und Keimdrüsen gebildet. Solche Zellen enthalten viel glattes ER. 2.4 Erneuerung von differenzierten Zellen Der ausgewachsene Mensch besteht aus ungefähr 100'000 Milliarden Zellen. Neue Zellen können bei Erwachsenen auf folgende Arten gebildet werden: Verdoppelung bestehender differenzierter Zellen Neubildung aus sich teilenden undifferenzierten Stammzellen © 2003 Ana Sesartic 7 2.4.1 Erneuerung durch einfache Verdoppelung Beispiel Endothelzellen Endothelzellen kleiden das gesamte Blutgefässystem aus. Neue Endothelzellen entstehen durch einfache Verdoppelung bestehender Endothelzellen. Sie reparieren die Auskleidung bestehender Blutgefässe und schaffen neue Blutgefässe. Kapillaren bestehen nur aus Endothelzellen. 2.4.2 Erneuerung durch Stammzellen Stammzellen sind noch nicht sichtbar differenzierte Zellen. Sie haben die Fähigkeit, sich unbegrenzt zu teilen, um differenzierte Nachkommen zu erzeugen. Stammzellen sind: Nicht endgültig differenziert Können sich unbegrenzt teilen Tochterzellen können entweder Stammzellen bleiben oder sich differenzieren Epidermisschicht der Haut und Epithelauskleidung des Verdauungstraktes werden z.B. durch Stammzellen erneuert. Beispiel Epidermis Die Basallamina trennt die Epidermis von der darunter liegenden Dermis. Die Basalzellen bilden die Stammzellen, die sich mitotisch teilen. Differenzierende Epidermiszellen synthetisieren während ihrer Reifung eine Abfolge von verschiedenen Keratinen. Während sie zur Oberfläche hinaufgetragen werden, transformieren sich die Stachelzellen zu keratinisierten toten Schuppenzellen ohne Zellkern. Die Stammzellanlage wird durch den Kontakt mit der Basallamina erhalten. Æ Schicksal der Tochterzellen einer Stammzelle ist von äusseren Umständen und nicht durch ihren inneren Charakter bestimmt. 2.4.3 Die Blutzellen entstehen aus pluripotenten Stammzellen Blut besteht aus 40% festen Bestandteilen und 60% flüssigen Plasma, das wiederum zu 90% aus Wasser besteht. Alle Blutzellen entstehen im Knochenmark. Stammzellen aus dem Knochenmark können hämatopoietische Kolonien bilden. Das Blut enthält viele Zelltypen mit sehr verschiedenen Funktionen Lymphocyten: (B, C, T) produzieren Antikörper, Immunabwehr Granulocyten: bekämpfen o Neutrophile: Bakterien o Eosinophile: Parasiten, Allergie o Basophile: Allergie, Malignom Monocyten: Werden im Gewebe zu Makrophagen. „Müllschlucker“ Megakaryocyten Æ Thrombocyten: Gerinnung Erythrocyten: Sauerstofftransport 3 Das Immunsystem 3.1 Überblick Alle Wirbeltiere verfügen über ein Immunsystem. Während der Auseinandersetzung mit anderen Organismen durchläuft das Immunsystem einen Lernprozess. Bestimmte Strukturen eines Zieles können erkannt werden und die pathogenen Keime bzw. entartete körpereigene © 2003 Ana Sesartic 8 Zellen angegriffen werden. Reaktionen des Immunsystems werden durch folgende Lymphocyten bewirkt: B-Lymphocyten, die Antikörper freisetzen welche gegen Toxine, freie Bakterien und Viren wirken. Cytotoxische T-Lymphocyten töten infizierte Körperzellen und entartete körpereigene Zellen. T-Helfer-Lymphocyten sezernieren Cytokine (Signalmoleküle welche Immunsystem stimulieren und aktivieren). Zellen und Moleküle, die eine Immunantwort auslösen, nennt man Antigene. Angeborene Immunität sind unspezifische Abwehrmechanismen, die bei jeder Infektion unmittelbar wirksam sind. Dazu gehören neutrophile Granulocyten und Makrophagen, Komplementsysteme (Proteine die sich tödlich um Bakterien anlagern) und Interferone (Hemmen Virenvermehrung). Ausserdem erhöht sich die Blutversorgung bei einer Entzündung und Fieber hemmt das Wachstum vieler Mikroorganismen und verbessert die Phagocytoserate der Leukocyten. 3.2 Die lymphoiden Organe B-Lymphocyten: produzieren Antikörper T-Lymphocyten: o Cytotoxische T-Zellen o T-Helfer-Zellen Lymphocyten stammen von pluripotenten hämatopoetischen Stammzellen ab, die sich im Knochenmark befinden. Lymphocyten differenzieren zu T-oder B-Zellen, abhängig davon wo sie heranreifen. Knochenmark (Bone marrow) und der Thymus sind primäre lymphoide Organe, in denen B- bzw. T-Zellen heranreifen. Danach wandern sie in die sekundären (peripheren) lymphoiden Gewebe (Lymphknoten, Milz, Mandeln, Wurmfortsatz) wo sie in Kontakt mit Antigenen kommen und sich vermehren. 3.3 Antigene und Antikörper Antigen: Molekül, das eine Immunantwort auslöst. Z.B. fast alle Proteine und die meisten Polysaccharide. Antikörper: (= Immunglobuline) Y-förmige Proteinmoleküle. Antikörper gehen mit dem passenden Epitop eines Antigens eine relativ feste Bindung ein. Ein typischer Antikörper ist aus vier Polypeptid-Ketten zusammengesetzt (zwei leichte L-Ketten und zwei schwere HKetten). 3.4 Antikörper inaktivieren Antigene und beschleunigen deren Zerstörung Aufgabe der Antikörper ist, Antigene zu erkennen und sie zu Zerstören. Weil jeder Antikörper zwei Bindungsstellen aufweist, können lösliche Toxine zu grösseren Aggregaten verklumpen, die dann ausfallen und von Makrophagen sehr effizient phagozytiert werden. 3.5 Die klonale Selektion Das Immunsystem besitzt die Fähigkeit, jedes nur denkbare Antigen zu erkennen, unabhängig davon ob die Spezies diesem Stoff schon einmal begegnet ist oder nicht. Die riesige Auswahl an Antikörpern ist gebunden auf der Oberfläche von den sie produzierenden „naiven“ B-Lymphocyten. Beim eindringen eines Antigens, werden die B-Lymphocyten ausgelesen, die die Fähigkeit haben, passende Antikörper herzustellen (klonale Selektion). Nach einigen Reifungsschritten produzieren die entstandenen Tochterzellen schliesslich alle den gleichen Antikörper in löslicher Form und in riesigen Mengen. © 2003 Ana Sesartic 9 Antigen-unabhängige-Phase: Bildung von B-Lymphocyten mit unterschiedlicher Antigenspezifität im Knochenmark. Antigen-abhängige-Phase: Vermehrungsphase. Sezernierung grosser Mengen von Antikörpern. Bildung von langlebigen Gedächtniszellen ermöglicht z.T. lebenslange Immunität gegen eine einmal erfolgte Infektion. 3.6 Die Antikörper-Vielfalt entsteht durch DNA-Rekombination Ein Antikörper-Molekül besitzt eine Y-förmige Grundstruktur aus vier Polypeptidketten - Zwei identischen leichten L-Ketten und zwei identischen schweren H-Ketten, verbunden durch Disulfid-Bindungen. Je das N-terminale Ende einer H- und L-Kette bilden eine der zwei Antigen-Bindungsstellen die hoch variabel sind. Die Effektordomäne, der konstante Cterminale Bereich der schweren Kette, entscheidet wo der Antikörper vorkommt und löst Folgereaktionen zum Abbau von Antigenen aus. Die zufällige Verbindung eines V-Segments und eines J-Segments der DANN bildet die Grundlage für die Vielfalt der leichten Ketten. Das ganze beruht auf dem Baukasten-Prinzip: Für die Antikörper werden nicht fertige Gene bereit gestellt, sondern Genteile Während der Antigen-unabhängigen Entwicklung setzt jeder Lymphocyt „sein“ Gen für die leichte und die schwere Kette zusammen. Die Diversifikation von Antikörpern beruht in erheblichem Masse auf den zufälligen Deletionen und Insertionen von Nucleotiden an den Rekombinationsstellen. Während der Antigen-abhängigen Phasen erfahren die B-Zellen eines der drei unterschiedlichen Schicksale: Reaktion mit körpereigenen Molekülen was den Zelltod auslöst (selektive Deletion erhält die Selbsttoleranz) Bindung an ein passendes fremdes Antigen, dadurch Vermehrung und Reifung, sowie Entstehung von Antikörper sezernierenden Plasmazellen und Gedächtniszellen Begegnen keinem passenden Antigen und sterben ab 3.7 Es gibt verschiedene Klassen von Antikörpern Die verschiedenen Antikörper unterscheiden sich im konstanten Bereich der schweren Kette (Effektordomäne). IgM: primäre Antikörper. Membranständig in monomerer Form, löslich als Pentamere. Lösliches IgM hat sehr hohe Affinität für repetitive Antigene auf der Bakterienoberfläche. Ihr Effektorbereich aktiviert Komplementsystem, der Bakterien lysiert. IgG: Prototyp von Antikörpern. Mengenmässig wichtigste Antikörperklasse im Blut. Werden ab dem fünften Tag der Immunreaktion synthetisiert. Veränderter Effektorbereich. Werden von Makrophagen besonders leicht erkannt und entsorgt, können auch die Plazenta passieren. IgA: wichtigste Antikörper zum Schutz gegen Infektionen. Dimeres IgA wird von Epithelzellen (meist Drüsenzellen) gebunden und mit dem Drüsensekret sezerniert (somit auch in die Muttermilch). IgE: werden gegen unschädliche Allergene gebildet. Basophile Granulocyten fangen IgE auf und benutzen sie quasi als Antennen. Granulocyt setzt durch AntigenAntikörper-Reaktion Histamin frei. Histamin stimuliert glatte Muskelzellen, Endothelzellen und Nervenzellen und verursacht eine Reihe allergischer Reaktionen. 3.8 Das Immunsystem verfügt über ein Gedächtnis Bei jeder Aktivierung von einem B-Lymphocyten-Klon entstehen zwei unterschiedliche Zellgruppen, die aber die gleiche Antigen-Spezifität aufweisen. Die Antikörper © 2003 Ana Sesartic 10 sezernierenden Plasmazellen leben nur einige Tage. Die langlebigen Gedächtniszellen starten unmittelbar die sekundäre Immunantwort bei einem späteren Eindringen des identischen Antigens. Gedächtniszellen tragen auf ihrer Plasmamembran bereits Antikörper der Klasse IgG oder IgA und reagieren auf ein Antigen, das zum zweiten Mal in den Körper eingedrungen ist, wesentlich schneller. 3.9 Die Geschichte mit der Histokompatibilität und der Antigenpräsentation Die MHC-Komplexe (major histocompatibility, beim Menschen auch als HLA humane Leukocyten-Antigene) bilden eine Art Klammern, mit welcher Proteinfragmente aus dem Zellinnern an der Zelloberfläche den T-Lymphocyten präsentiert werden. MHC kennzeichnen die Zellen als dem Individuum zugehörig. Wegen der MHC kommt es zur Abstossung von (Fremd-) Transplantaten. 3.10 Die T-Lymphocyten und der T-Zell-Rezeptor Die Zell-vermittelte Immunantwort wird durch die T-Lymphocyten realisiert. Eigenschaften der T-Zellen sind: Produktion von T-Zell-Rezeptoren (nur in membrangebundener Form) Angewiesen auf Zell/Zell Kontakte. Können ihre Zielzelle regulierend beeinflussen (T-Helfer-Zellen) oder töten (Cytotoxische T-Zellen) Erkennen nur Antigene, welche von anderen Zellen mittels der MHC-Komplexe präsentiert werden. Cytotoxische T-Zellen töten infizierte Körperzellen, körperfremde Zellen (Transplantate) und entartete Körperzellen. T-Helferzellen stimulieren die Immunreaktion anderer Zellen. Jede TZelle bildet nur ihren spezifischen Rezeptor-Typ. 3.11 Cytotoxische T-Zellen bekämpfen intrazelluläre Erreger und Krebszellen Cytotoxische T-Zellen bekämpfen Pathogene, die in Zellen eingedrungen sind und sich innerhalb der Zelle vermehren. MHC-Komplexe bilden eine Art Tasche, mit welcher kurze Peptidfragmente ausgestellt werden können. Cytotoxische T-Zellen erkennen Peptidfragemente, die von den MHC-I-Komplexen präsentiert werden. Darauf setzen sie Perforin frei, ein Protein, das in der Membran der Zielzelle tödliche Löcher ausbildet. Gleichzeitig wird die cytotoxische T-Zelle, die ihr Antigen erkannt hat, zur Vermehrung und damit zur Bildung eines Klons aktivierter cytotoxischer T-Zellen stimuliert. 3.12 T-Helfer-Zellen spielen eine zentrale Rolle bei der Aktivierung von B-Zellen Makrophagen präsentieren Fragmente von phagocytiertem Material mit Hilfe der MHC-II-Komplexe T-Helfer-Zellen erkennen Antigene, die mittels MHC-II präsentiert werden Von T-Helfer-Zellen ausgeschüttete Botenstoffe optimieren die humorale (und cytotoxische) Immunreaktion Die Aktivierung von naiven B-Lymphocyten ist ein zweistufiger Prozess: Das Antigen muss an den membranständigen Antikörper binden und gleichzeitig muss der BLymphocyt durch Cytokine angeregt werden MHC-I: auf allen Körperzellen. Präsentieren laufend Fragmente der in der Zelle vorhandenen Proteine. Falls sie Antigene präsentieren werden die Zellen von cytotoxischen T-Zellen (CD8) vernichtet. © 2003 Ana Sesartic 11 MHC-II: nur bei auf Phagocytose spezialisierten Zellen, vor allem Makrophagen. Präsentieren Fragmente von phagocytiertem Material den T-Helfer-Zellen (CD4). Diese sezernieren Wachstumfaktoren zur Unterstützung von B- und T-Lymphocyten. 3.13 Das Komplement-System hilft im Kampf gegen bakterielle Infektionen Das Komplement schützt vor bakteriellen Infektionen. Es setzt sich aus ca. 20 löslichen Proteinen zusammen die in der Leber synthetisiert werden. Durch Eindringen eines Mikroorganismus (Polysaccharide in der Zellwand und an ihm gebundene Antikörper) werden sie aktiviert und lagern sich auf der Oberfläche der Bakterien zu MembranangriffsKomplexen zusammen, die die Membran durchlöchern und den Mikroorganismus zerstören. 4 Von der Muskelzelle zur Leistungsphysiologie Jede Art von körperlicher Leistung bedingt Aktivität der Skelettmuskulatur (Quergestreifte Muskulatur). 4.1 Aufbau und Kontraktion der Muskelfaser Skelettmuskelzellen sind so lang wie der Muskel, haben Zahlreiche Kerne und sind von Zellmembran umhüllt. Myofibrillen sind zur Kontraktion fähige Strukturen in der Zelle. Skelettmuskulatur heisst wegen dem Myofibrill-Aufbau auch quergestreifte Muskulatur. Muskelzelle Æ Myofibrille Æ Myofilamente Æ Aktinmolekül Æ Myosinmolekül Die dicken Filamente bestehen aus Molekülen des fibrillären Proteins Myosin, die dünnen Filamente aus zwei Strängen des globulären Proteins Aktin. Der Bereich zwischen zwei ZScheiben (Verankerung der Aktin-Filamente) bildet die Grundeinheit der Myofibrillen, das Sarkomer. Be der Kontraktion binden die Myosinköpfe an die Actinfilamente und ziehen diese zwischen die Myosinfilamente hinein. Die durch die Hydrolyse von ATP freigesetzte Energie bewirkt Konformationsänderungen der Myosinköpfchen. Myosin überführt die chemische Energie von ATP in Bewegungsenergie. Æ Greif-Zieh-Loslass-Zyklus Dabei löst ATP die Bindung zwischen Myosinköpfchen und Aktinfilament und es liefert die Energie für die Konformationsänderung des Myosins. Erregung der Skelettmuskelfaser wird durch das an der motorischen Endplatte (Synapse zwischen Nerv und Muskelzelle) sezerniertes Acetylcholin ausgelöst. Na+ strömt in Zelle ein. Ca2+ Ionen strömen aus longitudinalen Tubuli aus. Myosinköpfchen können an Aktinfilamente binden. Es folgt eine Kontraktion. Die Kraftentwicklung oder die Verkürzung der Skelettmuskelfaser wird durch die Zahl der Aktionspotentiale pro Zeiteinheit, also die Reizfrequenz, gesteuert. 4.2 Energieliefernde Prozesse 4.2.1 Die Rolle des ATP für die Zellfunktionen Ziel des Stoffwechsels ist, ATP immer auf einem ausreichenden Konzentrationsniveau zu halten. Grössten Energiebedarf hat die auf Arbeitsleistung spezialisierte Muskelzelle; hier überträgt ATP die Energie direkt auf den kontraktilen Apparat. Den grössten ATP Umsatz haben Skelettmuskelzellen. © 2003 Ana Sesartic 12 4.2.2 ATP-Gewinnung aus Nährstoffen Nahrungsmoleküle werden in drei Stufen abgebaut, um ATP zu liefern (Katabolismus = enzymatischer Abbau): Abbau grosser Makromoleküle zu einfachen Untereinheiten o Polysaccharide Æ Glucose o Fette Æ Fettsäuren und Glycerol o Proteine Æ Aminosäuren Abbau der einfachen Untereinheiten (Glucose Æ Pyruvat) zu Acetyl-CoA unter Bildung anteiliger Mengen ATP (in Mitochondrien) und NADH Vollständige Oxidation von Acetyl-CoA zu H2O und CO2 bildet vier NADH, aus dem mittels Elektronentransport viel ATP entsteht. = Zitronensäure-Zyklus Solange genügend Sauerstoff vorhanden, wird ATP durch die katabole, O2-abhängige Oxidation in Mitochondrien generiert (Zellatmung). Glukose ist der für Muskelzellen am effektivsten verwertbare Energielieferant. Falls nicht genügend O2 vorhanden ist, bleiben die Pyruvat-Moleküle, anstatt in den Mitochondrien abgebaut zu werden, im Cytosol und werden zu Laktat umgewandelt. Die anaerobe Bildung von ATP aus Glukose durch die Glykolyse ist unwirtschaftlich. 4.2.3 Die grossen Energiespeicher des Körpers sind Glykogen und Fette ATP kann von Zellen nur in sehr geringen Mengen gespeichert werden. Glykogen: Speicherform von Glucose, wird in Leber- und Muskelzellen eingelagert Fette (Lipide): überwiegend Triglyceride (Glycerin verestert mit drei Fettsäuren), in Fettzellen gespeichert. Wichtig bei Ausdauerleistung. Proteine: nicht wichtig für Energiegewinnung 4.3 Nutzung der Energieträger im Verlauf körperlicher Arbeit Die direkt für die Muskelkontraktion nutzbare Energiequelle ist immer das ATP. Keratinphosphat weist höhere freie Energie auf als ATP und kann verwendet werden um „verbrauchtes ATP“ zu regenerieren. Der Keratinphosphatspeicher wird erst nach Abbruch der Arbeit über ATP aus dem oxidativen Katabolismus wieder aufgefüllt. Im Muskel gespeichertes Kreatinphosphat wirkt nur als Zwischenspeicher, um die sofortige Umstellung auf Leistung zu ermöglichen. Obwohl die Leistung sprunghaft einsetzt, steigt die effektive Sauerstoffaufnahme verzögert an. Im Fliessgleichgewicht (steady state) zwischen dem Verbrauch von ATP und der aeroben Bereitstellung von ATP hat sich die Sauerstoffaufnahme des Muskel an den Sauerstoffbedarf angepasst. Nach Arbeitsende wird der Anfangszustand wiederhergestellt. Wichtig: Oxidation von Fettsäuren steigt nur langsam an. Anreicherung von Laktat stört das biochemische Gleichgewicht des Muskels. Es erlaubt kurzfristig Leistung über maximale aerobe Kapazität, weil die max. Umsatzrate glykolytischer Enzyme grösser ist als die der mitochondrialer Enzyme. Jedoch nur für begrenzte Zeit! Lactat reichert sich an, NAD+ wir erschöpft. Es ist ineffizient, da nur mit Glucose möglich, die Energie der Glucose aber nur zu kleinem Teil ausgenutzt wird und der Glucosespeicher gering ist Æ Hungerast. 4.4 Energieumsatz Der Grundumsatz dient dazu, die Körperfunktionen aufrecht zu erhalten. Am meisten verbrauchen Leber und ruhende Skelettmuskulatur. Mit normaler Ernährung kann auf die Dauer nicht mehr als 20'000 kJ/Tag an Nährstoffen aus Nahrungsmitteln bereitgestellt werden. Wirkungsgrad: Beim aeroben Abbau von Glukose und Fettsäuren können nur etwa 50% der freien Energie genutzt werden, um ATP aufzubauen. Ein Teil wird als Wärmeenergie frei. © 2003 Ana Sesartic 13 4.5 Körperliche Leistungsfähigkeit Bei übermässiger Nutzung kommt es zu Abnuztungserkrankungen, bei chronischer Unterbelastung zu Herz- und Kreislauferkrankungen, etc. (sog. Zivilisationsschäden). Physiologische Leistungsbereitschaft: Arbeitsantrieb, den ein Mensch normalerweise bereit ist aufzubringen. Ändert sich mit der Tageszeit. Der zirkadiane Rhythmus, dem das ganze vegetative System unterworfen ist, ist von der Ortszeit abhängig. Die restlichen Leistungsreserven sind autonom geschützt. Das Maximale Transportvermögen von Sauerstoff zur Arbeitsmuskulatur ist abhängig vom maximal möglichen Herzminutenvolumen, der peripheren O2-Ausschöpfung. Dies hängt wiederum ab von der Kapillarisierung des Muskels und der Strömungsgeschwindigkeit des Blutes in den Kapillaren. Weiterhin beeinflussend ist die Hämoglobinkonzentration im Blut, Konzentration der Erythrocyten und das Blutvolumen. Bei der Frau liegt die maximale O2-Aufnahzme wegen des kleineren Herzens und des prozentual geringeren Muskelanteils normalerweise unter der des Mannes. 5 Molekulare Zellbiologie Proteine sind Bindeglied zwischen Geno- und Phänotyp. Gene geben Anweisungen für die Synthese von Proteinen zur richtigen Zeit und am richtigen Ort. 5.1 Der Informationsfluss vom Gen zum Protein Transkription und Translation als die ersten beiden Schritte vom Gen zum Protein Ein Triplett von Nucleotiden codiert für eine bestimmte Aminosäure Transkription ist die DNA-gesteuerte RNA-Synthese Translation ist die RNA-gesteuerte Synthese eines Polypeptids DNA-Matrizenstrang Æ Transkription Æ mRNA Æ Translation Æ Protein Transkription: Umschreibung der genetischen Information von der DNA in die RNA. RNAPolymerasen können Nucleotide nur an das 3’-Ende des wachsenden Polymers anheften. Ein RNA-Molekül wächst von 5’ nach 3’. Bei Eukaryonten enthält jede Transkriptionseinheit nur ein Gen = monocistronisch. Promotor: Erkennungs- und Bindungsstellen von RNA-Polymerasen. TATA-Box. Translation: RNA-gesteuerte Synthese eines Polypeptids. 3 Nucleotide codieren für 1 Aminosäure. tRNA transportiert Aminosäuren aus dem Aminosäure-Reservoir des Cytosols zum Ribosom. Bei Eukaryonten sind Transkription und Translation räumlich und zeitlich getrennt. Ribosom: Organelle (im Nucleolus gebildet), in der genetische Information in Proteine übersetzt wird. Jedes hat 3 Bindungsstellen für tRNAs. Synthese von Polypeptiden verläuft immer vom N-terminalen zum C-terminalen Ende. Start-Codon: AUG ist Startsignal für die Translation. Initiator-tRNAMet bindet sich im Ribosom direkt an die Peptid-Bindungsstelle. Stop-Codon: UAA, UGA, UAG bewirken Termination. Werden von Terminationsfaktoren erkannt. Bindung tRNA-Polypeptid wird gelöst. © 2003 Ana Sesartic 14 Von einem mRNA-Molekül werden gleichzeitig mehrere Polypeptide translatiert. Polysom (= Gruppe von Ribosomen) wandert derselben RNA entlang. Falls ein mRNA-Molekül keine Information für eine Signalsequenz enthält, bleibt das Ribosom bei der Translation frei im Cytosol. Die 3D-Struktur des Proteins ist durch die Sequenz der Aminosäuren (Primärstruktur) gegeben. Definitive Glykolysierung findet im Golgi-Apparat statt. Transfer-RNA: Nimmt zu seiner Struktur passende Aminosäure aus dem Cytosol auf, bringt sie zum Ribosom und verlässt dieses wieder, um eine weitere Ladung aufzunehmen. 5.2 Eukaryontische Zellen modifizieren die mRNA nach der Transkription Veränderungen an den Enden der mRNA: 5’-Ende wird bei der Transkription zuerst synthetisiert. Es erhält eine Guanosin-Triphosphat-Kappe zum Schutz vor dem Abbau und bindet an Ribosomen. Das 3’-Ende erhält einen Poly(A)-Schwanz. Er spielt eine Rolle bei Transport ins Cytoplasma, reguliert den Abbau und „recycliert“ Ribosomen. RNA-Spleissen: Enzyme schneiden Introns (nichtcodierende Segmente) aus dem Molekül aus und verbinden die Exons zu einer translatierbaren mRNA mit einer kontinuerlichen codierenden Basenfolge. Gene und prä-mRNA von Eukaryonten enthalten codierende und nicht-codierende Abschnitte. Die prä-mRNA wird gespleisst. Prokaryonten Genregulation dient der schnellen und gezielten Anpassung an Umweltbedingungen (v.a. Nahrungsangebot). Anpassung der enzymatischen Aktivitäten der Zelle an das Nahrungsangebot oder andere Umweltbedingungen. Gleichzeitige Transkription und Translation. mRNA ist polycistronisch und kurzlebig. Eukaryonten Genregulation dient der Steuerung der Entwicklung und Differenzierung. Anteil der Gene, die auf Umweltveränderungen reagieren sind viel kleiner. Hoch organisierte vielstufige Genregulation Æ Entwicklung verschiedener Zellen, Differenzierung. mRNA als Vorstufe transkribiert und nach Transkription prozessiert. Spleissen. mRNA ist monocistronisch und langlebig. 5.3 Die Kontrolle der Genexpression bei Eukaryonten Jede Zelle eines Eukaryonten exprimiert nur einen kleinen Teil ihres Genoms, das zum grossen Teil aus nicht-codierenden Sequenzen besteht. Genexpression unterliegt exakter räumlichen und zeitlichen Kontrolle, wobei der wichtigste Kontrollpunkt der Transkriptionsstart ist. Ausserdem kontrollieren regulatorische Proteine und DNA-Abschnitte die Genexpression. Durch differentielles Spleissen von mRNA können aus einem Gen verschiedene Varianten eines Proteins hergestellt werden. 5.3.1 Die Genomgrösse Die Gesamt-DNA, Anzahl Gene und DNA pro Gen ist mit der Evolution zunehmend, jedoch nicht streng korreliert. Genomgrösse und Chromosomenzahl sind nicht gekoppelt. Die Anzahl Basenpaare pro haploidem Genom innerhalb einer Spezies ist konstant. Bei Prokaryonten ist die Hauptmenge der DNA codierend, bei Eukaryonten ist sie grösstenteils nicht codierend. Eukaryonten weisen aber mehr regulatorische Sequenzen auf. Ein grosser Teil der Proteine wird durch alternatives Spleissen von prä-mRNA möglicht gemacht. Ein Teil der nicht codierenden DNA besteht aus repetitiven Sequenzen, die von Individuum zu Individuum ähnlich sind, aber nicht identisch (genetischer Fingerabdruck)! © 2003 Ana Sesartic 15 5.3.2 „Zweck“ der Genregulation bei Einzellern und bei vielzelligen Organismen Organisation des bakteriellen Genoms: Gene auf DANN dicht gepackt Æ grosser Teil der DANN codierend Regulatorische Sequenzen unmittelbar vor Gen Gemeinsam regulierte Gene zu Operon zusammengefasst Organisation eukaryotischer Gene: Grosse nicht codierende Abstände zwischen den Genen Gene bestehen aus Introns und Exons Jedes Gen einzeln reguliert Nur Promotor unmittelbar vor Gen, mehrere regulatorische Sequenzen in grösserer Entfernung 5.3.3 Die DNA-Verpackung von eukaryontischen Chromosomen ist an der Genregulation beteiligt Die grosse DNA-Menge von Eukaryonten wird mit Hilfe von Histon-Proteinen zu Chromatin verpackt. Dies ist ein mehrstufiger Prozess: 1) DNA + Histone Æ Nucleosom Æ ~Perlenkette 2) Tight helical fiber 3) Supercoil (Superhelix) 4) Metaphase-Chromosom: Superhelix bildet Schleifen und Falten Jedes Chromosom enthält ein DNA-Molekül, das mehrere tausend mal länger ist, als der Durchmesser eines Zellkerns. Eine menschliche Zelle hat 46 Chromosomen (23 Chromosomen-Paare). Über 90% der DNA ist nicht codierend. Über den Verpackungsgrad kann die Zugängigkeit für RNA-Polymerasen gesteuert werden. 5.3.4 Komplexe aus zahlreichen Proteinen regulieren die Transkription von Eukaryonten Die meisten Eukaryontengene sind inaktiv, solange sie nicht spezifisch angeschaltet werden. Die Kontrolle verläuft vorwiegend auf der Ebene der Transkription mittels regulatorischen Proteinen. Die regulatorischen DNA-Elemente von eukaryotischen Genen Promotor, die Erkennungs- und Bindestelle für die RNA-Polymerase ist der Startpunkt für die Transkription. Enhancer-Sequenzen sind Orte, an denen Transkriptionsfaktoren (Proteine) binden und dadurch die Transkription des Gens kontrollieren können. Sie liegen häufig weit weg vom Promotor. Transkriptionsfaktoren Am Enhancer bindende Aktivator-Proteine können mit der RNA-Polymerase interagieren, indem die DNA Schleifen bildet. Transkriptionsfaktoren können spezifische DNA-Sequenzen erkennen, weil die Proteinoberfläche und die Oberflächeneigenschaften der Doppelhelix in diesem Bereich genau zusammen passen. Verschiedene Zellarten weisen unterschiedliche Transkriptionsfaktoren auf. Die in einer Zelle vorhandenen Transkriptionsfaktoren bestimmen, welche Gene in der Zelle exprimiert werden. 5.3.5 Genregulatorproteine steuern die Differenzierung von Zellen Die Entwicklung von Muskelzellen ist ein Beispiel für die Wirkung von übergeordeneten Transkriptionsfaktoren (=Genregulatorproteine). Der übergeordenete Transkriptionsfaktore myoD wird als erster exprimiert und determiniert embryonale Zellen zu Muskelzellen. Signale für die Gensteuerung: Cytoplasmatisch (intrazellulär) Nachbarzellen (extrazellulär) Die Zellkerne des frühen Embryos sind von unterschiedlich zusammengesetztem Cytoplasma umgeben und erhalten unterschiedliche Signale. © 2003 Ana Sesartic 16 5.3.6 Alternatives Spleissen von prä-mRNA Durch alternatives Spleissen können von einem Gen funktionell verschiedene Polypeptide produziert werden. 5.4 Koordination der Genregulation in einem vielzelligen Organismus Zell-Zell-Kontakte, Hormone und ähnliche Signale wirken bei der Genkontrolle mit. Die von hydrophilen resp. Lipophilen Molekülen vermittelten Signale werden mittels verschiedener Mechanismen in den Zellkern geleitet. Formen der Signalübertragung sind: Endokrine Wirkung (Signal + Rezeptor) o Klassische Hormone, langlebig Parakine Wirkung o Hormonähnlich, kurzlebig Signalübertragung durch membranständige Proteine (Zell-Zell-Kontakte) Wirkung von extrazellulären Signalen Signale verändern die Funktion von bereits in der Zelle vorhandenen Proteinen o Schnell: Aktionspotential, Muskelkontraktion Signale steuern die Synthese von Proteinen (Genexpression) o Langsam: Zunahme Muskelkraft, Produktion von Antikörpern Wichtige Signalmoleküle für die Steuerung der Genexpression sind: Polypeptide (Bsp.Wachstumsfaktoren, Cytokine) o Können Zellmembran nicht durchdringen (polar, geladen, H2O-löslich) Lipidähnliche Moleküle (Bsp.Steroidhormone) o Können Zellmembran durchdringen, da fettlöslich o Binden an Rezeptoren im Cytoplasma Oberflächenrezeptoren aktivieren cytoplasmatische Regulatorproteine Das Signal von hydrophilen Molekülen wird durch eine Signalübertragungskette von der Zelloberfläche in den Zellkern geleitet. Z.B. bei B-Lymphocyten wird die Produktion von Antikörpern durch Cytokine von T-Helfer-Zellen aktiviert. Ausknospungen des Entoderms z.B. werden (mit)induzert durch Zell-Zell-Kontakte der betreffenden Entodermzellen mit darunter liegenden Mesodermzellen. Kleine lipophile Signalmoleküle können die Zellmembran durchqueren Steroidhormone (Stresshormon Cortisol, männliche und weibliche Geschlechtshormone) passieren den Lipid-Bilayer der Zellmembran und Binden am intratzellulären Rezeptorprotein. Hormon-Rezeptor-Komplex ≈ genregulatorisches Protein 6 Gentechnologie Gentechnologie hat zu einer industriellen Revolution der Biotechnologie geführt. Unter Biotechnologie versteht man die Verwendung lebender Organismen mit dem Ziel, bestimmte Verfahren durchzuführen, bzw. besondere Produkte herzustellen. 6.1 Das Prinzip der Genmanipulation Plasmide sind kleine zirkuläre DNA-Moleküle, die sich in der Bakterienzelle autonom replizieren können. Man kann fremde Gene in isolierte Plasmide einbauen: rekombinante DNA = DNA zweier verschiedener Organismen. © 2003 Ana Sesartic 17 Möglicher Nutzen klonierter DNA/Gene: Herstellung eines Proteins Zellen mit einer bestimmten Stoffwechseleigenschaft versehen Kopien eines Gens herstellen, damit man es weiter untersuchen kann 6.2 Die grundlegenden Methoden der Gentechnologie Werkzeuge: Enzym zum Zerschneiden der DNA Enzym zum Verbinden der DNA Vektor (z.B. Plasmid) Wirt für rekombinante DNA Vektoren und Wirtsorganismen Plasmide und Viren sind die gebräuchlichsten Vektoren. Meistens enthält das verwendete Plasmid ein gen für eine Antibiotika-Resistenz. In einem Antibiotika enthaltenden Nährmedium können sich so dann nur die Bakterien vermehren, die ein Plasmid aufgenommen haben. Probleme bei Bakterien als Wirte sind die evtl. Schwierigkeit die genetische Information eines eukaryontischen Gens zu exprimieren. Ausserdem werden viele eukaryontische Proteine nach der Synthese noch modifiziert. Hefezellen besitzen ebenfalls Plasmide (selten bei Eukaryonten). DNA-Hybridisierung ermöglicht die gezielte Suche nach definierten DNA-Fragmenten DNA-Doppelhelices können durch erwärmen oder erhöhen des pH-Wertes in ihre Einzelstränge überführt werden (=Denaturieren). Nur Einzelstränge, die komplementäre Nukleotidsequenzen aufweisen, können Renaturieren (=Reasoziieren = Hybridisieren). Somit lässt sich prüfen, ob ein bestimmter Genabschnitt vorliegt. Diese Methode kann verwendet werden, um mögliche Träger von Erbkrankheiten zu ermitteln, bzw. pränatal zu diagnostizieren. 6.3 Anwendungen der rekombinanten DNA-Technologie in der Forschung 6.3.1 Mit rekombinanter DNA wird die Regulation von eukaryontischen Genen untersucht Für die Expression eines Testgens in vitro braucht es die regulatorische DNA-Sequenz und den Transkriptionsfaktor. 6.3.2 Transgene Tiere Transgen: ein in einen fremden Organismus übertragenes Gen Transgenes Tier: Organismus, das Fremdgen enthält (in Keimbahn eingeführt) Einsatzmöglichkeiten: Grundlagenforschung, Bioreaktoren für die Produktion medizinisch relevanter Proteine, Nutztierzucht 6.3.3 Knockout-Mäuse als Modellsysteme Knockout-Mäuse sind Mäuse mit einem gezielt ausgeschaltetem Gen. Mit Ihnen kann die Bedeutung einzelner Gene für die Embryogenese oder für die Entwicklung von Krankheiten erforscht werden. Behandlungsmethoden für genetisch bedingte Krankheiten können entwickelt werden (Bsp. Cystische Fibrose). © 2003 Ana Sesartic 18 7 Mutationen und Krebs 7.1 Begriffe und Beispiele Mutation: DNA-Veränderung. Kann zur Veränderung eines Proteins oder zur Verringerung / Verlust seiner Expression führen. Mutationsrate: Eine Mutation pro Gen pro 105-106 Gameten natürlicherweise Allele: Verschiedene Varianten eines Gens Der überwiegende Teil der Mutationen ist rezessiv Punkt- oder Genmutation Austausch eines einzelnen Basenpaares (Punktmutation) oder Deletion weniger Basenpaare. Missense: einzelne Aminosäure ausgetauscht Nonsense: codon einer Aminosäure durch Stop-Codon ersetzt Frameshift / Leseraster: ein oder zwei Nukleotide eingefügt bzw. verlorengegangen Kleine Deletionen: wie Frameshift, aber bei 1/3 bleibt Leserahmen erhalten Chromosomenmutationen Veränderungen in der Chromosomenstruktur Deletion Inversion Translokationen Genom-Mutationen Veränderung der Chromosomenzahl (Polyploidie = Euploidie und Aneuploidie) Trisomien: spezifische Formen der Aneuploidie (Einzelchromosomen vermehrt). Nondisjunction einzelner Chromosomen (n+1) Somatische Mutationen (Körperzellen) Funktionsverlust oder Tod der Zelle Entstehung von Tumoren Keimzellen Mutationen (Eizelle und Spermium) Keine Konsequenzen für betroffenen Organismus Erbkrankheiten werden bei Nachkommen sichtbar (meist rezessiv) o Albinismus o Cystische Fibrose o Sichelzellen Anämie o Phenylketonurie 7.2 Tumoren Krebs ist die Folge von Mutationen in Genen, deren Produkte Zellwachstum und Zellteilung regulieren. Krebszellen reagieren nicht mehr auf die Regulationsmechansimen des Organismus. Gutartige (benigne) Tumoren: langsames Wachstum, geringe Zellveränderungen Bösartige (maligne) Tumoren: schnelles Wachstum, hohe Zellteilungsrate, bilden häufig Metastasen (Tochter-Tumoren an anderen Stellen des Organismus) 7.2.1 Tumoren entstehen durch Akkumulation von mehreren Mutationen in einer Zelllinie Darum steigt die Krebsanfälligkeit mit zunehmendem Alter. © 2003 Ana Sesartic 19 7.2.2 Genetische Ursachen der Tumorentstehung Exogene Ursachen: ionisierende und UV-Strahlen, chemische Substanzen und gewisse Viren. Onkogene: Krebs verursachende Gene Proto-Onkogene: Normale zelluläre Gene. Codieren für Proteine, die Wachstum und Teilung von Zellen steuern. Proto-Onkogene können durch Mutation zu Onkogenen werden durch: Genamplifikation Chromosomale Translokation Punktmutation Normale, das Zellwachstum kontrollierende Gene können durch Mutationen zu „Krebsgenen“ werden (Proto)-Onkogene ermöglichen kontrolliertes Zellwachstum, abgestimmt auf Bedürfnisse des Gesamtorganismus. Wenn mutiert, führen sie zu unkontrolliertem Zellwachstum, unabhängig von Signalen aus der Umgebung. („durchgedrücktes Gaspedal“) Tumor-Supressorgene (z.B. p53) hemmen Zellen, die sich nicht teilen sollen, kontrollieren also das Zellwachstum. Wenn mutiert, führen sie zu unkontrolliertem Zellwachstum. Zellen mit beschädigter DNA z.B. lassen sich nicht kontrollieren („defektes Bremspedal“). 7.3 Die Wirkungsmechanismen von mutagenen Agenzien Mutationen sind in der Regel die Folge von nicht reparierten DNA-Schäden. Jedes Agens, das DNA-Schäden bewirken kann, ist ein potentielles Mutagen. Jedes Mutagen ist auch ein potentielles Kanzerogen (=Karzinogen). In der Evolution haben sich effiziente ReparaturMechanismen ausgebildet, die DNA-Schäden reparieren und die Mutationsraten auf einen erträglichen Wert begrenzen. Ionisierende Strahlen Ionisierende Strahlen haben drastische Effekte auf die DNA: Doppel- und Einzelstrangbrüche, kovalente Verknüpfungen zw. Nucleotiden der Doppelhelix (cross links), Zerstörung od. Strukturveränderungen von DNA-Basen. α-, β-, γ- und Röntgenstrahlen geben beim Eindringen ins Gewebe Energie ab. Eine der Konsequenzen ist die Erzeugung von Hydroxyl-Radikalen Nebenprodukte des Zellstoffwechsels Hoch reaktive Sauerstoffradikale sind Auslöser von endogen bedingten Spontanmutationen. Am häufigsten Schädigen sie Guanin. UV-Strahlung Unter UV-Strahlung kommen Thymin-Dimere zustande. Es kommt dadurch zur Verformung der Doppelhelix, die Basenpaarung wird verhindert, und somit auch die Replikation und Transkription unterbrochen. Nach heutigem Erkenntnisstand gelten Rauchabstinenz, reichlicher Verzehr von Obst und Gemüse und mässige Kalorienaufnahme als effizienteste Krebsvorsorge. 7.4 Zellen verfügen über effiziente DNA-Reparatur-Mechanismen Fast alle Reparaturmechansimen beruhen darauf, dass eine Schädigung nur einen Strang der DNA-Doppelhelix betrifft. Grundprinzip der Reparatur ist: Erkennen und Herausschneiden des beschädigten DNA-Abschnitts durch Enzym Reparatur-DNA-Polymerase füllt die Lücke mit komplementärer Kopie © 2003 Ana Sesartic 20 Bruch im Zucker-Phosphat-Gerüst wird von DNA-Ligase versiegelt Die DNA-Reparatur gewährt die Stabilität des Genoms. DNA-Schäden führen somit nicht zwingend zur Mutation, sondern werden in den meisten Fällen repariert, ohne dass eine Mutation entsteht. © 2003 Ana Sesartic 21
