Von Andreas Fangmann

Von Andreas Fangmann
Stand: März 2006
Der Aufbau des menschlichen Körpers
- Zytologie
* Die Zellmembran
* Der Zellkern
* Ribosom
* Endoplasmatisches Retikulum
- Glattes ER
- Rauhes ER
* Der Golgi-Apparat
* Lysosom/Peroxysom
* Die Mitochondrien
* Das Zentrosom
* Das Zytoskelett
* Muskelphysiologie
* Das Zytosol
* Zellkontakte
Das Menschliche Genom
- Allgemeiner Aufbau
* Grundbausteine des Genoms (DNA)
* Primärstruktur (Nukleotidsequenz)
* Räumliche Struktur (DNA-Doppelhelix)
* Ablauf der Replikation der DNA
* Die PCR (Polymerase-Kettenreaktion)
Eiweiße
- Aminosäuren
- Primärstruktur von Proteinen
- Sekundärstruktur
- Tertiärstruktur
- Quartärstruktur
- Proteinsynthese
* Transkription
* Verschiedene Proteine für die Synthese
* Translation und Verknüpfung der AS
Vererbungslehre
- Phasen der Zellteilung
- Maiose
- Mendel´sche Gesetze 1 bis 3
Unter Zytologie versteht man die Lehre der
Zellen. Diese werden in Protozyten (Bakterien)
und Euzyten unterteilt.
Protozyte
Größe
ca. 0,3 - 5 µm
Zellkern
kein Zellkern
Transkription/-lation im Zytoplasma
Chromosomen
1 DNA-Ring
Mitochondrien
nein
Zytoskelett
äußeres Korsett
Ribosomen
70 S
Euzyte
ca. 2 - 100 µm
Zellkern
getrennte Räume
lineare DNA
ja
intrazellulär
80 S
ORGANELLE: Die Gesamtheit der
elektronenmikroskopisch sichtbaren
Zellbestandteile.
INTERSTITIUM: Bereich zwischen den
Zellen (wird auch als extrazelluläre Matrix
bezeichnet. Ein sehr wichtiger Bestandteil
sind die verschiedenen Formen der
Kollagene (Proteine bestimmter Struktur)).
KOMPARTIMENTE: Membranbegrenzte
Reaktionsräume der Euzyten.
Die Zellmembran besteht aus einer
Lipiddoppelschicht (Bilayer)
Sie besteht aus Phospholipiden, Eiweißen
und Cholesterin (z.T. auch andere Substanzen)
Die Fettsäureschwänze sind hydrophob, die
Reste hingegen hydrophil (polar)
Phospholipide sind zwar in ihrer Schicht äußerst
beweglich, können aber zwischen den
Schichten nicht wechseln.
Cholesterin stabilisiert die Membran und macht
sie undurchlässiger
Zellmembran ist semipermeabel: die Membrandurchlässigkeit ist abhängig von
1. Der Größe (Porengröße der Membran ca. 0,4 nm)
2. Der Polarität (je polarer, desto schlechter)
Dies ist entscheidend für die Osmolarität!
Man unterscheidet aktiven vom passiven Stofftransport (aktiv verbraucht Energie!)
Die Membran ist lediglich ca. 7,5 nm dick. Bei einer
Zellgröße von 75 µm entspricht dies bei einem Raum
von 15 m einer Wanddicke von 1,5 mm!!!
Der Zellkern (Nukleus) hat eine doppelte Membran (wobei die
äußere eigentlich die Membran des endoplasmatischen
Retikulums (ER) ist, die perinukleäre Zisterne somit eine ERZisterne)
Die Membran hat Kernporen, die selektiv auch größeren
Strukturen (z.B. Proteinen wie Polymerasen, mRNA...) Durchlass
gewähren.
Hauptinhalt des Nukleus ist chromosomale DNA und daraus
produzierte RNA.
In der Kernmatrix befinden sich z.B. Replikations- und
Transkriptionsenzyme, Nukleotide und Triphosphate.
Kernkörperchen (Nukleoli) sind dichtgepackte rRNA sowie
Proteine (auf Vorrat produzierte unfertige Ribosomen).
Ribosome sind zusammengesetzte Partikel aus 2
Untereinheiten, die aus ribosomaler Ribonukleinsäure (rRNA)
und Proteinen bestehen.
Aufgabe der Ribosomen ist die Translation und Synthese von
Proteinen.
Sie synthetisieren entweder im Zytosol oder am ER.
Ribosome sind flexibel einsetzbare Roboter ,
die beliebig programmierbar mal dieses, mal
jenes Protein produzieren können.
Zytologie
Endoplasmatisches Retikulum (ER)
Das ER wird unterschieden in ein
- glattes (ohne Ribosomenbesatz) und
- raues (mit aktivem Ribosomenbesatz)
Beim ER handelt es sich um eine Röhrenstruktur, teilweise zisternenartig aufgebläht,
teilweise lamellenartig geschichtet.
Die ER-Matrix hat eine wesentlich geringere
Viskosität als das Zytoplasma.
Das glatte ER hat folgende Funktionen:
1. Transport von Wasser und gelösten Teilchen (z.B.
Salzen) innerhalb und durch die Zelle.
2. Speicherung von Stoffen (z.B. Calcium im ER
von Muskeln)
3. Lipidsynthese (Phospholipide als Baustein der
Membranen), Steroidsynthese (z.B. Hormone der
Nebennierenrinde (NNR) bzw. Geschlechtshormone)
4. Entgiftung körperfremder Stoffe mittels Hydroxylierung oder Oxidation
Das raue ER ist besonders viel vertreten in
Zellen, die Proteine exportieren (z.B.
Verdauungsdrüsen, Antikörper liefernde
Lymphozyten, endokrine Drüsen)
Das raue ER ist lamellenartig angeordnet
(Oberflächenvergrößerung!) und ist übersät
von Ribosomen (wie Streusel auf einem
Streuselkuchen).
(Proteinsynthese für Zelleigenbedarf erfolgt
an Ribosomen direkt im Zytosol)
Jeglicher Export von Syntheseprodukten des
ER (Sekretion) nimmt seinen Weg über den
Golgi-Apparat.
Es handelt sich hierbei um Stapel
plattgedrückter Membranblasen.
Der Golgi-Apparat einer Zelle besteht aus
vielen einzelnen Lamellenstapeln
(Diktyosome) und den dazugehörigen GolgiVesikeln.
Es handelt sich um ein dynamisches System.
Diktyosome entstehen durch Abschnürung
von Membranbläschen aus dem glatten ER.
Die konvexe Seite (cis-Seite)ist dem ER
zugewandt.
Die konkave Seite (trans-Seite) zeigt viele
Sekundärvesikel (Golgi-Vesikel).
In den Sekundärvesikeln (Golgi-Vesikeln)
befinden sich fertige und für den Export
bereite Proteine.
Aufgabe des Golgi-Apparats:
1. Modifikation der Lipidmembran (Glykokalyx)
2. Prozessierung (Veränderung)
von Proteinen (zumeist
Zuckeranlagerung)
Zeitachse der Aminosäureverwertung:
Zeit:
Lokalisation:
0 min:
6 min:
9 min:
~25 min:
~45 min:
Punktgabe radioaktiver AS
AS im oder am rauen ER
AS im glatten ER
AS in Diktyosomen
Proteine fertig in Golgi-Vesikeln
In Lysosomen findet eine intrazelluläre
Verdauung statt. Man kann sie somit als
Darm der Zelle bezeichnen.
- Die makromolekularen Nahrungskörper
gelangen über Endozytose in die Zelle.
Mehrere Endozytosevesikel verschmelzen zu
einem Endosom.
- Intrazelluläre Verdauungsenzyme (saure
Hydrolasen wie Lipasen, Proteasen etc.)
befinden sich in Golgi-Vesikeln (Prälysosom),
die mit dem Endosom verschmelzen.
Die Verdauungsenzyme müssen sich geschützt in
Vesikeln befinden, um nicht zelleigene Bestandteile zu
verdauen.
Die Verdauungsenzyme können nur in saurer
Umgebung arbeiten. Das pH-Optimum liegt bei pH 5,
was über Protonenpumpen in der Lysosomenmembran erreicht wird. In Prälysosomen sind sie
bei einem alkalischen Milieu inaktiv.
Verwertbare Abbauprodukte gelangen durch die
Lysosomenmembran ins Zytoplasma, der Rest wird
exozytiert oder als Müllhaufen gespeichert.
Eine Sonderstellung haben die
Peroxisomen. Sie beinhalten Oxygenasen
(entziehen organischen Verbindungen
Wasserstoff und oxydieren diesen zu
Wasserstoffperoxid) und Peroxidasen (bauen
Wasserstoffperoxid wieder ab).
Mit Hilfe des Peroxids können Substanzen
entgiftet werden (z.B. wird Alkohol zu Acetaldehyd oxidiert). Auch ein ansonsten nur in
Mitochondrien stattfindender Abbau von Fettsäuren ist somit möglich (ß-Oxidation).
Mitochondrien besitzen immer eine Doppelmembran!
Es gibt zwei Formen von M.: Typ Christae (s.
Bild, Lamelleneinstülpungen) und der
tubuläre Typ (röhrenförmige Einstülpungen)
Die äußere Membran ist ausgesprochen
durchlässig, selbst für größere Proteine.
Die innere Membran ist extrem
undurchlässig.
Mítochondrien besitzen eine eigene DNA!
Mitochondrien sind ehemals primitive Bakterien! Diese
Sachverhalte sprechen für diese Erkenntnis:
1. Sie haben eine eigenständige, ringförmige DNA,
wie es Bakterien aufweisen.
2. Sie besitzen eigene, kleinere Ribosomen, genau wie
Bakterien.
3. Die innere Mitochondrienmembran enthält Cardiolipin, was sonst nur bei einigen Bakterien vorkommt.
4. Mitochondrien vermehren sich durch eigene Teilung.
Eine Euzyte kann keine Mitochondrien eigenständig
herstellen. M. werden über die weibliche Eizelle
weitervererbt.
Die Mitochondrien sind die
Kraftwerke der Zelle!
Sie besitzen das Patent zur Atmung.
Sie oxidieren Kohlenhydrate und Fette bis
in ihre letzten Bestandteile Wasser und
Kohlendioxid und gewinnen so das Energiezahlungsmittel ATP. Anaerober Zuckerabbau bringt 2 ATP, aerober 36 (+ 2 GTP)!
Insgesamt gibt es eine Vielzahl von
Skelettproteinen. Ihre Aufgaben bestehen
u.a. in:
1. Gerüstaufbau mit statischer Funktion
2. Brückenproteine zur Vernetzung untereinander und mit anderen Zellstrukturen
3. Erzeugung von Bewegung
4. Stofftransport
In der Fülle an Proteinen sind hier einige
exemplarisch herausgegriffen. Die
wichtigsten und ubiquitär sind:
- Actin
- Myosin
- Tubulin
- Dynein
- Kinesin
AKTIN
Hierbei handelt es sich um Eiweißkügelchen,
die sich hintereinander anlagern und somit
eine Perlenschnur (F-Aktinfilament)
herstellen.
Zwei solcher Aktinfilamente winden sich
schraubenförmig umeinander.
Sie kommen allgemein im Zytoskelett als
Gerüstbauer und besonders auch in
Muskelzellen vor, wo sie maßgeblich an der
Muskelkontraktion beteiligt sind.
MYOSIN
Myosin sieht aus wie ein Golfschläger. Es hat einen
langen Schaft und zwei Köpfe.
Sie lagern sich so zusammen, dass die Köpfe nach
aussen schauen. Das Gebilde erinnert dann stark an
einen Stacheldraht. Merkmale sind:
1. Sie vermögen Actin zu binden (Muskelkontraktion)
2. Sie sind ATPasen, können also durch ATP-Spaltung
Energie freisetzen.
3. Die Köpfe sind beweglich.
TUBULIN
Tubuline sind hantelförmige Eiweiße, die sich
spiralig aneinander lagern, und somit Röhren
bilden.
Diese Röhren werden als MIKROTUBULI
bezeichnet.
Zentriole (Zentrosome) bestehen aus 9x3
Mikrotubuli. Ihre Funktion ist nicht genau
bekannt. Sie spielen bei der Zellteilung und
beim intrazellulären Stofftransport eine Rolle.
Bei einer Muskelkontraktion vereinen sich Aktin- und
Myosinfilamente, die eine bestimmte Anordnung besitzen. (Bsp.:
quergestreifte Muskulatur)
Kurze Zusammenfassung der Muskelkontraktion:
Eine Bindung zwischen Aktin und Myosin wird durch
Anlagerung von ATP getrennt.
Durch Spaltung des ATP in ADP + P verändert sich
die Position der Myosinköpfe. ADP bleibt noch am
Myosin.
Durch Anlagerung von Calcium wird die Bindungsstelle von Aktin und Myosin freigelegt (Tropomyosin).
Aktin und Myosin verbindet sich.
ADP + P wird abgspalten, wodurch die Köpfe des
Myosins umknicken.
ATP trennt die Aktin-Myosin-Verbindung, Calcium
wird über Ionenpumpen ins ER zurückbefördert.
TIGHT JUNCTIONS
Hierbei handelt es sich um feste, gürtelförmige
Verbindungen zwischen den Zellen, die durch
integrale Proteine zustande kommt (vergleichbar mit
Luftpolsterfolie).
DESMOSOMEN
Klebeverbindung zwischen den Zellen, vergleichbar
einem Klettverschluss. Die Verbindung kommt
zwischen Membranzuckern (Cadherine) zustande, die
sich mittels Calcium verbinden. Beim Marinieren in der
Küche wird Calcium als Komplex gebunden.
GAP JUNCTIONS
Hierbei handelt es sich um kleine Kanälchen, die
die Zellen untereinander verbinden. Sie liegen
im Bereich von Tight junctions. Somit ist ein
Stoffaustausch zwischen den Zellen möglich.
Dies gilt insbesondere für Elektrolyte, aber auch
für kleinere Polypeptide.
Sie ermöglichen z.B. einen geregelten
Kinozilienschlag (Flimmerhärchen).
Der Aufbau der DNA (Desoxyribonukleinsäure) wurde 1953 von Watson / Creek
entschlüsselt, die dafür den Nobelpreis
erhielten.
Sie besteht aus
- Zucker
- Phosphat
- Base (Purin-, bzw. Pyrimidinring)
Der in der DNA benötigte Zucker ist eine
ringförmige Pentose (Fünffachzucker) mit
Namen Desoxyribose. Hierbei handelt es sich
um eine Ribose, die am C-2 keine
Hydroxylgruppe besitzt.
Am C-1 der Ribose ist eine Base N-glykosidisch gebunden. Diese ist entweder ein
Purin- oder eine Pyrimidinbase.
Es gibt insgesamt 4 verschiedene Basen.
Hierbei handelt es sich um:
BASE
STRUKTUR
Adenin
Thymin
Guanin
Cytosin
Purin
Pyrimidin
Purin
Pyrimidin
Die Verbindung von Base mit dem Zucker
nennt man NUKLEOSID.
Die Verbindung eines Nukleosids mit einer
Phosphorsäure nennt man NUKLEOTID.
Hieraus ergeben sich bei Anlagerung einer
Phosphorsäure dAMP, dGMP, dTMP und
dCMP.
Die Nukleotide sind 5´,3´ über Phosphorsäureester miteinander verbunden. Dieses
ergibt einen Strang, eine Nukleotidsequenz.
Es gibt komplementäre Basenpaarungen in Form
von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen:
Adenin (A)---Thymin (T)
Guanin (G)---Cytosin (C)
Die Verbindung A-T hat zwei Bindungen, die
Verbindung G-C hat drei Bindungen.
Somit ist G-C stabiler.
Der Komplementstrang ist ein exaktes,
gegenläufiges Spiegelbild. Man spricht auch von
+ und Strang.
Durch die Basenpaare kommt es zur
Ausprägung einer Leiterstruktur .
Da die Basen durch ihre Ringstruktur
hydrophob, der Zucker und die Phosphorsäure
hydrophil sind, kommt es zu einer Verdrillung
der Leiter, so dass kein Wasser zwischen die
Sprossen der Leiter passt. Es entsteht die
rechtsgedrehte DNA-Doppelhelix.
Die gesamte menschliche DNADoppelhelix ergibt aneinandergereiht
einen Faden von 3 m Länge. Diese
muss geordnet in 65 µm3 untergebracht werden (0,000 000 065 mm3).
Um dies zu gewährleisten, wird die DNA
um bestimmte Proteine, den Histonen,
gewickelt. DNA plus Histone bezeichnet
man als Chromatin.
Insgesamt besitzt das menschliche Genom 46
Chromosomen. Davon sind 44 Autosomen und 2
Geschlechtschromosome (Gonosomen).
Alle Chromosomen liegen doppelt vor (diploider
Chromosomensatz), lediglich in den Keimzellen liegt
ein einfacher Chromosomensatz (haploid) vor.
In einer bestimmten Phase der Zellteilung (Metaphase) nach Verdopplung des Genoms sind die
Geschwisterchromosomenpaare an ihren Zentromeren zusammengewachsen. Es zeigt sich das
Karyogramm.
Zentromer
Doppelt diploider
Chromosomensatz!
A-G geordnet
nach Größe und
Lage des Zentromers.
A
B
1
2
3
4
5
11
12
17
18
C
6
7
8
9
E
D
Beachte die Ban13
denfärbung!
F
19
10
14
20
15
16
G
21
X Y
22
Der Zellzyklus wird wie folgt eingeteilt:
- G1-Phase: Wachstumsphase der Zelle; hohe
Transkriptions- und Translationsaktivität
- S-Phase: Replikation (Verdopplung der DNA)
- G2-Phase: kurze Phase vor der Zellteilung; geringe
Aktivität.
- M-Phase: Mitose (Zellteilung)
Bei der Zellteilung (Mitose) werden vier
Stadien unterschieden:
PHASE
WAS PASSIERT?
Prophase
Die spiralisierten doppelt diploiden Chromosomen
werden sichtbar, die Kernmembran löst sich auf
Die Geschwisterchromosomen ordnen sich an
der Äquatorialplatte an.
Spindelfasern der Zentriolen greifen am Zentromer an und ziehen die Geschwisterchromosomen auseinander zu den Zellpolen.
Chromosomen entspiralisieren sich und eine
neue Kernmembran entsteht.
Metaphase
Anaphase
Telophase
Zentrosom
Zentromer
Die Meiose dient dazu, vier haploide
Chromosomensätze hervorzubringen, die
zudem durch verschiedene Mechanismen
eine Rekombination von Genen darstellt.
Dies geschieht zum einen durch Crossingover, zum anderen durch die willkürliche
Verteilung von väterlichen und mütterlichen
Chromosomen.
Crossing-over
Die Prophase der Meiose gestaltet sich
anders als in der Mitose. Die väterlichen und
mütterlichen Geschwisterchromosomenpaare
lagern sich ganz dicht aneinander. Teile der
DNA werden erst jetzt repliziert, wobei es
zum Übersprung von väterlichen und
mütterlichen Abschriften kommen kann.
Die Meiose benötigt zwei Teilungen, um die 4
haploiden Chromosomensätze der
Keimzellen hervorzubringen. Hierbei werden
bei der ersten Meioseteilung (Reifeteilung)
nicht wie in der Mitose die
Geschwisterchromosomen getrennt, sondern
die väterlichen und mütterlichen Geschwisterchromosomen, wobei die Verteilung
rein willkürlich ist. Hieraus alleine ergibt sich
bereits eine Kombinationsvielfalt von
246 = ca. 1014
genotypisch
verschiedenen Nachkommen!!!
Zwischen der 1. Und 2. Reifeteilung findet
keine DNA-Replikation statt (also keine SPhase).
Die 2. Reifeteilung ist eine normale
mitotische Teilung, nur dass hier die
Geschwisterchromosomen, die aufgrund des
Crossing-over der 1. Prophase ja auch nicht
mehr identisch sind, voneinander getrennt
werden.
Das Ergebnis sind 4 haploide, untereinander
genetisch verschiedene Zellen.
1. Mendelsche Gesetz (Uniformitätsregel):
Kreuzt man reinerbige Individuen, die sich in einem
Merkmal unterscheiden, so sind die Nachkommen
der Filialgeneration F1 untereinander phänotypisch
gleich.
A
A
A: rote Blüte
a
Aa
Aa
a: weiße Blüte
a
Aa
Aa
2. Mendelsche Gesetz (Aufspaltungsregel):
Kreuzt man Individuen der F1 unter sich, so spaltet sich die
nächste Filialgeneration F2 phänotypisch 3:1 und
genotypisch 1:2:1 auf. Dies entspricht der Zufallsverteilung
der elterlichen Allele in je einem Exemplar auf die
Nachkommen.
A: rote Blüte
(dominant)
a: weiße Blüte
(rezessiv)
A
a
A
AA
Aa
a
Aa
aa
3. Mendelsche Gesetz (Unabhängigkeitsregel):
Mehrere verschiedene Merkmale werden
unabhängig voneinander vererbt.
A: rote Blüte
(dominant)
a: weiße Blüte
(rezessiv)
B: gerader Stiel
(dominant)
b: krummer Stiel
(rezessiv)
AB
AB
ab
AaBb
AaBb
ab
AaBb
AaBb
F1:
alle Pflanzen
Rot und gerade
F2 Generation:
Einzelmerkmale:
3:1
Beide Merkmale:
9:3:3:1
AB
Ab
aB
ab
AB
AABB
AABb
AaBB
AaBb
Ab
AABb
Aabb
AaBb
Aabb
aB
AaBB
AaBb
aaBB
aaBb
ab
AaBb
Aabb
aaBb
aabb
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