Von Andreas Fangmann. Stand: März 2006

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1 Von Andreas Fangmann Stand: März 2006

2 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

3 * 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)

4 Eiweiße - Aminosäuren - Primärstruktur von Proteinen - Sekundärstruktur - Tertiärstruktur - Quartärstruktur - Proteinsynthese * Transkription * Verschiedene Proteine für die Synthese * Translation und Verknüpfung der AS

5 Vererbungslehre - Phasen der Zellteilung - Maiose - Mendel sche Gesetze 1 bis 3

6 Unter Zytologie versteht man die Lehre der Zellen. Diese werden in Protozyten (Bakterien) und Euzyten unterteilt. Protozyte Euzyte Größe ca. 0,3-5 µm ca µm Zellkern kein Zellkern Zellkern Transkription/-lation im Zytoplasma getrennte Räume Chromosomen 1 DNA-Ring lineare DNA Mitochondrien nein ja Zytoskelett äußeres Korsett intrazellulär Ribosomen 70 S 80 S

7 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.

8 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

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11 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!!!

12 Der Zellkern (Nukleus) hat eine doppelte Membran (wobei die äußere eigentlich die Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) ist, die perinukleäre Zisterne somit eine ER- Zisterne) 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).

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14 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.

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16 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.

17 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

18 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)

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20 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 Golgi- Vesikeln. Es handelt sich um ein dynamisches System.

21 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.

22 Aufgabe des Golgi-Apparats: 1. Modifikation der Lipidmembran (Glykokalyx) 2. Prozessierung (Veränderung) von Proteinen (zumeist Zuckeranlagerung)

23 Zeitachse der Aminosäureverwertung: Zeit: Lokalisation: 0 min: Punktgabe radioaktiver AS 6 min: AS im oder am rauen ER 9 min: AS im glatten ER ~25 min: AS in Diktyosomen ~45 min: Proteine fertig in Golgi-Vesikeln

24 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.

25 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.

26 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).

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28 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!

29 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.

30 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)!

31 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

32 In der Fülle an Proteinen sind hier einige exemplarisch herausgegriffen. Die wichtigsten und ubiquitär sind: - Actin - Myosin - Tubulin - Dynein - Kinesin

33 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.

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35 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.

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37 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.

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41 Bei einer Muskelkontraktion vereinen sich Aktin- und Myosinfilamente, die eine bestimmte Anordnung besitzen. (Bsp.: quergestreifte Muskulatur)

42 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.

43 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.

44 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).

45 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)

46 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.

47 Es gibt insgesamt 4 verschiedene Basen. Hierbei handelt es sich um: BASE Adenin Thymin Guanin Cytosin STRUKTUR Purin Pyrimidin Purin Pyrimidin

48 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.

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50 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.

51 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.

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53 Die gesamte menschliche DNA- Doppelhelix ergibt aneinandergereiht einen Faden von 3 m Länge. Diese muss geordnet in 65 µm3 untergebracht werden (0, mm3). Um dies zu gewährleisten, wird die DNA um bestimmte Proteine, den Histonen, gewickelt. DNA plus Histone bezeichnet man als Chromatin.

54 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.

55 Doppelt diploider Chromosomensatz! Zentromer A B A-G geordnet nach Größe und Lage des Zentromers. Beachte die Bandenfärbung! C D E F G X Y

56 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)

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58 Bei der Zellteilung (Mitose) werden vier Stadien unterschieden: PHASE Prophase Metaphase Anaphase Telophase WAS PASSIERT? 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.

59 Zentrosom Zentromer

60 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.

61 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.

62 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 2 46 = ca genotypisch verschiedenen Nachkommen!!!

63 Zwischen der 1. Und 2. Reifeteilung findet keine DNA-Replikation statt (also keine S- Phase). 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.

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65 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

66 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

67 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

68 F2 Generation: AB Ab ab ab Einzelmerkmale: 3:1 AB AABB AABb AaBB AaBb Beide Merkmale: 9:3:3:1 Ab ab AABb AaBB Aabb AaBb AaBb aabb Aabb aabb ab AaBb Aabb aabb aabb

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