Biologie für Mediziner WS 2007/08

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Katharina Gärtner
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1 Biologie für Mediziner WS 2007/08 Teil Allgemeine Genetik, Prof. Dr. Uwe Homberg 1. Endozytose 2. Lysosomen 3. Zellkern, Chromosomen 4. Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6. Reifeteilung (Meiose) 7. Zellkommunikation 8. Signalmoleküle, Rezeptoren 9. Signalantwort 10. Apoptose, Nekrose Folien zum download:

Struktur und Funktion der DNA, Replikation 5. Zellzyklus und Zellteilung (Mitose) 6.

2 Zellkommunikation Signalaustausch zwischen Zellen Signalaustausch von Zellen mit der Umwelt

3 Unidirektional - Bidirektional Signalgebende Zelle Signalisierende Zelle Signalempfangende Zelle Signalisierende Zelle

4 Kommunikation entscheidet über das Schicksal aller Körperzellen Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

5 Kommunikation: Apoptose (Zelltod) Keine Überlebenssignale

6 Kommunikation: Teilen Wachstumsfaktoren

7 Kommunikation: Paarung Saccharomyces cerevisiae Bäckerhefe

8 Kommunikation: Differenzierung Myxobakterien (Schleimbakterien, Prokaryonten) geben bei Nährstoffmangel ein Signal ab, das zur Aggregation führt: Fruchtkörperbildung, Sporenbildung

9 Kommunikationsdistanz Kommunizierende Zellen können in unmittelbarem Kontakt stehen Gap Junctions, Membranproteine benachbart sein synaptische Übertragung parakrine Übertragung weit entfernt sein hormonelle Übertragung

Membranproteine benachbart sein synaptische

10 Kommunikation durch direkten Kontakt Campbell et al (2006) Biologie

11 Kommunikation über lokale Signale Parakrine Singalübertragung Signalübertragung an Synapsen

12 Kommunikation über große Entfernung Hormonelle Signalübertragung

13 Autokrine Signalisierung

14 Formen der Kommunikation Chemische Kommunikation Elektrische Kommunikation Mechanische Kommunikation

15 Intrazellulärer Signalweg Signaltransduktion

16 Chemische Kommunikation Hormone Neurotransmitter, Neuropeptide Lokale Mediatoren Kontaktabhängige Moleküle

17 Hormone Cortisol Steroid Stoffwechsel Testosteron Steroid männl. Geschlechtsmerkmale Glucagon Peptid Kohlehydratstoffwechsel Oxytocin Peptid Stimulation glatter Muskulatur Melatonin Amin signalisiert Nachtzustand Adrenalin Amin Stresshormon, erhöht Blutdruck etc.

Oxytocin Peptid Stimulation glatter Muskulatur Melatonin Amin

18 Neurotransmitter, Neuropeptide Acetylcholin Cholinderivat Nerv-Muskel Synapse GABA Aminosäure hemmender Transmitter Glutamat Aminosäure erregender Transmitter Dopamin Amin u.a. Bewegungskontrolle Serotonin Amin u.a. Aufmerksamkeit Substanz P Peptid Schmerzbahn Endorphine Peptide Schmerzunterdrückung

erregender Transmitter Dopamin Amin u.a. Bewegungskontrolle Serotonin Amin u.

19 Lokale Mediatoren - parakrin Wachstumsfaktoren Epidermal growth factor EGF Nerve growth factor, NGF Proteine Proliferation der Epidermis Wachstum von Axonen Cytokine Proteine Differenzierung Prostaglandine Fettsäuren Gefäßmuskulatur Histamin Amin entzündungsfördernd Stickstoffmonoxid Gas Entspannung glatter Muskulatur

Axonen Cytokine Proteine Differenzierung Prostaglandine Fettsäuren

20 Kontaktabhängige Moleküle Delta Transmembran- verhindert, dass protein Nachbarzellen sich zum selben Zelltyp differenzieren wie signalisierende Zelle

21 Verschiedene Signale Verschiedene Wirkungen Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

22 Dasselbe Signal verschiedliche Wirkung Acetylcholin Muskarinischer Rezeptor Typ M 2 Muskarinischer Rezeptor Typ M 3 Nikotinischer Rezeptor

23 Rezeptoren, Signaltransduktion Signaltransduktion = Umwandlung einer Signalform in eine andere

24 Signaltransduktion Transduktion Erkennung

25 Rezeptoren Hydrophile Signalmoleküle: binden an Oberflächenrezeptoren und Hydrophobe, lipophile Signalmoleküle binden an intrazelluläre Rezeptoren

26 Signale werden von intrazellulären oder membranständigen Rezeptoren detektiert

27 Steroidhormone Intrazelluläre Rezeptoren

28 Intrazelluläre Rezeptoren: Cortisol aktiviert Genregulatorprotein = Transkriptionsfaktor Proteinsynthese Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

29 Testikuläre Feminisierung = komplette Androgenresistenz Ausfall des Testosteronrezeptors: Genetisch, chromosomal männlich (Karyotyp 46, xy) aber phänotypisch weiblich, da Testosteronrezeptor fehlt Buselmaier (2007) Biologie für Mediziner

30 Intrazelluläre Rezeptoren: Stickoxid (NO) Entspannung und Erweiterung der Gefäßmuskulatur Ähnliche Wirkung von NO auf Schwellkörper des Penis Erektion Alberts et al. (2004) Molekularbiologie der Zelle

31 Oberflächenrezeptoren: verschiedene intrazelluläre Signale Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

32 Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren Chemisches elektrisches Signal bei Einstrom von Ca ++ intrazelluläres Signal Spezialität des Nervensystems Beispiel: Acetylcholin nikotinische Rezeptoren Ionenkanal muskarinische Rezeptoren G-Protein-gekoppelt

33 Der nikotinische Acetylcholinrezeptor 2α, 1β,γ,δ ACh bindet an α-einheiten Jede Untereinheit aus 4 transmemb. Domänen M2 (+M3) bildet Pore Pore negativ geladen Kationenkanal (Na +, K +, Ca 2+ ) Aus: Penzlin (2005) Tierphysiologie

34 Ionenkanalgekoppelter Rezeptor = Ligandengesteuerter Ionenkanal

35 Intrazelluläre Signalkaskaden Bei Signalwegen durch G-proteingekoppelte Rezeptoren enzymgekoppelte Rezeptoren Kleine Signalmoleküle (Second Messengers): camp, cgmp, Ca ++ Intrazelluläre Signalproteine wirken als Molekularschalter (ein, aus)

36 Molekulare Schalter AN AN

37 G-Protein-gekoppelte Rezeptoren

38 Aktivierung von G-Proteinen

39 Heterotrimere G-Proteine (GTP-bindende Proteine) bestehen aus α,β,γ-untereinheiten α-untereinheit besitzt GDP/GTP-Bindungsdomäne α-untereinheit besitzt GTPase-Aktivität verschiedene Isoformen: G αs (stimulierend) Choleratoxin (Cholera) hemmt GTPase Wasser und Elektrolytverlust im Darm G αi (inhibitorisch) Pertussistoxin (Keuchhusten) verhindert GDP/GTP Austausch, G αi bleibt inaktiv Elektrolytverlust, Schleimproduktion in Atemwegen

40 Muscarinische Acetylcholin-Rezeptoren = G-proteingekoppelte Rezeptoren Verschiedene Typen: M1: Nervenzellen M2: Herzmuskel M3: glatte Muskulatur, exokrine Drüsen M4: Striatum, Bronchien M5: Zentralnervensystem Unterscheiden sich in den mit Ihnen assozierten G-Proteinen

41 Muscarinische Acetylcholinrezeptoren M1, M3, M5 muscarinische Rezeptoren: G αq : aktivieren Phospholipase C und Ca ++ -Kanäle M2 und M4 muscarinische Rezeptoren: G αi : inhibieren Adenylylcyclase, G βγ öffnet K + -Kanäle

42 Ein aktivierter Rezeptor aktiviert viele G-Proteine: Signalverstärkung

43 G α = GTPase Die α-untereinheit schaltet sich selbst ab durch Hydrolyse des GTP

44 G-Proteine regulieren Ionenkanäle Herzmuskelzelle: Acetylcholin aktiviert K + -Kanal

45 G-Proteine aktivieren Enzyme

46 G-Protein-aktivierte Enzyme Adenylylcyclase: über G αs,g αi ATP camp Phospholipase C: über G αo, G αq Produktion von Inositoltrisphosphat (IP 3 ) Diacylglycerol Durch Enzymaktivierung werden sekundäre Botenstoffe erzeugt

47 Adenlylcyclase produziert camp Phosphodiesterase baut camp ab

48 camp mobilisiert den Körper Alberts et al (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

49 camp aktiviert Proteinkinase A (PKA, A-Kinase) Phorsphorylierung (Aktivierung) von Enzymen und Genregulatorproteinen

50 G-Protein-aktivierte Enzyme Adenylylcyclase: über G αs,g αi ATP camp Phospholipase C: über G αo, G αq Produktion von Inositoltrisphosphat (IP 3 ) Diacylglycerol Durch Enzymaktivierung werden sekundäre Botenstoffe erzeugt

51 Phospholipase C Alberts et al. (1999) Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie

52 Reaktionen der Phospholipase C Stryer (1991) Biochemie, Abb

53 hospholipase C produziert Diacylglycerol und Inositoltrisphosphat

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