Biologie für Mediziner

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1 Biologie für Mediziner - Zellbiologie 1 - Prof. Dr. Reiner Peters Institut für Medizinische Physik und Biophysik/CeNTech Robert-Koch-Strasse 31 Tel , petersr@uni-muenster.de Dr. Martin Kahms Institut für Medizinische Physik und Biophysik/ CeNTech Gievenbecker Weg 11 Tel kahms@uni-muenster.de

2 Literatur Biologie für Mediziner und Naturwissenschaftler Monica Hirsch-Kauffmann Manfred Schweiger Thieme Verlag

3 Literatur Biologie Lehrbuch der allgemeinen Biologie für Mediziner und Naturwissenschaftler Koecke, Emschermann, Härle Schattauer Verlag

4 Membrantransport Stofftransport über die Zellmembran erfolgt als Bläschentransport (Endo/ Exocytose) durch Diffusion und erleichterte Diffusion als aktiver Transport (Ionenpumpen, Carrier)

5 Endocytose

6 Exocytose

7 Diffusion die auf eine gleichmäßige Verteilung (Durchmischung) gerichtete Ausbreitung von Molekülen/ Ionen Ausgleich von Konzentrationsgradienten Ursache: Brownsche Molekularbewegung Ausbreitung von Kaliumpermanganat in Wasser

8 Passive Membranpermeabilität durch die Membran einige Gase diffundieren wie z.b. CO 2, O 2, N 2 kleine ungeladene polare Moleküle wie z.b. Ethanol und Wasser gehen durch grosse polare Moleküle sowie geladene Ionen/Moleküle können nicht durch die Membran diffundieren spezielle Transporter sind notwendig

9 Erleichterte Diffusion Glukosetransport an Erythrocyten Transport geht schneller als osmotische Eigenschaften erlauben würden spezifische Transportermoleküle permanentes Öffnen/Schliessen Glucose kann von beiden Seiten binden Beförderung entlang Konzentrationsgradienten passiv, ohne Energieaufwand

10 Ionenkanäle geschlossen geöffnet Bsp. Kanäle für Natrium oder Kalium Öffnung erst auf ein spezifisches Signal, z.b. Bindung eines Moleküls oder Änderung der Membranspannung Wichtig bei der Reizweiterleitung Im Nervensystem Ionen fliessen passiv entlang ihres Konzentrationsgradienten

11 Aktive Transporte Transport gegen ein Konzentrationsgradienten Transporter arbeiten unter Energieverbrauch (Pumpe) Energiequelle: Spaltung von ATP oder Ionengradient

12 Na/ K- ATPase Transport von 3 Natrium-Ionen in den Extrazellulärraum gekoppelt mit Transport von 2 Kalium-Ionen in die Zelle Verbrauch von Energie in Form von ATP

13 ATP die Energiewährung Adenosintriphosphat (ATP) wird zu Adenosindiphosphat (ADP) und einem Phosphatrest durch Reaktion mit Wasser gespalten (Hydrolyse) dabei wird Energie frei Energie kann genutzt werden Transport Bewegung (Muskel) chemische Reaktionen

14 Glukose/ Natrium Symport Glukose-Transport im Darm Glukose und Natrium werden in die gleiche Richtung Transportiert Transport von Glukose entgegen Konzentrationsgradient Energie aus Natriumgradienten über die Membran

15 Zellkern - Aufbau umgeben von einer Doppelmembran äußere Membran geht direkt in das endoplasmatische Retikulum über Membranen sind von Poren durchsetzt Karyoplasma (Kernplasma) enthält Chromatin und Nucleoli (Kernkörperchen)

16 Zellkern - Funktion Organisation der DNA (größter Teil im Kern lokalisiert) Schutz der DNA Ort der Replikation: Vervielfältigung der genetischen Information Ort der Transkription: Ablesen der genetischen Information (Umwandlung DNA-> RNA) Zellkern angefärbt mit Fluoreszenzfarbstoff, der an DNA bindet

17 Organisation der DNA Länge der Gesamt DNA Ausgestreckt pro Zelle ca. 1 m Kerndurchmesser ca. 5 µm (5*10-6 m) DNA wird intensiv gefaltet mit Hilfe von DNA-Bindungsproteinen (Histone) Komplex aus DNA und Histonen wird als Nukleosom bezeichnet Nukleosomenfaden windet sich in weiter in Schleifen und bildet letztendlich das Chromosom

18 Nucleoli Kernkörperchen manche Zellen haben mehrere membranlos enthält DNA-Schleifen unterschiedlicher Chromosomen DNA trägt Informationen für ribosomale RNA (Ribosomen: Orte der Proteinsynthese, bestehen aus Proteinen und RNA) Ort der Synthese der ribosomalen RNA teilweise Zusammenbau von ribosomalen Untereinheiten Nukleolus Kern

19 Dogma der Molekularbiologie DNA Transkription RNA Protein Translation auch Ausnahmen bekannt (z.b. RNA-Viren)

20 Rolle der Transkription Information wird von DNA in RNA umgeschrieben RNA kann den Zellkern verlassen regulierbar: nicht die ganze Information der DNA muss verwertet werden mehrfaches kopieren der Information ist möglich; Vervielfältigung

21 DNA-Doppelhelix

22 Genetischer Code jeweils drei Basen der DNA kodieren für 1 eine Aminosäure A G T G G T T C C DNA (codogener Strang) U C A C C A A G G RNA Serin -Prolin -Arginin Protein

23 Unterschied DNA/ RNA RNA DNA fehlende OH-Gruppe in Deoxyribose macht DNA inert gegen hydrolytische Spaltung

24 Unterschied DNA/ RNA RNA DNA Uracil (U) Thymin (T) Thymin (komplementäre Base zu Adenin) in RNA durch Uracil ersetzt

25 Mechanismus der Transkription nur ein Strang wird transkribiert (codogener Strang) Enzym: RNA-Polymerase bindet an spezifische DNA-Sequenzen (Promotoren) Aufwinden des Doppelstranges Anlagerung von komplementären RNA-Nukleotiden in 5-3 Richtung Verknüpfung und Bildung einer messenger-rna (mrna), die sich vom DNA-Strang löst Ablesen endet an spezifischen Basensequenzen (Stopp-Signale) oder durch Terminationsfaktoren

26 Mechanismus der Transkription RNA-Nukleotide lagern sich an den codogenen Strang gemäß Basen-Komplementaritätsregeln an und werden verknüpft Adenin = Uracil Thymin = Adenin Cytosin = Guanin Guanin = Cytosin (ersetzt Thymin in RNA)

27 Genetischer Code jeweils drei Basen der DNA kodieren für 1 eine Aminosäure A G T G G T T C C DNA (codogener Strang) U C A C C A A G G RNA Serin -Prolin -Arginin Protein

28 Transport von m-rna Synthese von m-rna im Nukleus Proteinsynthese an Ribosomen (löslich oder an das ER gebunden) Transport von mrna über die Doppelmembran des Zellkerns

29 Nuclear Pore Complex (NPC) cytoplasmatische Seite nukleäre Seite elektronenmikroskopische Aufnahmen

30 Nuclear Pore Complex (NPC) Regulation Stofftransport Nukleus/ Cytoplasma Porenkomplex aus ca. 30 verschiedenen Proteinen 8 oktaederartig angeordnete Proteineinheiten ermöglichen freie Diffusion von kleinen Molekülen und Ionen selektiver Transport von Proteinen, mrna Modell des NPC

31 Und weiter? mrna ist im Cytosol Information der m-rna wird an Ribosomen über den Prozess der Translation in Proteine umgesetzt