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 Eukaryoten

3 Funktion von Mitochondrien Trennung von Auf- und Abbauprozessen Energieproduzent (ATP) Calciumspeicher cytoplasmatische Vererbung vermehrtes Vorkommen in energieverbrauchenden Zellen z.b. Herzmuskel, Nierentubuli, Spermien

4 Endosymbiontenhypothese Mitochondrien ähneln in Struktur einfachen Bakterien Relikt einer frühen Symbiose zwischen Pro- und eukaryotischen Zellen

5 Mitochondrien: quasi autonom Mitochondrien enthalten eigene DNA (mtdna) 0.5% der Zell-DNA in Mitochondrien lokalisiert mtdna ist ringförmig und an die innere Membran gebunden mtdna liegt in mehreren identischen Kopien vor Mitochondrien haben eigene Ribosomen, trnas und Enzyme zur Proteinexpression Großteil der mitochondrialen Enzyme aber im Kern codiert, werden im Cytosol synthetisiert und importiert

6 Cytoplasmatische Vererbung Vermehrung erfolgt durch Wachstum und Teilung vorhandener Organellen Zellteilung: Mitochondrien werden dem Zufall folgend auf Tochterzellen verteilt Vererbung mitochondrialer Gene unterliegen nicht Mendelschen Gesetzen cytoplasmatische Vererbung Menschen: maternale Vererbung, Cytoplasma der befruchteten Eizelle mit Mitochondrien stammt hauptsächlich von der Mutter, Spermienschwanz mit Mitochondrien wird bei Befruchtung abgestossen

7 Mitochondrien im Fluoreszenzmikroskop Endothelzellen Färbung der Mitochondrien (rot) Färbung der Aktinfilamente (grün) Färbung des Zellkerns (blau)

8 Struktur von Mitochondrien elektronenmikroskopische Aufnahme eines Mitochondriums

9 Struktur von Mitochondrien

10 Struktur der Mitochondrien Größe 1-5 µm von einer Doppelmembran (zwei Lipiddoppelschichten) umgeben innere Membran erfährt durch Einstülpungen in den Innenraum (Matrix) starke Oberflächenvergrößerung (Cristae) mitochondriale Matrix: substrat-abbauende Enzyme (Fettsäure-Oxidation, Citratzyklus) innere Membran: Enzyme der Atmungskette Schaffung eines Reaktionsraumes getrennt vom Cytoplasma

11 Innere vs. äußere Membran äußere Membran: Proteinporen (Porine) freie Diffusion von kleinen Molekülen innere Membran: permeabel für O 2, CO 2, H 2 O Durchtritt anderer Moleküle (ATP, Ca 2+ ) wird über Transportproteine reguliert innere Membran enthält Proteine der Atmungskette Innere Membran erzeugt Barriere und erlaubt Kompartimentierung von Stoffwechselfunktionen in Cytosol und Mitochondrium mit Gefrierbruch erhaltene EM-Aufnahme der inneren und äußeren Membran

12 Oxidation von Glukose C 6 H 12 O O 2 6 CO H Energie Wie wird die Energie zur Bildung von ATP genutzt?

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 Synthese von ATP aus ADP und P kostet Energie

14 Stoffwechsel Proteine, Kohlenhydrate Lipide werden in Grund- Bausteine zerlegt weiterer Abbau erfolgt unter Bildung von NADH und ATP Kohlenstoff der Moleküle wird als CO 2 freigesetzt

15 NADH Struktur des NADH Wechsel zwischen oxidierter/ Reduzierter Form Elektronentransportierendes Coenzym Reduzierte (NADH) Form ist die energiereichere

16 Elektronentransportkette Elektronen des NADH werden über mehrere Proteinkomplexe (z.b. Cytochrome) auf Sauerstoff übertragen (Bildung von Wasser) Pro Übertragungsschritt verlieren Elektronen Energie Energie wird genutzt, um Protonen in den Intermembranraum des Mitochondriums zu transportieren

17 ATP Synthase Proteinkomplex in der inneren Mitochondrienmembran Besteht aus einem Protonenkanal und einer ATPsynthetisierenden Einheit Protonen fliessen durch den Kanal in die Mitochondrienmatrix (von hohen zu niedrigen Konzentrationen) Protonenfluß treibt ATP- Synthese an

18 ATP-Synthase: Elektronenmikroskopie Matrix ATP-Synthasen Elektronenmikroskopische Aufnahme eines intakten Mitochondriums Elektronenmikroskopische Aufnahme einer mitochondrialen ATP-Synthase

19 ATP-Synthase: Modell F 0 -Einheit: Protonenkanal F 1 -Einheit: ATP-Synthese F 0 F 1 -ATPase

20 Oxidative Phosphorylierung Elektronen werden von NADH auf Sauerstoff übertragen die freiwerdende Energie wird genutzt, um einen Protonengradienten aufzubauen der Protonengradient treibt ATP-Synthase an Bildung von ATP