Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie. Nucleolus. Nucleus. Golgi Apparat. Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie

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1 TEIL 2: Zellaufbau Membranen Cholesterin Transport an Membranen Signalvermittlung an Membranen Calzium im Stoffwechsel Apoptose 1 DIE ZELLE glattes endoplasmatisches Retikulum Kernmembran rauhes ER Nucleolus Nucleus Zellwand Plasmamembran Golgi Apparat Cytoskelett Cytoplasma Tierische Zelle Lysosomen Vakuole Mitochondrium Mitochondrium Chloroplast Lysosomen glattes endoplasmatisches Retikulum Plasmamembran Zellulose Pectin Pflanzliche Zelle Nucleus rauhes ER Golgi Apparat 2 Kernmembran Nucleolus ORGANELLEN Nucleus: DNA und RNA-Synthese und Speicherung Nucleolus: RNA - Prozessing und Ribosomensynthese, NAD-Synthese Endoplasmatisches Retikulum: Synthese Golgi-Apparat: Modifikation und Sortierung von Lipiden, Glykoproteinen und Membranen Mitochondrien: Energielieferant, Oxidation von Kohlenhydraten und Lipiden, Harnstoff- und Hämoglobinsynthese Lysosomen: Hydrolyse von Kohlenhydraten, Proteinen, Fetten und Nucleinsäuren 3 From: 4 Peroxisomen: Sauerstoffabhängige Reaktionen, Entgiftung von H 2 O 2 MEMBRANEN Mikrotubuli und Mikrofilamente: Zellskelett, Zellmorphologie Zytosol: Metabolismus von Kohlenhydraten, Lipiden, Aminosäuren und Nukleotiden, Vorkommen: Zellmembran Organellenmembranen Zytoskelett: Actinfilamente, Mikrotubuli; zur Formerhaltung, beteiligt an der Zellpolarität Plasmamembran: Zellmorphologie, Schutz, Permeabilitätsschranke, Transport, Erkennung, Signalübertragung Zellwand: Zellmorphologie Chloroplasten: Sauerstofffixierung Vakuolen: Speicherung von Abbauprodukten Funktion: Schutz und Stabilität Transport Signalübertragung Zusammensetzung: abhängig vom Organismus abhängig vom Organ abhängig von der Funktion 5 6 1

2 Aufbau Oligosaccharid Glykolipid Cholesterin angelagertes Membranprotein integrale Membranproteine 7 Alberts Abb Membranbestandteile Phospholipide Micelle Membranlipide (Phospholipide, Glykolipide): sind für die Grundstruktur (Lipiddoppelschicht) verantwortlich, (Glyko)Proteine: dienen als Kanäle und Transportshuttles, haben Rezeptor- und Signalfunktion Phospholipiddoppelschicht Phospholipiddoppelschicht Cholesterin: reguliert in tierischen Zellen die Fluidität der Membran Beweglichkeit: Rotation laterale Diffusion Flip-Flop (selten!) 9 10 Palmitat Oleat Gesättigte Fettsäuren: C14 Myristat Schmpkt. 58 C C16 Palmitat 63 C C18 Stearat 70 C C20 Arachidat 77 C FETTSÄURE FETTSÄURE G L Y C E R I N PHOSPHAT ALKOHOL Ungesättigte Fettsäuren: C18:1 Oleat 16 C C18:2 Linoleat -5 C C18:3 Linolenat -11 C C20:4 Arachindonat -50 C Phosphatidylserin Phosphatidylcholin

3 Cholesterin C 27 HO polar 13 unpolar * essentieller Membranbestandteil * Vorstufe der Steroidhormone (Gestagene C 21, Glucocorticoide C 21, Mineralocorticoide C 21, Androgene C 19, Östrogene C 18 ) * Vorstufe von Vitamin D * Vorstufe von Gallensäuren KLASSE transportierte Lipide Dichte Durchmesser [g/cm] Chylomikronen Triacylglycerine aus der <0, nm Nahrung (Darm Gewebe) VLDL Endogene Triacylglycerine, 0,95-1, nm Cholesterin IDL Cholesterinester, Cholesterin 1,006-1, nm LDL Cholesterinester, Cholesterin 1,019-1, nm (endogenes Chol.: Leber Gewebe) HDL Cholesterinester, Cholesterin 1,063-1, nm endogenes Chol.: Gewebe Leber) 14 Low density lipoprotein (LDL) - Partikel: Apoprotein (bindet an Rezeptor) Antibiotika ~ 1500 Cholesterinmoleküleester 800 Phospholipidmoleküle 500 unveresterte Cholesterinmoleküle ANTIBIOSE = Wachstumshemmung oder Abtötung von Mikroben durch Stoffwechselprodukte anderer Organismen. ANTIBIOTIKA = Stoffwechselprodukte von Bakterien, Pilzen, Flechten, Algen, höheren Pflanzen, und niederen Tieren, die schon in geringer Konzentration inhibitorische Aktivität zeigen. (Therapeutisch relevant: aus Mikroorganismen) WIRKUNG der Antibiotika: *) Eingriff in DNA- bzw. RNA-Biosynthese *) Hemmstoffe der ribosomalen Proteinbiosynthese Tetracycline, Chloramphenicol, Streptomycin *) Hemmstoffe der Biosynthese von Zellwandbausteinen (z.b. Teichonsäuren grampositiver Bakterien) Penicilline, Cephalosporine *) Destabilisatoren der Cytoplasmamembran bei Bakterien (Peptide mit hoher Oberflächenaktivität werden eingebaut, Desorientierung der Membranstrukturen, Permeabilität wird erhöht) *) Destabilisatoren der Cytoplasmamembran bei Pilzen: (Antibiotikum geht mit Steroiden in der Membran Komplexe ein, es bilden sich Poren) 17 Transport A.) PASSIVER TRANSPORT Diffusion: unpolare kleine Moleküle O 2, N 2, Benzol, CO 2, Ausnahme: Wasser (polar) geht auch durch; Erleichterte Diffusion: Transportproteine (Carrier, Kanal); Ausgleich eines Konzentrations -gradienten Carrier Kanal 18 3

4 Ionenkanal: Beispiel: Glukosetransporter Glukose * Passiver Fluss in Richtung des Konzentrationsgefälles * "hydrophile Schleuse" durch hydrophobe Membran hohe Fließgeschwindigkeit kurze Reaktionszeit auf Signal. * Im Ruhezustand geschlossen * aktiviert durch Konformationsänderung des Proteins spannungsgesteuert: Ionenkonzentration EINES Ions ligandengesteuert: Aktivierung durch Neurotransmitter Rückkehr Bindung Dissoziation Transport "regulierte Pore" * Spezifität * hohe Geschwindigkeit * Sättigungskinetik * kompetitive Hemmung möglich * chemische Inaktivierung möglich (HgCl 2 ) Beispiel: Chlorid-Bicarbonattransporter in Erythrocyten B.) AKTIVER TRANSPORT Gewebe Transportprotein Ohne Cl - wird der Transport gestoppt! Uniport: nur EINE Molekülart Symport: gleichzeitig ZWEI Arten in die GLEICHE Richtung Lunge 21 Antiport: gleichzeitig ZWEI Arten in ENGEGENGESETZTE Richtung 22 Elektroneutral: KEINE Veränderung der Nettoladung (Symport unterschiedlich geladener, oder Antiport gleich geladener Moleküle). Elektrogen: Veränderung der Ladung auf den Membranseiten. B.) AKTIVER TRANSPORT: energieabhängig, selektiv, nicht allzu schnell; Na + /K + -ATPase (in tierischen Zellen) elektrogen: Extrazellulär: K + : 4 mm Na + : 145 mm 3 Na + von innen nach außen 2 K + von außen nach innen Ionenpumpen: Erhalten das Konzentrationsgefälle spezieller Ionen aufrecht, pumpen auch GEGEN Diffusionsgradienten, sind energieabhängig (ATP ADP ATPasen). Zytosol: K + : 140 mm Na + : 12 mm * ermöglicht tierischen Zellen die osmotische Kontrolle * Potentialgradient Erregbarkeit von Nervenzellen

5 Aufnahme größerer Partikel PHAGOCYTOSE: Aufgabe der Makrophagen Entstehung der Mitochondrien? ENDOCYTOSE: Pinocytose: nicht-spezifische Aufnahme abhängig von der Umgebungskonzentration > < Exocytose Rezeptorvermittelte Endocytose: benötigt spezifische Rezeptoren, unabhängig von der Umgebungskonzentration (Aufnahme von Cholesterin, Transferrin, Ubiquitin-markierte Proteine = Clearing, Viren, Toxinen) Phagocytose Rezeptorvermittelte Endocytose: Aufnahme von Transferrin eisenfreies Apotranferrin Eisenion Rezeptor eisenbeladenes Ferrotransferrin extrazelluläres Medium Coated pit Plasmamembran Coated Vesicle Clathrin Makrophage bei der Aufnahme von Tuberkelbazillen (Spektrum der Wissenschaften 2007, Heft 9, Seite) 29 eisenfreies Apotransferrin Ferritin Endosom Zelle 30 5

6 LDL-Rezeptor: LDL-bindende Domäne Domäne mit N-gebundenen Zuckern Domäne mit O-gebundenen Zuckern Transmembranregion Cytosolische Domäne Zusammenfassung: Transportmechanismen durch Membranen * Freie Diffusion durch die Phospholipiddoppelschicht * Aufnahme und Abgabe kleiner Moleküle: passiver Transport (Ionenkanäle, Carrier): konzentrationsabhängig, schnell aktiver Transport (Ionenpumpen): energieabhängig, auch gegen Konzentrationsgefälle, langsamere Reaktion * Aufnahme großer Moleküle / ganzer Zellen Phagocytose Pinocytose rezeptormedierte Endozytose * Ausschleusung großer Moleküle: Exocytose Signalvermittlung an Membranen G-Protein Rezeptor Effektor First Messenger Botenstoff (First Messenger): z.b. Hormon Rezeptor (eingelagert in der Membran): bindet den First Messenger GDP GDP GTP G-Protein (ist mit Rezeptor verbunden): besteht aus drei Untereinheiten, bindet entweder - Guanosindiphosphat (GDP) im Ruhezustand, und - Guanosintriphosphat (GTP) im aktivierten Zustand Effektor: wird durch das Andocken der mit GTP-beladenen Untereinheit des G-Proteins aktiviert. Meist folgt dann eine Reaktionskaskade! P i Calzium im Stoffwechsel außen - Knochenstabilität (Hydroxyapatit: Ca 5 (PO 4 ) 3 OH) - Weiterleitung von Hormonsignalen (second messenger) - Regulation der Muskelkontraktion - Weiterleitung von Nervenimpulsen - Sehvorgang - Blutgerinnung - Transport von Salz und Wasser durch die Darmwand Membran Calziumhaushalt wird durch Parathormon, Vitamin D und Calcitonin reguliert. Extrazellulär (~ 1,2 mm) etwa 1000 mal mehr als in der Zelle. Zytosol

7 Beispiel: Geschmack süß Thaumatin (Protein!): sehr hohe Süßkraft (2000fach Saccharose) bitter: Stevia Diterpenglycosid aus Stevia rebaudiana (Paraguay) Süßkraft: ca. 300x so stark wie Saccharose EU : Verarbeitung des natürlichen Steviolglycosids In Lebensmitteln und Getränken erlaubt. sauer: salzig: Beispiel: Nervenzelle Dendriten Zellkörper Axon Endknöpfe Synapse Reizleitung entlang eines Neurons: elektrische Reizleitung (Na + -Kanäle werden geöffnet) Reizleitung zwischen zwei Neuronen: chemische Reizleitung Ein Neuron setzt chemische Botenstoffe (Neurotransmitter) frei, diese binden an Rezeptoren der nächsten Nervenzelle und lösen so ein Signal aus. 41 Fingerhut Hanf Tabak Tollkirsche 42 7

8 Würfelqualle Blauringoktopus Feuerwurm Stachelrochen Rotfeuerfisch Skorpionfisch Kegelschnecke Seeschlange Steinfisch Veränderte Membranen Erbkrankheiten: - zu wenig ungesättigte Fettsäuren eingebaut Fluidität geändert - Proteinphosphorylierung funktioniert nicht Funktion der Pumpen gestört - zuviel Cholesterin eingebaut Fluidität geändert - Transportschwierigkeiten bei Aminosäuren, Zuckern, Vitaminen, anorganischen Ionen Ernährung der Zelle nicht ausgeglichen äußere Einflüsse: - Chemikalien - Strahlung -Viren - Antibiotika + Toxine Alterung: qualitative und quantitative Änderung im Lauf der Jahre! Kann durch Umwelt (Ernährung) gesteigert werden. - Cholesterin : Lipid -Verhältnis steigt - Zahl der ungesättigten Fettsäuren sinkt Oxidationsvorgänge durch freie Radikale Vernetzungen geringere Fluidität geringere Elastizität geringere Transportgeschwindigkeit (Aufnahme UND Abgabe) APOPTOSE = programmierter Zelltod Ausgelöst durch: - genetisch bestimmtes Entwicklungsprogramm: embryonales Gewebe: Organogenese adultes Gewebe: alte und defekte Zellen, abgesiedelte Zellen, Immunsystem aktualisieren, - Signale von Außen: Cytokine, Hormone, Strahlung, Chemikalien, oxidativer Stress; Fehlfunktionen: - zu wenig Apoptose: alte und defekte Zellen vermehren sich weiter, Absiedelung von Zellen Metastasenbildung, - zu viel Apoptose: zu viele Zellen sterben ab z.b. Alzheimer, Parkinson, Immunschwäche, Leberzirrhose; 47 8