Zellphysiologie Grundlagen PDF

Grundlagen der Zellphysiologie Merkmale von Lebewesen die Zelle… kleinste Funktionseinheit des Lebens erwachsener Mensch: ca. 1014 Zellen Zellen spezialisieren sich im Verlauf der Entwicklung: totipotent (befruchtete Eizelle) pluripotent (embryonale Stammzelle) multipotent (z.B. Blutstammzelle)...

Grundlagen der Zellphysiologie Merkmale von Lebewesen die Zelle… kleinste Funktionseinheit des Lebens erwachsener Mensch: ca. 1014 Zellen Zellen spezialisieren sich im Verlauf der Entwicklung: totipotent (befruchtete Eizelle) pluripotent (embryonale Stammzelle) multipotent (z.B. Blutstammzelle) unipotent (z.B. Erythrozyt) Ausdifferenzierung = effektivere Bewältigung spezifischer Aufgaben Was braucht eine eukaryotische Zelle zum Leben? Aufbau der Zelle Duale Reihe Physiologie Aufbau der Zelle Zellmembran - Abgrenzung, Schutz, Regulation des Transports Zellkern - Erbinformation, Transkription Mitochondrien - Energiegewinnung Ribosomen - Proteinsynthese ER, rau - Ort der Proteinsynthese, Produktion von Membranen ER, glatt - Lipidsynthese, Hormonsynthese, Entgiftung, Ca-speicher Golgi – Bildung von sekretorischen Vesikeln, Bildung der Lysosomen, Veränderung der Proteine Zytoskelett – mech. Stabilität, Bewegung, Spindelbildung, Transportvorgänge in der Zelle Duale Reihe Physiologie Zellkern • Hauptmerkmal zur Unterscheidung zwischen Eukaryonten und Prokaryonten • enthält den größten Teil des Erbguts • DNA Replikation • Transkription • Nucleolus enthält Gene für ribosomale RNA und ribosomale RNA selbst, hier werden die Ribosomuntereinheiten gebaut DNA Aufbau der DNA Nukleosid: Pentose (Zucker): Desoxyribose + organische Base (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin) Nukleotid: Pentose + organische Base + Phosphatrest Nukleotide sind verknüpft über C-Atom der Pentose Basen sind verknüpft über H-Brücken Chromosomen Histone erhöhen den Packungsgrad um das 10.000-fache verschiedene Untertypen von Histonen Genom: alle Erbinformationen auf allen Chromosomen Gen: kodiert in der Regel für ein einzelnes Protein RNA RNA mRNA: messenger RNA überträgt die genetische Information ist Vorlage für das Protein rRNA: ribosomale RNA ist ein Baustein der Ribosomen t-RNA: transfer RNA übersetzt den genetischen Code in ein Protein siRNA: small interfering RNA genregulatorische Funktion Transkription • Synthese der mRNA • im Zellkern • reguliert durch Transkriptionsfaktoren Silbernagl, Physiologie Translation • Synthese der Proteine • an den Ribosomen • bei 4 Nukleotiden ergeben sich 43 = 64 Kombinationen Endoplasmatisches Retikulum • Protein- und Lipidsynthese • intrazellulärer Ca2+ - Speicher • glattes ER – Lipidsynthese, Steroidhormone, Cholesterin • diese werden dann in sich abschnürenden Bläschen weiter transportiert • raues ER - besetzt mit Ribosomen • Synthese membrangebundener Proteine und Exportproteine Greenlane.com Golgi-Apparat • Membransystem aus funktionell hintereinandergeschalteten Kompartimenten • Weiterverarbeitung von ER-Produkten: • Synthese von Polysacchariden • posttranslationale Modifikation (Glykosylierung, Phoyphorylierung) • Verpackung von Exportproteinen in sekretorische Vesikel • besonders ausgeprägt in sekretorischen Zellen Medlexi.de Mitochondrien • haben eigene DNA und synthetisieren ihre eigenen Proteine • Kraftwerke der Zelle: Abbau von Kohlehydraten und Lipiden zu Co2 und H2O • Energiegewinnung: Enzyme der Atmungskette bauen einen H+ Gradienten über der inneren Membran auf. Dieser treibt die Synthese von ATP an. • ATP ist die universelle Energiewährung im Körper • stoffwechselaktive Zellen haben viele Mitochondrien (z.B. Leberzellen) • Zellen mit hohem Energieverbrauch haben viele Mitochondrien (Muskelzellen, Nervenzellen, Eizellen) Adenosin-tri-phosphat Adenin Ribose Problem: ATP ist nicht gut speicherbar Mitochondrien • Aufbau des H+ Gradienten: aus dem Zitratzyklus und der Atmungskette gewonnene Elektronen und Protonen treiben Transporter an, die H+ über die inneren Membran transportieren • Rückstrom von H+ in das innere Kompartiment liefert die Energie für die Phosphorylierung von ADP zu ATP (ATP Synthase) Zytoskelett • • • • Zellgestalt innere Architektur Bewegung/Migration gerichteter Stofftransport in der Zelle Zytoskelett Aktinfilamente (auch Mikrofilamente) • • • • • „Zugfasern“, liegen unter der Zellmembran und reichen ins Zellinnere übertragen Bewegungsvorgänge und Formänderungen stabilisieren die Zellmemran Verankerungspunkt für Zellkontakt-Organellen Zytoskelett Mikrotubuli • • • • röhrenförmige Gebilde aus Tubulin stabilisieren die Zellform Spindelbildung intrazellulärer Stofftransport Zytoskelett Mikrotubuli • • • • röhrenförmige Gebilde aus Tubulin stabilisieren die Zellform Spindelbildung intrazellulärer Stofftransport Zytoskelett Intermediärfilamente • • • • • • filamentöse Proteine, die polymerisieren können, z.B. Keratine (Epithelzellen) Vimentin (Blutgefäße) Desmin (Muskel) Neurofilamente (Nerven) Lamine (Zellkern jeder Zelle) • verbinden Mikrotubuli und Aktinfilamente • extrem stabil Zellkontakte Verschlusskontakte Tight Junctions dichten Zellzwischenräume ab verhindern das seitliche Durchdringen von Substanzen z.B. Blut-Hirn-Schranke, Blut-Hoden-Schranke Haftkontakte Zonula adherens, Desmosomen mechanische Verbindung untereinander besonders ausgeprägt in mechanisch beanspruchten Geweben (Epithelien) Kommunikationskontakte Gap Junctions bilden Tunnel und ermöglichen den Austausch von Ionen untereinander (z.B. Herzmuskel, glatte Muskulatur) Zellmembran • Phospholipid-Doppelschicht • Glykolipide, Cholesterin • eingebettete Proteine extrazellulär intrazellulär Karp 2005 Membranproteine (S. Schweitzer) passiver Transport: einfache Diffusion Diffusion: Ausgleich von Konzentrationsunterschieden durch freie Bewegung der Moleküle in Lösungen oder Gasen Nettodiffusion richtet sich nach dem Konzentrationsgefälle (Triebkraft) Diffusion durch Zellmembran passiver Transport: erleichterte Diffusion 1. Ficksches Diffusionsgesetz: Jdiff=F x D x (dC/dx) Ionenkanäle sind selektiv für das jeweilige Ion beim Durchtritt der Ionen fließen Ströme, die man messen kann Kanäle schalten zwischen offen und geschlossen hin und her Ionen fließen entlang ihres Konzentrationsgradienten, dabei bauen sie aber ein elektrochemisches Potential auf: K+ Ausstrom führt zu negativerer Ladung in der Zelle, es entsteht eine elektrische Spannung über der Membran dies bremst weiteren Kalium-Ausstrom, irgendwann bewegen sich gleich viele K+ Ionen in beide Richtungen. dieses Gleichgewichtspotential eines Ions entspricht einer bestimmten Konzentrationsdifferenz aktiver Transport: Pumpen entgegen den Konzentrationsgradienten primär aktiv: Energie aus ATP-Hydrolyse wird für den Transport genutzt (Ionenpumpe, ATPase) sekundär aktiv: Transport eines Moleküls ist an den passiven Transport eines Ions gekoppelt (z.B. Glukosetransporter) Stoffaustausch in der Zelle: aktiver Membrantransport Austausch zwischen den Kompartimenten innerhalb der Zelle Kernimport Export von mRNA Ca-transport ins Sarkoplasmatische Retikulum Arten von Transportern Püschel, 2011 Transport über Zellverbände Duale Reihe Physiologie Endozytose und Exozytose Formen der Endozytose S. Schweitzer Membranpotential Studyflix Ruhemembranpotential ungleiche Verteilung der Ionen auf beiden Seiten der Membran ständig aktive Na-K-Pumpe selektive Permeabilität der Membran nicht diffundierbare negative Moleküle (RNA, Proteine) 145 mM 4 2 120 5 Duale Reihe Physiologie Ruhemembranpotential Duale Reihe Physiologie Ruhemembranpotential Berechnung des Gleichgewichtspotentials E eines Ions mit der Nernst-Gleichung: R: allgemeine Gaskonstante (8,314 J /K x mol) T: absolute Temperatur (310K; 37°C) F: Faraday-Konstante (96487 C/mol) z: Ladungszahl des Ions (x)a: Konzentration des Ions außen (x)i: Konzentration des Ions innen Umrechnung ln zu log: 2,303 vereinfacht gilt in biologischen Systemen: Bsp: Gleichgewichtspotentiale E(K+) = 61mV x log (4/150) = -96 mV E(Na+) =61mV x log (140/12) = +65mV das tatsächlich gemessenes Ruhemembranpotential liegt zwischen -70mV (Neurone) und -90 mv (Herzmuskelzellen) das Ruhemembranpotential ist annähernd ein K+ Gleichgewichtspotential (in der ruhenden Membran sind geöffnete K+ Kanäle viel häufiger als andere Kanäle) Abweichungen vom Ruhemembranpotential MERKE: alle Zellen haben ein Ruhemembranpotential in allen Zellen kann es zu Abweichungen vom Ruhepotential kommen (z.B. Hemmung der Transporter) einige Zellen können ein Aktionspotential aufbauen diese Zellen bezeichnet man als elektrisch erregbar Bsp: Nervenzellen Muskelzellen (glatte Muskelzellen, Skelettmuskelzellen, Herzmuskelzellen) spezielle Zellen der Nebenniere und der Bauchspeicheldrüse Walther-Maria Scheid