M03.1_Einführung in die Biologie & und die Zelle_Max.Happel.pdf

Semester 1 Modul M03.1 Biologische Grundlagen der Medizin: Einführung in die Zellbiologie MAXHAPPEL [email protected] www.cortxplorer.com ©M.Happel 2021...

Semester 1 Modul M03.1 Biologische Grundlagen der Medizin: Einführung in die Zellbiologie MAXHAPPEL [email protected] www.cortxplorer.com ©M.Happel 2021 1  HALLO MAXHAPPEL Bei Fragen kontaktieren Sie mich gern Prof. f. Physiologie (MSB Berlin) über Teams oder per Email: [email protected] Neurophysiologe und Lernforscher Staatl. anerkannter Rettungssanitäter Studium der Biologie (Frankfurt) und Neurowissenschaften (Magdeburg) Dr. rer. nat. in Neurobiologie Postdoc in Oxford, UK Arbeitsgruppenleiter am Leibniz-Institut für Neurobiologie, Magdeburg (www.cortxplorer.com) Eigene Forschungs-Schwerpunkte: Neurophysiologie des Lernen & Gedächtnis, Aufmerksamkeit, Motivation und klinische Relevanz zu neurologischen Erkrankungen ©M.Happel 2021  Team BIOLOGIE an der MSB DR. BRITBADEWIEN-RENTZSCH DR. CAROLINEHERKNER DR. IRINAMALINOVA DR. SIMONEKOSOL Wiss. Mitarbeiterin Wiss. Mitarbeiterin Wiss. Mitarbeiterin Wiss. Mitarbeiterin JOSEFINGARMSHAUSEN DR. STEPHANMARQUARDT PROF. MAXHAPPEL PROF. THORSTENPFIRRMANN Wiss. Mitarbeiterin Wiss. Mitarbeiter Professur Physiologie Professur Biochemie ©M.Happel 2021 3  Infos Tutorien & Repetitorium Semester-begleitende Tutorien Vier Tutorien (online über Teams) Pro Tutorium 2 Termine Konzept: 10 Beispiel-Klausurfragen + Auswertung Termine & Links: über die Dozentinnen im Seminar Abschluss-Repetitorium in SW13, freiwillige Teilnahme Klausur-Crash-Kurs-Vorbereitung ©M.Happel 2021 4  Die Wissenschaft des Lebendigen… Die Biologie bildet die Grundlage für medizinische Anwendungen Robert Koch und die Dez 2019 Entdeckung der Ausbruch der SARS Cov-2 Infektionsbiologie Pandemie Dez 2020 Erste Impfstoff-Zulassung in der EU April 2020 Erste Berichte über PIMS …bis heute unklare Ätiologie & Behandlung Interaktion der Mikroorganismen und ihrer Moderne Biosystem-Medizin Wirte Molekularbiologie, Zellbiologie, Biochemie, Physiologie, (1843-1910) Ökologie und Evolution der (Mikro-)Organismen ©M.Happel 2021 5  Modul M03 Biologie Was erwartet Sie alles in der Vorklinik? (Details siehe Feinplanung) M03.1 (Happel) Die Zelle – eine Einführung SW1 M03.2 (Happel) Zytoskelett, Zell-Zell-Kommunikation, Zell-Matrix-Interaktion SW2 M03.3 (Happel) Endo- und Exozytose, Vesikeltransport SW4 M03.4 (Herkner) Zellkern, Chromosomen, Zellzyklus, Zellteilung, Zelltod SW5 M03.5 (Radewien-Rentzsch) Grundlagen der Genetik/Humangenetik 1 SW7 M03.6 (Radewien-Rentzsch) Grundlagen der Genetik/Humangenetik 2 SW8 M03.7 (Pfirrmann) Grundlagen der Ökologie und Mikrobiologie SW10 …und was ist nun prüfungsrelevant? https://www.impp.de/pruefungen/allgemein/gegenstandskataloge.html ©M.Happel 2021 6  Modul M03 Biologie Organisatorisches Vorlesungen (Präsenz oder virtuell) …wir empfehlen Ihnen die Teilnahme in Präsenz! Überblick des Stoffes (Grundlagen) Nachfragen & Feedback über Forms Leitfaden zum Lernen; Committen vor den Seminaren & Vorlesungen wird geprüft Seminare in Präsenz Vertiefen & Klären offener Fragen durch interaktive Zusammenarbeit Testen zum Einstieg als „Lernstrategie“ (Legen Sie die Scheu ab vor anderen zu sprechen) Praktika in Präsenz Praktisches Arbeiten, Heranführen an wissenschaftliche Arbeitsweisen Probeklausur nach SW 10 (20 MC-Fragen, 30 Minuten) Selbststudium (s. Modulhandbuch): Bilden Sie frühzeitig Lerngruppen! …Abwechslung wirkt belebend, wie beim Essen ©M.Happel 2021 7  Selbst-Studium und geeignete Literatur Säule des Grundwissen Lehrbücher gibt es …und Möglichkeiten „Gelerntes viele… zu überprüfen“ auch! Referenz- Lehrbuch ! Vorsicht: Test- und „Kreuz“-Systeme ersetzen nicht das tiefgehende Verständnis-Lernen mit einem Lehrbuch. Testen unterstützt den spaced learning-Ansatz ©M.Happel 2021  Ihr genauer „Semester-Fahrplan“… Feinplanung in der KuraCloud (und auf TraiNex) ©M.Happel 2021  Die Ziele in der Biologie im 1. Semester Ziel 1: Ziel 2: Grundlagen der Zellbiologie, „Praktische“ Fertigkeiten Genetik und Mikrobiologie passend zu diesen Themen theoretisch kennenlernen erwerben (Praktikum) (Vorlesung). Ziel 3: Wie wende ich erworbenes Wissen im klinischen Bezug an: einen Blick bekommen für die Pathobiologie (Vorbereitung auf spätere klinische Seminare) ©M.Happel 2021 10  Modul M03 Biologie Vorlesung ⃝ ! Wichtige Merksätze & Prüfungswissen sind mit grün hervorgehoben. Schlüsselbegriffe, die Sie kennen sollten, sind immer in fett markiert Klinische Relevanz ist mit der Aesculap- Schlange markiert Jede Vorlesung (~90min): Verdauliche Blöcke (~15-30min) MC-Fragen zur eigenen Orientierung Folie „Vokabeln von heute“ Ihr Feedback via Forms nehmen wir uns zu Herzen Committen vor dem Seminar!  Wissensüberprüfungen ©M.Happel 2021 11 Semester 1 M03.1 Die Zelle – eine Einführung MAXHAPPEL [email protected] https://twitter.com/CortXplorers ©M.Happel 2021 12  Überblick M03.1 Teil 1 Zellen – Die „Spezialeinheit“ des Lebens Vielfalt der Zellen Gewebearten Mikroskopie & Größenordnungen der belebten Welt Prokaryonten vs. Eukaryonten Teil 2 Zellen…. Ein erster Überblick Zellmembran als Barriere Membranfluidität & Glykokalyx Zytoplasma Zellkern Die Zellorganellen Teil 3 Mitochondrien Endoplasmatisches Retikulum Golgi-Apparat Lysosom Peroxisom Ribosomen Zytoskelett ©M.Happel 2021 13 Teil 1 │ Zellen. Die „Spezialeinheit“ des Lebens 14  Zellen grenzen ab, haben viele Funktionen…. Rote Blutkörperchen ©M.Happel 2021 15  ….und sind wunderschön! Purkinjezelle im Kleinhirn (bis 100 µm) Haarsinneszellen in der Hörschnecke (Hörnerv 15mm Länge) Nervenzellen Hippocampus (mehrere Millimeter Reichweite) Blutzellen (1.5 – 10µm) Zellen der Bowman‘schen Kardiomyozyten (bis 150 µm Länge) Kapsel in der Niere (φ 200 µm) ©M.Happel 2021 16  Zellen im menschlichen Körper Zellen sind je nach Funktion in Anzahl und Struktur unterschiedlich  Bsp: Fettzellen als Energiespeicher, wenige % Zellen stellen etwa 15-30% d. Körpergewichts dar ©M.Happel 2021 17  Die vier grundlegenden Gewebearten Nervengewebe Muskelgewebe übermitteln und verarbeiten Kraft & Bewegung durch elektrisch erregbare und Informationen auf Basis kontrahierfähige Muskelzellen von Herz, Darm, elektrischer Impulse. Gefäße, sowie den Skelettmuskeln ! Die allermeisten Organe sind aus ⃝ allen 4 Gewebearten aufgebaut  M09 Histologie Querschnitt Dünndarm Darmepithel Bindegewebsschicht Epithelgewebe Blut- & Lymphgefäße „Grenzwächter“ zwischen verschiedenen Körper- Ringmuskulatur kompartimenten, grenzen Längsmuskulatur den Körper nach außen ab Nervengeflecht & haben sekretorische Bindegewebe Funktionen. Verbinden, polstern und stützen. Von Äußeres Epithel Knochengewebe, Fettgewebe, Ligamente & Sehnen, bis hin zu zahlreichen Spezialfunktionen, wie der der Blutzellen. ©M.Happel 2021 18  Größenordnungen in der (belebten) Welt Biologie, Purves (2019) Springer ! Viren bestehen aus den gleichen ⃝ Molekülsorten, wie Zellen. Sie können sich nicht (eigenständig) vermehren & zählen daher nicht zu den Lebewesen: 15 nm – 1.5 µm Powers of TEN, Charles and Ray Eames 1977 https://www.youtube.com/watch?v=0fKBhvDjuy0 ©M.Happel 2021 19  …und wie können wir diese Dinge „betrachten“? ⃝ ! Das Lichtmikroskop vergrößertes Bild mithilfe von Glaslinsen und sichtbarem Licht. Auflösungsvermögen max.: 0,2 μm (~1000x vom Sehvermögen)  Wichtige technische Fertigkeit zB in der Pathologie und Histologie: Praktikum (Siehe auch M01 Physik) Hellfeldoptik Phasenkontrastoptik Ohne Färbung Brechungsindex d. Oberfläche Mit Färbung Konfokalmikroskopie Elektronenmikroskop Fluoreszenzfarbstoffe v. Zielstrukturen Elektronenstrahl mithilfe v. Magneten fokussiert. Auflösungsvermögen: ~0,2 nm (~1000x v. LM) Biologie, Purves (2019) Springer ©M.Happel 2021 20  Prokaryonten & Eukaryonten (M03.7) Prokaryonten Eukaryonten chromosomale DNA in einem Nucleoid (kein Zellkern) chromosomale DNA in Zellkern (außer Erythrozyten!) 70 S-Ribosomen 80 S-Ribosomen Zellmembran & Zellwand Zellmembran (& Zellwand bei Pflanzen & Pilzen) manchmal Strukturen (Pili oder Flagellen) Membran-umhüllte Zellorganellen keine membran-umhüllten Organellen Einzellige Protisten (Algen, Pilze, Protozoen) und Durchmesser 1-5 µm mehrzellige Organismen  mehr dazu in M03.7 Durchmesser 5-100 µm ©M.Happel 2021 21  Vier große Wirkprofile von Antibiotika (M03.7) Zellwandsynthese Membranpermeabilität Proteinsynthese © AMBOSS DNA-abh. RNA-Polymerase DNA-Synthese DNA-Replikation ©M.Happel 2021 22  Teil 1 Zellen – Die „Spezialeinheit“ des Lebens Vielfalt der Zellen Test Gewebearten Mikroskopie & Größenordnungen der belebten Test Welt Prokaryonten vs. Eukaryonten Test …eher leicht Welche Dinge sind prinzipiell mit F 2006 - 1.124 (anspruchsvoll) einem Lichtmikroskop zu Viele antibiotisch wirksame Substanzen blockieren erkennen? die bakterielle Proteinbiosynthese. ⃝ die meisten Bakterien Bei welcher der folgenden Substanzen handelt es ⃝ die meisten Viren sich um einen Inhibitor der prokaryontischen ⃝ Chloroplasten Proteinbiosynthese (Translation)? ⃝ Makroproteine ⃝ Amanitin ⃝ Zellkern ⃝ Tetracyclin ⃝ Actinomycin ⃝ Penicillin ⃝ Rifampicin 23  Teil 1 Zellen – Die „Spezialeinheit“ des Lebens Mit dem Lichtmikroskop kann man Vielfalt der Zellen eine Auflösung von 0.2µm Test Gewebearten erreichen. Zelldurchmesser liegen in Regel der Mikroskopie & 1-100µm. im Bereich von Größenordnungen der belebten Die Proteinsynthese durch bakterielle Ribosomen wird Test Auch die größeren Zellorganellen durch Tetracyclin (zB Doxycyclin) gehemmt, indem die Welt der Eukaryonten sind im Bereich Bindung der mit Aminosäure beladenen tRNA an die 30 Test Prokaryonten vs. Eurkaryonten von mehreren µm. Viren hingegen S-Ribosomen-untereinheit verhindert wird. sind im nm-Bereich und daher nicht Mit der Zeit sollten Sie die gängigsten Antibiotika- mit einem Lichtmikroskop zu sehen. Substanzen und ihre Wirkweisen wissen. Welche Dinge sind prinzipiell mit F 2006 - 1.124 einem Lichtmikroskop zu Viele antibiotisch wirksame Substanzen blockieren erkennen? die bakterielle Proteinbiosynthese. X ⃝ die meisten Bakterien Bei welcher der folgenden Substanzen handelt es ⃝ die meisten Viren sich um einen Inhibitor der prokaryontischen X ⃝ Chloroplasten Proteinbiosynthese (Translation)? ⃝ Makroproteine ⃝ Amanitin X ⃝ Zellkern X ⃝ Tetracyclin ⃝ Actinomycin ⃝ Penicillin ⃝ Rifampicin 24 Teil 2 │ Die eukaryontische Zelle… ein erster Überblick 25  Übersicht der Zellorganellen bei Eukaryonten Zellmembran & -plasma Zellkern Teil 2 Schutzschild & Produktionshalle Bauplan & Schaltzentrale der Zelle Peroxisomen & Lysosomen Endoplasmatisches Retikulum Klärwerke der Zelle Proteinsynthese & Transportsystem der Zelle Mitochondrien Kraftwerke der Zelle Golgi-Apparat Veredelungsanstalt Ribosomen Fabrik für Biomoleküle ⃝ ! Charakteristische Eigenschaften und Funktionen der Zytoskelett Organellen werden ebenso abgefragt, wie das Erkennen Schienen- und Stützsystem der Organellen im lichtmikroskopischen Bild Nicht-membranale Organellen  Praktikum & M09 ©M.Happel 2021 26  Die Zellmembran Auch Plasmalemm, Plasmamembran Amphiphiles Lipidmolekül X hydrophil = lipophob In wässrigem hydrophob = lipophil Milieu X ! Gesättigte und ungesättigte Fettsäuren. Die ⃝ Doppelbindung bei ungesättigten FS sorgt für Abwinkelung & macht eine Membran fluider M12 Biochemie/Molekularbiologie Kurzlehrbuch Biologie für Mediziner (2018) Elsevier ©M.Happel 2021 27  Die Zellmembran Glykoprotein Glykolipid Membranprotein Phospho- Transmembranprotein lipidschicht Cholesterol Kanalpore Zytoskelett Plasmamembran Phospholipid-Doppelschicht  Fluid-Mosaic-Model Cholesterol: Funktion für Temperaturschutz der Fluidität Zuckerketten auf Außenseite = Glykokalyx (Glykoproteine und –lipide) Membranproteine: Verankerung von Stoffwechsel- und Signalprozessen an der Membran, Zellerkennung ! (zB Selektine als Signal bei Entzündungsreaktionen) ⃝ Transmembranproteine & Kanalporen: Kommunikation zwischen extrazellulär & intrazellulär OpenStax.com ©M.Happel 2021 28  Faktoren der Membranfluidität Membranfluidität Anzahl ungesättigte Fettsäuren erhöht Cholesterol: Steroid, stabilisiert die Fluidität die Fluidität bei hohen und tiefen Temperaturen Antimykotika Pilze haben anstelle des Cholesterins das chemisch verwandte Ergosterol. Viele Antimykotika wirken über eine Hemmung der Ergosterolsyn- these. Außen: Phosphatidylcholin und Sphingomyelin Innen: Phosphatidylserin und Phosphatidylinositol Lipidasymmetrie zwischen innen und außen wird durch energieabhängige ⃝ ! Das Innen & Außen spielt auch innerhalb der Zelle & ihrer Organellen Enzyme aufrechterhalten eine gewichtige Rolle zur Gewährleistung von Funktionsräumen  Flippasen, Floppasen und Scramblasen  Proteinsortierung (M03.3) Biochemie & Pathobiochemie (2019) Springer ©M.Happel 2021 29  Caveolae & Lipid Rafts https://www.youtube.com/watch?v=t9MG6_2d2EY Lipid rafts Lipid Rafts Cholesterin/Sphingolipid-Flöße, die durch die Membran „schwimmen“ Lokalisation von Enzymkaskaden, Rezeptoren, und Zell-Zell-Interaktionsdomänen Entdeckt in den 2000ern durch modernste Mikroskopie- & Spektrometrietechniken Caveolae Caveolae Cholesterinbindestellen (Caveolin) bereiten Vesikelbildung vor. Fettsäuretransport, Cholesterintransport, Endozytose in Endothelzellen (M03.3) Virale Eingangspforte Das RNA-Virus Caridiovirus picornaviridae nutzt Caveolin als Zelleintritt & verursacht Biochemie & Pathobiochemie (2019) Springer Encephalomyokarditis ©M.Happel 2021 30  Glykokalyx ⃝ ! Fast jede Zelle ist umgeben von Glykokalyx & Extrazelluläre Matrix (ECM) einem Netzwerk aus Proteinen Zucker-Hülle um Zellen auf Protein- und Zuckern, welches wir und Lipidbasis Extrazelluläre Matrix nennen. Netzwerk aus Polysachariden, Proteoglykanen und Kollagenen Funktion Steuerung der Zelladhäsion, - migration, -proliferation Wundheilung, Zugfestigkeit, Plastizität, Signaltransduktion Erkennung körpereigener (und körperfremder) Zellen AB0-Blutgruppen-System Oligosacharide als Antigene auf der Erythrozytenmembran Duchenne-Muskeldystrophie Dystrophin Genetischer Defekt des Dystrophins  M11 Physiologie OpenStax.com ©M.Happel 2021 31  Zytoplasma (Zytosol) Struktur & Funktion ~50-60% d. Zellvolumens Besteht zu 20% aus Proteinen Reaktionskammer für viele Prozesse Metaboliten, Ionen  Stoffwechsel Tumordiagnostik Kern-Plasma-Relation: ~ 1:4 – 1:10 Histologie von Tumorzellen zeigt gewebsuntypisch veränderte Kern- Nicht-membranöse Zellorganellen: Plasma-Relation mit weniger 80S-Ribosomen (siehe Teil III)  Proteinsynthese Zytoplasma Zytoskelett  M03.2 Zentriolen Metabolische Prozesse im Zytoplasma ( M12 Biochemie/Molekularbiologie) Anaerobe Glykolyse Synthese von Aminosäuren, Nukleotiden, Fettsäuren, Monosacchariden, Triglyzeriden Speicherung von Glykogen und Triglyzeriden Ubiquitinylierung: Proteinabbau in Proteasomen ©M.Happel 2021 32  Zellkern ! Aufbau & Funktion des Zellkerns wird ⃝ in nahezu Jedem! Examen abgefragt Struktur In der Regel besitzen Zellen 1 Nucleus (~φ 5 µm) Ausnahmen: zB Hepatozyten, Myozyten, Erytrozyten Karyoplasma mit doppelmembranaler Kernhülle Kernpore (~φ 100 nm) für Austauschprozesse m. Zytoplasma Nucleolus (Kernkörperchen) als Ort der Transkription & Herstellung der Ribosomen Lichtmikroskopisch meist gut zu erkennen Funktion Schaltzentrale der Zelle DNA: Lagerung, Replikation, Transkription  Details zur Zellkern-Funktion & Proteinbiosynthese in M03.4 Kurzlehrbuch Biologie für Mediziner (2018) Elsevier ©M.Happel 2021 33  Teil 2 Zellen…. Ein erster Überblick Zellmembran als Barriere Membranfluidität & Glykokalyx Zytoplasma Zellkern F 2010 - 2.4 F 2019 - 2.1 Unter Caveolae versteht man am ehesten… Ein wichtiger Grundbaustein biologischer Membranen sind die Phospholipide. Welche Aussage trifft zu? ⃝ Zellmembrandomänen mit Clathrinsaum ⃝ die für die Phagozytose spezialisierten ⃝ Sie besitzen als hydrophoben Anteil üblicherweise ein Zellmembranbereiche Sterangerüst. ⃝ eingesenkte cholesterinreiche ⃝ Sie bilden gemeinsam mit dem Cholesterin die Zellmembranbereiche sogenannte Glykokalyx. ⃝ Membranöffnungen der ⃝ Sie finden sich nicht in den Membranen intrazellulärer Terminalzisternen Organellen. ⃝ subsynap sche Membranabschni e des ⃝ Sie können sich in der Ebene der Membran mi els nicotinergen Acetylcholin-Rezeptors Diffusion bewegen. ⃝ Sie werden in die beiden Klassen der peripheren und der integralen Phospholipide eingeteilt. 34  Teil 2 Zellen…. Ein erster Überblick Phospholipide sind neben Glykolipiden und Zellmembran Caveolae als Barriere sind sehr kleine (50–100 nm) Test Cholesterin die Grundbausteine aller biologischen sackförmige Einbuchtungen einer Membranfluidität Zellmembran. & Glykokalx Sie stellen die Lipid Rafts Membranen. Der Schwanz der Phospholipide besteht aus 2 langkettigen Fettsäuren.Test Von diesen ist eine dar, also Zytoplasma cholesterinreiche Mikrodomänen häufig ungesättigt, besitzt also eine Doppelbindung. in einer Doppelmembran. Zur Zellkern Namensgebung kommt es, da diese Diese Doppelbindungen beeinflussen dieTest Fluidität, also die Fließfähigkeit der Biomembran /Fluid- Domänen wie Flöße (engl. „rafts“) auf der Mosaic-Model). Membran schwimmen. F 2010 - 2.4 F 2019 - 2.1 Unter Caveolae versteht man am ehesten… Ein wichtiger Grundbaustein biologischer Membranen sind die Phospholipide. Welche Aussage trifft zu? ⃝ Zellmembrandomänen mit Clathrinsaum ⃝ die für die Phagozytose spezialisierten ⃝ Sie besitzen als hydrophoben Anteil üblicherweise ein Zellmembranbereiche Sterangerüst. X ⃝ eingesenkte cholesterinreiche ⃝ Sie bilden gemeinsam mit dem Cholesterin die Zellmembranbereiche sogenannte Glykokalyx. ⃝ Membranöffnungen der ⃝ Sie finden sich nicht in den Membranen intrazellulärer Terminalzisternen Organellen. ⃝ subsynap sche Membranabschni e des X ⃝ Sie können sich in der Ebene der Membran mi els nicotinergen Acetylcholin-Rezeptors Diffusion bewegen. ⃝ Sie werden in die beiden Klassen der peripheren und der integralen Phospholipide eingeteilt. 35 Teil 3 │ Die Zellorganellen 36  Mitochondrien – „Kraftwerke“ der Zelle Struktur 1 – 5 µm von zwei Membranen umgeben eigene zirkuläre DNA, RNA, Ribosomen und Proteinbiosynthese Matrix, Cristae und Intermembranraum Vom Zellzyklus unabhängige Teilung Funktion Atmungskette und oxidative Phosphorylierung (ATP-Synthese) Citratzyklus, ß-Oxidation von Fettsäuren  M12 Biochemie/Molekularbiologie Ursprung Innere Membran enthält Cardiolipin Ribosomen vom S-70-Typ  Hinweis auf prokaryotischer Ursprung (Endosymbiontentheorie) Biologie, Purves (2019) Springer ©M.Happel 2021 37  Endosymbiontentheorie & Entstehung der Mitochondrien Endozytiertes aerobes Bakterium wird in eukaryotische Zelle aufgenommen. Daraus entstehen die Mitochondrien mit ihrer Atmungskette Ähnlich stellt man sich die Aufnahme photosynthetisch aktiver Cyanobakterien vor… …welche dann in der Wirtszelle sein genetisches Material weitgehend abgibt und als Chloroplast/Plastid bei Pflanzen und Algen bestehen bleibt. ©M.Happel 2021 38  Mitochondriale Enzephalomyopathien Mitochondriale Enzephalomyopathie klinisch heterogene Gruppe von Störungen der Atmungskette Multisystemerkrankung und Befall aller Organsysteme Minderwuchs, Myopathie, Demenz, neurologische Symptome Diagnose: Milchsäureüberladung (Laktazidose) Keine kurative Therapie, reines symptomatisches Support- Management https://eref.thieme.de/images/supmat/9783940615503_085.pdf ©M.Happel 2021 39  Endoplasmatisches Retikulum Struktur Netzwerk aus Membransäcken & -röhren raues ER (mit Ribosomen besetzt) Glattes ER (ohne Ribosomen) Funktion Transportsystem Reservoir für Membranauf- und -abbau Raues ER Proteinbiosynthese: Membranproteine, sekretorische Proteine, Lysosomale Proteine Glattes ER Synthese von Phospholipiden Steroidhormon-Synthese (Nebennieren, Eierstöcke, Hoden) Ca2+ Speicher der Zelle (zB Muskelzellen  M011 Physiologie) Entgiftungsprozesse (Biotransformation in der Leber über Cytochrom P-450) Kurzlehrbuch Biologie für Mediziner (2018) Elsevier ©M.Happel 2021 40  Endosymbiontentheorie & Entstehung des ER Endozytiertes aerobes Frühe eukaryotische Zelle Bakterium wird in eukaryotische Besitz keine zellinternen Zelle aufgenommen. Daraus Membransysteme entstehen die Mitochondrien mit ihrer Atmungskette Ähnlich stellt man sich die Plasmamembran Aufnahme photosynthetisch Faltet sich nach innen aktiver Cyanobakterien vor… …welche dann in der Endoplasmatisches Wirtszelle sein genetisches Retikulum Material weitgehend abgibt Es resultiert ein und als Chloroplast/Plastid eigenständiges internes bei Pflanzen und Algen Membransystem, welches bestehen bleibt. schließlich auch die Kernhülle bildet. ©M.Happel 2021 41  Golgi-Apparat Struktur mehrere flache Membransäcke. dynamisches "Durchgangs- kompartiment" mit cis-und trans-Seite Funktion Posttranslationale Modifikation von Exportproteinen (z.B. O-Glykosylierung) & Lipiden Synthese von Glykoproteinen und Polysacchariden Mannose-6-P-Transferase sortiert Hydrolasen in Lysosomen Vesikel für intrazellulären Transport und Exozytose auf der trans-Seite  mehr dazu in M03.3 Biologie, Purves (2019) Springer ©M.Happel 2021 42  Lysosom ⃝ ! Lysosomen sind beliebtes Examensthema! Was sind die Transportwege der Proteine und welche Funktionen haben sie? Struktur Abschnürung von trans-Seite des Golgi-Apparates primäre, sekundäre und tertiäre Lysosomen  M03.3 Funktion Abbauort zellulärer und aufgenommener Moleküle Saure Hydrolasen (Kathepsine, saure Phosphatase) Saures Millieu (pH 4-5) Einleitung der Apoptose  M03.4 Spezielle Zelltypen Leukozyten: Angriff körperfremder Zellen Osteoklasten: Abbau von Knochen und Knorpel Entzündungsprozesse Durch Auflösen der Lysosomenmembran kommt es zu Entzündungsprozessen (zB bei Gicht), bis zur Autolyse der Zelle. Entzündungshemmende Glucocorticoide (z. B. Cortison) stabilisieren Lysosomenmembranen & reduzieren entzündungsfördernden Substanzen, wie Prostaglandine. ©M.Happel 2021 43  Peroxisomen ⃝ ! Peroxisomen sind zentral für den zellulären Fettstoffwechsel! Struktur bis φ 0.5 µm Kristalline Einschlüsse Wasserstoffperoxid (H2O2) als Zellgift Enthalten Peroxin-Proteine (PEX), Katalasen und Peroxidasen ⃝! Leitenzyme Lysosom: saure Phosphatase Peroxisom: Katalase Funktion Abbau komplexer Lipide (Prostaglandine, Leukotrine) Synthese von Plasmalogenen (Phospholipid der Myelinscheiden) Synthese von Cholesterin- und Steroidhormonen Abbau von Alkohol Daher zahlreich in Leber- und Nierenzellen ©M.Happel 2021 44  Zellweger-Syndrom Zellweger Syndrom = Zerebrohepatorenales Syndrom Mutation in PEX-1, PEX-5 Genen  keine funktionellen Peroxisomen Prävalenz 1: 100.000, autosomal-rezessiv Letal innerhalb weniger Monate Ansammlung langkettiger Fettsäuren im Blut Tod durch Hypotonie, Leberzirrhose und kardiovaskulärer Anfärbung Thiolase Fehlbildungen. Normalbefund Zellweger-Syndrom ©M.Happel 2021 45  Ribosomen Struktur & Funktion ⃝ ! Proteine an freien Ribosomen: z. B. Mind. 1-2 Millionen / Zelle Enzyme, die Stoffwechselvorgänge im 60-S- und 40-S-Untereinheit zum 80-S-Ribosom Zytoplasma katalysieren. Freie Ribosomen: Proteine des Zytoplasmas, Peroxisomen und Mitochondrien Proteine an membrangebundenen Membrangebundene Ribosomen am ER: Ribosomen: Einbau in Membranen und Proteine des ER, des Golgi-Apparates und der Zellorganellen und sekretorische Proteine Zellmembran ©M.Happel 2021 46  Zytoskelett: Mikrofilamente Nächste Woche M03.2! ©M.Happel 2021 47  Teil 3 Die Zellorganellen Mitochondrien Endoplasmatisches Retikulum Test Golgi-Apparat Lysosom Test Peroxisom Ribosomen Test Zytoskelett F 2009 - 2.3 F 2008 - 2.7 Wo wird Ca2+ in der Zelle Bei einer Funktionsstörung von Peroxisomen bevorzugt gespeichert? kommt es am ehesten zu einer Störung ⃝ Peroxisomen ⃝ des Abbaus von Fe en ⃝ Lysosomen ⃝ der Exozytose von Sekretgranula ⃝ gla es ER ⃝ des Au aus neuer Zellmembranen ⃝ Kern ⃝ des Abbaus von Phospholipiden ⃝ Golgi-Apparat ⃝ der Abbau von Steroidhormonen 48  Teil 3 Die Zellorganellen Das glatte endoplasmatische Retikulum hat Mitochondrien insbesondere als sog. „sarkoplasmatisches In den Peroxisomen finden u. a. die ersten TestSchritte der Endoplasmatisches Retikulum“ in Muskelzellen die Aufgabe, Retikulum große Mengen an Calciumionen aufzunehmen sogenannten β-Oxidation der langen Fettsäuren (ca. 20– intrazellulär und Golgi-Apparat zu speichern. 26 C) statt, die dann in den Mitochondrien beendet wird. Lysosom Test Peroxisomendienen dem Abbau zytotoxischer, Peroxisom hoch reaktiver Sauerstoffradikale (Leitenzym An der Exozytose von Sekretgranula als auch am Aufbau Ribosomen Katalase). Lysosomen dienen ebenfalls dem neuer Zellmembranen sind Peroxisomen nicht Testbeteiligt. Die Synthese der Steroidhormone findet v.a. im glatten Zytoskelett Abbau. Der Golgi-Apparat ist ein intrazelluläres Membransystem, welches endoplasmatischen Retikulum, teilweise in den der chemischen Modifikation von Peroxisomen statt. Große Teile des Phospholipid- Proteinen und dem intrazellulären stoffwechsels sind ebenfalls hier lokalisiert oder in den Transport dient. Lysosomen. F 2009 - 2.3 F 2008 - 2.7 Wo wird Ca2+ in der Zelle Bei einer Funktionsstörung von Peroxisomen bevorzugt gespeichert? kommt es am ehesten zu einer Störung ⃝ Peroxisomen X ⃝ des Abbaus von Fe en ⃝ Lysosomen ⃝ der Exozytose von Sekretgranula X ⃝ gla es ER ⃝ des Au aus neuer Zellmembranen ⃝ Kern ⃝ des Abbaus von Phospholipiden ⃝ Golgi-Apparat ⃝ der Abbau von Steroidhormonen 49  Die wichtigsten Begriffe von heute in der Übersicht… Am Ende jeder Vorlesung bekommen Sie eine „Vokabel“-Übersicht. Diese gibt Ihnen nochmal Gelegenheit die wichtigsten Begriffe zu überprüfen: Sagen mir die Begriffe was und kann ich sie erläutern? Binde-, Nerven-, Muskel, Epithelgewebe Prokaryonten/Eukaryonten Endosymbionten-Theorie Biomembran: Phospholipide, Glykolipiden, Cholesterol, Membranproteine Glykokalyx & Extrazelluläre Matrix Fluid-Mosaic-Modell, Caveolae & Lipid Rafts Zellplasma, Zytoplasma, Zytosol Zellkern, Zellpore 80-S-Ribosom & Proteinsynthese Mitochondrien & ATP-Synthese Endoplasmatisches Retikulum (glattes/raues) Golgi-Apparat: Posttranslationale Modifikation Lysosomen: saure Phosphatase & Mannose-6-Transferase Peroxisom: Katalase & Lipidstoffwechsel Zytoskelett ©M.Happel 2021 MAXHAPPEL [email protected] Als Vorbereitung auf das Seminar arbeiten Sie bitte die Kapitel 1.1 – 1.13 durch: ©M.Happel 2021 51