Biologie für Mediziner

- Zellbiologie 1 -

Dr. Martin KahmsInstitut für Medizinische Physik und Biophysik/

CeNTechGievenbecker Weg 11

Tel. 0251-835 6933kahms@uni-muenster.de

Prof. Dr. Reiner PetersInstitut für Medizinische Physik und

Biophysik/CeNTechRobert-Koch-Strasse 31

Tel. 0251-835 6933, petersr@uni-muenster.de

Literatur

Biologie für Medizinerund Naturwissenschaftler

Monica Hirsch-KauffmannManfred Schweiger

Thieme Verlag

Literatur

Biologie Lehrbuch der allgemeinenBiologie für Mediziner undNaturwissenschaftler

Koecke, Emschermann, Härle

Schattauer Verlag

Membrantransport

Stofftransport über die Zellmembran erfolgt

• als Bläschentransport (Endo/ Exocytose)

• durch Diffusion und erleichterte Diffusion

• als aktiver Transport (Ionenpumpen, Carrier)

Endocytose

Exocytose

Diffusion

die auf eine gleichmäßige Verteilung (Durchmischung)gerichtete Ausbreitung von Molekülen/ Ionen

Ausgleich von Konzentrationsgradienten

Ursache: Brownsche Molekularbewegung

Ausbreitung von Kaliumpermanganat in Wasser

Passive Membranpermeabilität

durch die Membraneinige Gase diffundierenwie z.B. CO2, O2, N2

kleine ungeladene polare Molekülewie z.B. Ethanol und Wasser gehen durch

grosse polare Moleküle sowie geladene Ionen/Moleküle können nicht durch die Membran diffundieren

spezielle Transporter sind notwendig

Erleichterte Diffusion

Glukosetransport anErythrocyten

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

Ionenkanäle

Bsp. Kanäle für Natrium oder Kalium

Öffnung erst auf ein spezifisches Signal, z.B. Bindung eines Moleküls

oder

Änderung der Membranspannung

Ionen fliessen passiv entlang ihres Konzentrationsgradienten

geschlossen geöffnet

Wichtig bei der ReizweiterleitungIm Nervensystem

Aktive Transporte

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

Na/ K- ATPase

Transport von 3 Natrium-Ionen in den Extrazellulärraumgekoppelt mit Transport von 2 Kalium-Ionen in die Zelle

Verbrauch von Energie in Form von ATP

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

TransportBewegung (Muskel)chemische Reaktionen

Glukose/ Natrium Symport

Glukose-Transport im Darm

Glukose und Natriumwerden in die gleiche RichtungTransportiert

Transport von Glukoseentgegen Konzentrations-gradient

Energie aus Natriumgradienten über die Membran

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)

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

Organisation der DNA

Länge der Gesamt DNAAusgestreckt pro Zelle ca. 1 m

Kerndurchmesser ca. 5 µm(5*10-6m)

DNA wird intensiv gefaltet mit Hilfe von DNA-Bindungsproteinen (Histone)

Komplex aus DNA und Histonenwird als Nukleosom bezeichnet

Nukleosomenfaden windet sich inweiter in Schleifen und bildet letztendlich das Chromosom

Nucleoli

„Kernkörperchen“Nukleolus

• 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

Kern

Dogma der Molekularbiologie

DNA

Transkription

RNA

Translation

Protein

auch Ausnahmen bekannt (z.B. RNA-Viren)

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

DNA-Doppelhelix

Genetischer Code

jeweils drei Basen der DNA kodieren für 1 eine Aminosäure

DNA (codogener Strang)A G T G G T T C C

U C A C C A A G G RNA

ProteinSerin - Prolin - Arginin

Unterschied DNA/ RNA

RNA DNA

fehlende OH-Gruppe in Deoxyribose macht DNAinert gegen hydrolytische Spaltung

Unterschied DNA/ RNA

RNA DNA

Uracil (U) Thymin (T)

Thymin (komplementäre Base zu Adenin) in RNA durch Uracil ersetzt

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-Nukleotidenin 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

Mechanismus der Transkription

RNA-Nukleotide lagern sich an den codogenen Strang gemäß Basen-Komplementaritätsregeln anund werden verknüpft

Adenin = UracilThymin = AdeninCytosin = GuaninGuanin = Cytosin

(ersetzt Thymin in RNA)

Genetischer Code

jeweils drei Basen der DNA kodieren für 1 eine Aminosäure

DNA (codogener Strang)A G T G G T T C C

U C A C C A A G G RNA

ProteinSerin - Prolin - Arginin

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

Nuclear Pore Complex (NPC)

nukleäre Seitecytoplasmatische Seite

elektronenmikroskopische Aufnahmen

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

Und weiter?

mRNA ist im Cytosol Information der m-RNA wird an Ribosomen über den Prozess der Translation in Proteine umgesetzt