Zellbiologische Grundlagen 2 von Dr. rer. nat. Peter Engel

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Dozent des Vortrages Zellbiologische Grundlagen 2

Dr. rer. nat. Peter Engel

Seit 2011 ist er Ass. Prof. an der DPU in Krems an der Donau und ist dort für die vorklinische Ausbildung der Studenten der Zahnmedizin in den naturwissenschaftlich geprägten Fächern (Biochemie, Chemie, biologie) verantwortlich.
Er ist Mitbegründer (2001) und geschäftsführender Mitgesellschafter der NawiKom GbR (nawikom.de) sowie Mitgesellschafter der PhysiKurs GmbH (physikurs.de). In beiden Unternehmungen ist er hauptverantwortlich für die konzeptionelle Entwicklung und Umsetzung der Lehr- und Lernkonzepte.Im Zentrum steht die mittlerweile über mehr als 25jährige professionelle Lehrtätigkeit in den vorklinischen Fächern Biologie, Chemie und Biochemie sowie den klinischen Fächern Pharmakologie und Immunologie. Hierdurch verfügt er über eine weitreichende interdisziplinäre Kernkompetenz sowie über Erfahrungen bezüglich der Anforderungen des Medizinstudiums, den entsprechenden Prüfungsinhalten und der entsprechenden Umsetzung in Zielgruppen-gerichtete Lehr- und Trainingsveranstaltungen (Semesterabschlussprüfungen, Physikum, beruflich verwendbares fächerübergreifendes vorklinisches Wissen).

Vor Beginn seiner Selbständigkeit war er von 1991-1998 in der Arbeitsgruppe für biochemische Pharmakologie an der Ruhr-Universität Bochum als Laborleiter und Dozent in Forschung und Lehre tätig. Sein Diplom- und Dissertation erfolgten am Max-Planck-Institut für experimentelle Endokrinologie Hannover (Schwerpunkt: Molekulare Wirkungen der Estrogene) ; sein Studium der Biochemie (Abschluss: Dipl.-Biochemiker) absolvierte er an der Medizinischen Hochschule Hannover.

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Auszüge aus dem Begleitmaterial

... Ärztlichen Prüfung: Physikkurs 1 1.2.3 Zytoskelett - Mikrotubuli - 24 nm - Intermediäre ...

... Protofilamenten (13) - GTP-Abhängigkeit - polarer Aufbau: – (+)-Ende = schnellwachsend – (-)-Ende = langsamwachsend - Funktionen: – strukturgebend - Cilien/Flagellen ...

... kommen vor - Basalkörperchen/MTOC - Cilien (Kinozilien) und Geißeln (euk. Flagellen) - Spindelfasern (Kinetochormikrotubuli, polare Mikrotubuli, Astralmikrotubuli) aber - Stereocilien ...

... (sie binden an die Tubulindimere) - Taxol bindet an die Tubulinmoleküle der Mikrotubuli ...

... Energie von ATP in mechanische Energie um und ermöglichen so den Transport von zellulärem Material (Vesikel, Mitochondrien, Lysosomen, Chromosomen) ... 

... Axonaler Transport: Kinesin - anterograder Transport: Dynein ...

... und Kartagener-Syndrom - ein erblich bedingter Defekt des ciliären Dyneins (primäre ciliäre Dyskinesie) ist die Ursache des Kartagener-Syndroms - das K.-Syndrom ...

... Symptome: - chronische Entzündungen der Nasen- und Bronchialschleimhaut - Bronchiektasen (Aussackungen der Bronchien) - zunehmende Sauerstoffunterversorgung - Rechtsherzinsuffizienz - Lungenhochdruck ...

... Verbindung mit dem Zentrosom - es ist aus zwei Zentriolen aufgebaut - ein Zentriol besteht aus 9 kreisförmig angeordneten Fibrillen, die im Querschnitt aus 3 Mikrotubuli (A, B, C) aufgebaut sind ...

... A-Tubulus (13 Protofilamente) - B-Tubulus (10 Protofilamente) - Nexine verbinden die Dupletts ...

... 12 b) Intermediäre Filamente (1) - besitzen einen 10 nm - chemisch heterogene Gruppe mit gewebespezifischer ...

... mesenchymale Zellen, Neurofilamente NF-L, -M, -H, periphere und zentrale Neuronen, Desmin, Muskel, Lamine, Kernhüllen ...

... Epidermolysis bullosa – erblich bedingte Erkrankung, bei der es zu einer großflächigen Abtrennung der Epidermis von der Dermis kommt ...

... F-Actin = filamentöses Actin (Polymer) G-Actin = globuläres Actin (Monomer). Actin kommt in nahezu sämtlichen eukaryontischen Zellen vor und besitzt eine hoch konservierte Struktur ...

... Filamente F-Actin Tropomyosin Troponin-Komplex (TnI, TnC, TnT) Dünnes Filament Actin bindet ATP und polymerisiert zu Filamenten, sobald Actin im Verbund assoziiert ...

... der Sklerodermie (systemische Sklerose) handelt es sich eine seltene Erkrankung des Gefäß- und Bindegewebssystems mit Fibrose der Haut, der Gefäße und der inneren Organe -Polysomen: mehrere Ribosomen an einer mRNA - raues ER ist mit Ribosomen besetzt, die –sekretorische –membranständige und –lysosomale Proteine bilden ...

... 18 1.2.5 Mitochondrien (1) - a) Struktur und Funktion- - semiautonomes Organell (eigenes Genom, Vermehrung durch ...

... für kleine Moleküle (bis 5 kDa) und Ionen, innere Membran undurchlässig für ...

... Teil der mitochondrialen Proteine werden an freien Ribosomen gebildet - - Transport von Proteinen erfolgt in einem weitestgehend ungefalteten Zustand (HSP70) - Signalsequenz ist eine Abfolge von basischen ...

... b-Oxidation – Ketonkörpersysnthese - innere Membran – oxidative Phosphorylierung – viele Transportproteine ...

... der inneren Mitochondrien-membran, das auch bei gram-negativen Bakterien zu finden ist - wird auch als Diphosphatidylglycerin bezeichnet (zwei Phosphatidsäuren über ...

... die nukleäre DNA (Ursachen sind u.a. der extensive Sauerstoffmetabolismus und der Mangel an komplexen Reparaturmechanismen und Schutzmechanismen durch Proteine) - die mtDNA besitzt eine Größe von 16.6 kb und ...

... Mitochondrien transportiert - als Mitochondriopathien bezeichnet man erblich bedingte Erkrankungen, die durch Mutationen von nukleären oder mitochondrialen Genen verursacht werden, welche die mitochondrialen Komponenten betreffen (meist sind sehr stoffwechselaktive Organe stark betroffen - Mitochondrien kommen in beiden ...

... grundsätzlich aus drei Komponenten, die funktionell miteinander und mit der Plasmamembran verbunden ...

... Grundsätzlich lassen sich zwei sekretorische Wege unterscheiden: – über den konstitutiven Weg wird ständig Material aus der Zelle ...

... es lassen sich drei wichtige Coated Vesicles unterscheiden: –Clathrin-coated Vesikel (Plasmamembran - Endosomen, ...

... PhysiKurs 30 Endoplasmatisches Retikulum Golgi-Apparat Extrazelluarraum sekret. Vesikel frühes Endosom spätes Endosom COP ...

... PI-Derivate - Dynamin ist an der Bildung von Clathrin- coated Vesicles beteiligt - an der Bildung von clathrin-coated vesicles und ...

... spezifisch mit der SH-Gruppe von Cystein reagiert, verhindern - das modifizierte Protein wurde NSF = NEM-sensitiver Fusionsfaktor genannt - NSF ist eine zytosolische ATPase, die zunächst aktiviert werden muss um in Anwesenheit eines ...

... reguliert und sind im Wesentlichen für die Spezifität von Vesikelfusionsprozessen verantwortlich –SNAREs -R-SNAREs (R = Arg) werden auch v-SNAREs bezeichnet ...

... - Synaptobrevin –SNARE der Vesikel - Syntaxin und SNAP-25 –SNAREs der präsynaptischen Membran - Synaptotagmin –blockiert die SNARE-Proteine –Ca2+-Ionen ...

... über Disulfidbrücken miteinander verbunden – die schwere Kette ist für die endozytotische Aufnahme in die Zelle erforderlich – nach Abspaltung der leichten Kette, welche die Protease-Aktivität besitzt, gelangt diese ins Axoplasma und spaltet dort ihre Substrate ...

... Membranproteinen (Signalsequenz) - glattes ER – Steroidsynthese – Phase I der Biotransformation ...

... 1.2.3 Zytoskelett. Das Zytoskelett ist aus drei verschiedenen Fasertypen aufgebaut: - MIKROTUBULI (24 nm). - INTERMEDIÄRFILAMENTEN (10 nm). - MIKROFILAMENTEN (Actin-Filamente), 8 nm. Insgesamt besitzt das Zytoskelett jedoch bei weitem nicht nur eine formgebende Funktion für die Zelle. Darüber hinaus hält das Cytoskelett viele Organellen in Position, ist wesentlich am Transport von Material zwischen den Organellen beteiligt. Weiterhin sind sie in Form Kraft erzeugender Strukturen an der Motilität von Zellen beteiligt. Drei Familien von Motorproteinen sind bisher beschrieben und charakterisiert worden: Kinesine und Dyneine, die sich entlang von Tubulinen bewegen und Myosine, welche entlang von Mikrofilamenten wandern. Die Motorproteine sind in der Lage die chemische Energie des ATP in mechanische Energie umzuwandeln. ...

... Das (-)- Ende der Tubuli ist also zum Soma und das (+)-Ende zur axonalen Endigung hin orientiert. Kinesene. anterograder Transport. Dyneine. retrograder Transport. Soma (-)-Ende Axonende (+)-Ende. Zellbiologische Grundlagen. Aufbau des Cytoskeletts: anterograd - retrograd - Kinesin - Transport in Richtung (+)-Ende, d. h. in Nervenzellen zur Axonendigung. - Dynein - Transport in Richtung (-)-Ende, d. h. in Nervenzellen zum Zellsoma. Mikrotubulus-Gifte: - Colchizin und Vinblastin/Vinchristin führen zur Depolymerisation der Mikrotubuli (sie binden an die Tubulindimere). - Taxol bindet an die Tubulinmoleküle der Mikrotubuli und stabilisiert diese, die Dynamik der Mikrotubuli geht verloren. Motorproteine: - Motorproteine wandeln chemische Energie von ATP in mechanische Energie um und ermöglichen so den Transport von zellulärem Material (Vesikel, Mitochondrien, Lysosomen, Chromosomen). - Es lassen sich drei Klassen unterscheiden: Myosine: bewegen sich ...

... sogenannten Mikrotubuli-organisierenden Zentren (MTOC). In tierischen Zellen geht die Bildung der Mikrotubuli des Cytoskeletts typischerweise vom Zentrosom aus, welches gewöhnlich nahe des Zellkerns. d. h. meist im Zentrum der Zelle liegt. Ein Zentrosom besteht aus zwei Zentriolen, die von weitestgehend amorphem Material umgeben sind (pericentrioläres Material = PCM). Zentriolen besitzen zylindrische Gestalt mit einem Durchmesser von 0.2 µm und einer Länge von ca. 0.4 µm. Mit wenigen Ausnahmen ist ein Zentriol aus 9 regelmäßig angeordneten Fibrillen aufgebaut, die im Querschnitt drei Mikrotubuli erkennen lassen, die als A-, B- und C-Tubuli bezeichnet werden. Nur der A-Tubulus stellt einen kompletten Tubulus dar - aus 13 Protofilamenten. Die anderen beiden enthalten jeweils nur 10. Die A-Tubuli sind über radiale Speichen mit dem Zentrum des Zentriols verbunden (diese sind in der Abbildung nicht gezeigt). Die Mikrotubuli von Cilien und Flagellen (Geißeln) gehen aus den sogenannten Basalkörpern hervor, die einen den Centriolen analogen Aufbau zeigen. Cilien und Geißeln (Flagellen). Bei Cilien und Geißeln handelt es ...

... die Kontraktilität und die Bewegung bei nahezu sämtlichen Zelltypen. In Abhängigkeit vom Zelltyp können die Actinfilamente u. a. in Form hochgeordneter Netzwerke oder als Bündel vorkommen. Die Aktinfilamente werden oft nach ihrer Fähigkeit klassifiziert, ein bestimmtes Myosinfragment zu binden (S1-Fragment). Aktinfilamente besitzen eine ausgeprägte Polarität (plus- und minus-Ende). Am Plus-Ende findet bevorzugt das Wachstum statt, am Minus-Ende die Depolymerisation. Für die Anheftung eines ... Zellbiologische Grundlagen. Aufbau des Cytoskeletts, ... Intermediäre Filamente - besitzen einen Durchmesser von 10 nm; - chemisch heterogene Gruppe mit gewebespezifischer Expression. - Aufbau: zwei globuläre Köpfe, getrennt durch einen Schaft. Bildung von Heterodimeren, die sich zu antiparallelen Tetrameren zusammenlagern und dann höhermolekulare Aggregate ausbilden - ...

... Phalloidin verhindert die Depolymerisation und die Beteiligung an dynamischen Prozessen. Die Kräfte bei mikrofilamentabhängigen Prozessen entstehen entweder durch die Polymerisation der Aktin-Monomere, in den meisten Fällen jedoch über die Wechselwirkung mit Myosin-Filamenten. F-Actin. Tropomyosin. Troponin-Komplex (TnI, TnC, TnT). Dünnes Filament. Actin bindet ATP unpolymerisiert zu Filamenten, sobald Actin im Verbund assoziiert ist, wird ATP hydrolysiert. ...

... Ein Proteinbestandteil der snoRNPs ist das Fibrillarin. Bei der Sklerodermie findet man Autoantikörper gegen das Fibrillarin. Die Sklerodermie (systemische Sklerose) ist eine seltene Erkrankung des Gefäß- und Bindegewebssystems mit Fibrose der Haut, der Gefäße und der inneren Organe. Als Polysomen bezeichnet man mehrere Ribosomen, die gleichzeitig mit einer mRNA verbunden sind, d. h. gerade mit der Synthese eines Proteins beschäftigt sind. Die Ribosomen des ER sind für die Synthese membranständiger, sekretorischer und lysosomaler Proteine verantwortlich. Prokaryontische Ribosomen sind einfacher aufgebaut. Sie besitzen eine Sedimentationskonstante von 70 S, die Untereinheiten von 50 und 30 S. Ähnlich aufgebaute Ribosomen kommen bei Eukaryonten innerhalb der Mitochondrien vor. 1.2.5 Mitochondrien. a) Struktur und Funktion. Im Gegensatz zu den meisten zytoplasmatischen Strukturen sind Mitochondrien bereits im Lichtmikroskop erkennbar. Ein typisches Mitochondrium besitzt einen Querschnitt von 0.2-1.0 µm und ...

... Beide enthalten u. a. sogenannte Porine. Diese bilden Kanäle, wodurch die äußere Membran für Moleküle bis zu einem Molekulargewicht von 5000 Da permeabel ist. Somit können Moleküle wie ATP, NAD + und Coenzym A ungehindert aus dem Cytosol in den Intermembranraum diffundieren. Demgegenüber besitzt die innere Mitochondrienmembran eine sehr hohe selektive Permeabilität. Der Proteinanteil der inneren Mitochondrienmembran ist mit nahezu 75 % sehr hoch. Auch finden sich dort nur Spuren an Cholesterin. Demgegenüber kommt dort ein ungewöhnliches Phospholipid, das Cardiolipin (Diphosphatidylglycerin) vor. Das Cardiolipin findet man ebenfalls in der Plasmamembran von Bakterien. Die innere Membran enthält die „Maschinerie“ zur Produktion von ATP. ...

... - die mtDNA besitzt nur einen ORI (origin of replication); - die Gene enthalten keine Introns; - die mtDNA zeigt eine höhere Mutationsrate als die nukleäre DNA (Ursachen sind u. a. der extensive Sauerstoffmetabolismus und der Mangel an komplexen Reparaturmechanismen und Schutzmechanismen durch Proteine); - die mtDNA besitzt eine Größe von 16.6 kb und kodiert für 13 Proteine, 22 tRNAS und 2 rRNAs; - der genetische Code weicht in einem Teil vom universellen Code ab; - die Proteine stellen Untereinheiten von Komplexen der Atmungskette (oxidative Phosphorylierung) dar; ...

... ein System membranöser Organellen: das Endoplasmatische Retikulum (ER), die Lysosomen und den Golgi-Komplex, die funktionell und strukturell untereinander und mit der Plasmamembran in Verbindung stehen. Die membranösen Organellen sind Teil eines dynamischen, integrierten Netzwerkes, das dem vesikulären Transport dient. Die Vesikel schnüren sich hierzu von einem Kompartiment, dem Donorkompartiment, ab und fusionieren mit dem jeweils anderen, dem Akzeptorkompartiment. So gelangen Proteine, deren Synthese am endoplasmatischen Retikulum erfolgt, über den Golgi-Apparat zu ihrem finalen Bestimmungsort, z. B. den Lysosomen, der Plasmamembran oder in den Extrazellularraum (= sekretorischer Weg). Grundsätzlich lassen sich zwei sekretorische Wege unterscheiden: - über den konstitutiven Weg wird ständig Material aus der Zelle ausgeschleust; - mithilfe des regulierten Wegs werden Substanzen zu definierten Zeitpunkten abgegeben (Speicherung in Sekretgranula). Demgegenüber verläuft der endocytotische ...

... Die Adaptorproteine haben u. a. die Aufgabe sog. Frachtrezeptoren (cargo receptors), incl. der zugehörigen Liganden zu rekrutieren. Viele Proteine, die am vesikulären Transport beteiligt sind, sind in der Lage mit sehr hoher Spezifität bestimmte Phosphatidylinositol-(PI)-Derivate zu binden und damit die Vesikelbildung einzuleiten (Aktivierung bestimmter PI-Kinasen und PIP x-Phosphatasen). An der Bildung von clathrin coated vesicles ist das Dynamin beteiligt, welches über eine PIP 2-Bindungsdomäne verfügt und so zur Membran dirigiert ...

... Derzeit sind mehr als 60 verschiedene Rab-Proteine bekannt. SNARE-Proteine vermitteln dann die Fusion von diesen Vesikeln mit der Zielmembran (einige SNAREs werden durch bestimmte Bakterientoxine, wie dem Botulinum-Toxin oder dem Tetanus-Toxin) proteolytisch gespalten. Vesikelfusion: - mindestens drei Proteine sind an dem Fusionsprozess beteiligt Rab-Proteine; - kleine GTPasen der Ras-Superfamilie; - über einen Geranylgeranylrest in der Membran verankert; - bilden die größte Klasse an monomeren G-Proteinen; - werden strikt reguliert und sind im Wesentlichen für die Spezifität von Vesikelfusionsprozessen verantwortlich. SNAREs: - R-SNAREs (R = Arg) werden auch v-SNAREs bezeichnet (v = Vesikelmembran, Bsp. Synaptobrevin). - Q-SNAREs (Q = Gln) werden auch t-SNAREs genannt. ...