Zellbiologische Grundlagen 1 von Dr. rer. nat. Peter Engel

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Dozent des Vortrages Zellbiologische Grundlagen 1

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

... Abschnitt der Ärztlichen Prüfung: PhysiKurs: 1 Biologie 1. Zellbiologische ...

... Ähnliche Stoffwechselwege (z.B. Glykolyse) – Ähnliche Prinzipien der ATP-Bildung. 1.1.2 Unterschiede – Kern-Cytoplasma –komplexe Chromosomen –innere Membransysteme –Organelle ...

... 4 Kompartimentierung eukaryontischer Zellen - Plasmamembran, Protoplasma, Zytoplasma ...

... Schartel; Gessler; Eckstein: Biochemie und Molekularbiologie ...

... 6 1.2.1 Biologische Membranen - Aufbau und Funktionen - Barriere, selektive Stoffaufnahme, vesikulärer ...

... ~22% Cholesterol, ~28% Galaktocerebrosid (Glykoshingolipid) und 8% andere Biomembran der Leberzelle: ~70% Protein, ~30% Lipide, ~35% Phosphoglycerolipide, ~19% ...

... 9 Phosphatidylcholin (Lecithin, PC), Phosphatidylethanolamin (PE), Phosphatidylserin (PS), Phosphatidylinositol (PI) ...

... 11 Lipidanker: co- und posttranslationale Modifikation, bei der ein Protein an einer definierten Aminosäure mit einem ...

... Monolayer innere Mitochondrienmembran: Cholesterin, beide Monolayer aller Membranen ausser der inneren Mitochondrienmembran: Sphingophospholipide, Sphingomyelin (SM) v.a. äusserer Monolayer: Sphingoglykolipide, Cerebroside ...

... 13 Phosphatidylserin (PS) und Phosphatidylinositol (PI) finden ...

... Bilayer der Plasmamembran Innen Außen % Phospholipid ges. SM. PC. ...

... der Plasmamembran nahezu aller Zellen. Es handelt sich um Mikrodomänen der Membran, die sich im elektronenoptischen Bild als tiefe „flasks“ = eingesenkte Bereiche darstellen. Diese Mikrodomänen, welche auch unter der Bezeichnung „lipid-rafts“ bekannt sind, enthalten große ...

... 16 1.2.2 Zellkern (Nukleus) Kernmembran Nukleoplasma ...

... Kernmembran-Kernhülle - Kernporenkomplex besteht aus einer inneren und einer äusseren Membran, getrennt durch den perinukleären Raum, durchbrochen durch ...

... 60 kDa spezifisch gerichteter, aktiver Transport – Proteine oder Ribonukleoproteinkomplexe > 60 kDa – Import: z.B. ribosomale Proteine, Transkriptionsfaktoren, Enzyme für ...

... durch ein fibrilläres Netzwerk überzogen, der sogenannten Kernlamina, die aus Proteinen, hauptsächlich aus Laminen, aufgebaut ist. Die Lamine gehören zur Familie der intermediären Filamente - ihre Phosphorylierung ...

... des verdichteten, transkriptionsinaktiven Chromatins – (zum größten Teil an der Kernlamina assoziiert) – fakultativ: Heterochromatin enthält Genbereiche, die zu diesem Zeitpunkt ...

... wichtige Eigenschaften von Histonen: Histone sind basische, hoch-konservierte Proteine (hoher Lys, Arg-Gehalt), werden in 4 Klassen eingeteilt (H1-H4) ...

... die Modifikation von Histonen hat maßgeblichen Einfluss auf die Genexpression. Histon-mRNAs besitzen kurze t1/2, da sie nicht ...

... Histone sind Gegenstand posttranslationaler Modifikationen: – Methylierungen, – Acetylierungen, – Phosphorylierungen (Arg, His, Lys, Ser) führt meist zu einer Verminderung der positiven Ladung (Abschwächung ...

... und der ribosomalen Proteine liegen außerhalb des Nukleolus. Da die rRNA nicht für Proteine kodiert, d. h. nicht wie eine mRNA mehrmals abgelesen werden kann, benötigt man ...

... die RNA-Polymerase I transkribiert. Die 5S-rRNA wird durch die RNA- Polymerase III transkribiert. Die Gencluster des 45S- rRNA Gens liegen auf den humanen Chromosomen 13, 14, 15, 21 ...

... Zusammenlagerung mit Proteinen zu snoRNPs und snRNPs statt. Die scaRNAs (small cajal RNAs) legen die Positionen der Modifikation fest. Interchromatische granuläre Cluster – hier ...

... Sklerodermie. Zur Reifung der rRNA ist die sogenannte snoRNA erforderlich, die Bestandteil der snoRNPs ist. Ein Proteinbestandteil der snoRNPs ...

... Filamente - 10 nm. Mikrofilamente - 8 nm. Funktionen – strukturgebend und ...

... das Fotokopieren des Repetitoriums ist nicht gestattet (§§53,54 ...

... 26 1.2.8 Zell-Zellkontakte ...

... 31 1.2.9 Mikrovilli ...

... 34 1.2.10 Peroxisomen ...

... 34 2 Aufbau und Funktion eukaryontischer Chromosomen ...

... 36 2.1 Chromosomen als T räger der Erbinformation ...

... 36 2.2 Morphologie der Chromosomen ...

... 36 2.2.1 Gestalt ...

... 36 2.2.2 Centromeren ...

... 47 2.4.1 Prinzip der Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) ...

... 47 3 Zellzyklus & Zellteilung ...

... 49 3.1 Zellzyklus ...

... 49 3.1.1 Übersicht ...

... 49 3.1.2 Kontrolle des Zellzyklus ...

... 49 3.1.3 Apoptose ...

... 51 3.2 Mitose & Cytokinese ...

... 53 3.2.1 Phasen der Mitose ...

... 53 3.2.2 Endomitose ...

... 54 3.2.3 ...

... 73 6.1 Einführung ...

... 73 6.2 Unterschiedliche Lebensweisen ...

... 73 6.2.1 Einteilung nach Art der Energiequelle ...

... 73 6.2.2 Einteilung nach Art der Elektronendonatoren ...

... 74 6.2.3 Einteilung nach der Kohlenstoffquelle ...

... 74 6.2.4 Parasitische Lebensweise ...

...74 6.2.5 Kommensalismus ...

... 74 6.2.6 Symbiose ...

... 74 6.2.7 Konsumenten 1. und 2. deren Wirkmechanismus ...

... 81 6.3.8 Bakteriengattungen und wichtige Vertreter ...

... 83 6.3.9 Bakteriengenetik ...

... 86 6.4 Eukaryonte Mikroorganismen ...

87 6.4.1 Protozoen ...

... 87 6.4.2 Pilze (Fungi) ...

... liegt das genetische Material in Form eines Nukleoids vor. Komplexe Chromosomen aus DNA und assoziierten Proteinen, die in der Lage sind während der Zellteilung komplexe Strukturen zu bilden: Komplexe, membranumschlossene Strukturkomponenten eukaryontischer Zellen, Organellen (Golgi, Lysosomen, Endosomen, Peroxisomen), spezialisierte Organellen zur aeroben Respiration (Mitochondrien) und Fotosynthese (Pflanzen), komplex aufgebautes Cytoskelett aus Mikrofilamenten, intermediären Filamenten und Mikrotubuli. Zellbiologische Grundlagen: Prokaryonten / Eukaryonten ! Kompartimentierung eukaryontischer Zellkompartimentierung. Kompartimentierung eukaryontischer Zelle: Plasmamembran, Protoplasma, Zytoplasma, Zellkern, Organellen, Zytosol ohne Membran, Zytosol mit Membran ...

... Fertilisation 1.2: Charakteristischer Aufbau einer eukaryontischen Zelle und der Extrazellularmatrix (ECM) ...

1.2.1 Aufbau und Funktionen biologischer Membranen am Beispiel der Plasmamembran: Biologische Membranen sind aus Lipiden und Proteinen aufgebaut. Die amphipathischen (= amphiphilen) Lipid-Moleküle (= Membranlipide) bilden eine Doppelschicht (Bilayer). Die Lipide sind asymmetrisch auf die beiden Monolayer verteilt. Die Mebranlipide lassen sich wie folglt unterteilen: Phosphoglyceride enthalten u. a. Glycerin und Phosphorsäure (Bsp. Lecithin = Phosphatidylcholin), Grundgerüst ist die Phosphatidsäure. Sphingolipide (enthalten u. a. Sphingosin), Sphingophospholipide (Phosphorsäurehaltige Sphingolipide), Sphingoglykolipide (Cerebroside und Ganglioside u. a.) Cholesterin ...

... Cholesterin, Sphingoglykolipide v. a. äusserer Monolayer, innerer Monolayer, innere Mitochondrienmembran, Phosphatidylcholin (PC), Phosphatidylserin (PS) Phosphatidylethanolamin (PE), Phosphatidylinositol (PI), Cardiolipin, äusserer Monolayer, Cerebroside, Ganglioside, v. a. äusserer Monolayer, Sphingomyelin (SM) Phosphoglyceride. Zellbiologische Grundlagen: Charakteristischer Aufbau von Eukaryonten, Verteilung einiger Membranlipide auf die beiden Bilayer der Plasmamembran. Caveolen und Lipid rafts. Caveolae = lat. für kleine Kavität. Caveolae. finden sich in der Plasmamembran nahezu aller Zellen. Es handelt sich um Mikrodomänen der Membran, die sich im elektronenoptischen Bild als tiefe „flasks“ = eingesenkte Bereiche darstellen. Diese Mikrodomänen, welche auch unter der Bezeichnung „lipid rafts “ bekannt sind, enthalten große Mengen an Cholesterin und Glykosphingolipiden sowie GPI-verankerte Proteine. Das Hauptprotein der Caveolen ist das integrale Membranprotein Caveolin ...

... bezeichnet wird. Nur Moleküle geringen Molekulargewichts können durch die Poren diffundieren. RNA und Proteine gelangen über einen noch wenig charakterisierten Prozess in beiden Richtungen durch die Kernporen. Kernständige Proteine besitzen in der Regel eine spezifische Abfolge von Aminosäuren, die sogenannte Kern-lokalisations-Sequenz (NLS), über die das Protein nach der Synthese im Cytoplasma an einen Rezeptor des NLC bindet und nach einer Konformationsänderung in den Kern transloziert wird. An dem Transport sind G-Proteine der Ran-Familie beteiligt. Zytoplasmatisch-nukleärer Transport, konstitutiv passiver Transport, schnelle Diffusion von Molekülen < 5 kDa (z. B. Ionen, Nukleotide), langsame Diffusion von Proteinen < 60 kDa, spezifisch gerichteter, aktiver Transport der Proteine oder Ribonukleoproteinkomplexe > 60 kDa. Import: z. B. ribosomale Proteine, Transkriptionsfaktoren, Enzyme für die DNA-Replikation, Transkription, Histone, snRNPs, snoRNPs. Export: ribosomale UE, mRNA (mRNPs), snRNA. Die innere Fläche der Kernmembran ist durch ein fibrilläres Netzwerk überzogen, der sogenannten Kernlamina , die aus Proteinen, hauptsächlich aus Laminen aufgebaut ist. Die Lamine gehören ...

... diesem kompakten Zustand = Heterochromatin (Näheres siehe Aufbau und Funktion eukaryontischer Chromosomen). c) Nukleolus: Der Nukleolus (Kernkörperchen ) besteht aus einer Pars fibrosa und Pars granulosa nucleoli. Innerhalb der Pars fibrosa nucleoli werden multiple Kopien des Gens für die 45S-Vorläufer rRNA transkribiert. Die Gene der 5S-rRNA und der ribosomalen Proteine liegen außerhalb des Nukleolus. Da die rRNA nicht für Proteine kodiert, d. h. nicht wie eine mRNA mehrmals abgelesen werden kann, benötigt man viele rRNA Gene, um die benötigte Menge an rRNA für den Bau großer Mengen an Ribosomen herstellen zu können. Die 45S-rRNA wird durch die RNA-Polymerase I transkribiert. Die 5S-rRNA wird durch die RNA-Polymerase III transkribiert. Die Gencluster des 45S-rRNA Gens liegen auf den humanen Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 und werden auch Nukleolus-Organisator Regionen (NOR) genannt. Von den etwa 200 Kopien der rRNA Gene (haploides Genom) werden Millionen von Kopien an rRNA gebildet. In der Pars granulosa nucleoli werden die ...

... genannt 1.2.3 Zytoskelett: Das Zytoskelett ist aus drei verschiedenen Fasertypen aufgebaut: MIKROTUBULI (24 nm), INTERMEDIÄRFILAMENTE (10 nm), MIKROFILAMENTE (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. ...