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Biologie für Mediziner
- Zellbiologie 1 -
Dr. Martin KahmsInstitut für Medizinische Physik und Biophysik/
CeNTechGievenbecker Weg 11
Tel. 0251-835 [email protected]
Prof. Dr. Reiner PetersInstitut für Medizinische Physik und
Biophysik/CeNTechRobert-Koch-Strasse 31
Tel. 0251-835 6933, [email protected]
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