Zellbiologie

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Schädigungen (z. B. Röteln, Contergan, Alkohol) Entwicklungsbiologie A-Tierentwicklung Zusammenspiel von Zellteilung, Zelldifferenzierung und Morphogenese (z. B. Froschentwicklung mit Metamorphose) Bedeutung von Modellorganismen (z. B. Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans) Entwicklungsbiologie B - Pflanzenentwicklung Zusammenspiel von Zellteilung, Zelldifferenzierung und Morphogenese (z. B. Fruchtbildung) Bedeutung von Meristemen Signalaustausch zwischen Zellen Organisationsstufen & Kennzeichen des Lebens Okosystem -Einheit Lebensgemeinschaft und Lebensraum Organisationsstufen des Lebens -Zellen - Gewebe - Organe - Organsysteme - Organismus Kennzeichen des Lebens KO organismus einzelnes Lebewesen (28. Mersch, Tier, Pflanzen) Organ Teilsystem v. Pflante, Tier oder Mensch aus verschiedenen Geweben spezieller Funktion Gewebe Verband von Zellen gleichartiger Gestalt & costung Zellen - Grundbaustein jedes Lebewesens - unterschiedlicher Aufbau Zelle •wlingles lebensfähiges clement des Organismus ven pflanzen, Tier und Mensch •Mikroorganismam nair aus einer Zek Evolution - Weiterentwicklung von Organismen Organellen ·Bestandteil von Zellen mit Funktion -28. Ohloroplosion Bewegung - jedes Lebewesen muss sich aus eigener Kraft bewegen können - Menschen, Tiere, Pflanzen (drehen ihr Blatt zur Sonne hin) mit spezieller Bemosial Teilchen einer in verloman den Substant, das noch deren Eigenschar, protein, Fettabbl Stoff- & Energiewechsel - wichtige Voraussetzung: Stoffe aus der Umwelt aufzunehmen und diese zu verarbeiten Stoffwechsel - ohne Sauerstoff könnte man nicht atmen -Stoffe, die der Körper nicht mehr benötigt scheidet er aus Wachstum - Lebewesen sind in der Lage, ihre Größe, Gestalt, Gewicht im Laufe ihres Lebens zu verändern Reizbarkeit - Lebewesen können Informationen in Form von Reizen aufnehmen - Reiz: Geräusch, Licht, Schmerz Bewegung Zellen Fortpflanzung: - jedes Lebewesen ist in der Lage sich zu vermehren - nur so bleibt eine Art erhalten - Menschen / Tiere vermehren sich geschlechtlich = Neukombination der Erbanlagen = Ähnlichkeit zu Geschwistern Reizbarkeit Evolution Wachstum Fortpflanzung = ein Lebewesen muss folgende Eigenschaften / Merkmale aufweisen: Bewegung, Stoffwechsel, Wachstum, Reizbarkeit, Fortpflanzung, aus Zellen bestehen und eine evolution durchlaufen Zelltypen (pro- eukaryotisch, pflanzliche & tierische Zelle) PROKARY OT Membran Ribosom. Nukleoid (DNS) Mesosom EUKARY OT Zellwand Membran Chromosom Dictyosom Ribosomen Endoplasmatisch es Reticulum Endoplasmatisches Retikulum Chloroplasten Mitochondrium Pflanzenzelle Golgi-Apparat D our 225 fere •Zelluern 2000 Wooo Thylakoid 00 -Vahuole Tup Zell membran Ribosomen Zellwand mrd Reservestoff Zellwand Mitochondrium Vakuole Lysosom Geißel Kernmembran Chloroplast DNS Tierzelle Zelluern 000 Ribosomen Mitochondrium Vesikel Endoplasmatisches Retikulum Zellmembran Golgi-apparat Bau & Funktion der Zellorganellen Endoplasmatisches Reticulum Zellmembran Mitochondrien Golgi-Apparat Zellkern - größte Zellorganell der eukaryotischen Zelle - enthält Chromatingerüst, welches DNA enthält - kontrolliert Struktur & Funktion der Zelle - ist farblos, wird von einer Doppelmembran umgeben - Kernmatrix, Nukleolus, dort bildet sich RNA Mitochondrien - spezielle Zellorganellen mit Doppelmembranen - ,,Kraftwerke" der Zellen - Definition Zellorganellen Ein Zellorganell ist ein begrenzter Bereich in einer Zelle, welcher eine bestimmte Funktion ausübt Funktion der Zellorganellen - bohnenförmig / rund - mitochondrienmatrix = ringförmige DNA, Ribosomen, kleine Vesikel - können Bestandteile ihrer Proteine selbst herstellen Golgi-Apparat - größeres Zellorganell, das in allen eukaryotischen Zellen zu finden ist - dient zur Modifikation von Fetten, Proteinen Zellkern Zytoplasma Lysosomen Valvole Endoplasmatisches Retikulum (ER) - Netzwerk abgeplatteter Röhren aus Membranen innerhalb der Zelle - mit Ribosomen = raues / ohne Ribosomen = glattes - - spielt beim Transport großer Moleküle eine wichtige rolle = arbeitet mit Golgi-Apparat zusammen dort werde auch Fettsäuren & Lipide gebildet Bau & Funktion der Zellorganellen Funktion der Zellorganellen Ribosomen - Partikel im Cytoplasma / auf dem ER - dort wird Protein hergestellt - bestehen aus Nukleinsäure & Protein Zellmembran - äußere Abschluss des Inhalts jeder Zelle - Doppelmembran - bestehen aus Protein & Fett(Lipid) - bestimmte Eigenschaften der Durchlässigkeit = semipermeable, halbdurchlässig Vakuole - flüssigkeitsgefüllter Hohlraum in Pflanzenzellen - nimmt den größeren Teil des Zellvolumens ein - dient der Speicherung von lonen, Zuckern, Vitaminen & anderen Stoffen, wie Kristalle, Stärkekörner - Form aufgrund der prallen Füllung mit Flüssigkeit Cytoplasma - flüssige, Gelatine Substanz innerhalb der Zellmembran - in dieser finden sich Stoffe wie lonen, Nährstoffe, Enzyme - Reaktionsort für zahlreiche Stoffwechselreaktionen - Transportmedium für viele Stoffe in der Zelle Vesikel - in der Zelle gelegene, kleine Bläschen - erzeugen eigene Zellkompartimente, in denen verschiedene zelluläre Prozesse ablaufen - verantwortlich für den Transport vieler Stoffe in der Zelle Zellwand - Hülle, die aus Polymeren aufgebaut wird - außerhalb der Zellmembab -Abscheidungsprodukt lebender Zellen - bietet Struktur & Schutz und wirkt als Filter - Hauptfunktion = Platzen der Zelle als Druckbehälter zu verhindern, wenn Wasser eindringen sollte evolutionsbiologischer Aspekt: Organisationsstufen vom Einzeller zum Vielzeller (Übersicht) & Endosymbiontentheorie Entwicklung vom Eizeller zum Vielzeller - Entwicklung vom niederen, einfach gebauten Organismus zu einem hoch entwickelten, komplex strukturierten, umweltunabhängigen Lebewesen - weit folgende Merkmale auf: - Zunahme der Zelldifferenzierung - Zunahme der Komplexität - Zunahme der Funktionsfähigkeit - Zunahme der Umweltunabhängigkeit Definition Endosymbiontentheorie Die Endosymbiontentheorie ist eine Theorie zur Erklärung der Entstehung von eukaryotischen Zellen. Schema - erklärt, wie sich komplexere eukaryotische Zellen, wie Tier & Pflanzenzellen aus Bakterien bilden konnten - Urbakterium integrierte die prokaryotischen Vorläuferorganismen der Mitochondrien & Plastiden in sein Inneres = gingen eine Endosymbioses mit dem Urbakterium ein & entwickelten sich zu komplexeren Zellorganellen - Endosymiose = spezielle form der Symbiose - bei ihr wird ein Partner in den Körper des Wirtes aufgenommen - ist in der Lage, im Körper des Wirtes weiter zu leben & sich durch diesen zu ernähren - auch der Wirt profitiert, das er die abgegeben Nährstoffe verwenden kann - Urzelle Archaee - aufgenommene Prokaryoten = Bakterien - Urzelle verschluckte über die Endocytose den Prokaryoten - hierbei verbindet sich ein Stoff mit der Zellmembran (hier Prokaryot) - dadurch bilden sich Einstülpungen, die sich danach abschnüren können - äußere Membran kommt von Urzelle, innere vom ursprünglichen Prokaryoten - im Laufe der Zeit verloren Zellen Teile ihrer Gene in das Genom des Zellkerns der Urzelle - dadurch verloren die Bakterien ihre Eigenständigkeit und entwickelten sich zu Mitochondrien & Plastiden weiter Beweise - Mitochondrien & Plastiden enthalten eine rinförmige DNA - Aufbau ähnelt weiterhin dem der Prokaryoten - enthalten keinen Zellkern & besitzen eigene Ribosomen - selbstständige Teilung - Vorhandensein einer Doppelmembran Diffusion, Osmose, Plasmolyse Diffusion - Verteilung der Teilchen / Moleküle im Raum mit dem Konzentrationsgefälle -Teilchen diffundieren in die Zelle mit dem Konzentrationsgefälle - also vom Ort der höheren Konzentration zur niedrigeren Konzentration - die Zelle kann die Aufnahme & Abgabe von kleinen Teilchen nicht steuern (3) Osmose - Diffusion von Teilchen durch eine selektivpermeable Membran - sie ist nicht für alle Komponenten durchlässig - durch diese kann ein Konzentrationsunterschied zweier Seiten ausgeglichen werden - der Ausgleich findet mit dem Konzentrationsgefälle statt die Teilchen diffundieren von der Seite der Membran mit höherer Konzentration des Stoffes zu der mit der niedrigeren Konzentration - Vorgang wird vom osmotischen Druck angetrieben - hängt vom Konzentrationsverhältnis der beiden Stoffe innerhalb der Zelle ab auf der Seite der höheren Konzentration ist er größer Beispiel für Osmose MEMBRAN wasser mit rohen saragehalt verunreinigt MEMBRAN (1) wassermoleküle Zuckermoleküle OSMOSE "reines Wasser - Somit wird der Zellsaft kleiner & die Zellmembran löst sich von der Zellwand - der Vorgang ist reversibel, er ist also durch die Deplasmolyse umkehrbar MEMBRAN Einige zejt später immer noch salahattig, aber weniger Konzentriert *Nur H₂O Moleküle durchdringen die Membran Plasmolyse - spezielle Form der Osmose - pflanzliche Zelle = Schrumpfung der Protoplasten, Schrumpfung des plasmatischen Inhalts einer Zelle - hierbei löst sich die Zellmembran von der Zellwand MEMBRAN - geschieht durch eine hypertonische Lösung (hat mehr Salze / Zuckerbestandteile als der Zellsaft in der Vakuole) - daraufhin strömt Wasser auf osmotischem Weg aus der vakuole durch die Membranen in das umgebene, konzentrierte Medium Deplasmolyse - macht die Plasmolyse wieder rückgängig - hier diffundiert Wasser in die Zelle, wodurch sich der Protoplast wieder vergrößert und an die Zellwand anlegt - durch den Konzentrationsausgleich wird der Druck des Zellsafts auf die Zellmembran wieder hergestellt - Voraussetzung: die Zelle darf keine Schäden durch die Plasmolyse genommen haben reines wasser Biomembran (Schema) Biomembran - sind sowohl in eukaryotischen als auch in prokaryotischen Zellen zu finden - bilden eine Barriere und grenzen die Zelle nach außen ab (Zellmembran) - umgeben Zellorganellen wie Mitochondiren, Chloroplasten oder den Golgi-Apparat - Biomembran = flüssige Doppelschicht, die aus Phospholipiden aufgebaut ist - in diese Doppelschicht sind Membranproteine, Kohlenhydrate ein- oder aufgelagert - wichtigste Aufgabe: Stofftransport - sind auch in der Lage geschlossene Räume zu bilden, in denen Stoffe gespeichert werden / Reaktionen ablaufen können Definition Eine Biomembran kommt in Zellen aller Lebewesen vor. Sie besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht, trennt den Innenraum der Zelle vom Außenraum oder grenzt einzelne Zellkompartimente ab. Biomembran Aufbau - eine in sich geschlossene Struktur, die einen Raum umhüllt - asymmetrisch aufgebaut - eine Seite dem Cytoplasma zugewandt, die andere ist ihm abgewandt - bestehen hauptsächlich aus einer flüssigen Doppelschicht aus Lipiden, in der spezielle Proteine gelagert sind - in ihr sind auch Kohlenhydrate enthalten, die mit den Lipiden & Proteinen verknüpft sind Glykolipid Kanalproteine Transmembranproteine Glykoprotein Angelagert / Membranständig Rezeptorproteine Funktion - besitzen zahlreiche Funktionen - wichtigste: Kompartimentierung, die selektive Durchlässigkeit, der Membrantransport, die Oberflächenvergößerung und die Zellverbindung Membranmodelle (Übersicht) Lipid-Doppelschicht-Modell / Lipid-Floß-Modell Kanalproteine Transmembranproteine Glykolipid Das Sandwich-Modell extrazelluläres Medium Das Flüssig-Mosaik-Modell Kanalprotein Cholesterin DOOOOOOO 000000 00000 Cytoplasma Glykolipid Glykoprotein eingelagertes Protef eingelagertes Protein Angelagert / Membranständig Rezeptorproteine Extrazellularraum Glykoprotein Transmembranprotein Zytoskelett-Filamente 00000 angelagertes Protein BOOODOXY PT hydrophobe Anteile Proteinhelix Cytoplasma Kohlenhydratrest hydrophile Anteile Phospholipid- Doppelschicht Phospholipid-Molekül biochemischer Aspekt I: Aufbau von Lipiden (polare / hydrophile & unpolare / hydrophobe Molekülseite, Bilayerstrukturen) Lipide - relativ kleine Lipide - weisen einen amphipathischen Aufbau auf - verfügen über einen - wasserliebenden = hydrophilen Anteil - wassermeidenden = hydrophoben Anteil - bilden in wässrigen Medien Doppelschichten aus, die man als Phospholipid-Doppelschicht bezeichnet -Basis" der Biomembran - es lagern sich die hydrophoben Schwanzgruppen im Inneren aneinander - die hydrophilen Kopfgruppen orientieren sich nach außen zu den ebenfalls polaren Wassermolekülen man unterscheidet zwischen 3 Hauptgruppen 1. Phospholipiden 2. Glykolipidien 3. Cholesterin Amphiphil Zellmembran = Hydrophiles Kopfteil Hydrophobes Schwanzteil Bilayer-Strukturen - im Wesentlichen = geschlossene Vesikel, die auch Liposomen genannt werden - werden künstlich hergestellt dienen als Modelle für das Verhalten von Membranen in Organismen - bei Kontakt mit Luft richten sich Lipide als Monolayer aus Schwanzzeilen sind nach außen gerichtet - doppelte Lipidschicht ist für hydrophile Moleküle & Wasser relativ undurchlässig - Lipid-Bilayer = asymmetrisch, ädere Oberflöche entspricht nicht der inneren Luft Wasser Wasser biochemischer Aspekt II : Aufbau der Kohlenhydrate (Glukose als C6-Körper, Zellulose, Stärke als Polysaccharide) - Aufgaben der Kohlenhydrate sind vielfältig - Primärprodukt der Fotosynthese, Ausgangsstoff zur Energiegewinnung (Mitochondrien), Rückgrat von DNA/RNA - Grundbausteine der Saccharide = Zucker - Einfachzucker = Monosaccharide - Pentosen = 5/ Hexosen = 6 C-Atome Wichtige Monosaccharide - Glucose (Traubenzucker) & Fructose (Fruchtzucker) - beides sind Hexosen - Fructose = Fünfring / Glucose = Sechsring - unter Wasserabspaltung können diese zu einem Disaccharid reagieren -Saccharose entsteht = Haushaltszucker = diese Bindung nennt man glykosidische Bindung - längere Molekülbindungen nennt man Polysaccharide = = Glykogen & Reservestoffe wie Amylose / Amylopektin, welche Stärke bilden = = Wichtiges ist die Zellulose selektive Permeabilität von Biomembranen, aktiver und passiver Transport durch Carrier- & Tunnelproteine selektive Permeabilität von Membranen - ist die Eigenschaft insbesondere biologischer Membranen, nur bestimmte Moleküle durchzulassen - selektiv permeable Membran aktiver & passiver Transport durch Carrier- & Tunnelproteine - unter Membrantransport versteht man den Transport von Stoffen durch eine Biomembran aktiver Transport Definition : ein unter Energieverbrauch ablaufenden Transport gegen ein Konzentrationsgefälle oder ein elektrisches Gefälle (Gradient) Arten Primär-aktiv - direkt Energie durch ATP-Spaltung gewinnen wird - in Zellen erfolgt der Transport durch die Natrium-Kalium-Pumpe=ist an der Aufrechterhaltung des Membran Potenzials beteiligt Sekundär-aktiv - es wird indirekt Energie verbraucht - der Transport erfolgt entlang eines Konzentrationsgefälles Symport: Moleküle werden in dieselbe Richtung transportiert Antiport : in die entgegengesetzte Richtung Uniport: wird nur ein Molekül in eine Richtung transportiert Passiver Transport - überwinden Moleküle die Membran ohne Zuführung von Energie -Spezialfall der Diffusion Kanalproteine / Tunnelproteine - Proteine, beim passiven Stoffwechsel = Transmembranproteine / Kanalproteine - durchspannen die Membran tunnelartig - meisten Kanäle öffnen sich erst auf ein bestimmtes Signal - Unterschied: spannungsgesteuerte, mechanisch gesteuerte, ligandengesteuerte Kanäle - Kanäle offen = diffundieren Moleküle entlang des Konzentrationsgefälles durch die Plasmamembran - so lange bis die Konzentration des Stoffes auf beiden Seiten gleich ist / Kanäle sich wieder schließen Carrierproteine - Molekül wird von einer Seite der Membran auf die andere transportiert - Carrier sind nur auf ganz spezifische Moleküle spezialisiert, für die sie eine Bindungsstellen haben - Carrier bindet mir Substrat = Konformationsänderung = Freisetzung des Moleküls - Transport über Symport (gleich) &Antiport (entgegengesetzte) Richtung - keine Abhängigkeit zum elektrischen Gefälle Endo- & Exozytose (Prinzip) Endocytose - Aufnahme von zellfremdem Material in eine Zelle - dabei stülpt sich die Zellwand ein und umschließt den Stoff - um diesen Stoff bildet sich dabei ein Membranbläschen aus Zellenwänden Material - Vesikel / Endosom - man unterscheidet die Endocytose ohne Auslösen äußerer Dinge und die rezeptorvermittelte - bei dieser Art der Endocytose befinden sich an bestimmten Stellen der Zellmembran Einstülpungen, deren Oberflächen mit Rezeptoren besetzt sind - diese Rezeptoren sind spezielle Stoffe und verursachen somit deren Endocytose Carrier für aktiven Transport Partikelchen Endocytose Wasser und gelöste Stoffe (Zellmembran ist dafür durchlässig) Zellmembran mit Oberflächenproteinen @of Exocytose Golgi Apparat produziert Sekret Exocytose - Freisetzung von membranumschlossenen Stoffen aus der Zelle in die Zellumgebung - ausgestoßenen Substanzen sind entweder in der Zelle gebildete oder unverdauliche Überreste aus der Zellverdauung - dabei verschmilzt die Biomembran des Transportvesikels mit der Zellmembran - diese gibt den Stoff nach außen ab - meistens geschieht eine Exocytose gleichzeitig mit einer Endocytose - um eine unkontrollierte Zellerweiterung zu verhindern - zudem erneuert sich dadurch die Zellmembran und eine Neubildung von Phospholipiden wird überflüssig Kompartimentierung durch membranumschlossene Zellorganellen Definition Die Kompartimentierung ist ein wichtiges Grundprinzip in der Biologie. Du kannst darunter die Bildung verschiedener Räume (Kompartimente) innerhalb von Zellen verstehen, die meist durch Membrane abgegrenzt sind. Prinzip - man kann es sich wie ein Haus mit vielen verschiedenen Zimmern vorstellen - das Haus = Zelle & die einzelnen Zimmer stehen für die weiblichen Zellkompartimente - jedes Zimmer zeichnet sich durch spezielle Möbel aus & in jedem Zimmer finden unterschiedliche Aktivitäten statt - jedes Zimmer ist von den anderen Zimmern räumlich abgegrenzt Kompartimentierung durch Biomembranen - Zellkompartimente sind meist durch einfache oder doppelte Biomembranen voneinander getrennt - es handelt sich um eine Doppelschicht, aus Phospholipiden - sie sorgt dafür, dass nur bestimmte Stoffe oder Gase die Membranen und somit die Kompartimente passieren oder verlassen können - diese selektive Barriere sorgt nun dafür, dass in jedem Kompartiment unterschiedliche Bedingungen wie der pH- Wert, lonenkonzentration usw. herrschen können - in Chloroplasten kommt thylakoidmembran hinzu Kompartimentierungsregel - besagt, dass alle membranumgrenzten Reaktionsräume it eukaryotischen Zellen immer eine plasmatische & nicht plasmatische Seite aufweisen = diese werden durch eine Biomembran voneinander abgegrenzt - außerhalb der Zelle = nicht plasmatische Seite (ER, Golgi-Apparat, Lysosomen, Vakuole, Vesikel) - Innerhalb der Zelle = plasmatische Seite Zellkompartimente - Zellkern, Mitochondrien, Ribosomen, Golgi-Apparat, ER, Chloroplasten, Vakuole, Vesikel, Plasmamembran Bedeutung - Bildung von Reaktionsräumen - Bildung von Konzentrationsunterschieden - Beschleunigung der stattfindenden Stoffwechselreaktionen biochemischer Aspekt III: Aufbau von Proteinen (Schema: Aminosäuren, Bildung von Peptiden, vier Strukturebenen von Proteinen) Aufbau von Proteinen - Proteine sind an vielen Strukturen & Funktionen beteiligt - Muskeln bestehen größtenteils aus Proteinen - unsere Haut enthält Proteinfasern - viele Zellen werden durch ein Zellskelett stabilisiert, welches aus Proteinen besteht Aminosäuren - aus diesen sind Proteine aufgebaut - es gibt 20 verschiedene - diese unterscheiden sich in ihrem Rest - diese Restgruppen bestimmen die Eigenschaften des Polypeptids Bildung von Peptiden: - ein Peptid ist eine organische Verbindung, die Peptidbindungen zwischen Aminosäuren enthält - es kann neutral, basisch oder sauer sein 4 Strukturebenen von Proteinen Primärstruktur - einfache Kette aus Aminosäuren - wird durch Peptidbindungen erreicht - Aminosäuresequenz = Abfolge der Aminosäuren - Sequenz, Anzahl der Aminosäuren, verschiedene Eigenschaften charakterisieren das Protein Sekundärstruktur - durch Wasserstoffbrückenbindungen erreicht - H-Brücken formen Kette, sodass alpha-Helix-Struktur / beta-Faltblattstruktur entsteht - welche von beiden entsteht bestimmt die Aminosäuresequenz Tertiärstruktur - spezifische räumliche Struktur, aus der die Eigenschaften /Aufgaben hervorgehen - ab dieser Struktur ist das Protein funktionsfähig -Bindungen zwischen den Resten - H-Brücken -Ionen-Bindungen bzw. - Wechselwirkungen - Disulfidbrücken - Hydrophobe Ww & VdW-Kräfte Quartiärstruktur - Zusammenhäufung /-Lagerung der Tertiärstruktur - Untereinheiten können in Wechselwirkung treten (nicht bei jedem Protein) -Bindungen / Wechselwirkungen siehe Tertiärstruktur Primärstruktur Sekundärstruktur Tertiärstruktur Quartärstruktur Experimente zur Untersuchung biokatalytischer Prozesse (Katalase, Urease, Amylase) Beispiel Katalase - es gibt verschiedene Ansätze 1. das starke Zellgift Wasserstoffperoxid wird in den Peroxisomen beim Abbau giftiger Alkohole & Aldehyde gebildet 2. es entsteht Wasserstoffperoxid, welches vom Enzym Katalase in Wasser & Sauerstoff umgewandelt wird - viele Lebewesen besitzen eine Katalase - Pilze / Bakterien kommen ohne dieses Entgiftungsenzym" aus - Alltag: um gereinigte Kontaktlisen vor dem erneuten Gebrauch für die Augen zu neutralisieren - Wirkung an Kartoffeln Mechanismus der Enzymwirkung an einem ausgewählten Beispiel (Ernährung & Verdauung) - Enzyme spielen in allen körperlichen Funktionsbereichen eine wichtige Rolle, im Verdauungssystem jedoch eine ganz besondere - gäbe es keine Verdauungsenzyme, würden wir alles wieder ausscheiden, ohne auch nur einen einzigen Nährstoff aufgenommen und verwertet zu haben - bei Enzymen handelt es sich um Proteine, die in allen Zellen vorkommen und an nahezu allen Stoffwechselprozessen beteiligt sind - der „Höhepunkt" der Enzymausschüttung liegt bei ca. 60 Minuten nach beginn der Mahlzeit und hält bis zu 4 Stunden an - der Grad der Enzymausschüttung wird auch von der Kaloriendichte bestimmt - je mehr Kalorien wir zu uns nehmen, desto mehr Enzymsekret wird ausgeschüttet - neben körpereigenen Enzymen enthalten auch viele Nahrungsmittel Enzyme, die die Verdauung unterstützen - besitzen die gleiche Funktion wie die Verdauungsenzyme - stammen aus frischen, rohen, ungekochten Lebensmitteln - Ananas, Papaya, Ingwer unterstützen die Verdauung & Verwertung von Proteinen Abhängigkeit der Enzymaktivität von Temperatur (RGT-Rgel), pH-Wert, Substratkonzentration Enzymaktivität & Substratkonzentration - niedrige Substratkonzentration = geringe Geschwindigkeit - Geschwindigkeit steigert sich bei regelmäßiger Erhöhung der Substratkonzentration - zunächst linear, dann weniger bis es die Maximalgeschwindigkeit erreicht - ab einer bestimmten Konzentration an Substart ist die Geschwindigkeit nicht mehr zu erhöhen, da alle vorhandenen Enzymmoleküle mit Substrat besetzt sind - Kurve gleicht einer Hyperbel - wird durch die Michaelis-Menten-Gleichung beschrieben Reaktionsgeschwindigkeit (V) Vmax Vmax KM Enzymaktivität & Temperatur - chemische Reaktionen des Stoffwechsels in einem fache. Organismus sind temperaturabhängig - Enzyme haben bei einer bestimmten Temperatur ihr Aktivitätsmaximum (Optimum) - unterhalb dieser optimalen Temperatur ist die Teilchenbewegung langsamer - Substrat & Enzym treffen weniger häufig aufeinander Stoffumsatz ist geringer - hohe Temperaturen zerstören die Struktur der Proteine das Enzym kann nicht mehr funktionieren RGT-Regel Bei enzymkatalysierten Reaktionen erhöht sich die Reakationsgeschwindigkeit bei einer temperaturerhöhung um 10 grad etwa um das 10- % -Aktivität (relativ) Substratkonzentration relative Aktivität 100 80- 60- 40. 20 Substrat Zunahme der Bewegung Enzym Enzymaktivität optimale Temp 10 20 30 40 Temperatur °C Enzymaktivität & pH-Wert - Verdauungsenzyme - jedes Enzym hat ein spezielles p-H-Optimum - geht es darüber hinaus, wird es so geschädigt, wie bei einer temperaturerhöhung - Veränderung des pH-Wertes löst Wasserstoffbrückenbindungen in den Aminosäureketten = Zusammenhalt der Ketten wird geschwächt 50 60 kompetitive und allestorische / nicht kompetitive Hemmung (Prinzip, z.b. Medikamente, Giftstoffe als Inhibitoren) Regulation - nicht immer ist es sinnvoll, dass ein Enzym seine volle Wirkung entfaltet aufwendige Stoffwechselwege sollten nur aktiv sein, wenn der Organismus dessen Produkte auch wirklich braucht - wichtige Enzyme können meist gezielt gehemmt werden - Enzymhemmungen können aber auch unbeabsichtigt ablaufen - verschiedene Giftstoffe bremsen die Aktivität vieler Enzyme oder unterbinden diese unwiderruflich - Enzym-Hemmstoffe = Inhibitoren - zwei Arten kompetitiv / nichtkompetitiv Kompetitive Hemmung - konkurriert ein Stoff mit dem eigentlichen Substart um den Platz im aktiven Zentrum - Inhibitoren ähneln dem Substrat stark, werden aber nicht umgesetzt - binden reversibel an das aktive Zentrum und können durch hohe Substratkonzentrationen daraus verdrängt werden - die maximale Reaktionsgeschwindigkeit bleibt hier gleich - mehr Substart ist nötig um diese Geschwindigkeit zu erreichen - die Michaelis-Menten-Konstante des gehemmten Enzyms ist größer als die des ungehemmten Enzym Bernsteinsäure- dehydrogenase - Enzym Bernsteinsäure- dehydrogenase Substrat Bernstein- säure COOH C-H COOH Inhibitor Malon- säure Enzym-Substrat-Komplex COOH C-H COOH Enzym-Inhibitor-Komplex Enzym Irreversible Hemmung -Spezialfall der nichtkompetitiven Hemmung - Gifte Produkt Fumar- säure keine Reaktion P-O-CH₂ KHOY OH OH Fructose-6-phosphat - diese Stoffe binden irreversibel & unspezifisch an das Protein - geschieht im oder in der Nähe des aktiven Zentrums -Aktivität des Enzyms wird unwiderruflich zerstört CH₂OH keine Anlagerung möglich Phospho- fructokinase Nichtkompetitive Hemmung - manche Inhibitoren binden weit vom aktiven Zentrum entfernt - bewirken, dass sich die räumliche gestalt des Enzyms ändert = jenseits ihrer Bindungsstellen, im aktiven Zentrum - infolgedessen ist die Bindung / der Umsatz des Substartes gestört oder verhindert - Inhibitor bindet unabhängig vom Substrat = erhöhte Substratkonzentration wirkt sich nur auf ungehemmte Enzyme aus - maximale eaktionsgeschwindigkeit ist verringert, Michaelis-meinten-Konstante bleibt gleich -Bindungsstelle = allestorisches Zentrum, daher auch allestorische Hemmung = die meisten Stoffwechselwege werden dadurch geregelt Phospho- fructokinase H keine Reaktion H-C-COOH HO-C-COOH H-C-COOH Inhibitor Citronensäure ein Beispiel für Enzyme im Alltag (Waschmittel) - gegen Flecken aus Blut, Eiweiß, Kakao können Tenside nichts ausrichten - deswegen hat man spezielle Enzyme entwickelt - im Waschmittel erledigen Enzyme die Aufgabe, die Moleküle von Flecken so zu spalten, dass sie ausgewaschen werden können, oder sie so umzuwandeln, dass man sie nicht mehr sieht - Enzyme in Waschmitteln lassen sich grob in drei Gruppen einteilen - Lipasen: spalten Fette wie etwa Hautfett am Kragen, Ölflecken oder Sonnencreme - Proteasen: spalten Proteine, also Eiweiße wie Blut, Milch, Ei - Amylasen: spalten Stärke wie Nudeln, Ries, Kartoffeln, Hafer - nicht ganz unproblematisch sind Enzyme in Waschmitteln - lösen bei manchen Personen allergische Reaktionen aus - Spuren der Enzyme bleiben nach dem Waschen in der Kleidung - diese Reststoffe können zu Reizungen der Haut führen - Enzyme in Waschmittel machen nur Sinn, wenn sie bei maximal 60grad eingesetzt werden, ansonsten wird ihre Struktur zerstört und sie werden unwirksam Vergleich von Mitose & Meiose, Zellzyklus Funktion Ort Erbgut Ablauf Ergebnis Mitose Vermehrung von Zellen In allen wachsenden Zellen Das Erbgut der Tochterzellen ist mit der Ausgangszelle identisch Eine Kernteilung: Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase = keine intrachromosomale Rekombination 2 Zellen mit diploidem Chromosomensatz Ablauf des Zellzyklus M-Phase (Mitose und Cytokinese) Teilung der Zellkerne Teilung der Zelle in zwei Tochterzellen Interphase > Ergänzen fehlender Zellbestandteile > Verdopplung des genetischen Materials > Vergrößerung der Tochterzellen Bildung von Geschlechtszellen In den Keimdrüsen Oogenese & Spermatogonese Das Erbgut der Tochterzellen unterscheidet sich mit denen der Ausgangszellen 2 aufeinanderfolgende Kernteilungen: Meiose I: Prophase I, Metaphase I, Anaphase I, Telophase I Meiose Meiose II: dasselbe nur mit II Zellzyklus - beschreibt den Vorgang von einer bis zur nächsten Zellteilung - setzt sich aus der Interphase und der M-Phase zusammen - Interphase besteht aus G1-Phase, S-Phase, G2-Phase, GO-Phase und bereitet die Zelle auf die Teilung vor - die M-Phase setzt sich aus Mitose (Kernteilung) & Cytokinese (Zellteilung) zusammen = intrachromosomal Rekombination während der Prophase I 4 Zellen mit haploid Chromosomensatz G2-Phase Interphase S-Phase Zellzyklus Mitose M-Phase > Cytokinese G1-Phase GO-Phase Mutation am Beipiel von Trisomie 21 - Trisomie 21/Down-Syndrom beruht auf einer Störung in der Chromosomenanzahl - Betroffene haben das Chromosom 21 dreifach - Schädigungen von Geweben & Organismsen sind typisch - der Grad der Schädigung ist individuell und ist sehr unterschiedlich - Erkrankung führt zu einer Einschränkung der intellektuellen Fähigkeiten Wie kommt es zur Fehlverteilung der Chromosomen? - Fehler entsteht bei der Bildung der Keimbahnzellen, in der Meiose - es kommt zur Reduktion der genetischen Infromation von 2n zu n (diploid zu haploid) - wird eines der homologen Chromosomen in der Anaphase I nicht korrekt verteilt, entsteht eine Keimzelle mit zu viel Information - nach Verschmelzung einer solchen Keimbahnzelle mit seiner /ihrer Partnergemeinde zur Zygote liegt dann ein Chromosom dreifach vor Merke: Die Ursache der Trisomie 21 liegt in der Fehlverteilung der Chromosomen während der meiose. Aber das Alter der mutter (älter als 35) und auch des Vaters können bei Trisomie 21 eine Rolle spielen embryonale Schädigungen (Röteln, Contergang, Alkohol) Röteln - es handelt sich um eine vorgeburtliche Schädigung des Kindes im Mutterleib infolge einer Infektion der Schwangeren mit dem Rötelnvirus - das virus gelangt über die Plazenta in das ungeborene Kind - führt während der Embryonalentwicklung / Fetalentwicklung zur Schädigung von Innenohr, Herz, Auge, andere Organe - Behinderung, Frühgeburt oder Fehlgeburt sind Folgen - eine Impfung vor der Schwangerschaft schützt davor Behandlung - während der Schwangerschaft ist keine antivirals Therapie möglich, da es kein Medikament zur Behandlung gibt Festlegung des Geschlechts beim Menschen (Karyogramm, Kerngeschlecht, X/Y-Chromosomen, somatisches Geschlecht) Festlegung des Geschlechts beim Menschen - die Geschlechtsinformationen liegen auch auf den Chromosomen - menschliche Organismus besitzt 2 Arten von Geschlechtschromosomen = X & Y Chromosomen - neben diesen Zellen besitzen Mann & Frau Zellen, die auf die Fortpflanzung spezialisiert sind = Eizellen & Spermien - enthalten nur die Hälfte an Chromosomen und somit auch nur ein Gonosom (X bei der Frau) - der Mann produziert 2 Arten von Spermien = X-Chromosom / Y-Chromosom - deshalb wird das Geschlecht eines Menschen im Moment der Befruchtung bestimmt - letztendlich ist der Vater der das Geschlecht seiner Nachkommen bestimmt (ohne Einfluss) - Geschlechtbestimmung bleibt zufällig = 50:50 Chance für weiblich oder männlich Karyogramm - genetische Information des Menschen ist auf 46 Chromosomen verteilt - davon sind 44 nicht-geschlechtsbestimmend = Autosomen - 2 sind geschlechtsbestimmend = Gonosomal - Geschlechtschromosomen - Frauen = 2X Chromosomen - Männer = 1X & 1Y Chromosom - eine geordnete Darstellung aller Chromosomen einer Zelle = Karyogramm Euchromatin : Locker gepackte & genetische aktive Bereiche der DNA (helle Bereiche am Chromosom) Heterochromatin : Dichter gepackte & genetisch inaktive Bereiche der DNA (dunkle Bereiche am Chromosom. Zu diesem Zeitpunkt werden dort keine Gene abgelesen) Kerngeschlecht Das chromosomal Geschlecht des Individuums gemäß der Ausstattung seiner Zellkerne mit Geschlechtschromosomen 16 somatisches Geschlecht Wird vom Fehlen oder Vorhandensein einer Hodenanlage bestimmt, die in der Lage ist, Testosteron zu produzieren. Erst unter diesem Einfluss bilden sich männliche innere & äußere Geschlechtsorgane aus von der Befruchtung bis zur Blastocyte (Übersicht) 1. Tag - nachdem die Eizelle befruchtet wurde, nennt man sie Zygote - diese entwickelt sich noch am gleichen Tag zum Zweizellstadium - dort fängt die befruchtete Eizelle an sich zu teilen - die kleinen schwarzen Pünktchen = Polkörperchen - sind abgeschilfertes Erbgut aus der Reduktionsteilung der Meiose I & II 2. Tag - nächster Tag entwickelt sich die Zygote zum Vierzellstadium 3. Tag - daraufhin entwickelt sie sich zum Achtzellstadium - daraufhin zum Sechzehnzellstadium - ab diesem Zeitpunkt nennt man das ganze Morula - die ersten morphologischen Umwandlungen finden statt - Morula entwickelt in der Kompaktion sogenannte Schlussleisten, sodass eine äußere Zellschicht mit der inneren differenzieren kann - im Inneren befindet sich das Embryoplast, woraus sich später der Fötus entwickelt 4. Tag - entwickelt sich die Morula weiter zur Blastozyste -es bildet sich ein flussigkeitsgefüllter Hohlraum zwischen Trophoplast & Embryoplast = Blastozel - man kann zwei Lagen unterscheiden - den Epiblasten = befindet sich oben - der Hypoblast = befindet sich darunter - es entsteht langsam die Nabelschnur, über die das Baby im späteren Verlauf versorgt wird Implantation - der mehrkernige Synzylotrophoblast frisst sich in die Schleimhäute ein 60 Trophet top st Bedeutung von Meristemen - Meristem / Bildungsgewebe bezeichnet einen Gewebetyp der Pflanzen, der aus undifferenzierten Zellen besteht - kann an dem Wachstum durch Zellteilung beteiligt sein - man findet primäre Meristeme im oberirdischen Teil der Pflanzen am äußeren Ende der Sprossspitzen und am äußersten Ende der Seitensprossen, als auch im unterirdischen Teil an den Wurzelspitzen - Zellen der Meristeme besitzen dünne Zellwände mit wenig Cellulose - sind theoretisch unbegrenzt teilungsfähig Signalaustausch zwischen Zellen - Zellkommunikation - findet während der Entwicklung, aber auch im fertigen Organismus statt - innerhalb kleiner Zellgruppen erfolgt die Kommunikation häufig durch direkten Zell-Zell-Kontakt - spezialisierte Kontakte der Plasma-Membran ermöglichen den Austausch kleiner Moleküle & die Kommunikation von Stoffwechselreaktionen - spezifische Substanzen die von Signalzellen gebildet werden, lösen nur in Zielzellen eine spezifische Reaktion aus - diese besitzen für die Signalmoleküle spezifische Rezeptoren - extrazelluläre Signale werden so in spezifische zelluläre Reaktionen umgewandelt - 3 Hauptgruppen von Zelloberflächen-Rezeptoren 1. lonenkanalrezeptoren 2. G-Protein gekoppelte Rezeptoren 3. lonenekanäle mit G-Proteinen - Als Informationsträger dienen: -Acetylcholin - Stoffe, die mit dem Zirkulationssystem im Körper verteilt werden -zellgebundende Oberflächenmoleküle - das Zusammenspiel von verschiedenen Signalkaskaden = - Signaltransduktion - ermöglicht der Zelle, die Information vieler Signale aufeinander abzustimmen Bedeutung von Modellorganismen - sind ausgewählte Bakterien, Pilze, Pflanzen oder Tiere, die mit einfachen Methoden gezüchtet und untersucht werden können - sind deshalb von großer Bedeutung für die biologische & biomedizinische Forschung - zeichnen sich durch eine kurze Generationsdauer, sowie kostengünstige und unkomplizierte Haltung aus - gehören zu den ersten Organismen, deren komplettes Genom entschlüsselt wurde - Wahl des Modellorganismus hängt von der Fragestellung ab - grundlegende zellbiologische Prozesse können gut in wenig komplexen Eizellern untersucht werden - für entwicklungsbiologische Studien benötigt man in der Regel mehrzellige Lebewesen - Forschung an Modellorganismen ist in der Genetik, Molekularbiologie, Pharmakologie verbreitet - man versucht dadurch allgemeingültige Erkenntnisse zu erhalten - Tiermodell = Hinweise & Ursachen & zur Behandlung von menschlichen Erkrankungen gewonnen werden - Beispiele: Bakterien, Pilze, wirbellose Tiere, Wirbeltiere, Fische, Säugetiere,