Molekulare Zellbiologie I (Stofftransport)

· Peptide

· Proteine (meistens membrangebundene Glykoproteine)

3 Klassen:

  · Ionenkanal-gekoppelte Rezeptoren (v.a. für kleine Signalmoleküle wie z.B. ACh)

  · G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (v.a. für kleine Substanzen wie z.B. Adrenalin)

  · Enzym-gekoppelte Rezeptoren (v.a. für Proteine, Substrat muss genug gross sein)

· können von aussen gesteuert werden

· "ATP-Schalter":

  · Start:   Signal von aussen → Proteinkinase wird aktiviert → phosphoryliert Protein → Signalkaskade

  · Stop:   Proteinphosphatase dephosphoryliert Protein

· "GTP-Schalter" / monomeres G-Protein (z.B. Ras-Protein):

  · Start:   Signal von aussen (GEF / Guanine nucleotide exchange factor) → GDP dissoziiert von Protein

                    → GTP kann nicht-kovalent an Protein binden → Signalkaskade

  · Stop:   GTP wird durch GAP (GTPase Activating Protein) beschleunigt hydrolisiert (GTP ist leicht hydrolisierbar)

(Zelle besitzt viel mehr GTP als GDP)

· Wirkungsstelle ½ aller Medikamente

· die Hälfte aller (800) GPCRs im Menschen sind für den Geruchssinn / 4 sind Photorezeptoren (R,G,B + Kontrast)

· Rezeptor besitzt 7 Transmembrandomänen

· G-Protein besteht aus α-, β- und γ-Untereinheit

1. wird G-Protein durch Rezeptor aktiviert, bindet die α-Untereinheit GTP und trennt sich vom jetzt aktivierten βγ-Komplex

2. der βγ-Komplex kann gewisse Formen der PI-3-Kinase (Phosphatidyl-Inositol-3-Kinase) aktivieren

3. α-Untereinheit kann Ziel-Proteine aktivieren, wird aber nach einiger Zeit inaktiviert, weil GTP hydrolysiert wird

    → beschleunigt durch Ziel-Protein-Bindung / RGS (Regulators of G-protein signaling) / GAP (GTPase activating proteins)

    → α-Untereinheit dissoziiert vom Ziel-Protein und lagert sich wieder zum αβγ-Komplex zusammen

4. Produktion von zyklischem AMP (cAMP / ein "second messenger") wird stimuliert bzw. inhibiert

· es gibt verschiedene α-Untereinheiten:

  · Gαs  stimuliert Adenylat (Adenylyl) - Cyclase   (→ Bildung von cAMP)

  · Gαi   inhibiert Adenylat (Adenylyl) - Cyclase   (→ Bildung von cAMP)

  · Gaq  stimuliert Phospholipase C   (→ Bildung von IP₃ + Diacylglycerol)

· kleine Adaptorproteine

· erkennen z.B. Phosphatgruppen bzw. ob ein Protein phosphoryliert ist

· funktioniert ähnlich wie Adapter von USB auf Lightning

· entsteht durch Hydrolyse von AMP

· cAMP + Phosphodiesterase → AMP

· übertragen Phosphatgruppen von ATP auf Ziel-Proteine (meistens auf sauerstoffhaltige Seitenketten, wie Ser / Tyr / Thr)

· sehr spezifisch

· müssen aktiviert werden durch cAMP / andere Kinase / Protein-Bindung

· Phosphatidylinositol (PI) wird 2x phosphoryliert und danach durch Phospholipase C hydrolisiert

  → es entstehen zwei "second messenger":  IP₃ (Inositol-1,4,5-Triphosphat) und DG (Diacylglycerol)

    · DG aktiviert Proteinkinase C

    · IP₃ setzt Ca²⁺ aus dem ER frei (intrazelluläres Signal / Ca²⁺- Konzentration im Cytosol ist sehr tief)

      → Aktivierung von Calmodulin → Aktivierung von CaM-Kinase II → ermöglicht Querbrückenzyklus der glatten Muskulatur

· Merkhilfe: IP-Drei setzt Kalzium frei

· Arginin → NO-Synthase → Citrullin + NO

· kann frei durch das Gewebe diffundieren, aber lokale Wirkung (kommt nur ca. 10 Zellen / 100µm weit)

· relaxiert glatte Muskulatur (NO aktiviert Guanylylcyclase → GTP wird zu cGMP umgewandelt)

· cytosolische Domäne hat entweder enzymatische Aktivität, oder interagiert mit einem Enzym

· 6 Klassen:

  · Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (grösste Klasse)

  · Tyrosin-Kinase-assoziierte Rezeptoren

  · Rezeptor-Serin/Threonin-Kinasen

  · Rezeptor-Guanylyl-Zyklasen

  · Histidin-Kinase-assoziierte Rezeptoren (kein Lernstoff)

· nur 1 Transmembransegment

· Rezeptor dimerisiert, wenn Ligand gebunden ist → Rezeptormoleküle können sich gegenseitig phosphorylieren (aktivieren)

· Beispiele: Insulin-Rezeptor / EpidermalGrowthFactor-Rezeptor

1.  Ras-Protein (monomeres G-Protein) wird aktiviert → MAP kinase kinase kinase (Raf) kann dimerisieren (Aktivierung)

2.  MAP kinase kinase kinase (Raf) phosphoryliert MAP kinase kinase (Mek)

3.  MAP kinase kinase (Mek) phosphoryliert MAP kinase (Erk)

4.  MAP kinase (Erk) verändert Proteinsynthese / Proteinaktivität  →  typische Effekte wie Zellwachstum / -teilung

1. PI-3-Kinase wird durch aktivierten Tyrosin-Kinase-Rezeptor aktiviert

2. aktivierte PI-3-Kinase phosphoryliert Phosphatidylinositol (PIP₂ / ein Membranlipid) an der 3' Stelle des Rings

3. PDK1 (Phosphatidylinositol-dependent kinase 1) kann an PIP₃ binden

4. PKB (Protein-Kinase B) wird durch PDK1 und mTOR (stimuliert Zellwachstum) aktiviert

→ Apoptose wird inhibiert (BAD wird inaktiviert → kann nicht mehr an Apoptose-Inhibitor-Protein binden)

→ Zellwachstum wird stimuliert (Zellwachstum-Inhibitor wird inhibiert)

· Signal bewirkt zwar Tyrosin-Phosphorylierung, aber der Rezeptor enthält keine Tyrosin-Kinase-Domäne

  → Rezeptor-assoziierte Tyrosinkinasen im Cytoplasma übernehmen die Phosphorylierung

s. Bild

· Notch-Rezeptor:

  · wichtiger Rezeptor während der Entwicklung und der Ausbildung des Gedächtnis

  · nur für Signalübertragung von direkt benachbarten Zellen

  · wird zuerst im Golgi-Apparat durch Furin gespalten und danach in die Zellmembran eingelagert

  · enthält eine intra- und extrazelluläre Domäne → bei Ligandbindung wird Notch bei der TMD extrazellulär (TACE / α-Secretase) und intrazellulär (Präsenilin / γ-Secretase) geschnitten

  · die intrazelluläre Domäne (NICD) enthält einen Transkriptionsfaktor und wandert in den Zellkern

· Amyloid-Procursor-Protein (APP):

  · vermutlich für Eisenexport / Regulation der Synapsenbildung / neuronale Plastizität

  · kann auf zwei Arten (amyloidogenic / non-amyloidogenic) gespalten werden:

    · α+γ - Spaltung → P3-Komplex → unbekannte Funktion

    · β+γ - Spaltung → Aβ-Komplex wird herausgeschnitten → Aggregation von Aβ → Amyloid → Alzheimer

    → Ursachen für Alzheimer: Mutation in Präsenilin (γ-Sekretase) / Trisomie 21 (APP wird auf Chr21 codiert → mehr APP) / Mutationen in β-Sekretasen wurden bisher nicht im Zusammenhang mit Alzheimer gefunden (Ursache liegt vermutlich im Mikrotubuli-stabilisierenden Protein "Tau")

    → Inhibition von β-Secretase nicht möglich, da diese an der Ausbildung von Myelinscheiden und Muskelspindeln beteiligt ist

· Wnt-β-Catenin Signalweg:

  · wichtig für Ausbildung des Embryos (Glieder / Richtung und Orientierung des Wachstums)

  · solange kein Wnt-Signal vorliegt, wird das phosphorylierte (unstabile) β-catenin vom Proteasom abgebaut

  · GPCR erkennt Wnt-Signal → β-catenin wird stabil und verdrängt "Groucho" (ein Transkriptionshemmer)

1. hyrophobe Substanzen (meistens Steroidhormone) druchdringen die Zellmembran

2. binden an nukleäre Rezeptoren → massive Konformationsänderung

3. Rezeptor kann nun an DNA binden

  (durch Hormontherapie bewirkt man eine Ligandbindung ohne Konformationsänderung / eigentlich Anti-HT)

· Herstellung (fast jede Zelle kann Eicosanoide herstellen):

  Ligand + GPCR → Arachidonsäure → Phospholipase A2 → Eicosanoide

· Wirkung:

  Eicosanoid + GPCR → Adenylat-Cylase → cAMP → Wirkung

· Beispiel (Makrophagen):

  Formyl-Methionin (Ligand) kommt aus Bakterien → eindeutiges Merkmal für bakterielle Infektion

· Hemmung der Eicosanoid-Synthese:

  · steroidale Hemmung (durch Glucocorticoide / Hemmung der Phospholipase A2 / unspezifische Hemmung)

  · nicht-steroidale Hemmung (durch NSAIDs / Hemmung der Cyclooxigenase / spezifischere Hemmung)

    → Beispiel Schmerzmittel: Fieber senkend, ... / Hemmung von Prostaglandinen → Nierenschäden

· wichtige Eicosanoide:

  · Prostaglandine (Schmerz / Fieber / Entzündungen / Blutdruckregulation)

  · Thromboxane (Blutgerinnung)

  · Leukotriene (Gefässerweiterung)

· sekundäres, intrazelluläres Signal (Antwort auf Ligand-Bindung)

· Beispiele:

  · cAMP:    ATP + Adenylyl-Cyklase → cAMP → aktiviert Proteinkinase A  → Abbau von cAMP durch Phosphodiesterasen

  · cGMP:    GTP + Guanylyl-Cyklase → cGMP (ähnlich wie cAMP / wichtig für Signaltransduktion beim Sehvorgang)

  · DG:          PIP₂ + Phospholipase C → Diacylglycerin / aktiviert Proteinkinase C

  · IP₃:         PIP₂ + Phospholipase C → IP₃ → setzt Kalzium frei

  · Ca²⁺:      Wirkung als Cofaktor / ...

  · NO:          Arginin + NO-Synthase → NO

alle Angaben in Gewichtsprozent

· 60%  Wasser

· 16%  Proteine

· 10%  Lipide

· 1.2% Kohlenhydrate

· 1%   Nukleinsäuren

· 5%   Mineralstoffe

· Mengenelemente (~ 70kg / 99.99%): 11 chemische Elemente (O / C / H / N / Ca / P / K / S / Cl / Na / Mg)

· Spurenelemente (~ 10g / 0.01%): 10 chemische Elemente (Fe / I / F / Zn / Cu / Mn / Se / Cr / Mo / Co)

Wasseranteile des Gesamtkörperwassers:

  ·  2% transzellulär (z.B. Hohlräume des Gehirns, von Drüsen → von Epithelien abgegrenzt)

  ·  5% intravasal (alle Blut- und Lymphgefässe / extrazelluläres Kompartiment ausser Blutzellen)

  · 22% interstitiell (Zwischenzellräume / extrazelluläres Kompartiment ausser Blutzellen)

  · 40% intrazellulär

FS = feste Substanzen

EZV = Extrazellulärvolumen

IZV = Intrazellulärvolumen

· dient der Bestimmung der Flüssigkeitsräume

· Vorgehen:

  1. Einbringen einer Indikatorsubstanz, die sich nur im betreffenden Raum verteilt

      · Substanz darf nicht toxisch sein / metabolisiert oder gespeichert werden / osmotisch aktiv sein

  2. Messung der Verdünnung der Substanz (Verdünnungsanalyse)

    · V [l]  =   m [g]   /   C [g/l]

· Beispiel (Messung des EZF-Volumens):

  · Indikator: Inulin (kann nicht in Zellen eintreten / wird über Nieren ausgeschieden)

  · Rückextrapolation ergibt Konzentration bei sofortiger Verteilung auf das EZF-Volumen

Ion   / Plasma- / interstitielle / intrazelluläre Konzentration in [mmol / l]

Na⁺          141            143        →        15

Cl^-            103            115        →          8

K⁺               4                4         ←        140

Ca²⁺         2.5              1.3       →        10^-4    (freies Ca²⁺)

pH             7.4              7.4                    7.1

· "gleich bleibend"

· Flüssigkeitsvolumen, Ionenkonzentrationen, pH-Wert, Temperatur etc. werden konstant gehalten

· EZF wird von verschiedenen Organen reguliert / IZF wird von jeder Zelle selbst reguliert

· Abweichungen (externe oder interne Gründe) führen zum Verlust der Homöostase

  → nicht erfolgreiche Kompensation führt zu Krankheit

· Regulation der Homöostase:

  · negative Rückkopplung: Körper wird ins Gleichgewicht gebracht (z.B. Körpertemperatur / Blutdruck / Blutzucker)

  · positive Rückkopplung: Ereignis A löst Ereignis B aus, das wiederum Ereignis A verstärkt → bis Ziel erreicht

    · kommt nur selten im Organismus vor

· Austauschfläche von 300m²

  · ~15 Liter pro Tag werden filtriert (filtriertes Volumen Q = L_p · A · P_eff / mit L_p = hydraulische Leitfähigkeit)

   · 9/10 werden wieder reabsorbiert

   · 1/10 geht in die Lymphgefässe

· Stoffaustausch ist begrenzt durch:

  · Diffusion (diffusionslimitiert)

  · Nachschub (perfusionslimitiert)

· Grundprinzipien:

  · Elektroneutralität

  · Egalität der Ionenprodukte (der diffusiblen Ionen)

→ es entsteht ein osmotisches Ungleichgewicht

    → hydrostatischer (∆p) und kolloidosmotischer Druck (∆π) bestimmen Richtung und Grösse der Lösungsmitteldiffusion

        (P_eff = ∆p - ∆π)

· p = c · R · T     (c = Konzentration  /  R = universelle Gaskonstante  /  T = absolute Temperatur)

· Osmolarität (Plasma):  \(290 \space { mosmol \over l \space Lösung}\)

· Osmolalität (Plasma):  \(290 \space { mosmol \over kg \space H_2O}\)

· Plasma und intrazelluläre Lösung sind isoosmotisch → Erythorzyten können als Osmometer verwendet werden

· Flüssigkeit im Interstitium

· Ursache: Ungleichgewicht zwischen Filtration und Resorption

  · z.B.: Anstieg des Kapillardruckes / Zunahme der Kapillarpermeabilität / Blockierung des Lymphabflusses

· kontinuierlicher Typ:

  · transzelluläre Diffusion (lipohpile Moleküle) / parazelluläre Spalten / wenig permeabel für hydrophile Moleküle

  · Vorkommen: Lunge / Muskel / Fettgewebe / Gehirn

· fenestrierter Typ:

  · transzelluläre Poren (ø 50nm / teils mit Diaphragma) / parazelluläre Spalten / gut permeabel für Wasser

  · Vorkommen: Glomeruli der Niere / exokrine Drüsen / Darmschleimhaut / Plexus choroideus

· diskontinuierlicher Typ:

  · inter- und intrazelluläre Lücken (ø -1µm) / Durchritt von Makromolekülen und Zellen möglich

  · perforierte Basalmembran

  · Vorkommen: Sinusoide von Leber, Milz und Knochenmark

· freie Energie eines Konzentrationsgradienten:

  · ungeladene Teilchen (chemisches Potential):          \(\Delta G = -R·T · ln {c_1 \over c_2}\)  (c₁ > c₂)

  · geladene Teilchen (elektrochemisches Potential): \(\Delta G = R · T · ln {X_2 \over X_1} + z_x · F · \Delta \psi\)  (z = Ladung / ψ = Membranpotential)

· Nernst Potential (Gleichgewichtspotential / ∆G = 0)

  · \(E_x = \Delta \psi_x = {-R·T \over z_x · F} ·ln {X_2 \over X_1}\)

· Lipiddoppelschicht hat die Eigenschaften eines elektrischen Widerstands und eines Kondensators

· Ruhepotential über der Membran beträgt -80 bis -60 mV (liegt in der Nähe des Kalium-Gleichgewichts-Potentials)

· Potentialdifferenz wird ermöglicht durch:

  · unterschiedliche Ionenverteilung / Proteinkonzentration

  · unterschiedliche Membranpermeabilitäten (für K⁺ gross / für Na⁺ klein)

· beschreibt den Gleichgewichtszustand (kein Nettofluss)

· für eine Ionensorte gilt: \(E_G = - {60mV \over z} · ln {c_{intra} \over c_{extra}} \) (Nernst-Gleichung / E_G = ∆G = Energie, die Arbeit verrichten kann)

· ist die Membran für mehrere Ionensorten durchlässig, gilt die Goldmann-Hodgkin-Katz Gleichung:

  \(E_i = {R·T \over F } · ln ({P_K[K^+]_a + P_{Na}[Na^+]_a + P_{Cl}[Cl^-]_\textbf{i}\over {P_K[K^+]_i + P_{Na}[Na^+]_i + P_{Cl}[Cl^-]_\textbf{a}}})\). (P = Ionen-Permeabilitäten)

· \(J_x = {dN \over dt} = -D_x · A · {\Delta c \over \Delta x}\)  (J_x = Flux = Stofffluss in mol · s^-1 / A = Durchtrittsfläche / ∆x = Diffusionsstrecke)

· \(D = {k · T \over 6 \pi \eta r } \)  (Diffusionskoeffizient / Einstein-Stokes Beziehung / r = Molekülradius / η = Viskosität)

· Diffusionsrate = Oberfläche x Konzentrationsgradient x Membranpermeabilität ÷ Membrandicke

· Teilchenfluss: Fick'sches Diffusionsgesetz (Konzentrationsgradient als Triebkraft)

· Volumenfluss: \(J_{H_2O} [ml/s] = L_p · A · \Delta p\)  (L_p = hydraulische Leitfähigkeit / Druckdifferenz als Triebkraft)

· freie Diffusion (abhängig vom Konzentrationsunterschied / z.B. Gase)

· erleichterte Diffusion (mit Membranproteinen / spezifisch / reguliert)

  · aktiv (gegen das Konzentrationsgefälle)

    · primär aktiv

    · sekundär aktiv

  · passiv (mit dem Konzentrationsgefälle)

    · Transporter (gemäss Michaelis-Menton-Gleichung)

    · Poren (immer offen)

    · Kanäle (offen oder geschlossen)