2008 Block 3 Phy 1 Aufbau und Funktion der Zellmembran

2008 Block 3 Phy 1
Aufbau und Funktion der
Zellmembran
Johannes Schmid
an der Med. Univ. Wien
Tel. 01-4277-64111
Online Recherche Tipp:
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/ > Books
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=Books
Objectives I
• Beschreibe die Membran-Eigenschaften in Relation
zu den Komponenten der Membran
– Beschreibe den Aufbau einer Zellmembran
– Benenne unterschiedliche Typen der Verankerung von
Proteinen in der Membran
• Erläutere die Bedeutung von MembranInnenphospholipiden und MembranAußenphospholipiden
– Benenne unterschiedliche Phospholipide der
Zellmembran
– Definiere den Begriff „Zellmembranasymmetrie“
– Unterscheide die Phospholipide der Membraninnenseite
von jenen der Membranaußenseite
– Erkläre die Bedeutung von negativ geladenen
Membranphospholipiden
Selbststudium
Objectives II
• Erkläre die Bedeutung von ungesättigten Fettsäuren
und von Cholesterin in der Membran
– Benenne Areale der Plasmamembran mit unterschiedlichem
Gehalt an Cholesterin
– Erkläre die Funktion von cholesterinreichen Arealen der
Plasmamembran
– Erkläre den Ursprung von ungesättigten Fettsäuren in der
Zellmembran
• Benenne die Substanzen, welche direkt durch die
Phospholipidmembran diffundieren
– Beschreibe die Zellmembran hinsichtlich der Durchlässigkeit
für Gase
– Beschreibe die Undurchlässigkeit der Zellmembran für
geladene Moleküle
Selbststudium
Objectives III
• Erkläre die Bedeutung von Membranen für die
intrazelluläre Kompartimentierung
– Beschreibe unterschiedliche Membrantypen in der Zelle
– Erkläre die Notwendigkeit der Zellkompartimentierung
– Beschreibe unterschiedliche Zellkompartimente hinsichtlich
ihrer ionalen Zusammensetzung
Selbststudium
Zell-Membran Funktionen
•
Plasmamembran:
– Kompartimentierung, Na+/K+-Pumpe
– Kommunikation mit der Zell-Außenwelt, Verankerung mit der Matrix
(Rezeptoren, Ionenkanäle, Adhäsionsmoleküle, etc.)
– Kommunikation mit Nachbarzellen (z.B. über „gap-junctions“ oder
Adhäsionskontakte)
– Konzentration verschiedener Protein- und Signalkomplexe
– Verankerung mit dem Zytoskelett
– Aufrechterhaltung der Polarität spezieller Zellen (z.B. Epithelien)
– Ausbildung spezieller Zell-Zell Verbindungen (z.B. „tight junctions“ etc.)
•
Intrazelluläre Membranen: Ausbildung von Zellorganellen (Beispiele):
– Endoplasmatisches Retikulum: Kompartimentierung, Ca++-Pumpe
– Mitochondrien: Energiegewinnung,
– Endosomen, Lysosomen: Intrazelluläre Verkehrswege
Selbststudium
Zellmembran Aufbau
Drei verschiedene Ansichten der Zellmembran:
(A) Elektronenmikroskopie einer roten Blutzelle im Querschnitt; (B und
C) Schematische Darstellung
Aufbau der Zellmembran
•
Lipide: Phospholipid-Doppelschicht
– Die Innen- und die Außenschicht sind nicht gleich zusammengesetzt:
Spezifisch INNEN: Phosphatidylserin PS; spezifisch AUSSEN- Sphingomyelin SM; in
beiden Schichten jedoch in unterschiedlicher Konzentration: Phosphatidylethanolamin
PE, Phosphatidylinositol PI; Phosphatidylcholin PC; polare Cholesterinmoleküle
– Nicht alle Teile der Membran sind gleich zusammengesetzt
Membranmikrodomänen, reich an Cholesterin und Sphingomyelin (“Lipid Rafts”)
•
Proteine:
– Unterschiedliche Proteine sind bevorzugt in bestimmten Membrandomänen:
Proteine mit einer GPI (Glycosyl-Phosphatidyl-Inositol) Verankerung (außen) in Lipid
Rafts; Transmembranproteine außerhalb der Rafts
– Funktionelle Einteilung:
•
– Strukturproteine,
– Ionenpumpen, Ionenkanäle, Transportproteine
– Adhäsionsmoleküle
– Rezeptoren
– Proteine mit Enzymfunktion
– Glykoproteine
Kohlenhydrate: Glykolipide wie Ganglioside und Glykoproteine
Selbststudium
Membran Phospholipide
• Verleihen der Zellmembran bestimmte allgemeine
Eigenschaften
• Haben unterschiedliche chemische Struktur
• Sind unterschiedlich in der Membran verteilt
• Haben unterschiedliche Eigenschaften aufgrund der
Kopfgruppen und aufgrund der Fettsäuren
• Sind Ausgangssubstanzen für „Lipidmediatoren“
Selbststudium
Permeabilität durch eine artifizielle
Phospholipid-Doppelschicht
Membraneigenschaften
•
Durchlässigkeit für Gase (CO2,
O2, NO, CO)
•
Durchlässigkeit für Wasser
(gering und wenn gesättigte
Fettsäuren/Sphingomyelin in
Membran zunehmend weniger),
Notwendigkeit von Wasserporen
•
Alle geladenen bzw. polaren
Partikel nur durch
Transportsysteme (Ionen, etc)
•
Lipide: nicht durch Membran
sondern über ABC Transporter
Folgen unterschiedlicher
Membranpermeabilität
Membranphospholipide (PL)
•
•
•
Verteilung der PL
innen vs. außen
PC
(Phosphatidylcholin)
versus PS
(Phosphatidylserin)
und Funktion*
(Kalziumbindung Æ
Gerinnung außen
und ÆPKC Protein
Kinase C (innen)
PI
(Phosphatidylinositol)
kommt in der inneren
und äußeren
Membran vor
außen
innen
* Wenn PS außen wäre, würde das über die neg. Ladungen die Gerinnung induzieren;
PS auf der Innenseite ist wichtig für Aktivierung der Protein Kinase C;
PC führt über Phospholipase A2 zur Bildung von Arachidonsäure >> Prostaglandinen
Ein weiterer Membranbestandteil:
Cholesterin
Struktur
Funktion des Cholesterins in der Membran:
Niedrige Konzentrationen steigern die Fluidität der
Membran. Sehr hohe Konzentrationen
(Membrandomänen) vermindern die
Membranfluidität.
Bei höheren Temp: Verringerung der Fluidität, bei
niedrigen Temp: Aufrechterhaltung der Fluidität
(Cholesterin beeinflusst die „Phase-Transition“)
Schematische Darstellung der asymmetrischen
Verteilung der Phospholipide in der Zellmembran
• Sphingomyelin und Phosphatidylcholin (positiv geladene Kopfgruppen)
sind an der exoplasmatischen Seite zu finden.
• Lipide mit neutralen oder negativen Kopfgruppen sind eher an der
zytoplasmatischen Seite zu finden
Beweglichkeit der Phospholipide in der Membran
Mögliche Bewegungen der
Phospholipide
Transfer von einer
Membranseite zur anderen
erfolgt enzymatisch (z.B.
Scramblase; Flopase;
Flipase)
Einfluss von
Doppelbindungen in den
Fettsäureresten (ungesättigte
Fettsäuren) auf die
Beweglichkeit und
Durchlässigkeit der
Phospholipidmembran
Eigenschaften der PL - Kopfgruppen
• PS (Phosphatidylserin): Ca++ Bindung
Æ Gerinnung (= Plättchenfaktor 3),
Æ Wichtig für PKC Aktivität (Protein Kinase C)
• PC (Phosphatidylcholin): kann von PLA2 (Phospholipase A2)
gespalten werden > freie Fettsäuren, AA (arachidonic acid = 4-fach
ungesättigte C20-Fettsäure), EPEA (Eicosapentaenoic Acid Æ Lipid
Mediatoren, Prostaglandine)
• PE (Phosphatidylethanolamin): wird zu PC umgewandelt; PLA2
• PI: (Phosphatidylinositol)
– GPI-Anker (Glykosyl-PI, Verankerung von Proteinen in
Membranen)
– PLC (Phospholipase C) Æ Bildung von IP3 (Inositol-3-Phosphat)
und DAG (Diacylglyzerin)
> Signalübertragung: IP3 öffnet Calcium Kanäle, DAG aktiviert
Protein Kinase C
Eigenschaften von Fettsäuren in
Membranphospholipiden:
• Menge und relative Zusammensetzung der
ungesättigten Fettsäuren (FS) in den Phospholipiden
ist abhängig von der Nahrungsaufnahme
• Aus mehrfach ungesättigten FS (PUFAs, polyunsaturated fatty acids) wie AA (Arachidonic Acid)
oder EPEA (Eicosapentaenoic Acid) entstehen
wichtige Lipidmediatoren (Prostaglandine: PG2,
PG3,) die durch Phospholipasen generiert werden
• Je mehr ungesättigte FS in der Membran, desto
durchlässiger ist jene für Wasser (viel
Sphingomyeline - undurchlässig)
Selbststudium
Spezialisierte Membranareale
(Membran Mikrodomänen)
•
Caveolae; Lipid
Rafts:
– Hoher Gehalt an
Cholesterin und
Sphingomyelin
– GPI-verankerte
Proteine außen
– Src Kinasen
Innen
– Aufnahme und
Transport
(Transcytose)
von Substanzen
durch die Zelle
– Endothelien in
Drüsen etc
2006 Block 3 Phy 2
Aktiver Transport
Objectives I
• Zähle unterschiedliche Transportmechanismen für
polare Substanzen durch die Zellmembran auf
– Erkläre den Unterschied zwischen Pumpen, Antiporte,
Symporte und Kanälen
• Erkläre den Begriff aktiver Transport
– Benenne unterschiedliche aktive Transportmechanismen
in der Zelle
– Benenne die Lokalisation der Na+/K+-Pumpe in den
Zellmembranen unterschiedlicher Zellen
– Benenne die Lokalisation der Ca++-Pumpe in den
Zellmembranen unterschiedlicher Zellen
– Benenne unterschiedliche Typen aktiver Pumpen
Selbststudium
Objectives II
• Beschreibe die Funktionsweise der Na+/K+Pumpe
• Zähle unterschiedliche ABC Transporter und
deren Substrate auf
– Benenne häufige Erkrankungen bei welchen
Defekte in ABC Transportern eine Rolle spielen
Selbststudium
Passiver Transport
Treibende Kräfte für den Transport von
Substanzen durch die Zellmembran
Der elektrochemische Gradient ist die Antriebskraft für den passiven
Transport einer Substanz und setzt sich aus dem
Konzentrationsgradienten der Substanz und dem Spannungsgradienten
(elektrischer Gradient verursacht durch das Membranpotential) zusammen.
Vergleich von passiven Transporten entlang eines elektrochemischen
Gradienten mit einem aktiven Transport gegen einen elektrochemischen
Gradienten
• Das Carrier-Protein: Kann zwischen zwei Konformationen wechseln um so abwechselnd die
Bindungsstelle an der einen und der anderen Seite der Zellmembran (lipid bilayer) zugänglich
zu machen. Kanalproteine sind im Gegensatz dazu Wasser gefüllte Poren quer durch die
Zellmembran, welche nur für spezifische Ionen durchlässig sind.
• Während einfache Diffusion und passiver Transport über Membranproteine spontan abläuft
(erleichterte Diffusion), ist aktiver Transport energieabhängig. Nur Carrier-Proteine machen
aktiven Transport, aber sowohl Carrier-Proteine als auch Ionenkanäle können eine erleichterte
Diffusion bewirken.
Zusammensetzung von
Kompartimenten in der Zelle
• Die extrazelluläre Flüssigkeit und das Cytosol die
durch die Plasmamembran voneinander getrennt
werden, sind in ihrer (ionalen) Zusammensetzung
unterschiedlich. Ebenso bestehen entsprechende
Unterschiede in der ionalen Zusammensetzung
zwischen Cytosol und „nicht-plasmatischen“
Phasen in der Zelle (ER, etc.)
• Diese unterschiedliche ionale Zusammensetzung
muss durch aktive Transportprozesse entlang der
trennenden Membran und durch eingeschränkte
Permeabilität der begrenzenden Membran
entstehen
Selbststudium
Ionale Zusammensetzung des Cytosols und der extrazellulären
Flüssigkeit einer typischen Zelle
intrazelluläre
Konzentration (mM)
Kationen
5-15
Na+
140
K+
0.5
Mg2+
10-4
Ca2+
7 x10-5
H+
(10-7.2M or pH 7.2)
Anionen*
Cl5-15
extrazelluläre
Konzentration (mM)
145
5
1-2
1-2
4x10-5
(10-7.4 M or pH 7.4)
110
* Die Zelle muss gleiche Mengen an + und – Ladungen enthalten um elektrisch neutral zu sein. Daher
beinhaltet die Zelle zusätzlich zu Cl- auch andere Anionen die nicht in der Tabelle angegeben sind. Dies sind
insbesondere Protein-Anionen (fixe, nicht diffusible Anionen), aber auch HCO3-, PO43-, Nucleinsäuren,
Stoffwechselprodukte mit Phosphat oder Carboxylresten. Die angegeben Konzentrationen von Ca2+ und Mg2+
sind die der freien Ionen. Insgesamt ist in der Zelle etwa 20 mM Mg2+ und 1-2 mM Ca2+ aber bevorzugt an
Proteine und andere Substanzen gebunden und im Fall von Ca2+ in verschiedenen Organellen gespeichert.
Hauptsächliche ionale Unterschiede
• Cytosol vs. extrazelluläre Flüssigkeit:
– Cytosol: >K+, <Na+, <Ca++, <Cl-
• Endoplasmatisches Retikulum vs. Cytosol:
– ER: >Ca++
Daher: Ein Transport gegen einen
Konzentrationsgradienten von Na+ aus dem Cytosol
in die extrazelluläre Flüssigkeit und von K+ aus der
extrazelluläre Flüssigkeit in das Cytosol und von Ca++
aus dem Cytosol in die extrazelluläre Flüssigkeit und
in das endoplasmatische Retikulum hinein.
Transporte gegen einen Konzentrationsgradienten
verbrauchen Energie: Aktive Pumpen
Energielieferant der Zelle ist die Spaltung von ATP;
aktive Pumpen verbrauchen ATP = daher ATPasen
Die vier Klassen ATP-abhängiger
Transportproteine
P-Klasse: Diese besteht aus einem Transmembran-Protein, welches während
des Pumpzyklus phosphoryliert wird. Zu dieser Gruppe zählen die Na+/K+Pumpe, die Ca++-Pumpe und die H+/K+-Pumpe
V-Klasse: Diese Pumpen transportieren immer H+ und sind in den
Lysosomenmembranen lokalisiert (Ansäuerung des Lysosomen-Inhaltes).
F-Klasse: Lokalisiert in der inneren Mitochondienmembran, synthetisiert diese
“umgekehrte” Pumpe aus einem H+-Gradienten ATP aus ADP
ABC-Transporter: ATP-binding Cassettes
Na+/K+ ATPase
Dieses Carrier-Protein pumpt aktiv und gegen einen elektrochemischen
Gradienten Na+ aus und K+ in die Zelle. Für jedes hydrolysierte ATP
Molekül werden 3 Na+ aus und 2 K+-Ionen in die Zelle gepumpt. Der
spezifische Pumpeninhibitor Ouabain (Digitalis) und K+-Ionen kompetieren
für die selbe Bindungsstelle auf der Außenseite der ATPase.
P-Typ Pumpen Charakteristika
P-Typ: phosphoryliert, ATP abhängig
• Na/K ATPase:
– Lokalisiert an der Plasmamembran, bei polarisierten Zellen
nur antiluminal (also basolateral)
– Aktiviert durch cytosolisches Na+,
– Transkription durch Schilddrüsenhormone und das Hormon
Aldosteron Ç, Sympathikus
• Ca ATPase:
– Lokalisiert am ER, SR Membran (Sarcoplasmatisches
Retikulum) und Plasmamembran (nicht in quergestreifter
Muskulatur)
– Aktiviert durch cytosolisches Ca++,
– Phosphoryliert durch Proteinkinase A (Sympathikus) und CaCalmodulin
• H/K ATPase
– Belegzellen und Niere, luminal
– Aktiviert durch Proteinkinase C
ABC Transporter
49 ABC Transporter in 7 Familien
(ABCA bis ABCG); Beispiele:
ABCA1: Cholesterin und Phospholipid
Transport aus Zellen (Makrophagen)
ABCB Familie: multidrug resistance
(MDR) ATPase in Säugerzellen;
abgebaute cytosolische Peptide in das
ER zur Bindung an MHCI
ABCB11: Gallensäuretransporter
ABCC Familie: Multispezifische
organische Anionen Transporter;
ABCC7: Chlorid Kanal (cystic fibrosis
transmembrane regulator protein)
ABCC8: ATP abhängiger Kalium Kanal
ABCD Familie: Peroxisomaler Import;
ABCG Familie: Cholesterin (Leber),
Xenobiotika und Sterol Efflux;
2006 Block 3 Phy 3
Nicht-Aktiver Transport
Objectives I
• Zähle unterschiedliche passive
Ionentransport-Mechanismen durch die
Zellmembran auf und gibt die jeweils
treibenden Kräfte an
– Definiere den Begriff „Antiport“
– Definiere den Begriff „Symport“
– Definiere den Begriff „Ionenkanal“
• Beschreibe wichtige Typen von nicht
spannungsabhängigen Ionenkanälen
– Benenne Mechanismen, welche nichtspannungsabhängige Ionenkanäle öffnen
Selbststudium
Objectives II
• Beschreibe die Funktion der wichtigsten Antiporte
und Symporte (Co-Transporte)
• Beschreibe Transportmechanismen für Glucose und
Aminosäuren durch die Membran
– Benenne hormonabhängige Glucosetransporter
und deren Vorkommen
• Beschreibe in welchen Zellen Wasserkanäle
vorkommen und wo sie lokalisiert sind
– Beschreibe die Bedeutung von Wasserkanälen für
die Konzentrierung des Harns
Selbststudium
Schematische Darstellung von
Transportmechanismen durch die Zellmembran
• Drei Typen von Uniportern.
Elektrochemische
Gradienten sind durch
Dreiecke gekennnzeichnet
• Co-Transporte
(Symporter): Gelbe
Moleküle werden gegen
einen Gradienten durch
blaue Moleküle entlang
ihres Gradienten
transportiert
• Antiporter (Austauscher):
Gelbe Moleküle entlang
ihres Gradienten
transportieren blaue (gegen
einen Gradienten) in die
andere Richtung
Transportmechanismen
Kanäle:
Voltage gated channels,
Ligand-induced,
Stretch-activated (Ca)
ATP-inhibited (K)
Uniporte (Carrier) für
Glukose, Aminosäuren:
GLUT 1, 2, 4
Antiport (Austauscher):
Wasserkanäle:
H+-Na+ Tauscher
Cl--HCO3- Tauscher (Erythrozyten, CO2 Transport,
HCO3- Rücktransport i.d. Niere,
Volumensregulation)
Na+-Ca++ Tauscher (Herz)
Aquaporine
Symport:
Na+-Cl- (Niere)
Na+-K+-2Cl- (Niere, Speichel)
Na+-PO4- (Niere, Phosphatrücktransport)
Na+-Glukose (Dünndarm, Niere)
Na+-Aminosäuren (Dünndarm, Niere)
Selbststudium
Kanäle
• Ionenkanäle:
– voltage-gated: Na+, K+, Ca++
– Liganden
• Neurotransmitter: Acetylcholine, Serotonin, Glutamat,
GABA (gamma-amino butyric acid), Glycin
• Ca++-release
• Ionen
• ATP (blocking K+)
Kanäle:
• Rhyanodine-Ca++
– Stretch
(K+,
Ca++)
• Wasserkanäle: Aquaporine
Selbststudium
Erregbare Gewebe: Gated channels,
Viele Zellen: Ligand-induced,
Stretch-activated (Ca)
ATP-inhibited (K)
Epithelien: ABC Chloridkanal
„Gated“ Ionenkanal
• Treibende Kräfte für
Ionentransporte
durch Kanäle
– Konzentrationsgradient
– Elektrischer Gradient
– Wasserverschiebung
durch einen
osmotischen Gradienten
Aquaporine:
• Unterschiedliche
Sub-Typen von
Aquaporinen
ergeben
unterschiedliche
Wasserdurchlässig
keiten
verschiedener
Zellen
• Aquaporin 2 an
der luminalen Seite
des distalen
Tubulus und
SammelrohrEpithels der Niere
kann durch ADH
(Antidiuretisches
Hormon) über
einen cAMP
abhängigen
Mechanismus in
die Membran
rekrutiert werden
Uniporte – Carrier vermittelter
Transport
• Glucosetransporter GLUT:
– GLUT 2: genereller Glucosetransporter in
vielen Zellen
– GLUT 4: Insulininduzierter
Glucosetransporter in Muskel und Fett
Zellen
– GLUT 5: Intestinaler Fruktosetransporter
• Aminosäuretransporter:
– Analoger Aufbau und Funktion
GLUT-1 Transporter
GLUT1: in der Erythrozyten-Membran; in Endothelzellen (Blutgefäßzellen)
GLUT-2 Transporter
GLUT2: auf der basolateralen Seite der
Darm-Epithelzellen (dem Blut zugewandt)
und auch in Nieren-Epithelzellen
J. Schmid
„Enzymkinetik“ von
Carrier-Transporten
Leonor Michaelis
Maud Menten
Symporte - Kotransporte
• Na+-Cl- (Niere Rückresorption)
• Na+-K+-2Cl- (Niere Rückresorption, andere
Epithelien Sekretion)
• Na+-PO4- (Niere Phosphatrücktransport)
• Na+-Bicarbonat- (Belegzelle in
Verdauungsruhe), inside-out prox tubulus Niere
• Na+-Glukose
• Na+-Aminosäuren
• Na+-organische Säuren
Selbststudium
2Na+/Glucose Kotransport
Antiporte
• Kationenaustauscher:
– H+-Na+ Tauscher: alle Zellen zur Volumskontrolle,
Epithelien Säuresekretion,
Bicarbonatrückresorption, Wasserrückresorption
im Colon und Gallenblase
– 3Na+-Ca++ Tauscher (Herz), elektrogen, Na-K
ATPase abhängig
• Anionenaustauscher:
– Cl--HCO3- Tauscher: alle Zellen Volumskontrolle,
Erythrozyten: CO2 Transport,
Bicarbonatrückresorption in der Niere,
Wasserrückresorption im Colon und Gallenblase
Selbststudium
Beispiel eines Antiports:
Cl-/HCO3- -Austauscher
2006 Block 3 Phy 4 & 5
Epitheliale Transporte
Sekretion und Resorption
Objectives I
• Beschreibe die Wasserresorption durch
Epithelien
– Erkläre die Bedeutung der Lokalisation der
Na+/K+-Pumpe für die epitheliale
Wasserresorption
– Erkläre das Vorkommen von „bulk flow“ bei der
epithelialen Wasserresorption
– Erkläre die Bedeutung des onkotischen Druckes in
der Kapillare für die epitheliale Wasserresorption
Selbststudium
Objectives II
• Bringe Bespiele für die wichtigsten sezernierenden
Typen von Epithelien
– Bringe Beispiele für HCO3- sezernierende Epithelien
– Bringe Beispiele für H+ sezernierende Epithelien
– Bringe Beispiele für NaCl sezernierende Epithelien
• Benenne unterschiedliche Typen von resorbierenden
Epithelien
– Bringe Beispiele von resorbierenden Epithelien mit Na+-CoTransportern
– Bringe Beispiele von resorbierenden Epithelien mit Na+/H+Austauschern
Selbststudium
Objectives III
• Erkläre die Entstehung von Sekreten im
Organismus
– Erkläre die Bedeutung von Cl- Transport für die
Wassersekretion
• Erkläre die Bedeutung von Ionentransporten
für andere Zelleigenschaften
– Erkläre die an der Aufrechterhaltung des
Zellvolumens beteiligten Mechanismen
– Erkläre die Mechanismen, welche den pH-Wert in
der Zelle konstant halten
Selbststudium
Epitheliale Zellverbindungen
Epithelien sind
polarisierte Zellen und
besitzen eine luminale
(apikale) und eine antiluminale (basolaterale)
Seite. Die beiden Seiten
haben eine
unterschiedliche
Zusammensetzung
hinsichtlich der
Membrantransporter
(Na+-K+-ATPase ist nur
basolateral)
Wasserresorption
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Natrium strömt luminal über Co-Transporte, Antiporte oder
leackage Kanäle in die Zelle.
Na/K ATPase wird antiluminal aktiviert
Na wird in die Interspaces gepumpt
Cl folgt dem elektrischen Gradienten nach in die Interspaces
In den Interspaces steigt die Osmolarität
Wasser strömt in die Interspaces
Der hydrostatische Druck in den Interspaces steigt
Die Interspaces entleeren sich Richtung Kapillare (besonders
dann wenn der onkotische Druck dort hoch ist Æ proximaler
Tubulus Niere) aber auch Richtung Lumen
Die Na/K ATPase ist bei gedehnten Interspaces weniger aktiv
(Ödeme Æ weniger Na Rückresorption)
Selbststudium
Wassersekretion
•
•
•
•
Selbststudium
Öffnen von
Chloridkanälen luminal
Eintritt von Chlorid
antiluminal über Na-K-Cl
Kotransporte oder ClBicarbonataustauscher
Zugehöriges Kation folgt
parazellulär (Na)
Wasser folgt osmotisch
Sezernierende Epithelien
• Bicarbonatsekretion: Brunner’sche Drüsen
(im Zwölffingerdarm, Duodenum), Pankreas
und Gallenwege
• Säuresekretion: Belegzellen
(Magenschleimhaut), Schaltstücke Niere
• Gallesekretion: Hepatozyten
• NaCl Sekretion: Speicheldrüsen,
Schweißdrüsen, Darmsekret, Krypten
Selbststudium
Säuresekretion
Bikarbonat-Sekretion Pankreas
Beteiligte
Transporter:
Na/K-ATPase,
Na/H-Antiport,
Cl-Kanal,
Cl/HCO3Antiport
NaCl-Sekretion
Speicheldrüse/Schweißdrüse
Endstücke:
Cl—Sekretion;
elektrogen Na+ passiv;
Wasser aus
osmotischen Gründen
Ausführungsgänge:
Geringe NaCl Rückresorption
(Speichel); in den
Schweißdrüsen ist die Na+Rückresorption Aldosteron
abhängig und die
Wasserpermeabilität
eingeschränkt (hypotoner
Schweiß)
Resorbierende Epithelien
• Bicarbonatrückresorption: Niere proximal und
distal
• NaCl Resorption (gekoppelte Na+/H + und Cl/HCO3- Austauscher): Dickdarm, Gallenblase,
• NaCl Resorption (NaCl Cotransport): distaler
Tubulus Niere
• Na+-K+-Cl- Cotransport: Henle’sche Schleife
• Aldosteronabhängige Na+ Resorption: Niere
distaler Tubulus und Sammelrohr, Colon,
Schweißdrüsen
Selbststudium
Bikarbonat-Resorption Niere
Na+-Rückresorption
in der Niere
Nierenglomerulus
(Filtration des Primärharns)
Na+/HCO3-
Andere Folgen von
Ionentransporten
• CO2 Transport im Erythrozyten, pH im Liquor
(Gehirn- und Rückenmarkflüssigkeit)
Carboanhydratase (CO2+H2O <->H+ + HCO3-)
• Beeinflussung des Membranpotentials
– ATP abhängige Sekretion (Insulin; ATP abhängige K+Kanäle, Depolarisation, Ca++-Einstrom)
• Verteilung von Kalium zwischen Intra- und
Extrazellulärraum
• Generierung von „transzellulären“ Flüssigkeiten
(Liquor, Kammerwasser, Carboanhydratase)
Selbststudium
Epitheliale Glucoseresoption
Ionentransporte durch die
Erythrocytenmembran:
• Kompartimentierung
• Anionenaustauscher
Sauerstoffbindung an Hämoglobin
höherer pH
niedriger pH
J. Schmid
2005 Block 3 Phy 6
Intrazelluläre Signalübertragung
Objectives
• Nenne die wichtigsten intrazellulären
Signalübertragungswege
– Beschreibe die Möglichkeiten der Änderung von
Proteinfunktionen
– Erkläre die Bedeutung des Begriffes Proteinkinase
und nenne unterschiedliche Formen
– Erkläre die Bedeutung von GTPasen am Beispiel
von Ras
• Beschreibe Auslösung und Folge von
Signalen über Rezeptor Tyrosin Kinasen
– Benenne unterschiedliche Faktoren die über
Tyrosinkinasen Signale übertragen
Allgemeine Prinzipien der
Zellkommunikation
Botenstoffe – Signalmoleküle Übersicht
•
Ablauf eines „Signalprozesses“
–
–
–
–
–
–
•
Synthese des Signalmoleküls
Freisetzung des Signalmoleküls
Transport zur Zielzelle
Erkennung bzw. Bindung an Rezeptor
Zelluläre Antwort
Entfernung des Signalmoleküls
Signalmolekülklassen
– Signale über membranständige Moleküle (Adhesion, Zell-Zell
Kontakte)
– Proteine - Wachstumsfaktoren (EGF, FGF, VEGF, PDGF), Cytokine
(Interleukine, TNF, TGF, Interferone)
Peptide - Insulin, Glucagon, Gastrin
Aminosäuren, -derivate - Histamin, Adrenalin, Neurotransmitter
Eicosanoide - Prostaglandine, Thromboxane, Leukotriene
•
–
–
–
Second messenger
– Ca2+, cAMP, cGMP, IP3, DAG, NO, CO
Selbststudium
Formen interzellulärer Signalübertragung
Synaptisch
Parakrin
Autokrin
Endokrin
Zell-Zell
Kontakte
Ligandenspezifität (Beispiele)
•
Ein Ligand - unterschiedliche
Reaktionen
– Acetylcholin
• Muskelkontraktion im
quergestreiften Muskel
• Verlangsamung der
Herztätigkeit
• Exocytose sekretorischer
Vesikel in Drüsen
•
Verschiedene
Signalmoleküle - gleiche
Wirkung
– Adrenalin und Glucagon
• Abbau von Glycogen in
Leberzelle
• Freisetzung von Glucose
ins Blut
• Erhöhung des
Blutzuckerspiegels
Signaldiversität
Typen von Rezeptoren
„Molekulare Schalter“
• Phosphorylation Dephosphorylation
Tyrosin-Proteinkinasen
Serin/ThreoninProteinkinasen
Phosphatasen
• GTPasen
Ubiquitin/SUMO
Aktivierte Rezeptor-Tyrosin-Kinasen
(RTKs)
Signalübertragung von Wachstumsfaktoren: EGF, VEGF, FGF, IGF,
Insulinrezeptor, PDGF, NGF, M-CSF
Ras Aktiverung:
• Ras ist ein wichtiger molekularer Schalter der z.B. über
RTKs aktiviert wird
• Ras ist ein Mitglied der Familie der „kleinen“ G-Proteine
• Ras selbst hat verschiedene „downstream“ Zielproteine,
z.B. MAP-Kinasen (Mitogen-Aktivierte Protein Kinasen)
Aktivierung von MAP Kinasen
(Mitogen-Aktivierten Protein Kinasen)
2006 Block 3 Phy 7
Intrazelluläre Signalübertragung II
G-Protein
gekoppelter
Rezeptor
Objectives I
• Beschreibe die Funktionsweise von G-Protein
gekoppelten Rezeptoren
– Benenne unterschiedliche Subtypen der
herterotrimeren G-Proteine
– Beschreibe die wichtigsten Folgen der Aktivierung
von G-Protein gekoppelten Rezeptoren
• Beschreibe Auslösung und Folge von cAMP
Signalen
– Beschreibe Möglichkeiten der Regulation der
Adenylatzyklase
– Nenne Beispiele für Krankheiten oder Symptome
bei welchen das cAMP System beteiligt ist
– Nenne Hormone und Neurotransmitter die über
cAMP wirken
Selbststudium
Objectives II
• Beschreibe Auslösung und Folge von
Ca++ Signalen
– Beschreibe Neurotransmitter die über Ca++
Signale wirken
– Beschreibe die Kontraktionsauslösung im
glatten Muskel
– Beschreibe Mechanismen über welche die
Ca++ Konzentration im Cytosol niedrig
gehalten wird
Selbststudium
Verstärkungskaskade
G-Protein gekoppelte Rezeptoren (GPCR)
Membranproteine mit 7 TransmembranRegionen. Liganden: meist kleine
hydrophile Botenstoffe (binden zwischen
den Helices). Intrazelluläre
Bindungspartner: trimere G-Proteine
(binden an C3, C2-Schleifen und CTerminus). Funktionen: GlucoseMetabolismus (durch Adrenalin etc.
geregelt), schnelle Signalübertragungen
(Muskelkontraktion, Herzfrequenz..
J. Schmid
Signalübertragung über G-Proteine I
Ligand (z.B. Hormon)
GPCR
(Rezeptor)
beta-subunit
alphasubunit
GDP/GTP
J. Schmid
GDP bzw. GTP liegen in einer
„Tasche“ zwischen den
einzelnen Einheiten des
trimeren G-Proteins. Bindung
an den Rezeptor (GPCR)
induziert die Dissoziation von
GDP und die Bindung von
GTP (das in der Zelle in
höherer Konzentration
vorliegt). Diese Bindung
induziert eíne deutliche
Strukturänderung und die
Dissoziation der α-Kette von
Gβγ
GTPasen als „Schaltproteine“
1. trimere G-Proteine
binden an G-Protein gekoppelte
Rezeptoren und übertragen das
Signal an Effektorproteine (z.B.
Adenylatzyklasen)
blau: α
cyan: β
grün: γ
gelb: GDP
J. Schmid
2. Kleine GTPasen (Ras-ähnlich)
6 Familien: Ras, Rho, Rab, Ran, ARF und RGK:
aktive Form: GTP-gebunden, inaktive: GDP
GEF: guanine nucleotide exchange factors:
tauschen GDP gegen GTP
GAP: GTPase Aktivierende Proteine
Aktivierung der
Adenylatcyclase
Targets von G-Protein gekoppelten Rezeptoren –
und beteiligte G-Protein Komponenten
• Adenylatcyclase
– alpha-s (stimuliert; z.B. β-Rezeptoren des Sympathicus)
– alpha-i (inhibitorisch; hemmt; z.B. α2-Rezeptoren des
Sympathicus)
• Phospholipase C
– alpha-q (IP3 und Ca++ Freisetzung, DAG in der Membran und PKC
Aktivierung; z.B. α1-Rezeptoren des Sympathicus)
• Phosphodiesterase
– alpha-t (Abbau von cGMP, Sehvorgang)
• Rho-Aktivierung
– alpha-12 (z.B. Stressfaser Bildung)
• K-Kanäle
– Beta/gamma (von alpha-i; M2-Rezeptor für Acetylcholin am
Herzen)
Selbststudium
cAMP aktiviert Protein Kinase A (PKA) >
induziert Genexpression
PKA reguliert auch cytosolische
Effektoren
Inositol-Phospholipid vermittelte
Signaltransduktion
Sekundäre Botenstoffe: Phosphatidylinosit-Derivate
cytosol. Seite der
ZytoplasmaMembran
Membranständige PI-Kinasen bilden die PI-Derivate PIP und PIP2, Spaltung von
PIP2 durch das Signalenzym Phopholipase C (PLC) führt zur Bildung der second
messenger IP3 (Inositol 1,4,5-Triphosphat) und DAG (Diacylgyzerin)
J. Schmid
Calciumfreisetzung und Entfernung
aus dem Cytosol
Calcium Signale
• Calcium bindet an Calcium-bindende
Proteine : Calmodulin, Aktin-Myosin
Filamente u.a.
• Calcium Calmodulin induziert Kinaseaktivität
(z.B. MLCK, myosin light chain kinase)
• Calcium bindet calcium abhängige Proteine
(z.B. PKC, Protein Kinase C) an negative
Phospholipide der Membran (PS,
Phosphatidylserin, oder DAG, Diacylglyzerin)
Selbststudium
2006 Block 3 Phy 8
Intrazelluläre Signalübertragung III
LDL
ELAM
ICAMVACM
TF
iNOS
COX-2
PAI-1
O- RadicalsTNF IL-1
LPS
AGE
beta
RAGE TNF-R
Il-1-R
CD14
Apoptosis
IL-1 IL-6
IL-8 Amyloid
IAP
s
IkB
P
NFkB
NO
Sap
Gene Transcription
Ankyrin
G1 cyclinsrepeats
Proliferation
CRE
Ubiquitin
E
GC
Objectives
• Nenne wichtige Reaktionsmuster welche über
Zytokine und Zytokinrezeptoren vermittelt
werden
• Beschreibe die Mechanismen der Aktivierung
des Nukleären Faktors kappa B (NF-κB)
• Beschreibe zelluläre Vorgänge bei der
Entzündung
• Beschreibe die Funktion von TOLL Like
Rezeptoren
Selbststudium
Entzündung
• Entzündung stellt eine wichtige Antwort des
Organismus auf exogene und endogene
schädigende Reize dar
• Entzündungsmechanismen sind für die klassischen
Symptome der Entzündung verantwortlich aber auch
an der Elimination der Noxe und an der
Immunantwort beteiligt
• Das Netzwerk der Entzündung wird durch Cytokine
aufgebaut, die zwischen den beteiligten Zellen die
Kommunikation ermöglichen
• Ein wichtiger “genereller” intrazellulärer Signalweg
bei der Entzündung ist der nukleäre Faktor kappa B
(NF-kappa B)
Selbststudium
Symptome der Entzündung
Toll Like Receptor
Eine Reihe von „Toll
Like Rezeptoren“
interagiert mit
Bakterien und anderen
Erregern und aktiviert
Zellen über den NFκB
Signalweg
Der NF-kappa B Signalweg
Der NFκB Signalweg
ist der zentrale
Signalweg bei der
Aktivierung von
Zellen bei der
Entzündung
NFκB Aktivierung
Phosphorylierung des Inhibitors
IκB (Inhibitor von kappa B) über
Signalkinasen führt zu dessen
Ubiquitinylierung und Abbau.
Der Transkriptionsfaktor NF-κB
wird dadurch freigesetzt und
kann an entsprechende
Promoterregionen binden
Der zentrale Entzündungsmediator
NFκB und einige seiner Zielgene
Inflammatory stimuli
Inflammatory response
LDL
Il-1 TNF
LPS
Il-1-R
O- Radicals
AGE Amyloid
beta
TNF-R
RAGE
ELAM
MCP-1
VCAM ICAM
Pg
TF
NO
Apoptosis
CD14
P
TLR4
Il-6 Il-1
Il-8
IκB
NFκB
ubiquitinilation
degradation
IAPs
COX2
Gene Transcription
iNOS
2006 Block 3 Phy 9 & 10
Zell-Zell, Zell-Matrix
Interaktionen, extrazelluläre
Matrix
Objectives I
• Benenne die Typen von Zell-Zell und ZellMatrixkontakten und deren Bedeutung für die
Zellfunktion
– Beschreibe Vorkommen, Aufbau und Funktion von
Gap-Junctions
– Beschreibe Vorkommen, Aufbau und Funktion von
Tight-Junctions
– Beschreibe Vorkommen, Aufbau und Funktion von
Adherent-Junctions
– Zähle unterschiedliche Zelladhäsionsmoleküle auf
– Beschreibe den Unterschied zwischen Zell-Zell
und Zell-Matrix Kontakten
Selbststudium
Objectives II
• Benenne Komponenten der extrazellulären
Matrix und deren Bedeutung für die
Zellfunktion
– Erkläre die Funktionen der extrazellulären Matrix
– Benenne unterschiedliche Komponenten der
Extrazellulärmatrix
– Beschreibe den Unterschied der extrazellulären
Matrix im lockeren Bindegewebe und in der
Basalmembran
Selbststudium
Objectives III
• Beschreibe die Funktion von
Cadherinen, Selektinen und von
Integrinen
– Beschreibe die Funktion von Integrinen
– Beschreibe die Funktion von Cadherinen
– Erkläre die Beteiligung von Selektinen an
Zell-Zell Kontakten
Selbststudium
Cytoskelett
•
Mikrofilamente:
– Aktin/Myosin: G-F Aktin, Myosin-Formen
• Aktin assoziierte Proteine
• Funktion:
–
–
–
–
•
Kontraktion quergestreifter Muskel
Kontraktion glatter Muskel
Nicht-Muskel Aktin: Mikrovilli, Lamellipodia, Filopodia, Migration
Zell-Zell und Zell-Matrix Kontake
Mikrotubuli
– Tubulin/Motorproteine (Kinesin, Dynein)
• Tubulin assoziierte Proteine
• Funktion:
– Vesikel und Organellentransport, Axonaler Transport
– Spindelapparat
•
Intermediärfilamente
•
•
•
•
Zytokeratine
Neurofilamente
Vimentin, Desmin
Lamine (Kern)
– Funktion:
• Mechanische Stabilität, Fixierung der Organellen
und des Kerns in der Zelle
• Zell-Zell Kontakte (Desmosomen) und
Zell-Matrixkontakte (Hemidesmosomen)
Selbststudium
Zell-Zell und Zell-Matrix Kontakte
• Zell-Zell Kontakte
– Gap junctions (Zell-Zell Kommunikation)
– Tight junctions (Ausbildung des Interspace und
Barriere für Zellmembran Lateraldiffusion)
– Adhesion belt (Cadherine, Microfilamente)
– Desmosomen (Cadherin Familie,
Intermediärfilamente)
• Transiente Zell-Zell Kontakte (Interaktion)
– Endothel-Leukocyten Interaktion (Selektine)
Selbststudium
Zelladhäsionsmoleküle - allgemein
(Cell Adhesion Molecules, CAM´s)
Zell-Zell und Zell-Matrix Kontakte
• Zell-Matrix Kontakte
– Hemidesmosomen (Integrine,
Intermediärfilamente)
– Focal Adhaesion (Integrine,
Microfilamente)
Selbststudium
Extrazelluläre Matrix
• Kollagene:
– Typ I-III, Bindegewebe
– Typ IV, Basalmembran
– Spezifische Kollagene (Linse, Knorpel,
Knochen etc.)
• Hyaluronsäure, Glukosaminoglykane,
Perlecan
• Laminin
• Fibronektin
• Vitronektin
• Elastin
Selbststudium
Fibronektin
... lösliche Multiadhäsionsproteine in der extrazellulären Matrix, die an Integrine
binden und der Anheftung von Zellen an Kollagenfibrillen (Typ I, II, III und V), sowie
Fibrin (Bestandteil der Blutgerinnsel) dienen. Fibronectine sind Dimere; jede Kette
besteht aus etwa 2500 Aminosäuren. Durch alternatives Spleißen existieren viele
Variationen. Fibronectine haben auch eine wichtige Funktion bei der Wanderung
und Differenzierung von Zellen.
Integrin-bindende
RGD-Schleife
....
....
Proteoglykane
... sind stark glykosylierte Proteine mit einem
Polypeptide-Kern, der von zahlreichen
Glykanen umgeben ist. Die Zuckerreste sind
hauptsächlich Glykosaminoglykane (GAG´s)
und Uronsäuren, häufig mit Sulfatresten.
Dadurch entsteht eine stark negative
Ladung und Hydrophilität. Proteoglykane
sind sowohl an Zelloberflächen (z.B.
Syndecan), als auch in der Extrazellulären
Matrix, wo sie z.B. Bestandteil der
Knorpelmasse sind (als Aggrecan).
Proteoglykane in der
extrazellulären Matrix
In Knorpeln oder ähnlichen Strukturen
sind Proteoglykan-Monomere (aus
dem Polypeptidkern und vielen
Oligosaccharidketten) über
Hyaluronsäure (einem langen
Oligosaccharid aus Glucuronsäure
und N-Acetylglykosaminresten)
miteinander vernetzt.
Proteoglykan-Monomer
Hyaluoronsäure
n bis zu 50 000
Proteoglykane an der Zelloberfläche
Bei ZelloberflächenProteoglykanen weist der
Polypeptid-Kern eine
Transmembranregion auf,
sowie eine zytosolische
Domäne, die meist mit dem
Zytoskelett (Aktinfilamenten)
oder Signalmolekülen wie
Protein Kinase C (PKC)
interagieren kann. Der stark
glykosylierte Extrazellulärteil
bindet meist an Komponenten
der extrazellulären Matrix.
Proteoglykane als Bindungsstellen von
Wachstumsfaktoren
Proteoglykane (extrazelluläre
oder membranständige) können
auch meist Wachstumsfaktoren
(wie etwa FGF, fibroblast growth
factor, oder TGFβ, transforming
growth factor-β) binden. Bei
manchen Faktoren ist diese
Bindung nötig, damit der Faktor
auf dem korrespondierenden
Rezeptor ein Signal induzieren
kann („Präsentation des
Wachstumsfaktors“). Außerdem
stellen die gebundenen Faktoren
einen Vorrat an
Wachstumsfaktoren dar, weil sie
in der gebunden Form nicht so
rasch abgebaut werden.
Signale durch Zellkontakte
• Cadherine:
– Entwicklung, Wachstumskontrolle und spezifische
Proteinexpression (Wnt-Pathway)
• Selektine:
– Temporäre Kontakte zwischen Blut- und Endothelzellen
• Integrine:
– „Focal adhesion kinase“ und „Integrin linked kinase“:
Proliferation und Antiapoptose, Anoikis
– Migration: Umschaltung von beta-1 (Matrix-spezifisch) auf
beta-3/5 Integrine (Matrix-unspezifisch)
– Inside-out und Outside-in signaling
Selbststudium
2006 Block 3 Phy 11 & 12
Migration, Apoptose, Nekrose
Objectives I
• Erkläre die Begriffe Apoptose und
Anoikis und beschreibe wichtige
Mechanismen bei diesen Vorgängen
– Erkläre den Unterschied zwischen dem
extrinsischen und dem intrinsischen Weg
der Apoptose
– Beschreibe die Apoptoseauslösung durch
T-Zellen und NK-Zellen
Selbststudium
Objectives II
• Erkläre die Unterschiede zwischen
Apoptose und Nekrose
• Beschreibe die Vorgänge bei der
Zellmigration und auslösende Faktoren
• Benenne Prozesse, bei welchen
Zellmigration von Bedeutung ist
Selbststudium
Apoptose und Nekrose
Apoptose - Anoikis
• Apoptose:
– Liganden oder Cytokin induziert
– induziert durch Zell-Schäden (DNA Schädigung,
Mitochondrien-Schäden)
– Kontaktverlust (Anoikis)
• Anti-Apoptose:
– Apoptose-Inhibitor Proteine (Bcl, A20, IAP)
• Wachtumsfaktoren
• Integrin-Bindung an die geeignete Matrix
• Entzündung (NF kappa B)
Selbststudium
Apoptose
• Extrinsischer Weg: Bindung von “Death
Receptors” (DR) Liganden (TNF
Superfamilie) an DR an der Zellmembran
– “Death Domain” enthaltende Rezeptoren:
TNFR1 (TNF Rezeptor 1); CD95 (Fas);
DR3-DR6
• Apoptose über Aktivierung von Caspasen 8
– Caspase 8 über BID inaktiviert BCL2 und führt
damit zum Cytochrom C „Escape“ aus den
Mitochondrien und Caspase 9 Aktvierung
– Zell “Survival” über NFκB
Selbststudium
Apoptose
• Intrinsischer Weg: „Schädigung der
Mitochondrien“ (BCL2), Freisetzung von
Cytochrom c und Aktivierung von
Caspase 9
– Caspase 9 aktiviert Procaspase 3 und
Caspase 3 führt zum Abbau von
Cytoskelettproteinen und zur Inaktivierung
von ICAD, dem Inhibitor der Caspase
aktivierten DNAse
– CAD führt zum Abbau der DNA
(Nucleosomen-Fragmente)
Selbststudium
Apoptose Signalwege
Extrinsischer Weg: Aktivierung von
Caspase 8 (Initiator Caspase) durch
Liganden von DR wie Fas oder
TNFR1 über Adapter Proteine >
Caspase 3 (Effektor Caspase)
Aktivierung; ICAD Hemmung
> CAD-Aktivierung
Intrinsischer Pathway:
Permeabilisierung der Mitochondrienmembran > Freisetzung von
Cytochrom C > Caspase 9 Aktiverung
über APAF (apoptotic protease
activating factor) > Caspase 3
Aktivierung; ICAD Aktivierung
Survival Pathways: Akt über BADBCL2 und Caspase9 Inaktivierung;
Caspase-Hemmung über IAPs
(Inhibitors of Apoptosis, nicht
abgebildet).
Perforin/Granzym induzierter Zelltod durch
zytotoxische T Zellen und NK Zellen
Migration
• Chemotaktische Faktoren (bakterielle formyl-Peptide,
Chemokine, Wachstumsfaktoren)
• Leading edge: Integrine – Focal Adhesions,
Proteolytische Aktivität (Plasminogenaktivatoren,
Matrix-Metalloproteasen, Inhibitoren)
• Tailing edge: Lösen der Integrinkontake, Aufnahme in
Endosomen und Recycling
• Bildung und Lösung von polymerem Aktin
• Chemokinese (Veränderung der Aktivität in
Abhängigkeit einer Substanz) vs. Chemotaxis
(Bewegung in Richtung eines
Konzentrationsgradienten einer Substanz)
Zellbewegung
Myosin II-Band
Aktin-Front (enthält
auch Myosin I)
Verschiedene Signalwege beeinflussen
das Aktin-System
Kommunikation über Adhäsionsmoleküle
Beispiel: Leukozytenbindung und Transmigration
P-Selectin auf der Endothelzell-Membran, das durch die Aktivierung der Endothelzellen (EC) exprimiert
wurde, bindet an Glykane an der Oberfläche von Leukozyten und es kommt zur losen Assoziation
(„leukocyte rolling“), die Bindung wird durch PAF (platelet activating factor – auf EC) und PAF-Rezeptor
(auf den Leukozyten) verstärkt und durch Interaktion von Integrinen der Leukozyten mit ICAM-1 auf den
EC kommt es zur festen Bindung, sowie zur Transmigration
Kommunikation durch Chemotaxis
Bakterielle Moleküle (wie z.B. bestimmte Peptide: formyl-Met-Leu-Phe)
wirken als chemische Lockstoffe für Leukozyten, binden an spezifische
Rezeptoren und induzieren eine gerichtete Zellbewegung (über
Lamellipodien und Aktinfilamente) in Richtung des chemischen
Gradienten.
Pipette mit Chemoattractant
neutrophiler Granulozyt
Bakterien
neutrophiler Granulozyt
2006 Block 3 Phy 13
Lipidmediatoren, Gase,
Peptide und biogene Amine,
freie Radikale
Objectives I
• Benenne unterschiedliche Gruppen von
lokalen Mediatoren
• Erkläre die Entstehung von Lipidmediatoren
und deren Wirkungen
– Benenne Endprodukte des CyclooxygenaseWeges
– Benenne Endprodukte des Lipooxygenase-Weges
– Erkläre die Wirkung des Aspirins
Selbststudium
Objectives II
• Erkläre die Entstehung und Wirkung von Gasen als
Mediatoren
– Beschreibe die Bedeutung von NO für die
Durchblutungsregulation
– Beschreibe die Bedeutung von NO für die gastrointestinale
Regulation
– Beschreibe die Bedeutung von NO für die Sexualfunktion
• Benenne typische lokale Peptidmediatoren und
biogene Amine sowie deren Generierung und
Wirkungen
– Erkläre die Herkunft und Bedeutung von Histamin
• Erkläre die Entstehung und Wirkungen von freien
Radikalen
Selbststudium
Lipidmediatoren
•
Arachidonsäure und EPEA (Eicosapentaenoic Acid) Metabolite
– Cyclooxigenase (COX1 und COX2): katalysiert die Synthese von
Prostaglandinen durch Ringschluss von Arachidonsäure (über
Zwischenstufen)
• Prostaglandine (E2, I2, F2α)
• Thromboxane (TxA2)
– Lipoxigenase (LOX) katalysiert die Synthese von:
• Leukotriene (LTA4, LTB4)
– Others (Epoxigenase, P450)
– Omega 3 vs Omega 6 Fettsäure
(die Zahl bezieht sich auf die Position der Doppelbindung vom
Ende des Moleküls aus gezählt) > Omega 3-FS: z.B.
Eicosapentaensäure: Vorstufen von Eicosanoiden;
Omega-6-FS, z.B. Arachidonsäure > Prostaglandine
•
Phospholipidmetabolite
– PAF (Platelet Activating Factor), LPA (Lyso-Phosphatidylic Acid),
lyso-PC (Lyso-Phosphatidylcholin)
Selbststudium
Eicosapentaensäure und Arachidonsäure
EPEA (Eicosapentaenoic Acid):
Arachidonsäure:
J. Schmid
Synthese von Eicosanoiden
Glucocorticoide induzieren
Lipocortin, das die PLA2
(Phospholipase A2) hemmt
Æ Antiinflammatorische
Wirkung der
Glucocorticoide
Acetylsalicylsäure
(Aspirin) hemmt die
Cyclooxigenase Æ
Hemmung der
Prostaglandin und
Thromboxansynthese
COX-1 konstitutiv vorhanden
COX-2 bei Entzündung
induziert
NSAID (Non-steroidal antiinflammatory drugs, z.B. ASA, acetylsalicylic acid = Aspirin) hemmen COX-1
und COX-2; spezifische COX-2
Inhibitoren (Coxibs)
Biologische Aktivität von Eikosanoiden
Bindung an spezifische G-protein gekoppelte Rezeptoren
PGE2:
(Prostaglandin E2): Epithelien, Fibroblasten, Makrophagen
Muskeltonus (Relaxation), Hemmung von Entzündungszellen, Wundheilung
Hemmt Säuresekretion im Magen, Aktivierung der Nebenzellen zur
Sekretion eines Bicarbonat-reichen Sekretes, Wirkung im
Zentralnervensystem: Fieber, Schlaf, Hemmung des Hungerzentrums
PGF2a:
Viele Zellen
Kontraktion der glatten Muskulatur, Stimulation der Uteruskontraktion
PGI2 (Prostazyklin): Endothelzellen
hemmt Plättchenaggregation (cAMP), relaxiert glatte Muskulatur
Entstehung bei Entzündung
Thromboxan A2: in Plättchen gebildet
Kontraktion der glatten Muskulatur (Ca++), Plättchenaggregation,
Leukotriene: steigern Durchlässigkeit der Gefäße, Kontraktion der glatten Muskulatur,
Bronchien, Coronargefäße, aktivieren Granulozyten
Selbststudium
Gasförmige Mediatoren
• NO
– versch. NOS (NO Synthase) Formen:
eNOS, nNOS, iNOS
– NO Wirkungen: Aktivierung der cytosolischen
Guanylatcyclase (ein Häm-Enzym)
• CO
– CO Bildung, beim Hämabbau über Hämoxigenase
(HO-1, induziert; HO-2, konstitutiv)
– CO Wirkungen, ähnlich dem NO (Aktivierung der
Guanylatcyclase), aber stabiler als NO daher
längere Wirkung
Selbststudium
Signalübertragung
durch NO
NO relaxiert glatte
Muskulatur
Scherkräfte (shear stress) des Blutstroms
(oder verschiedene Botenstoffe) aktivieren
über unterschiedliche Signalwege (unter
Beteiligung von Calcium) in den
Endothelzellen das Enzym eNOS
(endotheliale NO Synthase). Das dadurch
gebildete NO aktiviert in den angrenzenden
Zellen der glatten Muskulatur das Enzym
Guanylatzyklase (GC). Dies führt zur
Relaxation (>Gefäßerweiterung) über
zyklisches Guanosin-Monophosphat (cGMP).
Gleichzeitig werden Apoptose-induzierende
Enzyme (Caspasen) gehemmt. nNOS
(neuronale NO Synthase) wird in neuronalen
Geweben durch Ca++ Signale induziert und
bewirkt die lokale Durchblutungssteigerung
in aktiven Hirnarealen. nNOS bewirkt auch
die Gefäßerweiterung im
Schwellkörpergewebe. Das relaxierende
cGMP wird durch Phosphodiesterasen
wieder gespalten (inaktiviert). Deshalb
bewirken spezifische Inhibitoren der cGMP
Phosphodiesterase eine
Erektionsverstärkung (Viagra).
Im Intestinaltrakt ist NO für die Regulation
der Darmperistaltik wichtig.
Bildung von NO durch unterschiedliche NO - Synthasen
(NOS)
eNOS - endotheliale NOS
- hält einen relaxierten Zustand der
Blutgefäße aufrecht
- hemmt Thrombozyten und Leukozyten
Adhäsion ans Endothel
- unterdrückt die Proliferation von glatten
Muskelzellen der Blutgefäße
nNOS -neuronale NOS
Regulation der Muskelkontraktion (Blase,
Sphinkter Relaxation), vielfältige
Funktionen
iNOS - induzierbare NOS
Abwehr von Protozoa, Bakterien, Pilzen,
Viren
Erhöhte Spiegel im septischen Schock,
Entzündung, Arthritis, Asthma, GehirnTraumen
Selbststudium
CO-Entstehung aus Häm
Häm-Oxygenase
Biliverdin Reductase
Fe2+
Häm
Biliverdin
Bilirubin
+
+
CO
Guanylatcyclase
2nd messenger
MAP-Kinases
GTP
cGMP
2nd messenger
Ähnliche
Effekte wie NO
Peptide und biogene Amine
•
Peptide:
– Substanz P: Schmerz, Axonreflex
– VIP (Vasoactive Intestinal Peptide): Durchblutungsregulation und
Cl-Sekretion besonders im Darm
– Somatostatin: Genereller Inhibitor (Endokrine Zellen z.B. Insulin,
Wachstumshormon; Gastrointestinale Hormone: Gastrin)
– Calcitonin: hemmender Neurotransmitter, Hemmung auch im
Gastrointestinaltrakt
– Viele Neurotransmitter (z.B. NPY, Neuropeptide Y)
•
Biogene Amine
– Histamin, Mastzellen, Allergische Reaktion (H1-Rezeptoren),
Stimulierung der Säuresekretion (H2-Rezeptoren),
Neurotransmitter
– Serotonin, Neurtransmitter, Thrombocytengranula
Selbststudium
Mastzelle
Freisetzung von:
Präformierten
Mediatoren:
Histamin, Heparin
(Polysaccharid aus
Glukosaminen und
Glukuronsäuren),
Proteolytischen
Enzymen,
chemotaktische
Faktoren etc.
Neugebildete
Mediatoren:
Leukotriene oder
Prostaglandine,
PAF (platelet
activating factor)
Aminosäure
Histidin
Histamin
Entstehung von Freien Radikalen
Radikal: ungepaartes Elektron in der Außenhülle:
z.B. ● OH oder ● O2Reactive Oxygen Species (ROS):
• entstehen bei vielen Enzymreaktionen wo Redox Reaktionen
involviert sind:
• in der Atmungskette
• bei Entzündungen
Wesentlicher Mechanismus bei Abwehr gegen Bakterien (host
defense).
Entstehung bei der Wiederversorgung hypoxischer Gewebe mit
Sauerstoff (Reperfusion)
Beteiligte Enzyme:
NADPH-oxidase
Myeloperoxidase
Xanthin-oxidase
Selbststudium
„Host defense“ durch Bildung von
ROS (Reactive Oxygen Species )