STOFFWECHSEL-REGULATION Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie
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genetische Ebene : Expression ja oder nein
TEIL 5: Stoffwechselregulation Hormone – Endokrinologie Enzymregulation Beispiel: Stoffwechselvorgänge in der Leber Immunologie
Kompartimentierung Energiehaushalt : Beispiel Glykolyse Hormone Enzyme Signalvermittlung
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Biochemie für LW
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Unit 5
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Erika Staudacher
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HORMONE - ENDOKRINOLOGIE Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie
Analyse der Wirkungsweise: - Beobachtung der Veränderung bei Zufuhr großer Mengen - Beobachtung der Veränderung nach Entfernen der hormonproduzierenden Drüse
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Unit 5
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Pankreashormone: Glukagon, Insulin, Somatostatin Insulin:
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- erhöht Zellpermeabilität: erhöhte Aufnahme von Monosacchariden - Induktor von Schlüsselenzymen der Glykolyse und - Vermehrte Bildung von Fettsäuren - Stimulierung der Aminosäurenaufnahme
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Schilddrüsenhormon: Wirkung stark dosisabhängig - Steigerung der Proteinbiosynthese in Leber, Muskel, Gehirn,.. - erhöhter Energieverbrauch (ATP), - Einfluss auf Wachstum und Teilung von Zellen ABER wenn zu viel: herabgesetzte Glukosetoleranz, zu schneller Insulinabbau, bei Amphibien: beschleunigte Metamorphose (Kaulquappe - Frosch)
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Unit 5
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Hormone der Nebennierenrinde: Glucocorticoide: - hauptsächlich Kohlenhydrathaushalt Mineralocorticoide: - hauptsächlich Kalium-Natrium-Haushalt
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Hypothalamus, Hypophysenvorderlappen, Nebennierenrinde, Testes, Ovar: Sexualhormone: - Wachstum und Entwicklung der Fortpflanzungsorgane - Ausbildung der sekundären Geschlechtsmerkmale - monatlicher Zyklus - Ablauf einer Schwangerschaft - Laktation, Auslösung von Brutinstinkten
Somatostatin - Wachstumshormon mit hoher Artspezifität Biochemie für LW
Unit 5
Hypophysenvorderlappen, Plazenta: Adrenocorticotropes Hormon: - kontrolliert Bildung und Ausschüttung der Nebennierenrindenhomone
Glukagon: - wirkt wie Adrenalin aber selektiv auf die Leber, es kommt zu Aktivitätssteigerung von Leberenzymen - unterstützt Proteinabbau, es kommt zu vermehrter Harnsäure bzw. Harnstoffproduktion - Freisetzung von nichtveresterten Fettsäuren ins Blut
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Hormone des Nebennierenmarks: Adrenalin, Noradrenalin - chemische Erregungsübertragung zwischen 2 Nervenzellen - Herztätigkeit (Frequenz, Schlagvolumen) - Erhöhung der Glukosekonzentration
ACHTUNG: auch gegenseitige Beeinflussung ! Biochemie für LW
Biochemie für LW
Beispiele:
Hormone sind Regulationsstoffe, die vom Organismus selbst (oft in anatomisch abgegrenzten "endokrinen Organen") produziert werden. Sie erreichen auf dem Blutweg ein oder mehrere Erfolgsorgane und beeinflussen deren Stoffwechsel charakteristisch. Für die Wirkung sind meist nur sehr geringe Konzentrationen notwendig (Mikrogrammbereich !).
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Melanozyten stimulierendes Hormon - ermöglicht Kaltblütern das Verändern der Hautfarbe Melatonin - bei Kaltblütern der Antagonist zum Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Vorangegangenen - bei Warmblütern Einfluss auf Gonaden junger Tiere - ???? große Zahl von Thymushormonen - regulieren Geschwindigkeit von Wachstum und Entwicklung Serotonin - wirkt auf glatte Muskulatur der Gefäße, des Respirationsund Gastrointestinaltraktes, - Neurotransmitter Histamin: Bestandteil von Bienengift, Speichel stechender Insekten, Brennessel, ... - unterschiedliche Einflüsse auf glatte Muskulatur je nach Organ Erythropoetin - Steigerung der Hämsynthese im Knochenmark Prostaglandine - Einfluss auf viele andere Hormone, weit verbreitet, hohe Wirksamkeit Biochemie für LW
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Pflanzliche Hormone (Wuchsstoffe) für Bodenkultur Wien AUXINE, Indolessigsäure (merismatische Gewebe, Samen): Universität Department für Chemie Längenwachstum, apikale Dominanz, hemmen Nebentriebe, Differenzierung der Gewebe; GIBBERELLINE (Wurzeln, Samen): Regulation von Blühen und Fruchten, beenden Ruhephasen, Längenwachstum des Sprosses; CYTOKININE (Wurzelspitzen, Adeninderivate):Gewebedifferenzierung, Blattwachstum, Zellteilung; ABSCISINSÄURE (Blätter): Antagonist der Auxine, Gibberelline und Kinine, hemmt Keimung von Samen und Wachstum der Triebe, fördert Blatt- und Fruchtfall, Winterruhe der Knospen; ETHYLEN (alle Zellen, gasförmig): Regulation der Fruchtreife; SYSTEMIN (höhere Pflanzen. Polypeptidhormon aus 18 Aminosäuren):wird bei Verletzungen freigesetzt, aktiviert pflanzliches Abwehrsystem.
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genet. Ebene reversible chemische Modifikationen irreversible chemische Modifikationen
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Proteinsynthese in den Geweben
Pyruvat
Glucose
Leber- und Plasmaproteine
NH3
Substratkonzentration (Metabolit) Enzymkonkurrenz Unit 5
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Tricarbonsäurecyclus, Elektronentransport
Porphyrine
Coenzymkonzentration
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Lipidabbau in der Leber
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Harnstoff
ATP
CO2 + H2O 9
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Harnstoffcyclus
Acety-CoA
sein - Kaskade)
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Gluconeogenese
Transaminierung, Oxidation
Allosterie Inhibition positive oder negative Rückkoppelung (muß nicht direktes Produkt
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Glucose-Abbau in der Leber Lipide
Glucose-6-phosphat
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Glucose-6-phosphatase
Fettsäuren
Blutzucker
Glykolyse
Pyruvat
Lipide, Steroide
Acetyl-CoA
Transport in andere Gewebe zur Oxidation
Tricarbonsäurecyclus, Elektronentransport
Transport zu anderen Geweben zur Oxidation
Transport in andere Gewebe
Glykogen
Acetyl-CoA
Tricarbonsäurecyclus, Elektronentransport
Fettsäuren CO2 + H2O
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NADPH zur Fettsäure- und Steroidsynthese
Oxidation
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Aminosäuren
Transport im Blut
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Plasmalipide und Lipoproteine zum Transport in andere Gewebe
Unit 5
Aminosäureabbau in der Leber
ENZYMREGULATION
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Unit 5
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Lipide, Lipoproteine
ATP 11
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CO2 + H2O Biochemie für LW
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ATP I
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ABLAUF:
IMMUNOLOGIE
* Kontakt mit Mikroorganismus
Definition: ??
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„Befasst sich mit der körpereigenen Abwehr von Infektionen.“ „Aufgabe: Wirbeltiere vor Infektionen zu schützen.“ „Verantwortlich für die Unterscheidung eigen-fremd.“ „Proteinerkennung und spezifische, schnelle Reaktion darauf.“ „Charakterisiert durch Spezifität, Toleranz, Gedächtnis.“
* (eventuell Transport zum Zielorgan mit Blut oder Lymphe) * Kolonisierung / Wachstum: es bildet sich ein Infektionsherd symptomlos (eventuell später !) Schädigung des Wirts (meist durch Toxine),
jeder Organismus bevorzugt andere Stelle Biochemie für LW
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* Eindringen = Invasion (verletzte Stelle, durch Medikamente geschwächte Schleimhaut, Bakterielle Enzyme helfen beim Eindringen: Hyaluronidase, Kollagenase, fibrinolytische Enzyme)
Mikroorganismen finden im tierischen Körper verschiedene Bedingungen: trocken - feucht (Haut - Mundhöhle) aerob - anaerob (Lunge - Darm) pH-Wert Nährstoffangebot
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* Anheftung an Haut oder Schleimhaut (wirtsspezifisch, gewebespezifisch, über Rezeptoren)
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TOXINE: Universität für Bodenkultur Wien
Department für Chemie - Exotoxine: sind Proteine ° greifen Zellbausteine enzymatisch (z.B. Lecithinasen, Phosphatasen) an, es kommt zur Lyse der Zelle ° Stimulation einer überschießenden Immunantwort, es kommt zu systemischen Entzündungen ° Untereinheit des Toxins dringt in die Zelle und unterbricht die Proteinbiosynthese, ° Enterotoxine = Exotoxine im Dünndarm: führen zu starker Flüssigkeitsabsonderung (z.B. Cholera)
- Endotoxine: sind Lipopolysaccharide ° beeinflussen das Wärmezentrum (z.B. Salmonellen) ° generalisierte Entzündungen 04.05.2012
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Infektionsanfälligkeit abhängig von - Tierart - genetischer Disposition des Individuums - Alter (sehr junge und sehr alte Individuen sind empfindlicher) - Stress - Ernährungszustand (Mangel, aber auch zu viel - Darmflora)
Fieber !
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Tierarten gegenüber bestimmten Infektionen sehr Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie unterschiedlich empfindlich ! (z.B. Milzbrand Mensch: einige Pusteln, Rind: tödliche Blutvergiftung)
Gegenmassnahmen des Organismus
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Spezifische Immunantwort charakterisiert durch: Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie
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* MECHANISCH: z.B. Schleimhautabsonderung,
SPEZIFITÄT: Ein Antikörper reagiert nur mit einem einzigen Antigen.
* ENZYMATISCH: Enzyme in Körperflüssigkeiten, die Bakterien abtöten,
GEDÄCHTNIS: jeder weitere Kontakt mit dem Antigen löst eine schnellere Reaktion aus und erzeugt eine größere Menge an spezifischen Antikörpern.
* UNSPEZIFISCHE IMMUNANTWORT: Phagocyten zerstören eingedrungene Zellen (über Bildung von Sauerstoffradikale)
TOLERANZ: Zellen, die Antikörper gegen körpereigene Proteine produzieren werden während der Embryonalentwicklung vernichtet. pathogenspezifisches Abwehrsystem körpereigene Antigene werden toleriert, fremde Antigene werden zerstört
* SPEZIFISCHE IMMUNANTWORT: Bildung von Antikörpern 04.05.2012
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Entwicklung der wesentlichen an der Immunantwort beteiligten Zellen Stammzelle des Knochenmarks
Zellvermittelte Immunität: - cytotoxische T-Zellen: reagieren direkt mit Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Antigen-tragenden Zellen, - T-Helferzellen: sezernieren Cytokine, die Effektorzellen aktivieren, welche dann die Antigen-tragenden Zellen zerstören;
Myeloide Vorläuferzelle
Monocyten Polymorphkernige Mastzelle Leukocyten
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Angeborenes Immunsystem: - Makrophagen: umschließen eingedrungene Erreger und verdauen sie. - Mastzellen: setzen entzündungsfördernde Universität für Bodenkultur Wien Substanzen frei (z.B. Histamine) Department für Chemie - Granulocyten (Neutrophile, Eosinophile, Basophile) setzen sowohl entzündungsfördernde Substanzen frei, können auch wie Makrophagen wirken. - Dendritische Zellen: präsentieren den Zellen des adaptiven Systems Antigene und regen diese an. - Natürliche Killerzellen: zerstören befallene und entartete körpereigene Zellen. Adaptives Immunsystem: - B-Zellen: werden durch körperfremde Substanzen (Antigene) zur Antikörperproduktion angeregt. - T-Zellen: Killer-T-Lymphozyten zerstören Zellen, die ein von ihnen erkanntes Antigen tragen. Helfer- und regulatorische T-Lymphozyten koordinieren die Immunreaktion. 04.05.2012
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Reifung im Knochenmark
Y Y
Makrophagen
Plasmazellen
Antikörper Biochemie für LW
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B-Zellen
T-Zellen
Y Y
Alle an der Immunantwort beteiligten Zellen befinden sich hauptsächlich im Blut oder der Lymphflüssigkeit. Biochemie für LW
Lymphoide Vorläuferzelle Reifung im Thymus
Humorale Immunität: - B-Lymphocyten produzieren Immunglobuline oder Antikörper. Diese kommen an der Oberfläche der B-Lymphocyten oder als lösliche Proteine im Serum und anderen Körpersekreten vor und können die Antigene neutralisieren oder zerstören.
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Blutplättchen
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Gedächtniszellen
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Menschliche Immunglobuline Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie
Eigenschaften
Vorkommen extrazelluläre Flüssigkeit: Blut, Lymphe
IgA
wichtigster zirkulierender Antikörper, aktiviert Komplementsystem erster Antikörper der erscheint, aktiviert Komplementsystem wichtigster Antikörper des Serums,
IgD
zirkulierend, geringe Bedeutung
Blut, Lymphe, Oberfläche von B-Zellen
IgE
an allergischen Reaktionen Blut, Lymphe, bindet an die beteiligt Oberfläche von Mastzellen
IgG IgM
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Blut, Lymphe, Monomer auf der Oberfläche von BZellen Speichel, Kolostrum, Intestinaltrakt
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Immunglobulin G MHC-Proteine: (Produkte der Gene des Haupthistokompatibilitätskomplexes) Universität für Bodenkultur Wien Department für Chemie Bringen Antigenpeptide an die Oberfläche von Zielzellen oder antigen-präsentierenden Zellen, von wo aus diese Peptide mit den T-Zell-Rezeptoren auf T-Zellen in Wechselwirkung treten können.
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Molekulargewicht: ~ 150 000 Da 4 Polypeptidketten verbunden über Disulfidbrücken
Komplementsystem: Besteht aus verschiedenen Proteinen, von denen einige enzymatische Aktivität besitzen; Reagieren mit Antigen/Antikörper-Komplexen, schädigen die Zellmembran oder lysieren Bakterienzellen. Vorteil: Körper muß nicht für jedes Antigen eigenes System zur Zerstörung aufbauen.
Leichte Ketten: 1 konstante, 1 variable Domäne, Schwere Ketten: 3 konstante, 1 variable Domäne 04.05.2012
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Immunisierung
Fehlfunktionen Universität für Bodenkultur Wien
Immunsystem (zu) schwach:
Department für Chemie Infektion - natürliche aktive Immunität Injektion des Antigens (Impfung) - künstliche aktive Immunität Injektion von Antiserum - künstliche passive Immunität Mütterliche Antikörper im Blut von Säuglingen - natürliche passive Immunität
aktiv
passiv
Kontakt mit Antigen
ja
nein
Aktivierung des Immunsystems
ja
nein
Immunantwort wird aufrecht erhalten (Gedächtnis)
ja
nein
einige Wochen
sofort
Zeit bis zur vollen Immunität 04.05.2012
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- erblich bedingt - Erstinfektion - Ernährungszustand
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Department für Chemie - Lebensalter - Mehrfachinfektion - Einfluss von Medikamenten
Überschießende Reaktion des Immunsystems: - Allergie (IgE) Pollen, Insektengifte, Lebensmittel, Pilzsporen, Hausstaubmilben, Penicillin, Tierhaare, .... - Autoimmunerkrankungen juveniler Diabetes (>< Langerhanssche Inseln) rheumatoide Arthritis ( >< Knorpel) systemischer Lupus erythematodes ( >< verschiedene Zellbestandteile) multiple Sklerose ( >< Zentralnervensystem) 04.05.2012
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Neu im Jahr 2010 Neutrophile Granulocyten: Lebensdauer: 6 Stunden, am Ende formen sie ein Netz aus DNA und toxischen Proteinen um Bakterien zu bekämpfen. J. Cell. Biol 191, 677-691 (2010)
Bakterielles “Immunsystem”: DNA-Sequenzen aus früheren Infektionen kodieren für crRNA. Diese Fragmente bilden Komplexe mit spaltenden Enzymen. Nature 468, 67-71 (2010)
Infektionen
4 May 2012
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