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Biologie für Mediziner - Willkommen · Aufbau, Energiegewinnung, Stoffwechsel. Geschichte der...

Date post: 18-Sep-2018
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Biologie für Mediziner - Zellbiologie 1 - Dr. Martin Kahms Institut für Medizinische Physik und Biophysik/ CeNTech Gievenbecker Weg 11 Tel. 0251-836 3827 [email protected] Prof. Dr. Reiner Peters Institut für Medizinische Physik und Biophysik/ CeNTech Robert-Koch-Strasse 31 Tel. 0251-835 6933 [email protected]
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Biologie für Mediziner

- Zellbiologie 1 -

Dr. Martin KahmsInstitut für Medizinische Physik und Biophysik/

CeNTechGievenbecker Weg 11

Tel. 0251-836 [email protected]

Prof. Dr. Reiner PetersInstitut für Medizinische Physik und Biophysik/

CeNTechRobert-Koch-Strasse 31

Tel. 0251-835 [email protected]

Vorlesung „Biologie für Mediziner“

1) Zellbiologie

2) Humangenetik

3) Mikrobiologie

SS 06, Mo- Do 11.15 -12.00 h

Vorlesungsplan

10.07 – 12.07Mikrobiologie 3Karch

04.07 - 06-07Mikrobiologie 2von Eiff/ Fegeler

22.06 - 29.06Mikrobiologie 1Schmidt

17.05 - 21.06HumangenetikHorst

11.05 -16.05Genomevolution/EvolutionsmedizinBrosius

02.05 - 10.05Zellbiologie 3Vestweber

20.04 - 27.04Zellbiologie 2Gerke

11.04 -19.04Zellbiologie 1Kahms/ Wesselmann

Literatur

Biologie für Medizinerund Naturwissenschaftler

Monica Hirsch-KauffmannManfred Schweiger

Thieme Verlag

Literatur

Biologie Lehrbuch der allgemeinenBiologie für Mediziner undNaturwissenschaftler

Koecke, Emschermann, Härle

Schattauer Verlag

and advanced…

Molekulare Zellbiologie

Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore, Darnell

Spektrum Verlag

Sonstige Veranstaltungen

1) Praktikum Gruppeneinteilung und Termine sind bekannt

2) KlausurDo. 13.07 11.15 – 12.00 Hörsaal Anatomie

Zellbiologie I

1) Einführung Ursprung des Lebens, Visualisierung von Zellen

2) Molekulare Bausteine der Zelle Proteine, Lipide, Nukleinsäuren

3) Biologische Membranen Aufbau, Funktion, Endo/ Exocytose

4) Zellkern Struktur, Chromatin, Replikation, Transkription

5) Endoplasmatisches Retikulum und Golgi-Apparat Struktur, Proteinsynthese, Proteintransport

6) Mitochondrien Aufbau, Energiegewinnung, Stoffwechsel

Geschichte der Zellbiologie

1590 Johannes und Zacharias Janssen: Erfindung des Mikroskops

1665 Robert Hooke prägte den Begriff Zelle (cellula, Kämmerchen), entdeckt im Gewebe des Flaschenkorks

1674-1700 Anton van Leeuwenhoek entdeckt mit selbstgebautem Mikroskop Mund- und Darmbakterien, parasitäre Einzellerund rote Blutkörperchen mit Kern

1838/1839 Matthias Jacob Schleiden: alle Pflanzen bestehen aus Zellen; Theodor Schwann erweitert noch im selben Jahr die Aussage auf Tiere.

1849 Wilhelm Hofmeister: Mitose bei Pflanzen1855 Rudolph Virchow: „Omnis cellula e cellula“; Zellen

entstehen nur aus bereits vorhandenen Zellen

Geschichte der Zellbiologie

1860 Louis Pasteur und andere widerlegen die Theorie, dass Zellen spontan aus toter organischer Materie (generatio spontanea) entstehen können

1876 Oskar Hertwig: Befruchtung eines Seeigeleis unter dem Mikroskop beobachtet

1931 Ernst Ruska: Bau des ersten Elektronenmikroskops1953 Watson/ Crick: Modell der DNA-Doppelhelix1972 Singer/Nicholson: „fluid mosaic model“ der Zellmembran1977 Woese: Sonderstellung der Archaebakterien

Rudolph Virchow

Krankheiten basieren auf Störungen der Körperzellen

Präbiotische Entstehung organischer Moleküle

Gasgemisch CO, CH4, NH3, SO2elektrische Entladung

Entstehung einfacher organischer Verbindungen

z.B.Glycin, Alanin, Milchsäure, Harnstoff

Die frühe RNA-Welt

Hypothese Gilbert:

RNA-Moleküle katalysieren eigene ReplikationEntstehung selbstreplizierender Syteme

RNA-Moleküle entwickeln Repertoire eigener enzymatischer Aktivitäten

wichtige Entdeckung: RNA-Moleküle können als Enzyme wirken (Ribozyme)

RNA-Moleküle synthetisieren Proteinesetzen sich durch, da 20 AS vielseitiger sind als 4 Basen

Reverse Transkription: Bildung von DNAersetzt RNA als genetisches Material (stabiler und zuverlässigerer Speicher)

Prokaryonten (gr. Vorkernige)

Eukaryoten (gr. Echtkernige)

Prokaryoten vs. Eukaryoten

• keine Organellen

• keine Kompartimentierung durch Membranen

• Größe ~ 1 µm

• DNA: circulär

• 1 Chromosom; evtl. Plasmide

• Reproduktion: nicht mitotisch

• Organellen: Zellkern, Mitochondrien, Golgi-Apparat etc.

• Kompartimentierung: Kernhülle, Vakuolen, Membranvesikel etc.

• Größe ~ 20 µm

• DNA im Zellkern, Histone

• meist mehrere Chromosomen

• Reproduktion: mitotisch

Prokaryoten Eukaryoten

Stammbaum des Lebens

Sequenzanalyse ribosomaler RNA ergab weitereUnterscheidung von Prokaryoten in

ArchaebakterienEubakterien

Endosymbiontenhypothese

Mitochondrien

- eigene DNA- RNA Synthese

Prokaryotischen Ursprungs?

Vielfalt der Zellen

Epithelzellenglatte Muskulatur

Nervenzelle

Haarzellen im OhrErythrozyt

Von der Zelle zum Organismushierarchischer Aufbau

Organismus

Organ

Gewebe

Zelle

Organellen

Molekülaggregate

Makromoleküle

Dimensionen

Strukturuntersuchungen:• >100 µM Auge• >250 nm Lichtmikroskopie• >0.5 nm Elektronenmikroskopie• <0.5 nm Röntgenstrukturanalyse

Lichtmikroskopie

Auflösung der Lichtmikroskopie

Rayleigh Kriterium

zwei Punkte sind nurunterscheidbar, wenn für ihren Abstand gilt:

αλ

sin**61.0

nd =

n = Brechungsindex (Luft, Wasser, Öl)

Bsp: λ = 500 nmn*sinα =1.2

d ~250 nm

numerische Apertur(Kenngröße eines Objektivs)

NA= n*sinα

Fluoreszenzfarbstoffe

Fluoreszenzfarbstoffe nehmen Licht einer bestimmten Wellenlänge auf und geben Licht einer höheren Wellenlänge wieder ab

Anfärbung und Visualisierung spezifischer Zellstrukturen oder Proteine möglich über

- Farbstoffe, die von selbst in Membranen, DNA…insertieren- Antikörper, die gegen Strukturen gerichtet sind, und mit einem zweiten Farbstoff-markierten Antikörper detektiert werden

Fluoreszenzmikroskopie

Mikrotubuli

EndothelzellenFärbung von Mikrotubuli

Mikrotubuli- röhrenförmige Proteinfilamente - Bestandteil des Cytoskeletts- mechanische Stabilisierung der Zelle und ihrer äußeren Form - aktive Bewegungen der Zelle als Ganzes - Bewegungen und Transporte innerhalb der Zelle.

Aktinfilamente

EndothelzellenFärbung von Aktinfilamenten(grün)Färbung des Zellkerns(blau)

Aktinfilamente-Bestandteil des Zytoskeletts-Stabilisierung der äußeren Zellform-intrazellulären Transporten -zentraler Bestandteil des Kontraktionsapparats der Muskeln

Mitochondrien

EndothelzellenFärbung der Mitochondrien(rot)Färbung der Aktinfilamente(grün)Färbung des Zellkerns(blau)

Mitochondrien- von einer Doppelmembran umschlossenes Organell- „Kraftwerk“ der eukaryotischen Zelle- Hauptfunktion: Herstellung von ATP unter Sauerstoff-Verbrauch - Größe beträgt etwa 0,5 bis 10 µm

Lysosomen und Golgi-Apparat

NierenzellenFärbung von Lysosomen(rot)Färbung des Zellkerns(blau)Färbung des Golgi-Apparates(grün)

Lysosomen-winzige (0,1-1µm), von einer Membran umschlossene Zellorganellen (Vesikel)

-vom Golgi-Apparat gebildet -enthalten hydrolytische Enzyme und Phosphatasen-Funktion: Verdau aufgenommener Fremdstoffe

Golgi-Apparat-durch Membranen begrenzte Hohlräume-Abschnürung von Transportvesikeln-chemische Modifizierung von Proteinen

Endoplasmatisches Retikulum

EndothelzellenFärbung des EndoplasmatischenRetikulums

Endoplasmatisches Retikulum-weit verzweigten Membran-Netzwerk aus Röhren und Zisternen -ER -Membran geht direkt in die Kernhülle des Zellkerns über-Ort der Proteinsynthese, Proteinfaltung, -posttranslationale Modifikationen von Proteinen-Proteintransport-Unterscheidung in rauhes und glattes ER

Elektronenmikroskopie

Auflösung eines Mikroskopsist physikalisch durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung limitiert

schnelle Elektronen haben einesehr viel kleinere Wellenlängeals sichtbares Licht

höhere Auflösung im Elektronenmikroskop

Transmissionselektronenmikroskop

Licht- vs. Elektronenmikroskopie

Erythrocyten

Lichtmikroskopie Elektronenmikroskopie

Elektronenmikroskopie

EM-Aufnahme eines Fibroblasten (Bindegewebszelle)

Elektronenmikroskopie

Nachteile Elektronenmikroskopie

1. Messung im Vakuum2. präparative Massnahmen (Einfrieren, Einbetten,

Fixieren…) können zu Artefakten führen3. keine Beobachtung von lebenden Zellen


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