Fakultät MathNat Fachrichtung Biologie, Professur für Moleklulare Zellphysiologie und Endokrinologie, Prof. Dr. Günter Vollmer
Dresden, den 13.10.15
Tierphysiologie und (Molekulare) Zellphysiologie
Günter Vollmer
Mol. Zellphysiologie & EndokrinologieTechnische Universität Dresden01062 DresdenPhone: +49-351-463 31922Fax: +49-351-463 31923E-mail: [email protected]
Inhalt der 1. Doppelstunde
Vorstellung der Professur
Einführende Bemerkungen zur (Tier)physiologie
Zell- und Organverbände
Grundlagen zellulärer Mechanismen der Kommunikation
Lehrveranstaltungen
Veranstaltung Name V/ S/Ü/ P SWS/ LP
Bachelor Biologie
BIO-BA 3300 Zellbiologie und Tierphysiologie 1 5/0/3/0 8/11
BIO-BA 62200 Zellkulturtechniken 0/1/0/4 5/5
BIO-BA 62400 Wirbeltieranatomie und Evolution (Zierau) 0/1/0/4 5/5
BIO-BA 62600 Molekulare Zellphysiologie 0/1/0/4 5/5
Bachelor Molekulare Biotechnologie
Zo2 Tierphysiologie 2/0/0/0 2/3
Zo2 Grundpraktikum Zoologie 2 0/0/0/3 3/3
hZo1 Zellkulturtechniken 1/1/0/4 6/6
Master Biologie (Schwerpunkt Zellbiologie und Molekulare Zellphysiologie
BIO-MA Z1 Physiologie 2/0/0/0 2/3
BIO-MA Z2 Zelluläre Interaktion 2/0/0/0 2/3
BIO-MA Z14 Wirkung hormoneller Substanzen 0/1/0/4 5/5
BIO-MA Z18 Zellkommunikation 0/1/0/4 5/5
BIO-MA Z19 Apoptose 0/1/0/4 5/5
Wirkstoffforschung
Hormone und hormonartige Stoffe als Wirkstoffe
- Wirkstofffindung- Wirkstoffcharakterisierung- Wirkstoffbewertung
„Auslandsbeauftragter“• ERASMUS-Abkommen
– Universidad de Salamanca– Universitat Rovira I Virgili– Université de Strasbourg– University of Zagreb– Uniwersytet Wroclawski– Université d´Auvergne
– Catholic University of Portugal, Porto
Kleine Moleküle als Wirkstoffe: Druggable genes vs drug targets
Hopkins & Groom, Nature Drug Discovery 1 (2002), 721
To make a drug target from a druggable target requires a link that the druggable target is also a disease modifying gene
Hopkins & Groom, Nature Drug Discovery 1 (2002), 721
Kleine Moleküle als Wirkstoffe: Druggable genes vs drug targets
Kernständige Rezeptoren und pflanzliche Sekundärmetabolite
Wechseljahresanwendungen von Nahrungs‐
ergänzungsmitteln:‐Wirksamkeit: Knochengesundheit
‐ Sicherheit: Brustkrebs und endometriale Hyperplasie
Entwicklungsbiologische Programmierung & Brustkrebs
(bzw. Prävention):‐ Fötale, neonatale, pubertäre
Exposition‐ Epigenetische Mechanismen
Östrogenrezeptoren:‐ Interaktion von Signalwegen‐ Screening Systeme für neue
Substanzen
Androgenrezeptoren:‐ Anabole Steroide – Nachweis und biomedizinische Nebeneffekte‐ Prostatatumore und ihre
Mikroumgebung
Nucleäre Rezeptoren/ Naturstoffe
Alfalfa (Medicago sativa)
Hops (Humulus lupulus)
Flax(Linum usitatissimum)
Red Clover(Trifolium pratense)
Siberian Rhubarb (Rheum rhaponticum)
Red Wine(Vitis vinifera)
Soybean (Glycine max)
Pomegranate (Punica granatum)
Black Cohosh (Actaea racemosa)
Grapefruit(Citrus grandis)
Monotes(Monotes engleri)
Ginseng(Panax quinquefolius)
Honey Bush(Cyclopia genistoides
Fennel(Foeniculum vulgare)
Coral Tree(Erithrina spec. )
Problem: Wirksamkeit und Sicherheit häufig nicht ausreichend untersucht!
Wirksamkeit
Verbesserung der Physiologie des osteoporotischen Knochens
durch Naturstoffe
Cytoarchitecture
Transcriptome
Epigenome
Biotransformation
Tumor burden
ACI rat
IsoCrossIsoCross
MNU
(Experimentelle) Brustkrebsmodelle
Uterus Hyperplasie/Tumor
Sicherheit
Vorlesung Tierphysiologie
WS 15/16
Literatur
Alberts, B. et al.: Molecular Biology of the Cell, 5. Ausgabe Campbell, N.A., Biologie Purves, W.K., Biologie Devlin, T.M., Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations Eckert, R. et al., Tierphysiologie Munk, K. et al., Grundstudium Biologie – Biochemie, Zellbiologie,
Ökologie & Evolution Munk, K. et al., Grundstudium Biologie - Zoologie Klinke, R. und Silbernagel S., Lehrbuch der Physiologie Löffler, G., Petrides, P.E. Biochemie und Pathobiochemie Moyes, D und Schulte P.M. Animal Physiology Penzlin, H. Lehrbuch der Tierphysiologie Rehm, H. und Hammar F. Biochemie light Spindler, K.-D., Vergleichende Endokrinologie
Originalarbeiten aus wissenschaftlichen Veröffentlichungen
Skripten
• Zugang zur Seite
– Adresse: – http://tu-
dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_biologie/zoologie/endokrinologie/lehre
– Lehre– Skripten– Passwort: adrenalin
• Dateinamen
– Überschrift: Tierphysiologie
Was ist (Tier)physiologie?
• Erforschung der Funktionen der Gewebe, der Organe und der komplexen Organsysteme.
• Aufklärung der chemischen und physikalischen Mechanismen die auf den einzelnen Organisationsebenen eines Tieres wirken.
• Letztendlich das Verständnis wie Tiere „funktionieren“.• Die Physiologie versucht, die physikalischen und
chemischen Faktoren aufzuklären, die für die Entstehung, die Entwicklung und den Erhalt des Lebens verantwortlich sind.– Ausgangspunkt ist immer die Frage was passiert.– Die zentrale Frage ist schließlich wie es passiert.
Ziel der Vorlesung
Verständnis der Regulation der Funktion von Organsystemen
OrganismusOrgansystemOrgan und GewebeGewebebestandteileZellverbandEinzelne ZelleSubzelluläre FunktionseinheitenMolekülverbändeMolekül
Ebenen biologischer Organisation
Biosphäre Ökosystem Gemeinschaften Populationen Organismus Organsystem Organ und Gewebe Gewebebestandteile Zellverband Einzelne Zelle Subzelluläre
Funktionseinheiten Molekülverbände Molekül
Einzeller: Zelle ist autonom Zellmembran mit Barriere-, Austausch- und
Kommunikationsfunktion
Vielzeller: Autonomie der Zelle ist eingeschränkt Organe übernehmen die Barriere-, Austausch- und
Kommunikationsfunktion Sicherung des inneren Millieus durch homöostatische
Regulationsmechanismen
Einzeller - Vielzeller:ein offenes System mit innerem Milieu
Der Organverband als biologische Barriere
Zelluläre Nachbarschaftsbeziehungen
Ein epithelialer Gewebeverband– Kompartimentierung- Zelluläre Nächbarschaftsbeziehungen
Zelluläre Verbindungen
„Tight Junctions“ - selektive Permeabilitätsbarrieren entlang epithelialer Zellschichten
Wichtige Proteine:
Claudine
Occludine
Verankerungsverbindungen 1. Adherens Junctions
Adherens-Junctions
Zell-Zell-Kontakte in Epithelzellen oder Glanzstreifen des Herzmuskels zur koordinierten Bewegung von ZellverbändenVerbinden Actin-Filamente benachbarter ZellenWichtige Transmembranproteine sind Cadherine
Der Cadherin – Catenin Proteinkomplex in Adherens-Junctions
Desmosomen und Hemidesmosomen
Desmosomen
Punktförmige Zell-Zell-Kontakte zur mechanischen Stabilisierung von Zellverbänden
Verbinden die Intermediär-filamente benachbarter Zellen
Transmembranproteine sind desmosomale Cadherine
Gap Junctions
- Zelluläre Verbindungen zum Austausch niedermolekularer Stoffe
- Gap Junctions sind aus Connexonen aufgebaut
- Connexone sind aus 6 identischen Proteinen, Connexinen, aufgebaut
- In der Ratte sind 11 verschiedene Connexingene bekannt
- In der frühen Embryogenese sind die meisten Zellen per Gap Junctions gekoppelt, gilt besonders für elektrisch gekoppelte Zellen
Zelluläre Verbindungenwichtig
Bindegewebe -Stroma
Zelluläre Bestandteile- Fibroblasten
- Mastzellen
- Makrophagen
- Blutgefäße
Nicht-zelluläre Bestand-teile- Collagene
- Glykoproteine
- Proteoglykane
- Glucosaminoglykane
- Elastische Fasern
Basalmembran
Epitheliale Organverbände
Epithelzellschicht Tight Junctions Adhärenzverbindungen
• Adherens Junctions• Desmosomen
Gap Junctions (Kommunikation)
Basalmembran
Bindegewebe Zelluläre Bestandteile Nichtzelluläre Bestandteile
(Glatte) Muskulatur
Nervenzellen
Einzeller: Zelle ist autonom Zellmembran mit Barriere-, Austausch- und
Kommunikationsfunktion
Vielzeller: Autonomie der Zelle ist eingeschränkt– Organe übernehmen die Barriere-, Austausch- und
Kommunikationsfunktion– Sicherung des inneren Millieus durch homöostatische
Regulationsmechanismen
Einzeller - Vielzeller:ein offenes System mit innerem Milieu
Fließgleichgewicht = Homöostase
Homöostase und ihre AufrechterhaltungHomöostase bezeichnet die Fähigkeit eines Lebewesens sein
inneres Millieu konstant zu halten.
Dynamik und Energetik lebender Systeme
Homöostase
Proliferation=Apoptose
Neoplasie (Tumor)
Proliferation>Apoptose Proliferation>Apoptose
Proliferation=ApoptoseProlifera on↑ Apoptose ↔Prolifera on↔ Apoptose↓
Dystrophie (Degeneration)
Prolifera on↓ Apoptose ↔Prolifera on↔ Apoptose↑
Zelluläre Homöostase
wichtig
Zelluläre Homöostase
Programmierter Zelltod
Homöostase,
Differenzierung
Proliferation, Zellvermehrung
Schicksal einer Zelle
Externe Information
Übergang in weitere Ebenen der Homöostase: Entwicklung und Funktion der Brustdrüse
Östradiol
Östradiol + Progesteron
Östradiol +Progesteron↑↑+ Prolaktin
Homöostase und ihre Aufrechterhaltung
– Homöostase bezeichnet die Fähigkeit eines Lebewesens sein inneres Millieu konstant zu halten.
– Homöostase wird erreicht indem eine Vielzahl physiologischer Prozesse in verschiedenen Geweben mit Hilfe chemischer bzw. elektrischer Nachrichten so koordiniert werden, dass situationsgerechte Antworten auf innere und äußere Faktoren erfolgen.
Fließgleichgewicht = Homöostase
Homöostase wird durch geregelte Systeme erzielt
Voraussetzung für Homöostase
Erfassung des inneren und äußeren Millieus
Existenz von Kommunikationsmechanismen
Typen von Sinnesrezeptoren
Enterorezeptoren– Messen Zustände des inneren Milieus
• Hypothalamus als zentrales Organ der Regulation der Homöostaste– Zentrum der Steuerung der Homöstase– Bildung von Hormonen– Regulation der Temperatur– Regulation der Osmolarität– Zentren zur Steuerung wichtiger vegetativer Funktionen u.a. Hunger, Durst– Zentrum für Sexualverhalten
• Glucosekonzentration im Bauchspeicheldrüse• Blutdruck am juxtaglomerulären Apparat
Exterorezeptoren– Detektieren Reize aus der Umwelt
Sinnesorgane (Exterorezeptoren)
Mechanische Sinne– Tastsinn– Seitenlinienorgan– Gehör– Gleichgewichtsorgane
Optischer Sinn– Facettenaugen– Wirbeltieraugen
Chemische Sinne– Geruchssinn– Geschmackssinn
Temperatursinn Magnetischer Sinn Elektrischer Sinn Schmerzsinn Biologische Uhren
Reizweiterleitung am Beispiel des Nervensystems
Sensorischer Eingang- Sinnesrezeptor- Signalwandlung- Signalweiterleitung
Integration der Information
Adäquate Antwort- Motorischer Output
Voraussetzung für Homöostase
- Erfassung des inneren und äußeren Millieus- Existenz von Kommunikationsmechanismen
Zelluläre Kommunikation
Generelle Prinzipien der Signalübertragung
1. Bildung eines Signals in der signalgebenden Zelle.
2. Transport oder Weiter-leitung des Signals zur Zielzelle
3. Registrierung des Signals in der Zielzelle
4. Weiterleiten des Signals in der Zielzelle
5. Umsetzung des Signals in eine biochemische oder elektrische Reaktion der Zielzelle
6. Beenden des Signals
Einzelschritte der interzellulären Kommunikation
Liste bekannter zellulärer Reize
Wirkstoffe Hormone Cytokine Wachstumsfaktoren
Elektrische Signale Elektrolyte, pH, Ionen Substrate, Metaboliten, Stoffwechselprodukte Biomechanische Reize Zell/Zell- und Zell/Matrix-Interaktionen
Gap Junctions Oberflächenantigene Extrazelluläre Matrix
1. Bildung eines Signals in der signalgebenden Zelle.
2. Transport oder Weiter-leitung des Signals zur Zielzelle
3. Registrierung des Signals in der Zielzelle
4. Weiterleiten des Signals in der Zielzelle
5. Umsetzung des Signals in eine biochemische oder elektrische Reaktion der Zielzelle
6. Beenden des Signals
Einzelschritte der interzellulären Kommunikation
Löslicher, sezernierter Botenstoff
- kurzreichweitig
- langreichweitig
Direkter Zellkontakt
- Signalmolekül und Rezeptormolekül an der Zelloberfläche => Zelloberflächenmoleküle zweier Zellen erkennen sich
- Dreidimensionale Kommunikationsporen (Gap Junctions)
Physikalische Grundlagen der biologischen Informationsverarbeitung – Reichweite, Kinetik
parakrin/autokrin KennzeichenA B Lokale Mediatoren,
GewebshormoneKurze ReichweiteWenig RauschenWenig RedundanzKomplexe MoleküleKinetik: mäßig schnell
Biologische Informationssysteme 1. a) parakrin
Biologische Informationssysteme 1. b) autokrin
endokrin KennzeichenA B Hormone
Lange ReichweiteViel RauschenViel RedundanzEinfache und komplexe MoleküleWeitere Kodierung (z.B. pulsatil)Kinetik: langsam
Biologische Informationssysteme 2. endokrin
Unterdrückung des Rauschens
Erhöhung der ausgeschütteten Hormonmenge
Halbwertszeit des Informationsträgers erhöhen Chemische Modifikation Bindungsproteine
Information kodieren Amplitudenmodulation (viel Rauschen) Frequenzmodulation (Pulsatilität, Internalisierung des
Rezeptors)
Gap Junction KennzeichenA:B Kleine Moleküle,
IonenDirekte KopplungKein RauschenNull RedundanzSehr einfache MoleküleKinetik: sehr schnell
Biologische Informationssysteme 3. Zell/Zell-Kontakte
Synapse KennzeichenA:B Neurotransmitter
Sehr kurze ÜbertragungSehr wenig RauschenWenig RedundanzMeist einfache MoleküleKinetik:sehr schnell
Biologische Informationssysteme 4. synaptisch
Kommunikationswege
Kommunikationsweg Kinetik Reichweite Mechanismus Gap Junctions = Direkter Zellkontakt
Schnell, andauernd Nur direkt gekoppelte Nachbarzelle
Über Ionen-konzentrationen
Neuronale Signalübertragung
Sehr schnell mit sehr schneller Inaktivierungszeit
Direkt gekoppelte Zelle(n) Rezeptor-vermittelt
Endokrine Signalübertragung
Langsam, lang andauernd Im ganzen Organismus Rezeptor-vermittelt
Parakrine Signalübertragung
Mäßig schnell, kurzzeitige Wirkung
Räumlich begrenzt auf Nachbarzellen
Rezeptor-vemittelt
Charakteristische Merkmale verschiedener Signalübertragungswege
Wichtig: Kenntnis Kommunikations-wege
Ziel der Vorlesung:Verständnis der Regulation der Funktion von Organsystemen
Wahrnehmung der Umwelt: Sensoren, inklusive Weiterleitung und Verarbeitung sensorischer Information
Kommunikation von Zellen und Geweben
Physiologie und Pathophysiologie der Organfunktion inklusive Mechanismen zur Aufrechterhaltung homöostatischer Leistungen
Ziel der Vorlesung:Verständnis der Regulation der Funktion von Organsystemen
Kommunikation von Zellen und Geweben
Wahrnehmung der Umwelt: Sensoren, inklusive Weiterleitung und Verarbeitung sensorischer Information
Physiologie und Pathophysiologie der Organfunktion inklusive Mechanismen zur Aufrechterhaltung homöostatischer Leistungen
Inhalte der Vorlesung
Botenstoffe als Vermittler von Kommunikation1) Einleitung, Zellbiologie, Kommunikationswege2) Botenstoffe3) (Hormonelle) Regelkreise4) Rezeptoren und Signaltransduktion5) Neuronale Reizleitung
------------------------------------------------------------------------------Wahrnehmung der Umwelt, Reiz Verarbeitung und Reaktion6) Sinnesreize, -physiologie7) Nervensysteme8) Muskel und Bewegung
------------------------------------------------------------------------------
9) Nahrung, Nahrungsaufnahme und Energie10) Verdauung 11) Regulation des Stoffwechsels, insbesondere KH12) Herz/Kreislauf13) Atmung und Atmungsorgane14) Gasaustausch15) Niere und Ausscheidung
• Aus welchen Gewebekompartimenten bestehen epitheliale Organverbände?
• Was versteht man unter dem Bindegewebe/Stroma? Benennen Sie dessen zellulären und nicht-zellulären Bestandteile!
• Welches sind die Hauptkomponenten der extrazellulären Matrix?• Was verstehen Sie unter einer Basalmembran?• Welche Zell-Zellverbindungen bauen an der apikalen Oberfläche eine
Diffusionbarriere auf?• Benennen Sie die wichtigsten Zell-Zellverbindungen und definieren Sie
deren Funktion. – Welche dieser Verbindungen sind intrazelluläre verankert und warum? – Welches sind die wichtigsten Verankerungsproteine? – Welche Zellverbindungen übernehmen Aufgaben in zellulären
Kommunikationsprozessen?• Welche grundlegenden Mechanismen zellulärer Kommunikation mit
Hilfe löslicher Moleküle kennen Sie?
• Welche Rolle spielen Tight Junctions bei transepithelialen Transporten?
• Welche Kommunikationsform ist unabhängig vom Vorhandensein eines Rezeptors.
• Mit welchen Cytoskelettsystemen sind Desmosomen, Hemidesmosomen und Adherens Junctions verbunden?
• Eine der besprochenen Zellkontaktstrukturen ist wichtiger Bestandteil elektrischer Synapsen, welche?
