Molekulare Physiologie: einleitender Film:

1. Molekulare Physiologie:einleitender Film: Loewi, Otto, * 3. 6. 1873 Frankfurt am Main (Deutschland), † 25. 12. 1961 New York (USA), Pharmakologe, Physiologe, Nobelpreisträger für Physiologie 1936 (mit H. H. Dale) für Untersuchungen über das vegetative Nervensystem. 1906 Universitätsprofessor in Wien, 1909-38 in Graz, ab 1939 in New York. Schon in Wien betrieb er mit A.Fröhlich Untersuchungen über die Adrenalin-Kokain-Wirkung. Loewi wies nach, dass die Auslösung einer Muskelbewegung nicht mechanisch, sondern durch die Einwirkung chemischer Stoffe erfolgt. Er entdeckte, dass durch Reizung des Nervus vagus ein chemischer Wirkstoff entsteht, der das Herz in seiner Tätigkeit beeinträchtigt, und durch Reizung des Nervus sympathicus über einen chemischen Vermittler eine Beschleunigung des Herzschlags erfolgt. Er fand auch die Erklärung der Wirkung des Physostigmins, eines Alkaloids, das eine Verlängerung des Vagusreizes verursacht. Weltruhm und Nobelpreis bewahrten Loewi nicht vor der Verhaftung durch die Nationalsozialisten, die von ihm für die Ausreisebewilligung die Nobelpreis-Summe erpressten. 1950 verlieh ihm die Universität Graz das Ehrendoktorat der Philosophie.Loewi, Otto, * 3. 6. 1873 Frankfurt am Main (Deutschland), † 25. 12. 1961 New York (USA), Pharmakologe, Physiologe, Nobelpreisträger für Physiologie 1936 (mit H. H. Dale) für Untersuchungen über das vegetative Nervensystem. 1906 Universitätsprofessor in Wien, 1909-38 in Graz, ab 1939 in New York. Schon in Wien betrieb er mit A.Fröhlich Untersuchungen über die Adrenalin-Kokain-Wirkung. Loewi wies nach, dass die Auslösung einer Muskelbewegung nicht mechanisch, sondern durch die Einwirkung chemischer Stoffe erfolgt. Er entdeckte, dass durch Reizung des Nervus vagus ein chemischer Wirkstoff entsteht, der das Herz in seiner Tätigkeit beeinträchtigt, und durch Reizung des Nervus sympathicus über einen chemischen Vermittler eine Beschleunigung des Herzschlags erfolgt. Er fand auch die Erklärung der Wirkung des Physostigmins, eines Alkaloids, das eine Verlängerung des Vagusreizes verursacht. Weltruhm und Nobelpreis bewahrten Loewi nicht vor der Verhaftung durch die Nationalsozialisten, die von ihm für die Ausreisebewilligung die Nobelpreis-Summe erpressten. 1950 verlieh ihm die Universität Graz das Ehrendoktorat der Philosophie.

3. Molekulare Physiologie Proteine sind die “Maschinen oder Werkzeuge” der Zelle. Die Form dieser Makromoleküle bestimmt ihre Funktion. Alle physiologischen Prozesse beruhen auf Formänderungen von Proteinen der beteiligten Zellen. Proteine haben Bindungsstellen, d.h., hervorstehende Strukturen (Epitope) oder Einbuchtungen, die präzise zu anderen Proteinen oder sonstigen Molekülen passen, die sich daran reversibel binden (das was sich bindet = ein Ligand). Die reversible Bindung von Liganden (über Wasserstoffbrücken) ist höchst spezifisch (Schlüssel-Schloß-Prinzip). Diese spezifische Bindung verändert häufig den Liganden (z.B. Enzymwirkung), stets aber auch die Form des bindende Proteins. In den Phospholipidmembranen der Zelle bestimmt die Faltung der Proteine ihre Lage. Hierbei lagern hydrophobe Teile in der Lipidschicht, während die hydrophilen Gruppen sich der inneren oder äußeren wässrigen Phase zuwenden und geladene Gruppen sich nach der elektrischen Ladung der Membran (Membranpolarisation) orientieren. Jede Änderung der Faltung ändert somit auch die Lage des Membranproteins. Liganden können auf diese Weise durch Membranen transportiert werden. Neben der reversiblen Bindung von Liganden über Wasserstoffbrücken können auch kovalente chemische Veränderungen, wie Phosphorylierung von OH-Gruppen oder Abspaltung eines Peptids die Funktion verändern. Proteine sind die “Maschinen oder Werkzeuge” der Zelle. Die Form dieser Makromoleküle bestimmt ihre Funktion. Alle physiologischen Prozesse beruhen auf Formänderungen von Proteinen der beteiligten Zellen. Proteine haben Bindungsstellen, d.h., hervorstehende Strukturen (Epitope) oder Einbuchtungen, die präzise zu anderen Proteinen oder sonstigen Molekülen passen, die sich daran reversibel binden (das was sich bindet = ein Ligand). Die reversible Bindung von Liganden (über Wasserstoffbrücken) ist höchst spezifisch (Schlüssel-Schloß-Prinzip). Diese spezifische Bindung verändert häufig den Liganden (z.B. Enzymwirkung), stets aber auch die Form des bindende Proteins. In den Phospholipidmembranen der Zelle bestimmt die Faltung der Proteine ihre Lage. Hierbei lagern hydrophobe Teile in der Lipidschicht, während die hydrophilen Gruppen sich der inneren oder äußeren wässrigen Phase zuwenden und geladene Gruppen sich nach der elektrischen Ladung der Membran (Membranpolarisation) orientieren. Jede Änderung der Faltung ändert somit auch die Lage des Membranproteins. Liganden können auf diese Weise durch Membranen transportiert werden. Neben der reversiblen Bindung von Liganden über Wasserstoffbrücken können auch kovalente chemische Veränderungen, wie Phosphorylierung von OH-Gruppen oder Abspaltung eines Peptids die Funktion verändern.

4. Proteine ändern Form und Funktion durch: Proteine haben meist mehrere Bindungsorte, an die verschiedene Liganden (z.B.: Hormone, Ionen, Substrate des Stoffwechsels, etc.) andocken können. Diese Bindungsstellen können aktiv (passend für einen spezifischen Liganden) oder inaktiv (nicht passend) sein, wobei allosterische Veränderungen die Bindungsorte aktivieren oder inaktivieren können. Auf diese Weise kann: z.B. die Aktivität eines Enzyms gesteuert werden (Abb. A): Bindung eines Signalmoleküls an die Bindungsstelle A ändert die räumliche Form des Proteins derart, daß ein Substrat an Bindungsstelle B andocken kann. Dies ändert wiederum die Proteinstruktur, wodurch das Signalmolekül nicht mehr zu Bindungsort A paßt und freigegeben wird. Nach enzymatischer Veränderung des Substrats an Bindungsort B paßt dieses nicht mehr in die „Nische“ und wird abgegeben, wodurch die urprüngliche räumliche Form und Aktivität von Bindungsort A wiederhergestellt wird. eine Bindungsstelle durch Phosphorylierung eines Proteins (Veresterung einer oder mehrerer OH-Gruppen mit Phosphat unter Spaltung von ATP) aktiviert werden (Abb. B). Die meisten intrazellulären Prozesse zur Steuerung von Zellfunktionen, wie Wachstum, Vermehrung, Stoffwechselaktivitäten, erfolgen über Ketten von Phosphorylierungen (und Dephosphorylierungen) durch entsprechende Enzyme. Die Änderung der elektrischen Polarisation der Membran (des Ruhepotentials) öffnet oder schließt beispielsweise Ionenkanäle in der Zellmembran (Abb. C). Auf diese Weise werden z.B. durch elektrische Signale (sog. Aktionspotentiale) Ca2+-Kanäle geöffnet, wodurch Ca2+ in das Zytoplasma einströmt. Bei Muskelzellen wird z.B. durch die erhöhte Kalziumkonzentration im Zytoplasma die Muskelkontraktion ausgelöst. Proteine haben meist mehrere Bindungsorte, an die verschiedene Liganden (z.B.: Hormone, Ionen, Substrate des Stoffwechsels, etc.) andocken können. Diese Bindungsstellen können aktiv (passend für einen spezifischen Liganden) oder inaktiv (nicht passend) sein, wobei allosterische Veränderungen die Bindungsorte aktivieren oder inaktivieren können. Auf diese Weise kann: z.B. die Aktivität eines Enzyms gesteuert werden (Abb. A): Bindung eines Signalmoleküls an die Bindungsstelle A ändert die räumliche Form des Proteins derart, daß ein Substrat an Bindungsstelle B andocken kann. Dies ändert wiederum die Proteinstruktur, wodurch das Signalmolekül nicht mehr zu Bindungsort A paßt und freigegeben wird. Nach enzymatischer Veränderung des Substrats an Bindungsort B paßt dieses nicht mehr in die „Nische“ und wird abgegeben, wodurch die urprüngliche räumliche Form und Aktivität von Bindungsort A wiederhergestellt wird. eine Bindungsstelle durch Phosphorylierung eines Proteins (Veresterung einer oder mehrerer OH-Gruppen mit Phosphat unter Spaltung von ATP) aktiviert werden (Abb. B). Die meisten intrazellulären Prozesse zur Steuerung von Zellfunktionen, wie Wachstum, Vermehrung, Stoffwechselaktivitäten, erfolgen über Ketten von Phosphorylierungen (und Dephosphorylierungen) durch entsprechende Enzyme. Die Änderung der elektrischen Polarisation der Membran (des Ruhepotentials) öffnet oder schließt beispielsweise Ionenkanäle in der Zellmembran (Abb. C). Auf diese Weise werden z.B. durch elektrische Signale (sog. Aktionspotentiale) Ca2+-Kanäle geöffnet, wodurch Ca2+ in das Zytoplasma einströmt. Bei Muskelzellen wird z.B. durch die erhöhte Kalziumkonzentration im Zytoplasma die Muskelkontraktion ausgelöst.

6. Das können Proteine durch (1) spezifische Bindung (Schlüssel-Schloß-Prinzip) und (2) Formänderung Katalyse: Enzyme binden und verändern spezifisch Substrate (Beispiel Katecholamine) Reaktionskopplung: Spontan ablaufende (energieliefernde) Prozesse werden mit energieverbrauchenden Prozessen gekoppelt (Beispiel ATP-Spaltung und Muskelkontraktion) Transport: Der Stoffaustausch durch Membranen (“bergab“ und “bergauf“) wird durch Proteine geregelt. Strukturen bilden und ändern: Beispiel: Zell-Zell-Kontakte, Zytoskelett, Muskelkontraktion Signaltransduktion: Räumlich passende Moleküle (Hormone, Transmitter, Antigene etc.) binden sich an Membranrezeptoren und lösen über 2nd Messenger Reaktionen der Zelle aus. Für manche Hormone gibt es intrazelluläre Rezeptoren.

8. Chemische Prozesse: Bildung der Katecholamine im Nebennierenmark 1) Ein Nervensignal löst die Phosphorylierung und damit die Aktivierung von Enzym I (E1: Tyrosinhydroxylase) aus. E1 bindet Tyrosin und hydroxyliert es zu Dopa. 2) Dopa paßt nicht mehr zur Bindungsstelle von E1 und wird freigegeben, paßt aber nun zu E2, das die Carboxylgruppe abspaltet und Dopamin erzeugt. 3) Ablösung von Dopamin von E2 und Bindung an E3, das eine OH-Gruppe hinzufügt ?Noradrenalin (=Norepinephrine) 4) Ablösung von Noradrenalin von E3, das die Aminogruppe methyliert ? Adrenalin 5) Die Endprodukte Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin binden sich an eine eigene Bindungsstelle von E1 und hemmen dadurch die weitere Synthese (Regelung über negativen Feedback) Signalstoffe im Fight und Flight Syndrom Auf akute Bedrohung reagiert ein Lebewesen meist mit extremer körperlicher Aktivität im Form von Kampf, Flucht oder Verteidigung. Die massive Aktivierung zahlreicher Muskel erfordert eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff und Energieträgern (z.B. Glukose) sowie eine entsprechende Entsorgung von Stoffwechselprodukten (z.B. Kohlendioxid): Hierzu werden Atmung, Herz und Kreislauf sowie die Energiebereitstellung entsprechend aktiviert (Fight and Flight Syndrom). Die gleichzeitige Aktivierung all dieser Systeme erfolgt durch den unbewußt arbeitenden Teil des Nervensystems (autonomes = vegetatives Nervensystem, bestehend aus Sympathicus und Parasympathicus). Der Sympathicus und das Nebennierenmark.sind der aktivierende Teil des vegetativen Nervensystems, welcher die wirksamen Signalmoleküle Noradrenalin und Adrenalin freisetzt und damit u.a. Herz, Kreislauf, Atmung und Stoffwechselprozesse aktiviert. Die sympathischen Nerven sezernieren Noradrenalin als Neurotransmitter am Erfolgsorgan, das Nebennierenmark wirkt über die (ins Blut abgegebenen) Hormone Noradrenalin und Adrenalin. Die Abbildung zeigt die Synthesekette, in der die Aminosäure Tyrosin an das erste Enzym gebunden und umgewnandelt wird, danach nicht mehr zur Bindungsstelle paßt und deshalb freigegeben und vom nächsten (passenden) Enzym gebunden und weiter umgewandelt wird, etc.. Das erste Enzym der Synthesekette besitzt neben der Bindungsstelle für Tyrosin weitere Bindungsstellen für die 3 Endprodukte der Synthese, die durch ihr „Andocken“ die Enzymaktivität hemmen und eine überschießende Hormonproduktion verhindern. Signalstoffe im Fight und Flight Syndrom Auf akute Bedrohung reagiert ein Lebewesen meist mit extremer körperlicher Aktivität im Form von Kampf, Flucht oder Verteidigung. Die massive Aktivierung zahlreicher Muskel erfordert eine ausreichende Versorgung mit Sauerstoff und Energieträgern (z.B. Glukose) sowie eine entsprechende Entsorgung von Stoffwechselprodukten (z.B. Kohlendioxid): Hierzu werden Atmung, Herz und Kreislauf sowie die Energiebereitstellung entsprechend aktiviert (Fight and Flight Syndrom). Die gleichzeitige Aktivierung all dieser Systeme erfolgt durch den unbewußt arbeitenden Teil des Nervensystems (autonomes = vegetatives Nervensystem, bestehend aus Sympathicus und Parasympathicus). Der Sympathicus und das Nebennierenmark.sind der aktivierende Teil des vegetativen Nervensystems, welcher die wirksamen Signalmoleküle Noradrenalin und Adrenalin freisetzt und damit u.a. Herz, Kreislauf, Atmung und Stoffwechselprozesse aktiviert. Die sympathischen Nerven sezernieren Noradrenalin als Neurotransmitter am Erfolgsorgan, das Nebennierenmark wirkt über die (ins Blut abgegebenen) Hormone Noradrenalin und Adrenalin. Die Abbildung zeigt die Synthesekette, in der die Aminosäure Tyrosin an das erste Enzym gebunden und umgewnandelt wird, danach nicht mehr zur Bindungsstelle paßt und deshalb freigegeben und vom nächsten (passenden) Enzym gebunden und weiter umgewandelt wird, etc.. Das erste Enzym der Synthesekette besitzt neben der Bindungsstelle für Tyrosin weitere Bindungsstellen für die 3 Endprodukte der Synthese, die durch ihr „Andocken“ die Enzymaktivität hemmen und eine überschießende Hormonproduktion verhindern.

10. Vom Nervensignal zur Muskelkontraktion (I)

11. Vom Nervensignal zur Muskelkontraktion (II)

12. Vom Nervensignal zur Muskelkontraktion (III)

13. Vom Nervensignal zur Muskelkontraktion (IV)

14. Vom Nervensignal zur Muskelkontraktion (V):der „Aktin-Myosin-Motor“

15. Vom Nervensignal zur Muskelkontraktion (VI):Der „Starter“ Ca++

16. Transport durch Membranen I

17. Transport durch Membranen II

20. Treibende Kraft: der elektrochemische Gradient Chemischer Gradient (Konzentrationsgefälle). Elektrischer Gradient (Potenzialdifferenz) Druckgradient (Hydrostatischer und osmotischer Druck) Größe und Richtung der treibenden Kraft ist die Resultierende aus allen drei Kräften = elektrochemischer Gradient.

21. Treibende Kraft: chemische Gradienten

47. Proteins are involved in all regulatory mechanisms of the organisms. Genetically programmed enzyme-mediated post-translational changes of Proteins provide them with the shapes essential for their functions. Besides the functionally desirable changes, inevitable non-enzymatic (stochastic) changes appear, which impede or block the function of the protein. This is obvious in slow-turnover proteins like collagen, which becomes rigid and brittle in old age. Most of this change is due to a molecule essential for efficient energy production: Glucose. Even physiological glucose levels cause a non-enzymatic glycosylation of amino-groups leading to advanced glycosylation end-products (AGEs) which irreversibly crosslink adjacent protein chaines. These delterious events are accelerated in diabetes mellitus. Protein turnover (permanent renewal of cellular and also extra-cellular Proteins) counteracts this process. However, in old age, protein turnover slows down and allows for the accumulation of changed and “disabled” proteins.Proteins are involved in all regulatory mechanisms of the organisms. Genetically programmed enzyme-mediated post-translational changes of Proteins provide them with the shapes essential for their functions. Besides the functionally desirable changes, inevitable non-enzymatic (stochastic) changes appear, which impede or block the function of the protein. This is obvious in slow-turnover proteins like collagen, which becomes rigid and brittle in old age. Most of this change is due to a molecule essential for efficient energy production: Glucose. Even physiological glucose levels cause a non-enzymatic glycosylation of amino-groups leading to advanced glycosylation end-products (AGEs) which irreversibly crosslink adjacent protein chaines. These delterious events are accelerated in diabetes mellitus. Protein turnover (permanent renewal of cellular and also extra-cellular Proteins) counteracts this process. However, in old age, protein turnover slows down and allows for the accumulation of changed and “disabled” proteins.

48. Oxygen free radicals are short-lived aggressive compounds of Oxygen generated as by-products of metabolic reactions. These deleterious compounds are the superoxide radical, oxygen peroxide and the hydroxyl radical. Oxygen free radicals are deleterious for most cell components, especially for DNA. Thus, oxygen has a two-sided nature providing efficient energy production on the one hand and causing cell damage on the other.Oxigen free radicals are involved in normal cell functions, e.g. phagocytosis, biotransformation and information transduction. The negative effects of the use of Oxygen are counteracted by antioxidants, like vitamin E and enzymes like superoxide dismutase (SOD), catalase and glutathione peroxidase. Damage to the DNA can be repaired by DNA-repair systems.Oxygen free radicals are short-lived aggressive compounds of Oxygen generated as by-products of metabolic reactions. These deleterious compounds are the superoxide radical, oxygen peroxide and the hydroxyl radical. Oxygen free radicals are deleterious for most cell components, especially for DNA. Thus, oxygen has a two-sided nature providing efficient energy production on the one hand and causing cell damage on the other.Oxigen free radicals are involved in normal cell functions, e.g. phagocytosis, biotransformation and information transduction. The negative effects of the use of Oxygen are counteracted by antioxidants, like vitamin E and enzymes like superoxide dismutase (SOD), catalase and glutathione peroxidase. Damage to the DNA can be repaired by DNA-repair systems.

52. Robert Lanza & coworkers at Advanced Cell Technology at Worcester, Mass., reported that calves cloned from late passage fibroblast nuclei have telomeres that are longer than normal. 5 calves from 1900 nuclei at 5 to 10 mths PBMC telomers were longer Fibroblasts from clones showed 93 PDs cpmpared to 61 PDs of normal age-matches fetussesRobert Lanza & coworkers at Advanced Cell Technology at Worcester, Mass., reported that calves cloned from late passage fibroblast nuclei have telomeres that are longer than normal. 5 calves from 1900 nuclei at 5 to 10 mths PBMC telomers were longer Fibroblasts from clones showed 93 PDs cpmpared to 61 PDs of normal age-matches fetusses

53. Stem cell development: Irving L. Weisman of the Stanford Medical School of Medicine) Definition: Stem cells are cells that, once they have developed, self renew for the life time of the organism and can give rise to specifically differentiated cells. Stem Cells & Aging:Stem cells become more involved in tissue replenishing as the individual ages: In young adult mice, only 8 % of LT-HSCs daily enter into cell cycle, whereas most of them are cycling in very old mice. Embryonic stem cells: cultured from the blastocyst’s inne cell mass TSC = totipotent stem cellsGSC = gem line stem cellSSC = common somatic stem cell Stem cell development: Irving L. Weisman of the Stanford Medical School of Medicine) Definition: Stem cells are cells that, once they have developed, self renew for the life time of the organism and can give rise to specifically differentiated cells. Stem Cells & Aging:Stem cells become more involved in tissue replenishing as the individual ages: In young adult mice, only 8 % of LT-HSCs daily enter into cell cycle, whereas most of them are cycling in very old mice. Embryonic stem cells: cultured from the blastocyst’s inne cell mass TSC = totipotent stem cellsGSC = gem line stem cellSSC = common somatic stem cell