Es findet eine Synthese der ATP-Reserven der Zelle statt. ATP-Struktur und biologische Rolle. Funktionen von ATP. Struktur von Fettstoffen
G.N. PETRAKOWITSCH. Ein weiterer Aspekt des Themas. Unsere Augen, wenn nicht der Spiegel der Seele, so sind ihre transparenten Umgebungen – die Pupille und die Iris – immer noch Bildschirme für das topografische „Kino“, das ständig von uns ausgeht. „Integrale“ Hologramme fliegen durch die Pupillen, und in der Iris regen Protonen, die eine erhebliche Ladung kinetischer Energie tragen, kontinuierlich die Moleküle in den Pigmentklumpen an. Sie werden sie so lange erregen, bis in den Zellen, die ihre Protonen an diese Moleküle „geschickt“ haben, alles in Ordnung ist. Die Zellen werden sterben, etwas anderes wird mit ihnen, mit dem Organ passieren – die Struktur in den Pigmentklumpen wird sich sofort verändern. Dies wird von erfahrenen Iridodiagnostikern eindeutig erfasst: Sie wissen bereits anhand der Projektionen in der Iris genau, welches Organ erkrankt ist und woran es überhaupt erkrankt ist. Frühe und genaue Diagnose! Einige Ärzte haben gegenüber ihren Iridodiagnostiker-Kollegen keine sehr wohlwollende Einstellung und halten sie für fast Scharlatane. Vergeblich! Die Iridodiagnose als einfache, öffentlich verfügbare, kostengünstige, leicht in die mathematische Sprache zu übersetzende und vor allem genaue und frühe Methode zur Diagnose verschiedener Krankheiten wird in naher Zukunft grünes Licht erhalten. Der einzige Nachteil der Methode war das Fehlen einer theoretischen Grundlage. Seine Grundlage ist oben dargelegt. KORRESPONDENT. Ich denke, dass es für unsere Leser notwendig wäre, den Prozess der Bildung von Hologrammen jedes Einzelnen zu erklären. Du kannst es besser als ich. G.N. PETRAKOWITSCH. Stellen wir uns die Wechselwirkungen beschleunigter Protonen mit einem beliebigen großen (dreidimensionalen) Molekül in einer Zelle vor, die sehr schnell ablaufen. Solche Wechselwirkungen mit den Kernen der Zielatome, aus denen dieses große Molekül besteht, verbrauchen viele Protonen, die wiederum eine voluminöse, aber „negative“ Spur im Protonenstrahl in Form eines Vakuums, „Löcher“, hinterlassen. Diese Spur wird ein echtes Hologramm sein, das einen Teil der Struktur des Moleküls selbst verkörpert und bewahrt, das mit Protonen reagiert hat. Eine Reihe von Hologrammen (die „in der Natur“ vorkommen) zeigen und bewahren nicht nur das physikalische „Erscheinungsbild“ des Moleküls, sondern auch die Reihenfolge der physikalischen und chemischen Umwandlungen seiner einzelnen Teile und des gesamten Moleküls als Ganzes über einen bestimmten Zeitraum Zeitspanne. Solche Hologramme, die zu größeren dreidimensionalen Bildern verschmelzen, können den Lebenszyklus einer ganzen Zelle, vieler benachbarter Zellen, Organe und Körperteile – des gesamten Körpers – darstellen. Es gibt noch eine weitere Konsequenz. Hier ist es. In der belebten Natur kommunizieren wir unabhängig vom Bewusstsein hauptsächlich über Felder. Wenn wir mit einer solchen Kommunikation in Resonanz mit anderen Bereichen geraten, laufen wir Gefahr, unsere individuelle Frequenz (sowie unsere Reinheit) teilweise oder vollständig zu verlieren, und wenn dies in der Kommunikation mit der grünen Natur „Auflösung in der Natur“ bedeutet, dann in der Kommunikation mit Menschen Insbesondere bei denen, die über ein starkes Feld verfügen, bedeutet dies, ihre Individualität teilweise oder vollständig zu verlieren – ein „Zombie“ zu werden (nach Todor Dichev). Es gibt keine technischen „Zombie“-Geräte im Rahmen des Programms und es ist unwahrscheinlich, dass sie jemals erstellt werden, aber der Einfluss einer Person auf eine andere in dieser Hinsicht ist durchaus möglich, wenn auch aus moralischer Sicht inakzeptabel. Darüber sollte man beim Selbstschutz nachdenken, insbesondere wenn es um lautstarke kollektive Aktionen geht, bei denen nicht immer die Vernunft oder gar das wahre Gefühl vorherrscht, sondern der Fanatismus – das traurige Kind böswilliger Resonanz. Der Protonenfluss kann durch die Verschmelzung mit anderen Strömen nur zunehmen, vermischt sich aber keineswegs, im Gegensatz zum Beispiel zum Elektronenfluss, und kann dann vollständige Informationen über ganze Organe und Gewebe, auch über solche, transportieren ein bestimmtes Organ wie das Gehirn. Anscheinend denken wir in Programmen, und diese Hologramme sind in der Lage, einen Protonenstrom durch unseren Blick zu übertragen – dies wird nicht nur durch die „Ausdruckskraft“ unseres Blicks bewiesen, sondern auch durch die Tatsache, dass Tiere unsere Hologramme aufnehmen können. Um dies zu bestätigen, können wir auf die Experimente des berühmten Trainers V.L. verweisen. Durov, an dem Akademiker V. teilnahm. M. Bechterew. Bei diesen Experimenten entwickelte eine Sonderkommission sofort alle möglichen Aufgaben für die Hunde, V.L. Durov übergab diese Aufgaben sofort mit „hypnotischem Blick“ an die Hunde (gleichzeitig schien er, wie er sagte, selbst ein „Hund“ zu werden und führte die Aufgaben geistig mit ihnen aus), und die Hunde folgten ihnen genau die Weisungen der Kommission. Das Fotografieren von Halluzinationen kann übrigens mit holographischem Denken und der Übertragung von Bildern durch einen Protonenstrom durch den Blick in Verbindung gebracht werden. Ein sehr wichtiger Punkt: Die informationstragenden Protonen „markieren“ die Proteinmoleküle ihres Körpers mit ihrer Energie, und jedes „markierte“ Molekül erhält sein eigenes Spektrum und unterscheidet sich durch dieses Spektrum von einem Molekül mit genau derselben chemischen Zusammensetzung. aber zu einem „fremden“ Körper gehörend. Das Prinzip der Nichtübereinstimmung (oder des Zufalls) im Spektrum der Proteinmoleküle liegt den bereits erwähnten Immunreaktionen des Körpers, Entzündungen sowie Gewebeunverträglichkeiten zugrunde. Der Geruchsmechanismus basiert ebenfalls auf dem Prinzip der Spektralanalyse von durch Protonen angeregten Molekülen. Aber in diesem Fall werden alle Moleküle einer Substanz in der durch die Nase eingeatmeten Luft mit Protonen bestrahlt, wobei ihr Spektrum sofort analysiert wird (der Mechanismus kommt dem Mechanismus der Farbwahrnehmung sehr nahe). Aber es gibt „Arbeit“, die nur durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld verrichtet wird – das ist die Arbeit des „zweiten“ oder „peripheren“ Herzens, über das einst viel geschrieben wurde, dessen Mechanismus aber noch niemand kennt entdeckt. Dies ist ein besonderes Gesprächsthema. Fortsetzung folgt... In jeder Zelle unseres Körpers finden Millionen biochemischer Reaktionen statt. Sie werden durch eine Vielzahl von Enzymen katalysiert, die häufig Energie benötigen. Woher bekommt die Zelle es? Diese Frage kann beantwortet werden, wenn wir die Struktur des ATP-Moleküls betrachten – einer der Hauptenergiequellen.
ATP ist eine universelle Energiequelle
ATP steht für Adenosintriphosphat oder Adenosintriphosphat. Der Stoff ist einer der beiden wichtigsten Energielieferanten jeder Zelle. Die Struktur von ATP und seine biologische Rolle hängen eng zusammen. Dies gilt insbesondere für die meisten biochemischen Reaktionen, die nur unter Beteiligung von Molekülen eines Stoffes ablaufen können. ATP ist jedoch selten direkt an der Reaktion beteiligt: Damit ein Prozess ablaufen kann, wird die Energie benötigt, die genau in Adenosintriphosphat enthalten ist.
Die Struktur der Moleküle des Stoffes ist so, dass die zwischen Phosphatgruppen gebildeten Bindungen eine große Energiemenge tragen. Daher werden solche Bindungen auch makroergisch oder makroenergetisch (makro=viele, große Menge) genannt. Der Begriff wurde erstmals vom Wissenschaftler F. Lipman eingeführt und er schlug auch vor, sie mit dem Symbol ̴ zu bezeichnen.
Für die Zelle ist es sehr wichtig, einen konstanten Adenosintriphosphatspiegel aufrechtzuerhalten. Dies gilt insbesondere für Muskelzellen und Nervenfasern, da diese am stärksten energieabhängig sind und zur Erfüllung ihrer Funktionen einen hohen Gehalt an Adenosintriphosphat benötigen.
Die Struktur des ATP-Moleküls
Adenosintriphosphat besteht aus drei Elementen: Ribose, Adenin und Resten
Ribose- ein Kohlenhydrat, das zur Pentosegruppe gehört. Das bedeutet, dass Ribose 5 Kohlenstoffatome enthält, die in einem Ring eingeschlossen sind. Ribose verbindet sich über eine β-N-glykosidische Bindung am 1. Kohlenstoffatom mit Adenin. Der Pentose werden auch Phosphorsäurereste am 5. Kohlenstoffatom hinzugefügt.
Adenin ist eine stickstoffhaltige Base. Je nachdem, welche stickstoffhaltige Base an Ribose gebunden ist, werden auch GTP (Guanosintriphosphat), TTP (Thymidintriphosphat), CTP (Cytidintriphosphat) und UTP (Uridintriphosphat) unterschieden. Alle diese Substanzen ähneln in ihrer Struktur Adenosintriphosphat und erfüllen ungefähr die gleichen Funktionen, kommen jedoch in der Zelle deutlich seltener vor.
Rückstände von Phosphorsäure. An Ribose können maximal drei Phosphorsäurereste gebunden werden. Sind zwei oder nur einer vorhanden, wird die Substanz ADP (Diphosphat) oder AMP (Monophosphat) genannt. Zwischen den Phosphorresten werden makroenergetische Bindungen geschlossen, nach deren Aufbrechen 40 bis 60 kJ Energie freigesetzt werden. Wenn zwei Bindungen aufgebrochen werden, werden 80, seltener 120 kJ Energie freigesetzt. Wenn die Bindung zwischen Ribose und dem Phosphorrest aufgebrochen wird, werden nur 13,8 kJ freigesetzt, es gibt also nur zwei hochenergetische Bindungen im Triphosphatmolekül (P ̴ P ̴ P) und im ADP-Molekül eine (P ̴). P).
Dies sind die Strukturmerkmale von ATP. Aufgrund der Tatsache, dass zwischen Phosphorsäureresten eine makroenergetische Bindung gebildet wird, sind Struktur und Funktionen von ATP miteinander verbunden.
Die Struktur von ATP und die biologische Rolle des Moleküls. Zusätzliche Funktionen von Adenosintriphosphat
Neben Energie kann ATP viele andere Funktionen in der Zelle erfüllen. Zusammen mit anderen Nukleotidtriphosphaten ist Triphosphat am Aufbau von Nukleinsäuren beteiligt. In diesem Fall sind ATP, GTP, TTP, CTP und UTP Lieferanten stickstoffhaltiger Basen. Diese Eigenschaft wird in Prozessen und Transkription verwendet.
ATP ist auch für die Funktion von Ionenkanälen notwendig. Beispielsweise pumpt der Na-K-Kanal 3 Natriummoleküle aus der Zelle und 2 Kaliummoleküle in die Zelle. Dieser Ionenstrom wird benötigt, um eine positive Ladung auf der Außenfläche der Membran aufrechtzuerhalten, und nur mit Hilfe von Adenosintriphosphat kann der Kanal funktionieren. Gleiches gilt für Protonen- und Kalziumkanäle.
ATP ist die Vorstufe des Second Messenger cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) – cAMP überträgt nicht nur das von Zellmembranrezeptoren empfangene Signal, sondern ist auch ein allosterischer Effektor. Allosterische Effektoren sind Substanzen, die enzymatische Reaktionen beschleunigen oder verlangsamen. So hemmt zyklisches Adenosintriphosphat die Synthese eines Enzyms, das den Abbau von Laktose in Bakterienzellen katalysiert.
Das Adenosintriphosphatmolekül selbst kann ebenfalls ein allosterischer Effektor sein. Darüber hinaus wirkt ADP bei solchen Prozessen als Antagonist von ATP: Beschleunigt Triphosphat die Reaktion, hemmt Diphosphat sie und umgekehrt. Dies sind die Funktionen und die Struktur von ATP.
Wie entsteht ATP in einer Zelle?
Die Funktionen und die Struktur von ATP sind so beschaffen, dass die Moleküle der Substanz schnell verbraucht und zerstört werden. Daher ist die Triphosphatsynthese ein wichtiger Prozess bei der Energiebildung in der Zelle.
Es gibt drei wichtigste Methoden zur Synthese von Adenosintriphosphat:
1. Substratphosphorylierung.
2. Oxidative Phosphorylierung.
3. Photophosphorylierung.
Die Substratphosphorylierung basiert auf mehreren Reaktionen, die im Zellzytoplasma ablaufen. Diese Reaktionen werden Glykolyse genannt – anaerobe Stufe. Als Ergebnis eines Glykolysezyklus werden aus einem Molekül Glucose zwei Moleküle synthetisiert, die dann zur Energieerzeugung verwendet werden, und es werden auch zwei ATP synthetisiert.
- C 6 H 12 O 6 + 2ADP + 2Pn -> 2C 3 H 4 O 3 + 2ATP + 4H.
Zellatmung
Unter oxidativer Phosphorylierung versteht man die Bildung von Adenosintriphosphat durch die Übertragung von Elektronen entlang der Elektronentransportkette der Membran. Durch diesen Transfer entsteht auf einer Seite der Membran ein Protonengradient und mit Hilfe des Protein-Integralsatzes der ATP-Synthase werden Moleküle aufgebaut. Der Prozess findet auf der Mitochondrienmembran statt.
Die Abfolge der Stufen der Glykolyse und der oxidativen Phosphorylierung in Mitochondrien stellt einen gemeinsamen Prozess dar, der Atmung genannt wird. Nach einem vollständigen Zyklus werden in der Zelle aus 1 Glucosemolekül 36 ATP-Moleküle gebildet.
Photophosphorylierung
Der Prozess der Photophosphorylierung ist derselbe wie die oxidative Phosphorylierung mit nur einem Unterschied: Photophosphorylierungsreaktionen finden in den Chloroplasten der Zelle unter dem Einfluss von Licht statt. ATP entsteht im Lichtstadium der Photosynthese, dem wichtigsten Energieerzeugungsprozess in Grünpflanzen, Algen und einigen Bakterien.
Bei der Photosynthese durchlaufen Elektronen dieselbe Elektronentransportkette, wodurch ein Protonengradient entsteht. Die Protonenkonzentration auf einer Seite der Membran ist die Quelle der ATP-Synthese. Der Zusammenbau der Moleküle erfolgt durch das Enzym ATP-Synthase.
Die durchschnittliche Zelle enthält 0,04 Gewichtsprozent Adenosintriphosphat. Der höchste Wert wird jedoch in Muskelzellen beobachtet: 0,2-0,5 %.
In einer Zelle befinden sich etwa 1 Milliarde ATP-Moleküle.
Jedes Molekül lebt nicht länger als 1 Minute.
Ein Molekül Adenosintriphosphat wird 2000-3000 Mal am Tag erneuert.
Insgesamt synthetisiert der menschliche Körper 40 kg Adenosintriphosphat pro Tag und die ATP-Reserve beträgt zu jedem Zeitpunkt 250 g.
Abschluss
Die Struktur von ATP und die biologische Rolle seiner Moleküle hängen eng zusammen. Der Stoff spielt eine Schlüsselrolle in Lebensprozessen, denn in den hochenergetischen Bindungen zwischen Phosphatresten steckt eine enorme Energiemenge. Adenosintriphosphat erfüllt in der Zelle viele Funktionen und daher ist es wichtig, eine konstante Konzentration des Stoffes aufrechtzuerhalten. Zerfall und Synthese erfolgen mit hoher Geschwindigkeit, da die Energie von Bindungen bei biochemischen Reaktionen ständig verbraucht wird. Dies ist eine essentielle Substanz für jede Zelle im Körper. Das ist wahrscheinlich alles, was man über die Struktur von ATP sagen kann.
Metaboliten Glykolyse (1,3-Diphosphoglycerat,Phosphoenolpyruvat),
Metaboliten Tricarbonsäurezyklus (Succinyl-CoA) Und
Kreatinphosphat.
Der Hauptweg, auf dem ATP in einer Zelle produziert wird, ist oxidative Phosphorylierung , kommt in den Strukturen der inneren Membran von Mitochondrien vor. Gleichzeitig wird die Energie der Wasserstoffatome der NADH- und FADH 2-Moleküle, die bei der Glykolyse, dem TCA-Zyklus und der Oxidation von Fettsäuren entstehen, bei Redoxprozessen in ATP-Bindungsenergie umgewandelt.
Es gibt jedoch auch eine andere Möglichkeit, ADP zu ATP zu phosphorylieren – Substratphosphorylierung . Diese Methode ist verbunden mit Übertragung von Energie aus hochenergetischer Kommunikation jede Substanz (Substrat) auf ADP. Zu diesen Substanzen gehören:
Pyruvat wird zu Acetyl-CoA oxidiert.
Brenztraubensäure (PC, Pyruvat) ist ein Produkt der Oxidation von Glucose und einigen Aminosäuren. Sein Schicksal hängt von der Sauerstoffverfügbarkeit in der Zelle ab. IN anaerob Bedingungen, in denen es wiederhergestellt wird Milchsäure . IN Aerobic Unter diesen Bedingungen symportiert Pyruvat mit H + -Ionen, die sich entlang des Protonengradienten bewegen und in die Mitochondrien eindringen. Hier wird es in Acetyl-Coenzym A umgewandelt ( Acetyl-CoA ) mit Hilfe Pyruvatdehydrogenase-Multienzymkomplex.
Pyruvat-Dehydrogenase-Multienzymkomplex
Zusammenfassende Gleichung für die Oxidation von Brenztraubensäure
Pyruvat-Dehydrogenase-Multienzymkomplex befindet sich in der Matrix eukaryotischer Mitochondrien. Beim Menschen besteht es aus 96 Untereinheiten , organisiert in drei funktionelle Proteine. Gigantische Formation, hat 50 nm im Durchmesser, das ist Fünf Mal!!! mehr als Ribosom .
Der Prozess ist im Gange fünf aufeinanderfolgende Reaktionen, an denen 5 Coenzyme beteiligt sind:
Pyruvatdehydrogenase (E 1, PC-Dehydrogenase), dient als Coenzym Thiamindiphosphat(TDP), katalysiert die 1. Reaktion.
Dihydrolipoyltransacetylase (In der russischsprachigen Literatur gibt es Namen - Dihydrolipoat-Acetyltransferase Und Lipoamidreduktase-Transacetylase(E 2), Coenzym - Liponsäure katalysiert die 2. und 3. Reaktion.
Dihydrolipolydehydrogenase (Dihydrolipoat-Dehydrogenase)(E 3), Coenzym – MODE katalysiert die 4. und 5. Reaktion.
Zusätzlich zu den angegebenen Coenzymen, die fest mit den entsprechenden Enzymen verbunden sind, ist der Komplex daran beteiligt Coenzym A Und ÜBER.
Die Essenz der ersten drei Reaktionen läuft auf die Decarboxylierung von Pyruvat (katalysiert durch Pyruvatdehydrogenase, E 1), die Oxidation von Pyruvat zu Acetyl und die Übertragung von Acetyl auf Coenzym A (katalysiert durch) hinaus Dihydrolipoyltransacetylase, E 2).
Acetyl-sCoA-Synthesereaktionen
Die verbleibenden 2 Reaktionen sind für die Oxidation von Dihydrolipoat zurück zu Lipoat unter Bildung von FADH 2 und der Reduktion von NADH (katalysiert durch) notwendig Dihydrolipolydehydrogenase, E 3).
Reaktionen der Nadn-Bildung. Regulierung des Pyruvat-Dehydrogenase-Komplexes
Das regulierte Enzym des PVK-Dehydrogenase-Komplexes ist das erste Enzym - Pyruvatdehydrogenase(E 1). Dies wird durch zwei Hilfsenzyme erreicht - Kinase Und Phosphatase, ihr zur Verfügung stellen Phosphorylierung Und Dephosphorylierung.
Kinase aktiviert durch überschüssiges biologisches Oxidationsendprodukt ATP und Produkte des PVK-Dehydrogenase-Komplexes – NADH Und Acetyl-CoA. Aktive Kinase phosphoryliert die Pyruvatdehydrogenase und inaktiviert sie.
Enzym Phosphatase , aktiviert durch Ionen Kalzium oder Hormon Insulin, dephosphoryliert und aktiviert die Pyruvatdehydrogenase.
Die Rolle von ATP im Leben des gesamten Körpers kann kaum überschätzt werden. Unter den wichtigsten Verbrauchern von ATP sind folgende zu erwähnen:
1. Die meisten anabolen Reaktionen ( anabol Reaktionen ) passieren Zellen mit ATP, d. h.:
Synthese von Proteinen aus Aminosäuren,
Synthese von DNA und RNA aus Nukleotiden,
Synthese von Polysacchariden,
Fettsynthese
2. ATP ist für den aktiven Transmembrantransport von Molekülen und Ionen notwendig,
zur Induktion und Weiterleitung von Nervenimpulsen ( Nerv Impulse),
Aufrechterhaltung des Zellvolumens durch osmotische Mechanismen ( Osmose),
für Muskelkontraktionen ( Muskel Kontraktion),
zur Umsetzung der Biolumineszenz in Geweben ( Biolumineszenz).
3.ATP ist ein synaptischer Sender, der in verschiedenen Bereichen weit verbreitet ist
Endorgane, insbesondere in den präsynaptischen Enden von Effektorneuronen. Wenn diese Enden stimuliert werden, werden Purinabbauprodukte, Adenosin und Inosin, freigesetzt. In der Evolutionsbiologie wird allgemein angenommen, dass ATP der einzige gemeinsame Mediator aller Organismen in den frühen Stadien der Evolution war. Im Laufe der Evolution tauchten aufgrund der zunehmenden Komplexität der Struktur von Organismen neue spezialisierte synaptische Mediatoren auf. Untersuchungen an einzelnen Organen von Versuchstieren haben gezeigt, dass ATP die Entspannung der glatten Muskulatur der Verdauungsorgane fördert
Energieverbrauchsstörungen im Herzen: Ursachen und Folgen
Einer der wichtigsten Kanäle des Energieverbrauchs im menschlichen Körper ist die Herztätigkeit. Eine kontinuierliche Herzfunktion (C) erfordert einen stetigen und zuverlässigen Energieverbrauch. Durch den Verschluss einer der Arterien, die den Herzmuskel selbst versorgen, wird die Blutversorgung eines Abschnitts des Herzmuskels unterbrochen und es kommt zu einer Gewebeischämie. Eine längere Ischämieperiode führt zum Absterben von Herzmuskelzellen und Kardiomyozyten – dann entwickelt sich ein Myokardinfarkt. Wenn der Gefäßkrampf jedoch nur von kurzer Dauer war und der Blutfluss darin wiederhergestellt ist, kann die kontraktile Arbeit des Myokards vollständig wiederhergestellt werden. Dieses Problem ist im Zusammenhang mit der Entwicklung der Herztransplantationstechnologie besonders wichtig geworden. Wie wird den Herzmuskelzellen Energie zugeführt und wie wird sie genutzt?
Abb. 45 Hauptenergieverbrauchende Strukturen des Kardiomyozyten.
Die Regulierung der kontraktilen Funktion von Kardiomyozyten erfolgt durch Calciumionen. Sie dringen von außen in die Zelle ein und bewirken die Freisetzung von Calciumionen, die in den Zisternen des Sarkoplasmatischen Retikulums enthalten sind. Diese Ionen binden an Myofibrillen und bewirken deren Kontraktion.
Der Hauptverbraucher von ATP in Kardiomyozyten ist der kontraktile Apparat der Myofibrillen (Abb. 45); Sein Energiebedarf wird auf etwa 80 % des gesamten Energieaufwands geschätzt. Ungefähr 10–15 % der Energie werden für die Aufrechterhaltung des Transmembranpotentials und der Erregbarkeit von Kardiomyozyten aufgewendet. Und etwa 5 % der Energie der Zelle werden für synthetische Prozesse verwendet. Neben ATP kann eine weitere energiereiche Verbindung, Kreatinphosphat (CP), die von der Zelle effizienter genutzt wird als ATP, eine Energiequelle in Zellen sein.
Der Prozess der Energiebildung in Kardiomyozyten ist aus verschiedenen Gründen gestört. Bei einer plötzlichen Myokardischämie stoppt die ATP-Synthese in den Mitochondrien und der Gehalt an Kf und ATP nimmt schnell ab. In diesem Fall sind die Funktionen des Kontraktionsapparates am tiefsten gestört.
Schutzmechanismen bei Ischämie.
Bei der Entstehung einer Ischämie werden im Herzmuskel Schutzmechanismen aktiviert, die destruktive Prozesse reduzieren.
1. ATP-abhängige Kaliumkanäle öffnen sich (Abb. 46). Normalerweise sind sie geschlossen, aber wenn die ATP-Resynthese nicht ausreicht, öffnen sie sich und Kalium verlässt aktiv die Zellen. Damit einher geht eine Abnahme des Membranpotentials und der Zellerregbarkeit.
Abb.46. Stoffwechselfolgen einer Myokardischämie
2. Es kommt zu einer Ansäuerung des Zytoplasmas der Zellen – es entsteht eine Azidose. Das Aufhören der Oxidation in Mitochondrien während einer Ischämie führt zur Aktivierung der Glykolyse, der Ansammlung unteroxidierter Produkte,
ein Anstieg der Konzentration von Wasserstoffionen und eine pH-Verschiebung.
3. Der Abbau von ATP und Kf geht mit der Anreicherung von Phosphat in den Herzzellen einher. Dies verringert die Empfindlichkeit kontraktiler Proteine gegenüber Ca +2-Ionen.
4. Die Anreicherung von Adenosin als Folge des ATP-Abbaus blockiert Adenozeptoren auf Kardiomyozyten. Dadurch aktiviert der Neurotransmitter Noradrenalin die Herzzellen nicht und verhindert eine Abnahme der ATP- und Kp-Reserven.
So werden bereits zu Beginn des Ischämiestadiums mehrere Schutzmechanismen aktiviert, die den Eintritt von Calciumionen in Kardiomyozyten und die Empfindlichkeit des kontraktilen Apparats gegenüber der Wirkung von Calciumionen verringern. Während der Ischämie sinkt das Niveau der kontraktilen Funktion sehr schnell (innerhalb von 30 Sekunden) auf etwa 5-10 % des Ausgangsniveaus, während der Gehalt an AVTP und Kf moderat abnimmt. Dadurch können die Herzzellen Energie sparsam verbrauchen und eine ungünstige Situation überstehen Zeitraum. Bei längerer Ischämie (mehrere Stunden) verschlimmert sich der Energiemangel, die Azidose verstärkt sich – dies führt zur Zerstörung von Zellorganellen und Zellnekrose.
Eine plötzliche Unterdrückung der ATP-Synthese während einer Ischämie könnte innerhalb weniger Minuten zum Absterben von Kardiomyozyten führen, wenn die natürlichen Schutzmechanismen im Herzen nicht funktionieren. Sie unterdrücken schnell die kontraktile Aktivität und sorgen für einen sparsamen Verbrauch der Energiereserven für mehrere zehn Minuten. Die Beseitigung der Ursachen der Ischämie in diesem Zeitraum kann die Kontraktilität der Kardiomyozyten und die Herzfunktion wiederherstellen.
Die ischämische Zone kann durch die Gabe von Adenosin, Kaliumionen und Stickstoffmonoxid NO, das gefäßerweiternd wirkt, reduziert werden. Es stellte sich heraus, dass es Stickoxid ist, das die Wirkung vieler Vasodilatatoren wie Nitroglycerin vermittelt.
Zellkern
Der Begriff „Kern“ wurde 1833 von Brown geprägt, als er erstmals dauerhafte kugelförmige Strukturen in Pflanzenzellen beschrieb. Später wurden die gleichen Strukturen in allen Zellen höherer Organismen, einschließlich des Menschen, entdeckt.
Der Zellkern, normalerweise einer in einer Zelle, besteht aus Atomhülle, es vom Zytoplasma trennen, Chromatin, Nukleolus, Kernproteinmatrix(Rahmen) und Karyoplasma(Kernsaft) (Abb. 27 Chentsov).
Körniges endoplasmatisches Retikulum Atomzeit
Ribosomen
Abb.47. Zellkern
Diese Kernbestandteile sind in allen eukaryontischen Zellen vorhanden – einzelligen und mehrzelligen.
Kern(Kern-)Zelle – eine Struktur, die genetische Informationen über die Zelle und den gesamten Organismus enthält. Der Zellkern erfüllt zwei Gruppen allgemeiner Funktionen: 1 – Speicherung genetischer Informationen, 2 – deren Umsetzung in Form der Proteinsynthese.
1. Die Speicherung und Aufrechterhaltung erblicher Informationen in Form einer unveränderten DNA-Struktur ist mit der Arbeit des sogenannten verbunden. Reparaturenzyme, die spontan auftretende Schäden an DNA-Molekülen beseitigen. Reparaturenzyme wirken auch in durch Strahlung geschädigten Zellen und sorgen für eine mehr oder weniger effektive Erholung der Zellen nach Strahlenschäden. Diese Art der Reparatur wurde vom berühmten Obninsker Strahlenbiologen Prof. entdeckt. Archer N.V. in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts.
2. Eine andere Seite der Aktivität des Kerns ist die Arbeit des Proteinsyntheseapparats. Ribosomale Komponenten werden auch im Zellkern synthetisiert. Aus dem allgemeinen Schema der Proteinsynthese (Abbildung 16 Chentsov) geht hervor, dass die Informationsquelle für den Beginn der Biosynthese die DNA ist
Struktur und chemische Zusammensetzung des Zellkerns
Die überwiegende Mehrheit der Zellen höherer Säugetiere enthält nur einen Kern, obwohl es auch mehrkernige Zellen gibt – zum Beispiel Muskelfaserzellen – Myosymplasten.
Kernchromatin ist eine dichte Substanz, die fast das gesamte Volumen des Kerns ausfüllt. In sich nicht teilenden (Interphase-)Zellen ist es diffus im gesamten Zellkernvolumen verteilt; in sich teilenden Zellen wird es dichter (kondensiert) und bildet dichte Strukturen – Chromosomen. Chromatin lässt sich gut mit basischen Farbstoffen färben , Deshalb erhielt es seinen Namen (vom griechischen chroma – Farbe, Farbe). Chromatin enthält DNA im Komplex mit Proteinen – Histon (alkalisch) und Nicht-Histon. Die Genetiker nennen es diffuses Chromatin von Interphasekernen Euchromatin, kondensiertes Chromatin – Heterochromatin. In beiden Formen besteht Chromatin aus 20–25 nm dicken Fibrillen.
Es ist bekannt, dass die Länge einzelner DNA-Moleküle Hunderte von Mikrometern und sogar einen Zentimeter erreichen kann. Im menschlichen Chromosomensatz ist das längste Chromosom das erste, bis zu 4 cm lang. Chromosomen haben viele Orte unabhängiger Replikation (Duplikation) – Replikons. Somit ist DNA eine Kette tandemartig angeordneter Replikons unterschiedlicher Größe.
Chromatinproteine machen 60–70 % seines Trockengewichts aus. Histone (alkalische Proteine) sind nicht gleichmäßig entlang des DNA-Moleküls verteilt, sondern enthalten in Form von Blöcken jeweils acht Histonmoleküle, die die Struktur bilden Nukleosom. Der Prozess der Nukleosomenbildung geht mit einer Superspiralisierung der DNA und einer Verkürzung ihrer Länge um etwa das Siebenfache einher.
Neben der DNA enthält der Zellkern auch Boten-RNA-Moleküle, die mit Proteinen verbunden sind.
Chromosomenzyklus
Es ist bekannt, dass weibliche und männliche Fortpflanzungszellen einen einzigen Chromosomensatz tragen und daher zweimal weniger DNA enthalten als andere Körperzellen. Als Geschlechtszellen werden Geschlechtszellen mit einem einzigen Chromosomensatz bezeichnet haploid. Ploidität, also Multiplizität, wird in der Genetik mit dem Buchstaben n bezeichnet. Somit sind Zellen mit einem Satz von 1n haploid, mit 2n diploid und mit 3n triploid. Dementsprechend hängt die DNA-Menge in einer Zelle (gekennzeichnet mit dem Buchstaben c) von ihrer Ploidie ab: Zellen mit einer Chromosomenzahl von 2n enthalten eine DNA-Menge von 2c. Bei der Befruchtung verschmelzen zwei haploide Zellen, von denen jede einen Satz 1n-Chromosomen trägt, und bilden sich so diploid(2n,2c)-Zelle ist eine Zygote. Durch die Teilung der diploiden Zygote und die anschließende Teilung diploider Zellen entsteht dann ein Organismus, dessen Zellen diploid und einige davon (sexuell) wieder haploid sind.
Dem Teilungsprozess diploider Zellen geht jedoch eine Phase der DNA-Synthese-Reduplikation voraus, d.h. Zellen erscheinen mit einer DNA-Menge von 4c, ihre Chromosomenzahl beträgt 4 n. Und erst nach der Teilung einer solchen tetraploiden (4c) Zelle entstehen zwei neue diploide Zellen.
Es ist schwierig, Chromosomen in den Kernen von Interphase-Zellen (Ruhezellen) zu erkennen. Sie erscheinen im Zellkern kurz vor der Zellteilung. In der Interphase kommt es jedoch zu einer Verdoppelung und Verdoppelung der Chromosomen. Während dieser Periode findet die DNA-Synthese statt, weshalb sie als synthetische oder S-Periode bezeichnet wird. Während dieser Zeit wird in den Zellen eine DNA-Menge von mehr als 2c nachgewiesen. Nach dem Ende der S-Periode beträgt die DNA-Menge in der Zelle 4c (vollständige Verdoppelung des Chromosomenmaterials). Wenn man die Anzahl der Chromosomen in der Prophase zählt, sind es 2n, aber das ist ein falscher Eindruck, denn Zu diesem Zeitpunkt ist jedes Chromosom doppelt (aufgrund der Verdoppelung). In diesem Stadium steht ein Chromosomenpaar in engem Kontakt miteinander und dreht sich umeinander. Folglich bestehen Chromosomen bereits zu Beginn der Prophase aus zwei Schwesterchromosomen – Chromatiden. In der nächsten Phase – der Metaphase – bleiben sie miteinander verbunden, wenn sich die Chromosomen in der Äquatorialebene der Zelle ausrichten. Im nächsten Stadium, der Anaphase, divergieren Paare homologer Chromosomen zu entgegengesetzten Polen der Zelle, woraufhin sich die Zelle teilt. Dann, in der Telophase, beginnen die divergierenden diploiden Chromosomensätze (2n) zu dekondensieren, d. h. lösen. So endet ein Chromosomenzyklus und der nächste beginnt (Abb. 31 Chentsov). Der Chromosomenzyklus (Zellzyklus) in mehrzelligen Eukaryoten dauert 1–1,5 Tage.
Nukleolus (Nukleolus)
Im Kern aller eukaryotischen Zellen sind ein oder mehrere runde Körper sichtbar – Nukleolen. Sie lassen sich gut mit basischen Farbstoffen färben, da sie reich an RNA sind. Der Nukleolus ist ein Derivat der Chromosomen, während er ein eigenständiges Organell ist, dessen Funktion darin besteht, ribosomale RNA und Ribosomen zu bilden. Der Nukleolus weist eine heterogene Struktur auf – der zentrale Teil ist fibrillär, wo sich Ribosomenvorläufer konzentrieren, und die Peripherie ist körnig, wo sich reifende ribosomale Untereinheiten konzentrieren.
Kernhülle (Karyolemma)
Es handelt sich um eine Struktur, die den Zellkern begrenzt. Es trennt die beiden intrazellulären Bestandteile voneinander – den Zellkern vom Zytoplasma. Die Bedeutung dieser räumlichen Strukturtrennung ist wichtig: Sie schafft (im Vergleich zu Prokaryoten) zusätzliche Möglichkeiten zur Regulierung der Genaktivität bei der Synthese spezifischer Proteine.
Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen – einer äußeren und einer inneren, zwischen denen sich der perinukleäre Raum befindet (Abb. 106 Chentsov). Im Allgemeinen kann die Kernhülle als zweischichtiger Beutel dargestellt werden, der den Kerninhalt vom Zytoplasma trennt. Die Kernhülle weist jedoch ein charakteristisches Merkmal auf, das sie von anderen Membranstrukturen der Zelle unterscheidet – es handelt sich um spezielle Kernporen, die durch die Verschmelzung zweier Kernmembranen entstehen.
Die äußere Membran der Kernhülle gehört zum Membransystem des endoplasmatischen Retikulums – darauf befinden sich zahlreiche Polyribosomen, und die Kernmembran selbst geht in die Retikulummembranen über. Die innere Membran der Kernhülle weist auf ihrer Oberfläche keine Ribosomen auf. Es ist jedoch mit Chromatin verbunden und dies ist ein charakteristisches Merkmal der inneren Kernmembran.
Eine weitere Funktion der Kernmembran ist die Schaffung intranukleärer Ordnung, Architektur und Fixierung von Chromosomenmaterial im dreidimensionalen Raum.
Kernporen entstehen durch die Verschmelzung zweier Kernmembranen. Die Porenöffnungen haben einen Durchmesser von etwa 90 nm. Der Kernporenkomplex, der 8 periphere Proteinkörnchen und ein zentrales umfasst, ist am Transport von Protein- und Nukleoproteinmolekülen sowie an der Erkennung dieser Moleküle beteiligt. Dieser Transportprozess ist aktiv und erfordert ATP. Im Durchschnitt liegen pro Kern mehrere tausend Porenkomplexe vor (Abb. 109 Chentz).
Kernproteinmatrix
Die Prozesse der Replikation (Verdoppelung) und Transkription (Lesen von Informationen) des Chromatins laufen im Zellkern streng geordnet ab. Zur Umsetzung dieser Prozesse gibt es ein intranukleäres System, das alle Kernkomponenten vereint – Chromatin, Nukleolus, Kernhülle. Diese Struktur ist das Kernproteingerüst oder die Matrix (NPM). Gleichzeitig stellt es keine klare morphologische Struktur dar. Entsprechend der morphologischen Zusammensetzung besteht die Kernmembran aus drei Komponenten: einer netzförmigen Proteinschicht – der Lamina, einem inneren Netzwerk – dem Skelett und einem „Rest“-Nukleolus. Der Hauptbestandteil der Strukturen von Kernmembranen sind fibrilläre Proteine, die in ihrer Aminosäurezusammensetzung den intermediären Mikrofilamenten ähneln.
Die Rolle der Kernhülle beim Kern-Zytoplasma-Austausch.
Die Kernhülle fungiert als Regulator des Kern-Zytoplasma-Austauschs. Der Produktaustausch zwischen Kern und Zytoplasma ist sehr groß: Alle Kernproteine dringen aus dem Zytoplasma in den Kern ein und die gesamte RNA wird aus dem Kern entfernt. Kernporenkomplexe dienen dabei nicht nur als Transportmechanismus (Translokator), sondern auch als Sortierer des übertragenen Materials. Durch die Poren gelangen Ionen, Zucker, Nukleotide, ATP und Hormone durch passiven Transport in den Zellkern. Bei der Methode des passiven Transports dringen hochmolekulare Verbindungen mit einer Masse von maximal 5,10 3 Da in beide Richtungen durch die Kernmembran. Der aktive Transport von Makromolekülen in beide Richtungen erfolgt durch Kernporen.
Nichtmembranorganellen.
Ribosomen. Diese spezialisierten Zellorganellen sorgen für die Synthese von Proteinen und Polypeptiden. Sie kommen in allen Arten tierischer Zellen vor und sind hochmolekulare Ribonukleoproteine. Ribosomen (R) enthalten Proteine und eine spezielle Art von RNA, die ribosomale RNA (rRNA) genannt wird. Maß P – 20 x 20 x 20 nm. Besteht aus großen und kleinen Untereinheiten. Jede der Untereinheiten wird aus einem Ribonukleoproteinstrang gebildet. Zellen enthalten einzelne Ps und ihre Komplexe – Polyribosomen. Sie können frei im Hyaloplasma lokalisiert oder mit den Membranen des endoplasmatischen Retikulums assoziiert sein. Typischerweise ist freies P in unspezialisierten und schnell wachsenden Zellen enthalten, während das mit dem Retikulum assoziierte in spezialisierten Zellen vorkommt. Darüber hinaus synthetisiert freies P Protein für den Eigenbedarf der Zelle und gebundenes Protein für den Export.
Reis. „Bündel“ von Ribosomen
Zytoskelett. Dabei handelt es sich um das Muskel-Skelett-System in der Zelle, das ein echtes Zellskelett bildet (Abb.). Das System enthält Proteinfilamentformationen. Die filamentösen und fibrillären Strukturen des Zytoskeletts sind dynamische Gebilde, die je nach Funktionszustand der Zelle erscheinen und verschwinden. Die Hauptbestandteile des Zytoskeletts sind: Mikrotubuli und Mikrofilamente.
Mithilfe von Immunfluoreszenzmethoden wurde festgestellt, dass Mikrofilamente kontraktile Proteine enthalten – Aktin, Myosin, Tropomyosin. Das heißt, Mikrofilamente sind nichts anderes als der kontraktile Apparat der Zelle, der die Beweglichkeit sowohl der Zelle selbst als auch der darin enthaltenen Organellen gewährleistet. Mikrofilamente haben eine Dicke von 5–7 nm.
Mikrotubuli sind an der Bildung temporärer (Teilungsspindel, Zytoskelett der Interphasezellen) und permanenter Strukturen (Zentriolen, Zilien, Flagellen) beteiligt. Es handelt sich um gerade, unverzweigte Hohlzylinder mit einem Durchmesser von 24 nm, die Dicke der Zylinderwand beträgt 5 nm. Im Elektronenmikroskop zeigt ein Querschnitt der Mikrotubuli 13 Untereinheiten des Tubulin-Proteins.
Zellzentrum (Zentrosom). Besteht aus Zentriolen und zugehörigen Mikrotubuli. Mithilfe elektronenmikroskopischer Methoden konnte die Feinstruktur von Zentriolen untersucht werden. Die Basis dieser Struktur bilden 9 Mikrotubuli-Drillinge, die einen Hohlzylinder bilden (Abb.). Seine Breite beträgt etwa 2 nm, seine Länge 3-5 nm.
Typischerweise gibt es in Interphasezellen zwei Zentriolen, die eine einzige Struktur bilden – ein Diplosom. Darin stehen die Zentriolen im rechten Winkel zueinander. Von den beiden Zentriolen unterscheidet man ein Mutter- und ein Tochterzentriolen. Das Ende des Tochterzentriols ist zur Oberfläche des Mutterzentriols gerichtet.
Zur Vorbereitung der mitotischen Teilung verdoppelt die Zelle ihre Zentriolen. Interessanterweise ist die Zunahme der Anzahl der Zentriolen nicht mit ihrer Teilung, Knospung oder Fragmentierung verbunden, sondern ist das Ergebnis der Bildung eines Primordiums neben dem ursprünglichen Zentriol.
Vor der Mitose dienen Zentriolen als Zentrum für die Bildung der Mikrotubuli-Spindel.
Zusätzlich zu den genannten Strukturen umfassen einige Zellen Zilien und Flagellen, bei denen es sich um Auswüchse des Zytoplasmas handelt. Innerhalb dieser Prozesse befindet sich ein komplexes kontraktiles System aus Mikrotubuli und kontraktilen Proteinen wie Tubulin und Dynein. Zellen bewegen sich mit Hilfe von Zilien und Flagellen.
Vorlesung 5. Integrale Zellreaktionen
Die gesamte Vielfalt der Stoffumwandlungen in Zellen besteht aus Ketten biochemischer Reaktionen. Um biochemische Reaktionen durchzuführen, ist es notwendig, dass Stoffe in die Zelle gelangen – Endozytose, Umwandlung von Stoffen in der Zelle - Stoffwechsel, und die Entfernung von Stoffwechselendprodukten in Form von unnötigen Abfällen oder biologisch aktiven Substanzen, die für den Körper notwendig sind – Exozytose.
Endozytose. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Endozytose durchzuführen:
Transmembraner passiver und aktiver Stofftransport in die Zelle. Diese Form der Endozytose wird im entsprechenden Kapitel beschrieben.
Unter Pinozytose versteht man die Aufnahme flüssiger kolloidaler Partikel durch eine Zelle.
Unter Phagozytose versteht man das Einfangen dichter und großer korpuskulärer Partikel durch eine Zelle bis hin zum Einfangen anderer Zellen.
Im Allgemeinen wird das Eindringen von festen oder flüssigen Stoffen in eine Zelle von außen als Heterophagie bezeichnet. Dieser Prozess ist wichtig für den menschlichen Körper in solchen Organen und Systemen wie Schutz (phagozytische Aktivität von Blutneutrophilen, Makrophagen), Umstrukturierung im Knochengewebe (Osteoklasten), Bildung des Hormons Thyroxin in den Follikeln der Schilddrüse, Rückresorption von Proteinen usw andere Makromoleküle in den Tubuli des Nephrons der Nieren.
Mobilfunk Stoffwechsel oder Stoffwechsel ist eine Reihe von Prozessen der Biosynthese komplexer biologischer Moleküle aus einfacheren (Assimilation) und Reaktionen des Abbaus komplexer Makromoleküle unter Freisetzung von Wärmeenergie, die von Zellen für verschiedene Zwecke genutzt wird (Dissimilation).
Die Zelle nutzt effektiv die Energie, die in den chemischen Bindungen der mit der Nahrung zugeführten Proteine, Kohlenhydrate und Fette enthalten ist und bei deren Abbau (Hydrolyse) im Verdauungstrakt freigesetzt wird. Das heißt, der Zellstoffwechsel erfolgt nach den Regeln des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik – Energie wird weder erzeugt noch zerstört, sie geht von einer Art in eine andere über, die für die Verrichtung von Arbeit geeignet ist.
Schematisch laufen die Prozesse der Dissimilation von Nährstoffen so ab, dass sie im Anfangsstadium im Verdauungstrakt in Monomere (Proteine in Aminosäuren, Fette in Fettsäuren, Kohlenhydrate in Monosaccharide) zerlegt werden und anschließend unabhängig von der Art der Nährstoffe, weiter
Exozytose. Auch die Entfernung von Stoffen aus Zellen erfolgt über mehrere Mechanismen. Ebenso wie die Endozytose findet ein aktiver und passiver Stofftransport aus der Zelle statt. Beim aktiven Transport werden Ionen und kleine Moleküle entfernt, beim passiven Transport werden die meisten anorganischen Substanzen und Endprodukte des Stoffwechsels (sogenannte Abfallprodukte) entfernt.
Zur Entfernung großer molekularer Verbindungen aus Zellen steht eine weitere Entfernungsmethode zur Verfügung. Sie reichern sich im Zytoplasma des Golgi-Apparats in Form von Transportvesikeln an und werden mit Hilfe eines Systems von Mikrotubuli an der Plasmamembran der Zelle konzentriert. Die Vesikelmembran ist in die Plasmamembran eingebettet und der Inhalt der Vesikel wird aus der Zelle transportiert. Die Verschmelzung des Vesikels mit dem Plasmalemma kann ohne zusätzliche Signale erfolgen – dies wird Exozytose genannt konstitutiv. Auf diese Weise werden in der Regel die Produkte des zelleigenen Stoffwechsels, sogenannte Abfallprodukte, ausgeschieden. Aber ein erheblicher Teil der Zellen synthetisiert spezielle Substanzen, die für das Funktionieren des Körpers notwendig sind – Geheimnisse. Damit das Sekretvesikel mit dem Plasmalemma verschmelzen kann, ist ein Signal von außen notwendig. Diese Exozytose nennt man einstellbar. Signalmoleküle, die die Ausscheidung von Sekreten stimulieren, werden Liberine genannt, und diejenigen, die die Ausscheidung hemmen, werden Statine genannt. Diese Methode der Exozytose kommt im neuroendokrinen System bei der Produktion von Hormonen und Neurotransmittern sehr häufig vor.
Interzelluläre Interaktionen
Zellfunktionen
Zellreproduktion. Zellzyklus.
Nach einem der Postulate der Zelltheorie ist die Zellreproduktion, d.h. Eine Zunahme ihrer Zahl erfolgt durch Teilung der ursprünglichen Zelle. Diese Regel gilt sowohl für eukaryontische als auch für prokaryontische Zellen. Man nennt die Lebensdauer einer Zelle als solche, von der Teilung bis zur nächsten Teilung, bzw. von der Teilung bis zu ihrem Tod Zellzyklus . Im Körper haben Zellen verschiedener Gewebe und Organe unterschiedliche Teilungsfähigkeiten. Beispielsweise gibt es in allen Organen Zellpopulationen, die die Fähigkeit zur Teilung vollständig verloren haben. Dabei handelt es sich um spezialisierte oder differenzierte Zellen. Sie erfüllen in der Regel besondere Funktionen, die nur diesem Zelltyp eigen sind, und sind Teil des Parenchyms von Organen.
Der Körper enthält aber auch sich ständig erneuernde Gewebe – Epithel- und hämatopoetisches Gewebe. In solchen Geweben gibt es einen ziemlich großen Anteil aktiv teilender Zellen, die veraltete Zellen ersetzen. Bei sich teilenden Zellpopulationen beträgt die Zyklusdauer in der Regel 10–30 Stunden. Teilende Zellen verfügen je nach Stadium des Zellzyklus über unterschiedliche Mengen an DNA. Dies ist sowohl für Keim- als auch für Körperzellen typisch. Es ist bekannt, dass männliche und weibliche Keimzellen einen einzigen (haploiden) Chromosomensatz tragen und halb so viel DNA enthalten wie somatische diploide Zellen des gesamten Organismus. Ploidie wird in der Genetik mit dem Buchstaben bezeichnet N . Somit tragen Keimzellen einen 1n-Satz, Körperzellen einen 2n-Satz, d.h. Sie sind diploid, es gibt Zellen mit einem Chromosomensatz 3n – das ist ein triploider Satz.
Während des Zellzyklus enthält eine Population diploider Zellen sowohl diploide als auch tetraploide Chromosomensätze und während der Zellruhezeit (Interphase) mittlere Mengen an DNA. Diese Heterogenität ist darauf zurückzuführen, dass die Verdoppelung der DNA-Menge vor Beginn der Teilung (Mitose) erfolgt.
Alle Zellzyklus(Animation im Internet) besteht aus vier Zeiträumen: der eigentlichen Mitose (M), der präsynthetischen (G 1), der synthetischen (S) und der postsynthetischen (G 2) Interphase.
In der G 1-Periode, die unmittelbar auf die Mitose folgt, weisen Zellen einen diploiden DNA-Gehalt auf (2c; c ist der DNA-Gehalt, der der Ploidie entspricht). Während dieser Zeit beginnt das Zellwachstum aufgrund der Ansammlung zellulärer Proteine und die Zelle bereitet sich auf die Synthesephase vor. In dieser Zeit wird die Synthese von Enzymen aktiviert,
notwendig für die Bildung von DNA-Vorläufern. Der Energiebedarf in der Zelle steigt stark an.
In der S-Periode verdoppelt sich die Menge an DNA (Reduplikation) und die Anzahl der Chromosomen verdoppelt sich (1n--- 2n). In verschiedenen Zellen in der S-Periode können unterschiedliche Mengen an DNA gefunden werden – von 2 s bis 4 S. Während dieser Zeit erhöht sich der RNA-Gehalt entsprechend der DNA-Menge.
Die postsynthetische Phase von G 2 wird auch als prämitotisch bezeichnet. Während dieser Zeit wird die Synthese der für die Mitose notwendigen Boten-RNA aktiviert.
Am Ende dieses Zeitraums, vor der Mitose, nimmt die RNA-Synthese ab.
Im wachsenden Gewebe von Tieren und Pflanzen gibt es eine Reihe von Zellen, die sich sozusagen außerhalb des Zellzyklus befinden. Diese Zellen werden Zellen der G0-Periode oder Ruhephase genannt. Sie treten nach der Mitose nicht in das nächste Stadium -G 1 ein, sondern hören auf, sich zu teilen. Gleichzeitig differenzieren sie nicht und verbleiben in einem mitosebereiten Zustand. Beispielsweise befinden sich die meisten Leberzellen in der G 0-Periode – sie synthetisieren keine DNA und teilen sich nicht. Nach der Entfernung eines Teils der Leber treten jedoch, wie experimentell an Tieren gezeigt wurde, die meisten Leberzellen in den Mitosezyklus ein. Viele Zellen verlieren vollständig die Fähigkeit, in den Mitosezyklus zurückzukehren – beispielsweise Neuronen im Gehirn.
Zellzyklus und Strahlenempfindlichkeit
Interessant ist, dass sich verschiedene Stadien des Zellzyklus deutlich in ihrer Empfindlichkeit gegenüber äußeren Einflüssen unterscheiden. Beispielsweise reagieren die G 1-Periode und die Mitose selbst am empfindlichsten auf chemische Stoffe und physikalische Einflüsse wie ionisierende Strahlung, während der Hauptteil der Interphase (G 2- und S-Periode) weniger empfindlich ist. Experimentelle Studien an Zellkulturen bestrahlter Tiere haben gezeigt, dass die Unterschiede in der Strahlenempfindlichkeit zwischen den Stadien des Zellzyklus das 40-fache oder mehr betragen können. Darüber hinaus ändern sich in bestrahlten Zellen die Zeitparameter einzelner Phasen des Zyklus; Beispielsweise kommt es zu einer Verzögerung des Beginns des Mitosestadiums und einer Verlängerung des G2-Stadiums.
In der Strahlenzytologie sind Phänomene der spontanen Wiederherstellung der Vitalaktivität bestrahlter Zellen nach potenziell tödlichen Schäden bekannt. Dieser Effekt wurde in den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts vom russischen Forscher W. I. Korogodin entdeckt und war für die Beurteilung der tatsächlichen Strahlenempfindlichkeit von Zellen und des gesamten Körpers von wesentlicher Bedeutung.
Zellteilung: Mitose.
Mitose (Karyokinese, indirekte Teilung) ist eine universelle Methode zur Teilung beliebiger eukaryontischer Zellen (Animationsfilm im Internet). Bereits in der vorangegangenen prämitotischen Periode synthetisiert, wandeln sich 2 Chromosomen (doppelter Satz – 4n) in eine kondensierte kompakte Form um, eine Teilungsspindel in der Zelle wird gebildet und homologe Chromosomen divergieren zu den gegenüberliegenden Polen der Zelle, danach zum Zytoplasma der Zelle wird geteilt (Zytokinese, Zytotomie).
Der Mitoseprozess wird herkömmlicherweise in mehrere Hauptphasen unterteilt: Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase.(Reis)
Prophase. Wie bereits erwähnt, beträgt die DNA-Menge am Ende der S-Periode im Interphasekern der Zelle 4 s, da bereits eine Verdoppelung des Chromosomenmaterials stattgefunden hat. Morphologisch im Lichtmikroskop unterscheidet sich die Anzahl der Chromosomen in der Prophase jedoch um 2n, obwohl sich jedes von ihnen bereits verdoppelt hat. Allerdings ist die Dualität des Chromosomensatzes am Ende der Prophase aufgrund des aktiv ablaufenden Prozesses der Chromosomenkondensation (Verdichtung) bereits morphologisch erkennbar. Die Anzahl der Chromosomen 4n entspricht genau der DNA-Menge - 4 s.
Prophase
Prometaphase
Telophase
Metaphase
Anaphase
Reis. Mitose
In der Prophase nimmt der Grad der Syntheseprozesse in der Zelle deutlich ab und es entsteht eine Spaltspindel – ein Apparat zur Verdünnung von genetischem Material an die beiden Pole der Zelle.
Metaphase. Diese Phase nimmt etwa ein Drittel der gesamten Mitosezeit ein. Seine Besonderheit besteht darin, dass zu diesem Zeitpunkt die Bildung der Spindel endet und sich die Chromosomen am Äquator der Spindel in der Mitte der Zelle ausrichten. Die Zelle in dieser Phase hat ein charakteristisches Aussehen, das als „Metaphasenplatte“ oder Mutterstern bezeichnet wird. Am Ende der Metaphase sind verdoppelte und verdichtete Chromosomen im Lichtmikroskop bereits deutlich in Form dicht nebeneinander liegender Schwesterchromatiden sichtbar. Ihre Arme sind parallel zueinander, zwischen den Chromatiden besteht jedoch bereits ein Trennraum.
Anaphase. Die in der Zellmitte aufgereihten homologen Chromosomen verlieren den Kontakt zueinander und beginnen synchron zu den gegenüberliegenden Polen der noch nicht geteilten Zelle auseinanderzulaufen. Dies ist die kürzeste Phase der Mitose. Zu diesem Zeitpunkt finden jedoch wichtige Ereignisse statt: die Trennung zweier identischer Chromosomensätze und ihre Bewegung zu den beiden Polen der Zelle.
Telophase. Zwei Chromosomensätze (2nx 2) bilden zwei Zellkerne; Gleichzeitig findet der Prozess der Teilung der ursprünglichen Zelle in zwei Tochterzellen statt – Zytokinese, Zytotomie. In der Submembranschicht des Zytoplasmas befinden sich kontraktile Proteine wie Aktinfibrillen, die in der Äquatorzone der Zelle ausgerichtet sind. Diese Proteine bewirken die „Einschnürung“ der Zelle im Zentrum und ihre Teilung in zwei Tochterzellen. Die Mitose endet.
Wenn der Mitoseapparat geschädigt ist, kann es zu einer Verzögerung der Mitose in der Metaphase oder sogar zu einer Chromosomenstreuung kommen. Darüber hinaus können multipolare und asymmetrische Mitosen auftreten. Wenn Zytotomieprozesse gestört sind, entstehen Riesenkerne oder mehrkernige Zellen. Solche Effekte werden bei der malignen Transformation von Zellen sowohl unter dem Einfluss externer Quellen (chemische Wirkstoffe, Medikamente, ionisierende und nichtionisierende Strahlung, Viren) als auch unter dem Einfluss von beobachtet interne Faktoren (zum Beispiel einige Hormone, biologisch aktive Substanzen).
Meiose
Neben der mitotischen Teilung somatischer Zellen, die in allen Organen und Geweben des Körpers vorkommt, gibt es eine besondere, einzigartige Form der Zellreproduktion, die zur Bildung von Keimzellen mit haploidem Chromosomensatz führt. Diese Form wird Meiose genannt und kommt bei höheren Tieren (und Menschen) und höheren Pflanzen in den primären Zeugungsorganen vor. Beim Menschen erfolgt die Bildung von Geschlechtszellen (Gameten) in den Hoden (bei Männern) und Eierstöcken (bei Frauen).
Die Bildung männlicher Keimzellen (Spermatogenese) erfolgt im Gewebe der gewundenen Samenkanälchen des Hodens und umfasst vier aufeinanderfolgende Phasen: Fortpflanzung, Wachstum, Reifung und Bildung (Abb.).
Anfangsphase der Spermatogenese – Reproduktion Spermatogenes Epithel und die Bildung reiferer Zellen - Spermatogonie. Unter den Spermatogonien gibt es einen Pool von Stammzellen, die die Quelle für die Bildung neuer Zellen sind, und ein anderer Teil der Spermatogonien setzt die weitere Reifung oder Differenzierung fort.
Das Ergebnis dieser Reifung (Phase Wachstum) ist der Verlust der Teilungsfähigkeit der Zelle, die Bildung einer Zelle, die als primärer Spermatozyten oder Spermatozyten 1. Ordnung bezeichnet wird. Während dieser Zeit nimmt das Volumen der Spermatozyten 1. Ordnung zu und tritt in das Stadium der ersten meiotischen Teilung (Reduktionsteilung) ein. Dieses Stadium ist lang und besteht aus 5 Stadien: Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän und Diakinese. Nach der Teilung enthält jede der beiden Tochterzellen, Spermatozyten 2. Ordnung oder sekundäre Spermatozyten genannt, bereits eine haploide Anzahl von Chromosomen (23 beim Menschen). ).
Die nächste Phase ist die zweite Division (Phase Reifung), die als normale Mitose in sekundären Spermatozyten ohne Reduplikation (Verdoppelung) der Chromosomen auftritt. Dadurch entstehen aus zwei sekundären Spermatozyten vier Zellen mit einem haploiden Chromosomensatz – Spermatiden. Somit entstehen aus jeder anfänglichen Spermatogonie 4 Spermatiden, die einen haploiden (einzelnen) Chromosomensatz haben.
Die Spermatiden teilen sich nicht mehr und werden nach komplexen morphologischen Veränderungen zu reifen Spermatozoen. Diese Transformation findet im letzten Stadium der Spermatogenese statt – der Phase Formation Sperma.
Spermatogonie (diploide Zelle)
Mitose
Zusätzliche Spermatogonie
Primärer Spermatozyten
Erste meiotische Teilung
Sekundärer Spermatozyten
Zweite meiotische Abteilung
Spermatiden (haploide Zellen)
Sperma
Kopf
Nacken
Schwanz
Reis. Spermatogenese
Der Prozess der Spermatogenese dauert beim Menschen etwa 75 Tage und verläuft in Wellen entlang der gewundenen Samenkanälchen. In einem bestimmten Abschnitt des Tubulus befindet sich ein bestimmter Satz spermatogener Epithelzellen.
Vorlesung 6. Zellreaktionen auf äußere Einflüsse.
Die Zellen des Körpers sind ständig verschiedenen Umweltfaktoren – chemischen, physikalischen und biologischen – sowie inneren Einflüssen – nervösen und neurohumoralen – ausgesetzt. Diese Faktoren verursachen primäre Störungen der Zellstrukturen, die meist zu einer Funktionsstörung eines Organs oder Systems führen. Das Schicksal der Zellen hängt von der Intensität der Exposition, ihrer Art und Dauer ab. Nach Störungen können sich Zellen anpassen, sich an den Einflussfaktor anpassen, sich nach Aufhebung der schädigenden Wirkung erholen oder irreversible Veränderungen führen letztendlich zum Zelltod.
Bei reversiblen Schäden reagieren Zellen mit einer Reihe funktioneller und morphologischer Veränderungen. Eines der häufigsten Kriterien für Zellschäden ist eine Veränderung der Fähigkeit von Zellen, mit verschiedenen Farbstoffen zu interagieren. Normale Zellen nehmen in Wasser gelöste Farbstoffe auf und lagern sie als Granulat im Zytoplasma ab; Der Kern ist nicht fleckig. Geschädigte Zellen (durch Erhitzen, Druckänderungen, pH-Wert der Umgebung, Einwirkung eines Denaturierungsmittels) verlieren diese Fähigkeit und die Farbe verteilt sich diffus nicht nur im Zytoplasma, sondern auch im Zellkern. Im Falle einer reversiblen Schädigung wird die Granulatbildung im Zytoplasma der Zellen wiederhergestellt, sofern die Wirkung des äußeren Faktors aufgehoben wird.
Ein weiteres charakteristisches Zeichen einer Zellschädigung ist eine Abnahme der Atmungsprozesse in der Zelle, während die für die ATP-Synthese notwendige oxidative Phosphorylierung deutlich abnimmt. Geschädigte Zellen zeichnen sich durch verstärkte glykolytische Prozesse (Ansäuerung), einen Abfall der ATP-Menge und eine Aktivierung der Proteolyse (Denaturierung von Proteinen) aus. Der gesamte Satz unspezifischer reversibler Veränderungen in Zellen, die unter dem Einfluss verschiedener Wirkstoffe auftreten, wird als bezeichnet „Paranekrose“. In diesem anfänglichen und reversiblen Stadium der Veränderung werden die Prozesse der zellulären Assimilation und Dissimilation nicht wesentlich verändert.
Bei einer irreversiblen Schädigung des Zellstoffwechsels kommt es jedoch zu Ereignissen, die nicht nur das Zytoplasma, sondern auch den Kernapparat betreffen. Die bedeutendste Manifestation irreversibler Veränderungen in einer geschädigten Zelle ist die Kondensation (Verdichtung, Aggregation) von Chromatin, ein Rückgang der Kernsyntheseprozesse. Wenn eine Zelle stirbt, bildet Chromatin grobe Klumpen im Zellkern (Pyknose) und der Zellkern selbst zerfällt oder löst sich sogar auf (Karyorrhexis).
In geschädigten Zellen nimmt die mitotische Aktivität stark ab und die Zellen verzögern sich in verschiedenen Mitosestadien. Die Durchlässigkeit der Zellmembranen wird gestört, was zu einer Vakuolisierung der Membranorganellen der Zelle führt. Gleichzeitig kommt es in der Zelle zu einer intensiven Anreicherung einzelner Produkte eines gestörten Stoffwechsels. Im Allgemeinen werden solche Veränderungen der Zellstruktur als Pathologie bezeichnet Dystrophien. So sammeln sich beispielsweise bei einer Fettdegeneration Fetteinschlüsse in den Zellen an, bei einer Kohlenhydratdegeneration - Glykogen, bei einer Proteindegeneration - die Ablagerung von Proteinkörnern, Pigmenten usw. Das Endstadium irreversibler Zellveränderungen ist deren Absterben, auf Gewebe- und Organebene äußert sich dies in der Form Nekrose oder Absterben von Gewebe (Organ).
Eine besondere Form von Störungen in der Regulierung des Zellstoffwechsels ist eine Verletzung der Zelldifferenzierung, die meist zur Entwicklung führt Tumorprozess. Tumorzellen zeichnen sich durch unkontrollierte Vermehrung, autonomes Verhalten im Körper und Störungen interzellulärer Interaktionen aus. Alle diese Eigenschaften von Tumorzellen bleiben von Generation zu Generation erhalten, d.h. sind vererbbar. Aufgrund dieser Merkmale gelten Krebszellen unter dem Gesichtspunkt der Ungehorsamheit ihres Verhaltens gegenüber den regulatorischen Einflüssen des Körpers als Mutanten.
Dabei spielen die molekularen Prozesse zur Aufrechterhaltung und Regulierung der Ionenhomöostase von Zellen unter normalen Bedingungen und während der malignen Transformation eine wichtige Rolle. Konzept Zellionenhomöostase(IGC) umfasst ein System zur Regulierung der Aktivität von Ionen, die für eine normale intrazelluläre Umgebung sorgen, und von Wasser. Zu den wichtigsten Ionen für das Leben einer Zelle gehören K + , Na + , Ca 2+ , H + , PO 2- und Ionen so energieintensiver Moleküle wie ATP und ADP (Adenosindiphosphat). IGC kann das Zellverhalten steuern, indem es zunächst die quantitativen Beziehungen zwischen den Hauptsystemen der Zelle verändert – zum Beispiel die Intensität der Protein- und RNA-Synthese, die Masse des Zytoplasmas und des Zellkerns usw. Im Falle einer Funktionsstörung von IGCs in Zellen verändern sich zunächst die molekularen Mechanismen ihrer Interaktionen untereinander, wodurch Tumorzellen autonomes Verhalten und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber regulatorischen Einflüssen erlangen (Malenkov A.G., 1976). ).
Zelltod.
Es gibt zwei Formen des Zelltods – Nekrose Und Apoptose.
Nekrose hauptsächlich durch verschiedene äußere Faktoren verursacht, die direkt oder indirekt die Membranpermeabilität und den Zellstoffwechsel beeinflussen. In allen Fällen kommt es zu einer Kette morphofunktioneller Störungen, die letztlich zur Zellauflösung – Lyse – führen.
Nekrose ist also eine Form des Zelltods, die gekennzeichnet ist durch:
funktionell - irreversibles Aufhören ihrer lebenswichtigen Funktionen,
morphologisch – Verletzung der Membranintegrität, Veränderungen im Zellkern (Pyknose, Karyorrhexis, Lyse), Zytoplasma (Ödem), Zellzerstörung, Entzündungsreaktion,
biochemisch - beeinträchtigte Energieproduktion, Koagulation und hydrolytischer Abbau von Proteinen, Nukleinsäuren, Lipiden,
genetisch – Verlust der genetischen Information. (Lushnikov E.F., Abrosimov A.Yu., 2001).
Apoptose ist ein Prozess des Zelltods, der ohne eine primäre Störung des Zellstoffwechsels ablaufen kann. Wird häufiger als Apoptose bezeichnet programmierter Zelltod; Damit ist gemeint, dass sich diese Form des Zelltods tatsächlich nach einem Programm entwickelt, das im genetischen Apparat der Zellen verankert ist. Gleichzeitig werden durch die Einwirkung verschiedener Reize auf die Zelle bestimmte Gene im Zellkern aktiviert, die die Selbstzerstörung der Zelle anregen. Das Selbstzerstörungsprogramm kann unter dem Einfluss bestimmter Signalmoleküle des Körpers selbst umgesetzt werden – zum Beispiel Hormone oder Eiweißmoleküle. So sterben Lymphozyten, die sich in der Thymusdrüse (Thymusdrüse) in großen Mengen vermehren, innerhalb weniger Stunden fast alle ab, ohne die Thymusdrüse und im Blutkreislauf unter dem Einfluss von Glukokortikoiden – Hormonen der Nebennierenrinde – zu verlassen. Die Bedeutung dieses Phänomens ist völlig unklar, dennoch tritt es genau auf dem Weg der Apoptose auf.
Die Aktivierung von Selbstzerstörungsgenen kann durch das Aufhören eines regulatorischen Signals verursacht werden. Beispielsweise sterben Prostatazellen bei Männern nach der Entfernung der Hoden vollständig ab.
Der Zelltod kommt, wie ohne ersichtlichen Grund, häufig während der normalen Embryonalentwicklung des Körpers vor. Beispielsweise sterben Zellen im Schwanz einer Kaulquappe aufgrund der Aktivierung von Schilddrüsenhormonen in einem bestimmten Stadium der Entwicklung der Kaulquappe ab. Im erwachsenen Körper unterliegen die Zellen der Brustdrüse während ihrer Involution (Rückentwicklung) der Apoptose.
Feige. Stadien der Apoptose-Entwicklung. Das Foto links ist eine normale Zelle;
Im Zentrum befindet sich der Beginn der Zytoplasma-Fragmentierung; Auf der rechten Seite ist die letzte Stufe
Fragmentierung des Zytoplasmas und des Zellkerns.
Der Prozess der Apoptose unterscheidet sich deutlich vom Prozess der Nekrose. Diese Form des Zelltods ist gekennzeichnet durch:
funktionell – irreversible Einstellung der Zellaktivität,
morphologisch - Verlust von Mikrovilli und interzellulären Kontakten, Kondensation von Chromatin und Zytoplasma, Zellschrumpfung, Bildung von Vesikeln aus Plasmamembranen, Zellfragmentierung und Bildung von Mikrokernen,
biochemisch - Hydrolyse zytoplasmatischer Proteine und DNA-Abbau,
genetisch - strukturelle und funktionelle Umstrukturierung des genetischen Apparats, die in der Aufnahme von Zellfragmenten durch Gewebemakrophagen ohne Entzündungsreaktion gipfelt (Lushnikov E.F., Abrosimov A.Yu., 2001).
Das Wesen der Apoptose, ihr Platz in normalen und pathologischen Zuständen.
In einem mehrzelligen Organismus kommt es ständig zum Zelltod, in verschiedenen Geweben und Organen wird er jedoch unter bestimmten Bedingungen beobachtet. Die biologische Natur des Zelltods ist unklar. Das Wichtigste und Bedeutsamste ist, dass Apoptose für das normale Leben von Wirbeltieren und wirbellosen Tieren unterschiedliche Bedeutungen hat (und das ist nun auch für die Pflanzenwelt bekannt geworden):
In der Embryogenese ist die Apoptose ein Element der Entwicklung und steht im Zusammenhang mit der Bildung von Geweben und Organen.
Wenn ein Organismus unabhängig existiert, ist Apoptose ein integraler Bestandteil der Metamorphose (bei Insekten und Amphibien).
bei Tieren laufen die Prozesse der Histogenese und Organogenese unter Beteiligung der Apoptose ab,
In einem reifen Organismus ist Apoptose Teil des homöostatischen Mechanismus des Zellaustauschs.
Während des Alterns spiegelt die Apoptose den natürlichen Zelltod wider.
Fortpflanzungszelltod.
Abhängig von den Stadien des Zellzyklus gibt es zwei Formen des Zelltods durch äußere Einflüsse. Einer davon ist der reproduktive Tod, der nur sich teilende Zellpopulationen betrifft. Diese Form des Zelltods wurde in den 70er Jahren in strahlenbiologischen Experimenten an Labortieren entdeckt.
Bei bestrahlten Tieren ergaben zytologische Untersuchungen, dass einige Zellen nach mehreren Zellzyklen die Fähigkeit zur Teilung verloren und anschließend absterben. Darüber hinaus wird diese Form des Todes auch bei Zellen in In-vitro-Kulturen beobachtet.
Interphase-Zelltod.
Ein weiteres Phänomen, das auch in strahlenbiologischen Studien entdeckt wurde, ist der sofortige Zelltod nach der Bestrahlung, ohne Teilung – in der Interphase. Diese Form der Zellschädigung ist charakteristisch für Strahlenwirkungen im hämatopoetischen System im Knochenmark, im Immun- und Nervensystem. Nach modernen Konzepten kommt es auf dem Weg der Apoptose zum Interphase-Zelltod.
Vorlesung 7. Allgemeine Embryologie. Grundbegriffe und Phänomene.
Embryologie(vom griechischen Embryon – Embryo) – die Wissenschaft von den Entwicklungsmustern von Embryonen. Die medizinische Embryologie (E) untersucht die Entwicklungsmuster des menschlichen Embryos, die Ursachen für die Entstehung von Deformitäten und anderen Abweichungen von der Norm, mögliche Wege und Methoden zur Beeinflussung der Embryogenese (den Prozess der Embryonenbildung).
Heutzutage ermöglichen medizinische Technologien in vielen Fällen die Bekämpfung von Unfruchtbarkeit, die Geburt von „Reagenzglas“-Kindern und die Transplantation embryonaler Organe und Gewebe. Mittlerweile wurden Methoden zur In-vitro-Kultivierung von Eizellen, zur Befruchtung mit anderen Organismen und zur Einnistung des Embryos in die Gebärmutter entwickelt.
Der Prozess der menschlichen Embryonalentwicklung hat eine lange Evolution durchlaufen und spiegelt weitgehend die Entwicklungsstadien anderer Vertreter der Tierwelt wider. Daher ähneln die frühen Entwicklungsstadien des menschlichen Embryos ähnlichen Stadien der Embryogenese weniger organisierter Akkordaten.
Das menschliche Fortpflanzungssystem umfasst mehrere miteinander verbundene Phasen der Entwicklung männlicher und weiblicher Fortpflanzungszellen, der Verschmelzung dieser Zellen während der Befruchtung und der Bildung eines neuen Organismus aus dem Embryo. Diese Schritte sind wie folgt:
Progenese – Entwicklung und Reifung von Keimzellen – Eizellen und Spermien. Durch die Progenese entsteht in reifen Keimzellen ein haploider (einzelner) Chromosomensatz und es bilden sich Strukturen, die deren gegenseitige Verschmelzung (Befruchtung) und die Entwicklung eines neuen Organismus erleichtern.
Embryogenese- Teil der menschlichen Ontogenese (seine individuelle Entwicklung) umfasst die Hauptstadien: 1 - Befruchtung mit Bildung einer Zygote, 2 - Fragmentierung der Zygote und Bildung einer Blastula (Blastozyste), 3 - Gastrulation - Bildung von Keimschichten und ein Komplex axialer Organe, 4 – die Bildung embryonaler und extraembryonaler Gewebe und Organe, 5 – Bildung von Organsystemen (Systemogenese).
Postembryonale Periode – das Funktionieren eines neuen Individuums nach der Geburt außerhalb des Körpers der Mutter, einschließlich der weiteren Bildung von Organen und Geweben nach der Geburt.
Progenese.
Geschlechtszellen (Gameten) enthalten im Gegensatz zu Körperzellen keinen doppelten, sondern einen einzelnen Chromosomensatz. Beim Menschen besteht dieser Doppelsatz aus 46 Chromosomen, daher enthalten Gameten 23 Chromosomen.
Feige.Diploider Chromosomensatz (46 Chromosomen) in menschlichen Körperzellen
Alle Chromosomen in Gameten werden aufgerufen Autosomen es gibt 22 davon im Gameten , mit Ausnahme von einem – dem dreiundzwanzigsten, der aufgerufen wird Geschlechtschromosom. IN Herren Geschlechtszellen, die Hälfte der Gameten (Spermien) MIT) enthält ein Geschlechtschromosom mit weiblichem genetischem Material (X-Chromosom) und ein halbes Chromosom mit männlichem genetischem Material – Y-Chromosom. In weiblichen Gameten (Eiern) ) (ICH) Alle Geschlechtschromosomen sind X-tragend. Ein charakteristisches Merkmal von Gameten ist ihr geringer Stoffwechsel. Darüber hinaus verlieren reife Gameten die Fähigkeit, sich zu teilen.
Männliche Fortpflanzungszellen - Spermien - werden bei den meisten höheren Tieren in großen Mengen gebildet. Bei Säugetieren und Menschen werden Spermien während der gesamten aktiven Sexualperiode in den Geschlechtsorganen – den Hoden – aus den primären Keimzellen des spermatogenen Epithels der gewundenen Tubuli gebildet und reifen. Während des Prozesses der mitotischen Teilung tritt ein Teil der Spermatogonien (die nächste Stufe der Differenzierung primärer Keimzellen) in den Differenzierungsprozess zum Zustand reifer Spermien ein, und ein Teil differenziert sich nicht und teilt sich weiterhin mitotisch, wodurch ein Pool von Spermien erhalten bleibt Stammzellen (ursprüngliche Zellen). (Als nächstes müssen Sie die Meiose kurz beschreiben.)
Der Mechanismus der ATP-Synthese während der Glykolyse ist relativ einfach und kann in vitro leicht reproduziert werden. Es war jedoch nie möglich, die respiratorische ATP-Synthese im Labor zu simulieren. 1961 schlug der englische Biochemiker Peter Mitchell vor, dass Enzyme – Nachbarn in der Atmungskette – nicht nur eine strenge Reihenfolge der Reaktionen einhalten, sondern auch eine klare Ordnung im Zellraum. Die Atmungskette ist, ohne ihre Reihenfolge zu ändern, in der inneren Hülle (Membran) der Mitochondrien fixiert und „näht“ diese mehrmals wie mit Stichen. Versuche, die respiratorische ATP-Synthese zu reproduzieren, scheiterten, weil die Rolle der Membran von den Forschern unterschätzt wurde. An der Reaktion sind aber auch Enzyme beteiligt, die in pilzförmigen Wucherungen auf der Innenseite der Membran konzentriert sind. Wenn diese Wucherungen entfernt werden, wird kein ATP synthetisiert.
Oxidative Phosphorylierung, die Synthese von ATP aus Adenosindiphosphat und anorganischem Phosphat, die in lebenden Zellen aufgrund der bei der Oxidation organischer Stoffe freigesetzten Energie auftritt. Substanzen im Prozess der Zellatmung. Im Allgemeinen kann die oxidative Phosphorylierung und ihre Stellung im Stoffwechsel durch das folgende Diagramm dargestellt werden:
AN2 – organische Substanzen, die in der Atmungskette oxidiert werden (die sogenannten Substrate der Oxidation oder Atmung), ADP-Adenosindiphosphat, P-anorganisches Phosphat.
Da ATP für die Durchführung vieler Prozesse, die Energie erfordern (Biosynthese, mechanische Arbeit, Stofftransport usw.), notwendig ist, spielt die oxidative Phosphorylierung eine entscheidende Rolle im Leben aerober Organismen. Die Bildung von ATP in der Zelle erfolgt auch durch andere Prozesse, beispielsweise bei der Glykolyse und verschiedenen Arten der Fermentation. ohne Beteiligung von Sauerstoff ablaufen. Ihr Beitrag zur ATP-Synthese unter Bedingungen der aeroben Atmung macht einen kleinen Teil des Beitrags der oxidativen Phosphorylierung aus (etwa 5 %).
Bei Tieren, Pflanzen und Pilzen findet die oxidative Phosphorylierung in speziellen subzellulären Strukturen statt – den Mitochondrien (Abb. 1); Bei Bakterien befinden sich die Enzymsysteme, die diesen Prozess durchführen, in der Zellmembran.
Mitochondrien sind von einer Protein-Phospholipid-Membran umgeben. Innerhalb der Mitochondrien (in der sogenannten Matrix) finden eine Reihe von Stoffwechselprozessen zum Abbau von Nährstoffen statt, die Substrate für die Oxidation von AN2 für die oxidative Phosphorylierung von Naib liefern. Wichtige dieser Prozesse sind der Tricarbonsäurezyklus und der sogenannte. -Oxidation von Fettsäuren (oxidativer Abbau einer Fettsäure unter Bildung von Acetyl-Coenzym A und einer Säure, die 2 C-Atome weniger als die ursprüngliche enthält; die neu gebildete Fettsäure kann auch einer -Oxidation unterliegen). Die Zwischenprodukte dieser Prozesse unterliegen einer Dehydrierung (Oxidation) unter Beteiligung von Dehydrogenase-Enzymen; Die Elektronen werden dann an die mitochondriale Atmungskette weitergeleitet, ein Ensemble von Redoxenzymen, die in der inneren Mitochondrienmembran eingebettet sind. Die Atmungskette führt einen mehrstufigen exergonischen Elektronentransfer (begleitet von einer Abnahme der freien Energie) von Substraten auf Sauerstoff durch, und die freigesetzte Energie wird vom ATP-Synthetase-Enzym in derselben Membran genutzt, um ADP zu ATP zu phosphorylieren. In einer intakten (unbeschädigten) Mitochondrienmembran sind der Elektronentransfer in der Atmungskette und die Phosphorylierung eng gekoppelt. Beispielsweise geht das Ausschalten der Phosphorylierung bei Erschöpfung von ADP oder anorganischem Phosphat mit einer Hemmung der Atmung einher (Atmungskontrolleffekt). Eine Vielzahl von Effekten, die die Mitochondrienmembran schädigen, stören die Kopplung zwischen Oxidation und Phosphorylierung, sodass ein Elektronentransfer auch ohne ATP-Synthese stattfinden kann (Entkopplungseffekt).
Der Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung kann durch das Diagramm dargestellt werden: Elektronentransfer (Atmung) A ~ B ATP A ~ B ist ein hochenergetisches Zwischenprodukt. Es wurde angenommen, dass A ~ B eine chemische Verbindung mit einer hochenergetischen Bindung ist, beispielsweise ein phosphoryliertes Enzym der Atmungskette (Hypothese der chemischen Kopplung) oder eine gespannte Konformation eines beliebigen Proteins, das an der oxidativen Phosphorylierung beteiligt ist (Hypothese der Konformationskopplung). . Diese Hypothesen haben jedoch keine experimentelle Bestätigung erhalten. Am bekanntesten ist das chemiosmotische Konzept der Konjugation, das 1961 von P. Mitchell vorgeschlagen wurde (für die Entwicklung dieses Konzepts erhielt er 1979 den Nobelpreis). Nach dieser Theorie wird die freie Energie des Elektronentransports in der Atmungskette für die Übertragung von H+-Ionen von den Mitochondrien durch die Mitochondrienmembran auf deren Außenseite aufgewendet (Abb. 2, Prozess 1). Dadurch entsteht an der Membran eine elektrische Differenz. Potentiale und chemische Unterschiede. Aktivität von H+-Ionen (der pH-Wert innerhalb der Mitochondrien ist höher als außerhalb). Zusammengenommen ergeben diese Komponenten den transmembranen Unterschied im elektrochemischen Potential von Wasserstoffionen zwischen der mitochondrialen Matrix und der äußeren wässrigen Phase, getrennt durch eine Membran:
Dabei ist R die universelle Gaskonstante, T die absolute Temperatur und F die Faraday-Zahl. Der Wert beträgt üblicherweise etwa 0,25 V, wobei der Hauptanteil (0,15–0,20 V) auf die elektrische Komponente entfällt. Die Energie, die freigesetzt wird, wenn sich Protonen innerhalb der Mitochondrien entlang des elektrischen Feldes in Richtung ihrer niedrigeren Konzentration bewegen (Abb. 2, Prozess 2), wird von der ATP-Synthetase zur Synthese von ATP genutzt. Somit kann das Schema der oxidativen Phosphorylierung nach diesem Konzept in der folgenden Form dargestellt werden:
Elektronentransfer (Atmung) ATP
Durch die Kopplung von Oxidation und Phosphorylierung lässt sich erklären, warum die oxidative Phosphorylierung im Gegensatz zur in Lösung stattfindenden glykolytischen („Substrat“)-Phosphorylierung nur in geschlossenen Membranstrukturen möglich ist und auch alle Effekte, die den elektrischen Widerstand verringern und das Proton erhöhen Die Leitfähigkeit der Membran unterdrückt („entkoppelt“) die oxidative Phosphorylierung. Energie kann zusätzlich zur ATP-Synthese direkt von der Zelle für andere Zwecke genutzt werden – Transport von Metaboliten, Bewegung (in Bakterien), Wiederherstellung von Nicotinamid-Coenzymen usw.
Es gibt mehrere Abschnitte in der Atmungskette, die durch einen signifikanten Unterschied im Redoxpotential gekennzeichnet sind und mit der Energiespeicherung (Erzeugung) verbunden sind. Normalerweise gibt es drei solcher Stellen, die als Punkte oder Konjugationspunkte bezeichnet werden: NADH: Ubiquinon-Reduktase-Einheit (0,35–0,4 V), Ubiquinol: Cytochrom-C-Reduktase-Einheit (~~0,25 V) und Cytochrom-C-Oxidase-Komplex (~0,6 V) – Kopplung Punkte 1, 2 und 3. (Abb. 3). Jeder der Schnittstellenpunkte der Atmungskette kann in Form eines einzelnen Enzymkomplexes mit Redoxaktivität aus der Membran isoliert werden. Ein solcher Komplex kann, eingebettet in eine Phospholipidmembran, als Protonenpumpe fungieren.
Typischerweise werden zur Charakterisierung der Effizienz der oxidativen Phosphorylierung die H+/2e- oder q/2e-Werte verwendet, die angeben, wie viele Protonen (oder elektrische Ladungen) während des Transports eines Elektronenpaars durch einen bestimmten Abschnitt durch die Membran übertragen werden der Atmungskette sowie das H+/ATP-Verhältnis, das angibt, wie viele Protonen durch die ATP-Synthetase von außerhalb ins Innere der Mitochondrien übertragen werden müssen, um 1 ATP-Molekül zu synthetisieren. Der Wert von q/2e für Schnittstellenpunkte beträgt 1, 2 bzw. 3. 3-4, 2 und 4. Der H+/ATP-Wert während der ATP-Synthese in den Mitochondrien beträgt 2; Allerdings kann ein weiteres H+ für die Entfernung von synthetisiertem ATP4- aus der Matrix in das Zytoplasma durch den Adeninnukleotidtransporter im Austausch gegen ADP-3 aufgewendet werden. Daher beträgt der scheinbare Wert von H+ / ATPext 3.
Im Körper wird die oxidative Phosphorylierung durch viele toxische Substanzen unterdrückt, die je nach Wirkungsort in drei Gruppen eingeteilt werden können: 1) Atmungskettenhemmer oder sogenannte Atemgifte. 2) ATP-Synthetase-Inhibitoren. Die in Laborstudien am häufigsten verwendeten Inhibitoren dieser Klasse sind das Antibiotikum Oligomycin und der Protein-Carboxylgruppen-Modifikator Dicyclohexylcarbodiimid. 3) Sogenannte Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung Sie unterdrücken weder den Elektronentransfer noch die ADP-Phosphorylierung selbst, haben aber die Fähigkeit, den Wert auf der Membran zu reduzieren, wodurch die Energiekopplung zwischen Atmung und ATP-Synthese gestört wird. Den entkoppelnden Effekt zeigen eine Vielzahl von Verbindungen mit den unterschiedlichsten chemischen Strukturen. Klassische Entkoppler sind Substanzen mit schwach sauren Eigenschaften, die sowohl in ionisierter (deprotonierter) als auch neutraler (protonierter) Form in die Membran eindringen können. Zu diesen Substanzen gehören beispielsweise 1-(2-Dicyanomethylen)hydrazino-4-trifluormethoxybenzol oder Carbonylcyanid-n-trifluormethoxyphenylhydrazon und 2,4-Dinitrophenol (Formeln I bzw. II; protonierte und deprotonierte Formen). werden angezeigt).
Beim Durchqueren der Membran in einem elektrischen Feld in ionisierter Form reduziert sich der Trennschalter; Bei der Rückkehr in den protonierten Zustand nimmt der Entkoppler ab (Abb. 4). Somit führt diese „Shuttle“-Wirkung des Trennschalters zu einer Verringerung
Eine entkoppelnde Wirkung haben auch Ionophore (z. B. Gramicidin), die durch Bildung von Ionenkanälen die elektrische Leitfähigkeit der Membran erhöhen, oder Substanzen, die die Membran zerstören (z. B. Detergenzien).
Die oxidative Phosphorylierung wurde 1930 von V. A. Engelhardt bei der Arbeit mit Vogelerythrozyten entdeckt. Im Jahr 1939 zeigten V. A. Belitser und E. T. Tsybakova, dass die oxidative Phosphorylierung mit der Elektronenübertragung während der Atmung verbunden ist; G. M. Kalkar kam etwas später zu dem gleichen Schluss.
Mechanismus der ATP-Synthese. Die Diffusion von Protonen zurück durch die innere Membran des Mitochondriums ist mit der ATP-Synthese unter Verwendung des ATPase-Komplexes, dem sogenannten Kopplungsfaktor F, gekoppelt. Auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen erscheinen diese Faktoren als kugelförmige, pilzförmige Gebilde auf der Innenmembran der Mitochondrien, deren „Köpfe“ in die Matrix hineinragen. F1 ist ein wasserlösliches Protein, das aus 9 Untereinheiten fünf verschiedener Typen besteht. Das Protein ist eine ATPase und ist über einen weiteren Proteinkomplex F0, der die Membran durchdringt, mit der Membran verbunden. F0 zeigt keine katalytische Aktivität, dient aber als Kanal für den Transport von H+-Ionen durch die Membran zu Fx.
Der Mechanismus der ATP-Synthese im Fi~F0-Komplex ist nicht vollständig geklärt. Hierzu gibt es eine Reihe von Hypothesen.
Eine der Hypothesen, die die Bildung von ATP durch den sogenannten direkten Mechanismus erklärt, wurde von Mitchell vorgeschlagen.
Nach diesem Schema binden das Phosphation und ADP in der ersten Stufe der Phosphorylierung an die g-Komponente des Enzymkomplexes (A). Protonen bewegen sich durch den Kanal in der F0-Komponente und verbinden sich im Phosphat mit einem der Sauerstoffatome, das als Wassermolekül (B) entfernt wird. Das Sauerstoffatom von ADP verbindet sich mit einem Phosphoratom zu ATP, woraufhin das ATP-Molekül vom Enzym getrennt wird (B).
Für den indirekten Mechanismus sind verschiedene Optionen möglich. ADP und anorganisches Phosphat werden dem aktiven Zentrum des Enzyms hinzugefügt, ohne dass freie Energie einströmt. H + -Ionen, die sich entlang des Protonenkanals entlang des Gradienten ihres elektrochemischen Potentials bewegen, binden sich an bestimmte Bereiche von Fb und verursachen Konformationsänderungen. Veränderungen im Enzym (P. Boyer), wodurch ATP aus ADP und Pi synthetisiert wird. Die Freisetzung von Protonen in die Matrix geht mit der Rückkehr des ATP-Synthetase-Komplexes in seinen ursprünglichen Konformationszustand und der Freisetzung von ATP einher.
Wenn F1 mit Energie versorgt wird, fungiert es als ATP-Synthetase. Ohne Kopplung zwischen dem elektrochemischen Potential von H+-Ionen und der ATP-Synthese kann die durch den umgekehrten Transport von H+-Ionen in der Matrix freigesetzte Energie in Wärme umgewandelt werden. Manchmal ist dies von Vorteil, da eine Erhöhung der Temperatur in den Zellen die Enzyme aktiviert.
(1 Bewertungen im Durchschnitt: 5,00 von 5) 
Wird geladen...
