Cell Structures and Function - Bauman PDF

Cell Structures and Function Processes of Life Alle levende organismen bezitten minstens de 4 volgende eigenschappen: Groei Reproductie Responsiviteit metabolisme Table 3.1 Characteristics of Life and Their Distribution in Microbes Prokaryotic and Eukaryotic cells:...

Cell Structures and Function Processes of Life Alle levende organismen bezitten minstens de 4 volgende eigenschappen: Groei Reproductie Responsiviteit metabolisme Table 3.1 Characteristics of Life and Their Distribution in Microbes Prokaryotic and Eukaryotic cells: An Overview Alle levende dingen zijn opgebouwd uit 1 of meerdere cellen De kleinste levende organismen zijn eencellige micro- organismen Cellen kunnen ingedeeld worden als prokaryoot of eukaryoot Prokaryoten Bacteriën & Archeae Geen celkern Geen interne structuren omgeven door fosfolipidemembranen Hebben typisch een diameter van 1 µm of minder Eukaryoten Algen, protozoa, fungi, dieren en planten Bezitten een celkern Hebben interne membraangebonden organellen Zijn groter: 10-100 µm in diameter External Structures of Bacterial Cells 1. Glycocalyces (kapsel of slijmlaag) 2. Flagellen 3. Fimbriae 4. Pili 1. Glycocalyx Gelatineuze, slijmerige laag die de cel omgeeft Opgebouwd uit polysachariden en/of polypeptiden Twee types Kapsel: duidelijk georganiseerd en stevig verbonden Slijmlaag: ongeorganiseerde en losse laag Functies: Bescherming tegen uitdroging Aanhechting aan oppervlakten (vorming van biofilms) Bescherming tegen immuuncellen van de gastheer Virulentiefactor Figure 3.5 Glycocalyces  Voorbeelden bacteriën met kapsel of slijmlaag Leuconostoc dextranicum: suikerindustie Dextraan: polymeer van glucose Streptococcus pneumoniae: pathogeen Polymeer van glucose en glucuronzuur 2. Flagella of flagellen Filamenteuze aanhangsels aan de buitenzijde van de cel Laten bacteriën toe zich voor te bewegen (motiliteit) Niet aanwezig bij alle bacteriën 3 delen: Filament: buitenste deel, bevat eiwit flagelline Haak: vastgehecht aan filament Basaal lichaam: verankert flagel aan de celwand Antigene werking (H-antigenen) Motiliteit Structuur flagellen  Axiale filamenten Ook endoflagella genoemd Bij Spirocheten Lopen spiraalsgewijs rondom de cel zonder er van weg te projecteren Rotatie veroorzaakt beweging van de cel, zoals een kurkentrekker (‘corkscrew’) Voorbeelden Treponema pallidium (syfilis) Borrelia burgdorferi (ziekte van Lyme) Spirocheten  Manieren van flagellatie monotrich amfitrich lofotrich peritrich Manieren van flagellatie  Functie van flagellen: Geven de bacteriën de mogelijkheid om zich voort te bewegen naar een stimulus of ervan weg (taxis) Fototaxis: stimulus is licht Chemotaxisch: stimulus is chemische stof Positieve taxis: bewegen naar stimulus Negatieve taxis: bewegen weg van stimulus Flagella roteren om voor te bewegen: “run” (= zwemmen) of “tumble” (= tuimelen) Beweging van flagellen 3. Fimbriae & Pili Fimbriae Korte, dunne, borstelachtige projecties Korter dan flagellen Opgebouwd uit eiwit pilin Worden door bacteriën gebruikt om zich aan elkaar en aan substanties in de omgeving vast te hechten Belangrijke rol in biofilms 3. Fimbriae & Pili Pilus (pili) Speciaal type fimbriae Langer dan fimbriae maar korter dan flagellen 1 of 2 per cel Transfer van DNA van de ene cel naar de andere (conjugatie) De bacteriële celwand Geeft bacteriën hun karakteristieke vormen Voorkomt osmotische lyse en beschermt de celmembraan Samengesteld uit peptidoglycaan 2 types bacteriële celwanden: Gram-positieve Gram-negatieve Bacteriële morfologie (vormen) Kok (coccus) Rond - ovaal Bacil (bacillus) Staafvormig Kokkobacil Korte staafjes (coccobacillus) Bacteriële morfologie Vibrio Kommavormig Spiril (Spirillum) Spiraalvormig, rigied Spirocheet Spiraalvormig, lang, flexiebel Groepsligging van bacteriële cellen Paren: diplococci, diplobacilli Ketens: Streptococci, streptobacilli Groepjes van 4: tetraden Kubusvormige groepering van acht: sarcinae Clusters: Stafylococci Plane of division Diplococci Sarcinae Streptococci Tetrad Staphylococci De bacteriële celwand Geeft bacteriën hun karakteristieke vormen Voorkomt osmotische lyse en beschermt de celmembraan Samengesteld uit peptidoglycaan 2 types bacteriële celwanden: Gram-positieve Gram-negatieve peptidoglycaan Polymeer van disacharide: N-acetylglucosamine (NAG) N-acetylmuraminezuur (NAM) Ketens worden verbonden door polypeptiden  Tetrapeptide side chain N-acetylglucosamine (NAG) Peptide cross-bridge N-acetylmuramic acid (NAM) Side-chain amino acid Cross-bridge amino acid NAM Peptide bond Carbohydrate "backbone" Structure of peptidoglycan in gram-positive bacteria. Gram-positieve bacteriële celwand Gram-positieve bacteriële celwand Relatief dikke peptidoglycaanlaag Bevat teichoïnezuur en lipoteichoïnezuur Lipoteichoïnezuur verbindt celwand met plasmamembraan Teïchoinezuur bindt op peptidoglycaan Dragen negatieve lading Reguleren beweging van kationen Maken celwand steviger Houdt kristalviolet vast tijdens de gram-kleuring, bacteriën kleuren paars (zie later) Gram-negatieve bacteriële celwand Gram-negatieve bacteriële celwand Dunne laag peptidoglycaan Peptidoglycaan bevindt zich in de periplasmatische ruimte: ruimte tussen plasmamembraan en buitenmembraan Buitenmembraan opgebouwd uit fosolipiden, lipoproteïnen, en lipopolysachariden (LPS) Porinen (proteïnen) vormen tunnels doorheen de buitenmembraan Houdt kristalviolet niet vast tijdens de gram-kleuring, bacteriën kleuren rood/roze LPS bestaat uit 3 delen Lipide A Verankert het LPS in de buitenmembraan Disacharide waaraan korte ketens vetzuren en fosfaatgroepen gebonden zijn Lokt koorts uit en activeert verdedigingssysteem van de gastheer In hoge dosis kan lipide A leiden tot shock en zelfs dood. Lipide A = endotoxine Core polysacharide Korte ketens van ongewone suikers Stucturele rol (stabiliteit) O-polysacharide (O-antigen) Lange keten van suikers waarvan samenstelling verschillend is voor verschillende species. Samenstelling kan zelfs in éénzelfde species verschillen. Variatie in de samenstelling van suikers draagt bij tot de grote verscheidenheid van antigenische types voor Salmonella en E. coli. Vb. E. coli O157:H7  O polysaccharide GRAM-NEGATIEVE CELWAND Core polysaccharide Lipid A Parts of the LPS Porin protein O polysaccharide Lipoprotein Lipopolysaccharide Core polysaccharide Lipid A Outer membrane Phospholipid Cell wall Peptidoglycan Plasma membrane Periplasm Protein Gram-positieve celwand Gram-negatieve celwand Dikke peptidoglycaan (80%) ▪ Dunne peptidoglycaanlaag Teichoïnezuren (10%) Lipoteichoïnezuren ▪ Buitenmembraan met LPS, lipoproteïnen, fosfolipiden ▪ porines ▪ Periplasmische ruimte Bacteriën zonder celwand Enkele bacteriën hebben geen celwand Bezitten sterolen in plasmamembraan Vroeger dacht men dat dit virussen waren gezien hun geringe grootte en de afwezigheid van de celwand Bezitten echter andere eigenschappen van prokaryote cellen zoals ribosomen Kleuren niet bij gram-kleuring Vb. Mycoplasma pneumonia Bacterial cytoplasmic membranes Figure 3.17 Structure of a Prokaryotic Cytoplasmic Membrane: A Phospholipid Bilayer Structuur Fosfolipide dubbellaag Opgebouwd uit fosfolipiden en geassocieerde eiwitten Integrale membraaneiwitten Perifere membraaneiwitten Het vloeibare mozaïkmodel beschrijft de membraanstructuur Functie Doorgang controleren van substanties in en uit de cel (selectief permeabel) Capteren van lichtenergie in fotosynthetiserende bacteriën In stand houden van een concentratie gradiënt en elektrische gradiënt Figure 3.18 Electrical Potential of a Cytoplasmic Membrane Membraanpermeabiliteit Passieve processen: substanties bewegen van een hoge concentratie naar een lage concentratie. Geen energie (ATP) vereist Actieve processen: substanties bewegen van een lage concentratie naar een hoge concentratie. Energie (ATP) vereist. Passieve processen Diffusie Netto beweging van een stof van een gebied met hoge concentratie naar een gebied met lage concentratie Vb. O2, CO2, eenvoudige alcoholen, vetzuren kunnen het plasmamembraan passeren door diffusie Passieve processen Gefaciliteerde diffusie Transport met behulp van transporteiwit (= integraal membraaneiwit), met de concentratiegradiënt mee (van hoge naar lage concentratie) Vb. glucose Passieve processen Osmose Beweging van water doorheen een selectief permeabel membraan van een gebied met een hoge waterconcentratie (lage concentratie aan opgeloste stof) naar een gebied met een lage waterconcentratie (hoge concentratie aan opgeloste stof) Figure 3.20 Osmosis, the Diffusion of Water Across a Semipermeable Membrane Passieve processen Osmose Isotone oplossing: concentraties in de oplossing zijn gelijk binnen en buiten de cel, waterconcentratie is in evenwicht. Geen netto beweging van water Hypotone oplossing: concentraties aan opgeloste stof is lager buiten de cel dan binnen de cel. Water migreert in de cel Hypertone oplossing: concentratie aan opgeloste stof is hoger buiten de cel dan binnenin de cel. Water migreert uit de cel Actieve processen Actief transport Maakt gebruik van transporteiwitten (integrale membraaneiwitten) en heeft energie (ATP) nodig Uniport Antiport Gekoppeld transport Actieve processen Groep translocatie Substantie wordt tijdens het transport chemisch gemodificeerd. Table 3.2 Transport Processes Across Bacterial Cytoplasmic Membranes Blank Description Examples of Transported Substances Passive Transport Processes Processes require no use of energy by the cell; the Blank electrochemical gradient provides energy. Diffusion Molecules move down their electrochemical gradient through the Oxygen, carbon dioxide, lipid-soluble phospholipid bilayer of the membrane. chemicals Facilitated diffusion Molecules move down their electrochemical gradient through Glucose, fructose, urea, some channels or carrier proteins. vitamins Osmosis Water molecules move down their concentration gradient across a Water selectively permeable membrane. Active Transport Processes Cell expends energy in the form of ATP to move a substance Blank against its electrochemical gradient. Active transport ATP-dependent carrier proteins bring substances into cell. Na+, K+, Ca2+, H+, Cl- Group translocation The substance is chemically altered during transport. Glucose, mannose, fructose Cytoplasm of Bacteria Cytosol Vloeibare deel van het cytoplasma Voornamelijk water Bevat het DNA in een regio die nucleoïd genoemd wordt ds circulair DNA plasmiden Inclusies Opslagplaatsen voor lipiden, zetmeel, of verbindingen die zwavel, stikstof, of fosfaat bevatten. Sommige bacteriën slaan koolstof en energie op in lipidepolymeren, polyhydroxybutyraat (PHB) Endospores Sommige bacteriesoorten (geslachten Clostridium en Bacillus) kunnen in de cel een zogenaamde endospore vormen = dormante overlevingsstructuur voor de cel, in de spore wordt het erfelijk materiaal opgeslagen, er wordt een omhulsel gevormd en de oude cel gaat ten gronde. De spore verkeert hierna in een soort rusttoestand, hij heeft geen normale celstofwisseling of celdeling Hebben het vermogen om ongunstige omgevingsomstandigheden te overleven: weerstandig aan extreme condities zoals hitte, uitdroging en chemicaliën. Sporulatie: endospoorvorming Ontkieming/germinatie: terugkeer tot de vegetatieve cel Sporulatie: Nonmembranous organelles Ribosomen Plaatsen van eiwitsynthese Opgebouwd uit eiwitten en ribosomaal RNA (rRNA) Prokaryote en eukaryote ribosomen hebben structurele verschillen Prokaryoten hebben 70S ribosomen Eukaryoten hebben 80S ribosomen Nonmembranous organelles Cytoskelet Samengesteld uit 3 of 4 soorten eiwitvezels Verschillende functies in de cel Celdeling Celvorm Scheiden van DNA moleculen Voortbeweging in omgeving External structures of Archaea Glycocalyx Belangrijk in de vorming van biofilms Vasthechting van cellen aan andere cellen en aan niet levende objecten Flagella Bestaan uit een basaal lichaam, een haak en een filament Vele verschillen met bacteriële flagellen Fimbriae en Hami Vele archaea bezitten fimbriae Sommige bezitten fimbriae-achtige structuren, hami genoemd Functie: aanhechting aan oppervlakten Figure 3.27 Archaeal Hami Archaeal cells walls and cytoplasmic membranes De meeste archaea hebben celwanden Niet opgebouwd uit peptidoglycaan! Bevatten een reeks gespecialiseerde polysachariden en proteïnen Alle archaea hebben cytoplasmatisch membranen Behoud van elektrische en chemische gradiënten Controleren de import en export van substanties in en uit de cel Figure 3.28 Representative Shapes of Archaea Cytoplasm of Archaea Cytoplasma gelijkaardig aan bacterieel cytoplasma 70S ribosomen Fibreus cytoskelet Circulair DNA Ook verschillen met bacterieel cytoplasma Andere ribosomale eiwitten Andere metobole enzymen om RNA te maken Genetische code gelijkt meer op die van eukaryoten Table 3.3 Some Structural Characteristics of Prokaryotes Feature Archaea Bacteria Glycocalyx Polypeptide or polysaccharide Polypeptide or polysaccharide Flagella Present in some; 10–14 nm in diameter; grow at base; Present in some; about 20 nm in diameter; grow at the tip; rotate rotate both counterclockwise and clockwise as bundles counterclockwise in bundles to cause runs; rotate independently clockwise to cause tumbles Fimbriae Proteinaceous; used for attachment and in formation of Proteinaceous; used for attachment, gliding motility, and in biofilms formation of biofilms Pili None discovered Present in some; proteinaceous; used in bacterial exchange of DN A Hami Present in some; used for attachment Absent Cell Walls Present in most; composed of polysaccharides (not Present in most; composed of peptidoglycan, a polysaccharide peptidoglycan) or proteins Cytoplasmic Membrane Present in all; membrane lipids are made with ether Present in all; phospholipids are made with ester linkages in linkages; bilayer some have single lipid layer Cytoplasm Cytosol contains circular DNA molecule and 70S Cytosol contains a circular DNA molecule and 70S ribosomes with ribosomes; ribosomal proteins are similar to eukaryotic bacterial proteins ribosomal proteins External structure of eukaroytic cells Glycocalyx Niet zo georganiseerd als prokaryote kapsels Afwezig bij cellen met een celwand Helpt bij vasthechten van cellen aan elkaar Versterkt de oppervlakte van de cel Biedt bescherming tegen dehydratatie Speelt een rol in cel-cel herkenning en communicatie Eukaryotic cell walls and cytoplasmic membranes Celwand Aanwezig bij planten, fungi, algae en sommige protozoa Samengesteld uit verschillende polysachariden: Cellulose bij planten Chitine, cellulose en/of glucomannaan bij fungi Verschillende soorten polysachariden bij algen Figure 3.29 A Eukaryotic Cell Wall (Cyto)plasmamembraan Aanwezig bij alle eukaryote cellen Gelijkend op structuur van de prokaryote celmembraan Fosfolipiden dubbellaag Perifere en integrale membraaneiwitten Verschillend van de structuur van de prokaryote celmembraan Sterolen (bv. Cholesterol bij dierlijke celmembraan) Vaak suikers vastgehecht aan lipiden en proteïnen van de celmembraan Voor aanhechting en cel-cel herkenning (Cyto)plasmamembraan Gelijke functie als prokaryote celmembraan Selectieve permeabiliteit: laat doorgang toe van sommige moleculen Difussie, gefaciliteerde diffusie, osmose en actief transport Verschillende functie als prokaryote celmembraan Geen groepstranslocatie Endocytose Fagocytose: een vast partikel wordt in de cel gebracht Pseudopodia of schijnvoetjes stulpen uit en omringen voedselpartikels Pinocytose: vloeistof wordt in de cel gebracht Membraan plooit zich naar binnen om vloeistofdruppels en opgeloste substanties te omringen en op te nemen Cytoplasm of eukaryotes Flagellen Cilia Organellen zonder membraan Ribosomen, cytoskelet, centriolen en centrosoom Organellen met membraan Nucleus, endoplasmatisch reticulum, golgi apparaat, lysosomen, peroxisomen, vacuolen, mitochondriën, chloroplasten Flagella Verschillen structureel en functioneel van prokaryote flagellen Omgeven door plasmamembraan Opgebouwd uit tubuline eiwitten die microtubuli vormen: Thv filament: doubletten van microtubuli, “9 + 2” schikking Thv basaal lichaam: triplets van microtubuli “9 + 0” schikking Filamenten worden met de cel verbonden door basaal lichaam (geen haak) Meestal aan één pool aanwezig Flagella Functie: Voortbeweging dmv golvende beweging (verschillend van prokaryoten!) Sommige ‘trekken’ de cel door het medium, andere ‘duwen’ de cel door het medium Cilia Beweeglijke haarachtige structuren, korter en talrijker dan flagella Niet bij prokaryoten! Omgeven door plasmamembraan Opgebouwd uit eiwit tubuline Thv filament “9 + 2” configuratie van microtubuli Thv basaal lichaam: “9 + 0” configuratie van microtubuli Cilia Gecoördineerde beweging zorgt voor voortbeweging Worden ook gebruikt om substanties langs het oppervlak van de cel te bewegen Ribosomen Eiwitsynthese 80S Groter dan prokaryote ribosomen Bestaan uit grote subeenheid (60S) en kleine subeenheid (40S) Vrij in cytoplasma Gebonden aan membranen van endoplasmatisch reticulum (E.R.) Cytoskelet Netwerk van vezels en tubuli, Geeft vorm aan cel Verankert organellen Opgebouwd uit microtubuli (samengesteld uit tubuline), dunnere microfilamenten (samengesteld uit actine), en intermediaire filamenten (samengesteld uit verschillende eiwitten) Cytoskelet Centriolen en centrosoom Centriolen spelen een rol bij mitose (kerndeling), cytokinese (celdeling) en de vorming van flagella en cilia 2 centriolen samen vormen centrosoom Niet in all eukaryote cellen aanwezig Nucleus (celkern) Vaak grootste organel van de cel Bevat het meeste DNA van de cel DNA is gecomplexeerd met histonen, basische eiwitten, ter vorming van chromatine. Tijdens de mitose en meiose wordt dit chromatine zichtbaar als chromosomen Semivloeibare gedeelte = nucleoplasma Omgeven door dubbele membraanstructuur (nucleaire envelop): 2 fosfolipide dubbellagen Bevat nucleaire poriën Nucleus (celkern) Nucleus (celkern) Endoplasmatisch reticulum (ER) Netwerk van buisjes en zakjes in de cel en het is opgebouwd uit één membraan dat verbonden is met het membraan van de celkern. Functie: transportsysteem in de cel 2 soorten: Glad ER: rol in vetsynthese en transport Ruw ER (ruw omdat er ribosomen met de membranen verankerd zijn): productie van eiwitten en transport doorheen de cel Rough ER Ribosomes Cisterna Smooth ER Golgi apparaat Bevat afgeplatte holle zakjes die omgeven zijn door fosfolipide dubbellaag Eiwitten en vetten afkomstig van het ER worden verder bewerkt en getransporteerd Maakt secretorische vesikeltjes aan die fuseren met de celmembraan en zo hun inhoud vrijzetten via exocytose Lysosomen, peroxisomen, vacuolen en vesikels Opslag en transfer van chemicaliën in de cel Kunnen nutriënten opslaan Lysosomen bevatten katabole enzymen Peroxisomen bevatten enzymen die giftige afvalproducten afbreken Mitochondriën “Energiecentrales van de cel”: productie van ATP Bezitten een dubbel membraan. Het binnenste membraan bevat plooiingen (cristae) De matrix bevat 70S ribosomen en een circulair DNA molecule Chloroplasten Licht capterende structuren waarbinnen fotosynthese plaatsvindt Omgeven door dubbel membraan Bezitten eigen DNA en 70S ribosomen Blank General Function Prokaryotes Eukaryotes Nonmembranous Blank Blank Blank Organelles Ribosomes Protein synthesis Present in all Present in all Cytoskeleton Shape in prokaryotes; support, cytoplasmic Present in some Present in all streaming, and endocytosis in eukaryotes Centrosome Appears to play a role in mitosis, cytokinesis, and Absent in all Present in animals formation of flagella and cilia in animal cells Membranous Organelles Sequester chemical reactions within the cell Blank Blank Nucleus “Control center” of the cell Absent in all Present in all Endoplasmic reticulum Transport within the cell; lipid synthesis Absent in all Present in all Golgi bodies Exocytosis; secretion Absent in all Present in some Lysosomes Breakdown of nutrients; self-destruction of Absent in all Present in some damaged or aged cells Peroxisomes Neutralization of toxins Absent in all Present in some Vacuoles Storage Absent in all Present in some Blank General Function Prokaryotes Eukaryotes Vesicles Storage, digestion, transport Absent in all Present in all Mitochondria Aerobic ATP production Absent in all Present in most Chloroplasts Photosynthesis Absent in all, though infoldings of Present in plants cytoplasmic membrane called and algae photosynthetic lamellae have same function in photosynthetic prokaryotes