Biologie der Zelle - Einführung - PDF

Biologie der Zelle Einführung Verlag: PEARSON STUDIUM; Auflage: 10. aktualisierte Auflage (Okt. 2015) Sprache: Deutsch ISBN-10: 3868942599 ISBN-13: 978-3868942590 2  Überblick 1. Einheit 1. Hierarchische Or...

Biologie der Zelle Einführung Verlag: PEARSON STUDIUM; Auflage: 10. aktualisierte Auflage (Okt. 2015) Sprache: Deutsch ISBN-10: 3868942599 ISBN-13: 978-3868942590 2  Überblick 1. Einheit 1. Hierarchische Organisation biologischer Strukturen 2. Entdeckung der Zellen und ihre Folgen 3. Zellen als Grundstruktur von Organismen 4. Evolution: Einheitlichkeit 3 Vielfalt http://view.stern.de/de/picture/Blattstruktur-Blattadern-Makro-Blattadern-055-Braun- Makrofotografie-1345535.html 3  Überblick 1. Einheit http://view.stern.de/de/picture/Blattstruktur- http://imperia.verbandsnetz.nabu.de/imperia/ Blattadern-Makro-Blattadern-055-Braun- md/images/berlin/aktionen/turmfalkenwebca Makrofotografie-1345535.html m10/federn_webgr.gif 4  Hierarchische Organisation biologischer Strukturen " Unterste Ebene: Atome " à komplexe biologische Moleküle " à subzelluläre Strukturen 3 Organellen " à Zellen " à Gewebe " à Organe " à Organsysteme " à komplexe Organismen 5  Hierarchische Organisation biologischer Strukturen s. Moodle: https://learn.genetics.utah.edu/content/cells/scale/ 6  Emergente Eigenschaften " emergieren = auftauchen, emporkommen " Mit jedem Schritt auf eine höhere Organisationsstufe tauchen infolge der Wechselbeziehungen zwischen Bestandteilen (Synergismen) der niedrigeren Ebenen neue Eigenschaften auf. 7  Emergente Eigenschaften des Lebens " Reproduktion " Wachstum und Entwicklung " Nutzung von Energie " Reaktion auf Umwelt " Homeostase " Evolutionäre Anpassung 8 Untersuchung komplexer Systeme in der Biologie " Reduktionismus = Zurückführen komplexer Systeme auf einfache Komponenten " Holismus (Ganzheitslehre) = Höhere Ordnungsebenen können nicht erklärt werden durch Untersuchung der isolierten Einzelteile 9  Entdeckung der Zellen " 1624 Galileo Galilei (Flohgläser) " 1665 Robert Hooke 30x Vergrößerung 3 beobachtet >little boxes
(lat. Cellulae) aus Kork " 1674 van Leuwenhook 270x Vergröß. 3 entdeckt >animalcula
im Blut, Sperma , Wasser " 1838/39 Begründung der Zellenlehre durch die Biologen M. Schleiden und Th. Schwann è Definition der Zelle als Bau- und Funktionseinheit von Organismen 10  Entdeckung der Zellen " 1624 Galileo Galilei (Flohgläser) " 1665 Robert Hooke 30x Vergrößerung 3 beobachtet >little boxes
(lat. Cellulae) aus Kork " 1674 van Leuwenhook 270x Vergröß. 3 entdeckt >animalcula
im Blut, Sperma , Wasser " 1838/39 Begründung der Zellenlehre durch die Biologen M. Schleiden und Th. Schwann è Definition der Zelle als Bau- und Funktionseinheit von Organismen 11 Ein Mikroskop von Robert Hook Im Ausschnitt: Kork und die sichtbaren >Zellen< Mit 27 Kurator der >Royal Society London< 30x 12 Einfaches Mikroskop von Anton van Leeuwenhoek mit ca. 270-facher Vergrößerung 13  Entdeckung der Zellen " 1839 Theodor Schwann und Mathias Schleiden 3 Zelltheorie >Alle Organismen bestehen aus einer oder mehrerer Zellen< >Die Zelle ist die strukturelle Einheit des Lebens< " 1855 Rudolf Virchow: >Jede Zelle entsteht aus einer anderen Zelle
3 Auch Bakterien können jetzt unterschieden werden " 1850 Louis Pasteur beweist, dass Keime nicht spontan (Urzeugung) entstehen " 1865 Louis Pasteur Mikroorganismen werden als pathogene Keime identifiziert 14  Zellen als Grundstruktur von Organismen " Die Zelle ist die strukturelle und funktionelle Grundeinheit von Organismen " Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben, diese reguliert den Transport von Stoffen zwischen Zelle und Umgebung " Jede Zelle enthält, zumindest eine Zeit lang, DNA. 15  Zellen als Grundstruktur von Organismen Haupttypen von Zellen: " prokaryotische Zellen " eukaryotische Zellen (wesentlich komplexer aufgebaut) 16 Schematische Darstellung einer pro- und eukaryotischen Zelle http://www.phschool.com/science/biology_place/biocoach/cells/common.html 17  Einheitlichkeit in der Vielfalt des Lebens Was haben ein Baum, ein Pilz und ein Mensch eigentlich gemeinsam? 18  Evolution: Einheitlichkeit 3 Vielfalt der Organismen... sind die 2 Seiten des Lebens 3 biologische Vielfalt ist enorm " ca. 5 Mio bis >30 Mio Arten (Biodiversität) " ca. 1,5 Mio sind identifiziert 3 in der Vielfalt existiert Einheitlichkeit auf niedrigen Ebenen der Organisation von Leben " universelle genetische Code " ähnliche Stoffwechselwege " ähnliche Zellstrukturen 19  Evolution: Einheitlichkeit 3 Vielfalt der Organismen Zentrales Thema der Biologie 3 Leben entwickelt sich immer weiter 3 gemeinsame Vorfahren 3 wenig verwandte Organismen haben weiter zurückliegende Vorfahren 3 alles Leben ist verbunden und kann auf Prokaryoten zurückgeführt werden 20 Domänen des Lebens 21  Wie entstanden eukariotische Zellen? Endosymbiosetheorie 22 Biologie der Zelle Chemische Grundlagen ISBN-10: 3527340726 ISBN-10: 3540238573 ISBN-13: 978-3527340729 ISBN-13: 978-3540238577 Ca. 139,- EURO Ca. 25,- EURO 2  Chemische Elemente und Verbindungen - Definition " Materie: alles was Raum einnimmt und Masse besitzt " Element: Stoff, der sich durch chemische Reaktionen nicht weiter in andere Stoffe zerlegen lässt " Verbindung: Substanz, die aus zwei oder mehr Elementen besteht 3  Leben erfordert 25 chemische Elemente " 96% der lebenden Materie aus C, O, H, N " fast 4 % aus P, S, Ca, K, Na, Cl, Mg " Rest Spurenelemente wie B, Co, Cr, Cu, F, Fe, J, Mn, Mo, Se, Si, Sn, V, Zn 4  Die wichtigsten Elemente des menschlichen Lebens Symbol Element % Körpermasse am Menschl. Körper O Sauerstoff 65,0 C Kohlenstoff 18,5 H Wasserstoff 9,5 N Stickstoff 3,3 Ca Calcium 1,5 P Phosphor 1,0 K Kalium 0,4 S Schwefel 0,3 Na Natrium 0,2 Cl Chlor 0,2 5 Vorkommen von Elementen in der Erdkruste und in lebenden Organismen 6  Atome " Verhalten eines Elements wird vom Aufbau seiner Atome bestimmt " Atom = kleinste Materieeinheit, die noch Eigenschaften eines Elements aufweist. " Subatomare Teilchen: Neutronen, Protonen und Elektronen 7 Modell eines Kohlenstoffatoms 8 a) Strukturen verschie- dener Elemente b) Strukturen verschie- dener Moleküle 9  Chemische Bindungen Atome vereinigen sich über chemische Bindungen zu Molekülen: " Kovalente Bindungen: polar - unpolar " Ionenbindungen " Schwache Bindungen 3 Wasserstoffbrücken 3 Van-der-Waals-Wechselwirkungen 10 Polare und nichtpolare kovalente Bindungen 11 Verschiedenen Darstellungen eines H2O-Moleküls (-) (+) (+) 12 Vergleich kovalente 3 ionische Bindung 13 Ionische Bindung 14 Protonen bewegen sich in Wasser a) Essigsäure in Wasser b) Wassermoleküle tauschen Protonen aus 15 Wasserstoffbrücken (A) Modell einer typische H-Brücke. (B) Die am häufigsten in der Zelle vorkommenden H- Brücken 16 Eigenschaften von Wasser im zellulären Bezug 18 19 20 Orientierung von H2O- Molekülen um die Affinität entgegengesetzt geladener Ionen oder polarer Gruppen zueinander zu verringern 21 Hydrophobe Wechselwirkungen 22 23 24 H2O als Lösungsmittel des Lebens " Flüssigkeit, die eine homogenen Mischung aus 2 oder mehr Stoffen darstellt = Lösung " Auflösender Bestandteil = Lösungsmittel " Aufgelöster Stoff = das Gelöste oder Solut " In wässriger Lösung ist H2O das Lösungsmittel 25 26 27 Moleküle des Lebens wichtige Makromoleküle  Wichtige funktionelle Gruppen muss man als Biotechnolog*in kennen !!! 29 Chemische Zusammensetzung der Zelle 30 Chemische Zusammensetzung der Zelle 31 4 Hauptfamilien kleiner organischer Moleküle in der Zelle Kleine Moleküle bilden die monomeren Einheiten der Makromoleküle 32 Bildung von Makromolekülen 33 Bildung von Polymeren in der Zelle 34 Struktur von Glucose 35 Fischer Projektion Haworth Projektion Sessel Darstellung 36 Ketohexose Aldohexose Stichworte: Isomere 3 Gruppen gleicher chemischer Formel aber verschiedener Struktur Untergruppe: optische Isomere (Stereoisomere oder Enatiomere) 3 bilden Spiegelbild-Paare (D/L Form) asymetrisches C-Atom (chirales Kohlenstoffatom) 37 Stichworte: Isomere 3 Gruppen gleicher chemischer Formel aber verschiedener Struktur Untergruppe: optische Isomere (Stereoisomere oder Enatiomere) 3 bilden Spiegelbild-Paare (D/L Form) asymetrisches C-Atom (chirales Kohlenstoffatom) 38 Bildung von Disacchariden durch Kondensation 39 40  Alpha 1,6 Alpha 1,4 Glykogen 41 Alpha 1,4 Stärke 42 Beta 1,4 43 Zucker 3 eine wirklich süße Katastrophe 44 Aufbau einer Fettsäure: Carboxylgruppe am >Kopf< Hydrocarbonkette aus 16-18 C-Atomen Amphipathisch 3 Moleküle haben gleichzeitig hydrophobe und hydrophile Bereiche 45 46 47 48 Aufbau eines Phospholipids Hydrophiler Teil: Phosphat/Cholin Hydrophober Teil: Fettsäuren 49  Aufbau eines Phospholipids mit a) gesättigter Fettsäure b) ungesättigter Fettsäure a b 50 Aminosäure Grundstruktur 51 Aminosäure Grundstruktur 52 Peptidbindung 53 Polypeptid 54 Aminosäurenstruktur von Alanin 55 56  Klassifizierung von Aminosäuren " saure Seitenketten: 3 Asp, Glu " basische Seitenketten 3 Lys, Arg, His " ungeladene polare Seitenketten 3 Asn, Gln, Ser, Thr, Tyr " unpolare Seitenketten - Ala, Val, Leu, Ile, Phe, Met, Trp, " AS mit besonderen Eigenschaften - Pro, Gly, Cys 57 AS mit einzigartigen Eigenschaften 58 Beispiel eines Peptids 59 Das Molekül ATP - Adenosintriphosphat 60 ATP als Energieträger der Zelle 61  Die Zelle mikroskopische Deutung von Strukturen  Zellen als Grundstruktur von Organismen " Prokaryotische Zellen 3 Pro = vor 3 Karyon = Kern " Eukaryotische Zellen 3 Eu = gut, echt 3 Karyon = Kern 63  Vorkommen der Pro- und Eukaryoten " Prokaryotische Zellen bei Bakterien und Archebakterien 3 Einzeller 3 Zellgrößen: 0,1 3 10 µm " Eukaryotische Zellen bei Pilzen, Pflanzen und Tieren 3 Einzeller oder Vielzeller 3 Zellgrößen: 10 3 100 µm 64 Vergleich der mikroskopischen Techniken von der Zelle bis zum Atom 65 Vergleich der mikroskopischen Techniken von der Zelle bis zum Atom 66 Elektronenmikroskopische Aufnahme 67 Schematische Darstellung 68 Elektronenmikroskopische Aufnahme 69 Schematische Darstellung 70  Strukturelle Organisation von Pro- und Eukaryoten 1 " sehr einfache " komplexe Struktur Struktur mit Organellen und Cytoskelet " kein echter Kern " echter Kern " keine Kernhülle " Kern umgeben von Kernhülle 71 72  Strukturelle Organisation von Pro- und Eukaryoten 2 " genetisches Material " genetisches Material in einer >Nukleoiden im Kern Region< = (Kernäquivalent)< " keine " enthält Zytoplasma membrangebunde- mit Cytosol und nen Organellen membrangebunde- nen Organellen 73  Biologie der Zelle Membranaufbau und Funktion Verhalten von Lipiden in Wasser 2 Phospholipid 3Doppelschichten formen sich spontan in abgeschlossene Fächer 3 Reine Phospholipide können geschlossene spärische Liposomen bilden 4 Wirkung von Detergentien auf Plasma- membranen 5 Gebräuchliche Detergenzien im Laboralltag sind amphipathisch 6 7 Phospholipide (Phosphoglyceride) 8 Sphingo- (ein Aminoalkohol) Lipide Phospholipid (Phosphorylcholin) Glycolipide 9 10  Die Plasmamembran ¥ trennt die Zelle von ihrer Umgebung ¥ besteht als Grundstruktur aus einer Lipid Ð Doppelschicht ¥ enthŠlt verschiedene Membranproteine, die spezifische Aufgaben erfŸllen 11 12 Aufbau der Lipid Ð Doppelschicht einer biologischen Membran 13 14 Phospholipide sind innerhalb der Ebenen der Membran beweglich 2 ¿m/s seltener als 1x / Monate 30.000 U/min 15 Einfluss der Doppelbindungen der Hydrokarbonketten auf die Beweglichkeit der Lipid-Doppelschicht Die ungesättigten FS breiten sich mehr aus à die Schicht wird dünner 16 17 18 Cholesterin versteift die Beweglichkeit der Plasmamembran durch seine Struktur 19 20 21 Membranproteine, Glykosilierung, Stofftransport über die Membran  Aufbau einer Zellmembran im Elektronenmikroskop, 2D und 3D gesehen 23 Proteine eingelagert in der Plasmamembran Membranassoziiert Transmembranproteine (1-3) 24 25 26 Glycosylphosphatidylinositol-Verbindung 27  Glycosilierung von Proteinen " immer extrazellulär " kurze verzweigte hydrophile Oligosaccharide (< 15 Zucker pro Kette) " hohe Variabilität in Zusammensetzung und Struktur " wichtig für Interaktion der Zelle mit Umgebung " 2 Haupttypen von Verknüpfung zur AS 28  Glycosilierung von Proteinen N-glycosidische Bindung - häufiger - O-glycosidische Bindung 29  Glycosilierung von Lipiden " Beispiel ABO Antigene 3 A: Enzym addiert N-acetylgalaktosamin an das Ende 3 B Enzym addiert Galaktose an das Ende 3 AB beide Enzyme vorhanden 3 O kein Enzym vorhanden 30 Glycosilierung von Lipiden 31 Flüssigmosaikmodell (modifiziert nach Singer und Nicolson) 32  Eigenschaften von Membranen 1. zwischen 6 nm und 10 nm dick 2. Hauptbestandteile: Lipide und Proteine 3. sind amphipathisch (d.h. enthalten hydrophobe und hydrophile Teile). 4. Proteine haben definierte Funktionen 5. es gibt nicht kovalent verbundene Komponenten (d.h. alles wird durch schwache Bindungen zusammengehalten) 6. sie sind asymmetrisch 7. sie sind [K+]e " [Ca2+]i(free) ruhenden< Zelle DNA in einer sich teilenden Zelle (kein Kern!) 13  Der Zellkern = genetische Bibliothek und Kommandozentrale " Speicher der Erbinformation " Erhaltung/ Verdopplung der Erbinformation (Replikation) " Steuerung aller Zellvorgänge über Synthese der Information für Proteine (Transkription) " Zusammensetzung der Untereinheiten der Ribosomen 14 Kommandozentrale mit Auswirkungen 15 Zellkern und Kernporen 16 17 Transportwege in der Zelle "über kontrollierte Poren "Transmembrantransport "vesikulärer Transport 18 Topologie der Zellkompartimente 19 Kernpore a) Elektronenmikroskop b) schematisch 20  Gerichteter Transport zwischen Cytosol und Kern " Start und Ziel des Proteins befinden sich auf der gleichen topologischen Ebene " Kernporen dienen als selektives Schloss " freie Diffusion für kleine Moleküle möglich 21  Bidirektional gerichteter Transport zwischen Cytosol und Kern " DNA / RNA Polymerasen und Histone gelangen vom Cytosol in den Kern " tRNA und mRNA gelangen vom Kern ins Cytosol " Transport erfolgt durch Kernpore 22  Charakteristika des Kernporen - Komplex " Zahl schwankt abhängig von Transkriptionsaktivität (3.000 3 4.000) " offen für Diffusion bis 9 nm " Proteine > 60kD müssen aktiv transportiert werden " Partikel bis 26 nm können hindurch transportiert werden 23  Kern Import und Export " im Prinzip ähnlich " Rezeptoren für beide Transportrichtungen strukturell ähnlich " Importrezeptoren binden Moleküle im Cytosol lassen sie frei im Kern und wandern zurück ins Cytosol " Export Rezeptoren machen das gleiche in umgekehrter Richtung 24  Gliederung der eukaryotischen Zelle Die eukaryotische Zelle Zellmembran Inhalt = Protoplasma evt. Zellwand Zellkern Cytoplasma bei Pflanzenzellen Organellen Cytosol ohne Membran mit Membran Ribosomen Cytoskelett mit einfacher Membran mit Doppelmembran 25 Das Cytosol keine amorphe Masse, sondern strukturiert 26  Das Cytosol " von Plasmamembran umgeben, aber kein Teil einer Organelle " Ort der Proteinsynthese und des Proteinabbaus " Stoffwechselvorgänge 27  Hauptmerkmale des Cytosol " Struktur durch Cytoskelett " reich an Polysomen " reich an metabolischen Enzymen 28  Biologie der Zelle Ein Rundgang durch die Zelle Endomembransystem  Gliederung der eukaryotischen Zelle Die eukaryotische Zelle Zellmembran Inhalt = Protoplasma evt. Zellwand Zellkern Cytoplasma bei Pflanzenzellen Organellen Cytosol ohne Membran mit Membran Ribosomen Cytoskelett mit einfacher Membran mit Doppelmembran 2  Das endomembrane System in Eukaryoten " Membranen können direkt durch physischen Kontakt verbunden sein " Membranen können indirekt über Vesikel verbunden sein 3 4  Jedes geschlossene Zellkompartiment hat zwei Seiten Die zwei Seiten einer Membran sind asymmetrisch in Bezug auf ihre Lipid- Zusammensetzung und die Proteinbestandteile 5  Das endomembrane System in Eukaryoten umfasst " ER " Golgi Apparat " Lysosomen " Endosomen " Vakuolen " Kernhülle 6 Das endoplasmatische Retikulum 7 8  Aufbau des endoplasmatischen Retikulums (ER) " endoplasmatisch = im Cytoplasma " Retikulum = Netzwerk " Die äußere Kernmembran geht in das ER über " ER ist ein kommunizierendes System aus verbundenen Hohlräumen und Kanälen, die sich zu Cisternen erweitern 9  Funktion des glatten (s) ER 1. Synthese von Lipiden, Phospholipiden und Steroiden 2. Beteiligung am Kohlenstoffwechsel 3. Entgiftung von Giften und Drogen 4. Speicherung von Ca2+ Ionen 10  Funktion des rauen (r) ER 1. besetzt mit Ribosomen à Proteinsynthese von Membran- und sekretorischen Proteinen 2. Modifizierung zu Glycoproteinen 3. Abspaltung von Vesikeln 4. Membranproduktion 11 Ribosomen und Translation im Cytosol 12 Ribosomen und Translation ins ER 13 14 Modifizierung der Proteine im Lumen des ER 15 Wie kommen die Proteine aus dem ER weiter? 16 Autoradiographie Ort der Proteinsynthese und Transport 17  Autoradiographie Pulse-chase Experiment (rot: radioaktive Markierung) 18 19 20 21 Bewegung von Proteinen in der lebenden Zelle virales Gen gekoppelt mit GFP (Green Fluorescent Protein) angereichert im ER 22 Bewegung von Proteinen in der lebenden Zelle virales Gen gekoppelt mit GFP angereichert im Golgi 23 Bewegung von Proteinen in der lebenden Zelle 24 Der Golgi Apparat 25 Der Golgi Apparat 26  Aufbau des Golgi Apparates " Stapel flacher Zisternen, umgeben von zahlreichen Vesikeln " Stapelgröße variabel (zellspezifisch) " Polar aufgebaut (cis und trans) " Cis = formende Seite oder Eingangsseite " Trans = reifende Seite oder Ausgang " Medial = dazwischen 27 Vesikulärer Transport oder wie kommen die Proteine von cis zu trans 28  Der Golgi Apparat = Verschiebebahnhof der Zelle " jede Cisterne zwischen cis und trans enthält unterschiedliche Enzyme " ER Produkte werden modifiziert und sortiert - Phosphorylierung, Glycosylierung von Proteinen - Zusammensetzung von manchen Makromolekülen - Sortierung zur Sekretion 29  Elektronenmikroskopbilder verschiedener vesikel Typen 30 Vesikel-Transport entlang des Cytoskelets 31 32 Wege sekretorischer Proteine 33  Biologie der Zelle Ein Rundgang durch die Zelle Endomembransystem Teil 2  Exocytose " Fusion von Vesikeln mit der Zellmembran zur Abgabe von Stoffen 3 ungetriggerte (konstitutive) Exocytose 3 getriggerte Exocytose 35 Exocytose eines sekreto- rischen Vesikels 36 Lysosomen 37  Aufbau von Lysosomen " von einer Membran umgeben " Größe : 0,1 3 1 µm " pH Wert des Lumen @ 5 " Inhalt saure Hydrolasen 38  Aufgaben der Lysosomen Abfall - Recycling " Abbau von Zellbestandteilen (Autophagie) (autós = selbst) " Abbau von internalisiertem Material aus der extrazellulären Umgebung (Heterophagie) (heterós = fremd) (phagein = fressen) 39 40 Lysosomen "Morphologie sehr unterschiedlich "rote Pfeile zeigen auf Vesikel, die Enzyme aus dem Golgi- Apparat bringen 41  Arten der Endocytose 1. Endocytose gekoppelt mit Exocytose (Membran Recycling) 2. Exocytose unabhängige Endocytose 3. Phagocytose (Bakterien, Zelltrümmer etc.) 42 Bildung eines Vesikels in der Plasmamembran in einer Hühnereizelle bei der Aufnahme von Lipoprotein, um Eigelb zu bilden 43 Phagocytose von roten Blutzellen durch einen Makrophagen 44 Phagocytose eines sich teilenden Bakteriums durch eine neutrophile Zelle 45  Vakuolen - ein Lysosom der besonderen Art " Vorkommen in Pflanzen und Pilzen " von einer Membran umgeben " Größe : 30 3 90 % des Zellvolumens " pH Wert des Lumen sauer " Inhalt: lysosomale Enzyme 46  Aufgaben der Vakuolen " Speicherung von überschüssigen Salzen oder Nebenprodukten des Stoffwechsels " hilft bei Regulation der Turgors (Druck) " Speicherung des Farbstoffs Anthocyan. 3 je nach pH- und Ionengehalt rote oder blaue Färbung 47 Pflanzen zell- vakuole 48 Vakuolen kontrollieren die Größe von Pflanzenzellen 49 " endocytotische Wege " biosynthetische sekretorische Wege " Rückgewinnung bestimmter Verbindungen 50  Peroxisomen - Relikte aus grauer Vorzeit? " von einer Membran umgeben " Größe: variabel, je nach Zelltyp " unterschiedliche Enzymausstattung " Inhalt: oxidative Enzyme wie Katalasen, Oxidasen, Peroxidasen etc. 51  Aufgaben der Peroxisomen " Entgiftung " Abbau von Fettsäuren " bei Pflanzen Mobilisierung von Speicherfetten 52  Bildung von Peroxisomen " durch Vergrößerung der vorhandenen Peroxisomen " Lipide werden als Einzelmoleküle in die Membran geschoben " d.h. Wachstum durch Einlagerung , nicht über Vesikelfluss 53  Biologie der Zelle Ein Rundgang durch die Zelle  Gliederung der Eukaryotischen Zelle Die eukaryotische Zelle Zellmembran Inhalt = Protoplasma evt. Zellwand Zellkern Cytoplasma bei Pflanzenzellen Organellen Cytosol ohne Membran mit Membran Ribosomen Cytoskelett mit einfacher Membran mit Doppelmembran 2 3  Das Cytoskelett " Cytoplasmatische Anordnung von Fasern " Erhält Zellstruktur und innere Festigkeit aufrecht " Notwendig für Bewegung in der Zelle und der Zelle selbst 4  Komponenten des Cytoskeletts Zelle mit Coomassie gefärbt 1. Mikrofilamente Aktinfilamente (8nm) 2. Intermediär- filamente (10 nm) 3. Mikrotubuli (25 nm) 5 Das Cytoskelett: Veränderungen der Zellstuktur A: Bildung von Filamenten B: Rasche Reorganisation des Cytoskeletts 6  Mikrofilamente (Aktin Filamente) " feste Stäbchen mit ø von 5-9 nm " Protein: Aktin " Monomere Form als G-Aktin (globuläre) " Polymere Form als F-Aktin (filamentös) " G-Aktin aggregiert zu F-Aktin bei steigender Ionenstärke " zeigen Polarität " Zwei Aktinketten in Helix verwunden 7 Struktur der Aktinmonomere und Filamente Protofilament 8  Polarität der Mikrofilamente " + Ende kann bei entsprechender G- Aktin Konz. wachsen, wenn durch Proteine stabilisiert " - Ende zerfällt dabei ständig " Aktinmonomere wandern dabei durch Polymer 9 Aktin in vitro Wachstum am + Ende schneller 10 Aktin bindende Proteine kontrollieren das Verhalten der Aktinfilamen in der Zelle 11 Organization des Aktin Cytoskelett Bündel " Dicht gepackte parallele Anordnung " verbunden durch Fascin oder ähnliche Aktin vernetzende Proteine Netzwerke " lose verpackte sich kreuzende Fasern " verbunden durch Filamin ähnliche Aktin vernetzende Proteine 12 Aktin bindende Proteine ³-Actinin 13 Aktin bindende Proteine 14  Funktion der Mikrofilamente " Kontraktilität in Kooperation mit Myosinfilamenten " In nicht Muskelzellen: Kontraktion bestimmter Zellbereiche und ganzer Zellen " Fortbewegung " Formgebung und lokale Struktur 15 Myosin 3 molekularer Motor von Aktin 16 In vitro Interaktion zwischen Aktin und Myosin 17 18 Myosin 3 molekularer Motor von Aktin 19  Mikrotubuli " äußerer ø von 25 nm " Langer, hohler Zylinder " Protein: ³ und ´ Tubulin " Polymer der ³ /´ Tubulin Dimere " Lang, gerade, an Centrosomen angehängt 20 Struktur der Mikrotubuli & der Untereinheiten 21  Polarität " Am + Ende An- und Abbau " 3 Ende durch assoziierte Proteine blockiert, wenn Cytoplasmamembran erreicht 22  Funktion der Mikrotubuli " Struktur der Zellform " Leitschienen für Transport von Organellen " Zusammen mit assoziierten Proteinen mechanische Arbeit beim Transport von Mitochondrien etc. " Wichtige Rolle bei Zellteilung 23 Struktur eines Mikrotubuli 24 Mikrotubuli-assoziiertes Protein 25 Lokalisation von Mikrotubuli 26 Kinesin - Motor Protein der Mikrotubuli 27 28  Motor Proteine der Mikrotubuli Kinesin: verantwortlich für den Transport von Organellen Richtung Plus-Ende Dynein: verantwortlich für den Transport von Organellen Richtung Minus-Ende 29 Zellen ohne Kinesin (b) (d) grün: Mikrotubuli, rot: Mitochondrien 30 Dynein Molekül 31 Transport von Organellen durch Motor Proteine der Mikrotubuli 32 33 Transport von Organellen durch Motor Proteine der Mikrotubuli 34 Mikrotubuli Wachstum am" Microtubule 3 Organizing Center" (MTOC) 35 36  Intermediärfilamente " Fasern ø 10 nm " Länge bis einige µm " Protein: große, heterogene Familie " "langlebiger" als Mikrotubuli und Mikrofilamente " flexibel aber fest 37 Aufbau der Intermediärfilamente 38 Aufbau der Intermediärfilamente 39  Intermediärfilamente " Können gerade, verzweigt oder gebündelt sein " Können in manchen Zellen bis zu 50% des Proteins ausmachen " Morphologisch nicht zu unterscheiden 40 IF durch Plectin mit Mikrotubuli verbunden 41  Wichtigste Proteine der Intermediärfilamente (IF) 42  Wichtigste Proteine der Intermediärfilamente (IF) " Cytokeratin " Vimentin " Desmin " Glial " Neurofilament " Lamin 43 Keratin Filamente in Epithelialzellen Grün: IF Blau: Verbindungen an der Zellmembran 44  Aufgaben der IFs " Formen Netzwerk der Kernlamina " Geben Zellen mechanischen Stärke erstrecken sich durch das Cytoplasma " Sind spezialisiert Spannung auszuhalten " Stärken Zusammenhalt im Gewebe 45 IFs halten Zellen zusammen 46 47 Mechanische Eigenschaften von Aktin, Tubulin und IF Polymeren 48 Mikrotubuli, IF und Aktin Filamente 49  Biologie der Zelle Zellzyklus und Zellteilung Der Zellzyklus 2  Zellteilung ¥/ Eigenschaft aller lebenden Zellen Ð/ Ausnahme Eizelle vor Befruchtung Ð/ Ausnahme ausdifferenzierte somatische Zellen ¥/ Verdopplung des genetischen Materials und der Zellmasse 3  Funktion von Zellteilung ¥/ Reproduktion ¥/ Wachstum ¥/ Erneuerung 4  Zellteilung bei Prokaryoten ¥/ Zweiteilung (binŠre Spaltung) ¥/ Genom ringfšrmig ¥/ Kurze Replikationszeit Ð/ Replikation beginnt am Replikationsursprung Ð/ Zweiter Ursprung wandert zum anderen Ende Ð/ Nach Abschluss wŠchst Plasmamembran nach innen Ð/ Eine neue Zellwand wird eingelagert 5 Zellteilung bei Eukaryoten 6 Phasen des Zellzyklus 7  Phasen des Zellzyklus ¥/ G1 Phase: G = gap, RNA und Proteinsynthese, keine Replikation ¥/ G0 Phase: Ausstieg aus G1 ¥/ S - Phase: Synthese der DNA ¥/ G2 Phase: Vorbereitung auf die Mitose und Cytokinese ¥/ M - Phase: Mitose und Cytokinese 8 Analyse des DNA Gehalts wŠhrend der Phasen des Zellzyklus Methode: Durchflu§cytometrie ¥/Gesamtmenge an DNA in G1 Phase: n ¥/Gesamtmenge an DNA in G2 Phase: 2n 9  Dauer des Zellzyklus ¥/ bei Eukaryoten i.a. mehrere Stunden ¥/ Bei SŠugerzellen ' 12 Ð 36 Stunden ¥/ Interphase 90% des Zyklus ¥/ Ausdifferenzierte Zellen bleiben in G0 teilen sich nicht mehr 10 Replikation, Mitose und Cytokinese werden durch ein Zellzyklus Kontrollsystem gesteuert 11 Das Kontrollsystem des Zellzyklus Besteht aus: ¥/ einer "molekularen Uhr" ¥/ Einem Set von Checkpunkten in G1, G2 und M-phase 12 Wesentliche Kontrollpunkte im Zellzyklus 13  Wesentliche Kontrollpunkte im Zellzyklus ¥/ G1 Kontrollpunkt (auch restriction point in SŠugern) ! Entscheidung ob Zellzyklus weiterlŠuft, oder die Zelle nach G0 geht ¥/ G2 Kontrollpunkt ! ist DNA repliziert? Bereit fŸr die Mitose? ¥/ M Phase Kontrollpunkt ! Bereit fŸr die Cytokinese? 14  Zellzyklus Kontrolle beruht auf activierten Proteinkinasen SchlŸsselkomponenten des Systems: Cyclin-abhŠngige Kinase (CdK) und Cyclin 15 Chromosomen in M und G1 - Phase 16  Zentrale Rolle der Zellteilung ¥/ Bei Reproduktion, Wachstum und Reparatur "/ Mitose Spindel verteilt identische Zahl an Chromosomen auf Tochterzellen "/ WŠhrend der Cytokinese teilt sich das Cytoplasma 17 Zellteilung Verteilt identische Zahl an Chromosomen auf Tochterzellen 18  Centrosom ¥/ = MTOC (microtubule organizing centres) ¥/ Besteht in G1 aus 2 Centriolen (Zentralkšrperchen) rechtwinklig angeordnet ¥/ In G2 hat die Zellen 2 Centrosomen 19 Centrosomen in den Phasen des Zellzyklus Centriole ! #Aster " Mikrotubuli 20 21 22 Centrosomenentwick- lung im Zellzyklus Centriolen: dunkelgrŸn Centrosommatrix: hellgrŸn 23  Stadien der Mitose ¥/ Prophase ¥/ Prometaphase ¥/ Metaphase ¥/ Anaphase ¥/ Telophase ¥/ Cytokinese 24 25 Mitosephasen; blau DNA, grŸn: Mikrotubuli 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Teilungsfurche bei einem befruchteten Froschei 38  3 Klassen von Mikrotubuli in tierischen Zellen Poalre Mikrotubulie 39 Metaphasechromosom Kinetochor (rot) 40 41 42  Die Mitotische Spindel ¥/ Miktotubuli des Cytoskelets werden teilweise abgebaut wŠhrend der Bildung der Spindel ¥/ Die Aufbau der Spindel-Mikrotubuli beginnt im Centrosom am MTOC 43 44 45 46 47 Trennung der Chromatiden in Anaphase (A)/Metaphase (B)/ Anaphase Aus Schwesterchromatide werden Schwesterchromosome 48 Motorproteine in Anaphase A und Anaphase B: 2 Spindeln bewegen sich voneinander weg. 49 Die Mikrotubuli sind verankert in den Centrosomen durch ihre Minus Enden, wŠhrend ihre Plus Enden sich nach auswŠrts erstrecken. 50 51  Cytokinese teilt das Cytoplasma ¥/ Beginnt in Telophase ¥/ In tierischen Zellen wird wird Cytokinese mit "Cleavage" =Spaltung gleichgesetzt. Ð/ Zuerst bildet Teilungsfurche eine niedrige Mulde auf der ZelloberflŠche Ð/ Ein kontraktiler Ring von Aktinmikrofilamenten bildet die cytoplamatische Seite der Furchung nahe der alten Membran Ð/ zuletzt brechen die mitotischen Spindeln und die zwei neuen Zellen trennen sich 52 53 54 55 56 57 58