Kapitel 7, Zelle und Zellstrukturen

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1 Kapitel 7, Zelle und Zellstrukturen Die Zelle ist die kleinste Einheit, die lebensfähig ist. Es gibt Einzeller und mehrzellige Lebewesen, welche aus verschiedensten spezialisierten Zellen bestehen. Das Wichtigste für die Zelle ist die Korrelation zwischen Funktion und Struktur. Sie ist ein offenes System, das Material mit der Aussenwelt austauscht und auf die Reize und Veränderungen der Umwelt reagiert. Zellstudium Zellen werden mit Mikroskopen studiert. In der Mikroskopie sind 2 Werte wichtig, die Vergrösserung und die Minimumdistanz, bei welcher 2 Punkte gerade noch unterscheidbar sind. 1. Lichtmikroskop (LM) Sichtbares Licht wird durch das Objekt und dann durch Glaslinsen geschickt. Das LM kann Objekte bis 2 µm erkennen kleine Bakterien 2. Elektronenmikroskopie (EM) Die EM trug zu den Fortschritten in der Zellbiologie bei, da Zellorganellen nur mit EM erkennbar sind. Beim EM wird statt sichtbarem Licht ein Strahl von Elektronen durch das Objekt geschickt. Die Grenze beim EM liegt theoretisch bei 1 nm, praktisch aber bei 2 nm. 3. Zellfraktionierung Sie dient dazu, um Zellorganellen zu trennen, damit ihre Funktionen einzeln studiert werden können. Dazu werden Zentrifugen verwendet. Die stärkste Zentrifuge ist die Ultrazentrifuge, die eine Geschwindigkeit von 500'000 *g oder 80'000 Drehungen pro Minute erreicht. Die Fraktionierung beginnt mit der Homogenisation, der Zerstörung von Zellen, ohne dass die Organellen beschädigt werden. Diese Methode erlaubt es, spezifische Komponenten der Zelle in genügender Menge zum Studium zu gewinnen. die Fraktionierung wurde wichtig, da bei der Zytologie die Biochemie auch immer wichtiger wurde Übersicht der Zellen Es gibt zwei Grundtypen von Zellen, die Prokaryoten und die Eukaryoten. Bakterien Blaualgen Tiere Pilze Pflanzen Alle Lebewesen stammen entweder von den Eukaryoten oder den Prokaryoten ab! Unterschiede: Die prokaryotische Zelle hat keinen Zellkern, die DNA liegt im Nucleoid (bestimmte Region) und wird von keinem Membran abgeschlossen. Die eukaryotische Zelle hat einen Zellkern, der durch ein Membran abgeschlossen ist. Die Masse zwischen dem Zellkern und dem Membran ist das Cytoplasma. Es besteht aus dem zähflüssigen Cytosol, in welchem sich die Organellen mit verschiedenen Funktionen und Formen befinden. fehlen in den meisten prokaryotischen Zellen Als Abgrenzung gegen aussen dient das Plasmamembran wie eine selektive Barriere. Diese beiden Grundtypen von Zellen unterscheiden sich aber auch in ihrer Grösse, welche Ausdruck ihrer Funktion ist.

2 Die kleinsten Zellen sind Bakterien mit 0.1 und 1 µm. Eukaryotische Zellen haben einen zwischen 10 und 100 µm. Sie sind im Innern zusätzlich durch spezifische Doppelschichtmembranen in verschiedene Kompartimente unterteilt. WIESO SIND ZELLEN SO KLEIN? Wäre die Zelle gross, so hätte sie zu lange Transportwege, da das Cytoplasma zu weit weg vom Membran wäre. Die Exchangerate wäre zu klein um die Zelle am Leber zu erhalten. Die Zellgrösse ist funktionsbezogen! Nucleus und Ribosomen Der Nucleus besteht zum grössten Teil aus den Genen, welche die eukaryotische Zelle steuern. Die Kernhülle ist ein Doppelmembran, das mit Poren durchsetzt ist und den Kern vom Cytoplasma abgrenzt. Die Innenseite der Kernhülle ist mit einer netzartigen Anordnung von Proteinfilamenten Kernlamina überzogen, die Poren ausgenommen. Im Nucleus ist die DNA zusammen mit den Proteinen als Chromatin vorhanden, welches bei der Zellteilung zu Chromosomen wird. (die Anzahl der Chromosomen ist typisch für eine Spezies) Im Kern der Zelle befindet sich auch der Nucleolus, in dem die Bauteile der Ribosomen synthetisiert werden. Diese gelangen durch die Poren ins Cytoplasma, wo sie Ribosomen formen. Ausserdem kontrolliert der Kern die Proteinsynthese im Cytoplasma durch senden von mrna. An den Ribosomen werden die Proteine synthetisiert. Es gibt zwei verschiedene Ribosomen: Freie Ribosomen sind im Cytosol verteilt synthetisieren Proteine für im Cytosol Gebundene Ribosomen sind an der Aussenseite des Endoplasmatischen Retikulum (ER) gebunden synthetisieren Proteine für den Austausch der Zelle, für innerhalb bestimmte Organellen oder für das Membran Freie und gebundene Ribosomen sind strukturell jedoch gleich, d.h. sie sind auswechselbar! Das Endomembrane System (ES) Viele Membrane der eukaryotischen Zelle sind ein Teil des Endomembranen Systems. Sie sind entweder direkt oder indirekt über Membranvesikel miteinander verbunden. Zum ES gehören Kernhülle Endoplasmatisches Retikulum (ER) Golgi Apparate Lysosome Vakuolen Endoplasmatisches Retikulum (ER): Das ER ist ein Membranröhrensystem, das die Hälfte der Membranen beinhaltet. Es besteht aus einem Netzwerk von Gängen und Säcken Zisternen Es gibt... Glattes ER: besitzt keine Ribosomen an der Aussenseite

3 ist an div. Metabolischen Prozessen wie der Synthese von Lipiden oder dem Metabolismus der Kohlenhydrate beteiligt, wie auch bei der Entgiftung von Alkohol und Drogen Bei der Glycogen Hydrolyse in der Leber entfernt ein Enzym (im ER eingebettet) das Phosphat vom Glucosephosphat, damit dieser Zucker die Zelle verlassen kann. ER Membran pumpt CA-Ionen vom Cytosol in die Zisterne. Wird der Muskel stimuliert, so schiessen die CA-Ionen zurück und bewirken die Kontraktion...und... Rauhes ER: Synthetisiert Proteine, indem die entstehende Polypeptidkette aus dem gebundenen Ribosom in die Zisterne gelang, sich dort faltet die meisten so entstandenen Proteine sind Glycoproteine und werden ferngehalten von den Proteinen ausserhalb des ES produziert weitere Membrane an der Stelle und indem es Proteine und Phospholipide hinzufügt... welche sich in der Struktur und Form unterscheiden. Golgi Apparate: Der Golgi Apparat ist der Ort, wo produziert, gelagert, sortiert und versendet wird. Der Inhalt der Vesikel, welche vom ER kommen, werden modifiziert und gelagert und zu gegebenem Zeitpunkt weiter geschickt. Er besteht aus Stapeln von flachen Membransäcken, Zisternen, welche die einzelnen Räume vom Cytosol abtrennen. Es gibt eine cis- und trans- Seite. Cis: ist dem ER zugewandte und vesikelempfangende Seite Trans: versendet die Vesikel vom Golgi Apparat Der Golgi Apparat stellt auch Makromoleküle her, wie Polysaccharide. Bevor die Vesikel entsendet werden, werden sie sortiert und markiert, damit sie ihren Zielort erreichen. Lysosome: Ein Lysosom ist ein Membransack, der hydrolytische Enzyme beinhaltet und zur Verdauung von Proteinen, Polysaccharide, Fette und Säuren dient. Die Enzyme arbeiten am Besten bei einem PH = 5. Dieser wird erhalten, indem das Lysosomale Membran Hydrogenionen vom Cytosol ins Innere des Lysosoms pumpt. Es gibt verschiedene Arten von intrazellulärer Verdauung, so die Phagocytose (Amöben, Makrophagen) bei der das Objekt umschlossen wird und die entstandene Vakuole mit einem Lysosom fusioniert. Bei der Autophagie werden die zelleigenen Materialien/Baustoffe recycelt. Vakuolen: Vakuolen sind auch Membransäcke wie der Vesikel, aber einiges grösser. Es gibt auch hier verschiedene Typen: Essensvakuolen (Phagocytese) Kontraktionsvakuolen (Frischwasser Protisten) Zentralvakuolen (bei den Pflanzen) dient zur Speicherung, Abfallentsorgung, Schutz und dem Wachstum, sie wird abgeschlossen durch den Tonoplast, welcher ein Teil des ES ist.

4 Andere membranöse Organellen: Hierzu gehören Mitochondrien Chloroplasten Perixome Die Mitochondrien und Chloroplasten dienen in der eukaryotischen Zelle zur Energieherstellung und Umwandlung. In den Mitochondrien findet die Zellatmung statt, bei der aus Zuckern, Fetten und anderen Materialien mit Hilfe von Sauerstoff ATP hergestellt wird. Beide Organellen beinhalten eigene DAN, welche die Synthese von Proteinen durch die eigenen Ribosomen steuert. Mitochondrien und Chloroplasten sind semiautonome Organellen, die in der Zelle wachsen und sich vermehren. Mitochondrien: Sie sind durch 2 Membrane abgeschlossen, wovon jede eine Doppelschichtmembran ist mit speziellen Membranproteinen. Das äussere Membran ist glatt und das Innere ist stark gefaltet Falten Cristae, bewirken eine grössere Produktivität Das innere Membran teilt den Innenraum in 2 Teile, den Zwischenmembran Raum und die Matrix. In der Matrix sind verschiedene Enzyme vorhanden, welche metabolische Schritte durchführen. Die Proteine, die zur Zellatmung dienen, befinden sich im inneren Membran. Chloroplasten: Sie sind spezialisierte Plastiden zu denen auch die Amyloplasten (farblose Stärkespeicher) und die Chromoplasten (gibt den Früchten und Blumen ihre Farben) gehören. Die Chloroplasten enthalten das grüne Pigment Chlorophyll und weitere Enzyme und Moleküle, die zur Photosynthese benötigt werden. Die Chloroplasten sind ebenfalls durch 2 Membrane abgeschlossen, zwischen denen ein schmaler sog. Zwischenmembranen Spalt vorhanden ist. Im Innern der Chloroplasten existiert ein anderes membranes System Thylakoiden Es ist auch in flachen Säcken angeordnet, welche teilweise gestapelt sind und Granas ausbilden. Die Flüssigkeit ausserhalb der Thylakoiden wird Stroma genannt. Perixome: Das Perixom ist ein spezialisiertes, metabolisches Kompartement, welches durch ein Einfachmembran abgeschlossen ist. Es enthält versch. Enzyme, die Wasserstoff (H2) von versch. Substraten zu Sauerstoff (O2) transferieren. Dabei entsteht Wasserstoffperoxid (H2O2), das jedoch toxisch ist, aber durch ein Enzym in Wasser umgewandelt wird. Einige Perixome benutzen Sauerstoff um Fettsäuren in kleinere Moleküle zu zerlegen, die dann zur Zellatmung benutzt werden können. Andere Perixome in der Leber machen Alkohol und andere Giftstoffe unschädlich, sie dienen dem Abbau und der Umwandlung von giftigen Stoffen mit Hilfe von Sauerstoff. Das Cytoskeleton Das Cytoskeleton ist ein Netzwerk aus Fibrillen, welches durch das ganz Cytosol ausgebreitet ist. Es spielt eine wichtige Rolle in der Organisation der Zellstruktur (Stabilität, Form und Grösse) und bei den Aktivitäten der Zelle. Zudem verankert es die Organellen in der Zelle und verhilft der Zelle zu Mobilität. Für die Zellbewegungen braucht es die Zusammenarbeit mit den Motormolekülen. Die Mikrotubulis und die

5 Mikrofilamente interagieren mit den Motormolekülen, welche durch den Verbrauch von ATP ihre Form ändern und sich vor bzw. zurück bewegen. Das Cytoskeleton dient aber auch zur Regulation von biochemischen Aktivitäten in der Zelle. Die Stärke, Belastbarkeit und die Reissfestigkeit der Zelle beruht auf der Architektur, den verschiedenen Fibrillen Mikrotubulis Mikrofilamenten Intermediäre Filamente Mikrotubulis: Mikrotubulis kommen in allen eukaryotischen Zellen, im Cytoplasma vor. Es sind vollständige Röhren, deren Wände aus einem globulären Protein, dem Tubulin bestehen. Die Funktion der Mikrotubulis beinhaltet die Erhaltung der Zellform, die Zellbewegung, die Bewegung der Chromosomen während der Zellteilung und die Bewegung von Organellen. Centrosomen und Centriolen In vielen Zellen entstehen die Mikrotubulis aus einem Centrosom, einer Region in der Nähe des Zellkerns. In tierischen Zellen befinden sich beim Centrosom auch die 2 Centriolen, wovon jedes aus einem Ring von 9 Tripelmicrotubulis besteht. Cilias und Flagellen In Eukaryoten ist eine bestimmte Anordnung von Mikrotubulis verantwortlich für das Schlagen und Bewegen von Cilias und Flagellen. Viele Einzeller bewegen sich so fort, sowie auch die Spermien von Tieren, Algen und einigen Pflanzen. Ob eine Zelle ein Flagellat oder ein Cilias hat, ist abhängig von der Zelle. Cilias sind meist zahlreich an der Zelloberfläche vorhanden, während dem Flagellen meist nur einzeln oder in geringer Zahl vorkommen und länger sind als Cilias. Auch die Bewegungen sind verschieden. Die Flagellaten bewegen sich in dieselbe Richtung, wie die Bewegung ausgeführt wird, während sich die Ciliaten in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Beide besitzen einen Kern aus Mikrotubulis, welcher eingepackt ist in eine Ausstülpung der Plasmamembran. Die Mikrotubulis sind jeweils als ein Doppelpack zu neunt in einem Ring angeordnet, in dessen Mitte sich nochmals 2 Mikrotubulis befinden. Diese Anordnung 9+2 wird in fast allen eukaryotischen Flagellen und Cilias gefunden, und ist in der Zelle durch den Basalkörper verankert. Der Basalkörper ist strukturell identisch zu den Centriolen. Die Arme, welche von jedem Doppelmikrotubuli zum nächsten ausgehen, sind der Motor, der für die Bewegung verantwortlich ist. Das Motormolekül ist ein riesiges Protein, das Dyein. Mikrofilamente (Aktinfilamente): Sie bestehen aus dem globulären Protein Aktin und bestehen aus 2 ineinander verdrehte Aktinketten, und sind in jeder eukaryotischen Zelle vorhanden. Ihre Funktion ist die Erhaltung der Zellform, die Änderung der Zellform, die Muskelkontraktion, der Cytoplasmafluss, die Zellbewegung und die Zellteilung. In Kombination mit anderen Proteinen bilden sie ein dreidimensionales Netzwerk aus, das die Form erhält. Zudem bilden sie den Kern der Mikrovillis aus. Tausendende von Aktinfilamente sind parallel angeordnet entlang einer Muskelzelle. Dazwischen liegen die dickeren Filamente, die aus dem Protein Myosin bestehen. Die Kontraktion

6 der Zelle beruht darauf, dass die Aktin- und Myosinfilamente übereinander gleiten und so die Zelle verkürzen. Amöben und ähnliche Organismen bewegen sich durch diese Fliessbewegung fort. In Pflanzenzellen sind die Aktinfilamente am Cytoplasmastrom/-fluss beteiligt. Intermediäre Filamente: Intermediäre Filamente sind wegen ihrem so benannt, denn sie sind dicker als die Mikrofilamente und dünner als die Mikrotubulis. Sie bestehen aus verschiedenen Klassen von Cytoskeletalen Elementen. Jeder Typ wird aus einer anderen molekularen Untereinheit konstruiert, welche alle zur Familie der Keratine gehören. Sie dienen der permanenten Fixierung der Zellgestalt und der Organellen. Die Intermediären Filamente unterstützen die Erhaltung der Zellform, die Verankerung vom Kern und anderen Organellen und die Formation der Kernlamina. Zelloberfläche und Zellverbindungen Obwohl das Plasmamembran als die eigentliche Grenze der lebenden Zelle angeschaut wird, gibt es doch viele Zellen, die noch einen zusätzliche Mantel um das Plasmamembran ausbilden. Pflanzenzellen: Die zusätzliche Zellwand ist einer der Unterschiede von der tierischen zur pflanzlichen Zelle. Sie dient dem Schutz und der Formerhaltung der Zelle, sowie auch vor der ungehinderten Aufnahme von Wasser. Grundsätzlich bestehen alle aus Mikrofibrillen von Zellulose., welche in eine Matrix aus anderen Polysacchariden und Proteinen eingebettet sind. Die exakte chemische Zusammensetzung von der Zellwand variiert von Spezie zu Spezie und von einem Zelltyp zu einem anderen in derselben Pflanze. Eine junge Pflanzenzelle bildet zuerst eine primäre Zellwand aus. Zwischen dieser primären Zellwand und der angrenzenden Zellwand liegt die Mittellamelle, welche reich an Pektinen ist und die Zellen zusammenleimt. Wenn die Zelle das Wachstum stoppt, stärken sich die Zellwände, es entsteht eine zweite Zellwand, zwischen dem Plasmamembran und der primären Zellwand. Die extrazelluläre Matrix (ECM) einer tierischen Zelle: Sie besteht zum grössten Teil aus Glycoproteinen. Am meisten vorhanden in ECM ist das Glycoprotein Collagen, welches die starken Fibrillen ausserhalb der Zelle formen. Das Collagen ist eingebettet in ein Netzwerk aus Proteoglykagenen, die ebenfalls Glykoproteine sind. Die Fibronektine im ECM binden an Rezeptorproteine der Zelle, an die sogenannten Integrine, welche über die Zelloberfläche verteilt sind und so die Veränderungen im ECM zum Cytoskeleton übertragen und umgekehrt. Interzelluläre Verbindungen: Die meisten Zellen, egal ob pflanzlich oder tierisch, sind organisiert in Geweben, Organe und Organsysteme. So beeinflussen, interagieren und kommunizieren benachbarte Zellen. Bei Zellwänden von Pflanzen besteht der physische Kontakt aus kleinen Löchern mit Kanälen, den sogenannten Plasmodesmaten, durch die Cytoplasma ausgetauscht wird. Bei tierischen Zellen gibt es 3 Typen von interzellulären Verbindungen. Thigt junctions Desmosomen

7 Gap junctions