VO Einführung in die Genetik und Zellbiologie

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1 VO Einführung in die Genetik und Zellbiologie Dienstag:13:30-15: :15-13: Mag.Dr. Selma Osmanagic-Myers

2 Zellteilung. Krebsentstehung und Zellzykluskontrolle Zellbiologie-Lehrinhalte Mag.Dr. Selma Osmanagic-Myers Entstehung des Lebens. Aufbau der Pro- und Eukaryontenzelle. Endosymbiontentheorie. Aufbau der Zellmembranen. Membrantransport kleiner Moleküle und Ionen Zellkompartimente und Proteinsortierung. Mitochondrien und Chloroplasten Intrazellulärer Vesikeltransport Das Cytoskelett. Zell-Zell und Zell-Substrat Interaktionen Zellkommunikation. Spezialisierte Zelltypen und deren Eigenschaften (Motilität, Sekretion...), Aufbau von Geweben Zellzyklus und dessen Kontrolle

3 Literatur Kleinig / Sitte: Zellbiologie, Gustav Fischer Molecular Cell Biology, 4e by Harvey Lodish, Arnold Berk, S. Lawrence Zipursky, Paul Matsudaira, David Baltimore, and James Darnell Alberts / Bray /Lewis /Raff /Roberts /Watson: Molecular biology of the cell, Garland publishers Powerpoint Folien unter: Login mit unet ID und password

4 Der Ursprung des Lebens Im Versuch von Urey und Miller entstehen aus simplen Molekülen der Uratmosphäre: Aminosäuren, Nukleotide, Zucker und Fettsäuren. Dies sind Bestandteile aller Zellen!

5 Die Entstehung des Lebens: Einfache organische Moleküle weisen katalytische Aktivität auf. RNA (bestehend aus Zucker, Phosphorsäureresten und Basen) kann komplexe Strukturen ausbilden, welche chemische Reaktionen erleichtern (katalysieren) können. Somit kann RNA sowohl als Träger der genetischen Information fungieren, als auch katalytisch aktiv sein. Katalytisch aktive RNAs werden als RIBOZYME bezeichnet. Ribozyme gelten als Vorläufer heutiger Enzyme, welche in der Regel Proteine sind. Ribozyme finden sich heute noch im: Spliceosom, Ribosom, Signal recognition particle...

6 In der RNA Welt entstehen vorerst einfache Ribozyme, welche zur Selbstreplikation befähigt sind In weiterer Folge kam es vermutlich zur Bildung von Ribozymkomplexen, welche einander in ihren Aktivitäten unterstützten. So kann ein Ribozym die Replikation anderer Ribozyme ermöglichen.

7 Komplexe Ribozyme unterstützen die Synthese von Aminosäureketten. Kristallstrukturanalysen belegen, daß rezente Ribosomen Ribozyme darstellen. D.h. die in ihnen enthaltene RNA ist katalytisch aktiv und essentiell.

8 Im Laufe der Evolution entstanden Proteinenzyme, welche die Replikation von DNA und RNA unterstützten. Der Vorteil von DNA liegt in seiner semikonservativen Replizierbarkeit sowie in deren größerer chemischer Stabilität

9 Die Entstehung des Lebens Präbiotische (chemische) Evolution Die RNA Welt (Ribozyme) Der Progenot, Vorläufer aller Urzellen Cenancestor, letzter gemeinsamer vorfahren von Archaea, Eubakteria und Eukaryota

10 Prokaryoten teilen sich in Archaea und Eubakteria

11 Durch die Freisetzug von atmosphärischem Sauerstoff wurde die aerobe Respiration ermöglicht (notwendig)

12 Die Endosymbiontenhypothese Plastiden (in Pflanzen) und Mitochondrien sind die Abkömmlinge ursprünglich frei lebender Prokaryoten, welche von der Eukaryotenzelle domestiziert wurden. Plastiden sind die Abkömmlinge von Cyanobakterien Mitochondrien sind die Abkömmlinge aerober Bakterien

13 Evidenz für die Endosymbiontenhypothese (1): Endosymbionten werden auch heute noch gefunden (Cyanophora) Mitochondrien und Plastiden sind zumindest von einer doppelten Memban umgeben: Die äußere Membran entspricht der Wirtsmembran, die innere der bakteriellen Membran Die innere Membran von Mitochondrien und Plastiden weist auch heute noch viele bakterielle Merkmale auf Die in Organellen vorkommenden Biosynthesewege entsprechen in verschiedener Hinsicht bakteriellen Biosynthesewegen

14 Evidenz für die Endosymbiontenhypothese (2): Mitochondrien und Plastiden verfügen über ein eigenes genetisches System, welches in verschiedener Hinsicht jenem der Prokarionten entspricht. (Cirkuläres Genom, 70S Ribosomen, Translation) Mitochondrien und Plastiden replizieren autonom und werden zufällig auf die Tochterzellen weiterverteilt

15 Jedoch: Rezente Mitochondrien und Plastiden unterscheiden sich massgeblich von ihren prokaryotischen Vorläufern: Das Genom ist stark reduziert, viele Proteine werden im Kern kodiert, im Zytoplama synthetisiert und in das jeweilige Organell importiert.

16 Rezente Eukaryoten benutzen endosymbiontische Mitochondrien für die aerobe Glycolyse (Zellatmung) sowie Chloroplasten für die Photosynthese

17 Eukaryota-Prokaryota, die wesentlichen Unterschiede Prokaryota Nucleoid Cirkuläres Genom Konjugation Kein Zytoskelett Flagellen Keine Organellen Kein Endomembransystem Keine Endo/Exocytose Eukaryota Zellkern Chromosomen Meiose / Mitose Zytoskelett Cillien und Geißeln Organellen Endomembransystem Endo /Exozytose

18 Schema einer Prokaryotenzelle Einzelliger Organismus, kann jedoch Lebensgemeinschaften (Coenobien) ausbilden Zwei Haupttypen: Bacteria und Archaea Einfache Struktur

19 Schema einer gram-negativen Bakterienzelle

20 Prokaryota Das Zytosol der Prokaryota ist homogen und zeigt keine wesentliche räumliche Trennung verschiedener Komponenten

21 Zellhüllen von Prokaryoten Bis auf wenige Ausnahmen (z.b. Mycoplasmen) besitzen Bakterien eine Zellwand. Eubakterien besitzen eine echte Peptidoglykanschicht also Polysaccharide aus NAcGlA und N-Acetylmuraminsäure quervernetzt mit Oligopeptiden. Archae: Pseudopeptidoglykane; N-Acetylmuraminsäure ist durch eine andere Uronsäure ersetzt (N-Acetyltalosaminuronsäure (TalNAc)

22 Zellhüllen von Eubakterien (gram negativ)

23 Zellhüllen von Eubakterien (gram positiv) Dicke Peptioglykanschicht, keine äusserer Membran

24 Die Gram-Färbung unterscheidet die Dicke der Peptidoglykanschicht Eine dicke Mureinschicht lässt sich schwer entfärben: Gram positiv Eine dünne Mureinschicht läßt sich leicht entfärben: Gram negativ

25 Für die Quervernetzung der Oligopeptide in der Mureinschicht sind Transpeptidasen verantwortlich. Diese Vernetzen eine endständige Aminogruppe von Glycin mit einem nicht-endständigen Alanin Rest. Antibiotika der Penicilline und Cephalosporine inhibieren die Transpeptidasen und verhindern somit die Zellwandbildung Lysozym (im Hühnereiweiss, Tränen, Schweiss, Speichel enthalten). Spaltet die glycosidische Bindung zwischen einer Acetylmuraminsäure und Acetylglucosamin und dient somit als Schutz gegen bakterielle Infektionen.

26 Die Membran von E.coli (Gram neg.)

27 Eukaryota Einzelzellige oder multizelluläre Organismen Pflanzen (Pilze) und Tiere Komplexe Struktur: Organellen, Endomembransystem, Cytoskelett

28 Kompartimente der Eukarya Plasmamembran Cytoplasma Zellkern Endoplasmatisches Retikulum Golgi Apparat Lytisches Kompartiment (Lysosomen) Peroxisomen Mitochondrien Plastiden (Pflanzen) Zellwände (Pilze und Pflanzen)

29 Membrane (1) Kompartimentierungsregel: Biologische Membrane trennen in der Regel eine plasmatische Phase von einer nicht-plasmatischen. Cytoplasma, Karyoplasma, Mitoplasma (Matrix), Plastoplasma (Stroma). Um von einem Zellplasma in das nächste zu gelangen, müssen immer 2 Membranen überwunden werden. Zwischen den 2 Membranen liegt eine nicht plasmatische Phase.

30 Membrane structure Main building blocks lipids (~50% of the mass) membrane proteins

31 Membranbausteine (Lipid bilayer)

32 Membrane lipids are amphipathic

33 Selbstheilungsfähigeit von Membranen

34 Die Fluidität der Lipid-Doppelschicht ist von ihrer Zusammensetzung abhängig Fatty acids saturated unsaturated Lipid composition cholesterol phospholipids glycolipids Hohe Fluidität Geringe Fluidität

35 Die Membran ist asymetrisch. Enzyme in der Membran können einzelne Membranbestandteile in der Membran neu orientieren.

36 The ER assembles most lipid bilayers

37 The role of phospholipid translocaters in lipid bilayer synthesis

38 Membranproteine durchdringen die Membran, sind an Membrankomponenten verankert, oder binden an andere Transmembranproteine (1) single α helix (+ fatty acid chain) (2) multiple α helices (3) rolled-up β sheet (beta barrel (4) anchored through hydrophobic face of amphipathic α helix (5) lipid chain - fatty acid or prenyl group (6) oligosaccharide linker glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchor (7, 8) noncovalent interactions with other membrane proteins.

39 In most transmembrane proteins the polypeptide chain crosses the lipid bilayer in an α-helical conformation Green/Yellow: hydrophobic Blue: hydrophillic

40 Some β barrels form large transmembrane channels

41 Zellen können Proteine und Lipide auf besondere Domänen innerhalb der Membran beschränken

42 Ways of restricting the lateral mobility of specific plasma membrane proteins (A) self-assembly into large aggregates (e.g. Bacteriorhodopsin crystals); interactions with assemblies of macromolecules outside (B) or inside (C) the cell; (D) interaction of proteins on the surface of different cells

43 The cortical cytoskeleton gives membranes mechanical strength and restricts membrane protein diffusion

44 Protein-free lipid bilayers are highly impermeable to ions

45 Membrantransport Transport durch Membranen kann durch Diffusion erfolgen (z.b.o 2 ) Oder durch Transportmoleküle (mit oder ohne Energieaufwand)

46 Three ways of driving active transport 1. Coupled transporters couple the uphill transport of one solute across the membrane to the downhill transport of another. 2. ATP-driven pumps couple uphill transport to the hydrolysis of ATP. 3. Light-driven pumps, which are found mainly in bacterial cells, couple uphill transport to an input of energy from light (e.g. bacteriorhodopsin)

47 Die Na+ K+ ATPase reguliert die intrazelluläre Ionenkonzentration und benötig hierfür ATP

48 An asymmetric distribution of transporters in epithelial cells underlies the transcellular transport of solutes

49 Ionenkanäle sind für die Aufrechterhaltung des Membranpotentials verantwortlich Durch Reize werden Ionenkanäle geöfffnet und es kommt zur Reizweiterleitung

50 Ionenkanäle können auf verschiedene Arten reguliert werden

51 Ionenkanäle sind für die Reizweiterleitung entlang von Axonen verantwortlich und haben eine Latenzphase, bevor diese wieder reaktiviert werden können