Funktion und Biogenese von Zellorganellen. Benedikt Westermann

Transkript

1 Funktion und Biogenese von Zellorganellen Benedikt Westermann

2 Vorlesung: Freitags 8:15-10:00 Uhr im H 9 Themen: Evolution der Zelle und ihrer Kompartimente Allg. Prinzipien der Biogenese von Organellen Organellen des Sekretorischen Apparats Zellkern Mitochondrien/Chloroplasten Vakuole, Lysosomen, Peroxisomen Pathologie Methoden zur Untersuchung von Zellorganellen etc....

3 Praktikum: , ca. 10:15-17:00 Uhr im Praktikumsraum der Genetik Themen: Experimente zur Funktion und Biogenese von Mitochondrien in Saccharomyces cerevisiae als Modellorganismus Methoden: Hefegenetik, gentechnische Manipulation von Hefe, Fluoreszenzmikroskopie, Elektronenmikroskopie, Isolierung und Analyse von Mitochondrien etc.

4 Seminar: parallel zum Praktikum im S 34 Referate: Originalartikel zur Biologie der Mitochondrien Die Themen werden auf der Homepage bekannt gegeben.

5 Prüfungen Klausur (1/3 der Endnote) , 8:15-9:15 Uhr im H 9 Prüfungsinhalt: Vorlesung Referat (1/3 der Endnote ) im Rahmen des Seminars Protokoll (1/3 der Endnote) Abgabetermin wird noch vereinbart

6 Anmeldung zu den Prüfungen Die verbindliche Anmeldung zu allen 3 Prüfungsbestandteilen erfolgt über Eintrag in Listen auf Papier (zusätzlich zu Campusonline). Für die Teilnehmer des Praktikums ist es nur möglich, sich für alle 3 Prüfungsbestandteile anzumelden. Ein Verschieben einzelner Prüfungsleistungen auf nachfolgende Semester ist nicht vorgesehen. Die Anmeldung für Teilnehmer des gesamten Moduls bzw. des Theoriemoduls mit Seminar erfolgt am

7 Ebenen der zellulären Organisation Dünndarmzotte 1. EM von Epithelzellen 2. apikale Mikrovilli mit Mikrofilamenten 3. Aktin- Untereinheiten 4. Mitochondrion 5. EM der Innenmembran 6. EM der ATPase 7. Kristallstruktur des ATPase-Kopfes Karp, Molekulare Zellbiologie

8 Prokaryotische Zellen sind einfacher aufgebaut als eukaryotische Zellen griechisch eu : "echt/wahr" griechisch karyon : "Kern/Nuß" griechisch pro : "bevor"

9 Prokaryotische Zelle

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11 Schema einer tierischen Zelle Ce, Centriol D, Dictyosom (Golgi-Apparat) Ds, Desmosom G, Sekretgranulum GER, granuläres (raues) endoplasmatisches Retikulum ICS, Interzellularraum L, Lysosom M, Mitochondrion Me, Zellmembran Mf, Mikrofilamente Mt, Mikrotubuli MV, Mikrovilli MLB, Multilamellärer Körper N, Kern No, Nucleolus Ps, Polysom SER, glattes ER Ude, Koch: Die Zelle

12 Zelle der Sprossspitze im Weizenkeimling Cp, Chloroplast D, Dictyosom (Golgi) GER, raues endoplasmatisches Retikulum M, Mitochondrion N, Kern V, Speichervacuole

13 Schema einer pflanzlichen Zelle Cp, Chloroplast CW, Zellwand D, Dictyosom (Golgi) ER, endoplasmatisches Retikulum G, Granulum ICS, Interzellularraum LD, Lipidtropfen M, Mitochondrion Me, Zellmembran Mf, Mikrofilamente Mt, Mikrotubuli N, Kern No, Nucleolus Pd, Plasmodesmen R, Ribosomen To, Tonoplast V, Vacuole Ude, Koch: Die Zelle

14 Unterschiede zwischen Prokaryoten und Eukaryoten Bakterien und Cyanobakterien klein: 1-10 µm unbeweglich, oder beweglich durch Flagellen aus Flagellin Zellwände aus speziellen Zuckern und Peptiden keine membranumgrenzten Organellen ringförmige DNA im Cytoplasma Fortpflanzung durch Aufspaltung in zwei Hälften i.d.r. einzellig Einzeller, Pilze, Pflanzen, Tiere groß: µm meist beweglich, Cilien oder Flagellen aus Mikrotubuli Zellwände aus Zellulose oder Chitin (tierische Zellen ohne) Mitochondrien, Chloroplasten etc. lineare DNA als Chromosomen im Zellkern Fortpflanzung durch Mitose oder Meiose oft vielzellig, differenzierte Zellen

15 Kompartimente (Wikipedia) Kompartimente sind durch Biomembranen abgegrenzte Teilbereiche eukaryotischer Zellen. Diese sind also in unterschiedlichste Reaktionsräume gegliedert, in denen auf engstem Raum verschiedenste Stoffwechselreaktionen ermöglicht werden. Das Vorhandensein von Kompartimenten ermöglicht somit eine intrazelluläre Arbeitsteilung, durch die eine enorme Differenzierung und Leistungssteigerung der spezialisierten Zelle ermöglicht wird. Kompartimentierung ist somit auf zellulärer Ebene die evolutive Voraussetzung für die Entstehung komplexer, differenzierter Organismen.

16 Zellorganellen Organellen werden definiert als von Membranen umgebene intrazelluläre Strukturen, die für bestimmte zelluläre Funktionen spezialisiert sind

17 Warum ist die Kompartimentierung von Zellen durch membranumschlossene Organellen vorteilhaft?

18 Die Oberfläche der Membranen bestimmt die Rate des Stoffaustauschs

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20 Die Diffusionsrate von (Makro-) Molekülen kann ein limitierender Faktor für die Größe von Zellen sein

21 Konzentrationen von Enzymen und Reaktanden kann limitierend sein Effiziente biochemische Reaktionen erfordern eine bestimmte Mindestkonzentration von Enzymen und Substraten eine Verdopplung der 3-dimensionalen Ausdehnung der Zelle erfordert eine 8-fach höhere Menge an Reaktanden

22 Vorteile der Kompartimentierung Begrenzung des Diffusionsraumes Vergrößerung der Membranoberfläche Konzentration von Enzymen und Substraten Schaffung unterschiedlicher Mikro- Reaktionsräume (ph, Ionenkonzentrationen, Redoxpotentiale) 2-dimensionale Reaktionsräume in Membranen Abschottung potentiell schädlicher Reaktionen (z.b. Proteinabbau in Lysosomen, oxidative Enzyme in Peroxisomen)

23 Eukaryotische Zellen besitzen eine ähnliche Grundausstattung membranumschlossener Organellen

24 Zellkern Trennt DNA vom Cytosol Transkription von Translation 4 Subkompartimente Außenmembran (ER!) Innenmembran Kernporen Nucleolus

25 Cytosol Der Teil der Zelle, der von der Plasmamembran umgeben, aber nicht Bestandteil eines Organells ist Wichtige Bestandteile: Cytoskelett Polyribosomen Enzyme des Stoffwechsels

26 Endoplasmatisches Reticulum (ER) Hauptaufgaben: Synthese der meisten Lipide Synthese der meisten Membranproteine Export von Proteinen Ca ++ -Speicher Merkmale Geschlossenes Netzwerk von untereinander verbundenen Schläuchen Raues und glattes ER Verbunden mit der Kernmembran

27 Golgi-Apparat Modifiziert und sortiert Produkte aus dem ER Hauptmerkmale: Stapel flacher Kompartimente und Vesikel 3 Regionen: cis (Eingang), medial, trans (Ausgang) Jede Region ist durch unterschiedliche modifizierende Enzyme gekennzeichnet

28 Sekretorische Proteine werden im ER synthetisiert und durchwandern den Golgi auf ihrem Weg in die extrazelluläre Umgebung

29 Mitochondrien ATP-Synthese bei aerobem Stoffwechsel... 4 Sub-Kompartimente: Außenmembran Intermembranraum Innenmembran Matrix

30 Chloroplasten Photosynthese in Pflanzen und Grünalgen 6 Subkompartimente Außenmembran Intermembranraum Innenmembran Stroma Thylakoidmembran Thylakoidlumen

31 Lysosomen (entsprechen der Vakuole der Pflanzen oder Pilze) Abbau von: Bestimmten Zellbestandteilen Material, das aus dem Extrazellulärraum internalisiert wurde Merkmale: Einzelne Membran ph des Lumens 5 Saure Hydrolasen vermitteln Abbaureaktionen

32 Peroxisomen Verantwortlich für den Abbau von: Fettsäuren Toxischen Molekülen Merkmale: Einzelmembranen Enthalten Oxidasen und Katalase

33 Entstehung von Zellorganellen in der Evolution

34 Ursprung der Kompartimentierung A. Heterotrophe Organismen sezernieren hydrolytische Enzyme, die Makromoleküle zerlegen, so dass die Bausteine als Nahrung augenommen werden können innen und außen sind unterschiedliche Kompartimente Proteinsekretion wird notwendig B. Internalisierung der sezernierten Enzyme zusammen mit den Nährstoffen Lysosom effizientere Nahrungsaufnahme Proteinsortierungsmechanismen C. Mehrere "Teilungs- und Differenzierungsereignisse" elaboriertes Membransystem für Endocytose, Lipidsynthese, Proteintransport etc.

35 D. Differenzierung des ER zur Kernhülle Ursprung der eukaryotischen Zelle E. Endosymbiose Entstehung von Mitochondrien und Chloroplasten als Energielieferanten

36 Stoffaustausch zwischen den Kompartimenten als neue Herausforderung in kompartimentierten Zellen

37 Eukaryotische Zellen könnten als Räuber entstanden sein Phagocytose: Leukocyt frisst markierten Erythrocyten

38 Ein "fleischfressender" Einzeller Didinium phagocytiert anderes Protozoon

39 Entstehung von Mitochondrien und Chloroplasten

40 Endosymbiose Dyall et al. 2004, Science 304:

41 Endosymbiose von Mitochondrien Mitochondrien: α-proteobakterium in Archaea-Wirtszelle aufgenommen Unklar, ob Wirt bereits Eukaryont? Hydrogenosomen bilden ATP, H 2, CO 2 Mitosomen sind einfache Organellen mit jeweils einem typischen mitochondrialen Protein (Cpn60, Hsp70, IscS) Gleicher Ursprung von Mitochondrien, Hydrogenosomen und Mitosomen? (A) Lineare Abstammung, horizontaler Gentransfer (B) Nach Gentransfer und Entstehung typischer eukaryotischer Proteine sekundärer Verlust der Mitochondrien Dyall et al. 2004, Science 304:

42 Endosymbiose von Chloroplasten Plastiden: Cyanobakterium aufgenommen in Wirtszelle, die Mitochondrien enthielt Sekundäre Endosymbiose: Photosynthetische Eukaryoten von nichtphotosynthetischen Eukaryoten aufgenommen Dyall et al. 2004, Science 304:

43 Gentransfer in den Zellkern Mitochondriale Genome: 3-67 Gene Chloroplasten: Gene viele Gene der Endosymbionten verloren bzw. in den Zellkern verlagert Verlagerte Gene brauchen Promotor Kern-codierte Proteine brauchen eine Translokationsmaschinerie Dyall et al. 2004, Science 304:

44 Mitochondriale und plastidäre Proteintranslokasen Dyall et al. 2004, Science 304:

45 Hypothese: Introns und Entstehung des Zellkerns Endosymbiose in prokaryotischen Wirt Gentransfer nach Lyse von Zellorganellen vermehrte Entstehung von Introns, Probleme bei co-transkriptionaler Translation Kernmembran entkoppelt Splicing und Translation Martin and Koonin (2006) Nature 440: 41-45

46 Sekundäre Endosymbiose Aufnahme einer eukaryotischen Alge durch eine eukaryotische Amöbe

47 Sekundäre Endosymbiose Autotrophe Zelle mit: Zellkern, Mitochondrien, ER; im ER: Endosymbiont mit eigener Plasmamembran, Cytoplasma, Nucleomorph 4 Genome: Kern, Mito, Chloroplast, Nucleomorph Kern-codierte Proteine des Thylakoidlumens müssen durch 5 (!) Membranen transportiert werden: ER der Wirtszelle, Plasmamembran des Endosymbionten, Außenmembran des Chloroplasten, Innenmembran des Chloroplasten, Thylakoidmembran

48 Rest des Zellkerns des sekundären Endosymbionten codiert z.b. rrnas, trnas, (eigene) ribosomale Proteine, einige Chloroplastenproteine, Histone, DNA-Replikationsfaktoren etc. Nucleomorph

49 Zusammenfassung: Endosymbiose I Mitochondrien sind durch Endosymbiose eines α-proteobakteriums mit einer pro- oder eukaryotischen Wirtszelle entstanden Chloroplasten sind durch Endosymbiose eines Cyanobakteriums mit einer Mitochondrienenthaltenden Wirtszelle entstanden Hydrogenosomen und Mitosomen sind mit Mitochondrien verwandte endosymbiontische Organellen Photosynthetische Eukaryonten können durch sekundäre Endosymbiose aufgenommen werden

50 Zusammenfassung: Endosymbiose II Organellen entstehen aus Endosymbionten durch Gentransfer in den Kern In den Kern transferierte Gene benötigen einen neuen Promotor Kern-codierte Proteine benötigen eine Proteintargeting- und Proteintranslokationsmaschinerie Die Gene für die Proteintranslokasen der endosymbiontischen Organellen stammen z.t. von Genen der Endosymbionten ab, z.t. sind sie neu entstanden

51 Leaves that crawl Einige Meeresschnecken nehmen symbiontische Plastiden auf Tarnung Einige Schnecken können Energie durch Photosynthese gewinnen A) Dorsale Ansicht von Elysia chlorotica (bis zu 6 cm groß) Rumpho et al. 2000, Plant Physiol. 123:29-38

52 Leaves that crawl C) Zwei Individuuen weiden auf V. litorea E) Alge V. litorea; die Tiere saugen die Algenfilamente aus; alle Bestandteile der Algenzellen (inkl. Zellkern) werden verworfen, und nur die Plastiden werden phagocytotisch in Zellen des Verdauungstraktes aufgenommen Rumpho et al. 2000, Plant Physiol. 123:29-38

53 Leaves that crawl D) In Ruhe breiten sich die Schnecken aus und nehmen ein Sonnenbad, bei der kleinsten Störung rollen sie sich zusammen F) Elysia chlorotica lässt sich problemlos in Aquarien mit synthetischem Meereswasser und Beleuchtung halten photoautotrophe Ernährung durch CO 2 -Fixierung für mindestens 9 Monate möglich Rumpho et al. 2000, Plant Physiol. 123:29-38

54 Die Sauerstoffproduktion hängt von der Lichtintensität ab (und der Größe der Schnecke und ihrer Bereitschaft, den Körper auszubreiten) Zahlen in Klammern: O 2 -Produktion; %-Angaben: Lichtintensität; dk: Dunkelheit Leaves that crawl Rumpho et al. 2000, Plant Physiol. 123:29-38

55 Leaves that crawl Symbiontische Chloroplasten werden in einer bestimmten Zellschicht des Verdauungstraktes aufrechterhalten Die äußere Hüllmembran des Chloroplasten ist in direktem Kontakt mit dem Cytosol der Wirtszelle Rumpho et al. 2000, Plant Physiol. 123:29-38

56 Leaves that crawl Symbiosen finden i.d.r. zwischen zwei verschiedenen Organismen statt; hier: Symbiose zwischen einem Organismus und einem Bestandteil eines anderen Organismus Alternative Bezeichnung: Kleptoplasten Die Chloroplasten bleiben auch in Abwesenheit des pflanzlichen Zellkerns lange Zeit aktiv, obwohl sie von kerncodierten Proteinen abhängig sind! Proteinsyntheseaktivität in aufgenommenen Chloroplasten! Lateraler Gentransfer von Kerngenen der Alge in das Genom der Schnecke?!? Aufnahme kerncodierter mitochondrialer Proteine in Chloroplasten?!?

57 Kann ein Tier eine Alge sein? A) Aufnahme eines Cyanobakteriums durch einen primitiven begeißelten Protisten primäre Endosymbiose B) Aufnahme einer Alge durch heterotrophen Eukaryonten; Verlust des Kerngenoms der Alge C) Aufnahme einer Alge durch Eukaryonten; Erhalt des Nucleomorphs D) Aufnahme von Chloroplasten durch Meeresschnecken Rumpho et al. 2000, Plant Physiol. 123:29-38