Zellstruktur & -funktion!

Transkript

1 Zellstruktur & -funktion

2 Zellmorphologien von Prokaryoten

3 Zellgrösse & -volumen

4 Zellmorphologie: Vorteil kleiner Zellen obere Grenzwerte für Grösse festgelegt durch Diffusion & Metabolismus kleine Zellen: schnellere Diffusion von Nährstoffen & Abfallprodukten, dadurch schnellerer Metabolismus & Wachstum untere Grenze: Durchmesser 0,2-0,4 µm

5 Zellmembranen & Zellwände in Prokaryonten: Zytoplasmamembran - selektive Permeabilitäts- barriere Phospholipiddoppelschicht ~ 8 nm

6 Zellmembranen Phospholipiddoppelschicht: hydrophobe & hydrophile Bereiche Phospholipide bilden in wässrigen Lösungen spontan Doppel- schichten = stabilste Anordnung

7 Einheitsmembran Zellmembranen

8 Cytoplasmamembran stabilisiert durch Wasserstoffbrücken hydrophobe Wechselwirkungen Kationen Mg2+ & Ca2+,, binden negative Phospholipide

9 Cytoplasmamembran Membranproteine: integrale periphere (auch Lipoproteine) Interaktionen Flüssigmosaikmodell

10 Zellmembranen: andere Lipide Sterole: (hier Cholesterin) typisch für Eukaryoten Hopanoide: (hier Diplotän) typisch für Bakterien nicht in Archaea

11 Membranen von Archaea Chemische Bindungen in Lipiden von Archaea: Ether nicht Ester Isopren, nicht Fettsäuren a) In Bacteria and Eukarya; b) in Archaea; c) isoprene basic unit of ether lipids

12 Membranen von Archaea bei Thermophilen

13 Membranen von Archaea

14 Funktionen der Cytoplasmamembran

15 Permeabilität von Membranen passiv

16 Notwendigkeit von Transportproteinen transportieren Substanzen gegen Konzentrationsgradienten wichtig für Aufnahme von Nährstoffen

17 3 Klassen von Transportsystemen nur 1 Protein mehrere Proteine beteiligt alle brauchen Energie

18 3 Typen von Transportern:

19 Beispiele für Transporter Getrieben durch protonenmotorische Kraft direkt oder indirekt

20 Beispiel für Gruppentransporter: Das Phosphotransferasesystem für Aufnahme von 5 verschiedenen Zuckern, jeder hat eigenes Aufnahmesystem: hier: Glucose, Phosphorylierungskaskade ausgehend von PEP löslich membran- assoziiert

21 Periplasmatische Bindeproteine & ABC-Transporter 1 hochaffin 2 3 > 200 bei Prokaryoten für Zucker, aa, anorganische Verbindungen auch in gram+

22 Proteintransport über Membranen warum? - Amylase, Zellulase, Pathogenitätsfaktoren Membranproteine wie? - mehrere Systeme, generelle (z.b. SecYEG) & spezifische (Toxintransporter) Details folgen ( Proteinsekretion in Bakterien )

23 Zellwände von Prokaryonten Electron micrographs

24 Zellwände von Prokaryonten Gram + Gram -

25 Peptidoglycan besteht aus 2 Zuckern: N-Acetyl-Glucosamin, N-Acetyl-Muraminsäure Aminosäuren: L-Ala, D-Ala, D-Glu, + Diaminopimelinsäure (DAP) Lysin verbunden zu Glycantetrapeptid (sich wiederholende Struktur)

26 Peptidoglycantetrapeptid typisches Tetrapeptid in Gram(-)

27 einzelne Peptidoglycanstränge umgeben die Zelle Stabilisierung durch Quervernetzung über Aminosäuren: gram - DAP an D-Ala gram + variabel

28 Zellwände von Prokaryonten gram + : 90% der Zellwand = Peptidoglycan zusätzlich Teichonsäure 1-25 Schichten Peptidoglycan gram - : dünne Zellwand aus Peptidoglycan zusätzlich äussere Membran Peptidoglycan nur bei Bacteria DAP bei allen gram -, einigen gram + ungewöhnlich: D-Aminosäuren (Ala, Glu) > 100 Peptidoglycanstrukturen bekannt Zucker immer dieselben, ß-1,4-Verbindung Variation bei den aa

29 Teichonsäure & die gram+ Zellwand Teichonsäure = eingebettet in die Zellwand enhält Glycerophosphat oder Ribitolphosphat über Ester an Zucker oder aa gebunden z.t. für negative Ladung der Zelloberfläche verantwortlich bindet divalente Kationen

30 Funktion der Zellwand von Prokaryonten: Schutz vor Lyse Lysozym (in Tränen, Speichel, etc.): spaltet ß-1,4 Verteidigung gegen Bakterien Bildung von Protoplasten (im Labor) natürlich: kaum Pro- karyonten ohne Zellwand

31 bei manchen Pseudopeptidoglycan: Rückgrat = N-acetylglucosamin + N-acetyltalosaminuron- säure ß-1,3-verknüpft Zellwände von Archaea

32 Zellwände von Archaea andere: Zellwände aus Polysaccharid, Glycoprotein, oder Protein am häufigsten: parakristalline S-Schicht aus Protein oder Glykoprotein hexagonale Symmetrie auch bei einigen Bacteria fast alle Archaea haben eine Zellwand; grosse Vielfalt der Struktur

33 Die äussere Membran gram- Bakterien Gram + Gram -

34 Die äussere Membran gram- Bakterien

35 Die äussere Membran von gram- Bakterien

36 Die äussere Membran von gram- Bakterien Unterschiede zur Zytoplasmamembran: 1) Lipopolysaccharid (LPS): toxisch (z.b. Salmonella) dideoxy sugars: abequose, colitose, paratose, tyvelose Caproic acid Lauric Myristic Palmitic Stearic

37 Die äussere Membran von gram- Bakterien Unterschiede zur Zytoplasmamembran: 2) Porine

38 Die äussere Membran von gram- Bakterien Unterschiede zur Zytoplasmamembran: 2) Porine: nicht-spezifische & spezifische Trimere Porenöffnung 1nm

39 Periplasma von gram- Bakterien zwischen Cytoplasma- und äusserer Membran nm breit enthält hydrolytische Enzyme, Bindeproteine, Chemorezeptoren

40 Zelloberflächenstrukturen & Zelleinschlüsse in Prokaryonten EM of Salmonella typhi, showing flagella and fimbriae. Fimbriae and pili are resonsible for adhesion and biofilm formation

41 Zelloberflächenstrukturen & Zelleinschlüsse in Prokaryonten F-Pilus is determined by the F-plasmid

42 Fimbrien & Pili Fimbrien: Anheftung, Biofilmbildung z.b. Salmonella typhimurium, Neisseria gonorrhoeae, Bordetella pertussis Pili: strukturell den Fimbrien verwandt, länger, meist ein oder wenige, Anheftung, Konjugation Typ IV Fimbrien/Pili: nur an den Polen der Zelle Fortbewegung wichtig für Wirtskolonisierung von Vibrio cholerae, Neisseria meningitidis

43 Kapseln & Schleimschichten Acinetobacter species EM of a Rhizobium trifolii-cell stained with Ruthenium red

44 Kapseln & Schleimschichten häufig bestehen aus Polysacchariden, manchmal auch Protein dick oder dünn, starr oder flexibel Anheftung, Biofilmbildung Schutz vor Immunsystem Schutz vor Austrocknung

45 Zelleinschlüsse bei Prokaryoten (Bacteria & Archaea) am häufigsten: Poly-ß-Hydroxybuttersäure (PHB) Lipid Polymere bis C18 bilden Granula zur Speicherung von C & Energie Ausserdem: Glycogen (Glucose-Polymer) zur Speicherung von C & Energie Rhodovibrio sodomensis

46 Zelleinschlüsse Polyphosphatgranula: Phosphatquelle für Nukleinsäuren & Phospholipide Schwefelgranula: Energiespeicher in Zellen, die Schwefel oxidieren können meist im Periplasma in Einstülpungen der Plasmamembran nach innen Isochromatium buderi

47 Zelleinschlüsse Magnetosomen: aus Magnetit Fe 3 O 4 von Membran umgeben Zellen können auf magnetische Felder reagieren erlaubt Magnetotaxis = Orientierung & Wanderung entlang magnetischen Erdfeldlinien Mechanismus & Vorteil nicht wirklich bekannt Hypothese: Steurung in Richtung niedriger O 2 -Konzentrationen a) Coccoid cells with magnetosomes, b) isolated magnetosomes c) Electron micrograph

48 Zelleinschlüsse Gasvesikel: in Prokaryoten im Plankton Verleihen Auftrieb - ermöglichen Bewegung in der Wassersäule Bsp: Blüten von Cyanobakterien in Seen auch in Purpur- & anderen Bakterien auch in Archaea

49 Zelleinschlüsse Gasvesikel: Hülle aus Protein nur für Gase durchlässig Grösse innerhalb eines Organismus identisch wenige bis zu 100 pro Zelle 100 nm aus Ancyclobacter aquaticus Anabaena flos-aquae Microcystis

50 Zelleinschlüsse Gasvesikelproteine GvpA is a rigid ß-sheet, GvpC is a αhelix and functions as crosslinker

51 Zelleinschlüsse: Endosporen terminal subterminal zentral Endosporen = differenzierte Zellen, resistent gegen Hitze bis zu 150 C, Chemikalien, Bestrahlung, langlebig dienen Überleben unter Nährstoffmangel, Trockenheit, hohen T auch: Verbreitung Entdeckung wichtig für adäquate Sterilisationstechniken

52 Zelleinschlüsse: Endosporen Struktur: stark lichtbrechend, schwer zu färben viele Schichten: Exosporium=Proteinhülle Sporenhüllen=spez. Proteine Cortex=Peptidoglycan Sporenprotoplast (=Kern), enthält Zellwand, Cytoplasmamembran, Cytoplasma, Nucleoid, Ribosomen Bacillus megaterium

53 Zelleinschlüsse: Endosporen Eigenschaften des Endosporenkerns: 10-25% des Wassergehalts einer vegetativen Zelle: Resistenz gegen Hitze, Chemikalien; inaktive Enzyme ph eine Einheit niedriger als in vegetativen Zellen hohe Konz. kleiner, säurelöslicher Proteine (SASPs) binden an DNA, Schutz vor Strahlenschäden, Austrocknung, Hitze C & Energiereservoir für Keimung

54 Zelleinschlüsse: Endosporen Bildung: Clostridium pascui

55 Endosporenbildung = Zelldifferenzierung

56 Endosporenbildung = Zelldifferenzierung in Bacillus: Sporulation in 8h > 200 Gene beteiligt Expression von Endosporen- proteinen als Reaktion auf Umweltreiz nur in einer Linie von gram+ Bakterien nicht in Archaea

57 Endosporenbildung = Zelldifferenzierung

58 Keimung 3 Schritte in Umwandlung zur vegetativen Zelle: Aktivierung: Hitze, dann Nährstoffe Keimung: Verlust der Lichtbrechung & Hitze/Chemi-Resistenz Verlust von SASPs & Calciumdipicolinat Auswachsen: Wasseraufnahme Wiederaufnahme von Biosynthese (Protein, RNA, DNA)

59 Langlebigkeit von Endosporen Preserved culture of Clostridium aceticum, May 1947 After 30 years the culture was reactivated from spores by G. Gottschalk Thermoactinomyces (Bacteria) aus römischen Fundstätten nach 2000 Jahren aus See-Sedimenten nach 7000 Jahren aus Millionen Jahre altem Bernstein? obere Altersgrenze für Endsporen wird debattiert

60 Mikrobielle Bewegung Bewegungsmöglichkeiten bei Mikroben: Gleiten Steigen & Fallen in Wasser durch Gasvesikel gerichtete Bewegung durch rotierende Flagellen (Geisseln) peritrich polar lophotrich

61 Flagellen 20nm Durchmesser Helix-förmig spezies-spezifische Wellenlänge Dark-field micrograph phase contrast micrograph

62 Flagellen Helix-förmig spezies-spezifische Wellenlänge bestehen aus Flagellin auch in Archaea, aber andere Struktur Haken verbindet Flagelle mit Motor, der Rotation hervorruft (Propellerfunktion) Motor verankert in Zellwand & Zytoplasmamembran 1 Stäbchen, mehrere Ringe Fli-Proteine: Richtung der Rotation

63 Flagellenbewegung Rotor: Ringe = Basalkörper Stator: Mot Proteine Energie: protonmotorische Kraft Protonenimport über Mot-Komplex treibt Flagellenbewegung 1000 Protonen pro Umdrehung Hypothese: Protonen interagieren mit Ladungen auf Ringen

64 Flagellenbiosynthese > 40 Gene beteiligt Flagellen wachsen an der Spitze Motor wird zuerst synthetisiert Flagellin durch das hohle Flagellum an die Spitze transportiert etwa Flagellinproteine bilden ein Filament, beginnend am Haken

65 Bewegung durch Flagellen Rotationsgeschwindigkeit variabel: bis zu 60 Zelllängen pro sec c

66 Bewegung durch Flagellen Rotationsgeschwindigkeit variabel: bis zu 60 Zelllängen pro sec c

67 Bewegung durch Gleiten Bewegung entlang der Achse der Zelle max. 10 µm pro sec filamentöse oder stäbchenförmige Zellen auf fester Oberfläche unregelmässige Kolonien

68 Mechanismen des Gleitens Cyanobakterien: Gleiten auf Polysaccharidschleim phototrophe gleitende Bakterien: Gleiten durch Bewegung von Proteinen auf der Zelloberfläche getrieben durch PMF

69 Wozu dient mikrobielle Bewegung? Interaktion mit Gradienten physikalischer & chemischer Wirkstoffe z. B. Chemotaxis & Phototaxis

70 Chemotaxis in E. coli Bakterien zu klein, um Konzentrations-Gradienten entlang einer Zelle zu erkennen; deshalb: Detektion von zeitlichen Gradienten beim Schwimmen in Richtung Chemo-attractant nimmt Taumeln ab, Geraden zu bei Chemo-repellant nehmen Geraden vom Stoff weg zu Chemorezeptoren an der Zytoplasmamembran kontrollieren Flagellenrotation

71 Kapillarmethode: Messung der Chemotaxis Mikroskopisch: Spuren von Bakterien, die um eine Alge schwärmen

72 Phototaxis Bewegung zum Licht - Licht für Photosynthese Lichtspektrum über Objektträger Phototaxis einer Kolonie Ansammlung bei Wellenlängen, bei denen photosynthetische Pigmente absorbieren Mechanismus: ähnlich wie Chemotaxis, Photorezeptoren Licht