Biophysik der Zelle Schwerpunktstudium Biophysik LMU

Transkript

1 J.O. Rädler SS 2008 Biophysik der Zelle Schwerpunktstudium Biophysik LMU Rädler SS08 Biophysik der Zelle 1

2 Terminplan und Inhalte Folienpassword: LMU_biophysik

3 Literatur Bruce Alberts et al.: Molecular Biology of the Cell (MBoC) Helmut Pfützner Roland Glaser Rodney Cotterill Skript : links : Erich Sackmann: Biophysik Skript Auf den Folien und auf der Vorlesungsseite Rädler SS08 Biophysik der Zelle 3

4 Begleitendes Hauptseminar Doris Heinrich Seminar-Einteilung und Einführung in Vortragstechniken (D. Heinrich) Einführung Kontrastverfahren in der Lichtmikroskopie (Wanqing Xiang) Die Zelle: ihre essentiellen Bausteine und Prozesse (Samuel Moll) Aktin in Zellen ( ) Zelladhäsion (Felix Keber) Lipide in der Plasmamembran ( ) Vesikeltransport in Zellen (Sven Schneider) Virale Zellinfektion (Dominik Traxl) Viskoelastizität und Rheologie ( ) Neuronen und die Signalfortpflanzung im Axon (Astrid Velroyen) Biorhytmik und Steuerung der Herzkontraktion ( ) Flagellen und Cilien ( ) Haarzellen als Verstärker im Ohr ( )

5 A freshwater amoeba crawls, extending pseudopods through the force generated by actin polymerization Rädler SS08 Biophysik der Zelle 5

6 Zur Motivation Die Inhalte der Vorlesung im Schnelldurchgang Rädler SS08 Biophysik der Zelle 6

7 Die Zelle: Ein System gekoppelter funktioneller Untereinheiten Organellen Rädler SS08 Biophysik der Zelle 7

8 Physik der Lipide hydrophobe Wechselwirkung, kritische Mizellkonzentration, Permeabilität, Diffusion Rädler SS08 Biophysik der Zelle 8

9 Membran-Kontinuumsmodelle Biegeelastizität, Vesikel, Formumwandlungen, Fluktuationen Rädler SS08 Biophysik der Zelle 9

10 Lipidlegierungen Lididphasen und Phasenübergänge, rafts Rädler SS08 Biophysik der Zelle 10

11 Zellbewegung Struktur und Dynamik des Zytoskletts Vorlesung: Doris Heinrich Rädler SS08 Biophysik der Zelle 11

12 Energieumwandlung Mitochondrien, Atmungskette, Michell Hypothese, ATP Synthase Rädler SS08 Biophysik der Zelle 12

13 Photosynthese Chloroplasten, der Ort der Lichtkonversion in Pflanzen Rädler SS08 Biophysik der Zelle 13

14 Photosynthese I Rädler SS08 Biophysik der Zelle 14

15 Photosynthese II Elektronentransferkette,Reaktionszentrum Rädler SS08 Biophysik der Zelle 15

16 Die Elektronentransferkette im Reaktionszentrum Rädler SS08 Biophysik der Zelle 16

17 Nervenleitung

18 Das stationäre Membranpotential Physiologie der Neuronen, Patch-clamp, Nernst-, Planck- und Donnanpotential, Ruhepotential und Goldmann Gleichung Rädler SS08 Biophysik der Zelle 18

19 Erregung der Nervenmembran Aktionspotential, Huxley-Hodgkins Gleichung, Fitzhugh Modell, spannungsabhängige Ionenkanäle Rädler SS08 Biophysik der Zelle 19

20 Signalausbreitung Signalfortpflanzung im Axon, Kabelgleichung, Signalübertragung an den Synapsen Rädler SS08 Biophysik der Zelle 20

21 Molekulare Mechanismen der Zelle Rückblick und Ausblick Die Zelle und Nanobiotechnologie, Betrachtungen zum globalen Energie- und Kohlenstoffhaushalt Rädler SS08 Biophysik der Zelle 21

22 Einleitung Entstehung und Aufbau der eukaryotischen Zelle Mikroskopietechniken Rädler SS08 Biophysik der Zelle 22

23 Mikroskopie und die Entdeckung der Zelle Erstes optisches Mikroskop (270-fache Vergr.) - bikonvexe Linse - Justierschraube zur Probenpositionierung Antony van Leeuwenhook, Zeichnungen von Mikroorganismen Rädler SS08 Biophysik der Zelle 23

24 Robert Hooke Hooke benutze den Begriff "Zelle" für die beobachtete Feinstruktur von Kork Zusammengesetztes Mikroskop aus Objektivund Okularlinse. Rädler SS08 Biophysik der Zelle 24

25 a) Bakterien b) Hefe c) Rote Blutzelle d) Makrophage Eine Vielfalt von Zellformen und Größen Goodsell, 1993 e) Spermium f) Epidermis-Zellen g) Muskelzelle h) Nervenzelle Rädler SS08 Biophysik der Zelle 25

26 Die allgemeinen Merkmale von Zellen auf der Erde Alle Zellen speichern Erbinformation (DNA) Alle Zellen replizieren Erbinformation Alle Zellen transkribieren Erbinformation über RNA Alle Zellen übersetzen RNA auf gleiche Weise in Proteine Leben braucht Freie Energie Alle Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben Rädler SS08 Biophysik der Zelle 26

27 Membranen definieren die erste Zelle durch Schaffung eines abgeschlossenen Reaktionsraumes Anreicherung durch autokatalytische Prozesse Membran-Transportproteine schaffen Konzentrationsgradienten (el.-chem. Spannungsgefälle) von Innen und Aussen - Rädler SS08 Biophysik der Zelle 27

28 Prokaryoten Eukaryoten 1 DNA Molekül ca Proteine mehrere Chromosome > Proteine

29 Eukaryotic cells Single cell or multicellular organisms Plants and animals Structurally more complex: organelles, cytoskeleton Rädler SS08 Biophysik der Zelle 29

30 Endosymbiosehypothese zur Entstehung der Eukaryoten Rädler SS08 Biophysik der Zelle 30

31 Endosymbiosetheorie Aufnahme einer aeroben Eubakterie von einer anaeroben Ur-Eukaryotenzelle Mitochondrien besitzen eigene ringförmige DNA und eigene Ribosomen, sowie eigene Transfer-RNA. Rädler SS08 Biophysik der Zelle 31

32 Die Minimalzelle Eine Zelle kann mit weniger als 500 Genen auskommen Mycoplasma genitalium: Bakterium mit dem kleinsten Genom Verteilung der Gene auf Funktionen: 37: Transfer_RNAs 297: Proteine 153: Replikation 29: Membran und Struktur 33: Membran-Transport 71: Energieumwandlung/ Synthese 11: Zellteilung Rädler SS08 Biophysik der Zelle 32

33 Aufbau einer eukaryontischen Zelle Rädler SS08 Biophysik der Zelle 33

34 Animal cell structure Rädler SS08 Biophysik der Zelle 34

35 Plant cell structure Rädler SS08 Biophysik der Zelle 35

36 Functions of the plasma membrane Regulate transport of nutrients into the cell Regulate transport of waste out of the cell Maintain proper chemical conditions in the cell Provide a site for chemical reactions not likely to occur in an aqueous environment Detect signals in the extracellular environment Interact with other cells or the extracellular matrix (in multicellular organisms) Rädler SS08 Biophysik der Zelle 36

37 The plasma membrane separates the cell from the environment The fundamental structure of all cell membranes is the lipid bilayer Various membrane proteins present in the different cell membranes give each membrane a specific function Rädler SS08 Biophysik der Zelle 37

38 The plasma membrane is a composite of three interconnected layers: * extracellular matrix * lipid membrane * cytoskeleton Rädler SS08 Biophysik der Zelle 38

39 Each closed compartment has two faces The two faces of a membrane are asymmetric in terms of lipid and protein composition Rädler SS08 Biophysik der Zelle 39

40 Organelles of the eukaryotic cell the Nucleus the Endoplasmic Reticulum (ER) the Golgi complex Lysosomes Peroxisomes Mitochondria Chloroplasts the Cytosol Rädler SS08 Biophysik der Zelle 40

41 The nucleus Separates DNA from cytosol transcription from translation Key Features outer membrane inner membrane nuclear pores nucleolus Rädler SS08 Biophysik der Zelle 41

42 The endoplasmic reticulum (ER) Responsible for most lipid synthesis most membrane protein synthesis Ca ++ ion storage detoxification Key Features network of interconnected closed membrane tubules and vesicles composed of smooth and rough regions Rädler SS08 Biophysik der Zelle 42

43 The Golgi complex Modifies and sorts most ER products Key Features series of flattened compartments & vesicles composed of 3 regions: cis (entry), medial, trans (exit) each region contains different set of modifying enzymes Rädler SS08 Biophysik der Zelle 43

44 Lysosomes Responsible for degrading certain cell components material internalized from the extracellular environment Key Features single membrane ph of lumen 5 acid hydrolases carry out degradation reactions Rädler SS08 Biophysik der Zelle 44

45 Peroxisomes Responsible for degrading fatty acids toxic compounds Key Features single membrane contain oxidases and catalase Rädler SS08 Biophysik der Zelle 45

46 Mitochondria Site of ATP production via aerobic metabolism Key Features outer membrane intermembrane space inner membrane matrix Rädler SS08 Biophysik der Zelle 46

47 Chloroplasts Site of photosynthesis in plants and green algae Key Features outer membrane intermembrane space inner membrane stroma thylakoid membrane thylakoid lumen Rädler SS08 Biophysik der Zelle 47

48 Secretory proteins are synthesized in the ER and pass through the Golgi on the way to the extracellular environment Rädler SS08 Biophysik der Zelle 48

49 The cytosol The portion of the cell enclosed by the plasma membrane but not part of any organelle Key Features the cytoskeleton polyribosomes metabolic enzymes Rädler SS08 Biophysik der Zelle 49

50 The life cycle of cells Cell division occurs when one cell, after a period of growth, divides to become two daughter cells Most eukaryotic cells follow the cell cycle, an internal clock that determines the phases of cell growth and division Progress through the cell cycle is controlled at checkpoints Cells may leave the cell cycle and differentiate to perform specialized functions Cells may undergo programmed cell death as a way of balancing cell growth or generating structures during development (apoptosis) Rädler SS08 Biophysik der Zelle 50

51 Eukaryotic DNA is packaged into chromosomes Each chromosome is a single linear DNA molecule associated with proteins The total DNA in the chromosomes of an organism is its genome Rädler SS08 Biophysik der Zelle 51

52 Cells associate to form tissues Tissues are composed of cells and extracellular matrix Tissues may form organs Rudimentary tissues and an overall body plan form early in development due to a defined pattern of gene expression and the ability of cells to interact with other cells Many animals share the same basic pattern of development, which reflects commonalities in molecular and cellular mechanisms controlling development Rädler SS08 Biophysik der Zelle 52

53 Multiple tissues combine to create this artery Rädler SS08 Biophysik der Zelle 53