Zellbiologie Zelle und Zellorganellen

Transkript

1 Zellbiologie Zelle und Zellorganellen

2 Lebende Materie besteht aus Zellen vom Bakterium bis zum Blauwal Alle auf der Erde existierenden biologischen Systeme setzen sich aus denselben Arten biochemischer Moleküle zusammen und verwenden auf zellularer Ebene ähnliche Organisationsprinzipien. Die Zelle ist die kleinste autonome Einheit des Lebens. Nur einer Zelle oder einem Zellverbund kann das Prädikat Leben zugeordnet werden. Wie Zellen auf der Grundlage der sie bildenden Moleküle funktionieren, erforscht das interdisziplinäre Forschungsgebiet der Molekularen Zellbiologie Zellbiologie ist Molekularbiologie der Zelle Molekulargenetik / Genomik Zellmorphologie / Ultrastruktur Biochemie / Physiologie Biophysik / Bioenergetik Bioinformatik Entwicklungsbiologie Evolutionsbiologie Biomedizin

3 Alle Lebewesen auf der Erde lassen sich auf einen gemeinsamen Vorfahren, einer Urzelle, zurückführen. Die Evolution hat sich im Genom der Lebewesen niedergeschlagen. Deshalb lassen sich durch Genanalysen verwandschaftliche Beziehungen zwischen verschiedenen Lebewesen aufdecken (insbes. ribosomale RNA) Phylogenetische Stammbäume

4 Sind Viren Lebewesen? Viren bestehen aus einer Eiweißhülle und einem Informationsmolekül (DNA oder RNA), welches den Aufbau der Eiweißhülle (dessen Proteom) codiert. Viren sind nicht in der Lage, selbständig die DNA/RNA zu transkripieren und die Eiweißbiosynthese auszuführen. Sie benötigen dazu die Dienste einer lebenden Zelle: Viren existieren parasitär Viren fehlen wesentliche Merkmale des Lebens Viren sind keine Lebewesen! Beispiel: Bakteriophage

5 Es existieren zwei Arten von Zellen mit unterschiedlichem Organisationsgrad Prokaryonten und Eukaryonten Prokaryonten Kein Zellkern Nur Einzeller (Bakterien, Archaen) Ein ringförmiges DNA-Molekül Vorwiegend codierende DNA-Abschnitte Keine Zellorganellen Kein Cytoskelett Zellteilung durch einfache Zweiteilung Eukaryonten Komplexer Zellkern Ein- und mehrzellige Organismen Mehrere lineare DNA-Moleküle in Chromosomen organisiert Vorwiegend nichtcodierende Regionen Extrachromosomale DNA (Mitochondrien, Chloroplasten) Komplexe Zellorganellen (z.b. Mitochondrien, Lysosome, Golgi-Apparat) Sehr komplexes Cytoskelett Zellteilung mit vorausgehender Kernteilung (Mitose, Meiose) Zellorganellen entwickelten sich durch Endosymbiose

6 Zellen schirmen sich durch eine Zellwand von der Außenwelt ab tierische Zellen Phosphorlipid-Membranen pflanzliche Zellen Kohlenhydrat (Zellulose)-Zellwände negativ geladen Ein durch eine Doppellipidschicht (Membran) abgegrenztes Volumen nennt man Vesikel. Innenraum / Außenraum (nur in wässrigem Miljö)

7 Die prokaryontische Zelle Bakterien Archaea Modellorganismus Escherichia coli - doppelte Zellmembran / 1x DNA, n x Nucleoide (Ringmoleküle) - transmembrane Proteine - Adhäsine zur Anlagerung an andere Zellen

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9 Die eukaryontische Zelle DNA im Zellkern konzentriert Gegenüber prokaryontischen Zellen bedeutend größere Komplexität Besitzt mit Membranen umgebende Zellorganellen

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11 Zellkompartimente oder Organellen einer eukaryotischen Zelle 1. Plasmamembran 2. Zytoplasma 3. Zellkern 4. Endoplasmatisches Retikulum 5. Golgi-Apparat 6. Vesikel (sekretorisch) 7. Peroxysom 8. Lysosom 9. Mitochondrien

12 Schutz und Abschluß vor der Außenwelt - Zellmembranen definiert räumliche Begrenzung Schutzfunktion Barriere für wasserlösliche Stoffe Bestehen aus Phospholipiden hydrophobe Moleküle können die Plasmamembran durchdringen Umhüllung von Zellkompartimenten elektrische Spannungsbarriere Positionierung von Transmembran-Proteine Energiespeicher Doppelmembran aus Phospholipiden

13 (1) Kanalprotein (2) Globularprotein (3) Glycoprotein (4) Kohlenhydratkette (5) hydrophyle Köpfe (6) Phospholipide (7) Phospholipid-Molekül (8) hydrophober Schwanz (9) Alpha-Helix (10) Oberflächenprotein (11) Zytoskelettfilament (12) Integrales Protein (13) Periphäres Protein (14) Glycolipid (15) Cholesterin

14 Zytoplasma Das wäßrige Milljöh innerhalb einer Zelle wird als Zytoplasma bezeichnet Reaktionsmedium biochemischer Prozesse Transportmedium von Molekülen zwischen den Zellorganellen besteht aus dem flüssigen Cytosol und dem festeren Cytoskelett Die Stabilität einer Zelle wird durch einen leicht erhöhten Innendruck sowie durch Zytoskelettstrukturen aufrechterhalten Es gibt drei verschiedene Typen von Zytoskelettstrukturen 1. Mikrofilamente - dynamisches formgebendes Gerüst aus Aktinfasern 2. Intermediärfilamente bilden Drahtseile in der Zelle, an denen sich bestimmte Zellorganellen entlanghangeln; bestehen aus Ceratin 3. Mikrotubuli bilden ein Schienensystem aus Alpha- und Beta-Tubulin in der Zelle

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16 Fluoreszenzaufnahme Ephithelzellen unter dem Mikroskop. Die Mikrotubuli sind in grün, Aktinfilamente sind in rot markiert worden. Die Zellkerne sind blau markiert.

17 Cytoskelett - Aktin-Mikrofilamente Amöbe Netzwerk von Aktin-Filamenten im Zytoplasma

18 Cytoskelett Intermediär-Filamente Geflecht aus Intermediärfilamenten füllen gesamten Zellraum aus Kernlamina Die Intermediärfilamente sind biegsam, aber sehr zugfest. Sie scheinen vor allem als Zugfasern zu wirken, sind aber nicht in der Lage, Kraft zu erzeugen. Beispielsweise sind die Keratinfasern in unserer Haut aus solchen Filamenten aufgebaut.

19 Cytoskelett Mikrotubuli sind steife Fasern, die an einem Ende aufgebaut (+) und am anderen Ende (-) abgebaut werden Tretmühlenmechanismus läßt das Mikrotubuli wie eine Raupenkette durch die Zelle wandern. Die Mikrotubuli sind für die Zellteilung zuständig und bewegen, ebenfalls mithilfe von molekularen Motoren, die Chromosomen der sich teilenden Zelle in die jeweiligen Tochterzellen.

20 Mitosespindel

21 Nächstes Mal: Zellkern