Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie: Evolution – Zellbiologie – Entwicklung Institut für...
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Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie:
Evolution – Zellbiologie – Entwicklung
Institut für Biologie II
Jörg Mey
Jörg Mey
Institut für Biologie IIRWTH Aachen
Zellen und Gewebe
1. Was sind Lebewesen?
2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen
3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett
Institut für Biologie II
Jörg Mey
Zellen und Gewebe
1. Was sind Lebewesen?
2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen
3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett
Institut für Biologie II
Jörg Mey
Merkmale der Lebewesen
• Wachstum• Stoffwechsel• Erregbarkeit• spontane Bewegung• Vermehrung und Vererbung
außerdem: offene Systeme im Sinne der Thermodynamik (Austauch von Materie und Energie mit der Umwelt)
praktische moderne Definition:
Lebewesen sind Naturkörper, die Nukleinsäuren und Proteine besitzen und imstande sind, diese Stoffe selbst zu synthetisieren.
Viren
• vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten• entweder DNA oder RNA• Montage aus vorgefertigten Teilen; kein Wachstum, keine Teilung• kein eigener Stoffwechsel; keine Möglichkeit der Energie-Erzeugung• unempfindlich gegen Antibiotika; empfindlich gegen Interferone• kristallisierbar
Viren sind keine Lebewesen. medizinische Bedeutung, molekularbiologische Bedeutung Virus = „Gift“ passieren Bakterien-Filtersedimentieren nicht in herkömmlichen Zentrifugen systematische Merkmale von Viren:
Viren• vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten• entweder DNA oder RNA• Montage aus vorgefertigten Teilen; kein Wachstum, keine Teilung kristallisierbar
Viren• vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten• Retroviren sind eine Gruppe der RNA-Viren
EM-Bild einer HIV-infizierten T-Zelle (Fehlfarben)
äußere Membran
binden N2 Sporen binden CO2
innere Membranen, Photosynthese
Zelltheorie
Robert Hooke, 1665: „Micrographia“, MikroskopAnthony van Leeuwenhoek, 1674: Beschreibung von Erythrozyten
Theodor Schwann undMathias Jakob Schleiden, 1838/39: Zelltheorie
SchwannSchleiden
Zelltheorie
Evangelista Purkinje, 1839: Protoplasma
Rudolf Virchow, 1855: Cellular-Pathologie
Rücken wir bis an die letzten Grenzen vor, an denen es noch Elemente mit dem Charakter der Totalität oder, wenn man will, der Einheit gibt, so bleiben wir bei den Zellen stehen. ... Ich kann nicht anders sagen, als dass sie die vitalen Elemente sind, aus denen sich die Gewebe, die Organe, die Systeme, das ganze Individuum zusammensetzen
„omnis cellula e cellula“
Virchow
Campbell 26.26
Zellen und Gewebe
1. Was sind Lebewesen?
2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen
3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett
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Jörg Mey
Größenverhältnisse
mm – cm makroskopisch sichtbar
0,2 mm Auflösungsgrenze des bloßen Auges20 µm
2 µm 0,2 µm Auflösungsgrenze
des Lichtmikroskops20 nm 2 nm 0,2 nm Auflösungsgrenze
des ElektronemmikroskopsAtome
Zellen
Organellen
Moleküle
nicht zellulär zellulär
Viren Prokaryoten Eukaryoten
< 400 nm 1 – 2 µm 10 – 20 µm(Pockenvirus)
Viren Bakterien Pflanzen Pilze Tiere
nein ja ja ja ja
nein nein ja ja ja
nein ja ja ja nein (Murein) (Cellulose) (Chitin, Cellulose)
typischeGröße (d)
Plasmalemma
Zellkern
Zellwand
Merkmale der Zellen
Bakterien
Micrococcus Bacillus SpirillumStreptococcus
Mesosom
Tierische Zelle
PflanzlicheZelle
Grundtypen der Gewebe
Epithelien
Mesenchym
Nervengewebe
Epithelien polar, bewimpert, sekretorisch; Basallamina
spezialisierte Zellverbindungen
BindegewebeBindegewebe i.e.S. zwischen Organen; Fibroblasten, ECM
Muskel Kontraktion; Skelett-M./glatter M./Herz
Blut Erythrozyten, Leukozyten
NervengewebeNeurone und Glia ZNS, PNS; Zelltypen; Synapsen
Sinneszellen Sinnesepithelien; Rezeptoren
Keimzellen (Gameten) Spermium, Eizelle; haploid
Grundtypen der Gewebe
Zellen und Gewebe
1. Was sind Lebewesen?
2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen
3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett
Institut für Biologie II
Jörg Mey
Übersicht über die Zellorganellen
Protoplasma
Zytoplasma Zellkernmit Nucleo- oder Karyoplasma
Zytosol Organellenz.B. Mitochondrien
LysosomenRibosomenGolgi-ApparatER
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Tierische Zelle
Zellkern
Poren (d: 10 nm)Porenkomplex
Nucleoli
Kernhülle, Doppelmembran
Matrix
Zellkern
Im Kern befindet sich das Erbmaterial der Zelle: Chromosomen diese bestehen aus DNA-Molekülen die mit Proteinen verpackt sind
Zellen aus der Lunge eines Molches, kurz vor der Zellteilung
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Mitochondrien
Grün: Immunfärbung gegen ein mitochondriales Protein
Blau: DAPI-Färbung der DNA, Zellkern
Mitochondrien
glatte Außenmembran
eingefaltete Innenmembran:
Christae
Mitochondrien sind halbautonome Organellen• eigene DNA, eigene Ribosomen• entstehen durch Teilung, nicht de novo
Wichtige Stoffwechselfunktionen der Mitochondrien:in der Matrix:Citrat-Zyklus (Zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels, Synthese von Aminosäuren, oxidativer Abbau von Pyruvat als Endprodukt des Glukoseabbaus)-Oxidation der Fettsäuren (Abbau zu Acetyl-CoA)
an der inneren Mitochondrienmembran:Atmungskette (Zellatmung, ATP-Synthese durch Oxidation
von Reduktionsäquivalenten wie NADH+H+, FADH2)
PflanzlicheZelle
Plastiden/Chloroplasten
Strukturelle Unterschiede zu Motochondrien:1. größer 2. äußere, innere + Thylakoid-Membran mit Grana 3. Stoffwechselprozesse
Grana
Thylakoidmembran
Stroma
Chloroplasten in den Blattzellen eines Mooses, Lichtmikroskop
Plastiden sind halbautonome Organellen• eigene DNA, eigene Ribosomen• entstehen durch Teilung, nicht de novo
Wichtige Stoffwechselfunktionen der Plastiden:
an Thylakoidmembranen:Photosynthese (Lichtreaktion: Elektronentransfer-Reaktionen,
Chlorophyll; ATP-Synthese, NADP-Reduktion)
im Stoma:Calvin-Zyklus (Dunkelreaktion, Photosynthese-Produkte in
den Zellstoffwechsel, RUBISCO)
Speicherung von Stärke
Entstehung der Eukaryoten
Belege für die Endosymbiontentheorie
1. Mitochondriale DNA: Ringstruktur, keine Histone, ähnlich der bakteriellen DNA
2. Mitochondriale Ribosomen ähnlich denen der Bakterien, Größe, Kompatibilität der Untereinheiten
3. Doppelmembran 4. Zusammensetzung der inneren
Membran wie bei Bakterien, Details der Proteinbiosynthese: Hemmbarkeit durch Antibiotika, tRNAF-Met
5. Rezente Modellorganismen
Campbell 26.1
Zellen und Gewebe
1. Was sind Lebewesen?
2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen
3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett
Institut für Biologie II
Jörg Mey
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Ribosomen
Ribosomen• freie Ribosomen im Zytosol• Ribosomen am endoplasmatischen Retikulum: rER• Ribosomen in Plastiden und Mitochondrien
zwei Untereinheiten:große UE:60 S = 1/3 Protein (49 Moleküle) + 2/3 rRNA (28S, 5,8S, 5S)kleine UE:40 S = 1/3 Protein (33 Moleküle) + 2/3 rRNA (18S)
Funktion der Ribosomen:
Proteinbiosynthese: Translation (Übersetzung der mRNA in Polypeptidketten)
Endoplasmatisches Reticulum (ER)
Proteinbiosynthese am rER:1. Transmembranproteine 2. lysosomale Proteine 3. exportable Proteine
alle anderen Proteine: an freien Ribosomen
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Zellen und Gewebe
1. Was sind Lebewesen?
2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen
3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett
Institut für Biologie II
Jörg Mey
Von Biomembranen umschlossene Organellen:
• Kernmembran – ER – Golgi – Lysosomen – Endozytose- und Exozytosevesikel• Mitochondrien, Chloroplasten/Plastiden• Peroxisomen
Endoplasmatisches Reticulum (ER)
Endoplasmatisches Reticulum (ER)
rER
sER
Endoplasmatisches Retikulum• kontinuierlicher Membranraum: Kernmembran – ER - Golgi• Membranfluss, Endozytose, Exozytose• Ribosomen am rough (r)ER, smooth (s)ER
Funktionen des rER:
Proteinbiosynthese: Membranproteine, lysosomale Proteine, exportable Proteine
Signalsequenzen in Primärstruktur, SRP, Andocken der Ribosomen, Translation, Chaperone
Glykosylierung von Proteinen: an Asparagin-Resten, Übertragung eines Oligosaccharids von Dolichol
Endoplasmatisches Retikulum• kontinuierlicher Membranraum: Kernmembran – ER - Golgi• Membranfluss, Endozytose, Exozytose• Ribosomen am rough (r)ER, smooth (s)ER
Funktionen des sER:
Posttranskriptionale Modifizierung: Glykosylierung
Synthese von Lipiden: Steroide, Phospholipide, Glykolipide, Sphingomyelin der Membranen
Speicherfunktion: Ca2+, Proteine, Lipide, Glykogen
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Golgi-Apparat
Golgi-Apparat
Golgi-Apparat• Membransystem: ER – Golgi - Lysosomen• Golgi-Zisternen, Dictyosomen, Transportvesikel
Funktionen des Golgi:
Transport und Verteilung in der Zelle: lösliche Proteine, Membransegmente, Endo-/Exozytose-Vesikel
Modifikation und Sortierung von Proteinen: Glykosylierung, Modifikation der Oligosaccharidketten
Produktion von Lysosomen: Verdauung und intrazellulärer Abbau (zweiter Weg: Proteasomen)
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Lysosomen• Verdauung und Intrazellulärer Abbau von Proteinen, Lipiden, Zuckern etc.; pH5 (Zytosol: pH7,2)• Enzyme: saure Hydrolasen (Lipasen, Proteasen, Glykosidasen,
Lipasen, Phosphatasen, Sulfatasen, Phospholipasen)• Enzymdefekte: Lysosomale SpeicherkrankheitenEndosomen: Sortierung von aufgenommenem Material
Proteasomen • Multienzymkomplexe (Zylinder aus Proteasen + Deckel)• Degradation ubiquitinylierter Proteine
Peroxisomen• Oxidation von toxischem Material• Leitenzym: Katalase
Übersicht über die Zellorganellen
von Membranen umgebene Organellen
Nicht durch Membranen begrenzte Organellen
Zellkern Ribosomen
Mitochondrien, Plastiden
Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)
Membransysteme
Endoplasmatisches Reticulum
Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)
Lysosomen
Peroxisomen Proteasomen u.ä.
Zytoskelett
Aktinfilamente Mikrotubuli Intermediärfilamente
• Form und mechanische Festigkeit der Zelle: Zytoskelett• Bewegung der Zelle: amöboide Bewegung, Geißeln/Zilien• Transport von Organellen innerhalb der Zelle• Muskelkontraktion: Gleitfilamentheorie
Zytoskelett
Zellteilung: Aufteilung der Chromosomen, Spindelfasern
Zellen und Gewebe
1. Was sind Lebewesen?
2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen
3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett
Institut für Biologie II
Jörg Mey
Anzahl und relative Volumina der membran-umschlossenen Zellorganellen:
Kompartiment Prozentanteil (Volumen) ungefähre Anzahl/Zelle
Cytosol
Zellkern
Mitochondrien
ER
Golgi-Apparat
Lysosomen undEndosomen
Peroxisomen
54 % 1
6 % 1
22 % 1700
12 % 1
3 % 1
2 % 500
1 % 400