Skript

Vorlesung „ Allgemeine Biologie“
1.
Einführung
2.
Biomembranen und Stofftransport durch Membranen
3.
Zellkern, DNA und Chromosomen
Replikation und Transkription der DNA
4.
Ribosomen und Proteinbiosynthese
5.
Eukaryotische Zellorganellen und ihre Funktionen
(ER, Golgi-Apparat, Vesikel/Vakuole, Mitochondrien,
Chloroplasten, Cytoskelett)
6.
Zellwand, extrazelluläre Matrix und Zellverbindungen
7.
Viren
8.
Vermehrung von Zellen
Zellzyklus, Mitose und Meiose
Literatur (Auswahl)
Plattner u. Hentschel:
Taschenbuch der Zellbiologie;
Thieme Verlag.
Libbert, E.:
Allgemeine Biologie; UTB, Gustav
Fischer Verlag.
Campbell:
Biologie; Pearson Studium
Munk, K.:
Grundstudium Biologie; Biochemie,
Zellbiologie, Ökologie, Evolution;
Spektrum Akademischer Verlag.
Alberts et. al.
Lehrbuch der molekularen Zellbiologie
WILEY-VCH Verlag
dtv-Atlas Biologie:
Band 1, Deutscher Taschenbuch
Verlag.
1.Geschichtliche Eckpunkte der Zellbiologie (Cytologie)
1590
Johannes und Zacharias Jansen:
Erfindung des Mikroskops
1665
Robert Hooke prägt den Begriff der
Zelle; untersuchte Flaschenkork,
sowie Gewebe des Farns und des
Sonnentaus
um 1680 Antony van Leeuwenhoek
Beobachtung von lebenden Zellen:
Protozoen im Wasser, Bakterien der
Mundschleimhaut, Darmbakterien,
rote Blutkörperchen, Spermatozoen
1838
Mathias Schleiden und Theodor Schwann
Die „cellulae“ von pflanzlichem Kork
Begründer der Zelltheorie; Erkenntnis,
gewebe. Abbildung aus der
dass tierisches und pflanzliches
Mikrographia von R Hooke (1665)
Gewebe aus Zellen besteht
1831:
Robert Brown: Entdeckung des Zellkerns
1839:
Erste Beschreibung des Protoplasmas
1855:
Rudolf Virchow : Erkenntnis , dass Zellen nur aus Zellen entstehen;
erste Beobachtung einer Zellteilung
1860:
Louis Pasteur: Widerlegung der Urzeugungslehre (Lebewesen
gehen aus nicht lebenden Stoffen hervor)
1931:
Entwicklung des Elektronenmikroskops
Entdeckung der Mitochondrien als „atmungsaktive Partikelfraktion“,
später dann Aufklärung der Zellatmung (Hans Krebs)
1940:
Entwicklung der Ultrazentrifuge (Zellfraktionierung)
40iger Jahre:
Erwin Chagraff: Aufbau der DNA aus Nukleotiden
1953
D. Watson und H.C. Crick: Modell der DNA Doppelhelix
70iger Jahre:
Aaron Klug: DNA-Proteinkomplex der Chromosomen
1972
S.J. Singer und G.L. Nicolson:
Flüssig-Mosaik Modell der Biomembranen
2. Definition und Grundaufbau von Zellen
Definition der Zelle
•
kleinste Einheit der Struktur
•
kleinste Einheit der Vermehrung
•
kleinste Einheit der Funktion des Lebendigen
(alle Grundfunktionen des Lebens sind
vorhanden)
Unterscheidung von Zellen aller Lebewesen in
2 Grundtypen
Prokaryotenzellen
(Procyte)
→ besitzen keinen Zellkern
„pro“ = griechisch für „vor“
„karyon“ = griechisch für „Kern“
→ Bacteria, Archaeen
Eukaryotenzellen
(Eucyte)
→ besitzen einen Zellkern
„ eu“ = griechisch für „echt“
→ Pflanzen, Tiere, …
Phylogenetischer Stammbaum
Größe und Formen von Zellen
Bakterienzellen:
meist 0,2 bis 3 µm ( bis 10 µm)
Pflanzenzellen
meist 10 bis 100 µm
Tierzellen
meist 8 bis 20 µm
• Eucytische Zellen können auch wesentlich größer sein (cm bis m)
• Zellen sind vielgestaltig
• Bei eucytischen Zellen zeigt sich eine Anpassung der Zellform an ihre
spezifischen Funktionen
Bakterienzellen
Coccen, Stäbchen und Spirillen
Beispiele für Pflanzenzellen
Zellen der Zwiebelhaut
Zellen von Grünlagen
Querschnitt durch einen Spross
Siebröhre: Zelle der Leitbündel
Wurzelhaare
Beispiele für tierische Zellen
Weiße (links) und rote
Blutkörperchen (rechts)
Seezellen des Insektenauges
Bindegewebszellen
Nervenzelle
Nervenzelle
Grundaufbau der prokaryotischen Zelle
Grundaufbau der tierischen (links) und der pflanzlichen Zelle (rechts)
3. Untersuchung von Zellen
Lichtmikroskop
Vergrößerung durch die Linsen des Objektivs
und des Okulars
Vergrößerung Mikroskop = Vergrößerung Objektiv x Vergrößerung Okular
Auflösungsvermögen
Mindestabstand zweier Punkte, die gerade noch
als getrennte Punkte wiedergegeben werden
Mikroskopische Aufnahmen einer
Paramecium-Zelle (Pantoffeltier)
oben links:
Hellfeld-Aufnahme nach
Anfärben
Unten links: Phasenkontrast-Aufnahme
Oben rechts: Differential - Interferenzkontrast - Aufnahme
Größenbereiche von
Zellen und Zellorganellen
Das Elektronenmikroskop (EM)
Transmissions - Elektronenmikroskop
Elektronenstrahl und Elektromagnetische
Linsen
Auflösung: 0,1 nm
bei biologischen Strukturen: ca. 2 nm
Präparation:
• chemische Fixierung mit Aldehyden
• Fixierung und Kontrastierung mit OsO4
• entwässern mit Aceton oder Ethanol
• Einbettung in Kunstharz und Polymerisation
• Schneiden von ultradünnen Schichten
(50-100 nm)
• Kontrastierung mit Uranyl- und Bleilösungen
Raster- Elektronenmikroskop
• hat eine 10fach geringere Auflösung
• dient der Untersuchung von Oberflächenstrukturen
• Einbettung in Kunstharz und Herstellung von dünnen Schichten
ist nicht notwendig
• Belegung der Oberfläche mit einer leitenden Metallschicht
Zelle aus der Luftröhre
Zellfraktionierung
• dient der Trennung von Zellbestandteilen bzw. Zellorganellen
• mittels Ultrazentrifuge (bis 1.000.000g)
Molekulare Bausteine der Zelle
Chemische Zusammensetzung einer tierischen Zelle
3.
Biochemische Grundlagen
3.1
Kohlenhydrate
Monosaccharide (Einfachzucker)
unterscheiden sich durch die Länge der C-Kette, die Stellung der Carbonylgruppe und die Anordnung der Hydroxylgruppen
Ringform der Glukose
Die durch den Ringschluss neu entstandene Hydroxylgruppe ist besonders
reaktiv
glykosidische Hydroxylgruppe
Die wichtigsten Monosaccharide und ihr Vorkommen
Glykosidische Bindung
Der Ringschluss der Glukose
führt je nach Lage der glykosidischen Hydroxylgruppe zur
α- oder β-Glukose
α- Glukose bildet das Disaccharid Maltose;
β-Glukose das Disaccharid
Cellobiose!
Die wichtigsten Disaccharide und ihr Vorkommen
Oligosaccharide
bestehen aus 2 bis 10 Monosacchariden (Disaccharide, Trisaccharide, ..)
Polysaccharide:
bestehen aus > 10 bis mehreren 1000 Monosacchariden
Reservepolysaccharide: Stärke und Glykogen
Strukturpolysaccharide: Cellulose, Hemicellulose, Pektin, Chitin
Baumaterial zur Bildung von Stütz- und Gerüststrukturen
Stärke besteht zu ca. 20% aus Amylose und zu ca. 80 % aus Amylopektin
Amylopektion (Auschnitt)
Amylose:
Amylopektin:
unverzweigt, besteht aus 200- bis 300 Glukosemolekülen,
wasserlöslich
verzweigt durch zusätzliche 1,6 Bindungen, höhere Molmasse,
unlöslich
Molekularer Aufbau von Stärke und Cellulose
Die wichtigsten Polysaccharide und ihr Vorkommen
3.2
Aminosäuren und Proteine
Aminosäuren leiten sich von den org. Säuren ab und tragen eine
Carboxylgruppe und eine Aminogruppe
Prototyp einer Aminosäure
H
Aminoessigsäure
Glycin (Gly)
innermolekularer Protonenübergang
Beispiele für Aminosäuren
Peptidbindung
Je nach Anzahl der Aminosäuren spricht man von:
• Dipeptiden
•Tripeptiden, …
• Polypeptiden
• Proteinen
Primärstruktur eines Proteins
(hier Enzym Lysozym)
Aminosäuresequenz
Sekundärstruktur eines Poteins
Windung oder Faltung eines
Proteins durch Bildung von
Wasserstoffbrücken entlang
des Polypeptidrückgrats
Tertiärstruktur eines Proteins
Faltung der Peptidkette
durch Bindungen zwischen
den Seitenketten
Quartärstruktur eines Proteins
Mehrere Proteine in
Tertiärstruktur lagern
sich zu einem Molekül
zusammen
Das Faserprotein
Kollagen setzt sich aus 3
helikalen Polypeptiden
zusammen
Hämoglobin ist ein globuläres Protein aus vier
Polypeptiden
Funktionen von Proteinen
•
Enzymproteine
→
Stoffwechsel
•
Strukturproteine: z.B. Kollagen, Keratin
→
Aufbau von Zellbestandteilen und Geweben
•
kontraktile Proteine: Myosin (Muskelzellen)
→
Bewegung
•
Reserveproteine: z.B. Casein (Milcheiweiß)
•
Hormonelle Proteine: (z.B. Insulin)
•
Schutzproteine:
→
Antikörper
•
Transportproteine: Membranproteine, Hämoglobin
•
Rezeptorproteine: z.B. Membranproteine der Nervenzellen
3.3 Lipide
→
Fette und fettähnliche Substanzen
1. Fette
Ester aus Glycerin und Fettsäuren (Triglyceride)
→
Speicherstoff, Schutzfunktion und Isolierung
2. Phospholipide
→ Bausteine der Biomembranen
3. Steroide
→ Cholesterin: Baustein der Membranen
viele Vitamine und Hormone
4. Wachse
Fette
Fette unterscheiden sich
in der Art der geb. Fettsäuren:
• Länge der C-Kette
(meist 16C oder 18C)
• gesättigte oder ungesättigte Fettsäuren
• bei ungesättigten FS:
Anzahl und Lage der
Doppelbindungen
Struktur eines Phospholipids
Phosphatidylcholin/
Lecithin
Steroide
Cholesterin
Ausgangsmolekül für die Synthese anderer Steroide.
Enzyme
Exergonische Reaktion
Katalase
6 H2O2
6 H2 O + 3 O2 + Energie
Enzyme sind Biokatalysatoren.
Sie beschleunigen den Ablauf einer
Reaktion, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen.
Ablauf einer enzymatischen Reaktion
Enzyme sind Proteine mit
charakteristischer Faltung
Sie verfügen über ein aktives
Zentrum (Tasche oder Falte),
in dem die Substrate
spezifisch gebunden werden
Enzyme wirken in kleinsten
Mengen.
Sie gehen aus der Reaktion
unverändert und unverbraucht
hervor.
Sie wirken substrat- und
reaktionsspezifisch
Cofaktoren
Überbegriff für organische Moleküle oder anorganische Ionen,
die für die Funktion von Enzymen notwendig sind.
• Nicht-Protein-Stoffe
• unterliegen bei der enzymatischen Reaktion einer Veränderung
Cofaktoren sind
• . Metallionen wie z. B. Cu2+, Fe3+, Co2+, Zn2+
• Coenzyme:
niedermolekulaes organisches Molekül die lose (für die Dauer
der Reaktion) an ein Enzym binden
• prosthetische Gruppen
permanente Bestandteile von Enzymen
4. Grundlagen zum Stoffwechsel
Exergonische Reaktionen = Energie abgebende Reaktionen
Zellatmung (Dissimilation)
C6H12O6 + 6 O2 → 6 C02 + 6 H20 + 2875 kJ
Endergonische Reaktionen = Energie verbrauchende Reaktionen
z.B. Synthese von Proteinen, Fetten, Nukleinsäuren etc.
Im Stoffwechsel müssen exergonische Reaktionen stattfinden, damit
Energie für endergonische Reaktionen zur Verfügung steht
Energieübertragung durch ATP !
Molekularer Aufbau des ATP
Nomenklatur
Nukleotid: Molekül aus
Pentose, Base und Phosphat
Nukleosid: Molekül aus
Pentose und Base
Hier:
Nukleosid: Ribose und Adenin = Adenosin
Nukleotid: Adenosinmonophosphat (AMP)
Regeneration von ATP durch Phosphorylierung (Übertragung
eines Phosphatrestes auf ein Molekül)
ATP wird in der Zelle für jede Art von „Arbeit“ verwendet
•
Chemische Arbeit
Antreiben von endergonischen Reaktionen
•
Mechanische Arbeit
Bewegung z.B. Muskelarbeit
•
Transportarbeit
Aufnahme von Ionen oder Molekülen gegen
ein Konzentrationsgefälle
Kapitel 2
Biomembranen und
Stofftransport durch Membranen
• Prokaryoten verfügen nur über eine Membran, die Plasmamembran
• Eukaryoten haben zusätzlich zur Plasmamembran Endomembranen
Kompartimentierung der Zelle
Abgrenzung von Reaktionsräumen (Zellorganellen)
•
•
•
Der Grundaufbau aller Membranen ist gleich („unit membrane“,
„Einheitsmembran“)
Sie haben ein Dicke von durchschnittlich 7,5 nm
Sie bestehen hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen
Höher geordnete Strukturen amphiphiler Lipide
Lipiddoppelschichten neigen zum Zusammenschluss
Lipiddoppelschichten sind „selbstreparierend“
Membranlipide
• Phospholipide (stellen den größten Anteil der Membranlipide;
besitzen Phosphorylgruppen als hydrophile Kopfgruppen)
• Glykolipide (besitzen Kohlenhydrate als hydrophile Kopfgruppe)
• Sterole (charakteristisch für eukaryotische Membranen)
• Hopanoide (nur bei Prokaryoten)
• Isoprenoidlipide (bei Prokaryoten weit verbreitet)
• Etherlipide (bei einigen Prokaryoten)
• Lipopolysaccharide (Moleküle mit einem Lipid und einem
Polysaccharidanteil, kommen ausschließlich in der äußeren Membran
gramnegativer Bakterien vor, toxische Wirkung)
Aufbau der Zellmembran
Flüssig-Mosaik Modell nach Singer und Nicolson
Plasmamembran einer tierischen Zelle
Fluidität der Lipiddoppelschicht
• laterale Diffusion
seitliche Beweglichkeit von Lipiden und
Proteinen innerhalb der Membran
• Rotationsdiffusion
Bewegung von Lipiden und Proteinen um
deren Längsachse
• Transversale Diffusion (Flip-Flop)
bei Lipiden selten, bei Proteinen bisher nicht
nachgewiesen
• Verbiegung
der Kohlenwasserstoffketten der Lipide
Die Fluidität der Membran ist abhängig von:
1. Temperatur
hohe Temperaturen erhöhen die Fluidität
Niedrige Temperaturen erzeugen einen
parakristallinen Zustand (Gelphase)
2. Lipidzusammensetzung
je kürzer die Kohlenwasserstoffkette und je
höher der Anteil an ungesättigten Fettsäuren
um so höher ist die Fluidität
Sterole vermindern die Fluidität und
stabilisieren die Membran.
Bei tiefen Temperaturen verhindern sie die
Kristallisierung der Kohlenwasserstoffreste
und damit die Ausbildung einer festen
Gelphase
Bei Prokaryoten dienen Hopanoide der
Stabilisierung
Die Lipiddoppelschicht ist asymetrisch
•
Die beiden Schichten haben eine unterschiedliche
Lipidzusammensetzung
•
Membranproteine sind in der Membran unterschiedlich orientiert
Glykolipide
Phospholipide
Phosphatidylcholin
Sphingomyelin
Phosphatidylserin
Phosphatidylinositol
Phosphatidylethanolamin
Cholesterin
• Glykolipide kommen ausschließlich in der äußeren Lipidschicht vor
• Phospholipide sind immer asymetrisch verteilt
• Sterole sind auf beiden Seiten gleichmäßig verteilt
Proteine der Membran
•
unregelmäßig in der Membran verteilt (Mosaikstruktur)
•
Integrale Proteine (Abb. A und B): stecken in der Membran oder
durchspannen sie (Transmembranproteine)
→ einheitliche Orientierung
•
Periphere Proteine (Abb. C und D): sind an der Oberfläche
gebunden (an Lipid oder Protein)
Funktionen von Membranproteinen
•
Jede Membran hat die ihrer Funktion entsprechende
charakteristische Proteinausstattung
•
Der Anteil an Proteinen und Lipiden kann in den verschiedenen
Membranen stark variieren
•
Reich an Proteinen ist die Innenmembranen der Chloroplasten
und der Mitochondrien, sowie die Plasmamembran der
Prokaryoten
Die Glykokalyx
- Membrangebundene Kohlenhydrate• verzweigte Oligosaccharide
mit weniger als 15 Zuckerbausteinen
• sind an Proteine oder Lipide
gebunden (Glycolipide,
Glycoproteine)
• kommt bei eukaryotischen Zellen
vor und ist bei tierischen Zellen
sehr dicht
• dient der Zell-Zell- Erkennung
Durchlässigkeit der Lipiddoppelschicht
ungeladene Moleküle diffundieren
schnell
polare Moleküle diffundieren
ebenfalls schnell, wenn sie klein sind
für große ungeladene Moleküle,
polare Moleküle und Ionen ist die
Lipiddoppelschicht nahezu undurchlässig
Formen des Stofftransportes durch die Membran
1. Passiver Transport
entlang eines elektrochemischen Gradienten
ohne Energie
•
•
•
Diffusion (abhängig von Lipophilität und Größe)
Osmose (Aufnahme und Abgabe von Wasser)
erleichterte Diffusion (mit Hilfe von Transportproteinen)
2. Aktiver Transport
gegen einen elektrochemischen Gradienten
verbraucht Energie
• Ionenpumpen (ATP geriebene Pumpe, Lichtgetriebene Pumpe nur
bei einigen Bakterien)
• Cotransport (gekoppelter Transport)
Diffusion
Jede Substanz diffundiert entlang seines eigenen Konzentrationsgefälles
Osmose
• Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran
• sie erfolgt immer von hypotonisch zu hypertonisch
Wasserausgleich bei Zellen mit und ohne Zellwand
Osmoseregulation: Tierische Zellen können an ein hypotonisches Milieu
angepasst sein z.B. Pantoffeltier (kontraktile Vakuole, Membran, die für
Wasser schwerer durchlässig ist).
Pflanzenzellen: Turgordruck = Gewebespannung (Druck, der von innen
auf die Zellwand wirkt)
Erleichterte Diffusion mit Hilfe von Kanalproteinen
und Carriern
Transportproteine sind meistens Polypeptidketten, die als α-Helix, die Membran mehrfach
durchziehen.
Unterscheiden vor allem nach
Größe und Ladung
Transportieren
nur Moleküle,
die an die
Bindungsstelle
passen
Der Transport erfolgt in beide Richtungen gleich gut und ist abhängig
vom elektrochemischen Gradienten
Breite des Pfeils= Stärke
des elektrochemischen
Gradienten
Der elektrochemische Gradient setzt sich zusammen aus dem Konzentrationsgradienten und dem Membranpotenzial (Spannung zwischen innen
und außen)
A. nur Konzentrationsgradient
B. Konzentrationsgradient und Membranpotenzial wirken in eine Richtung
C. Membranpotenzial verringert die Antriebskräfte des Konzentrationsgradienten
Aktiver Transport
• Der aktive Transport erfolgt gegen einen elektrochemischen
Gradienten und benötigt Energie
• Die Formen des aktiven Transportes unterscheiden sich in der Art
der verwendeten Energie
Cotransport
nur bei einigen
Bakterien
Carrier-Proteine können gelöste Stoffe auf verschiedene Weise
transportieren
Ionenpumpen
Na+ - K+ - Pumpe von tierischen Zellen
Ca 2+ - Pumpen bei eukaryotischen Zellen
• zum Aufbau des Membranpotenzials
• zur Änderung der Aktivität von Zellbestandteilen
Protonen-Pumpen
• zum Aufbau des Membranpotenzials
• zur Aufnahme von Nährstoffen
Cotransport durch gekoppelte Carrier
Ionen fließen mit dem Konzentrationsgefälle „bergab“ und nehmen
dabei ein anderes Molekül „ bergauf“ mit
Beispiele:
Pflanzen nehmen so Saccharose in
die Zellen der Leitbündel auf
Tierische Zellen nutzen den
Na+ - Gradienten, um Stoffe
aufzunehmen
Glukose – Carrier –Typen bei Darmepithelzellen
Glukose wird bei den Darmepithelzellen durch Na+
getriebenen Symport
aufgenommen. Die Weitergabe
der Glukose erfolgt an der
dem Darmlumen abgewandten
Seite im passiven Transport
durch Glukose-Uniporter
Transport von Makromolekülen und partikulären Substanzen
Formen der
Endocytose
Kapitel 3
Zellkern, DNA und Chromosomen,
Replikation und Transkription der DNA
Eukaryotische Zellen:
haben einen Zellkern (Nucleus, Karyon)
Prokaryotische Zellen: haben keinen Zellkern; ringförmige DNA
liegt frei im Cytoplasma
Nucleoid, Kernäquivalent,
„prokaryotisches Chromosom“
Plasmide (kurze ringförmige DNA)
Bestandteile des Zellkerns
• Kernhülle (Doppelmembran)
mit Kernlamina und Kernporen
• Chromatin
(Komplex aus DNA und Proteinen)
• Kernplasma
• Nucleolus/ Nucleoli
Nukleinsäuren
Desoxyribonukleinsäure
DNA
Ribonukleinsäure
RNA
Bausteine der Nukleinsäuren sind die Nukleotide
Ein Nukleotid ist ein Molekül aus:
•
Pentose: Ribose oder Desoxyribose
•
Phosphat: (über Esterbindung an C5 der Pentose gebunden)
•
N-Base: Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin, Uracil
N-glykosidische Bindung an C1 der Pentose
Nukleinsäuren der DNA
• bilden einen Doppelstrang durch
Basenpaarungen („Strickleiter-Modell“)
• Windung zu einer Doppelhelix
WasserstoffbrückenBindungen zwischen den
Basen
Struktur der DNA
• Verknüpfung der Nukleotide zu Ketten.
Pentose und Phosphat bilden die Kette,
N-Basen stehen seitlich ab
• Bildung eines Doppelstranges
mit den Basenpaarungen
Adenin - Thymin
Guanin - Cytosin
Bindung der Basen über Wasserstoffbrücken
• Bildung der Doppelhelix
Model nach Watson und Crick
Ribonukleinsäure (RNA)
•
•
•
Pentose ist die Ribose
Base Uracil statt Thymin
ist in der Regel einstrangig
Formen der RNA:
• mRNA: messenger RNA
überträgt die genetischen Informationen von der DNA zu den
Orten der Proteinsynthese
• tRNA: transfer-RNA
transportiert die Aminosäuren zu den Orten der Proteinsynthese
• rRNA: ribosomale RNA
Bausteine der Ribosomen
Zellkerne in einem teilungsaktiven pflanzlichen Gewebe:
In einzelnen Zellkernen(zk) sind entweder ein Nucleolus (nu) und heterochromatische
Bereiche (hc) oder in anderen Kernen Chromosomen (ch) in verschiedenen Stadien
der Kondensation zu sehen.
Chromatin
•
•
DNA-haltige Komponente des Zellkerns
Komplex aus DNA und Proteinen
Zustandsformen des Chromatins
Mitose:
Chromosomen
kondensierte (verdichtete) Transportform des Chromatins
Interphase:
aufgelockert, wenig verdichtet
Euchromatin (hell)
stark aufgelockerte aktive Abschnitte
Heterochromatin (dunkel)
stärker verdichtete inaktive Abschnitte
Proteine des Chromatins
1. Histone (basische Proteine) stellen den überwiegenden Anteil
DNA-Organisation
Regulation der Transkription
2. Nicht-Histon-Proteine
vor allem Enzyme für Replikation und Transkription
Chromatin aus einem Zellkern in der Interphase
Aufgelockerte Form der
Chromatinfaser (30 nm)
Experimentell
dekondensierte Struktur
der Chromatinfaser
(Nucleosom-Struktur)
Kondensierte Struktur der eukaryotischen Chromosomen
Linker-DNA
Nucleosome bilden die „Perlenkette“:
8 Histone (je zwei Moleküle des
Histons H2a, H2b, H3 und H4) bilden
ein Histon-Oktamer, um den sich der
DNA-Faden wickelt
Verdrillung unter Beteiligung des
Histons H1 („Zickzackmodell“)
Chromatinfaser ist in Schleifen gelegt
Weitere Verdrillung um mindestens
eine weitere Stufe („Supertwist“)
Prokaryoten haben nur „nackte“ DNA
ohne Nucleosom-Struktur!
Eukaryotisches Chromosom
Chromosomensatz der Zelle
Die Anzahl der Chromosomen einer Zelle ist artkonstant
Körperzellen:
Keimzellen (Gameten):
diploid, Chromosomensatz 2n ( Mensch 2n = 46)
Zellen enthalten von jedem Chromosom ein Paar
homologe Chromosomen
haploid, Chromosomensatz n (Mensch n= 23)
Karyogramm von
menschlichen
Chromosomen
Charakteristische Bandmuster menschlicher Chromosomen
Prokaryoten haben keine Nucleoli !
Kernhülle
Membranen
• Doppelmembran
• Äußere Membran steht mit der Membran des ER in Verbindung
Perinucleärer Spalt (Raum zwischen beiden Membranen)
• steht direkt mit dem Lumen des
ER in Verbindung
Kernlamina
• Proteinnetzwerk, das der Innenmembran zur nucleoplasmatischen
Seite angelagert ist; dient der
mechanischen Stabilität der Kernhülle
Kernporenkomplex
•
kompliziert gebaute Durchlässe
Aufbau der Kernporenkomplexe
EM-Aufnahme der Kernhülle mit
Kernporenkomplexen
EM-Aufnahme (Aufsicht auf Kernporenkomplexe)
DNA-Replikation / Identische Reduplikation
Ursprungsorte der Replikation
Prokaryoten haben nur einen Replikationsursprung, Eukaryoten eine
Vielzahl
• Entwindung des DNA-Doppelstranges durch Helikase
• Stabilisierung durch Einzelstrang bindende Proteine
• Anlagerung eines Nucleosid-Triphosphates (Hydrolyse der Bindungen
zwischen den Phosphatgruppen liefert die Energie)
• DNA-Polymerase katalysiert die Verknüpfung (Elongation des DNA-Stranges)
Gepaarte DNA-Stränge sind antiparallel
Die 5´-3´-Richtung des einen DNA-Strangs
verläuft entgegengesetzt zu der des anderen
Strangs.
Synthese des Leitstrangs
und des Folgestrangs bei
Der DNA-Replikation.
Primer starten die DNA-Synthese
Die DNA-Polymerase kann nur an das
3´er Ende eines bereits begonnen
Strangs weitere Nukleotide anheften.
Deshalb wird zunächst ein Primer aus
RNA-Nukleotiden (Oligonukleotid)
von dem Enzym Primase
(RNA-Polymerase) synthetisiert
Zusammenfassung der DNA-Replikation
DNA-Reparaturmechanismen
•
Korrekturlesen direkt nach der Synthese
durch DNA-Polymerase
(läuft bei E.coli rückwärts)
•
Korrektur durch weitere DNAReparaturenzyme (100 bei E.coli)
möglich
Beispiel rechts:
Reparatursystem zur Beseitigung von
UV-Schäden (Haut)
Das Endlückenproblem bei der DNA-Replikation
Am 5´er Ende des Leistrangs bleibt eine
Lücke, da der Primer nicht durch DNANukleotide ersetzt werden kann
Bei Eukaryoten können die
Telomere durch die Telomerase
Verlängert werden
Transkription und Translation des genetischen Codes
Der genetische Code
Eine Einheit aus 3 Basen (Basentriplett)
liefert den Code für eine Aminosäure
Die Abb. zeigt den genetischen Code
ausgehend von der mRNA
Aminosäuren: Phenylalanin, Leucin, Isoleucin, Valin
Serin, Prolin, Threonin, Alanin, Histidin, Glutamin,
Asparagin, Lysin Glutaminsäure, Cystein, Arginin,
Glycin, Methionin, Thyrosin, Aspagaginsäure,
Tryptophan
Transkription
• durch die Transkription werden alle Formen der RNA gebildet
(mRNA, tRNA, rRNA)
• die RNA, die die genetische Information für ein Protein enthält, wird
als mRNA bezeichnet.
• die Transkription erfolgt analog zur DNA-Synthese durch Anlagerung
von Nukleosid-Triphosphaten
• Enzym: RNA- Polymerase
Prokaryoten: besitzen nur einen Typ der RNA-Polymerase
Eukaryoten: RNA-Polymerase I, II und III für die verschiedenen
Formen der RNA
• Transkription findet nur an einem Strang statt
• RNA wird nur in 5´-3´Richtung synthetisiert
• an einem DNA-Molekül können gleichzeitig mehrere RNA-Moleküle
gebildet werden
Initiation der Transkription
(hier bei Eukaryoten)
• am Promotor (bei Eukaryoten Sequenz aus
ca. 100 Nukleotiden bestehend aus
TATA-Box, Bindungsstelle für RNA-Polymerase und Startpunkt)
• Transkriptionsfaktor bindet an TATA-Box
(ca. 25 Nukleotide aus Thymin und Adenin
Basen)
• RNA Polymerase II erkennt den Transkriptionsfaktor und bindet an der
Initiationsregion
• RNA-Polymerase bindet weitere Transkriptionsfaktoren
• DNA Polymerase trennt die DNA-Stränge
Elongation des RNA-Strangs und
Termination der Transkription
RNA-Prozessierung bei Eukaryoten
Bei der im Zellkern gebildeten mRNA handelt es sich um eine prä-mRNA, die
durch RNA-Prozessierung noch einmal verändert wird
1.
An beiden Enden werden weitere Nukleotide angehängt
• 5´-Kappe: Schutz vor enzym. Abbau, dient als Signal für das Andocken der
kleineren Ribosomenuntereinheit
• Poly(A)-Schwanz: Schutz vor enzym . Abbau, fördert den Export der mRNA aus
dem Zellkern, hilft wahrscheinlich beim Andocken an ein Ribosom
2.
RNA-Spleißen
Introns (nicht codierende Abschnitte) werden herausgeschnitten, so dass
die fertige mRNA nur noch die Exons (codierende Abschnitte) enthält
Kapitel 4
Ribosomen und Proteinbiosynthese
Ribosomen
• sind die Orte der Proteinbiosynthese
• Vorkommen: frei im Cytolasma; bei Eukaryoten auch gebunden am ER und
der Kernhülle, sowie in Mitochondrien und Chloroplasten
• bestehen aus rRNA und Proteinen
• kommen auch als Polysomen/Polyribosomen vor (als Kette am mRNA-Faden)
Eukaryotische Ribosomen:
Frei und an Membranen des ER gebunden
Ribosomen von Escherichia coli: Balken = 100 nm;
3 Pfeile= 70 S Ribosom; 2 Pfeile = 50 S Untereinheit,
1 Pfeil = 30 S Untereinheit
Pro- und eukaryotische Ribosomen
Translation
Übersetzung der genetischen Information der mRNA in eine
Aminosäuresequenz
• mRNA dient als Matrize
• tRNA (Transfer-RNA) transportiert
die Aminosäuren zu den Ribosomen
• Enzym: Aminoacyl-tRNA-Synthetase
bindet AS an tRNA (ATP!)
• Ribosomen: Orte der Proteinsynthese,
enthalten Bindungsstellen für
mRNA und tRNA
Struktur der tRNA
• besteht
aus ca. 70 bis 100 Nukleotiden
• Kleeblattstruktur mit Schleifenbildung
• enthält teilweise Basenpaarungen
• neben den Basen A,U, G und C kommen
auch “ungewöhnliche” Basen vor (z.B.
Pseudouracil, Inosin und methylierte
Basen).
• die Aminosäure wird am 3´er Ende (ACC)
gebunden (an Ribose des letzten
Nukleotids)
• mit Anticodon dockt tRNA an mRNA an
Das Wobble-Prinzip
Die dritte Base muss nicht immer genau zum Anticodon passen. Durch den
degenerierten Code wird eine Aminosäure durch mehrere Basentripletts codiert.
Alanin wird z.B. durch 4 Codons codiert (GCU, GCC, GCA und GCG). Durch die
Wobbel-Paarung kann die tRNA mit dem Anticodon CGG an allen 4 Codons binden.
Aminoacyl-tRNA-Synthetase
• verbindet eine tRNA mit der passenden
Aminosäure
• geschieht unter Verbrauch von ATP
•durch Bindung an tRNA entsteht eine
Aminoacyl-tRNA
Carboxylgruppe der Aminosäure reagiert
mit Ribose (über C3) des letzten Nukleotids
der tRNA am 3´-Ende
Bindungsstellen eines
Ribosoms
Initiation der Translation
Die Transkription beginnt immer am 5´-Ende der mRNA. Dort gibt es eine spezifische
Bindungsstelle für die kleine Ribosomenuntereinheit und das Startcodon
Benötigt werden GTP und Initiationsfaktoren
Elongation der Peptidkette
Benötigt werden GTP
und Elongationsfaktoren
Termination der Translation
Anschließend kann das Polypeptid noch modifiziert werden und erhält seine
charakteristische Sekundär-, Tertiär- oder auch Quartärstruktur
Polyribosomen
Freie und membrangebundene Ribosomen
• Freie Ribosomen bilden Proteine, die ihre Aufgaben im Grundplasma erfüllen
• Membrangebundene Ribosomen bilden Membranproteine oder Sekrete
• Signalpeptid aus ca. 20 As bewirkt, dass ein Ribosom an die Membran des
ER bindet.
Vergleich von Transkription und Translation
bei Pro- und Eukaryoten
• Initiation der Transkription (Unterschiede in den Sequenzen des Promotors)
• Unterschiede bei den RNA-Polymerasen
(bei Eukaryoten drei verschiedene, je
nach Art der RNA)
• Eukaryoten benötigen zusätzlich
Transkriptionsfaktoren
• Unterschiede bei der Termination der
Transkription
• Unterschiede im Aufbau der Ribosomen
• Transkription und Translation sind bei
Eukaryoten räumlich und zeitlich
getrennt. Es bildet sich zunächst eine
prä-mRNA, die durch RNA- Prozessierung
noch einmal verändert wird. Bei
Prokaryoten kann die Translation schon
während der Transkription beginnen.
Transkription und Translation bei eukaryotischen Zellen
Kapitel 5
Eukaryotische Zellorganellen
und ihre Funktionen
Endoplasmatische Retikulum
„Innerplasmatisches Netzwerk“
→ Endomembranen bilden Zisternen
Funktionen des Endoplasmatischen Retikulums
1. Raues ER (mit Ribosomen)
• Synthese von Exportproteinen / Glykoproteinen
z.B. Insulin bei Zellen der Bauchspeicheldrüse
• Synthese der Membranen (Proteine, Phospholipide)
2. Glattes ER (ohne Ribosomen)
• Lipidsynthese wie Membranlipide (z.B. Cholesterin), Reservelipide,
Steroidhormone
• Speicherung von Glykogen in Leberzellen
• Abbau von Giften (z.B. Alkohol)
• Sarkoplasmatisches Retikulum in Muskelzellen: Speicherung von Ca 2+
Golgi-Apparat
→ Gesamtheit der Dictyosomen
Funktionen des Golgi-Apparates
Synthese oder Modifikation von Stoffwechselprodukten,
Speicherung und Versand
z.B.
•
Modifikation von Proteinen für die Sekretion
•
Synthese von Oligo- und Polysacchariden
(z.B. Pektin und Hemicellulose der pflanzlichen Zellwand)
•
Bildung der Membranen (Lipide, Glykokalix)
•
Neubildung der Cytoplasmamembran
(bei Zellteilung von Pflanzenzellen)
Vesikel und Vakuolen
1. Vesikel
Lysosomen
• Funktion: Abbau von aufgenommenen oder zelleigenen
Makromolekülen
• Inhalt: Enzyme (Hydrolasen)
→ hydrolytische Spaltung
• pH5:
→ H+ wird aus dem Cytosol in die Lysosome gepumpt
Lysosome in einer weißen Blutzelle (Ratte);
verdauen z.B. Bakterien und Viren
(Heterophagie)
Lysosom in einer Leberzelle (Ratte),
verdaut Fragment eines Mitochondriums und eines Peroxisoms
(Autophagie)
Peroxisome (Mikrobodies)
•
kleine Vesikel
•
enthalten Oxidasen
spalten Wasserstoff von verschiedenen Substraten ab und
übertragen ihn auf molekularen Sauerstoff
R – H 2 + O2
R + H2O2
bauen z.B. Fettsäuren ab (z.B. in fettreichen Pflanzensamen) ;
Peroxisome der Leberzellen bauen Alkohol ab
•
enthalten Katalase
2H2O2
2 H2O + O2
•
Vermehrung durch Teilung
2.
Vakuolen
•
•
•
Nahrungsvakuole (Phagocytose)
kontraktile Vakuole (Osmoseregulation)
Pflanzliche Zellsaftvakuole
Vakuolenbildung bei
Pflanzenzellen
A: Embryonale Zelle
B: Zelle im Streckungswachstum
C: Zelle nach Abschluss
des Streckungswachstums
Funktionen der pflanzlichen Zellsaftvakuole
1. Speicher- und Exkretraum
• Speicherung von Reservestoffen
• Einlagerung von nicht mehr benötigten Stoffwechselprodukten
• Gezielte Einlagerung von z.B.
- Alkaloiden (z.B. Atropin der Tollkirsche, Morphin und
Codein des Schlafmohns, Coffein, Nikotin)
- Glykosiden (z.B. Digitalis bei Fingerhutarten,
Blausäureglycosid der Mandel)
- Farbstoffen (Anthocyane, Flavone)
2. Lysosomaler Raum
• Abbau von Makromolekülen
3. Osmotischer Raum
• regelt den Quellungszustand (Turgordruck)
Mitochondrien
enthält in der Matrix:
• DNA (ringförmig)
• RNA
• Ribosomen
Funktion:
„Kraftwerke der Zelle“
Zellatmung (Dissimilation)
Membranen der Mitochondrien
Zwischen innerer und äußere Membran liegt der perimitochondriale
Raum (Intermembranraum)
Äußere Mitochondrienmembran:
•
•
•
enthält Cholesterin
besteht zu etwa 50 % aus Proteinen (hauptsächlich Porine)
ist hoch permeabel
Innere Mitochondrienmembran
•
•
•
enthält kein Cholesterin
besteht zu ca. 80 % aus Proteinen (Carrier, Enzyme)
ist kaum permeabel
Schema des vollständigen aeroben
Abbaus der Glukose
Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid
• ist ein Coenzym
• überträgt im reduzierten Zustand (NADH) zwei Elektronen und ein Proton
(Reduktionsäquivalent)
Ablauf der Glykolyse
Die Glykolyse liefert:
→ 2 Pyruvat, 2 ATP, 2 NADH
Die ATP-Bildung erfolgt durch:
Substratkettenphosphorylierung
Enzym überträgt eine Phosphatgruppe
von einem Substrat (hier Metabolit aus
dem Abbau der Glukose) auf ADP
Oxidative Decarboxylierung des Pyruvats
Die oxidative Decarboxylierung liefert 2 Acetyl-CoA, 2 C02, 2 ATP, 2 NADH
Citratcyklus
Er liefert :
6 NADH
2 FADH2
2 ATP
4 CO2
Atmungskette
Sie besteht aus 4 Enzymkomplexen,
die in die inneren Membran der
Mitochondrien eingelagert sind, und
mobilen Redoxmediatoren
Elektronen wandern eine Redoxkette
bergab und werden so ausgehend
von NADH bzw. FADH2 auf O2
übertragen
∆G = 53 kcal/ mol ( = 220kJ/mol)
FMN = Flavoprotein (Flavin-Mononucleotid)
FE.S = Eisen-Schwefel-Protein
Cyt = Cytochrome
Q = Ubichinon
ATP-Bildung durch oxidative Phosphorylierung
(Elektronentransportphosphorylierung)
Die frei werdende Energie der Atmungskette wird dazu genutzt, Protonen durch
die Membran zu transportieren. Es entsteht ein Protonengradient (protonenmotorische Kraft). Der Protonenrückfluss erfolgt durch einen Kanal der ATP-Synthase.
Er liefert die Energie für die ATP-Bildung
ATP- Bilanz
38 Mol ATP pro Mol Glukose = 38 x 30,5 kJ = 1159 kJ
(Vergleich Glukose: 2875 kJ/Mol)
Energieausbeute ca. 40 % !!
Gärung
ATP Bildung nur durch die Glykolyse
(Substratkettenphosphorylierung)
Zur Regenerierung von NAD+ werden
die Elektronen auf Pyruvat oder je nach
Art der Gärung dessen Metabolite übertragen
Bei Zellen, die sowohl Zellatmung, wie auch
Gärung betreiben können, gibt es ausgehend
vom Pyruvat zwei Reaktionswege
Verknüpfung der Zellatmung mit
anderen Stoffwechselwegen
(hier Katabolismus = Stoffabbau)
Mitochondrien sind semiautonome Zellorganellen !
•
enthalten mt-DNA (max 1 – 5 % der Gesamt-Gene)
•
Proteine werden durch Translation an den mitochondrialen
Ribosomen gebildet.
•
Da die mt-DNA nur einen geringen Teil der genetischen
Informationen enthält, müssen die meisten benötigten Proteine
aus dem Cytoplasma importiert werden.
Entwicklung von eukaryotischen Zellen
Entstehung der Zellorganellen durch Endosymbiose und Invagination
der Plasmamembran
Plastiden
Proplastiden:
Vorstufen der Plastiden
Chloroplasten:
enthalten das Pigment Chlorophyll
Funktion: Photosynthese
Chromoplasten:
enthalten als Pigmente Carotine und
Carotinoide
Funktion: Farbgebung
Leukoplasten:
enthalten keine Pigmente, speichern Reservestoffe
Amyloplasten: speichern Stärke
Chloroplasten (höherer Pflanzen)
Auch Chloroplasten
sind semiautonom!
Biogenese von
Chloroplasten
Photosynthese
ermöglicht eine autotrophe Lebensweise
Autotrophe Organismen verwenden CO2 als C-Quelle
•
Photoautotrophe Organismen nutzen Licht als Energiequelle
→ Pflanzen, Cyanobakterien
•
Chemoautotrophe Organismen oxidieren anog. Stoffe
→ einige Bakterien
Heterotrophe Organismen verwenden Org. Substanzen als C-Quelle
→ Tiere, die meisten Bakterien
Lichtenergie
6CO2 + 12 H2O
C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
6CO2 + 12 H2S
C6H12O6 + 12S + 6 H2O
Die Pigmente der Photosynthese sind in die Thylakoidmembran der
Chloroplasten eingebaut
Die Pigmente der Photosynthese sind:
• Chlorophyll a
• Chlorophyll b
• Carotinoide
• Xanthophylle
Für die Photosynthese wird das
sichtbare Licht genutzt.
Die Absorptionsspektren der Pigmente
unterscheiden sich.
Die Pigmente der Photosynthese sind in der Membran in Photosystemen
organisiert
Ein Photosystem besteht aus:
• einem zentralständigen Chlorophyll a Paar
• mehreren hundert Hilfspigmenten
(akzessorische Pigmente,
Lichtsammelkomplex)
• einem Elektronenakzeptor
Ein Photosystem ist zur Photooxidation befähigt
→ gibt bei Belichtung ein Elektron ab
Die Elektronenabgabe geht nur von
dem zentralständigen Chlorophyll a Paar
aus. Die akzessorischen Pigmente
übertragen die Energie zum
Reaktionszentrum
Die Photosynthese gliedert sich in zwei Reaktionsphasen
1. Lichtreaktion
Absorption von Lichtenergie und Umwandlung in chemische Energie
→ findet in der Thylakoidmembran statt
→ Membran enthält die dafür notwendigen Pigmente und Enzyme
2. Dunkelreaktion (CO2 - Assimilation)
Synthese von Glukose unter Ausnutzung der gewonnen Energie
der Lichtreaktion
→ findet im Stroma statt; enthält die Enzyme dazu
Lichtreaktion
Photosystem II
• Bildung von ATP (Photophosphorylierung)
• Spaltung des Wasser (Photolyse) und
Bereitstellung von H+
2H2O → 4 H+ + 4e- + O2
Photosystem I
• Reduktion von NADP+ und Bereitstellung von NADPH für die Dunkelreaktion
Zyklischer Elektronentransport
Bildung von ATP durch die protonenmotorische Kraft
• Die Energie der Elektronentransportkette wird dazu genutzt,
Protonen in den Thylakoidinnenraum zu pumpen
• Der Rückfluss der Protonen ist mit der ATP-Synthese gekoppelt
Dunkelreaktion
CO2-Assimilation durch den Calvin-Zyklus
Nur 1/6 des G3P dient
der Synthese von
Glukose!
Verbrauch für 1 G3P:
9 ATP, 6 NADH
C3- und C4- Pflanzen
C3- Pflanzen assimilieren CO2 nur im Calvin-Cyklus
C4-Pflanzen haben dem Calvin-Zyklus eine andere Art der C-Fixierung
vorgeschaltet
Zusammenfassung
- Photosynthese -
Cytoskelett
→ Netzwerk aus Proteinstrukturen
Komponenten des Cytoskeletts sind:
Mikrotubuli:
bestehen aus alpha- und beta-Tubulin
Durchmesser: ca. 25 nm
Mikrofilamente:
bestehen aus G-Aktin
Durchmesser ca. 6 nm
TEM Aufnahme eines Zellausschnitts
mit Mikrotubulus und Mikrofilamenten
Intermediär-Filamente:
bestehen aus verschiedenen Proteinen, Durchmesser ca. 10 nm
Sie können nach Bedarf durch Polymerisation und Depolymerisation
auf- und abgebaut werden
→
self-assembly
Aufbau von Mikrotubuli
In den 13 Protofilamenten
eines Mikrotubulus wechseln
alpha- und beta-Tubulin ab..
Das Innere bleibt hohl..
Funktionen von Mikrotubuli
1. Herstellung der äußeren Zellform
Stabilität der Zelle
2. Vesikeltransport
3. Bildung des Centriols (MTOC bei tierischen Zellen)
4. Bildung der Kernteilungsspindel
5. Bildung von Cilien (Wimpern) und Flagellen (Geißeln) bei
Eukaryoten
Vesikeltransport
Bildung des Centriols
• 3 Mikrotubuli bilden ein Triplett
• 9 Tripletts bilden einen Ring
(9x3 Anordnung)
• 2 Centriolen bilden das Centrosom (MTOC
von tierischen Zellen)
Centrosom mit 2 Centriolen
Aufbau der eucytischen Flagellen (Geißeln)
und Cilien (Wimpern)
• Bildung von Mikrotubuli-Dupletts
• Zusammenlagerung von 9 Dupletts zu einem Ring
• zwei einzelne Mikrotubuli liegen in der Mitte (Zentraltubuli)
• ein Mikrotubulus eines Dupletts ist mit einem Motorprotein (Dynein) verbunden
Bewegung bei eukaryotischen Cilien und Geißeln
Merke!
Die prokaryotische Geißel
ist anders aufgebaut !
Das Geißelfilament besteht aus Flagellin
Der Geißelhaken ist mit Rotorscheiben
verbunden, die in Zellwand und
Plasmamembran verankert sind
Mikrofilamente
Funktionen
1. Kontraktion von Zellbereichen oder ganzen Zellen
- Kontraktion von Muskelzellen
- Einschnürung der Zelle bei der Zellteilung (tierische Zelle)
2. Plasmaströmung bei Pflanzenzellen
3. Amöboide Bewegung
4. Formgebung der Zelle
Kontraktion von Muskelzellen
• Ohne ATP bindet Myosin fest am F-Aktin
• Bindet ATP löst es sich vom F-Aktin
• Wird ATP gespalten, knickt das Köpfchen ab
• Bei Anstieg der Ca+-Konzentration bindet das
Köpfchen wieder
• Bei Ablösung des ADP und P knickt das
Köpfchen wieder ein
Plasmaströmung und
amöboide Bewegung
Intermediär-Filamente
• setzen sich aus unterschiedlichen
Proteinen zusammen
• Einteilung in 5 verschiedenen Klassen,
die bekanntesten sind die Keratine
• dienen meist der mechanischen
Festigung z.B. Keratinfilamente der Haut
Ausschnitt aus einer Zelle der Darmschleimhaut
Mikrovilli (Zellausstülpungen) sind durch Aktinfilamente
verstärkt; diese sind an einem Geflecht aus
Intermediärfilamenten verankert.
Kapitel 6
Zellwand, extrazelluläre Matrix und
Zellverbindungen
Die pflanzliche Zellwand
Funktion:
•
•
Stabilisierung und Festigung des Gewebes
verhindert übermäßige Wasseraufnahme (setzt osmotischen
Druck einen Wanddruck entgegen)
besteht aus:
•
•
•
•
•
Cellulose
Hemicellulose
Pektin
Chitin (nur bei Pilzen)
Lignin (bei verholzten Pflanzen)
1,4-Verknüpfung von ß-Glukose
Cellulose ist in Form
von Mikrofibrillen in der
Zellwand eingelagert
Hemicellulose:
Kurzkettige Polymere aus verschiedenen Pentosen und Hexosen
Pektin
Polysaccharid aus Galakturonsäure
Lignin ist in verholzten Pflanzenteilen eingelagert
kleiner Ausschnitt aus dem dreidimensionalen
Netzwerk dieses Polymers.
Monomere sind Polypropaneinheiten (Coniferylalkohol, Cumarylalkohol, Sinapylalkohol)
Chitin
•
ist in nur in Zellwänden von Pilzen eingelagert
•
bildet ähnlich wie Cellulose Fibrillen
Aufbau der pflanzlichen Zellwand
Mittellamelle: besteht hauptsächlich aus Pektin (keine Cellulose)
Primärwand: Hauptanteil ist Pektin und Hemicellulose
Cellulose ca. 30 %
→ Streuungsstruktur, Wand ist noch dehnbar
Sekundärwand: Hauptanteil Cellulose (> 60 %), Hemicellulose, wenig Pektin
→ Parallelstruktur, Wand ist nicht mehr dehnbar
Tertiärwand (Außenlamelle): reich an Pektin und Hemicellulose
nicht immer ausgebildet
Zusätzliche
Wandeinlagerungen
Lignin:
verdrängt Grundsubstanz
(Pektin und Hemicellulose)
→ Verholzen
Cutin (Wachs):
bei Zellen der Kutikula
→ verhindert Wasserverlust
Suberin (Kork):
bei Zellen der Baumrinde
Plasmodesmen
Zellverbindungen bei Pflanzenzellen
Die bakterielle Zellwand
•
•
•
Funktion: Formgebung, Stabilisierung und Schutz
Aufbau ist nicht immer gleich!
Baustein der Zellwand der Bacteria ist das Murein
(Peptidoglycan)
hochpolymeres Molekül
aus Polysacchariden
und Peptiden
Murein-Sacculus
Unterteilung der Bacteria
nach der Gramfärbung
Mikroskopische Aufnahme
gramgefärbter Bacteria,
die grampositiv (blau-violett)
und gramnegativ (rosa-rot) sind.
Zellwandaufbau grampositiver und
gramnegativer Bakterien
Wirkung von Lysozym und Penicillin auf die
bakterielle Zellwand
Lysozym (Enzym z.B. im Schweiß, Speichel)
•
hydrolysiert die Polysaccharidketten des Peptidoglykan
spaltet die β-1,4-glykosidischen Bindungen des Peptidoglykan
•
Penicillin
verhindert bei der Bildung des Mureins die Vernetzung
der Polysaccharidketten durch Peptide.
Es wirkt hauptsächlich gegen Gram-positive Bakterien
Extrazelluläre Matrix von tierischen Zellen
Die Interzellularsubstanzen werden durch Exocytose ausgeschieden.
Sie bestehen aus:
•
•
•
Faserproteinen (Kollagen)
Matrix aus Proteoglykanen (Molekülkomplexe aus Polypeptiden
und Polysacchariden)
Verbindungsmolekülen (Fibronektin und Lamenin)
Verfestigung der Interzellularsubstanzen durch Einlagerung von
•
•
•
•
Hydroxylapatit (Knochen)
Dentin (Zähne)
Calciumcarbonat (Schalen von Schnecken)
Chitin (Exoskelett von Arthropoden)
Oberflächenstrukturen und Oberflächenrezeptoren
bei tierischenZellen
1. Oberflächenstrukturen
•
Zellausstülpungen
- Mikrovilli (Darmepithelzellen)
- Geißeln und Wimpern
•
Glykokalix der Cytoplasmamembran (Glykoproteine und Glykolipide)
- Zell-Zell-Erkennung
- Zellkontakte
- Signalwahrnehmung
- Schutzfunktion
2. Oberflächenrezeptoren
Bindung von Signalmolekülen
(z.B. Hormone, Neurotransmitter, Wachstumsfaktoren)
Zellverbindungen / Zell-Zell Kontakte
Tight–junction (undurchlässige Zell-Zell-Verbindungen)
• Verschlusskontakte (Diffusionsbarriere) bei tierischen Zellen
(z.B.Darmepithelzellen)
• Membranen stehen durch Transmembranproteine direkt mit
einander in Verbindung
• Verbindungen ziehen sich gürtelartig um die Zelle
tight-junction
adherens-junction
Tight-junction
Desmosom
gap-junction
Adherens-junction (Haftverbindungen)
•
•
•
bei tierischen Zellen (Epithelzellen, Herzmuskel)
Transmembranproteine sind an Actinfilamente des
Cytoskeletts gebunden
Koordination der Bewegung im Zellverband
Desmosomen
•
•
•
punktförmige Zellverbindungen
bei tierischen Zellen
Membranproteine sind mit Intermediärfilamenten (Keratin) der
Zelle verbunden
mechanischen Stabilisierung von
Zellverbänden
Gap-junctions
•
•
•
punktförmige Zellverbindungen bei tierischen Zellen
Transmembranproteine bilden Kanäle
dienen dem Stoffaustausch zwischen den Zellen
(Ionen und kleinere Moleküle)
Plasmodesmen
•
•
•
direkte cytoplasmatische Verbindungen bei Pflanzenzellen
zum Stoffaustausch
z. T. vom ER durchzogen
Verbindungsproteine zwischen der Cytoplasmamembran
lassen einen Stoffaustausch nur von kleinen Molekülen zu
Kapitel 7
Viren
Viren bestehen aus:
•
Nukleinsäuren
DNA doppelstrangig oder einstrangig
RNA doppelstrangig oder einstrangig
•
Proteinhülle ( Capsid)
Bausteine der Capside sind die Capsomere
Viren sind:
•
•
•
obligate intrazelluläre Parasiten
proteinumhüllte Genome ohne eigenen Stoffwechsel
wirtsspezifisch
Aufbau von Viren
Vermehrung von Viren
1. Nach Eintritt in die Zelle benutzt die
virale DNA Nukleotide und Enzyme des
Wirtes, um sich selbst zu replizieren.
2. Der Virus verwendet Enzyme und
Ribosomen des Wirtes, um die DNA zu
transkribieren und Capsidproteine
herzustellen.
3. Virale DNA und Capsidproteine bauen
sich zu neuen Viren zusammen.
Lytischer Vermehrungszyklus eines Phagen
Lysogener und lytischer Vermehrungszyklus eines Phagen
8. Kapitel
Zellvermehrung
- Zellzyklus, Mitose und Meiose-
Zellteilung bei Prokaryoten
Zellzyklus bei Eukaryoten
Mitose:
Kernteilung
Cytokinese: Zellteilung
(Teilung des Cytoplasmas)
Interphase: Phase zwischen zwei
Mitosephasen
Mitose
Kondensierte Struktur der eukaryotischen Chromosomen
Linker-DNA
Nucleosome bilden die „Perlenkette“:
8 Histone (je zwei Moleküle des
Histons H2a, H2b, H3 und H4) bilden
ein Histon-Oktamer, um den sich der
DNA-Faden wickelt
Verdrillung unter Beteiligung des
Histons H1 („Zickzackmodell“)
Chromatinfaser ist in Schleifen gelegt
Weitere Verdrillung um mindestens
eine weitere Stufe („Supertwist“)
Prokaryoten haben nur „nackte“ DNA
ohne Nucleosom-Struktur!
Mitose
Mitosespindel in der Metaphase
Cytokinese
bei Tier- und
Pflanzenzellen
Mitose-Hemmer
1.
2.
Inhibitoren der DNA-Synthese z.B.
- Röntgenstrahlen
- Senfgas
- einige Herbizide
Inhibitoren der Spindelbildung
- z.B. Colchizin
→
führt zur Endomitose
Nach der Verdoppelung der DNA findet keinen Verteilung der Chromosomen
auf die Tochterzellen statt (Endomitose).
Die Endomitose führt entweder zur Polyploidie oder zur Polytänie
Polyploidie
Vervielfachung des Chromosomensatzes, dadurch dass sich die Centromere
teilen, die Chromosomen aber nicht auf die Tochterzellen verteilt werden.
Polytänie
Entstehung von Riesenchromosomen, dadurch dass sich die Centromere nicht
teilen.
Regulation des Zellzyklus
Kontrollpunkte regeln, ob der
Zellzyklus weiterläuft
Auf die Kontrollpunkte wirken
- zelleigene Signale
- Signale von Außen
Restriktionspunkt:
Kontrollpunkt der G1-Phase
Hier kann die Zelle den
Zellzyklus verlassen und in die
G0-Phase übergehen.
Die molekulare Steuerung des Zellzyklus
•
durch Proteinkinasen
(Enzyme, die andere Proteine durch Phosphorylierung aktivieren)
•
Cykline, aktivieren die Kinasen
Cyklin-abhängige- Kinasen
(CdK = cyklin dependent kinase)
Die durch Cyklin
aktivierte Kinase
ist hier MPF
(= Mitose- PromotorFaktor)
MPF bewirkt, dass
die Zelle den Kontrollpunkt der G2Phase überwindet
und in die Mitose
eintritt
Steuerung des Zellzyklus am G2-Kontrollpunkt durch MPF
Zur Regulation des Zellzyklus tragen innere und äußere
Signale bei z.B.:
Interne Signale von Kinetochoren
• Über den Kontrollpunkt der M-Phase wacht ein Anaphase fördernder
Komplex (anaphase promoting complex = APC)
• Die Kinetochore sind mit Proteinen assoziiert. Sind die Kinetochore
noch nicht mit der Spindelfaser verbunden, setzen diese Proteine einen
Signalübertragungsweg in Gang, der APC inaktiviert
• Sind die Kinetochore an der Spindel befestigt, wird APC aktiv
und die Anaphase beginnt
Äußere Signale: Wachstumsfaktoren
• Bindegewebszellen teilen sich nur, wenn der Blutplättchen-Wachstumsfaktor
(PDGF) vorhanden ist.
• In der Nähe einer Verletzungsstelle zerfallen die Blutplättchen und geben
PDGF ab.
• Fibroblasten tragen PDGF-Rezeptoren. Die Bindung von PDGF ist das
Signal, dass zur Anregung der Zellteilung führt.
Dichteabhängige Zellteilung
Vegetative Vermehrung (ungeschlechtliche Vermehrung)
•
•
durch mitotische Teilung
es entstehen Organismen mit gleichem Erbgut
Generative Vermehrung (geschlechtliche Vermehrung)
•
durch Verschmelzung zweier Keimzellen (Gameten)
Gameten (Keimzellen) haben nur den haploiden Chromosomensatz !
Eizelle
(haploid)
Spermazelle
(haploid)
Zygote
(diploid)
Meiose: Reduktion des Chromosomensatzes von diploid zu haploid;
führt zur Bildung der Gameten
Reduktion der Chromosomenzahl in
der Meiose
Meiose1:
Homologe Chromosomen verteilen sich
auf zwei haploide Tochterzellen
Neukombination der Gene durch
Crossing-over
Meiose 2:
Schwesterchromatiden verteilen sich auf
zwei haploide Tochterzellen
Vergleich von
Mitose und Meiose
In der Meiose Neukombination der Gene durch:
•
crossing-over
•
durch die zufällige Verteilung der mütterlichen und väterlichen
Chromosomen auf die Tochterzellen ( 2n Kombinationsmöglichkeiten)

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