Zellbiologie – Zelle und Zellorganellen
Lebende Materie besteht aus Zellen – vom Bakterium bis zum Blauwal
Alle auf der Erde existierenden biologischen Systeme setzen sich aus denselben Artenbiochemischer Moleküle zusammen und verwenden auf zellularer Ebene ähnlicheOrganisationsprinzipien.
Die Zelle ist die kleinste autonome Einheit des Lebens. Nur einer Zelle oder einemZellverbund kann das Prädikat „Leben“ zugeordnet werden.
Wie Zellen auf der Grundlage der sie bildenden Moleküle funktionieren, erforschtdas interdisziplinäre Forschungsgebiet der
Molekularen Zellbiologie
Zellbiologie ist • Molekularbiologie der Zelle• Molekulargenetik / Genomik• Zellmorphologie / Ultrastruktur• Biochemie / Physiologie• Biophysik / Bioenergetik• Bioinformatik• Entwicklungsbiologie• Evolutionsbiologie• Biomedizin
Alle Lebewesen auf derErde lassen sich auf einengemeinsamen Vorfahren,einer „Urzelle“, zurückführen.
Die Evolution hat sich imGenom der Lebewesen niedergeschlagen. Deshalblassen sich durch Genanalysenverwandschaftliche Bezie-hungen zwischen verschie-denen Lebewesen aufdecken (insbes. ribosomale RNA)
PhylogenetischeStammbäume
Sind Viren Lebewesen?
Beispiel: Bakteriophage
Viren bestehen aus einer Eiweißhülle undeinem Informationsmolekül (DNA oder RNA),welches den Aufbau der Eiweißhülle (dessenProteom) codiert.
Viren sind nicht in der Lage, selbständig dieDNA/RNA zu transkripieren und die Eiweiß-biosynthese auszuführen. Sie benötigendazu die Dienste einer lebenden Zelle:
Viren existieren parasitär Viren fehlen wesentliche Merkmale des
Lebens
Viren sind keine Lebewesen!
Es existieren zwei Arten von Zellen mit unterschiedlichem Organisationsgrad – Prokaryonten und Eukaryonten
Prokaryonten Eukaryonten
Kein Zellkern Komplexer Zellkern
Nur Einzeller (Bakterien, Archaen) Ein- und mehrzellige Organismen
Ein ringförmiges DNA-Molekül Mehrere lineare DNA-Moleküle in Chromosomen organisiert
Vorwiegend codierende DNA-Abschnitte Vorwiegend nichtcodierende Regionen
Extrachromosomale DNA (Mitochondrien,Chloroplasten)
Keine Zellorganellen Komplexe Zellorganellen (z.B. Mitochondrien, Lysosome, Golgi-Apparat)
Kein Cytoskelett Sehr komplexes Cytoskelett
Zellteilung durch einfache Zweiteilung Zellteilung mit vorausgehender Kernteilung (Mitose, Meiose)
Zellorganellen entwickelten sich durch Endosymbiose
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)
Die prokaryontische Zelle
- doppelte Zellmembran / 1x DNA, n x Nucleoide (Ringmoleküle)- transmembrane Proteine- Adhäsine zur Anlagerung an andere Zellen
BakterienArchaea
ModellorganismusEscherichia coli
Die eukaryontische Zelle
Gegenüber prokaryontischen Zellen bedeutend größere KomplexitätBesitzt mit Membranen umgebende Zellorganellen
DNA im Zellkernkonzentriert
Zellkompartimente oder Organellen einer eukaryotischen Zelle
1. Plasmamembran2. Zytoplasma3. Zellkern4. Endoplasmatisches Retikulum5. Golgi-Apparat6. Vesikel (sekretorisch)7. Peroxysom8. Lysosom9. Mitochondrien
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
(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
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 durchZytoskelettstrukturen 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
Fluoreszenzaufnahme
Ephithelzellen unter dem Mikroskop. Die Mikrotubulisind in grün, Aktinfilamentesind in rot markiert worden. Die Zellkerne sind blau markiert.
Cytoskelett - Aktin-Mikrofilamente
Netzwerk von Aktin-Filamenten im Zytoplasma
Amöbe
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.
Cytoskelett – Mikrotubuli
sind steife Fasern, die an einem Ende aufgebaut (+) und am anderen Ende (-) abgebautwerden – „Tretmühlenmechanismus“ läßt das Mikrotubuli wie eine Raupenkette durchdie 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.
Mitosespindel
Nächstes Mal: Zellkern