Struktur der Zelle Tiermedizinische Universität, Budapest 2017 Dr. Attila Magyar 15.09.2017

Struktur der Zelle 7 Doppelstunden freitags (nur Vorlesungen): 15.09., 22.09., 29.09., 06.10., 13.10., 20.10. und 27.10.2017 von 13.30 bis 15.30 in dem Vorlesesaal Physiologie; Schlussprüfung: schriftlicher Test am 03.11.2017, um 13.30 (45 min, hier, in diesem Vorlesesaal); Bewertung des Tests: 0-50%:1 (ungenügend), 51-60%:2 (genügend), 61-70%: 3 (befriedigend), 71-80%: 4 (gut), 81%-: 5 (sehr gut). Die den Test nicht bestanden haben: mündliche Nachprüfung am 10.11.2016, um 17.45, hier, in diesem Vorlesesaal. Wahlfach Anmelden: bis Ende der nächsten Woche im Neptun System An die Prüfung bitte anmelden im Neptun System (voraussichtlich wird die Prüfung an der 3. Semesterwoche ausgeschrieben)

Prüfungsstoff A: was ich an den Vorlesungen erklärt habe B: meine Zytologie-Präsentationen C: erster Kapitel des Liebich-Buches: Zytologie (ungefähr 40 Seiten) Liebich, HG: Funktionelle Histologie der Haustiere un Vögel, Schattauer, 2009, ISBN 3794526929 oder 2003-Ausgabe: ISBN 3794523113

Allgemeine Begriffe

Allgemeines 1. Zytologie: „Lehre der Zellen” Zellen: alle Lebewesen (von den Bakterien durch Pflanzen und Pilze bis Tieren) sind aus einer oder mehreren Zellen aufgebaut; die meisten Zellen sind mit bloßen Augen nicht sichtbar; Zelle: Einheit des Lebens, sie zeigt alle Lebenserscheinungen; kleinere, einfachere Strukturen (wie eine Organelle, Viren) leben nicht. Lebenserscheinungen: Stoffwechsel (Metabolismus), Wachstum, Reproduktion und Vererbung, Homeostasis (innere Milieu konstant zu halten), Antwort auf äussere Reize (zB: Bewegung) und Adaptation.

Aufteilung der morphologischen Fächern Organismus (individuum) Organsysteme Organe Gewebe Zellen Anatomie Histologie Zytologie, Zellbiologie

Allgemeines 1. mehr als 300 Zelltypen (willkürlich) die Zelle und die extrazelluläre Matrix (ECM) Grundgeweben: -Epithelgewebe -Binde- und Stützgewebe -Muskelgewebe -Nervegewebe

Allgemeines 2. Aufteilung der Lebewesen: Prokaryoten und Eukaryoten Prokaryoten: Bakterien (keine Organellen, nur Ribosomen, Chromosom: eine zirkuläre DNS) Eukaryoten: Einzell-Lebewesen (zB Pantoffeltierchen), Tiere (Animalia), Pflanze (Plantae) und Pilze (Fungi) Eukaryoten: Zellkern mit Kernhülle, Organellen im Zytoplasm Pro+Eukaryoten: Zytoplasma wird von außen durch Zellmembran umgegeben. Außerhalb von Zellmembran können noch Schutzschichte liegen (Zellwand: Bakterien, Pflanze) Hauptteilen der tierischen Zelle: Zellmembran, Zytoplasma, Organellen

Allgemeines 3. Aufbau der tierlicher Zelle (von außen nach innen): -Zellmembran (mit Glykokalyx), -Zytoplasma, im Zytoplasma sind die Organellen verteilt: -endoplasmatisches Retikulum, ER, (raues: rER oder glattes: sER), -Golgi Apparat, -Mitochondrien, -Ribosomen, -Lysosomen, -Vesikeln (endozytotische, sekretorische, Transport-), -Zentriol und Zytoskelett, -Zellkern mit Nukleolus Membrangebundene Organelle: sind rot markiert.

Allgemeines 4. Aufgabe der Mebranen: Kompartimentalisation: Trennung der biochemischen/zellulären Vorgänge voneinander; Innerhalb einer Organelle ist ein Kompartiment, deren Zusammensetzung (zB: ionische, Proteine) ist hochgradig reguliert! Übertritt von einem in das andere Kompartiment: unter starker Kontrolle! (Siehe später: Proteinsortierung oder Kernimport, Kernexport) z.B.: Kompartimente sind: -extrazellulär versus intrazellulär (zytoplasmatisch) -intrazellulär versus intranukleär -intracellulär versus intermembran (siehe: Mitochondrium) -intermembran versus mitochodriale Matrix -intrazellulär versus Golgi-Zysterne -intrazellulär versus ER-Zysterne

Allgemeines 5.A Kurze Auflistung der Organellenfunktionen Zellkern: Vererbung (DNS), Transkription (mRNS), Ribosomenherstellung (Nukleolus) Ribosomen: Proteinsynthese rER: Proteinsynthese und posttranslationelle Modifizierungen sER: Membranlipid (Phospholipid-) Biosynthese, Steroidsynthese, Entgiftung, Ca-Speichern Golgi Apparat: posttranslationale Modifizierung (Glykosilieren) und Sortierung der Proteine Mitchondrium: Energiegewinn oder ATP-Synthese (oxydatives Phosphorilierung), Steroidsynthese

Allgemeines 5.B Kurze Auflistung der Organellenfunktionen Lysosomen: Abbau von (extrazellulären und intrazellulären) Stoffen sekretorische Vesikeln: Sekretabgabe durch Exozytose Transpotvesikeln: intrazelluläre Stofftransport zwischen Kompartimenten Zytoplasma: metabolische Vorgängen (zB: Glykolyse, Signalübertragung) Zentriol: Organisationszentrum für alle Mikrotubuli Zytoskelett: intrazelluläres Gerüst aus fibrillären Proteinen (Mikrofilamente, intermediäre Filamente und Mikrotubuli) für zelluläre Gestalt aber auch für Bewegungen

Allgemeines 6. Größen: 1 Mikrometer = 1 μm = 10-3 mm, 1 Nanometer = 1 nm = 10-6 mm Größe der Zelle: im allgemein zwischen 10 und 50 μm Zu Memorisieren: Erythrozyt (rote Blutzelle) Durchmesser Säugetieren: Hund (größte): 7,0 μm; Ziege (kleinste): 4 μm, Mensch: 7,5 μm, Vögel: Huhn: 12 μm Große Zellen: quergestriefte Muskelfaser (eine Zelle): Durchmesser 10-100 μm, Länge: von einigen bis 10 cm; Betzsche Pyramidenzelle (Hirnrinde): ihr Axon kann 1 m lang sein.

Allgemeine Aufbau der Zellen

Abkürzungen: N: Nukleus (Nucleus) No: Nucleolus SER: smooth endoplasmatisches Retikulum GER: raues ER D: Golgi-Apparat M: Mitochondrium G: Sekretgranulum Ce. Zentriol Ds: Desmosom L: Lysosom Ps: Polysom MLB: multilamellärer Körper ICS: Interzellulärraum Me: Zellmembran Mf: Mikrofilamente Mt: Mikrotubuli Mv: Mikrovilli Ud

Nieren (Pferd) Niere (Histo-Präp, HE) Nierenrörchen in Nierenmark (Histo-Präp, HE) Niere (links oben): http://www.vetanat.uzh.ch/Praeparatorium/Plastinate/HarnundGeschlechtsapparat/nierenpferd.html Niere (rechts oben): Liebich Funktionelle Histologie, Schattauer, 1990 Nierenmark (rechts unten): http://www.iupui.edu/~anatd502/Labs.f04/epithelia%20lab/s90.4x.3.jpg Sammelröhre (links unten): http://www.vetmed.vt.edu/education/curriculum/vm8054/Labs/Lab23/lab23.htm

Nierenrörchen in Nierenmark Lichtmikroskopie, HE-Färbung oben rechts: unten links: http://m-learning.zju.edu.cn/G2S/eWebEditor/uploadfile/20130409122337055.jpg 2 Epithelzellen des Sammelrohres der Rattenniere 2 Epithelzellen eines Nierenrörchen: Elektronmikroskopie

unten links: http://m-learning. zju. edu

Drüsenzelle, EM-Aufnahme (TEM) GER: raues ER D: Golgi Apparat M: Mitochondrium G: Sekretgranula N: Zellkern No: Nucleolus Ud

Untersuchung der Zelle Mikroskopie: siehe Praktikum Licht- (LM) und Elektronenmikroskop (EM) EM: Transmissions-EM (TEM), Scanning EM (SEM) Vergrößerungsvermögen: bis ~ 1400x (LM), über 100.000x (EM) Auflösevermögen: 0,2 μm (LM), 0,2 nm (EM) Vorbereitung der Geweben für Mikroskopie: Histotechnik oder Mikrotechnik (Fixieren, Einbetten, usw.: siehe Histologie, 1. Vorlesung) Biochemische und Molekulargenetische Methoden

Chemie der Zelle 1. Wasser Ionen: Na+, K+, Cl-, HCO3-, Mg2+ , Ca2+ (Ionenmilieu, Membranpotenzial, aktives Transport, Erregbarkeit) und viele Meso- und Mikroelemente organische Verbindungen: -kleine organische Moleküle (Komponente des Stoffwechsels): wie Glükose, Aminosäuren, ATP -Lipide (neutrale Lipide oder Fette, Steroide, Phospholipide) -Peptide und Proteine: Polymere aus Aminosäuren -Kohlenhydrate: -Monosaccharide (zB: Glukose, Galactose) -Oligosaccharide (Polymere aus einigen-bis einigen zehnten Monosacchariden) -Polysaccharide (Polymere aus einigen hundert-bis einigen tausenden Monosacchariden: Glykogen, GAG) - Nukleinsäure: Polymere aus Nukleotiden; DNS oder RNS

Proteine 1. Peptid: Polymer aus max. 20 Aminosäuren (AS) Protein: Polymer aus mehr als 20 AS Aminosäure: Karboxylgruppe, Amonogruppe, alpha C-Atom, R-(Rest-) Gruppe 20 unterschiedliche AS (plus noch einige, seltene) AS-Typen: -Apolare AS (zB: Glyzin), -Polare (zB: Tyrosin), -positiv geladene AS (zB: Lysin), -negativ geladene AS (zB: Glutaminsäure) Polymerisation durch die Peptidbindung (Kondensationsreaktion, Wasser tritt aus) Lineare (NICHT verzweigende) Polymere!

Proteine 2. Proteinstruktur: mehrere Stufen -Primärstruktur: AS-Sequenz, sie ist entscheidend!!! Amino- (N-) terminales, und Karboxy- (C-) terminales Ende -Sekundärstruktur (später, Biochemie): a-Helix, b-Faltblatt -Tertiärstruktur: endgültige 3D Struktur der Proteinkette

Kohlenhdraten 1. Monosacchariden: 3,4,5 oder 6 Kohlenstoffatomen (Triosen Tetrosen, Pentosen, Hexosen); alle C-Atom enthält auch eine OH-Gruppe (sehr hydrophyle Verbindungen) In wäßriger Lösung die lineare Monosacchariden schließen sich in Ringe (zB: Pentosen in fünfer Ringe, Hexosen in sechser Ringe), wo an einer Ecke immer ein O-Atom ist: Al

Kohlenhdraten 2. In einer Gruppe der Monosacchariden (zB: Hexosen) sind mehrere Mitglieder dankbar der Konformation (Stellung) der OH-Gruppen (zB: Glukose, Galaktose, usw.) Oligosacchariden sind kleinere Kette aus Monosacchariden (einige bis einige zehnte), die kovalent an Proteinen, Lipiden binden werden. Ihre Spezifizität liegt in der Sequenz der Monosaccharid-Einheiten. Sie verzweigen häufig (im Gegensatz zu Proteinen)! (Siehe die Skizze beim Glykokalyx!) Nur dieselbe Proteine (und Lipide) bekommen Oligosaccharid-Nebenketten, die im extrazellulären Raum sind. Polysacchariden: große, oder riesengroße Strukturmolekülen (GAGs, Hialuronsäure für extrazelluläre Matrix) oder Speicherstoffen (Glykogen aus Glukose-Monomeren), die aus mehrere hunderte-tausende Monosacchariden polymerisiert sind.

Nukleinsäure siehe beim Zellkern

Allgemeine Aufbau der Membranen

Membranen sind die Strukturen die die Zelle begrenzen, die für die zelluläre Zusemmmensetzung gewährleisten, die Kommunikation zwischen Zelle und der Umgebung ermöglichen.

Allgemeines Phospholipid-Doppelschicht aus amphipathischen Lipidmolekülen hydrophob: innen; hydrophyl: beide Außenseite Dicke: 8-10 nm Flüssiges Mosaik Modell, laterale Diffusion Zusammensetzung: -LIPIDE: 1.Phospholipide (Glyzerin, Fettsäuren, Phosphate, kleine geladene organische Moleküle), 2. Kolesterin (Sterangerüst) -PROTEINE: („Membranproteine”): Transmembran oder periphere prozentuelle Zusammensetzung: variiert hochgradig, aber als Faustregel: 50% Protein, 25% PL, 25% Cholesterin

Phospholipid-Doppelschicht eine Phospholipid Molekül https://amit1b.files.wordpress.com/2012/08/fig-25.png

Phospholipid-Doppelschicht Hydrophiler Kopf eines Phospholipid-Moleküls Hydrophobe Schwänze eines Phospholipid-Moleküls Dicke: 8-10 nm https://amit1b.files.wordpress.com/2012/08/fig-25.png

Phospholipid-Doppelschicht wässriger intrazellulärer Raum wässriger extazellulärer Raum „fettiges” Mitte der Membran https://amit1b.files.wordpress.com/2012/08/fig-25.png

Rote Blutzellen oder Erythrozyten Köpfe der äußeren Phospholipiden EC-Raum Zellmembran liegt zwischen den roten und weißen Pfeilen Köpfe der inneren Phospholipiden http://www.proprofs.com/flashcards/story.php?title=mcb-block-3-organelles-cell-membrane Zytoplasma des Erythrozytes IC-Raum: Zellinnere einer roten Blutzelle Rote Blutzellen oder Erythrozyten

Zellmembran besteht nicht nur aus Phospholipiden (und andere Lipiden, wie Cholesterol), sondern auch aus Proteinen (sog. Membranproteine) Lipide-Proteine: 50-50% Proteine können auf die wäßrige Innen- oder Außenseiten verankert sein (periphere Membranproteinen) oder „bohren” sich durch die Membran (integrale Membranproteine)

Grün sind die Memranproteine

https://s10.lite.msu.edu/res/msu/botonl/b_online/d22/22.htm

http://www.scilogs.de/chemisches-allerlei/der-bullshitspalt/

Membranfunktionen Membran ist ein Diffusionsbarrier für alle geladene Stoffe (Ionen, Zucker, kleine organische Verbindungen, Proteine, usw.), aber nicht für Wasser, O2, N2, kleine Lipide (wie Steroide, Vitamin A) Wenn eine Membran nur aus Phospholipiden aufgebaut wäre: könnten Glükose, Ionen, Aminosäuren, usw. in die Zelle NIE ein/austreten.

Membranfunktionen Membranproteine: Kontrolliertes Stoffaufnahme/Abgabe: -Exo/Endozytose für Makromolekülen -Membrantransport für kleine Molekülen, Ionen Membrantransport für geladene-polare Stoffe: Ionenkanäle (Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3-), Karriere (Glükose), aktives Transport (zB Na-K Pumpe) Signalübertragung (Membranrezeptoren) Zell-Zell Erkennung (Zelladhäsionsmolekülen)

Ionenzusammensetzung (in mMol) Extrazellulär Intrazellulär Na+: 145 Na+: 5-15 K+: 5 K+: 140 Ca2+: 1-2 Ca2+: 10-4 Cl-: 110 Cl-: 5-15 pH der Zelle (intrazellulär): 7,2

Glykokalix

Glykokalyx: Kohlenhydratschicht an der Außenseite der Membran. Diese Olygosacchariden sind an Proteinen (und teilweise an Lipiden) kovalent gebunden. Al

Nachweis des Gkykokalyx mit Ruteniumrot (EM) Bl Phospholipid-Doppelschicht intrazellulärer Raum Phospholipid-Doppelschicht sieht man jetzt als eine Linie (kléeine Vergrößerung!) extrazellulärer Raum extrazellulärer Raum extrazellulärer Raum Nachweis des Gkykokalyx mit Ruteniumrot (EM) Bl

Quellen Rö: Röhlich, Pál: Szövettan (Histologie), Semmelweis Kiadó, 2006 BL: Bloom and Fawcett: A textbook of Histology, Chapman and Hall, 1994 Al: B. Alberts, et al: Lehrbuch der Molekularen Zellbiologie, Wiley-VCH, 2005, oder Molecular Biology of the Cell, Garland, 2007 Ud: J. Ude und M. Koch: Die Zelle, Fischer, Jena 1982