Pro- und Eukaryonte Zellen Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE Unterrichtseinheit Bio II: Pro- und Eukaryonte Zellen

Lernziele Nach Durcharbeitung dieses Kapitels sollten Sie Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE Lernziele Nach Durcharbeitung dieses Kapitels sollten Sie den Bau der Bakterienzelle kennen die Möglichkeiten zum Gentransfer bei Prokaryonten kennen den Bau der Eukaryontenzelle kennen den Ablauf der Mitose kennen die Unterschiede zwischen beiden Zellen darstellen können

Bakterienformen STRUCTURE AND FUNCTION OF PROCARYOTIC CELLS http://textbookofbacteriology.net/structure.html

Bakterium, Bau

Zellwand Die bakterielle Zellwand besteht aus Murein, einem einzigen Molekül.

Gramfärbung

Bakteriengeißeln, Bakterienmembran

Bakterienmembran, Aufgaben Osmotische und Permeabilitätsbarriere Transportsysteme für Nahrungsbestandteile und Ionen Energieproduktion Membranlipidsynthese Mureinsynthese (Peptidoglycan der Zellwand) Zusammenbau und Sekretion extracytoplasmatischer Proteine Koordination der DNA - Replikation, der Septumbildung und Zellteilung Chemotaxis (Beweglichkeit und Signalaufnahme

Bakterielle Gene Das Bakterienchromosom ist ringförmig. Bakterielle Gene sind nach dem Operon-Prinzip gebaut.

Zellteilung

Sporenbildung Bakterien bilden Dauerformen, in denen sie Trockenheit, Hitze und sogar Vakuum überstehen können.

Stoffwechsel Je nach Ernährungsart unterteilt man die Bakterien in ·          Photoautotrophe (zur bakteriellen Photosynthese fähig) ·          Heterotrophe (auf eine organische C-Quelle angewiesen) ·          Saprophyten (leben auf oder von toter Materie) ·          Parasiten (leben schädigend von lebenden Organismen) ·          Symbionten (leben mit einem anderen Organismus unter gegenteiligem Vorteil zusammen)

Archaebakterien Archaebakterien, Archaeobakterien, Archaea: Eigenständige Bakteriengruppe, bilden mit den den Bacteria und den Eucarya die drei Domänen der Lebewesen. Wichtige Unterscheidungsmerkmale zwischen A. und Bakterien sind: Der Aufbau der ribosomalen RNA. Der Aufbau der DNA-abhängigen RNA-Polymerase und von Komponenten der Translation. Die Zellwände der A. enthalten kein Murein und sind sehr unterschiedlich zusammengesetzt (z.B. Pseudomurein, Glykoproteine, Proteine). Aufbau der Membranlipide. Archaea weisen besondere Stoffwechselwege auf und enthalten zum Teil ungewöhnliche Coenzyme.   Archaebakterien wachsen meist unter ungewöhnlichen, extremen Lebensbedingungen, z.B. in Black Smokers, in Schwefelquellen oder bei hohn Salzkonzentrationen. Black Smoker und White Smoker gehören zu den hydrothermalen Quellen am Grund der Tiefsee. Die Mündung wird durch eine röhren- oder kegelförmige mineralische Struktur, dem Schornstein geformt, aus dem eine Sedimentwolke austritt.

Bakterien im Ökosystem In Ökosystemen übernehmen Bakterien i.d.R. die Rolle der Destruenten. (Ausnahme: Photosynthetisierende B.)

Bakterien und der Mensch Positiv: Unterstützung der Verdauung Einstellung eines sauren Milieus in der Vagina Biotechnologischer Einsatz zur Medikamentenproduktion (z.B. Insulin) Negativ: Verursacher von Entzündungen

Bakterienerkrankungen

Mathematik einer Bakterienerkrankung

Epidemie Eine Epidemie (griechisch επιδημία - Seuche) ist ein massenhaftes Auftreten einer Krankheit innerhalb einer Population, dort jedoch unspezifisch (nicht auf eine bestimmte Gruppe beschränkt).

Antibiotika – Medikamente gegen bakterielle Infektionen Bakteriostatisch: Hemmung der Bakt.-vermehrung, bis Bekämpfung durch Immunsystem Bakterizid: Töten der Bakterien (z.B. durch Verhinderung der Zellwand-synthese {Penicillin})

Beseitigung von Bakterien Unter Sterilisation versteht man die Abtötung sämtlicher Mikroorganismen (d.h. auch der Sporen) in einem Material. Desinfektion hingegen bedeutet die gezielte antimikrobielle Behandlung mit dem Ziel, die Übertragung von Mikroorganismen zu verhindern. Abtötung durch Hitze Ionisierende Strahlung (Röntgenbestrahlung, Radioaktive Bestrahlung) Filtration UV-Licht Chemische Agenzien Oxidationsmittel Oberflächenaktive Substanzen

Verhinderung von Kontamination mit Luftkeimen Benutzung eines Bunsenbrenners: Aufsteigende Luft nimmt Bakterien nach oben mit „Cleanbench“: Gefilterte Luft bläst über den Arbeitstisch

Bakterienviren Phage Lambda

Vermehrungszyklus von Phagen

Gentransfer bei Bakterien Bei der Transformation werden DNA-Fragmente in die Zelle aufgenommen und mit dem bakteriellen Chromosom ausgetauscht. Bei der Konjugation paaren sich unter dem Einfluss spezieller F-Plasmide (Fertilitätsfaktoren) zwei Bakterienzellen, stellen über Plasmabrücken einen direkten Zellkontakt her und transportieren über diese Verbindung Teile des genetischen Materials (Plasmide oder Teile des Chromosoms). Bei der Transduktion erfolgt die Übertragung der DNA durch Bakterienviren (Phagen), die sich in der Bakterienzelle vermehren und dabei irrtümlich ein DNA-Element des Bakteriums statt der eigenen DNA oder RNA einbauen.

Transformation · Aufnahme der DNA in die Bakterienzelle ·          Paarung der DNA-Stränge ·          Doppeltes Crossing-Over und Integration der Fremd-DNA in das Bakterienchromosom ·          Abbau des verbleibenden DNA-Fragments   Ist das transformierte DNA-Stück zu kurz, kommt es nur zu einem Crossing-Over, es entsteht eine nicht lebensfähige Zelle mit einem geöffneten Chromosom.

Konjugation

Konjugation, Ablauf F+ x F- Transfer des F-Plasmids Hfr x F- Transfer des bakt. Chromosoms

Allgemeine Transduktion Bei der allgemeinen Transduktion werden beliebige Wirtsgene übertragen. Der Phage kann zwar eine Zelle infizieren, sich aber nicht vermehren. Wird chromosomale DNA übertragen, rekombiniert sie mit der DNA der infizierten Zelle. Ist die DNA die eines Plasmids, kann sie repliziert werden und bleibt erhalten.

Größenverhältnisse Pro-/Eukaryont

Zelle im Elektronenmikroskop

Plasmamembran

Kanalproteine

Zelloberfläche

Pflanzenzelle

Chromosomenbau Jedes Chromosom enthält 1 DNA-Molekül DNA bildet mit speziellen Proteinen (Histonen) eine Nucleosomenstruktur

Nukleosom

Zellzyklus

Zellzyklus, Dauer Art Interphase (min) Mitose (min) Frucht- oder Taufliege, Ei 3 6 Haushuhn, Zellkultur 700 23 Hausmaus, Zellkultur 1.300 40 Hamster, Zellkultur 640 24 Bohne (Vicia faba) Wurzelmeristem 1.000 120 Ratte, Hornhautzellen 14.000 70

Mitose

Mitose, Dauer Art Temperatur (°C) Pro Meta Ana Telo Zwiebel (Wurzelspitze) 20 71 6.5 2.4 3.8 Erbse (Wurzelspitze) 20 78 14.4 4.2 13.2 Seeigel (Embryo) 12 19 17 12 18 Heuschrecke (Neuroblasten) 38 102 13 9 57 Frosch (Gewebekultur) 20-24 32 20-29 6-11 6-11 Huhn (Gewebekultur) 39 30-60 2-10 3-7 2-10 Mensch (Gewebekultur, Milz) 38 21 13 5 4

Organellinventar der Zelle

Zellkern Trennung von Vererbung und Zellstoffwechsel Kernmembran stellt definiertes Milieu sicher, Kernporen kontrollieren gerichtete Aufnahme und Abgabe von Substanzen

Microtubuli / Microfilamente Bestandteile des Zytoskeletts Spindelapparat bei den Zellteilungen Amöboide Beweglichkeit

Centriole

Endoplasmatisches Retikulum

Cilien 9 + 2 Struktur Bewegung von Zellen Basalkorn (oder Körper) Komplexe biochemische Reaktion legt Schlagrichtung fest

Golgi-Apparat

Mitochondrium

Zytoskelett Bewegung von Organellen am Zytoskelett entlang

Zelluläre Beweglichkeit Amöboide Bewegung Actin-Myosin Kontraktion, übertragen auf das Zytoskelett Geißelbewegung Synchronisierter, gerichteter Schlag von Geißen oder Geißelfeldern

Tensegrity Tensegrity (Kunstwort aus engl. "tension", "Spannung" und "integrity", Ganzheit, Zusammenhalt) bezeichnet ein von Richard Buckminster Fuller und Kenneth Snelson erfundenes Architektursystem, in dem sich Strukturen durch Druck und Spannung selbst stabilisieren.   Die räumlichen Gebilde bestehen aus starren Elementen (meist Stäbe, aber auch massive, dreidimensionale Körper), die untereinander mit Stahlseilen verbunden sind.

Anwendung des Tensegrity-Prinzips Chemie: Fullerene (Käfigmoleküle) Biologie: Endoskelett Zytoskelett

Muskelzelle

Nervenzelle