Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie: Evolution – Zellbiologie – Entwicklung Jörg Mey Institut für Biologie II RWTH Aachen Institut für Biologie II Jörg Mey

Institut für Biologie II Zellen und Gewebe 1. Was sind Lebewesen? 2. Vergleich Prokaryoten/Eukaryoten Pflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen 3. Übersicht über die Zellorganellen a) Zellkern b) Mitochondrien/Plastiden c) Ribosomen d) Membransysteme in der Zelle e) Zytoskelett Institut für Biologie II Jörg Mey

Institut für Biologie II Zellen und Gewebe 1. Was sind Lebewesen? 2. Vergleich Prokaryoten/Eukaryoten Pflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen 3. Übersicht über die Zellorganellen a) Zellkern b) Mitochondrien/Plastiden c) Ribosomen d) Membransysteme in der Zelle e) 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 Viren sind keine Lebewesen. medizinische Bedeutung, molekularbiologische Bedeutung   Virus = „Gift“ passieren Bakterien-Filter sedimentieren nicht in herkömmlichen Zentrifugen systematische Merkmale von 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 entweder DNA oder RNA vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten entweder DNA oder RNA Montage aus vorgefertigten Teilen; kein Wachstum, keine Teilung kristallisierbar

EM-Bild einer HIV-infizierten T-Zelle (Fehlfarben) Viren vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten Retroviren sind eine Gruppe der RNA-Viren äußere Membran EM-Bild einer HIV-infizierten T-Zelle (Fehlfarben)

binden N2 Sporen binden CO2 innere Membranen, Photosynthese

Zelltheorie Robert Hooke, 1665: „Micrographia“, Mikroskop Anthony van Leeuwenhoek, 1674: Beschreibung von Erythrozyten Theodor Schwann und Mathias Jakob Schleiden, 1838/39: Zelltheorie Schleiden Schwann

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

Institut für Biologie II Zellen und Gewebe 1. Was sind Lebewesen? 2. Vergleich Prokaryoten/Eukaryoten Pflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen 3. Übersicht über die Zellorganellen a) Zellkern b) Mitochondrien/Plastiden c) Ribosomen d) Membransysteme in der Zelle e) Zytoskelett Institut für Biologie II Jörg Mey

Größenverhältnisse mm – cm makroskopisch sichtbar Zellen Atome Zellen Organellen Moleküle 0,2 mm Auflösungsgrenze des bloßen Auges 20 µm 2 µm 0,2 µm Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops nm 2 nm 0,2 nm Auflösungsgrenze des Elektronemmikroskops

Merkmale der Zellen Viren Prokaryoten Eukaryoten 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) typische Größe (d) Plasmalemma Zellkern Zellwand

Bakterien Micrococcus Bacillus Spirillum Streptococcus Mesosom

Tierische Zelle

Pflanzliche Zelle

Epithelien Nervengewebe Mesenchym Grundtypen der Gewebe

Grundtypen der Gewebe Epithelien polar, bewimpert, sekretorisch; Basallamina spezialisierte Zellverbindungen Bindegewebe Bindegewebe i.e.S. zwischen Organen; Fibroblasten, ECM Muskel Kontraktion; Skelett-M./glatter M./Herz Blut Erythrozyten, Leukozyten Nervengewebe Neurone und Glia ZNS, PNS; Zelltypen; Synapsen Sinneszellen Sinnesepithelien; Rezeptoren Keimzellen (Gameten) Spermium, Eizelle; haploid

Institut für Biologie II Zellen und Gewebe 1. Was sind Lebewesen? 2. Vergleich Prokaryoten/Eukaryoten Pflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen 3. Übersicht über die Zellorganellen a) Zellkern b) Mitochondrien/Plastiden c) Ribosomen d) Membransysteme in der Zelle e) Zytoskelett Institut für Biologie II Jörg Mey

Übersicht über die Zellorganellen Protoplasma Zytoplasma Zellkern mit Nucleo- oder Karyoplasma Zytosol Organellen z.B. Mitochondrien Lysosomen Ribosomen Golgi-Apparat ER

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 Kernhülle, Doppelmembran Poren (d: 10 nm) Porenkomplex Matrix 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) b-Oxidation der Fettsäuren (Abbau zu Acetyl-CoA) an der inneren Mitochondrienmembran: Atmungskette (Zellatmung, ATP-Synthese durch Oxidation von Reduktionsäquivalenten wie NADH+H+, FADH2)

Pflanzliche Zelle

Plastiden/Chloroplasten Thylakoidmembran Stroma Grana Chloroplasten in den Blattzellen eines Mooses, Lichtmikroskop Strukturelle Unterschiede zu Motochondrien: größer äußere, innere + Thylakoid-Membran mit Grana Stoffwechselprozesse

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 Mitochondriale DNA: Ringstruktur, keine Histone, ähnlich der bakteriellen DNA Mitochondriale Ribosomen ähnlich denen der Bakterien, Größe, Kompatibilität der Untereinheiten Doppelmembran Zusammensetzung der inneren Membran wie bei Bakterien, Details der Proteinbiosynthese: Hemmbarkeit durch Antibiotika, tRNAF-Met Rezente Modellorganismen Campbell 26.1

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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

Funktion der 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.

Institut für Biologie II Zellen und Gewebe 1. Was sind Lebewesen? 2. Vergleich Prokaryoten/Eukaryoten Pflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen 3. Übersicht über die Zellorganellen a) Zellkern b) Mitochondrien/Plastiden c) Ribosomen d) Membransysteme in der Zelle e) 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) sER rER

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 Funktionen des Golgi: 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 Proteasomen Peroxisomen 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 Speicherkrankheiten Endosomen: 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

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Anzahl und relative Volumina der membran-umschlossenen Zellorganellen: Kompartiment Prozentanteil (Volumen) ungefähre Anzahl/Zelle Cytosol Zellkern Mitochondrien ER Golgi-Apparat Lysosomen und Endosomen Peroxisomen 54 % 1 6 % 1 22 % 1700 12 % 1 3 % 1 2 % 500 1 % 400