Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie:

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

2 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

3 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

4 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.

5 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

6 Viren entweder DNA oder RNA
vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten entweder DNA oder RNA Montage aus vorgefertigten Teilen; kein Wachstum, keine Teilung kristallisierbar

7 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)

8 binden N2 Sporen binden CO2 innere Membranen, Photosynthese

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

10 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

11 Campbell 26.26

12 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

13 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

14 Merkmale der Zellen Viren Prokaryoten Eukaryoten
nicht zellulär zellulär Viren Prokaryoten Eukaryoten < 400 nm – 2 µm – 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

15 Bakterien Micrococcus Bacillus Spirillum Streptococcus Mesosom

16 Tierische Zelle

17 Pflanzliche Zelle

18 Epithelien Nervengewebe Mesenchym Grundtypen der Gewebe

19 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

20 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

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

23 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.

24 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.

25 Tierische Zelle

26 Zellkern Kernhülle, Doppelmembran Poren (d: 10 nm) Porenkomplex Matrix
Nucleoli Kernhülle, Doppelmembran Matrix

27 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

28 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.

29 Mitochondrien Grün: Immunfärbung gegen ein mitochondriales Protein
Blau: DAPI-Färbung der DNA, Zellkern

30 Mitochondrien glatte Außenmembran eingefaltete Innenmembran: Christae

31 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)

32 Pflanzliche Zelle

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

34 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

35 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

36 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

37 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.

38 Ribosomen

39 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)

40 Endoplasmatisches Reticulum (ER)
Proteinbiosynthese am rER: 1. Transmembranproteine 2. lysosomale Proteine 3. exportable Proteine alle anderen Proteine: an freien Ribosomen

41 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.

42 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

43 Von Biomembranen umschlossene Organellen:
Kernmembran – ER – Golgi – Lysosomen – Endozytose- und Exozytosevesikel Mitochondrien, Chloroplasten/Plastiden Peroxisomen

44 Endoplasmatisches Reticulum (ER)

45 Endoplasmatisches Reticulum (ER)
sER rER

46 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

47 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

48 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.

49 Golgi-Apparat

50 Golgi-Apparat

51 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)

52 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.

53 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

54 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.

55 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

56 Zytoskelett Zellteilung: Aufteilung der Chromosomen, Spindelfasern

57 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

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59 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 % 6 % 22 % 12 % 3 % 2 % 1 %