Skript
Werbung
Vorlesung „ Allgemeine Biologie“ 1. Einführung 2. Biomembranen und Stofftransport durch Membranen 3. Zellkern, DNA und Chromosomen Replikation und Transkription der DNA 4. Ribosomen und Proteinbiosynthese 5. Eukaryotische Zellorganellen und ihre Funktionen (ER, Golgi-Apparat, Vesikel/Vakuole, Mitochondrien, Chloroplasten, Cytoskelett) 6. Zellwand, extrazelluläre Matrix und Zellverbindungen 7. Viren 8. Vermehrung von Zellen Zellzyklus, Mitose und Meiose Literatur (Auswahl) Plattner u. Hentschel: Taschenbuch der Zellbiologie; Thieme Verlag. Libbert, E.: Allgemeine Biologie; UTB, Gustav Fischer Verlag. Campbell: Biologie; Pearson Studium Munk, K.: Grundstudium Biologie; Biochemie, Zellbiologie, Ökologie, Evolution; Spektrum Akademischer Verlag. Alberts et. al. Lehrbuch der molekularen Zellbiologie WILEY-VCH Verlag dtv-Atlas Biologie: Band 1, Deutscher Taschenbuch Verlag. 1.Geschichtliche Eckpunkte der Zellbiologie (Cytologie) 1590 Johannes und Zacharias Jansen: Erfindung des Mikroskops 1665 Robert Hooke prägt den Begriff der Zelle; untersuchte Flaschenkork, sowie Gewebe des Farns und des Sonnentaus um 1680 Antony van Leeuwenhoek Beobachtung von lebenden Zellen: Protozoen im Wasser, Bakterien der Mundschleimhaut, Darmbakterien, rote Blutkörperchen, Spermatozoen 1838 Mathias Schleiden und Theodor Schwann Die „cellulae“ von pflanzlichem Kork Begründer der Zelltheorie; Erkenntnis, gewebe. Abbildung aus der dass tierisches und pflanzliches Mikrographia von R Hooke (1665) Gewebe aus Zellen besteht 1831: Robert Brown: Entdeckung des Zellkerns 1839: Erste Beschreibung des Protoplasmas 1855: Rudolf Virchow : Erkenntnis , dass Zellen nur aus Zellen entstehen; erste Beobachtung einer Zellteilung 1860: Louis Pasteur: Widerlegung der Urzeugungslehre (Lebewesen gehen aus nicht lebenden Stoffen hervor) 1931: Entwicklung des Elektronenmikroskops Entdeckung der Mitochondrien als „atmungsaktive Partikelfraktion“, später dann Aufklärung der Zellatmung (Hans Krebs) 1940: Entwicklung der Ultrazentrifuge (Zellfraktionierung) 40iger Jahre: Erwin Chagraff: Aufbau der DNA aus Nukleotiden 1953 D. Watson und H.C. Crick: Modell der DNA Doppelhelix 70iger Jahre: Aaron Klug: DNA-Proteinkomplex der Chromosomen 1972 S.J. Singer und G.L. Nicolson: Flüssig-Mosaik Modell der Biomembranen 2. Definition und Grundaufbau von Zellen Definition der Zelle • kleinste Einheit der Struktur • kleinste Einheit der Vermehrung • kleinste Einheit der Funktion des Lebendigen (alle Grundfunktionen des Lebens sind vorhanden) Unterscheidung von Zellen aller Lebewesen in 2 Grundtypen Prokaryotenzellen (Procyte) → besitzen keinen Zellkern „pro“ = griechisch für „vor“ „karyon“ = griechisch für „Kern“ → Bacteria, Archaeen Eukaryotenzellen (Eucyte) → besitzen einen Zellkern „ eu“ = griechisch für „echt“ → Pflanzen, Tiere, … Phylogenetischer Stammbaum Größe und Formen von Zellen Bakterienzellen: meist 0,2 bis 3 µm ( bis 10 µm) Pflanzenzellen meist 10 bis 100 µm Tierzellen meist 8 bis 20 µm • Eucytische Zellen können auch wesentlich größer sein (cm bis m) • Zellen sind vielgestaltig • Bei eucytischen Zellen zeigt sich eine Anpassung der Zellform an ihre spezifischen Funktionen Bakterienzellen Coccen, Stäbchen und Spirillen Beispiele für Pflanzenzellen Zellen der Zwiebelhaut Zellen von Grünlagen Querschnitt durch einen Spross Siebröhre: Zelle der Leitbündel Wurzelhaare Beispiele für tierische Zellen Weiße (links) und rote Blutkörperchen (rechts) Seezellen des Insektenauges Bindegewebszellen Nervenzelle Nervenzelle Grundaufbau der prokaryotischen Zelle Grundaufbau der tierischen (links) und der pflanzlichen Zelle (rechts) 3. Untersuchung von Zellen Lichtmikroskop Vergrößerung durch die Linsen des Objektivs und des Okulars Vergrößerung Mikroskop = Vergrößerung Objektiv x Vergrößerung Okular Auflösungsvermögen Mindestabstand zweier Punkte, die gerade noch als getrennte Punkte wiedergegeben werden Mikroskopische Aufnahmen einer Paramecium-Zelle (Pantoffeltier) oben links: Hellfeld-Aufnahme nach Anfärben Unten links: Phasenkontrast-Aufnahme Oben rechts: Differential - Interferenzkontrast - Aufnahme Größenbereiche von Zellen und Zellorganellen Das Elektronenmikroskop (EM) Transmissions - Elektronenmikroskop Elektronenstrahl und Elektromagnetische Linsen Auflösung: 0,1 nm bei biologischen Strukturen: ca. 2 nm Präparation: • chemische Fixierung mit Aldehyden • Fixierung und Kontrastierung mit OsO4 • entwässern mit Aceton oder Ethanol • Einbettung in Kunstharz und Polymerisation • Schneiden von ultradünnen Schichten (50-100 nm) • Kontrastierung mit Uranyl- und Bleilösungen Raster- Elektronenmikroskop • hat eine 10fach geringere Auflösung • dient der Untersuchung von Oberflächenstrukturen • Einbettung in Kunstharz und Herstellung von dünnen Schichten ist nicht notwendig • Belegung der Oberfläche mit einer leitenden Metallschicht Zelle aus der Luftröhre Zellfraktionierung • dient der Trennung von Zellbestandteilen bzw. Zellorganellen • mittels Ultrazentrifuge (bis 1.000.000g) Molekulare Bausteine der Zelle Chemische Zusammensetzung einer tierischen Zelle 3. Biochemische Grundlagen 3.1 Kohlenhydrate Monosaccharide (Einfachzucker) unterscheiden sich durch die Länge der C-Kette, die Stellung der Carbonylgruppe und die Anordnung der Hydroxylgruppen Ringform der Glukose Die durch den Ringschluss neu entstandene Hydroxylgruppe ist besonders reaktiv glykosidische Hydroxylgruppe Die wichtigsten Monosaccharide und ihr Vorkommen Glykosidische Bindung Der Ringschluss der Glukose führt je nach Lage der glykosidischen Hydroxylgruppe zur α- oder β-Glukose α- Glukose bildet das Disaccharid Maltose; β-Glukose das Disaccharid Cellobiose! Die wichtigsten Disaccharide und ihr Vorkommen Oligosaccharide bestehen aus 2 bis 10 Monosacchariden (Disaccharide, Trisaccharide, ..) Polysaccharide: bestehen aus > 10 bis mehreren 1000 Monosacchariden Reservepolysaccharide: Stärke und Glykogen Strukturpolysaccharide: Cellulose, Hemicellulose, Pektin, Chitin Baumaterial zur Bildung von Stütz- und Gerüststrukturen Stärke besteht zu ca. 20% aus Amylose und zu ca. 80 % aus Amylopektin Amylopektion (Auschnitt) Amylose: Amylopektin: unverzweigt, besteht aus 200- bis 300 Glukosemolekülen, wasserlöslich verzweigt durch zusätzliche 1,6 Bindungen, höhere Molmasse, unlöslich Molekularer Aufbau von Stärke und Cellulose Die wichtigsten Polysaccharide und ihr Vorkommen 3.2 Aminosäuren und Proteine Aminosäuren leiten sich von den org. Säuren ab und tragen eine Carboxylgruppe und eine Aminogruppe Prototyp einer Aminosäure H Aminoessigsäure Glycin (Gly) innermolekularer Protonenübergang Beispiele für Aminosäuren Peptidbindung Je nach Anzahl der Aminosäuren spricht man von: • Dipeptiden •Tripeptiden, … • Polypeptiden • Proteinen Primärstruktur eines Proteins (hier Enzym Lysozym) Aminosäuresequenz Sekundärstruktur eines Poteins Windung oder Faltung eines Proteins durch Bildung von Wasserstoffbrücken entlang des Polypeptidrückgrats Tertiärstruktur eines Proteins Faltung der Peptidkette durch Bindungen zwischen den Seitenketten Quartärstruktur eines Proteins Mehrere Proteine in Tertiärstruktur lagern sich zu einem Molekül zusammen Das Faserprotein Kollagen setzt sich aus 3 helikalen Polypeptiden zusammen Hämoglobin ist ein globuläres Protein aus vier Polypeptiden Funktionen von Proteinen • Enzymproteine → Stoffwechsel • Strukturproteine: z.B. Kollagen, Keratin → Aufbau von Zellbestandteilen und Geweben • kontraktile Proteine: Myosin (Muskelzellen) → Bewegung • Reserveproteine: z.B. Casein (Milcheiweiß) • Hormonelle Proteine: (z.B. Insulin) • Schutzproteine: → Antikörper • Transportproteine: Membranproteine, Hämoglobin • Rezeptorproteine: z.B. Membranproteine der Nervenzellen 3.3 Lipide → Fette und fettähnliche Substanzen 1. Fette Ester aus Glycerin und Fettsäuren (Triglyceride) → Speicherstoff, Schutzfunktion und Isolierung 2. Phospholipide → Bausteine der Biomembranen 3. Steroide → Cholesterin: Baustein der Membranen viele Vitamine und Hormone 4. Wachse Fette Fette unterscheiden sich in der Art der geb. Fettsäuren: • Länge der C-Kette (meist 16C oder 18C) • gesättigte oder ungesättigte Fettsäuren • bei ungesättigten FS: Anzahl und Lage der Doppelbindungen Struktur eines Phospholipids Phosphatidylcholin/ Lecithin Steroide Cholesterin Ausgangsmolekül für die Synthese anderer Steroide. Enzyme Exergonische Reaktion Katalase 6 H2O2 6 H2 O + 3 O2 + Energie Enzyme sind Biokatalysatoren. Sie beschleunigen den Ablauf einer Reaktion, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Ablauf einer enzymatischen Reaktion Enzyme sind Proteine mit charakteristischer Faltung Sie verfügen über ein aktives Zentrum (Tasche oder Falte), in dem die Substrate spezifisch gebunden werden Enzyme wirken in kleinsten Mengen. Sie gehen aus der Reaktion unverändert und unverbraucht hervor. Sie wirken substrat- und reaktionsspezifisch Cofaktoren Überbegriff für organische Moleküle oder anorganische Ionen, die für die Funktion von Enzymen notwendig sind. • Nicht-Protein-Stoffe • unterliegen bei der enzymatischen Reaktion einer Veränderung Cofaktoren sind • . Metallionen wie z. B. Cu2+, Fe3+, Co2+, Zn2+ • Coenzyme: niedermolekulaes organisches Molekül die lose (für die Dauer der Reaktion) an ein Enzym binden • prosthetische Gruppen permanente Bestandteile von Enzymen 4. Grundlagen zum Stoffwechsel Exergonische Reaktionen = Energie abgebende Reaktionen Zellatmung (Dissimilation) C6H12O6 + 6 O2 → 6 C02 + 6 H20 + 2875 kJ Endergonische Reaktionen = Energie verbrauchende Reaktionen z.B. Synthese von Proteinen, Fetten, Nukleinsäuren etc. Im Stoffwechsel müssen exergonische Reaktionen stattfinden, damit Energie für endergonische Reaktionen zur Verfügung steht Energieübertragung durch ATP ! Molekularer Aufbau des ATP Nomenklatur Nukleotid: Molekül aus Pentose, Base und Phosphat Nukleosid: Molekül aus Pentose und Base Hier: Nukleosid: Ribose und Adenin = Adenosin Nukleotid: Adenosinmonophosphat (AMP) Regeneration von ATP durch Phosphorylierung (Übertragung eines Phosphatrestes auf ein Molekül) ATP wird in der Zelle für jede Art von „Arbeit“ verwendet • Chemische Arbeit Antreiben von endergonischen Reaktionen • Mechanische Arbeit Bewegung z.B. Muskelarbeit • Transportarbeit Aufnahme von Ionen oder Molekülen gegen ein Konzentrationsgefälle Kapitel 2 Biomembranen und Stofftransport durch Membranen • Prokaryoten verfügen nur über eine Membran, die Plasmamembran • Eukaryoten haben zusätzlich zur Plasmamembran Endomembranen Kompartimentierung der Zelle Abgrenzung von Reaktionsräumen (Zellorganellen) • • • Der Grundaufbau aller Membranen ist gleich („unit membrane“, „Einheitsmembran“) Sie haben ein Dicke von durchschnittlich 7,5 nm Sie bestehen hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen Höher geordnete Strukturen amphiphiler Lipide Lipiddoppelschichten neigen zum Zusammenschluss Lipiddoppelschichten sind „selbstreparierend“ Membranlipide • Phospholipide (stellen den größten Anteil der Membranlipide; besitzen Phosphorylgruppen als hydrophile Kopfgruppen) • Glykolipide (besitzen Kohlenhydrate als hydrophile Kopfgruppe) • Sterole (charakteristisch für eukaryotische Membranen) • Hopanoide (nur bei Prokaryoten) • Isoprenoidlipide (bei Prokaryoten weit verbreitet) • Etherlipide (bei einigen Prokaryoten) • Lipopolysaccharide (Moleküle mit einem Lipid und einem Polysaccharidanteil, kommen ausschließlich in der äußeren Membran gramnegativer Bakterien vor, toxische Wirkung) Aufbau der Zellmembran Flüssig-Mosaik Modell nach Singer und Nicolson Plasmamembran einer tierischen Zelle Fluidität der Lipiddoppelschicht • laterale Diffusion seitliche Beweglichkeit von Lipiden und Proteinen innerhalb der Membran • Rotationsdiffusion Bewegung von Lipiden und Proteinen um deren Längsachse • Transversale Diffusion (Flip-Flop) bei Lipiden selten, bei Proteinen bisher nicht nachgewiesen • Verbiegung der Kohlenwasserstoffketten der Lipide Die Fluidität der Membran ist abhängig von: 1. Temperatur hohe Temperaturen erhöhen die Fluidität Niedrige Temperaturen erzeugen einen parakristallinen Zustand (Gelphase) 2. Lipidzusammensetzung je kürzer die Kohlenwasserstoffkette und je höher der Anteil an ungesättigten Fettsäuren um so höher ist die Fluidität Sterole vermindern die Fluidität und stabilisieren die Membran. Bei tiefen Temperaturen verhindern sie die Kristallisierung der Kohlenwasserstoffreste und damit die Ausbildung einer festen Gelphase Bei Prokaryoten dienen Hopanoide der Stabilisierung Die Lipiddoppelschicht ist asymetrisch • Die beiden Schichten haben eine unterschiedliche Lipidzusammensetzung • Membranproteine sind in der Membran unterschiedlich orientiert Glykolipide Phospholipide Phosphatidylcholin Sphingomyelin Phosphatidylserin Phosphatidylinositol Phosphatidylethanolamin Cholesterin • Glykolipide kommen ausschließlich in der äußeren Lipidschicht vor • Phospholipide sind immer asymetrisch verteilt • Sterole sind auf beiden Seiten gleichmäßig verteilt Proteine der Membran • unregelmäßig in der Membran verteilt (Mosaikstruktur) • Integrale Proteine (Abb. A und B): stecken in der Membran oder durchspannen sie (Transmembranproteine) → einheitliche Orientierung • Periphere Proteine (Abb. C und D): sind an der Oberfläche gebunden (an Lipid oder Protein) Funktionen von Membranproteinen • Jede Membran hat die ihrer Funktion entsprechende charakteristische Proteinausstattung • Der Anteil an Proteinen und Lipiden kann in den verschiedenen Membranen stark variieren • Reich an Proteinen ist die Innenmembranen der Chloroplasten und der Mitochondrien, sowie die Plasmamembran der Prokaryoten Die Glykokalyx - Membrangebundene Kohlenhydrate• verzweigte Oligosaccharide mit weniger als 15 Zuckerbausteinen • sind an Proteine oder Lipide gebunden (Glycolipide, Glycoproteine) • kommt bei eukaryotischen Zellen vor und ist bei tierischen Zellen sehr dicht • dient der Zell-Zell- Erkennung Durchlässigkeit der Lipiddoppelschicht ungeladene Moleküle diffundieren schnell polare Moleküle diffundieren ebenfalls schnell, wenn sie klein sind für große ungeladene Moleküle, polare Moleküle und Ionen ist die Lipiddoppelschicht nahezu undurchlässig Formen des Stofftransportes durch die Membran 1. Passiver Transport entlang eines elektrochemischen Gradienten ohne Energie • • • Diffusion (abhängig von Lipophilität und Größe) Osmose (Aufnahme und Abgabe von Wasser) erleichterte Diffusion (mit Hilfe von Transportproteinen) 2. Aktiver Transport gegen einen elektrochemischen Gradienten verbraucht Energie • Ionenpumpen (ATP geriebene Pumpe, Lichtgetriebene Pumpe nur bei einigen Bakterien) • Cotransport (gekoppelter Transport) Diffusion Jede Substanz diffundiert entlang seines eigenen Konzentrationsgefälles Osmose • Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran • sie erfolgt immer von hypotonisch zu hypertonisch Wasserausgleich bei Zellen mit und ohne Zellwand Osmoseregulation: Tierische Zellen können an ein hypotonisches Milieu angepasst sein z.B. Pantoffeltier (kontraktile Vakuole, Membran, die für Wasser schwerer durchlässig ist). Pflanzenzellen: Turgordruck = Gewebespannung (Druck, der von innen auf die Zellwand wirkt) Erleichterte Diffusion mit Hilfe von Kanalproteinen und Carriern Transportproteine sind meistens Polypeptidketten, die als α-Helix, die Membran mehrfach durchziehen. Unterscheiden vor allem nach Größe und Ladung Transportieren nur Moleküle, die an die Bindungsstelle passen Der Transport erfolgt in beide Richtungen gleich gut und ist abhängig vom elektrochemischen Gradienten Breite des Pfeils= Stärke des elektrochemischen Gradienten Der elektrochemische Gradient setzt sich zusammen aus dem Konzentrationsgradienten und dem Membranpotenzial (Spannung zwischen innen und außen) A. nur Konzentrationsgradient B. Konzentrationsgradient und Membranpotenzial wirken in eine Richtung C. Membranpotenzial verringert die Antriebskräfte des Konzentrationsgradienten Aktiver Transport • Der aktive Transport erfolgt gegen einen elektrochemischen Gradienten und benötigt Energie • Die Formen des aktiven Transportes unterscheiden sich in der Art der verwendeten Energie Cotransport nur bei einigen Bakterien Carrier-Proteine können gelöste Stoffe auf verschiedene Weise transportieren Ionenpumpen Na+ - K+ - Pumpe von tierischen Zellen Ca 2+ - Pumpen bei eukaryotischen Zellen • zum Aufbau des Membranpotenzials • zur Änderung der Aktivität von Zellbestandteilen Protonen-Pumpen • zum Aufbau des Membranpotenzials • zur Aufnahme von Nährstoffen Cotransport durch gekoppelte Carrier Ionen fließen mit dem Konzentrationsgefälle „bergab“ und nehmen dabei ein anderes Molekül „ bergauf“ mit Beispiele: Pflanzen nehmen so Saccharose in die Zellen der Leitbündel auf Tierische Zellen nutzen den Na+ - Gradienten, um Stoffe aufzunehmen Glukose – Carrier –Typen bei Darmepithelzellen Glukose wird bei den Darmepithelzellen durch Na+ getriebenen Symport aufgenommen. Die Weitergabe der Glukose erfolgt an der dem Darmlumen abgewandten Seite im passiven Transport durch Glukose-Uniporter Transport von Makromolekülen und partikulären Substanzen Formen der Endocytose Kapitel 3 Zellkern, DNA und Chromosomen, Replikation und Transkription der DNA Eukaryotische Zellen: haben einen Zellkern (Nucleus, Karyon) Prokaryotische Zellen: haben keinen Zellkern; ringförmige DNA liegt frei im Cytoplasma Nucleoid, Kernäquivalent, „prokaryotisches Chromosom“ Plasmide (kurze ringförmige DNA) Bestandteile des Zellkerns • Kernhülle (Doppelmembran) mit Kernlamina und Kernporen • Chromatin (Komplex aus DNA und Proteinen) • Kernplasma • Nucleolus/ Nucleoli Nukleinsäuren Desoxyribonukleinsäure DNA Ribonukleinsäure RNA Bausteine der Nukleinsäuren sind die Nukleotide Ein Nukleotid ist ein Molekül aus: • Pentose: Ribose oder Desoxyribose • Phosphat: (über Esterbindung an C5 der Pentose gebunden) • N-Base: Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin, Uracil N-glykosidische Bindung an C1 der Pentose Nukleinsäuren der DNA • bilden einen Doppelstrang durch Basenpaarungen („Strickleiter-Modell“) • Windung zu einer Doppelhelix WasserstoffbrückenBindungen zwischen den Basen Struktur der DNA • Verknüpfung der Nukleotide zu Ketten. Pentose und Phosphat bilden die Kette, N-Basen stehen seitlich ab • Bildung eines Doppelstranges mit den Basenpaarungen Adenin - Thymin Guanin - Cytosin Bindung der Basen über Wasserstoffbrücken • Bildung der Doppelhelix Model nach Watson und Crick Ribonukleinsäure (RNA) • • • Pentose ist die Ribose Base Uracil statt Thymin ist in der Regel einstrangig Formen der RNA: • mRNA: messenger RNA überträgt die genetischen Informationen von der DNA zu den Orten der Proteinsynthese • tRNA: transfer-RNA transportiert die Aminosäuren zu den Orten der Proteinsynthese • rRNA: ribosomale RNA Bausteine der Ribosomen Zellkerne in einem teilungsaktiven pflanzlichen Gewebe: In einzelnen Zellkernen(zk) sind entweder ein Nucleolus (nu) und heterochromatische Bereiche (hc) oder in anderen Kernen Chromosomen (ch) in verschiedenen Stadien der Kondensation zu sehen. Chromatin • • DNA-haltige Komponente des Zellkerns Komplex aus DNA und Proteinen Zustandsformen des Chromatins Mitose: Chromosomen kondensierte (verdichtete) Transportform des Chromatins Interphase: aufgelockert, wenig verdichtet Euchromatin (hell) stark aufgelockerte aktive Abschnitte Heterochromatin (dunkel) stärker verdichtete inaktive Abschnitte Proteine des Chromatins 1. Histone (basische Proteine) stellen den überwiegenden Anteil DNA-Organisation Regulation der Transkription 2. Nicht-Histon-Proteine vor allem Enzyme für Replikation und Transkription Chromatin aus einem Zellkern in der Interphase Aufgelockerte Form der Chromatinfaser (30 nm) Experimentell dekondensierte Struktur der Chromatinfaser (Nucleosom-Struktur) Kondensierte Struktur der eukaryotischen Chromosomen Linker-DNA Nucleosome bilden die „Perlenkette“: 8 Histone (je zwei Moleküle des Histons H2a, H2b, H3 und H4) bilden ein Histon-Oktamer, um den sich der DNA-Faden wickelt Verdrillung unter Beteiligung des Histons H1 („Zickzackmodell“) Chromatinfaser ist in Schleifen gelegt Weitere Verdrillung um mindestens eine weitere Stufe („Supertwist“) Prokaryoten haben nur „nackte“ DNA ohne Nucleosom-Struktur! Eukaryotisches Chromosom Chromosomensatz der Zelle Die Anzahl der Chromosomen einer Zelle ist artkonstant Körperzellen: Keimzellen (Gameten): diploid, Chromosomensatz 2n ( Mensch 2n = 46) Zellen enthalten von jedem Chromosom ein Paar homologe Chromosomen haploid, Chromosomensatz n (Mensch n= 23) Karyogramm von menschlichen Chromosomen Charakteristische Bandmuster menschlicher Chromosomen Prokaryoten haben keine Nucleoli ! Kernhülle Membranen • Doppelmembran • Äußere Membran steht mit der Membran des ER in Verbindung Perinucleärer Spalt (Raum zwischen beiden Membranen) • steht direkt mit dem Lumen des ER in Verbindung Kernlamina • Proteinnetzwerk, das der Innenmembran zur nucleoplasmatischen Seite angelagert ist; dient der mechanischen Stabilität der Kernhülle Kernporenkomplex • kompliziert gebaute Durchlässe Aufbau der Kernporenkomplexe EM-Aufnahme der Kernhülle mit Kernporenkomplexen EM-Aufnahme (Aufsicht auf Kernporenkomplexe) DNA-Replikation / Identische Reduplikation Ursprungsorte der Replikation Prokaryoten haben nur einen Replikationsursprung, Eukaryoten eine Vielzahl • Entwindung des DNA-Doppelstranges durch Helikase • Stabilisierung durch Einzelstrang bindende Proteine • Anlagerung eines Nucleosid-Triphosphates (Hydrolyse der Bindungen zwischen den Phosphatgruppen liefert die Energie) • DNA-Polymerase katalysiert die Verknüpfung (Elongation des DNA-Stranges) Gepaarte DNA-Stränge sind antiparallel Die 5´-3´-Richtung des einen DNA-Strangs verläuft entgegengesetzt zu der des anderen Strangs. Synthese des Leitstrangs und des Folgestrangs bei Der DNA-Replikation. Primer starten die DNA-Synthese Die DNA-Polymerase kann nur an das 3´er Ende eines bereits begonnen Strangs weitere Nukleotide anheften. Deshalb wird zunächst ein Primer aus RNA-Nukleotiden (Oligonukleotid) von dem Enzym Primase (RNA-Polymerase) synthetisiert Zusammenfassung der DNA-Replikation DNA-Reparaturmechanismen • Korrekturlesen direkt nach der Synthese durch DNA-Polymerase (läuft bei E.coli rückwärts) • Korrektur durch weitere DNAReparaturenzyme (100 bei E.coli) möglich Beispiel rechts: Reparatursystem zur Beseitigung von UV-Schäden (Haut) Das Endlückenproblem bei der DNA-Replikation Am 5´er Ende des Leistrangs bleibt eine Lücke, da der Primer nicht durch DNANukleotide ersetzt werden kann Bei Eukaryoten können die Telomere durch die Telomerase Verlängert werden Transkription und Translation des genetischen Codes Der genetische Code Eine Einheit aus 3 Basen (Basentriplett) liefert den Code für eine Aminosäure Die Abb. zeigt den genetischen Code ausgehend von der mRNA Aminosäuren: Phenylalanin, Leucin, Isoleucin, Valin Serin, Prolin, Threonin, Alanin, Histidin, Glutamin, Asparagin, Lysin Glutaminsäure, Cystein, Arginin, Glycin, Methionin, Thyrosin, Aspagaginsäure, Tryptophan Transkription • durch die Transkription werden alle Formen der RNA gebildet (mRNA, tRNA, rRNA) • die RNA, die die genetische Information für ein Protein enthält, wird als mRNA bezeichnet. • die Transkription erfolgt analog zur DNA-Synthese durch Anlagerung von Nukleosid-Triphosphaten • Enzym: RNA- Polymerase Prokaryoten: besitzen nur einen Typ der RNA-Polymerase Eukaryoten: RNA-Polymerase I, II und III für die verschiedenen Formen der RNA • Transkription findet nur an einem Strang statt • RNA wird nur in 5´-3´Richtung synthetisiert • an einem DNA-Molekül können gleichzeitig mehrere RNA-Moleküle gebildet werden Initiation der Transkription (hier bei Eukaryoten) • am Promotor (bei Eukaryoten Sequenz aus ca. 100 Nukleotiden bestehend aus TATA-Box, Bindungsstelle für RNA-Polymerase und Startpunkt) • Transkriptionsfaktor bindet an TATA-Box (ca. 25 Nukleotide aus Thymin und Adenin Basen) • RNA Polymerase II erkennt den Transkriptionsfaktor und bindet an der Initiationsregion • RNA-Polymerase bindet weitere Transkriptionsfaktoren • DNA Polymerase trennt die DNA-Stränge Elongation des RNA-Strangs und Termination der Transkription RNA-Prozessierung bei Eukaryoten Bei der im Zellkern gebildeten mRNA handelt es sich um eine prä-mRNA, die durch RNA-Prozessierung noch einmal verändert wird 1. An beiden Enden werden weitere Nukleotide angehängt • 5´-Kappe: Schutz vor enzym. Abbau, dient als Signal für das Andocken der kleineren Ribosomenuntereinheit • Poly(A)-Schwanz: Schutz vor enzym . Abbau, fördert den Export der mRNA aus dem Zellkern, hilft wahrscheinlich beim Andocken an ein Ribosom 2. RNA-Spleißen Introns (nicht codierende Abschnitte) werden herausgeschnitten, so dass die fertige mRNA nur noch die Exons (codierende Abschnitte) enthält Kapitel 4 Ribosomen und Proteinbiosynthese Ribosomen • sind die Orte der Proteinbiosynthese • Vorkommen: frei im Cytolasma; bei Eukaryoten auch gebunden am ER und der Kernhülle, sowie in Mitochondrien und Chloroplasten • bestehen aus rRNA und Proteinen • kommen auch als Polysomen/Polyribosomen vor (als Kette am mRNA-Faden) Eukaryotische Ribosomen: Frei und an Membranen des ER gebunden Ribosomen von Escherichia coli: Balken = 100 nm; 3 Pfeile= 70 S Ribosom; 2 Pfeile = 50 S Untereinheit, 1 Pfeil = 30 S Untereinheit Pro- und eukaryotische Ribosomen Translation Übersetzung der genetischen Information der mRNA in eine Aminosäuresequenz • mRNA dient als Matrize • tRNA (Transfer-RNA) transportiert die Aminosäuren zu den Ribosomen • Enzym: Aminoacyl-tRNA-Synthetase bindet AS an tRNA (ATP!) • Ribosomen: Orte der Proteinsynthese, enthalten Bindungsstellen für mRNA und tRNA Struktur der tRNA • besteht aus ca. 70 bis 100 Nukleotiden • Kleeblattstruktur mit Schleifenbildung • enthält teilweise Basenpaarungen • neben den Basen A,U, G und C kommen auch “ungewöhnliche” Basen vor (z.B. Pseudouracil, Inosin und methylierte Basen). • die Aminosäure wird am 3´er Ende (ACC) gebunden (an Ribose des letzten Nukleotids) • mit Anticodon dockt tRNA an mRNA an Das Wobble-Prinzip Die dritte Base muss nicht immer genau zum Anticodon passen. Durch den degenerierten Code wird eine Aminosäure durch mehrere Basentripletts codiert. Alanin wird z.B. durch 4 Codons codiert (GCU, GCC, GCA und GCG). Durch die Wobbel-Paarung kann die tRNA mit dem Anticodon CGG an allen 4 Codons binden. Aminoacyl-tRNA-Synthetase • verbindet eine tRNA mit der passenden Aminosäure • geschieht unter Verbrauch von ATP •durch Bindung an tRNA entsteht eine Aminoacyl-tRNA Carboxylgruppe der Aminosäure reagiert mit Ribose (über C3) des letzten Nukleotids der tRNA am 3´-Ende Bindungsstellen eines Ribosoms Initiation der Translation Die Transkription beginnt immer am 5´-Ende der mRNA. Dort gibt es eine spezifische Bindungsstelle für die kleine Ribosomenuntereinheit und das Startcodon Benötigt werden GTP und Initiationsfaktoren Elongation der Peptidkette Benötigt werden GTP und Elongationsfaktoren Termination der Translation Anschließend kann das Polypeptid noch modifiziert werden und erhält seine charakteristische Sekundär-, Tertiär- oder auch Quartärstruktur Polyribosomen Freie und membrangebundene Ribosomen • Freie Ribosomen bilden Proteine, die ihre Aufgaben im Grundplasma erfüllen • Membrangebundene Ribosomen bilden Membranproteine oder Sekrete • Signalpeptid aus ca. 20 As bewirkt, dass ein Ribosom an die Membran des ER bindet. Vergleich von Transkription und Translation bei Pro- und Eukaryoten • Initiation der Transkription (Unterschiede in den Sequenzen des Promotors) • Unterschiede bei den RNA-Polymerasen (bei Eukaryoten drei verschiedene, je nach Art der RNA) • Eukaryoten benötigen zusätzlich Transkriptionsfaktoren • Unterschiede bei der Termination der Transkription • Unterschiede im Aufbau der Ribosomen • Transkription und Translation sind bei Eukaryoten räumlich und zeitlich getrennt. Es bildet sich zunächst eine prä-mRNA, die durch RNA- Prozessierung noch einmal verändert wird. Bei Prokaryoten kann die Translation schon während der Transkription beginnen. Transkription und Translation bei eukaryotischen Zellen Kapitel 5 Eukaryotische Zellorganellen und ihre Funktionen Endoplasmatische Retikulum „Innerplasmatisches Netzwerk“ → Endomembranen bilden Zisternen Funktionen des Endoplasmatischen Retikulums 1. Raues ER (mit Ribosomen) • Synthese von Exportproteinen / Glykoproteinen z.B. Insulin bei Zellen der Bauchspeicheldrüse • Synthese der Membranen (Proteine, Phospholipide) 2. Glattes ER (ohne Ribosomen) • Lipidsynthese wie Membranlipide (z.B. Cholesterin), Reservelipide, Steroidhormone • Speicherung von Glykogen in Leberzellen • Abbau von Giften (z.B. Alkohol) • Sarkoplasmatisches Retikulum in Muskelzellen: Speicherung von Ca 2+ Golgi-Apparat → Gesamtheit der Dictyosomen Funktionen des Golgi-Apparates Synthese oder Modifikation von Stoffwechselprodukten, Speicherung und Versand z.B. • Modifikation von Proteinen für die Sekretion • Synthese von Oligo- und Polysacchariden (z.B. Pektin und Hemicellulose der pflanzlichen Zellwand) • Bildung der Membranen (Lipide, Glykokalix) • Neubildung der Cytoplasmamembran (bei Zellteilung von Pflanzenzellen) Vesikel und Vakuolen 1. Vesikel Lysosomen • Funktion: Abbau von aufgenommenen oder zelleigenen Makromolekülen • Inhalt: Enzyme (Hydrolasen) → hydrolytische Spaltung • pH5: → H+ wird aus dem Cytosol in die Lysosome gepumpt Lysosome in einer weißen Blutzelle (Ratte); verdauen z.B. Bakterien und Viren (Heterophagie) Lysosom in einer Leberzelle (Ratte), verdaut Fragment eines Mitochondriums und eines Peroxisoms (Autophagie) Peroxisome (Mikrobodies) • kleine Vesikel • enthalten Oxidasen spalten Wasserstoff von verschiedenen Substraten ab und übertragen ihn auf molekularen Sauerstoff R – H 2 + O2 R + H2O2 bauen z.B. Fettsäuren ab (z.B. in fettreichen Pflanzensamen) ; Peroxisome der Leberzellen bauen Alkohol ab • enthalten Katalase 2H2O2 2 H2O + O2 • Vermehrung durch Teilung 2. Vakuolen • • • Nahrungsvakuole (Phagocytose) kontraktile Vakuole (Osmoseregulation) Pflanzliche Zellsaftvakuole Vakuolenbildung bei Pflanzenzellen A: Embryonale Zelle B: Zelle im Streckungswachstum C: Zelle nach Abschluss des Streckungswachstums Funktionen der pflanzlichen Zellsaftvakuole 1. Speicher- und Exkretraum • Speicherung von Reservestoffen • Einlagerung von nicht mehr benötigten Stoffwechselprodukten • Gezielte Einlagerung von z.B. - Alkaloiden (z.B. Atropin der Tollkirsche, Morphin und Codein des Schlafmohns, Coffein, Nikotin) - Glykosiden (z.B. Digitalis bei Fingerhutarten, Blausäureglycosid der Mandel) - Farbstoffen (Anthocyane, Flavone) 2. Lysosomaler Raum • Abbau von Makromolekülen 3. Osmotischer Raum • regelt den Quellungszustand (Turgordruck) Mitochondrien enthält in der Matrix: • DNA (ringförmig) • RNA • Ribosomen Funktion: „Kraftwerke der Zelle“ Zellatmung (Dissimilation) Membranen der Mitochondrien Zwischen innerer und äußere Membran liegt der perimitochondriale Raum (Intermembranraum) Äußere Mitochondrienmembran: • • • enthält Cholesterin besteht zu etwa 50 % aus Proteinen (hauptsächlich Porine) ist hoch permeabel Innere Mitochondrienmembran • • • enthält kein Cholesterin besteht zu ca. 80 % aus Proteinen (Carrier, Enzyme) ist kaum permeabel Schema des vollständigen aeroben Abbaus der Glukose Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid • ist ein Coenzym • überträgt im reduzierten Zustand (NADH) zwei Elektronen und ein Proton (Reduktionsäquivalent) Ablauf der Glykolyse Die Glykolyse liefert: → 2 Pyruvat, 2 ATP, 2 NADH Die ATP-Bildung erfolgt durch: Substratkettenphosphorylierung Enzym überträgt eine Phosphatgruppe von einem Substrat (hier Metabolit aus dem Abbau der Glukose) auf ADP Oxidative Decarboxylierung des Pyruvats Die oxidative Decarboxylierung liefert 2 Acetyl-CoA, 2 C02, 2 ATP, 2 NADH Citratcyklus Er liefert : 6 NADH 2 FADH2 2 ATP 4 CO2 Atmungskette Sie besteht aus 4 Enzymkomplexen, die in die inneren Membran der Mitochondrien eingelagert sind, und mobilen Redoxmediatoren Elektronen wandern eine Redoxkette bergab und werden so ausgehend von NADH bzw. FADH2 auf O2 übertragen ∆G = 53 kcal/ mol ( = 220kJ/mol) FMN = Flavoprotein (Flavin-Mononucleotid) FE.S = Eisen-Schwefel-Protein Cyt = Cytochrome Q = Ubichinon ATP-Bildung durch oxidative Phosphorylierung (Elektronentransportphosphorylierung) Die frei werdende Energie der Atmungskette wird dazu genutzt, Protonen durch die Membran zu transportieren. Es entsteht ein Protonengradient (protonenmotorische Kraft). Der Protonenrückfluss erfolgt durch einen Kanal der ATP-Synthase. Er liefert die Energie für die ATP-Bildung ATP- Bilanz 38 Mol ATP pro Mol Glukose = 38 x 30,5 kJ = 1159 kJ (Vergleich Glukose: 2875 kJ/Mol) Energieausbeute ca. 40 % !! Gärung ATP Bildung nur durch die Glykolyse (Substratkettenphosphorylierung) Zur Regenerierung von NAD+ werden die Elektronen auf Pyruvat oder je nach Art der Gärung dessen Metabolite übertragen Bei Zellen, die sowohl Zellatmung, wie auch Gärung betreiben können, gibt es ausgehend vom Pyruvat zwei Reaktionswege Verknüpfung der Zellatmung mit anderen Stoffwechselwegen (hier Katabolismus = Stoffabbau) Mitochondrien sind semiautonome Zellorganellen ! • enthalten mt-DNA (max 1 – 5 % der Gesamt-Gene) • Proteine werden durch Translation an den mitochondrialen Ribosomen gebildet. • Da die mt-DNA nur einen geringen Teil der genetischen Informationen enthält, müssen die meisten benötigten Proteine aus dem Cytoplasma importiert werden. Entwicklung von eukaryotischen Zellen Entstehung der Zellorganellen durch Endosymbiose und Invagination der Plasmamembran Plastiden Proplastiden: Vorstufen der Plastiden Chloroplasten: enthalten das Pigment Chlorophyll Funktion: Photosynthese Chromoplasten: enthalten als Pigmente Carotine und Carotinoide Funktion: Farbgebung Leukoplasten: enthalten keine Pigmente, speichern Reservestoffe Amyloplasten: speichern Stärke Chloroplasten (höherer Pflanzen) Auch Chloroplasten sind semiautonom! Biogenese von Chloroplasten Photosynthese ermöglicht eine autotrophe Lebensweise Autotrophe Organismen verwenden CO2 als C-Quelle • Photoautotrophe Organismen nutzen Licht als Energiequelle → Pflanzen, Cyanobakterien • Chemoautotrophe Organismen oxidieren anog. Stoffe → einige Bakterien Heterotrophe Organismen verwenden Org. Substanzen als C-Quelle → Tiere, die meisten Bakterien Lichtenergie 6CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O 6CO2 + 12 H2S C6H12O6 + 12S + 6 H2O Die Pigmente der Photosynthese sind in die Thylakoidmembran der Chloroplasten eingebaut Die Pigmente der Photosynthese sind: • Chlorophyll a • Chlorophyll b • Carotinoide • Xanthophylle Für die Photosynthese wird das sichtbare Licht genutzt. Die Absorptionsspektren der Pigmente unterscheiden sich. Die Pigmente der Photosynthese sind in der Membran in Photosystemen organisiert Ein Photosystem besteht aus: • einem zentralständigen Chlorophyll a Paar • mehreren hundert Hilfspigmenten (akzessorische Pigmente, Lichtsammelkomplex) • einem Elektronenakzeptor Ein Photosystem ist zur Photooxidation befähigt → gibt bei Belichtung ein Elektron ab Die Elektronenabgabe geht nur von dem zentralständigen Chlorophyll a Paar aus. Die akzessorischen Pigmente übertragen die Energie zum Reaktionszentrum Die Photosynthese gliedert sich in zwei Reaktionsphasen 1. Lichtreaktion Absorption von Lichtenergie und Umwandlung in chemische Energie → findet in der Thylakoidmembran statt → Membran enthält die dafür notwendigen Pigmente und Enzyme 2. Dunkelreaktion (CO2 - Assimilation) Synthese von Glukose unter Ausnutzung der gewonnen Energie der Lichtreaktion → findet im Stroma statt; enthält die Enzyme dazu Lichtreaktion Photosystem II • Bildung von ATP (Photophosphorylierung) • Spaltung des Wasser (Photolyse) und Bereitstellung von H+ 2H2O → 4 H+ + 4e- + O2 Photosystem I • Reduktion von NADP+ und Bereitstellung von NADPH für die Dunkelreaktion Zyklischer Elektronentransport Bildung von ATP durch die protonenmotorische Kraft • Die Energie der Elektronentransportkette wird dazu genutzt, Protonen in den Thylakoidinnenraum zu pumpen • Der Rückfluss der Protonen ist mit der ATP-Synthese gekoppelt Dunkelreaktion CO2-Assimilation durch den Calvin-Zyklus Nur 1/6 des G3P dient der Synthese von Glukose! Verbrauch für 1 G3P: 9 ATP, 6 NADH C3- und C4- Pflanzen C3- Pflanzen assimilieren CO2 nur im Calvin-Cyklus C4-Pflanzen haben dem Calvin-Zyklus eine andere Art der C-Fixierung vorgeschaltet Zusammenfassung - Photosynthese - Cytoskelett → Netzwerk aus Proteinstrukturen Komponenten des Cytoskeletts sind: Mikrotubuli: bestehen aus alpha- und beta-Tubulin Durchmesser: ca. 25 nm Mikrofilamente: bestehen aus G-Aktin Durchmesser ca. 6 nm TEM Aufnahme eines Zellausschnitts mit Mikrotubulus und Mikrofilamenten Intermediär-Filamente: bestehen aus verschiedenen Proteinen, Durchmesser ca. 10 nm Sie können nach Bedarf durch Polymerisation und Depolymerisation auf- und abgebaut werden → self-assembly Aufbau von Mikrotubuli In den 13 Protofilamenten eines Mikrotubulus wechseln alpha- und beta-Tubulin ab.. Das Innere bleibt hohl.. Funktionen von Mikrotubuli 1. Herstellung der äußeren Zellform Stabilität der Zelle 2. Vesikeltransport 3. Bildung des Centriols (MTOC bei tierischen Zellen) 4. Bildung der Kernteilungsspindel 5. Bildung von Cilien (Wimpern) und Flagellen (Geißeln) bei Eukaryoten Vesikeltransport Bildung des Centriols • 3 Mikrotubuli bilden ein Triplett • 9 Tripletts bilden einen Ring (9x3 Anordnung) • 2 Centriolen bilden das Centrosom (MTOC von tierischen Zellen) Centrosom mit 2 Centriolen Aufbau der eucytischen Flagellen (Geißeln) und Cilien (Wimpern) • Bildung von Mikrotubuli-Dupletts • Zusammenlagerung von 9 Dupletts zu einem Ring • zwei einzelne Mikrotubuli liegen in der Mitte (Zentraltubuli) • ein Mikrotubulus eines Dupletts ist mit einem Motorprotein (Dynein) verbunden Bewegung bei eukaryotischen Cilien und Geißeln Merke! Die prokaryotische Geißel ist anders aufgebaut ! Das Geißelfilament besteht aus Flagellin Der Geißelhaken ist mit Rotorscheiben verbunden, die in Zellwand und Plasmamembran verankert sind Mikrofilamente Funktionen 1. Kontraktion von Zellbereichen oder ganzen Zellen - Kontraktion von Muskelzellen - Einschnürung der Zelle bei der Zellteilung (tierische Zelle) 2. Plasmaströmung bei Pflanzenzellen 3. Amöboide Bewegung 4. Formgebung der Zelle Kontraktion von Muskelzellen • Ohne ATP bindet Myosin fest am F-Aktin • Bindet ATP löst es sich vom F-Aktin • Wird ATP gespalten, knickt das Köpfchen ab • Bei Anstieg der Ca+-Konzentration bindet das Köpfchen wieder • Bei Ablösung des ADP und P knickt das Köpfchen wieder ein Plasmaströmung und amöboide Bewegung Intermediär-Filamente • setzen sich aus unterschiedlichen Proteinen zusammen • Einteilung in 5 verschiedenen Klassen, die bekanntesten sind die Keratine • dienen meist der mechanischen Festigung z.B. Keratinfilamente der Haut Ausschnitt aus einer Zelle der Darmschleimhaut Mikrovilli (Zellausstülpungen) sind durch Aktinfilamente verstärkt; diese sind an einem Geflecht aus Intermediärfilamenten verankert. Kapitel 6 Zellwand, extrazelluläre Matrix und Zellverbindungen Die pflanzliche Zellwand Funktion: • • Stabilisierung und Festigung des Gewebes verhindert übermäßige Wasseraufnahme (setzt osmotischen Druck einen Wanddruck entgegen) besteht aus: • • • • • Cellulose Hemicellulose Pektin Chitin (nur bei Pilzen) Lignin (bei verholzten Pflanzen) 1,4-Verknüpfung von ß-Glukose Cellulose ist in Form von Mikrofibrillen in der Zellwand eingelagert Hemicellulose: Kurzkettige Polymere aus verschiedenen Pentosen und Hexosen Pektin Polysaccharid aus Galakturonsäure Lignin ist in verholzten Pflanzenteilen eingelagert kleiner Ausschnitt aus dem dreidimensionalen Netzwerk dieses Polymers. Monomere sind Polypropaneinheiten (Coniferylalkohol, Cumarylalkohol, Sinapylalkohol) Chitin • ist in nur in Zellwänden von Pilzen eingelagert • bildet ähnlich wie Cellulose Fibrillen Aufbau der pflanzlichen Zellwand Mittellamelle: besteht hauptsächlich aus Pektin (keine Cellulose) Primärwand: Hauptanteil ist Pektin und Hemicellulose Cellulose ca. 30 % → Streuungsstruktur, Wand ist noch dehnbar Sekundärwand: Hauptanteil Cellulose (> 60 %), Hemicellulose, wenig Pektin → Parallelstruktur, Wand ist nicht mehr dehnbar Tertiärwand (Außenlamelle): reich an Pektin und Hemicellulose nicht immer ausgebildet Zusätzliche Wandeinlagerungen Lignin: verdrängt Grundsubstanz (Pektin und Hemicellulose) → Verholzen Cutin (Wachs): bei Zellen der Kutikula → verhindert Wasserverlust Suberin (Kork): bei Zellen der Baumrinde Plasmodesmen Zellverbindungen bei Pflanzenzellen Die bakterielle Zellwand • • • Funktion: Formgebung, Stabilisierung und Schutz Aufbau ist nicht immer gleich! Baustein der Zellwand der Bacteria ist das Murein (Peptidoglycan) hochpolymeres Molekül aus Polysacchariden und Peptiden Murein-Sacculus Unterteilung der Bacteria nach der Gramfärbung Mikroskopische Aufnahme gramgefärbter Bacteria, die grampositiv (blau-violett) und gramnegativ (rosa-rot) sind. Zellwandaufbau grampositiver und gramnegativer Bakterien Wirkung von Lysozym und Penicillin auf die bakterielle Zellwand Lysozym (Enzym z.B. im Schweiß, Speichel) • hydrolysiert die Polysaccharidketten des Peptidoglykan spaltet die β-1,4-glykosidischen Bindungen des Peptidoglykan • Penicillin verhindert bei der Bildung des Mureins die Vernetzung der Polysaccharidketten durch Peptide. Es wirkt hauptsächlich gegen Gram-positive Bakterien Extrazelluläre Matrix von tierischen Zellen Die Interzellularsubstanzen werden durch Exocytose ausgeschieden. Sie bestehen aus: • • • Faserproteinen (Kollagen) Matrix aus Proteoglykanen (Molekülkomplexe aus Polypeptiden und Polysacchariden) Verbindungsmolekülen (Fibronektin und Lamenin) Verfestigung der Interzellularsubstanzen durch Einlagerung von • • • • Hydroxylapatit (Knochen) Dentin (Zähne) Calciumcarbonat (Schalen von Schnecken) Chitin (Exoskelett von Arthropoden) Oberflächenstrukturen und Oberflächenrezeptoren bei tierischenZellen 1. Oberflächenstrukturen • Zellausstülpungen - Mikrovilli (Darmepithelzellen) - Geißeln und Wimpern • Glykokalix der Cytoplasmamembran (Glykoproteine und Glykolipide) - Zell-Zell-Erkennung - Zellkontakte - Signalwahrnehmung - Schutzfunktion 2. Oberflächenrezeptoren Bindung von Signalmolekülen (z.B. Hormone, Neurotransmitter, Wachstumsfaktoren) Zellverbindungen / Zell-Zell Kontakte Tight–junction (undurchlässige Zell-Zell-Verbindungen) • Verschlusskontakte (Diffusionsbarriere) bei tierischen Zellen (z.B.Darmepithelzellen) • Membranen stehen durch Transmembranproteine direkt mit einander in Verbindung • Verbindungen ziehen sich gürtelartig um die Zelle tight-junction adherens-junction Tight-junction Desmosom gap-junction Adherens-junction (Haftverbindungen) • • • bei tierischen Zellen (Epithelzellen, Herzmuskel) Transmembranproteine sind an Actinfilamente des Cytoskeletts gebunden Koordination der Bewegung im Zellverband Desmosomen • • • punktförmige Zellverbindungen bei tierischen Zellen Membranproteine sind mit Intermediärfilamenten (Keratin) der Zelle verbunden mechanischen Stabilisierung von Zellverbänden Gap-junctions • • • punktförmige Zellverbindungen bei tierischen Zellen Transmembranproteine bilden Kanäle dienen dem Stoffaustausch zwischen den Zellen (Ionen und kleinere Moleküle) Plasmodesmen • • • direkte cytoplasmatische Verbindungen bei Pflanzenzellen zum Stoffaustausch z. T. vom ER durchzogen Verbindungsproteine zwischen der Cytoplasmamembran lassen einen Stoffaustausch nur von kleinen Molekülen zu Kapitel 7 Viren Viren bestehen aus: • Nukleinsäuren DNA doppelstrangig oder einstrangig RNA doppelstrangig oder einstrangig • Proteinhülle ( Capsid) Bausteine der Capside sind die Capsomere Viren sind: • • • obligate intrazelluläre Parasiten proteinumhüllte Genome ohne eigenen Stoffwechsel wirtsspezifisch Aufbau von Viren Vermehrung von Viren 1. Nach Eintritt in die Zelle benutzt die virale DNA Nukleotide und Enzyme des Wirtes, um sich selbst zu replizieren. 2. Der Virus verwendet Enzyme und Ribosomen des Wirtes, um die DNA zu transkribieren und Capsidproteine herzustellen. 3. Virale DNA und Capsidproteine bauen sich zu neuen Viren zusammen. Lytischer Vermehrungszyklus eines Phagen Lysogener und lytischer Vermehrungszyklus eines Phagen 8. Kapitel Zellvermehrung - Zellzyklus, Mitose und Meiose- Zellteilung bei Prokaryoten Zellzyklus bei Eukaryoten Mitose: Kernteilung Cytokinese: Zellteilung (Teilung des Cytoplasmas) Interphase: Phase zwischen zwei Mitosephasen Mitose Kondensierte Struktur der eukaryotischen Chromosomen Linker-DNA Nucleosome bilden die „Perlenkette“: 8 Histone (je zwei Moleküle des Histons H2a, H2b, H3 und H4) bilden ein Histon-Oktamer, um den sich der DNA-Faden wickelt Verdrillung unter Beteiligung des Histons H1 („Zickzackmodell“) Chromatinfaser ist in Schleifen gelegt Weitere Verdrillung um mindestens eine weitere Stufe („Supertwist“) Prokaryoten haben nur „nackte“ DNA ohne Nucleosom-Struktur! Mitose Mitosespindel in der Metaphase Cytokinese bei Tier- und Pflanzenzellen Mitose-Hemmer 1. 2. Inhibitoren der DNA-Synthese z.B. - Röntgenstrahlen - Senfgas - einige Herbizide Inhibitoren der Spindelbildung - z.B. Colchizin → führt zur Endomitose Nach der Verdoppelung der DNA findet keinen Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen statt (Endomitose). Die Endomitose führt entweder zur Polyploidie oder zur Polytänie Polyploidie Vervielfachung des Chromosomensatzes, dadurch dass sich die Centromere teilen, die Chromosomen aber nicht auf die Tochterzellen verteilt werden. Polytänie Entstehung von Riesenchromosomen, dadurch dass sich die Centromere nicht teilen. Regulation des Zellzyklus Kontrollpunkte regeln, ob der Zellzyklus weiterläuft Auf die Kontrollpunkte wirken - zelleigene Signale - Signale von Außen Restriktionspunkt: Kontrollpunkt der G1-Phase Hier kann die Zelle den Zellzyklus verlassen und in die G0-Phase übergehen. Die molekulare Steuerung des Zellzyklus • durch Proteinkinasen (Enzyme, die andere Proteine durch Phosphorylierung aktivieren) • Cykline, aktivieren die Kinasen Cyklin-abhängige- Kinasen (CdK = cyklin dependent kinase) Die durch Cyklin aktivierte Kinase ist hier MPF (= Mitose- PromotorFaktor) MPF bewirkt, dass die Zelle den Kontrollpunkt der G2Phase überwindet und in die Mitose eintritt Steuerung des Zellzyklus am G2-Kontrollpunkt durch MPF Zur Regulation des Zellzyklus tragen innere und äußere Signale bei z.B.: Interne Signale von Kinetochoren • Über den Kontrollpunkt der M-Phase wacht ein Anaphase fördernder Komplex (anaphase promoting complex = APC) • Die Kinetochore sind mit Proteinen assoziiert. Sind die Kinetochore noch nicht mit der Spindelfaser verbunden, setzen diese Proteine einen Signalübertragungsweg in Gang, der APC inaktiviert • Sind die Kinetochore an der Spindel befestigt, wird APC aktiv und die Anaphase beginnt Äußere Signale: Wachstumsfaktoren • Bindegewebszellen teilen sich nur, wenn der Blutplättchen-Wachstumsfaktor (PDGF) vorhanden ist. • In der Nähe einer Verletzungsstelle zerfallen die Blutplättchen und geben PDGF ab. • Fibroblasten tragen PDGF-Rezeptoren. Die Bindung von PDGF ist das Signal, dass zur Anregung der Zellteilung führt. Dichteabhängige Zellteilung Vegetative Vermehrung (ungeschlechtliche Vermehrung) • • durch mitotische Teilung es entstehen Organismen mit gleichem Erbgut Generative Vermehrung (geschlechtliche Vermehrung) • durch Verschmelzung zweier Keimzellen (Gameten) Gameten (Keimzellen) haben nur den haploiden Chromosomensatz ! Eizelle (haploid) Spermazelle (haploid) Zygote (diploid) Meiose: Reduktion des Chromosomensatzes von diploid zu haploid; führt zur Bildung der Gameten Reduktion der Chromosomenzahl in der Meiose Meiose1: Homologe Chromosomen verteilen sich auf zwei haploide Tochterzellen Neukombination der Gene durch Crossing-over Meiose 2: Schwesterchromatiden verteilen sich auf zwei haploide Tochterzellen Vergleich von Mitose und Meiose In der Meiose Neukombination der Gene durch: • crossing-over • durch die zufällige Verteilung der mütterlichen und väterlichen Chromosomen auf die Tochterzellen ( 2n Kombinationsmöglichkeiten)
