Bio I Zelle und Zellstrukturen

Kapitel 7, Zelle und Zellstrukturen
Die Zelle ist die kleinste Einheit, die lebensfähig ist. Es gibt Einzeller und mehrzellige
Lebewesen, welche aus verschiedensten spezialisierten Zellen bestehen. Das
Wichtigste für die Zelle ist die Korrelation zwischen Funktion und Struktur. Sie ist ein
offenes System, das Material mit der Aussenwelt austauscht und auf die Reize und
Veränderungen der Umwelt reagiert.
Zellstudium
Zellen werden mit Mikroskopen studiert. In der Mikroskopie sind 2 Werte wichtig, die
Vergrösserung und die Minimumdistanz, bei welcher 2 Punkte gerade noch
unterscheidbar sind.
1. Lichtmikroskop (LM)
Sichtbares Licht wird durch das Objekt und dann durch Glaslinsen geschickt. Das LM
kann Objekte bis 2 µm erkennen
kleine Bakterien
2. Elektronenmikroskopie (EM)
Die EM trug zu den Fortschritten in der Zellbiologie bei, da Zellorganellen nur mit EM
erkennbar sind. Beim EM wird statt sichtbarem Licht ein Strahl von Elektronen durch
das Objekt geschickt. Die Grenze beim EM liegt theoretisch bei 1 nm, praktisch aber
bei 2 nm.
3. Zellfraktionierung
Sie dient dazu, um Zellorganellen zu trennen, damit ihre Funktionen einzeln studiert
werden können. Dazu werden Zentrifugen verwendet. Die stärkste Zentrifuge ist die
Ultrazentrifuge, die eine Geschwindigkeit von 500'000 *g oder 80'000 Drehungen pro
Minute erreicht. Die Fraktionierung beginnt mit der Homogenisation, der Zerstörung
von Zellen, ohne dass die Organellen beschädigt werden. Diese Methode erlaubt es,
spezifische Komponenten der Zelle in genügender Menge zum Studium zu
gewinnen.
die Fraktionierung wurde wichtig, da bei der Zytologie die Biochemie auch immer
wichtiger wurde
Übersicht der Zellen
Es gibt zwei Grundtypen von Zellen, die Prokaryoten und die Eukaryoten.
Bakterien
Blaualgen
Tiere
Pilze Pflanzen
Alle Lebewesen stammen entweder von den Eukaryoten oder den Prokaryoten ab!
Unterschiede:
Die prokaryotische Zelle hat keinen Zellkern, die DNA liegt im Nucleoid (bestimmte
Region) und wird von keinem Membran abgeschlossen.
Die eukaryotische Zelle hat einen Zellkern, der durch ein Membran abgeschlossen
ist.
Die Masse zwischen dem Zellkern und dem Membran ist das Cytoplasma. Es
besteht aus dem zähflüssigen Cytosol, in welchem sich die Organellen mit
verschiedenen Funktionen und Formen befinden.
fehlen in den meisten
prokaryotischen Zellen
Als Abgrenzung gegen aussen dient das Plasmamembran wie eine selektive
Barriere.
Diese beiden Grundtypen von Zellen unterscheiden sich aber auch in ihrer Grösse,
welche Ausdruck ihrer Funktion ist.
Die kleinsten Zellen sind Bakterien mit 0.1 und 1 µm ∅. Eukaryotische Zellen haben
einen ∅ zwischen 10 und 100 µm. Sie sind im Innern zusätzlich durch spezifische
Doppelschichtmembranen in verschiedene Kompartimente unterteilt.
WIESO SIND ZELLEN SO KLEIN?
Wäre die Zelle gross, so hätte sie zu lange „Transportwege“, da das Cytoplasma zu
weit weg vom Membran wäre. Die Exchangerate wäre zu klein um die Zelle am
Leber zu erhalten. Die Zellgrösse ist funktionsbezogen!
Nucleus und Ribosomen
Der Nucleus besteht zum grössten Teil aus den Genen, welche die eukaryotische
Zelle steuern. Die Kernhülle ist ein Doppelmembran, das mit Poren durchsetzt ist und
den Kern vom Cytoplasma abgrenzt. Die Innenseite der Kernhülle ist mit einer
netzartigen Anordnung von Proteinfilamenten
Kernlamina überzogen, die Poren
ausgenommen. Im Nucleus ist die DNA zusammen mit den Proteinen als Chromatin
vorhanden, welches bei der Zellteilung zu Chromosomen wird. (die Anzahl der
Chromosomen ist typisch für eine Spezies)
Im Kern der Zelle befindet sich auch der Nucleolus, in dem die Bauteile der
Ribosomen synthetisiert werden. Diese gelangen durch die Poren ins Cytoplasma,
wo sie Ribosomen formen. Ausserdem kontrolliert der Kern die Proteinsynthese im
Cytoplasma durch senden von mRNA. An den Ribosomen werden die Proteine
synthetisiert. Es gibt zwei verschiedene Ribosomen:
Freie Ribosomen
sind im Cytosol verteilt
synthetisieren Proteine für im Cytosol
Gebundene Ribosomen
sind an der Aussenseite des Endoplasmatischen
Retikulum (ER) gebunden
synthetisieren Proteine für den Austausch der Zelle,
für innerhalb bestimmte Organellen oder für das
Membran
Freie und gebundene Ribosomen sind strukturell jedoch gleich, d.h. sie sind
auswechselbar!
Das Endomembrane System (ES)
Viele Membrane der eukaryotischen Zelle sind ein Teil des Endomembranen
Systems. Sie sind entweder direkt oder indirekt über Membranvesikel miteinander
verbunden. Zum ES gehören
• Kernhülle
• Endoplasmatisches Retikulum (ER)
• Golgi Apparate
• Lysosome
• Vakuolen
Endoplasmatisches Retikulum (ER):
Das ER ist ein Membranröhrensystem, das die Hälfte der Membranen beinhaltet. Es
besteht aus einem Netzwerk von Gängen und Säcken
Zisternen
Es gibt ....
Glattes ER:
• besitzt keine Ribosomen an der Aussenseite
•
ist an div. Metabolischen Prozessen wie der Synthese von Lipiden oder dem
Metabolismus der Kohlenhydrate beteiligt, wie auch bei der Entgiftung von
Alkohol und Drogen
Bei der Glycogen Hydrolyse in der Leber entfernt ein Enzym (im ER eingebettet)
das Phosphat vom Glucosephosphat, damit dieser Zucker die Zelle verlassen kann.
• ER Membran pumpt CA-Ionen vom Cytosol in die Zisterne. Wird der Muskel
stimuliert, so schiessen die CA-Ionen zurück und bewirken die Kontraktion
...und ...
Rauhes ER:
• Synthetisiert Proteine, indem die entstehende Polypeptidkette aus dem
gebundenen Ribosom in die Zisterne gelang, sich dort faltet
die meisten so entstandenen Proteine sind Glycoproteine und werden
ferngehalten von den Proteinen ausserhalb des ES
• produziert weitere Membrane an der Stelle und indem es Proteine und
Phospholipide hinzufügt
... welche sich in der Struktur und Form unterscheiden.
Golgi Apparate:
Der Golgi Apparat ist der Ort, wo produziert, gelagert, sortiert und versendet wird.
Der Inhalt der Vesikel, welche vom ER kommen, werden modifiziert und gelagert und
zu gegebenem Zeitpunkt weiter geschickt.
Er besteht aus Stapeln von flachen Membransäcken, Zisternen, welche die einzelnen
Räume vom Cytosol abtrennen.
Es gibt eine cis- und trans- Seite.
Cis: ist dem ER zugewandte und vesikelempfangende Seite
Trans: versendet die Vesikel vom Golgi Apparat
Der Golgi Apparat stellt auch Makromoleküle her, wie Polysaccharide. Bevor die
Vesikel entsendet werden, werden sie sortiert und markiert, damit sie ihren Zielort
erreichen.
Lysosome:
Ein Lysosom ist ein Membransack, der hydrolytische Enzyme beinhaltet und zur
Verdauung von Proteinen, Polysaccharide, Fette und Säuren dient. Die Enzyme
arbeiten am Besten bei einem PH = 5. Dieser wird erhalten, indem das Lysosomale
Membran Hydrogenionen vom Cytosol ins Innere des Lysosoms pumpt. Es gibt
verschiedene Arten von intrazellulärer Verdauung, so die Phagocytose (Amöben,
Makrophagen) bei der das Objekt umschlossen wird und die entstandene Vakuole
mit einem Lysosom fusioniert. Bei der Autophagie werden die zelleigenen
Materialien/Baustoffe recycelt.
Vakuolen:
Vakuolen sind auch Membransäcke wie der Vesikel, aber einiges grösser. Es gibt
auch hier verschiedene Typen:
• Essensvakuolen (Phagocytese)
• Kontraktionsvakuolen (Frischwasser Protisten)
• Zentralvakuolen (bei den Pflanzen)
dient zur Speicherung, Abfallentsorgung, Schutz und dem Wachstum, sie wird
abgeschlossen durch den Tonoplast, welcher ein Teil des ES ist.
Andere membranöse Organellen:
Hierzu gehören
• Mitochondrien
• Chloroplasten
• Perixome
Die Mitochondrien und Chloroplasten dienen in der eukaryotischen Zelle zur
Energieherstellung und Umwandlung. In den Mitochondrien findet die Zellatmung
statt, bei der aus Zuckern, Fetten und anderen Materialien mit Hilfe von Sauerstoff
ATP hergestellt wird. Beide Organellen beinhalten eigene DAN, welche die Synthese
von Proteinen durch die eigenen Ribosomen steuert. Mitochondrien und
Chloroplasten sind semiautonome Organellen, die in der Zelle wachsen und sich
vermehren.
Mitochondrien:
Sie sind durch 2 Membrane abgeschlossen, wovon jede eine Doppelschichtmembran
ist mit speziellen Membranproteinen. Das äussere Membran ist glatt und das Innere
ist stark gefaltet Falten Cristae, bewirken eine grössere Produktivität
Das innere Membran teilt den Innenraum in 2 Teile, den Zwischenmembran Raum
und die Matrix. In der Matrix sind verschiedene Enzyme vorhanden, welche
metabolische Schritte durchführen. Die Proteine, die zur Zellatmung dienen, befinden
sich im inneren Membran.
Chloroplasten:
Sie sind spezialisierte Plastiden zu denen auch die Amyloplasten (farblose
Stärkespeicher) und die Chromoplasten (gibt den Früchten und Blumen ihre Farben)
gehören. Die Chloroplasten enthalten das grüne Pigment Chlorophyll und weitere
Enzyme und Moleküle, die zur Photosynthese benötigt werden. Die Chloroplasten
sind ebenfalls durch 2 Membrane abgeschlossen, zwischen denen ein schmaler sog.
Zwischenmembranen Spalt vorhanden ist. Im Innern der Chloroplasten existiert ein
anderes membranes System
Thylakoiden Es ist auch in flachen Säcken
angeordnet, welche teilweise gestapelt sind und Granas ausbilden. Die Flüssigkeit
ausserhalb der Thylakoiden wird Stroma genannt.
Perixome:
Das Perixom ist ein spezialisiertes, metabolisches Kompartement, welches durch ein
Einfachmembran abgeschlossen ist. Es enthält versch. Enzyme, die Wasserstoff
(H2) von versch. Substraten zu Sauerstoff (O2) transferieren. Dabei entsteht
Wasserstoffperoxid (H2O2), das jedoch toxisch ist, aber durch ein Enzym in Wasser
umgewandelt wird.
Einige Perixome benutzen Sauerstoff um Fettsäuren in kleinere Moleküle zu
zerlegen, die dann zur Zellatmung benutzt werden können. Andere Perixome in der
Leber machen Alkohol und andere Giftstoffe unschädlich, sie dienen dem Abbau und
der Umwandlung von giftigen Stoffen mit Hilfe von Sauerstoff.
Das Cytoskeleton
Das Cytoskeleton ist ein Netzwerk aus Fibrillen, welches durch das ganz Cytosol
ausgebreitet ist. Es spielt eine wichtige Rolle in der Organisation der Zellstruktur
(Stabilität, Form und Grösse) und bei den Aktivitäten der Zelle. Zudem verankert es
die Organellen in der Zelle und verhilft der Zelle zu Mobilität. Für die Zellbewegungen
braucht es die Zusammenarbeit mit den Motormolekülen. Die Mikrotubulis und die
Mikrofilamente interagieren mit den Motormolekülen, welche durch den Verbrauch
von ATP ihre Form ändern und sich vor bzw. zurück bewegen.
Das Cytoskeleton dient aber auch zur Regulation von biochemischen Aktivitäten in
der Zelle.
Die Stärke, Belastbarkeit und die Reissfestigkeit der Zelle beruht auf der Architektur,
den verschiedenen Fibrillen
• Mikrotubulis
• Mikrofilamenten
• Intermediäre Filamente
Mikrotubulis:
Mikrotubulis kommen in allen eukaryotischen Zellen, im Cytoplasma vor. Es sind
vollständige Röhren, deren Wände aus einem globulären Protein, dem Tubulin
bestehen. Die Funktion der Mikrotubulis beinhaltet die Erhaltung der Zellform, die
Zellbewegung, die Bewegung der Chromosomen während der Zellteilung und die
Bewegung von Organellen.
Centrosomen und Centriolen
In vielen Zellen entstehen die Mikrotubulis aus einem Centrosom, einer Region in
der Nähe des Zellkerns. In tierischen Zellen befinden sich beim Centrosom auch die
2 Centriolen, wovon jedes aus einem Ring von 9 Tripelmicrotubulis besteht.
Cilias und Flagellen
In Eukaryoten ist eine bestimmte Anordnung von Mikrotubulis verantwortlich für das
Schlagen und Bewegen von Cilias und Flagellen. Viele Einzeller bewegen sich so
fort, sowie auch die Spermien von Tieren, Algen und einigen Pflanzen. Ob eine Zelle
ein Flagellat oder ein Cilias hat, ist abhängig von der Zelle.
Cilias sind meist zahlreich an der Zelloberfläche vorhanden, während dem Flagellen
meist nur einzeln oder in geringer Zahl vorkommen und länger sind als Cilias. Auch
die Bewegungen sind verschieden. Die Flagellaten bewegen sich in dieselbe
Richtung, wie die Bewegung ausgeführt wird, während sich die Ciliaten in die
entgegengesetzte Richtung bewegen. Beide besitzen einen Kern aus Mikrotubulis,
welcher eingepackt ist in eine Ausstülpung der Plasmamembran.
Die Mikrotubulis sind jeweils als ein Doppelpack zu neunt in einem Ring angeordnet,
in dessen Mitte sich nochmals 2 Mikrotubulis befinden. Diese Anordnung „9+2“ wird
in fast allen eukaryotischen Flagellen und Cilias gefunden, und ist in der Zelle durch
den Basalkörper verankert. Der Basalkörper ist strukturell identisch zu den
Centriolen. Die Arme, welche von jedem Doppelmikrotubuli zum nächsten ausgehen,
sind der Motor, der für die Bewegung verantwortlich ist. Das Motormolekül ist ein
riesiges Protein, das Dyein.
Mikrofilamente (Aktinfilamente):
Sie bestehen aus dem globulären Protein Aktin und bestehen aus 2 ineinander
verdrehte Aktinketten, und sind in jeder eukaryotischen Zelle vorhanden.
Ihre Funktion ist die Erhaltung der Zellform, die Änderung der Zellform, die
Muskelkontraktion, der Cytoplasmafluss, die Zellbewegung und die Zellteilung. In
Kombination mit anderen Proteinen bilden sie ein dreidimensionales Netzwerk aus,
das die Form erhält. Zudem bilden sie den Kern der Mikrovillis aus. Tausendende
von Aktinfilamente sind parallel angeordnet entlang einer Muskelzelle. Dazwischen
liegen die dickeren Filamente, die aus dem Protein Myosin bestehen. Die Kontraktion
der Zelle beruht darauf, dass die Aktin- und Myosinfilamente übereinander gleiten
und so die Zelle verkürzen.
Amöben und ähnliche Organismen bewegen sich durch diese Fliessbewegung fort.
In Pflanzenzellen sind die Aktinfilamente am Cytoplasmastrom/-fluss beteiligt.
Intermediäre Filamente:
Intermediäre Filamente sind wegen ihrem ∅ so benannt, denn sie sind dicker als die
Mikrofilamente und dünner als die Mikrotubulis.
Sie bestehen aus verschiedenen Klassen von Cytoskeletalen Elementen. Jeder Typ
wird aus einer anderen molekularen Untereinheit konstruiert, welche alle zur Familie
der Keratine gehören. Sie dienen der permanenten Fixierung der Zellgestalt und der
Organellen.
Die Intermediären Filamente unterstützen die Erhaltung der Zellform, die
Verankerung vom Kern und anderen Organellen und die Formation der Kernlamina.
Zelloberfläche und Zellverbindungen
Obwohl das Plasmamembran als die eigentliche Grenze der lebenden Zelle
angeschaut wird, gibt es doch viele Zellen, die noch einen zusätzliche Mantel um das
Plasmamembran ausbilden.
Pflanzenzellen:
Die zusätzliche Zellwand ist einer der Unterschiede von der tierischen zur
pflanzlichen Zelle. Sie dient dem Schutz und der Formerhaltung der Zelle, sowie
auch vor der ungehinderten Aufnahme von Wasser.
Grundsätzlich bestehen alle aus Mikrofibrillen von Zellulose., welche in eine Matrix
aus anderen Polysacchariden und Proteinen eingebettet sind. Die exakte chemische
Zusammensetzung von der Zellwand variiert von Spezie zu Spezie und von einem
Zelltyp zu einem anderen in derselben Pflanze.
Eine junge Pflanzenzelle bildet zuerst eine primäre Zellwand aus. Zwischen dieser
primären Zellwand und der angrenzenden Zellwand liegt die Mittellamelle, welche
reich an Pektinen ist und die Zellen zusammenleimt. Wenn die Zelle das Wachstum
stoppt, stärken sich die Zellwände, es entsteht eine zweite Zellwand, zwischen dem
Plasmamembran und der primären Zellwand.
Die extrazelluläre Matrix (ECM) einer tierischen Zelle:
Sie besteht zum grössten Teil aus Glycoproteinen. Am meisten vorhanden in ECM ist
das Glycoprotein Collagen, welches die starken Fibrillen ausserhalb der Zelle
formen. Das Collagen ist eingebettet in ein Netzwerk aus Proteoglykagenen, die
ebenfalls Glykoproteine sind. Die Fibronektine im ECM binden an Rezeptorproteine
der Zelle, an die sogenannten Integrine, welche über die Zelloberfläche verteilt sind
und so die Veränderungen im ECM zum Cytoskeleton übertragen und umgekehrt.
Interzelluläre Verbindungen:
Die meisten Zellen, egal ob pflanzlich oder tierisch, sind organisiert in Geweben,
Organe und Organsysteme. So beeinflussen, interagieren und kommunizieren
benachbarte Zellen. Bei Zellwänden von Pflanzen besteht der physische Kontakt aus
kleinen Löchern mit Kanälen, den sogenannten Plasmodesmaten, durch die
Cytoplasma ausgetauscht wird.
Bei tierischen Zellen gibt es 3 Typen von interzellulären Verbindungen.
• „Thigt junctions“
• Desmosomen
•
„Gap junctions“