Grundsätzliche Eigenschaften und Aufbau von Zellen g

Grundsätzliche Eigenschaften
g
und Aufbau von Zellen
Zelle = kleinste lebens- und vermehrungsfähige Einheit
Gemeinsame Merkmale von Zellen:
z Cytoplasmamembran
z Genom
G
(DNA)
(
)
z Fähigkeit zur Reproduktion
z Stoffwechsel
z Enzymsysteme für Replikation,
Transkription, Translation
z Reizbarkeit
Energie-liefernd
Energie-verbrauchend
Katabolismus
Gärung
Atmung
Chemolithotrophie
Photosynthese
Anabolismus
Zellwachstum
Transport
Bewegung
Prinzipieller Aufbau bei Prokaryoten (Bakterien, Archaeen) und Eukaryoten gleich:
((Zellwand)) - Cytoplasmamembran
y p
- Cytoplasma
y p
mit Einschlüssen
Größenvergleich der Zellen von Eukaryoten (Pilzen) und Prokaryoten
Zelldurchmesser:
Prokaryotenzelle:
Escherichia coli
ca. 1 µm
Hefezelle:
Saccharomyces cerevisiae
ca. 5-10 µm
Pilzhyphen:
Neurospora crassa
A
Aspergillus
ill nidulans
id l
ca. 10 µm
ca. 3-4
3 4 µm
Mit zunehmendem Durchmesser wird das Verhältnis
von Oberfläche zu Volumen kleiner
In einen 1 cm3 Würfel (Oberfläche 6 cm2 ) Die Oberfläche ist entscheidend für
den Stoffaustausch mit der Umwelt
passen 1012 x 1 µm3 (Oberfläche 6 m2)
Typische Formen von Bakterien
Einzelzellen:
Zellverbände:
- Zellteilungsverbände
g
((z.B. Diplo-,
p
Strepto-,
p
Staphylokokkken,
p y
Coenobien, Fäden))
- Aggregationsverbände (z.B. Biofilme, Myxobakterien)
Aufbau p
prokaryotischer
y
Zellen
z.B.:
Polyhydroxybutyrat
Glycogen
Polyphosphat
Schwefel
Fette
Kohlenwasserstoffe
Protein (Carboxysomen,
(Carboxysomen Cyanophycin,
Cyanophycin Toxine)
Gasvesikel
Magnetosomen
Endosporen
Nucleoid
• nicht durch Membran vom Cytoplasma abgetrennt
• frei von Ribosomen
• oft nur 1 ringförmiges Chromosom
(Ausnahmen möglich: lineare Chromosomen, >1 Chromosom)
• DNA in >50 „Domänen“ organisiert
• Bakterien: Histon-ähnliche Proteine
• Archaeen: Histon-homologe Proteine (aber keine Nucleosomen)
Ultradünnschnitt von Neisseria gonorrhoeae
DNA-Struktur
Bausteine der RNA und DNA :
Nukleotide
Deoxyribose (DNA)
(RiboseÆRNA)
Phospho
Phosphodiesterbindung
Nukleosid
Nukleotid
DNA-Struktur
5‘
3‘
3‘
5‘
Die Stränge der
DNA sind
• komplementär
• antiparallel
AT und GC Basenpaare
werden durch
Wasserstoffbrücken
zusammen gehalten
DNA-Struktur
Doppelhelix
1953: Watson & Crick
Chlamydia
Chlam
dia trachomatis
Haemophilus influenzae
Helicobacter pylori
Bacillus subtilis
Mycobacterium
y
tuberculosis
Mycoplasma genitalum
Rikettsia prowazekii
Thermotoga maritima
Mb = Mio bp
4,64 (1 ringf. Chromosom)
1,52 (1 lin. Chromosom 0,91 Mb
+ Plasmide (12 lin. + 9ringf.)
1 04
1,04
1,83
1,67
4,21
4,41
0,58
1,11
1,86
Archaea:
Archaeoglobus fulgidus
Methanococcus jannaschii
Pyrococcus abyssi
Picrophilus torridus
2 18
2,18
1,66
1,77
1,55
Eukarya:
Saccharomyces cerevisiae
Plasmodium falciparum
Caenorhabditis elegans
Arabidopsis thaliana
Drosophila melanogaster
Mus musculus
Homo sapiens
~12 (16 Chr. mit 0,23-1,53 Mb)
~23
~97
~125
~180
180
~2.500
~3.200
Bacteria:
Vergleich von
G
Genomgrößen
öß
Escherichia coli
Borrelia burgdorferi
Superhelizität der DNA
Superhelizität wird durch Typ II Topoisomerasen eingeführt
(z.B. Gyrase, Topoisomerase IV)
Organisation des Nucleoids in der Bakterienzelle
Zum Vergleich: Organisation eukaryotischer Chromosomen
Informationsfluss in der Molekularbiologie
Replikation
DNA
Transkription
RNA
Translation
Protein
DNA-Replikation
Helicase
Primase
„leading“
l di “ St
Strang
Synthese kontinuierlich
Die Replikation verläuft
semikonservativ
„Primase“ synthetisiert
kurze RNA-Primer
„lagging“
l
i “ St
Strang
Synthese diskontinuierlich
RNA-Polymerase I
entfernt RNA-Primer,
dann Ligation
RNA-Pol I Æ proofreading beider Stränge
Replikation eines zirkulären, prokaryotischen Chromosoms
Am Replikationsursprung
(Origin) entstehen zwei
entgegengesetzt
g g g
g
gerichtete
Replikationsgabeln
Plasmide: extrachromosomale DNA
(hier: zirkuläre Plasmidmoleküle)
meist zirkulär
Autonome Replikation
Plasmid-kodierte
Eigenschaften (Beispiele):
- Antibiotikaresistenz
- Bacteriocin-Bildung
- eigener Transfer (Konjugation)
- spezielle Abbauwege (z.B. f. aromatische Kohlenwasserstoffe)
- Antibiotika-Biosynthese
- N2-Fixierung, usw.
Vi l Plasmide
Viele
Pl
id sind
i d kryptisch
k
ti h (d.h.
(d h ohne
h bekannte
b k
t Funktion)
F kti )
Makroelemente der Biomasse:
C, O, H, N, S, K, Ca, P, Mg, Fe
Zusammensetzung des Cytoplasmas:
- Wasser
- Anorganische Ionen (K+, Mg2+, Na+, Cl-, PO43-, SO42- usw.)
- Metabolite (Substrate,
(Substrate Produkte)
- niedermol. Verb., Coenzyme (Aminosäuren, Nukleotide, ATP, NAD+,
NADP+ usw.)
- Proteine ((>1000 verschiedene,, >106 Moleküle/Zelle))
- DNA (Chromosom, Plasmide)
- RNA (60 tRNAs, ~2x105 Moleküle/Zelle; >1000 versch. mRNAs; rRNAs)
- Ribosomen (20-100.000/Zelle; aus 5S, 16S u. 23S rRNA und je 1 Mol.
von 55 versch. Proteinen) ;
- Speicherstoffe (z.B. Glykogen, PHB)
Etwa 90% der nicht-wässrigen Bestandteile sind Makromoleküle
(~50% der Trockenmasse ist Protein, 20% Zellwand, 15% RNA, 3% DNA)
Cytoplasma
• Reaktionen des Katabolismus
und Anabolismus
• Verdoppelung des Genoms
(Replikation)
• Umsetzung der Erbinformation
(Transkription, Translation)
Konzentration an
Makromolekülen
extrem hoch:
~300-400 mg/ml
nicht-informative Makromoleküle:
• Glykogen
• Stärke
• Zellwandpolysaccharide
informative Makromoleküle:
• DNA
• RNA
• Proteine
Bausteine:
Nukleotide (ATGC)
Nukleotide (AUGC)
Aminosäuren
Informationsfluss in der Molekularbiologie
Replikation
DNA
Transkription
Archaeen und Eukaryoten besitzen
komplexere RNA-Polymerasen
als Bakterien
RNA
Translation
Protein
Archaeen und Bakterien besitzen
70S Ribosomen (50S + 30S),
Eukaryoten besitzen
80S Ribosomen
(60S + 40S)
80 S
60 S
40 S
Eukaryonten
70 S
50 S
30 S
Prokaryonten,
Mitochondrien
Chloroplasten
Unterschiede
zwischen
i h
DNA und RNA
DNA
Basen:
RNA
A,C,G,T
A,C,G,U
doppelsträngig
einzelsträngig
intramolekulare
Basenpaarung
ÆSekundärstrukturen
t kt
Chromosom(en)
Plasmide
mRNA (~ 2%)
tRNA (~ 15 %)
rRNA (~ 80 %)
Transkription bei Bakterien
Promotorerkennung durch RNA-Polymerase
RNA-Polymerase (core
Enzym): α2 β β‘ ω σ
σ-Untereinheit der
RNA-Polymerase
(σ−Faktor)
Promotorsequenz
Transkription bei Bakterien
Promotorerkennung,
Bindung der RNAPolymerase
Initiation der
Transkription
Elongation bis
Terminationssignal
Termination
Transkription bei Bakterien
Termination
man unterscheidet:
- Rho- (ρ) abhängige Termination
- Rho-unabhängige
Rh
bhä i T
Termination
i i
RNA-Transkripte
Transkription erfolgt in 5‘ Æ 3‘ Richtung
Bei Bakterien und Archaeen kann die Transkription
p
mehr als 1 Gen umfassen
cggR
gapA
P1
pgk
tpi
pgm
eno
P2
mRNA
Operon
polycistronisch
G
Genanordnung
d
po
genA
g
monocistronisch
genB
g
genC
g
t
po
genD
g
t
DNA
5‘
3‘
mRNA
Protein
Protein A Protein B Protein C
5‘
3‘
Protein D
3‘
tRNAs als Adapter
A
C
C
Tyrosin-Codon (mRNA)
UAC
5‘
3‘
|| || |||
3‘
AUG
5‘
Anticodon (tRNA)
5‘
Tyr
Anticodon
AminosäureAnknüpfung
Aktivierung von Aminosäuren
A i
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen
l tRNA S th t
R-CH-COOH
|
NH2
R-CH-CO-ACC
|
NH2
+ tRNA
ATP
Esterbindung
AMP + PPi
Intermediat am Enzym:
Aminoacyl-AMP
Aufbau der Ribosomen
70S-Ribosom
2/3 RNA + 1/3 Protein
70 S
80 S
50S-Untereinheit:
23S rRNA (2900 N)
5S rRNA (120 N)
34 Proteine
50 S
30S-Untereinheit:
30S
Untereinheit:
16S rRNA (1540 N)
21 Proteine
30 S
Prokaryoten,
Mitochondrien
Chloroplasten
p
60 S
Eukaryoten
40 S
Initiation der Translation
30S + IF1 + IF3 + mRNA
+ fMet + IF2 + GTP
30S -Initiationskomplex
+ 50S
Translation
bei Bakterien 1. Aminosäure der Polypeptidkette: Formylmethionin (fMet)
Elongation
mRNA
E
P
A
Peptidyltransfer
Ribosom rückt
weiter
E = Exit site
P = Peptidyl-tRNA site
A = Aminoacyl-tRNA site
Elongationsfaktoren beteiligt:
EF-TU, EF-S, EF-G
Proteinfaltung und -abbau
Faltungshelfer: Chaperone
Antibiotika, die die Translation bei Bakterien hemmen:
z.B.
- Streptomycin
p
y
hemmt Beginn
g
der Elongation
g
nach Initiation;
interferiert mit Translationsgenauigkeit
- Tetracyclin
hemmt Elongation (bindet verm. an A-site)
- Chloramphenicol blockiert Peptidyltransferase-Aktivität
- Erythromycin
hemmt Translokation der Peptidyl-tRNA von A- nach P-site
Konsequenz des Besitzes (Eukaryoten) bzw. Fehlens (Prokaryoten)
eines
e
es ec
echten
te Zellkerns
e e s für
ü d
die
e Ge
Genexpression
e p ess o
Eukaryoten: Transkription und
Translation getrennt
Prokaryoten: Transkription und
Translation gekoppelt
DNA
Transkription
RNA-Splicing,
RNA capping. tailing
DNA
Transkription
RNA
RNA
Translation
Protein
Translation
Protein
Cytoskelett
Eukaryoten: dynamisches Cytoskelett aus flexiblen Filamenten:
Mikrotubuli (aus Tubulin, u.a. assoziiert mit Motorproteinen Dynein u. Kinesin)
Mik fil
Mikrofilamente
t (Actinfilamente,
(A ti fil
t assoziiert
ii t mit
it M
Motorprotein
t
t i Myosin,
M
i
Vesikeltransport)
Intermediäre Filamente (aus versch. Proteinfilamenten, in tier. Zellen f. Stabilität)
Bakterien:
FtsZ (GTP-bindend, ähnelt Tubulin; polymerisiert und bildet FtsZ-Ring in
Zellmitte,, für Zellteilung
g essentiell;; kontrolliert durch Min-Proteine Æ verhindern
Polymerisation und Zellteilung nahe den Zellpolen)
MreB (ATP-bindend; strukturell ähnlich dem Actin; für stäbchenförmige Zellform
wichtig; spielt Rolle bei Chromosomensegregation)
ParM (ebenfalls ähnlich dem Actin; Rolle bei Aufteilung von Plasmiden auf
Tochterzellen)
Crescentin (den Intermediären Filamenten der Eikaryoten ähnlich; sorgt für
gekrümmte Zellform bei Caulobacter crescentus)
Struktur von Phospholipiden
und anderen Lipiden
p
der
Cytoplasmamembran bei
Bakterien
Phospholipid
((C16)
Glykolipid
(z.B.
(z
B X = OCH2CH2NH3+)
ÆPhosphatidylethanolamin
„unit membrane“ (Elementarmembran) mit eingelagerten Proteinen
Integrales
Membranprotein
Peripheres
Membranprotein
Etwa 40
40-50%
50% der Trockenmasse der Membran ist Protein
Vergleich der Lipide von
Bakterien und Archaeen
C1 von Triosephosphat
Fettsäure
Etherbindung
Esterbindung
Lipide von Archaeen:
Isopran Alkohol
C3 von Triosephosphat
DietherArchaeol
TetraetherCaldarchaeol
Macrocyclisches
Diether-Archaeol
Diether mit 3Hydroxy-Archaeol
Cytoplasmamembran
Funktionen:
Æ enthält viele Proteine, die
wesentlich sind für Transport
Transport,
Bioenergetik und Chemotaxis.
Æ stellt eine Permeabilitätsschranke (osmotische
Barriere) dar.
Æ Ort
O des Aufbaus
f
und der
Nutzung des
Protonengradienten
Transportsysteme
Transportsysteme
Primärer Transport mit einem
Bindeprotein-abh. ABC-Transport-System
(z.B. Maltodextrin-Transport in E. coli)
(ABC steht
t ht für
fü ATP Binding
Bi di Casette)
C
tt )
Erleichterte Diffusion: Facilitatoren
z.B. Glycerolfacilitator GlpF
A
Aquaporin
i AqpZ
A Z
Sekundäre Transportsysteme
Gruppentranslokation:
G
t
l k ti
Das Glucose-Phosphotransferase- (PTS-)
System von E. coli
Aufnahme und Phosphorylierung gekoppelt Æ spart Energie
Intracytoplasmatische Membranen
• Vergrößerte Membranfläche
• Vorkommen: Photosynthetische Bakterien, Nitrifizierer, Methanotrophe
Vesikel
Tubuli
Thylakoid-ähnliche
y
Membranstapel
Thylakoide
y
• Thylakoide mit Phycobilisomen (Komplexe
a s Lichtsammelproteinen)
aus
(filamentöses Cyanobakterium)
• Chlorosomen (Chlorobium): Lipid monolayer,
enthalten Bacteriochlorophyll
Zusammenfassung: Cytoplasmamembran
integral
Aufbau:
peripher
• Phospholipiddoppelschicht
p
p
pp
((Elementarmembran))
• Integrale und periphere Membranproteine
Esterbindung
• Lipide bei Bakterien: Glycerindiester mit nichtverzweigten Fettsäureresten; selten: Hopanoide,
Hopanoide Sterole
• Lipide bei Archaeen: Glycerindi- o. tetraether mit langkettigen,
verzweigten C20- u. C40-Isoprenoidalkylen,
p
z.T. Membran-durchspannend
Etherbindung
Funktionen:
• Osmotische Barriere
• Transport
• Enzymsysteme der Energiekonservierung
(ATPase Atmungskette,
(ATPase,
Atmungskette Photosyntheseapparat)
Murein = Peptidoglykan:
charakteristisches
h kt i ti h Z
Zellwandpolymer
ll
d l
d
der B
Bakterien
kt i
Bausteine des Peptidoglycan-Rückgrats:
N-Acetylglucosamin
N-Acetylmuraminsäure
Glucosamin
N-AcetylGlucosamin
Lactylrest
Acetylrest
Acetylrest
Murein = Peptidoglykan:
charakteristisches
h kt i ti h Z
Zellwandpolymer
ll
d l
d
der B
Bakterien
kt i
N-Acetylglucosamin
N-Acetylmuraminsäure
β 1 4 l k idi h
β-1,4-glykosidische
Bindungen
(Lysozym-empfindlich)
Murein kommt nur
in Bakterien vor
Peptidbindungen
z.B.
meso-Diaminopimelinsäure (mA2p)
Peptid-Seitenkette mit ungewöhnlichen Aminosäuren
(D-Aminosäuren, Diaminosäuren)
Murein o. Peptidoglykan: charakteristisches Zellwandpolymer der Bakterien
Heteroglykanstränge werden über Peptidbrücken quervernetzt
Das typische Zellwandpolymer der Bakterien: Murein (Peptidoglykan)
N-Acetylglucosamin
N-Acetylmuraminsäure
z riesiges,
riesiges netzartiges Molekül (Sacculus)
z Rückgrat: Heteropolysaccharid mit Peptidseitenketten
z Peptidseitenketten enthalten D-Aminosäuren
z Quervernetzung über Diaminosäuren
z Quervernetzung hemmbar mit Penicillin
z spaltbar mit Lysozym
meso-Diaminopimelinsäure (Gram-negative)
L-Lysin, L-Ornithin, o.a. (Gram-positive)
Quervernetzung manchmal über
Interpeptidbrücken (z. B. L-Lys-(Gly)5-D-Ala
bei Staphylococcus aureus)
Gram-Färbung
•
(H. C. Gram, 1884)
Hitzefixierung von Zellen auf einem Objektträger
• Färben mit Kristallviolett (KV, basischer Farbstoff), kurz spülen
• + Lugol’sche Lösung Æ wasserunlöslicher Lack
• + 96% EtOH Entfärbung bei GramFarbe bleibt erhalten bei Gram+
• + Fuchsin o. Safranin
Gram-negativ
Escherichia coli
GramÆrot
Gram+ Æviolett
Gram-positiv
Æfarblos
Æviolett
(roter Farbstoff)
Staphylococcus
p y
aureus
Das unterschiedliche Färbeverhalten hängt zusammen
mit Unterschieden in der Zellwandstruktur
Zellwand bei Gram-positiven Bakterien
Dicke bis ca. 60 nm
Zusammensetzung:
g
• Murein (vielschichtig)
• Teichonsäuren, Teichuronsäuren, Lipoteichonsäuren
• Polysaccharide
• Lipophile Verbindungen (selten
(selten, zz.B.
B Mycolsäuren)
• Protein
Mechanisch stabiler als bei Gram-negativen
S-Layer (Thermoanaerobacterium sp.)
Teichonsäuren in Zellwänden Gram-positiver Bakterien
z.B. Ribitol-Teichonsäure
von Bacillus subtilis
Zellwand bei Gram-negativen Bakterien
Dicke ca. 20 - 30 nm
Zusammensetzung:
• Murein (dünn)
(dünn), einheitliche Mureinstruktur
• Phospholipid
• Lipoprotein
äußere Membran Æ Schutz vor Detergenzien
und Antibiotika
Li
l
h id
• Lipopolysaccharid
• Protein
• manchmal S-Layer
Periplasmatischer Raum zw.
äußerer Membran und
Cytoplasmamembran
KDO = 2-Keto-3-desoxyoctulosonsäure
Lipopolysaccharid (LPS)
O-spezifische Seitenketten
Kernpolysaccharid
Lipoid A
LPS in
äußerer
Membran
Murein
Porine in der äußeren Membran
erlauben
l b die
di Passage
P
gelöster
lö t Moleküle
M l kül
durch die äußere Membran
Zellwand bei Archaeen
•
kein Murein
•
manche enthalten Pseudomurein (Rückgrat: saures Heteropolysaccharid)
•
Verschiedene Zellwandtypen :
Verhalten in Gramfärbung
- Pseudomurein
P
d
i +P
Polysaccharid
l
h id
- Pseudomurein + S-Layer (selten)
- Methanochondroitin [ß-GlcA-(1,3)-ß-GalNAc-(1,4)-ß-GalNAc]n
- nur Protein oder Glykoprotein,
y p
kein Pseudomurein
- Protein + Proteinscheide um mehrere Zellen
- keine Zellwand
Pseudomurein:
Resistent gegen
- Penicillin
- Lysozym
Beispiel für nur-Protein
nur Protein Zellwand:
+
+
--
Geißeln (Flagellen) bei Prokaryonten
Geißelaufbau
Filament
Haken
Basalkörper
Der Geißelaufbau ist bei Pro- und Eukaryoten völlig unterschiedlich
Bakterien
Eukaryoten
(9+2 Struktur)
Archaeen
Rotation wie bei Bakterien,, aber Geißelaufbau unterscheidet sich von
Bakteriengeißel: nicht hohl; glykosylierte Flagelline; Flagellin-Untereinheiten
werden an Basis eingebaut, nicht an Spitze.
Chemotaxis bei
E. coli
Chemotaxis
Lockstoff
Taumeln
Taumeln
gerade
gerade
Phototaxis
Aerotaxis
Magnetotaxis
Ph b t i ((‚Schreckreaktion‘)
Phobotaxis
S h k kti ‘)
Chemisches Signal
Chemotaxis
Übertragung des
Signals an den „Schalter“
MCP
Protein:
Speicherstoffe:
Speicherstoffe
Polysaccharide
Gl k
Glykogen
( i l B
(viele
Bakterien,
kt i
A
Archaeen,
h
und
dE
Eukaryonten)
k
t )
Stärke- bzw. Amylopektinartig (z.B. Clostridium)
Fettartige Substanzen
PHA=Poly-ß-Hydroxy-Alkansäuren wie PHB (Polyhydroxybuttersäure,
(Polyhydroxybuttersäure z.B.
zB
Wautersia (Ralstonia) eutropha)
Neutralfette, selten z.B. Pseudomonas aeruginosa-Stämme; häufiger in Euk.
(Hefen)
K hl
Kohlenwasserstoffe,
t ff z.B.
B Acinetobacter
A i t b t (Hexadecene)
(H
d
)
Proteine (relativ selten)
Cyanophycin (Asp/Arg; N2-fixierende Cyanobakterien)
Carboxysomen (autotrophe CO2-Fixierung
Fixierung, Ribulose-bisphosphat-Carboxylase;
Ribulose bisphosphat Carboxylase;
z.B. Nitrosomonas, Thiobacillus, viele Cyanobakterien)
Toxine (Bacillus thuringiensis)
Phosphor
Polyphosphat als Volutin-Granula (z.B. Acinetobacter)
Schwefel
Schwefeltröpfchen bei Schwefelbakterien (elem. S, manchmal gemischt mit
P l
Polysulfid
lfid oder
d Thi
Thionaten)
t )
Nitrat
in Vakuole bis ~800 mM (z.B. Schwefelbakterien Thioploca, Thiomargerita)
Weitere Strukturen und Einschlüsse im Cytoplasma
•
Clorosomen
bei „grünen Schwefelbakterien“, z.B. Chlorobium limicola
•
Membranstapel (Thylakoide)
•
Vakuolen (selten)
bei manchen phototrophen Bakterien
z B Thioploca, Thiomargerita (als Nitratspeicher)
z.B.
•
Gasvakuolen
•
Magnetosomen
g
spindelförmig, aus Protein, z.B. Halobacterium, Cyanobakterien
•
ferromagnetisches Eisenoxid, Fe3O4, Magnetit= Fe2O3
z.B. Magnetospirillum magnetotacticum
Endosporen
Endosporen
o Vorkommen: Bacillus, Clostridium,
Sporolactobacillus Sporosarcina
Sporolactobacillus,
o Einfache Form der Differenzierung
o Stark lichtbrechend
o Überdauerungszellen, resistent gegen
Trockenheit, Hitze, UV und Chemikalien
o Stark
St k dehydratisiert,
d h d ti i t stoffwechselinaktiv
t ff
h li kti
o 10-15% der Trockenmasse: Dipicolinsäure
Exosporen
o Vorkommen: Streptomyceten
o Trockenheits- aber nicht hitzresistent
Sporulation
Vielzellige Verbände bei Prokaryonten
Myxococcus xanthus
Streptomyces lividans
Nostoc spec.
Chondromyces spec.
Zellbiologie eukaryotischer Mikroorganismen
Kompartimentierung in Pilzzellen:
Zellkern (Nucleus)
Doppelmembran; mehrere bis viele lineare Chromosomen;
Chromatin-Struktur ähnlich wie in höheren Eukaryoten:
Nucleosomen mit Histonen; DNA-Replikation; Transkription
Cytoplasma
80 S Ribosomen (60 S + 40 S); Cytoskelett
Endoplasmatisches Retikulum Synthese sekretorischer Proteine
Golgi-Apparat
u.A. Transport u. Modifikation sekretorischer Proteine
Vakuolen
Einzelmembran (Tonoplast), die ATPase trägt;
u.A. Abbaufunktionen
Microbodies
Einzelmembran; Peroxisomen, Glyoxysomen
Mitochondrien
Doppelmembran; semiautonome Organelle;
eigene DNA (S. cerevisiae: ~80 kb; A. nidulans: ~30 kb)
eigene Ribosomen (70 S); Atmungskette und H+-ATPase
in innerer Membran
Hydrogenosomen
Doppelmembran; keine eigene DNA
(best. anaerobe Rumen-Pilze)
Periplasma:
Invertase
(spaltet Saccarose),
Phosphatasen...
Mitochondrien:
Respirations-Defekt:
petite-Mutanten
Peroxisomen:
Katalase:
Entgiftung von
Radikalen
Zellwand:
(Glucan,
Mannoproteine,
Narben: Chitin))
Vakuole:
Degradation,
Storage
Virus-ähnliche Partikel
Killer: dsRNA
TY: RNA: Retrotransposon
Sekretionsvesikel
Golgiapparat
ER mit Ribosomen
Kern
Kernmembran
K
b
mit
it Poren
P
16 linearen Chromosomen
(200 - 2000 kb):
Saccharomyces
cerevisiae
13000 kb,
6000 ORSs,
200 Introns,
intergenic regions: 500 bp
120 rDNA repeats
260 tRNAs (80 introns)
37 other
th RNA species
i
750 ARS sequences (Autonomously Replcating Sequences)
16 CEN-sequences
32 TEL-sequences
additional DNA:
mitochondrial DNA in Mitos (circular);
Plasmid-DNA (circular)
Zellen von Bakterien in Eukaryoten u. in Eukaryotenzellen
Endosymbiosen
y
z.B. Blattläuse – Buchnera
TseTse-Fliege – Wigglesworthia (Bakterium produziert B-Vitamine)
versch. Insekten – Wollbachia (beeinflusst Anteil weibl. Nachkommen
Endoparasiten
z B Rickettsia prowazeki (Erreger des epidemischen Fleckfiebers)
z.B.
Coxiella burnetii
(Erreger des Q-Fiebers)
Franciscella tularensis (Erreger der Tularämie)
Wollbachia (Symbiont), Mitochondrien und Rickettsia prowazeki (Parasit)
sind verwandt mit Alpha-Proteobakterien
Symbiontische
S
bi ti h B
Bakterien
kt i von Bl
Blattläusen,
ttlä
T
TseTse-Fliegen,
T Fli
Ameisen,
A i
Z
Zecken
k
und Coxiella burnetii und Franciscella tularensis (Parasiten)
sind verwandt mit Gamma-Proteobakterien
Æ Verwandtschaft von endosymbiontischen mit endoparasitischen Bakterien
deutet auf gemeinsamen Ursprung beider Lebensformen hin.
Endosymbiontentheorie
Fungi
Bereits 1883 postuliert.
Die klassische Endosymbiontentheorie p
postuliert Urzelle mit Kern
aber ohne Mitochondrien o.
Plastiden, in die prokaryotische
Endosymbionten eingewandert sind
Mitochondrien
(von α-Proteobakterien)
Chloroplasten
((von Cynanobakterien);
y
)
Hydrogenosomen
(z.B. in Trichomonas)
11.7
Endosymbionten-Theorie
Befunde die damit in Einklang stehen:
Befunde,
• Plastiden u. Mitochondrien entstehen nicht de novo, sondern durch
Zweiteilung
• beide Organellentypen sind von 2 Membranen umgeben
• eigene ringf. DNA ohne Histone
• mRNA und Ribosomen entspricht
p
denen von Prokaryoten
y
• Fettsäuresynthase ähnlich wie bei Prokaryoten
• ATP-Synthase in innerer Membran entspricht F-Typ ATP-Synthase
• SequenzanalysenÆ
S
l
Æ hohe
h h Übereinstimmung
Üb i ti
von Mit
Mitochondrien
h d i mit
it Al
Alphah
Proteobacteria und von Plastiden mit Cyanobakterien. Dagegen kaum
Ähnlichkeiten mit euk. Genomsequenzen.
Wasserstoff-Hypothese
Postuliert die endosymbiontische
y
Aufnahme eines fakultativ anaeroben
Alpha-Proteobakteriums durch ein anaerobes, autotrophes,
methanogenes Archaeon
Zellwand
bei Pilzen
Basidiomyceten, Ascomyceten,
Deuteromyceten
Chitin, ß(1Æ3),ß(1Æ6)-Glucan,
Mannoproteine, (α(1Æ3)-Glucan)
Zygomyceten
Chitosan, Chitin
Chitosan
Polyglucuronsäure, Mannoproteine
Chytridiomyceten
Chitin, Glucan
Hyphochytridiomyceten
C
Chitin,
C
Cellulose
Oomyceten
ß(1Æ3),ß(1Æ6)-Glucan, Cellulose
Glucan
Chitin:
Cellulose:
R = Nac (Monomer: N-Acetylglucosamin)
R = OH (Monomer: Glucose)
Zellwand von S. cerevisiae
Septum
AscomycetenA
t
Hyphen
Pore (für Kerne passierbar)
Woronin Körper (Wundverschluss)
Zellwand
Spitzenkörper
(Polarität,
Sekretion)
Auswahl an Unterschieden zwischen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten
Zellgröße
Kompartimentierung
Bakterien
Archaeen
Eukaryoten
~ 1-2 µm
~ 1-2 µm
~ 2-200 µm
+
(-)
(-)
O
Organelle
ll
-
-
+
Zellwand
Murein
Protein,
Pseudomurein
Cellulose,
Chitin
Lipide
Ester
Ether
Ester
St l
Sterole
-
-
+
Atmungskette
Membran
Membran
Mitochondrien
Photosynthese
Membran
Membran
Chloroplasten
Ribosomen
70S
50S+30S
70S
50S+30S
80S
60S+40S
Initiator-tRNA
RNA-Polymerase(n)
fMet
Met
Met
einfach
(4UE)
komplex
(8-13UE)
komplex
(12-14UE)
Microtubuli, Microfilamente -
-
+
Kern m. Membran
-
-
+
zirkulär
(oder linear)
zirkulär
linear
(mehrere)
Chromosomen
Operons
+
+
-
Geißeln
submikroskop.
rotierend
submikroskop.
rotierend
‘9+2’ Struktur
peitschend