Zellen der Prokaryoten und Eukaryoten
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Vorlesung Mikrobiologie • Was sind Mikroorganismen • Aufbau der prokaryontischen Zelle • Aufbau der eukaryontischen Zelle Verwendete Bilder aus folgenden Büchern……. eigene und von Kollegen Cypionka: „Mikrobiologie“, Springer Schlegel: „Allgemeine Mikrobiologie“, Thieme Brock: „Microbiology“, Prentice Hall Gunning&Steer: „Biologie der Pflanzenzelle“, Fischer Ude&Koch: „Die Zelle“, Fischer 1 Mikroorganismen • alles, was „mikroskopisch“ klein ist • kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges (dAuge ca. 100 µm) • kleine Dimensionen: 1 m = 103 mm 1 mm = 103 µm 1 µm = 103 nm •aber: fließende Übergänge……. Acetabularia eine Zelle!! 2 Wichtige Hilfsmittel in der Mikrobiologie • Lichtmikroskopie Hellfeld (HF) Phasenkontrast (PhaKo) Dunkelfeld (DF) Diff. Interferenzkontrast (DIK) (Auto-)Fluoreszenz (Fl) Färbungen • Rasterelektronenmikroskopie •Transmissionselektronenmikroskopie 3 • Anreicherungs-/Reinkulturen • Biochemische Techniken 4 • Molekularbiologische Techniken 18 S rDNA Nukleomorph 18 S rDNA Kern Gilson & McFadden, Bioassays 19(2), 167-173 (1997) Fraunholz et al. Pl.Sys.Evol. [Suppl.] 11, 163-174 (1997) Mikroorganismen Prokaryo(n)ten: - Eubakterien - Archaea Eukaryo(n)ten: - Pilze/Flechten Zellkern (Nukleus) nein nein ja - Algen/Pflanzen ja - Protozoa/Tiere ja 5 Eubakterien a-Proteobakterien, gram (-) (I) ß-Proteobakterien, gram (-) (I) ?-Proteobakterien, gram (-) (I) d-Proteobakterien, gram (-) (I) gram(+) low G+C (II) gram (+) high G+C (II) Cyanobacterien, Prochlorophyten (III) Chlamydien (IV) Planctomyces, Pirella (V) Bacteroides, Flavobakteria (VI) Grüne S-Bakterien (VII) Spirochaeten (VIII) Deinococcen (IX) Grüne Nicht-S-Bakterien (X) Hyperthermophile (XI, XII, XIII) Eukaryonten früher: • Algen • Pilze • Protozoen • Pflanzen • Tiere heute: • Diplomonaden • Microsporidia • Trichomonaden (Trichomonas vaginalis) • Trypanosomen (Trypanosoma cruci) • Euglenophyten (Euglena gracilis, Augentierchen) • Schleimpilze • Ciliaten (Paramecium, Pantoffeltierchen) • Dinoflagellaten • Chromophyten (Kieselalgen, Braunalgen,….) • Rotalgen • Grünalgen (Chlamydomonas, Volvox, Ulva,…) • Pilze (Hefen, Steinpilz,….) • Moose, Farne • Höhere Pflanzen • Tiere 6 Typische Bestandteile einer eubakteriellen Zelle Zellwand (10-80 nm) (u.U. Schleimkapsel) Cytoplasmamembran (8nm) u.U. Pili (Pilus) Genom (Nukleoid, DNA) Ribosomen Cytoplasma u.U. Gasvesikel u.U. Fimbrien u.U. Speicherstoffe u.U. Endomembransysteme u.U. Geißeln (Flagellum, Flagella) u.U. Plasmide, Episomen, F-Faktoren (DNA) i.d.R. wenige (1-2) µm lang, breit oder im Durchmesser !! Typische Bestandteile einer eukaryontischen Zelle Mitochondrium (Mitochondrien) Endoplasmatisches Retikulum Zellwand (bei Pflanzen) Zellkern (Nukleus) Cytoplasmamembran Ribosomen Geißel (Fimbrien, Cirren) Golgi-Apparat Reservestoffe bei Pflanzen: Vakuole(n) bei Pflanzen: Chloroplasten (Plastiden) Größe: i.d.R. > 10 µm, aber: > 2 µm (Nanoflagellaten) 7 Wichtiges Unterscheidungskriterium: Eukaryonten sind komplizierter aufgebaut als Prokaryonten!!! Prokaryonten Eukaryonten u.U. komplex Größe Stäbchen, Coccen, Spirillen i.d.R. < 2 µm i.d.R. > 10 µm Zellorganellen keine viele Kompartimentierung i.d.R. nicht ja Form • Kompartimente (Organellen) sind membranumschlossene Reaktionsräume mit unterschiedlichen Funktionen • Kompartimente (Organellen) ermöglichen die zeitliche und räumliche Trennung von Stoffwechselprozessen Unterscheidungsmerkmal Größe und seine Folgen Prokaryont Eukaryont Durchmesser (D) 2 µm 20 µm Oberfläche (O) 4pr2 Volumen (V) 4/3 pr3 ca. 12,6 µm2 ca. 1200 µm2 ca. 4,2 µm3 ca. 4200 µm3 O/V 3:1 0,29 : 1 Stoffwechsel Stoffaustausch +++++ ++ Wachstum Verdopplungszeit +++++ (20 min) ++ (h, d) 8 typisch prokaryontische Zellfortsätze !!!!! Fimbrien: Pili: Adhaesion, Anheftung 3-25 nm Durchmesser bis ca. 12 µm lang Austausch von DNA (Sexpili, F-Pili) Adhaesion, Anheftung, Bewegung, 3-25 nm Durchmesser bis ca. 12 µm lang Hohlzylinder aus Proteinen (Pilin) Prokaryontische Geißel (Flagellum) 9 Begeißelung: monotrich polytrich polar bipolar (amphitrich) lateral peritrich lophotrich clock wise (CW) gerichtetes Vorwärtsschwimmen Reaktion auf: counter clock wise (CCW) Taumelbewegung Nährstoffe, Gifte Licht, Gase (O2), Magnetfeld Gradienten 10 Eukaryontische Geißel (Flagellum, Fimbrien,Cilien, Cirren) Wichtiges Unterscheidungskriterium: Geißeln Prokaryonten Eukaryonten von Cytoplasmamembran umgeben Nein ja Protein-Hohlzylinder ja nein besteht aus Flagellin Tubulin (9+2), Dynein, Membran-umschlossen aktive Eigenbewegung nein, mittels Haken ja (Dynein) Durchmesser 18-20 nm ca. 500 nm Länge bis ca. 20 µm mehrere µm Synthese Polymerisation außerhalb der Zelle Polymerisation in der Zelle, Centriol 11 weitere Arten der Bewegung: Gasvesikel: - Auftrieb, Abtrieb in der Wassersäule durch Aufbau, bzw. Abbau d. GV - mit Gasgemisch gefüllte Proteinröhren Gleitende B.: - kriechende B. auf festem Substrat - Ausscheiden von Schleim, oder - mittels Pili Schwebende B.:- via Fetttröpfchen (Auftrieb) - via Zell-, Schwebefortsätze Pro- Eukaryonten + - + + (-) + Gasvesikel 12 Gleitende Bewegung Zellwand • Exoskelett (Fußballleder um aufgeblasenen Gummiballon) • wichtig für Osmoresistenz • verleiht Form (Prokaryonten) • wichtig für die Bewegung (bei Prokaryonten) • kann auch fehlen (Milieu-abhängig, Kontraktile Vakuolen in Eukaryonten) 13 Pro- Eukaryonten Speicherstoffe • Polyphosphate z.B. „Voluntingranula“ + + + - • Proteine z.B. „Cyanophycin-Granula“ + + • Polysaccharide Glykogen Stärke Amylopektin + + • Fette, Lipidtröpfchen + + • Poly-ß-Hydroxybuttersäure + - • Schwefel Cytoplasmamembran 14 • Membranen von Eubakterien und Eukaryonten sind Lipid-Bilayer • Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinester • Membranen von Archaea sind Lipid-Monolayer oder ein Mix aus Mono- und Bilayer • Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinether 15 Funktionen der Cytoplasmamembran • Permeabilitätsbarriere • Kontrollierter Stoffaustausch • Verankerung (Geißel, Proteine) • Aufbau von Gradienten • „Bindeglied zur Umwelt“ Der Stofftransport erfolgt in der Regel über spezialisierte (Membran-)Proteine: Transporter • erleichterte Diffusion • aktiver Transport • Uniport • Antiport •Symport •Gruppentranslokation 16 Archaea Eubakterien Eukaryonten Lipid-Monolayer + - - Lipid-Bilayer +/- + + Glycerin-Diether, Glycerin-Tetraether + - - Glycerinesther - + + Fettsäuren - C16, C18, C30Hopanoide C16, C18, Sterole C20-, C40Verbindungen mit Isopren als Grundbaustein + - - 17 Nahrungsaufnahme Prokaryonten Eukaryonten Transporter + + Exoenzyme + + Pinocytose - + Phagocytose - + Prokaryonten-Genom (DNA): Nukleoid 18 Eukaryonten-Genom: Nukleus, Zellkern 19 Prokaryonten Eukaryonten DNA Nukleoid Nukleus (Zellkern) Lokalisation frei im Cytoplasma (Centroplasma) von Kernhülle umgeben, 2 Membranen!!, Kernporen!! Aufbau i.d.R. ringförmige, geschlossene (circuläre), doppelsträngige DNA (supercoiled) i.d.R. mehrere, lineare, doppelsträngige DNA Moleküle (Chromosomen), Telomere an den Enden Assoziation mit Proteinen i.d.R. nein i.d.R. ja; Histone (Nukleosomen) Kopienzahl i.d.R. wenige Kopien haploid, diploid, polyploid Größe ca. 5x105–10x106 bp i.d.R. viel größer (107-1012 bp), (Mensch: 2,9x109 bp) Transkription/Translation gleichzeitig! keine räumliche Trennung!! zeitlich und räumlich getrennt!!! Extrachromosomale DNA Plasmide (Episome, F-Faktoren) Plastiden-DNA Mitochondriale DNA, Mini-Circles Prokaryonten Eukaryonten asexuelle Vermehrung • i.d.R. Zweiteilung • Knospung, • Sprossung, • (multiple) Endosporenbildung • Mitose • i.d.R. Zweiteilung, • Knospung, • Sprossung, • (multiple) „Endosporenbildung“ sexuelle Vermehrung • i.d.R. primitiv!!!! • F-Duktion (Bakteriophagen), • Konjugation (Sex-Pili), • Aufnahme freier DNA (Transformation) • oft sehr komplex!!! • Meiose • Gameten, Gametophyten, • Zygoten, Sporophyten • Regulatorische Funktionen (z.B. Promotoren), • mRNA (kodiert für Proteine), • tRNA (transfer RNA), • rRNA (ribosomale RNA) • nur wenig unwichtige, nicht funktionelle DNA • Regulatorische Funktionen (z.B. Promotoren), • mRNA, • tRNA, • rRNA • sehr viel unwichtige, nicht funktionelle (junk) DNA DNA 20 Ribosomen: Ribosomen: •Ort der Translation (Proteinbiosynthese) • ca. 104 pro Zelle • frei im Cytoplasma, oder…..in Eukaryontischen Zellen…. • assoziiert mit Endoplasmatischem Retikulum (ER) (rauhes ER, rER, granuläres ER, GER) • Merke: Ribosomen in Mitochondrien und Chloroplasten • Target für in situ Hybridisierung (FISH) • wichtig für phylogenetische Untersuchungen (16S/18S rRNA) 21 Ribosomen Archaea Eubakterien Eukaryonten Typ 70 S 70 S 80 S zusammengesetzt aus…. 30S + 50S Untereinheit (UE) 30S + 50S Untereinheit 40S + 60S Untereinheit ribosomale RNA (rRNA) 30S-UE: 16S 30S-UE: 16S 40S-UE: 18S 50S-UE: 5S, 23S 50S-UE: 5S, 23S 60S-UE: 5S, 5.8S, 28S 30S-UE: ca. 21 (S1, S2,….) ribosomale Proteine 50S-UE: ca. 34 (L1, L2,….) Hemmstoffe 30S-UE: ca. 21 (S1, 40S-UE: ca. 30 (S1, S2,….) S2,….) 50S-UE: ca. 34 (L1, L2,….) 60S-UE: ca. 50 (L1, L2,….) Chloramphenicol Streptomycin Cycloheximid Typische eukaryontische Kompartimente • Cytoskelett (Zellform) • Spindelapparat (Mitose, Geißelbau) • Organellen (Zellkern, Geißel, Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Mitochondrium, Chloroplast) 22 Endoplasmatisches Retikulum (ER) 23 granuläres ER (GER), rauhes ER (RER) • mit 80S Ribosomen besetzt • in Verbindung mit der Kernhülle • Proteinsynthese in den Innenraum des ER (Lumen) • Proteinsekretion via GER ? Golgi ? nach draußen ! Chloroplasten (Ausnahme) • Modifikation von Proteinen agranuläres ER, glattes ER, smooth ER (SER) • ohne Ribosomenbesatz • mit Enzymen für den Lipidstoffwechsel • Ca2+ Speicher (Muskeln) 24 Golgi-Apparat 25 Golgi-Apparat: • eng mit dem ER assoziiert (transitional vesicles) • asymmetrisch gebaut (cis-, trans-site) • Modifikation von Proteinen (Glykosylierung, Aktivierung durch limitierte Proteolyse) • „sorting“ von abbauenden Enzymen (Lysosomen), sekretorischen Enzymen (Exoenzyme) • Ausschleusen von Substanzen (Sekretion) • S Dictyosome = Golgi-Apparat 26 Mitochondrium (Mz: Mitochondrien) • zwei Hüllmembranen (OME, IME) • innere Membran (Cristae, Tubuli) spezialisiert für Energiekonversion (ATP-Synthese, Atmungskette) • inneres „Cytoplasma“ (Matrix): Citrat-Cyclus, Fettsäure-Metabolismus, ß-Oxidation von Fettsäuren, Synthese v. Steroiden • mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei in der Matrix • mit 70S Ribosomen • mit eigenen Transkriptions- und Translationsapparat • nur wenige mitochondriale Proteine werden auch mitochondrial kodiert • daher: Import von im Zellkern kodierten Proteinen über beide Hüllmembranen • semiautonomes Zellorganell !!!! 27 Chloroplasten Stroma Granum Grana(-thylakoide) Stroma(-thylakoide) (Thylakoid-)Lumen 28 • zwei Hüllmembranen (OCE, ICE) • internes Membransystem (Thylakoide) spezialisiert für Photosynthese (Chlorophylle, Carotinoide, Photosysteme) und Energiekonversion (ATP-Synthese) • inneres „Cytoplasma“ (Stroma): CO2-Fixierung (Calvin Cyclus), Lipidsynthese, Stärkespeicherung • mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei im Stroma • mit eigenem Transkriptionsapparat • mit 70S Ribosomen • mit eigenem Translationsapparat • nur wenige plastidäre Proteine werden auch plastidär kodiert • daher: Import von im Zellkern kodierten Proteinen in die Plastiden • semiautonomes Zellorganell !!!! 29 Endosymbionten-Theorie da Chloroplasten und Mitochondrien…. • (70S) Ribosomen, eigenen Translationsapparat • eigene RNA, eigenen Transkriptionsapparat • eigene (circuläre, histonfreie) DNA, eigenen Replikationsapparat enthalten…..könnten sie von Bakterien abstammen!!!! 16S rDNA phylogenetische Untersuchungen beweisen es !!! aber: Semiautonomie!!!! Abhängigkeit vom Zellkern!!!! Gentransfer: Organell ? Zellkern 30
