3. Mikrotubuli
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Zellbiologie – Zelle und Zellorganellen Lebende Materie besteht aus Zellen – vom Bakterium bis zum Blauwal Alle auf der Erde existierenden biologischen Systeme setzen sich aus denselben Arten biochemischer Moleküle zusammen und verwenden auf zellularer Ebene ähnliche Organisationsprinzipien. Die Zelle ist die kleinste autonome Einheit des Lebens. Nur einer Zelle oder einem Zellverbund kann das Prädikat „Leben“ zugeordnet werden. Wie Zellen auf der Grundlage der sie bildenden Moleküle funktionieren, erforscht das interdisziplinäre Forschungsgebiet der Molekularen Zellbiologie Zellbiologie ist • • • • • • • • • Molekularbiologie der Zelle Molekulargenetik / Genomik Zellmorphologie / Ultrastruktur Biochemie / Physiologie Biophysik / Bioenergetik Bioinformatik Entwicklungsbiologie Evolutionsbiologie Biomedizin Alle Lebewesen auf der Erde lassen sich auf einen gemeinsamen Vorfahren, einer „Urzelle“, zurückführen. Die Evolution hat sich im Genom der Lebewesen niedergeschlagen. Deshalb lassen sich durch Genanalysen verwandschaftliche Beziehungen zwischen verschiedenen Lebewesen aufdecken (insbes. ribosomale RNA) Phylogenetische Stammbäume Sind Viren Lebewesen? Viren bestehen aus einer Eiweißhülle und einem Informationsmolekül (DNA oder RNA), welches den Aufbau der Eiweißhülle (dessen Proteom) codiert. Viren sind nicht in der Lage, selbständig die DNA/RNA zu transkripieren und die Eiweißbiosynthese auszuführen. Sie benötigen dazu die Dienste einer lebenden Zelle: Viren existieren parasitär Viren fehlen wesentliche Merkmale des Lebens Viren sind keine Lebewesen! Beispiel: Bakteriophage Es existieren zwei Arten von Zellen mit unterschiedlichem Organisationsgrad – Prokaryonten und Eukaryonten Prokaryonten Eukaryonten Kein Zellkern Komplexer Zellkern Nur Einzeller (Bakterien, Archaen) Ein- und mehrzellige Organismen Ein ringförmiges DNA-Molekül Mehrere lineare DNA-Moleküle in Chromosomen organisiert Vorwiegend codierende DNA-Abschnitte Vorwiegend nichtcodierende Regionen Extrachromosomale DNA (Mitochondrien, Chloroplasten) Keine Zellorganellen Komplexe Zellorganellen (z.B. Mitochondrien, Lysosome, Golgi-Apparat) Kein Cytoskelett Sehr komplexes Cytoskelett Zellteilung durch einfache Zweiteilung Zellteilung mit vorausgehender Kernteilung (Mitose, Meiose) Zellorganellen entwickelten sich durch Endosymbiose Zellen schirmen sich durch eine Zellwand von der Außenwelt ab „tierische“ Zellen – Phosphorlipid-Membranen „pflanzliche“ Zellen – Kohlenhydrat (Zellulose)-Zellwände negativ geladen Ein durch eine Doppellipidschicht (Membran) abgegrenztes Volumen nennt man Vesikel. Innenraum / Außenraum (nur in wässrigem Miljö) Die prokaryontische Zelle Bakterien Archaea Modellorganismus Escherichia coli - doppelte Zellmembran / 1x DNA, n x Nucleoide (Ringmoleküle) - transmembrane Proteine - Adhäsine zur Anlagerung an andere Zellen Die eukaryontische Zelle DNA im Zellkern konzentriert Gegenüber prokaryontischen Zellen bedeutend größere Komplexität Besitzt mit Membranen umgebende Zellorganellen Zellkompartimente oder Organellen einer eukaryotischen Zelle 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Plasmamembran Zytoplasma Zellkern Endoplasmatisches Retikulum Golgi-Apparat Vesikel (sekretorisch) Peroxysom Lysosom Mitochondrien Schutz und Abschluß vor der Außenwelt - Zellmembranen Doppelmembran aus Phospholipiden • • • • • • • • • definiert räumliche Begrenzung Schutzfunktion Barriere für wasserlösliche Stoffe Bestehen aus Phospholipiden hydrophobe Moleküle können die Plasmamembran durchdringen Umhüllung von Zellkompartimenten elektrische Spannungsbarriere Positionierung von Transmembran-Proteine Energiespeicher (1) Kanalprotein (2) Globularprotein (3) Glycoprotein (4) Kohlenhydratkette (5) hydrophyle Köpfe (6) Phospholipide (7) Phospholipid-Molekül (8) hydrophober Schwanz (9) Alpha-Helix (10) Oberflächenprotein (11) Zytoskelettfilament (12) Integrales Protein (13) Periphäres Protein (14) Glycolipid (15) Cholesterin Zytoplasma Das wäßrige Milljöh innerhalb einer Zelle wird als Zytoplasma bezeichnet • Reaktionsmedium biochemischer Prozesse • Transportmedium von Molekülen zwischen den Zellorganellen • besteht aus dem flüssigen Cytosol und dem festeren Cytoskelett Die Stabilität einer Zelle wird durch einen leicht erhöhten Innendruck sowie durch Zytoskelettstrukturen aufrechterhalten Es gibt drei verschiedene Typen von Zytoskelettstrukturen 1. Mikrofilamente - dynamisches formgebendes Gerüst aus Aktinfasern 2. Intermediärfilamente – bilden „Drahtseile“ in der Zelle, an denen sich bestimmte Zellorganellen entlanghangeln; bestehen aus Ceratin 3. Mikrotubuli – bilden ein „Schienensystem aus Alpha- und Beta-Tubulin in der Zelle Fluoreszenzaufnahme Ephithelzellen unter dem Mikroskop. Die Mikrotubuli sind in grün, Aktinfilamente sind in rot markiert worden. Die Zellkerne sind blau markiert. Cytoskelett - Aktin-Mikrofilamente Amöbe Netzwerk von Aktin-Filamenten im Zytoplasma Cytoskelett – Intermediär-Filamente Geflecht aus Intermediärfilamenten • füllen gesamten Zellraum aus • Kernlamina Die Intermediärfilamente sind biegsam, aber sehr zugfest. Sie scheinen vor allem als Zugfasern zu wirken, sind aber nicht in der Lage, Kraft zu erzeugen. Beispielsweise sind die Keratinfasern in unserer Haut aus solchen Filamenten aufgebaut. Cytoskelett – Mikrotubuli sind steife Fasern, die an einem Ende aufgebaut (+) und am anderen Ende (-) abgebaut werden – „Tretmühlenmechanismus“ läßt das Mikrotubuli wie eine Raupenkette durch die Zelle wandern. Die Mikrotubuli sind für die Zellteilung zuständig und bewegen, ebenfalls mithilfe von molekularen Motoren, die Chromosomen der sich teilenden Zelle in die jeweiligen Tochterzellen. Mitosespindel Nächstes Mal: Zellkern
