Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie: Evolution – Zellbiologie – Entwicklung Institut für...

Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie:

Evolution – Zellbiologie – Entwicklung

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Jörg Mey

Institut für Biologie IIRWTH Aachen

Zellen und Gewebe

1. Was sind Lebewesen?

2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen

3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Zellen und Gewebe

1. Was sind Lebewesen?

2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen

3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Merkmale der Lebewesen

• Wachstum• Stoffwechsel• Erregbarkeit• spontane Bewegung• Vermehrung und Vererbung

außerdem: offene Systeme im Sinne der Thermodynamik (Austauch von Materie und Energie mit der Umwelt)

praktische moderne Definition:

Lebewesen sind Naturkörper, die Nukleinsäuren und Proteine besitzen und imstande sind, diese Stoffe selbst zu synthetisieren.

Viren

• vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten• entweder DNA oder RNA• Montage aus vorgefertigten Teilen; kein Wachstum, keine Teilung• kein eigener Stoffwechsel; keine Möglichkeit der Energie-Erzeugung• unempfindlich gegen Antibiotika; empfindlich gegen Interferone• kristallisierbar

Viren sind keine Lebewesen. medizinische Bedeutung, molekularbiologische Bedeutung Virus = „Gift“ passieren Bakterien-Filtersedimentieren nicht in herkömmlichen Zentrifugen  systematische Merkmale von Viren:

Viren• vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten• entweder DNA oder RNA• Montage aus vorgefertigten Teilen; kein Wachstum, keine Teilung kristallisierbar

Viren• vermehren sich als obligate intrazelluläre Parasiten• Retroviren sind eine Gruppe der RNA-Viren

EM-Bild einer HIV-infizierten T-Zelle (Fehlfarben)

äußere Membran

binden N2 Sporen binden CO2

innere Membranen, Photosynthese

Zelltheorie

Robert Hooke, 1665: „Micrographia“, MikroskopAnthony van Leeuwenhoek, 1674: Beschreibung von Erythrozyten

Theodor Schwann undMathias Jakob Schleiden, 1838/39: Zelltheorie

SchwannSchleiden

Zelltheorie

Evangelista Purkinje, 1839: Protoplasma

Rudolf Virchow, 1855: Cellular-Pathologie

Rücken wir bis an die letzten Grenzen vor, an denen es noch Elemente mit dem Charakter der Totalität oder, wenn man will, der Einheit gibt, so bleiben wir bei den Zellen stehen. ... Ich kann nicht anders sagen, als dass sie die vitalen Elemente sind, aus denen sich die Gewebe, die Organe, die Systeme, das ganze Individuum zusammensetzen

„omnis cellula e cellula“

Virchow

Campbell 26.26

Zellen und Gewebe

1. Was sind Lebewesen?

2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen

3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Größenverhältnisse

mm – cm makroskopisch sichtbar

0,2 mm Auflösungsgrenze des bloßen Auges20 µm

2 µm 0,2 µm Auflösungsgrenze

des Lichtmikroskops20 nm 2 nm 0,2 nm Auflösungsgrenze

des ElektronemmikroskopsAtome

Zellen

Organellen

Moleküle

nicht zellulär zellulär

Viren Prokaryoten Eukaryoten

< 400 nm 1 – 2 µm 10 – 20 µm(Pockenvirus)

Viren Bakterien Pflanzen Pilze Tiere

nein ja ja ja ja

nein nein ja ja ja

nein ja ja ja nein (Murein) (Cellulose) (Chitin, Cellulose)

typischeGröße (d)

Plasmalemma

Zellkern

Zellwand

Merkmale der Zellen

Bakterien

Micrococcus Bacillus SpirillumStreptococcus

Mesosom

Tierische Zelle

PflanzlicheZelle

Grundtypen der Gewebe

Epithelien

Mesenchym

Nervengewebe

Epithelien polar, bewimpert, sekretorisch; Basallamina

spezialisierte Zellverbindungen

BindegewebeBindegewebe i.e.S. zwischen Organen; Fibroblasten, ECM

Muskel Kontraktion; Skelett-M./glatter M./Herz

Blut Erythrozyten, Leukozyten

NervengewebeNeurone und Glia ZNS, PNS; Zelltypen; Synapsen

Sinneszellen Sinnesepithelien; Rezeptoren

Keimzellen (Gameten) Spermium, Eizelle; haploid

Grundtypen der Gewebe

Zellen und Gewebe

1. Was sind Lebewesen?

2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen

3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Übersicht über die Zellorganellen

Protoplasma

Zytoplasma Zellkernmit Nucleo- oder Karyoplasma

Zytosol Organellenz.B. Mitochondrien

LysosomenRibosomenGolgi-ApparatER

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Tierische Zelle

Zellkern

Poren (d: 10 nm)Porenkomplex

Nucleoli

Kernhülle, Doppelmembran

Matrix

Zellkern

Im Kern befindet sich das Erbmaterial der Zelle: Chromosomen diese bestehen aus DNA-Molekülen die mit Proteinen verpackt sind

Zellen aus der Lunge eines Molches, kurz vor der Zellteilung

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Mitochondrien

Grün: Immunfärbung gegen ein mitochondriales Protein

Blau: DAPI-Färbung der DNA, Zellkern

Mitochondrien

glatte Außenmembran

eingefaltete Innenmembran:

Christae

Mitochondrien sind halbautonome Organellen• eigene DNA, eigene Ribosomen• entstehen durch Teilung, nicht de novo

Wichtige Stoffwechselfunktionen der Mitochondrien:in der Matrix:Citrat-Zyklus (Zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels, Synthese von Aminosäuren, oxidativer Abbau von Pyruvat als Endprodukt des Glukoseabbaus)-Oxidation der Fettsäuren (Abbau zu Acetyl-CoA)

an der inneren Mitochondrienmembran:Atmungskette (Zellatmung, ATP-Synthese durch Oxidation

von Reduktionsäquivalenten wie NADH+H+, FADH2)

PflanzlicheZelle

Plastiden/Chloroplasten

Strukturelle Unterschiede zu Motochondrien:1. größer 2. äußere, innere + Thylakoid-Membran mit Grana 3. Stoffwechselprozesse

Grana

Thylakoidmembran

Stroma

Chloroplasten in den Blattzellen eines Mooses, Lichtmikroskop

Plastiden sind halbautonome Organellen• eigene DNA, eigene Ribosomen• entstehen durch Teilung, nicht de novo

Wichtige Stoffwechselfunktionen der Plastiden:

an Thylakoidmembranen:Photosynthese (Lichtreaktion: Elektronentransfer-Reaktionen,

Chlorophyll; ATP-Synthese, NADP-Reduktion)

im Stoma:Calvin-Zyklus (Dunkelreaktion, Photosynthese-Produkte in

den Zellstoffwechsel, RUBISCO)

Speicherung von Stärke

Entstehung der Eukaryoten

Belege für die Endosymbiontentheorie

1. Mitochondriale DNA: Ringstruktur, keine Histone, ähnlich der bakteriellen DNA

2. Mitochondriale Ribosomen ähnlich denen der Bakterien, Größe, Kompatibilität der Untereinheiten

3. Doppelmembran 4. Zusammensetzung der inneren

Membran wie bei Bakterien, Details der Proteinbiosynthese: Hemmbarkeit durch Antibiotika, tRNAF-Met

5. Rezente Modellorganismen

Campbell 26.1

Zellen und Gewebe

1. Was sind Lebewesen?

2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen

3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Ribosomen

Ribosomen• freie Ribosomen im Zytosol• Ribosomen am endoplasmatischen Retikulum: rER• Ribosomen in Plastiden und Mitochondrien

zwei Untereinheiten:große UE:60 S = 1/3 Protein (49 Moleküle) + 2/3 rRNA (28S, 5,8S, 5S)kleine UE:40 S = 1/3 Protein (33 Moleküle) + 2/3 rRNA (18S)

Funktion der Ribosomen:

Proteinbiosynthese: Translation (Übersetzung der mRNA in Polypeptidketten)

Endoplasmatisches Reticulum (ER)

Proteinbiosynthese am rER:1. Transmembranproteine 2. lysosomale Proteine 3. exportable Proteine

alle anderen Proteine: an freien Ribosomen

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Zellen und Gewebe

1. Was sind Lebewesen?

2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen

3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Von Biomembranen umschlossene Organellen:

• Kernmembran – ER – Golgi – Lysosomen – Endozytose- und Exozytosevesikel• Mitochondrien, Chloroplasten/Plastiden• Peroxisomen

Endoplasmatisches Reticulum (ER)

Endoplasmatisches Reticulum (ER)

rER

sER

Endoplasmatisches Retikulum• kontinuierlicher Membranraum: Kernmembran – ER - Golgi• Membranfluss, Endozytose, Exozytose• Ribosomen am rough (r)ER, smooth (s)ER

Funktionen des rER:

Proteinbiosynthese: Membranproteine, lysosomale Proteine, exportable Proteine

Signalsequenzen in Primärstruktur, SRP, Andocken der Ribosomen, Translation, Chaperone

Glykosylierung von Proteinen: an Asparagin-Resten, Übertragung eines Oligosaccharids von Dolichol

Endoplasmatisches Retikulum• kontinuierlicher Membranraum: Kernmembran – ER - Golgi• Membranfluss, Endozytose, Exozytose• Ribosomen am rough (r)ER, smooth (s)ER

Funktionen des sER:

Posttranskriptionale Modifizierung: Glykosylierung

Synthese von Lipiden: Steroide, Phospholipide, Glykolipide, Sphingomyelin der Membranen

Speicherfunktion: Ca2+, Proteine, Lipide, Glykogen

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Golgi-Apparat

Golgi-Apparat

Golgi-Apparat• Membransystem: ER – Golgi - Lysosomen• Golgi-Zisternen, Dictyosomen, Transportvesikel

Funktionen des Golgi:

Transport und Verteilung in der Zelle: lösliche Proteine, Membransegmente, Endo-/Exozytose-Vesikel

Modifikation und Sortierung von Proteinen: Glykosylierung, Modifikation der Oligosaccharidketten

Produktion von Lysosomen: Verdauung und intrazellulärer Abbau (zweiter Weg: Proteasomen)

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Lysosomen• Verdauung und Intrazellulärer Abbau von Proteinen, Lipiden, Zuckern etc.; pH5 (Zytosol: pH7,2)• Enzyme: saure Hydrolasen (Lipasen, Proteasen, Glykosidasen,

Lipasen, Phosphatasen, Sulfatasen, Phospholipasen)• Enzymdefekte: Lysosomale SpeicherkrankheitenEndosomen: Sortierung von aufgenommenem Material

Proteasomen • Multienzymkomplexe (Zylinder aus Proteasen + Deckel)• Degradation ubiquitinylierter Proteine

Peroxisomen• Oxidation von toxischem Material• Leitenzym: Katalase

Übersicht über die Zellorganellen

von Membranen umgebene Organellen

Nicht durch Membranen begrenzte Organellen

   Zellkern Ribosomen

Mitochondrien, Plastiden  

  Mikrotubuli (und die aus ihnen aufgebauten Strukturen: Centriole, Basalkörper, Geißeln und Cilien, Cytoskelett)

Membransysteme

 Endoplasmatisches Reticulum

Golgi-Apparat Proteinfilamente (Cytoskelett)

Lysosomen  

Peroxisomen Proteasomen u.ä.

Zytoskelett

Aktinfilamente Mikrotubuli Intermediärfilamente

• Form und mechanische Festigkeit der Zelle: Zytoskelett• Bewegung der Zelle: amöboide Bewegung, Geißeln/Zilien• Transport von Organellen innerhalb der Zelle• Muskelkontraktion: Gleitfilamentheorie

Zytoskelett

Zellteilung: Aufteilung der Chromosomen, Spindelfasern

Zellen und Gewebe

1. Was sind Lebewesen?

2. Vergleich Prokaryoten/EukaryotenPflanzliche Zellen/Tierzellen, Gewebetypen

3. Übersicht über die Zellorganellena) Zellkernb) Mitochondrien/Plastidenc) Ribosomend) Membransysteme in der Zellee) Zytoskelett

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Anzahl und relative Volumina der membran-umschlossenen Zellorganellen:

Kompartiment Prozentanteil (Volumen) ungefähre Anzahl/Zelle

Cytosol

Zellkern

Mitochondrien

ER

Golgi-Apparat

Lysosomen undEndosomen

Peroxisomen

54 % 1

6 % 1

22 % 1700

12 % 1

3 % 1

2 % 500

1 % 400