Zelltheorie 1. Alle Organismen bestehen aus einer oder mehreren ...
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Die Zelle
Zellbiologie<br />
Disziplin der Biologie, beschäftigt sich mit<br />
<strong>1.</strong> Der Struktur der Zelle<br />
2. Der zellulären Vorgänge<br />
3. Der Zellteilung<br />
Eng gebunden an:<br />
<strong>1.</strong> Molekularbiologie<br />
2. Biochemie<br />
1
<strong>Zelltheorie</strong><br />
1838, 1839<br />
Theodor Schwann Matthias J. Schleiden<br />
<strong>1.</strong> <strong>Alle</strong> <strong>Organismen</strong> <strong>bestehen</strong> <strong>aus</strong> <strong>einer</strong> <strong>oder</strong> <strong>mehreren</strong> Zellen.<br />
2. Die Zelle ist die grundlegende Einheit für die Struktur und Funktion<br />
der <strong>Organismen</strong>!!!!!<br />
Die <strong>Zelltheorie</strong> ist eine der fundamentalen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Biologie. Sie besagt,<br />
dass alle Pflanzen und Tiere sowie ihre Organe, so vielgestaltig sie auch sein mögen,<br />
stets <strong>aus</strong> Zellen zusammengesetzt sind
1855<br />
Rudolph Virchow<br />
<strong>Zelltheorie</strong><br />
3. „Omnis cellula e cellula”<br />
-Zellen entstehen stets <strong>aus</strong> anderen Zellen<br />
durch Zellteilung<br />
Diese Theorie zeitigte weitreichende Schlüsse: Wachstum ist ein Prozess, bei dem immer<br />
mehr Zellen gebildet werden, die stets wieder <strong>aus</strong> Zellen entstehen. Auch bei der<br />
Fortpflanzung spielt die Zelle die wesentliche Rolle. Neue Individuen entstehen stets<br />
<strong>aus</strong> lebenden Zellen durch Zellteilung, niemals kann eine Urzeugung, also die<br />
Entstehung von Zellen <strong>aus</strong> totem Material, beobachtet werden.
Louis Pasteur<br />
Keimtheorie<br />
Jahre 1860<br />
Die Keimtheorie besagt, dass Krankheiten durch Mikroorganismen verursacht<br />
– Entdeckung von prokaryotische Zellen
Klassifikation von <strong>Organismen</strong><br />
Prokaryoten Eukaryoten<br />
Növények<br />
Pflanzen<br />
III.<br />
Eubakteria<br />
Eubakterien<br />
Tiere Állatok<br />
Egysejtűek<br />
Protisten<br />
I. II.<br />
Gombák Pilze<br />
Archaebakteria<br />
Archaebakterien
Ursprung:<br />
Wie steht's mit den Viren??<br />
I. Vereinfachte Zellen<br />
II. Abgeleitet <strong>aus</strong> der DNA der Wirtzelle<br />
Viren sind Zellparasiten ohne eigenen Stoffwechsel und vermehren<br />
und verbreiten sich in ihren Wirtszellen, d. h. sie nutzen<br />
den Stoffwechsel ihres Wirts und veranlassen ihn,<br />
seine Strukturen zu ihrer eigenen zu machen.
6<br />
Ursprung der Zelle<br />
RNA DNA<br />
RNA-Zelle Prokaryont Eukaryont<br />
DNS<br />
Zellkern<br />
Cytoplasmatische<br />
DNA
Ursprung der DNA<br />
RNA-Welt<br />
Virenhypothese:<br />
- Viren haben die DNA entdeckt, die Zelle<br />
hat sie übergenommen nach <strong>einer</strong><br />
unerfolgreicher Infektion<br />
„DNA-Welt”<br />
7
8<br />
Ursprung der Proteine<br />
RNA-Welt „Protein-Welt”
Ursprung der Membran 9<br />
Mizelle<br />
Doppelschicht
Cytoplasma<br />
Geissel<br />
Prokaryotische Zellen<br />
Plasmamembran<br />
Kapsel Zellwand<br />
Pilus<br />
Plasmide<br />
Ribosomen<br />
DNA (Nucleoid)<br />
Mesosomen
kugelförmige Zellen<br />
zB. Streptococcus<br />
Prokaryotische Zellen<br />
Stäbchenförmige Zellen<br />
zB. Escerichia coli<br />
Schraubenförmige Zellen<br />
zB. Treponema pallidum
„Mehrzelligen” Prokaryoten<br />
Luftstickstoff fixieren Spore<br />
Photosynthese<br />
Anabaena cylindrica<br />
Anabaena ist eine Gattung fädiger Cyanobakterien, <strong>oder</strong> „Blaualgen“<br />
Ungünstige Perioden werden als Dauerstadien überdauert, als länglich ovale Akineten.<br />
Im Faden befinden sich häufig farblose, dickwandige, etwas größere Zellen, die Heterozysten.<br />
Diese Heterocysten sind in der Lage Luftstickstoff zu fixieren und zu Ammonium zu reduzieren.
Ursprung<br />
der eukaryonten Zelle<br />
12
Thomas<br />
Cavalier-Smith<br />
Ursprung des Zellkerns<br />
Prokaryontische Urzelle<br />
DNA<br />
Membran-gebundene<br />
Ribosomen<br />
Cytoplasma<br />
Arhaezoa-Hypothese<br />
Eukaryontische Urzelle<br />
(mit Zellkern, ER und Golgi)<br />
Aussere Kernmembran<br />
Zelkernporen Innere Kernmembran<br />
Zellkern<br />
endoplasmatisches<br />
Reticulum<br />
Cytoplasma<br />
Ursprung des ER und Golgi<br />
13
Lynn Margulis<br />
Eukaryontische Urzelle<br />
Innere Membran<br />
Ursprung der Mitochondrien<br />
Die Endosymbiontentheorie<br />
Zellkern<br />
Purpurbakterium<br />
Frühe eukar. Zelle<br />
(mit Mitochondrien)<br />
Mitochondrium<br />
(Doppelmembran)<br />
1
Lynn Margulis<br />
Ursprung der Chloroplasten<br />
Frühe eukar. Zelle<br />
Cyanobakterium<br />
Die Endosymbiontentheorie<br />
Elysia chlorotica<br />
Frühe eukar. Zelle<br />
(Mit der Fähigkeit der Photosynthese)<br />
Chloroplast<br />
(Doppelmembran)<br />
Pflanzliches Tier<br />
15
Tierzelle<br />
Kompartimentierung
Tierzelle<br />
Zellkern
Tierzelle<br />
Mitochondrium
Tierzelle<br />
Cytoskelett
Tierzelle<br />
Ribosomen<br />
raues endoplasmatisches Reticulum<br />
Am rauen endoplasmatischen Reticulum findet ein Grossteil der Proteinsynthese statt.
Tierzelle<br />
Golgi Apparat
Tierzelle<br />
glattes endoplasmatisches Reticulum
Tierzelle<br />
Plasmamembran<br />
Aussenmilieu<br />
Zellinneres
Tierzelle<br />
Ribosomen<br />
(an Oberfläche der rauchen endoplasmatischen Reticulum)
Tierzelle<br />
Centriolen<br />
Centriolen stehen mit der Kernteilung in Zusammenhang
Pflanzenzelle
Pflanzenzelle<br />
freie Ribosomen
Pflanzenzelle<br />
Nucleolus<br />
Zellkern
Pflanzenzelle<br />
Golgi Apparat
Pflanzenzelle<br />
Plasmodesmen
Pflanzenzelle<br />
Chloroplast
Pflanzenzelle<br />
Mitochondrium
Zellwand<br />
Pflanzenzelle
Peroxisom<br />
Pflanzenzelle
Plasmamembran<br />
Pflanzenzelle
Pflanzenzelle<br />
glattes endoplasmatisches Reticulum
Pflanzenzelle<br />
raues endoplasmatisches Reticulum
Zellsaftvakuole<br />
Pflanzenzelle
Tierzelle– Pflanzenzelle<br />
Zellwand<br />
Inklusionskörper<br />
Chloroplast
Unterschiede<br />
Nur in Eukaryoten:<br />
<strong>1.</strong> Zellkern<br />
2. Kompartimente, deren<br />
Innenraum vom Cytosol durch<br />
eine Membran getrennt ist<br />
Nur in Prokaryoten:<br />
<strong>1.</strong> Proteoglycan Zellwand<br />
2. Kapsel<br />
Vergleich von prokaryotische<br />
und eukaryotische Zellen<br />
Prokarióta Prokariotysche Zelle<br />
sejt<br />
Eukarióta (állati) sejt<br />
Eukariotysche Zelle (Tierzelle)
Zellmembran<br />
<strong>1.</strong> separiert den Außenwelt – selektive Stoffaufnahme und -abgabe<br />
2. Komponent zur Kommunikation zwischen Zellen
Biomembran<br />
- Flüssig-Mosaik-Modell<br />
Phospholipidmoleküle<br />
Proteinmoleküle<br />
<strong>1.</strong><br />
<strong>1.</strong><br />
2.<br />
<strong>1.</strong><br />
3.<br />
Phospholipid moleküle<br />
Protein<br />
Phospholipid-Doppelschicht
hydrophil<br />
hydrophob<br />
Phospholipide<br />
Cholin<br />
Phosphat<br />
Glycerol<br />
(Glicerin)<br />
Kohlen-wasser-<br />
stoffketten<br />
Phosphatidylcholin (Lecithin)<br />
Cholesterol (alter Name Cholesterin)<br />
nur bei Tieren,
Membran mikrodomänen<br />
- lipid rafts<br />
Lipid Rafts sind Andock- und Interaktionsplattformen für<br />
Proteine<br />
Membranproteine sind asymetrisch verteilt:<br />
Plasmamembranen besitzen im typischen Fall ein Proteinmolekül pro 25 Phospholipidmoleküle,<br />
doch dieses Verhältnis variiert je nach Membranfunktion.
Glycocalix<br />
(„Zellmantel”)<br />
Glycocalix Zytoplasma Zellkern Zellmembran<br />
Extrazellulärer Glycoprotein-Schicht<br />
23
Aussenmilieu<br />
Lipid Doppelschicht<br />
Zellinnenraum<br />
Membrantransport<br />
- Konzentrations-gradient<br />
Transport<br />
moleküle<br />
Kanal proteine<br />
Transporter<br />
Diffusion Durch Kanalproteine Durch Transportproteinen<br />
PASSIVER TRANSPORT AKTIVER TRANSPORT<br />
Konzentrations-gradient
Nucleoplasma<br />
Zellkern<br />
Aussenmembran<br />
Innenmembran<br />
Nucleolus<br />
Chromatin<br />
Kernlamina<br />
Kernhülle<br />
Kernpore
importin exportin<br />
protein<br />
protein<br />
RNS<br />
NLS: nuclear localization signal<br />
NES: nuclear export signal<br />
Zellkernmembranen<br />
Signal Peptide<br />
Perinuclear-Raum<br />
Kernpore<br />
Kernmembran<br />
Innen Aussen<br />
ER-membran<br />
protein<br />
ER-lumen<br />
Kernlamina
Chromosomen<br />
Mensch: Haploider Chromosomensatz
Chromosom<br />
kondensierte Form<br />
lockerer Form<br />
DNA und Nucleosomen<br />
DNS und Nucleosomen<br />
DNA<br />
Chromatin<br />
DNS<br />
H3<br />
H4<br />
8 hisztonból álló mag<br />
Hiszton H1<br />
DNS H1<br />
H2A<br />
8 hisztonból álló mag<br />
NUKLEOSZÓMA<br />
H2B
Ribosomen<br />
Für die Translation der genetischen Information der mRNA in eine<br />
Polypeptidkette sind Ribosomen erforderlich. Jedes Ribosom besteht <strong>aus</strong><br />
zwei Untereinheiten, <strong>einer</strong> grossen und <strong>einer</strong> kleinen.<br />
grosse Untereinheit<br />
(50S)<br />
kleine Untereinheit<br />
(30S)<br />
30S<br />
Untereinheit<br />
Proteinen: blau<br />
RNA: orange
aues ER<br />
glattes ER<br />
Aufgaben<br />
Endoplasmatische Reticulum<br />
raues ER glattes ER<br />
Ribosomen<br />
<strong>1.</strong> Lisosomalische enzyme<br />
2. Sekretierte Proteine<br />
3. Transmembran Proteine<br />
4. Glykolisierung<br />
<strong>1.</strong> Lipid- und Steroidsynthese<br />
2. In Tierzellen, Glykogen synthese<br />
3. Kalzium Lagerung<br />
4. Usw.
Proteinreifung<br />
im rauen ER<br />
Freie Ribosomuntereinheiten<br />
Signalsequenz<br />
Signalpeptidase<br />
Cytosol<br />
Abgeschnittene Signalpeptid Geschlossener Translokator<br />
Reifes Protein<br />
ER<br />
lumen<br />
30b
Zisternen<br />
Golgi Apparat<br />
Aufgaben:<br />
<strong>1.</strong> Proteine und Lipide<br />
(a) chemische Modifizierung (glükolisierung,<br />
phosphorilierung)<br />
(b) konzentriert, verpackt und<br />
(c) sortiert (zellularen Bestimmungsort verschickt)<br />
2. Polysaccharid-synthese<br />
3. Pflanzlichen Zellwand-synthese<br />
Ausgehend<br />
Ankommend (richtung ER)<br />
Transport Vesikeln
aues ER<br />
Golgi Apparat<br />
Zellkern<br />
Zisternen<br />
Plasmamembran<br />
cis Seite<br />
Proteine für innerhalb der Zelle<br />
Zellinnenraum<br />
Golgi Apparat<br />
trans<br />
Seite<br />
Proteine für <strong>aus</strong>serhalb der Zelle<br />
Aussenmilieu
Peroxisomen, Lysosomen<br />
Peroxisomen<br />
Kristallkern<br />
Lipid Doppelschicht<br />
In den Peroxisomen befinden sich ca. 60<br />
Monooxygenasen und Oxidasen genannte Enzyme,<br />
die den oxidativen Abbau von Fettsäuren, Alkohol<br />
und anderen schädlichen Verbindungen<br />
katalysieren.<br />
Lysosomen<br />
Sie enthalten Verdauungsenzyme und stellen den<br />
Oprt dar, an dem Makromoleküle wie Proteine,<br />
Polysaccaride, Nukleinsauren und Lipide, durch<br />
Hydrolyse in ihre Monomere zerlegt werden.
Zellinnenraum<br />
Lysosomen<br />
Plasmamembran<br />
sekundäres lysosom<br />
Golgi Apparat<br />
Durch<br />
Phagocytose<br />
aufgenommene<br />
Nahrungspartikel<br />
primäres Lysosom<br />
Phagosom<br />
Aussenmilieu
Proteasomen<br />
Proteinkomplex von <strong>1.</strong>700 kDa, der im Cytoplasma und im Zellkern<br />
(bei Eukaryoten) Proteine zu Fragmenten abbaut und daher zu den<br />
Peptidasen (auch Proteasen) zählt.<br />
Proteine, die abgebaut werden sollen, werden in einem mehrstufigen enzymatischen<br />
Prozess mit <strong>einer</strong> Polyubiquitin-Kette markiert, welche von den Proteosom erkannt wird.<br />
Ubiquitin ist ein kleines Protein mit <strong>einer</strong> Molekülmasse von 8,5 kDa. Die Polyubiquitin-<br />
Kette wird beim Abbau in ihre einzelnen Ubiquitin-Moleküle zerlegt, die dann<br />
wiederverwendet werden können. Entscheidend für die Markierung (und damit für Abbau<br />
und Halbwertszeit des Proteins) ist einzig die N-terminale Aminosäure. Der Proteinabbau<br />
ist für die Zelle lebensnotwendig. So werden metabolische Enzyme,<br />
Transkriptionsfaktoren <strong>oder</strong> auch den Zellzyklus regulierende Proteine wie Cycline, CDK-<br />
Inhibitoren degradiert. Ebenso werden fehlerhafte Proteine abgebaut. Auch die Peptide,<br />
die an den MHC I-Komplex gebunden auf der Oberfläche der Zelle dem Immunsystem<br />
präsentiert werden, werden im Proteasom prozessiert.<br />
Protein<br />
ubiquitin<br />
Proteosom<br />
Protein mit Ubiquitin-Kette<br />
Markirte Protein im Proteosom<br />
wiederverwendung von Ubiquiton<br />
Protein abbau
Mitochondrium<br />
Aussen-membran<br />
Innen-membran<br />
matrix<br />
Intermembran raum<br />
Cristae<br />
matrix<br />
Innen-membran<br />
Aussen-membra
Mitochondrium
Chloroplast<br />
Aussen-membran<br />
Innen-membran<br />
Intermembran raum<br />
Thylakoid membran<br />
Stroma (matrix Raum)<br />
Tilakoid lumen
Chloroplast<br />
Stroma<br />
Thylakoid membran<br />
Intermembran raum<br />
Innen- membran<br />
Aussen- membran<br />
Granum<br />
Thylakoid stapel
Das Cytoskelett<br />
Mikrotubuli Mikrofilamente Intermediärfilamente
Mikrofilamente<br />
Das Cytoskelett<br />
<strong>1.</strong> Es verleiht der Zelle Form und Reissfestigkeit<br />
2. Es ermöglicht verschiedene Arten zellulärer Bewegung.<br />
3. Es liefert „Schienen” für Motorproteine, die an der<br />
Bewegung von Zellbestandteilen beteiligt sind.<br />
raues ER<br />
Mikrotubuli<br />
Intermediärfilamente<br />
Plasmamembran
Mikrotubuli (Makrofilamente)<br />
Intermediärfilamente<br />
Mikrofilamente<br />
Das Zytoskelett
Mikrofilamente<br />
(Actinfilamente)<br />
• Actinfilamente <strong>bestehen</strong> <strong>aus</strong> Strängen des Proteins Actin und treten häufig mit Strängen anderer Proteine in<br />
Wechselwirkung.<br />
• Actinfilamente verändern die Zellgestalt und ermöglichen die Zellbewegung (Kontraktionen,<br />
Cytoplasmaströmung).<br />
• Actinfilamente und Myosinfilamente sind gemeinsam für die Muskeltätigkeit verantwortlich.<br />
Aktin Monomer
Intermediärfilamente<br />
• Intermediärfilamente <strong>bestehen</strong> <strong>aus</strong> fibrilläre Proteinen, diese stabilisieren die Form der Zelle und verleihen ihr<br />
Reissfestigkeit.<br />
• Manche sind an Desmosomen verankert unterstützen so den Zusammenhalt von Nachbarzellen.<br />
• Andere bilden die Kernlamina<br />
Fibrilläre Untereinheit
• Mikrotubuli sind lange zylinderförmige Gebilde, die <strong>aus</strong> Tubulin gebildet werden. Tubulin besteht <strong>aus</strong> zwei Untereinheiten :<br />
-tubulin und -tubulin<br />
• Mikrotubuli verlängern <strong>oder</strong> verkürzen sich, indem Tubulin-Dimere zugefügt <strong>oder</strong> entfernt werden.<br />
• Durch das Verkürzen von Mikrotubuli werden die Chromosomen<br />
bei der Zellteilung bewegt.<br />
• Wechselwirkungem zwischen Mikrotubuli ermöglichen Zellbewegungen.<br />
• Mikrotubuli dienen als „Gleise” für die Beforderung von Vesikeln.<br />
Mikrotubuli<br />
(Makrofilamente)<br />
Tubulin Dimer<br />
-Tubulin<br />
Monomer<br />
-Tubulin<br />
Monomer
Zytoskelett<br />
- Zellteilung<br />
Zentrosom<br />
Kromosom<br />
Motorprotein<br />
astrale kinetochor interpolare<br />
Mikrotubuli<br />
Kinetochor
Die Schwierigkeiten<br />
der Multizellularität<br />
Nur unizelluläre Lebewesen wurden 2.5 Milliarden Jahrelang existiert. Seit 600 Millionen Jahren existieren<br />
die multizelluläre Lebewesen. Warum waren Sie so verspätet?<br />
Es musste eine gemeinsame Sprache erfinden, die den verschiedenen Zelltypen eine Mitwirkung gab.<br />
Zeit (Mrd. Jahre) Zeit (Mill. Jahre)<br />
unizelluläre Pflanzen<br />
O 2 Aufsammlung<br />
Photosynthese entsteht<br />
Erste Fossilien<br />
Leben entsteht<br />
Erde entseht<br />
Erste Hominiden<br />
Aussterbung in Kreta<br />
Erste hauptsäugetiere<br />
erste Pflanzen mit Blumen<br />
erste Säugetiere<br />
Aussterbung in Perm<br />
Erste Reptilia<br />
Erste Amphibia<br />
Erste festländliche Pflanzen<br />
und Tiere<br />
erste Fische<br />
Explosion in Kambrium (viele Arten)<br />
Erste wirbellose Tiere
Ursprung der Multizellularität<br />
<strong>1.</strong> Symbionten Theorie<br />
2. Zellularisation Theorie<br />
3. Kolonisation Theorie
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