Rädler SS08 Biophysik der Zelle 1

Biophysik

J.O. RädlerSS 2008

SchwerpunktstudiumBiophysikLMU

der Zelle

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Folienpassword: „LMU_biophysik“

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Literatur

Erich Sackmann: Biophysik SkriptSkript :

Bruce Alberts et al.:Molecular Biologyof the Cell (MBoC)

Helmut Pfützner Roland GlaserRodney Cotterill

links : Auf den Folien und auf der Vorlesungsseitewww.schwerpunkt-biophysik.physik.lmu.de

Begleitendes Hauptseminar

Doris Heinrich

23.04.Seminar-Einteilung und Einführung in Vortragstechniken (D. Heinrich)Einführung

30.04.Kontrastverfahren in der Lichtmikroskopie (Wanqing Xiang)07.05.Die Zelle: ihre essentiellen Bausteine und Prozesse (Samuel Moll)14.05.Aktin in Zellen ( )21.05.Zelladhäsion (Felix Keber)28.05.Lipide in der Plasmamembran ( )04.06.Vesikeltransport in Zellen (Sven Schneider)11.06.Virale Zellinfektion (Dominik Traxl)18.06.Viskoelastizität und Rheologie ( )25.06.Neuronen und die Signalfortpflanzung im Axon (Astrid Velroyen)02.07.Biorhytmik und Steuerung der Herzkontraktion ( )09.07.Flagellen und Cilien ( )16.07.Haarzellen als Verstärker im Ohr ( )

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A freshwater amoeba crawls, extending pseudopods through the force generated by actin polymerization

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Zur Motivation

Die Inhalte der Vorlesungim Schnelldurchgang

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Die Zelle:

Ein SystemgekoppelterfunktionellerUntereinheiten

„Organellen“

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30.04.Physik der Lipidehydrophobe Wechselwirkung, kritische Mizellkonzentration, Permeabilität, Diffusion

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07.05.Membran-KontinuumsmodelleBiegeelastizität, Vesikel, Formumwandlungen, Fluktuationen

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14.05.LipidlegierungenLididphasen und Phasenübergänge, „rafts“

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21.05.ZellbewegungStruktur und Dynamik des Zytoskletts

Vorlesung: Doris Heinrich

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28.05.EnergieumwandlungMitochondrien, Atmungskette, Michell Hypothese, ATP Synthase

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Chloroplasten,

der Ort der Lichtkonversion in Pflanzen

Photosynthese

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04.06.Photosynthese I

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11.06.Photosynthese IIElektronentransferkette,Reaktionszentrum

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Die Elektronentransferkette im Reaktionszentrum

Nervenleitung

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18.06.Das stationäre MembranpotentialPhysiologie der Neuronen , Patch-clamp, Nernst-,Planck- und Donnanpotential, Ruhepotential undGoldmann Gleichung

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25.06.Erregung der NervenmembranAktionspotential, Huxley-Hodgkins Gleichung, Fitzhugh Modell, spannungsabhängige Ionenkanäle

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02.07.SignalausbreitungSignalfortpflanzung im Axon, Kabelgleichung, Signalübertragung an den Synapsen

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09.07.Molekulare Mechanismen der Zelle

16.07.Rückblick und AusblickDie Zelle und Nanobiotechnologie, Betrachtungen zum globalen Energie- und Kohlenstoffhaushalt

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Einleitung

Entstehung und Aufbauder eukaryotischen Zelle

Mikroskopietechniken

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Antony van Leeuwenhook, 1637-1723

Erstes optisches Mikroskop (270-fache Vergr.)

- bikonvexe Linse

- Justierschraube zur Probenpositionierung

Zeichnungen von Mikroorganismen

„Mikroskopie und die Entdeckung der Zelle“

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Robert Hooke1635-1703

Zusammengesetztes Mikroskop aus Objektiv- und Okularlinse.Hooke benutze den Begriff "Zelle"

für die beobachtete Feinstruktur von Kork

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a) Bakterienb) Hefec) Rote Blutzelled) Makrophage

e) Spermiumf) Epidermis-Zelleng) Muskelzelleh) NervenzelleGoodsell, 1993

Eine Vielfalt von Zellformen und Größen

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Alle Zellen speichern Erbinformation (DNA)Alle Zellen replizieren ErbinformationAlle Zellen transkribieren Erbinformation über RNAAlle Zellen übersetzen RNA auf gleiche Weise in Proteine

Leben braucht Freie EnergieAlle Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben

Die allgemeinen Merkmale von Zellen auf der Erde

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Membranen definieren die „erste Zelle“ durch Schaffungeines abgeschlossenen Reaktionsraumes

Membran-TransportproteineschaffenKonzentrationsgradienten(el.-chem. Spannungsgefälle)von „Innen“ und „Aussen“-

Anreicherungdurch autokatalytischeProzesse

Prokaryoten Eukaryoten

1 DNA Molekülca. 4000 Proteine

mehrere Chromosome> 50.000 Proteine

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Eukaryotic cells

• Single cell or multicellular organisms• Plants and animals• Structurally more complex: organelles, cytoskeleton

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Endosymbiosehypothese zur Entstehung der Eukaryoten

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Endosymbiosetheorie

Mitochondrien besitzen eigene ringförmige DNA und eigeneRibosomen, sowie eigene Transfer-RNA.

Aufnahme einer aeroben Eubakterie von einer anaeroben Ur-Eukaryotenzelle

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Die „Minimalzelle“

Eine Zelle kann mit weniger als500 Genen auskommen

Mycoplasma genitalium:Bakterium mit dem kleinsten Genom

Verteilung der Gene auf Funktionen:37: Transfer_RNAs297: Proteine

153: Replikation29: Membran und Struktur33: Membran-Transport71: Energieumwandlung/ Synthese11: Zellteilung

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Aufbau einer eukaryontischen Zelle

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Animal cell structure

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Plant cell structure

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Functions of the plasma membrane

• Regulate transport of nutrients into the cell• Regulate transport of waste out of the cell• Maintain “proper” chemical conditions in the cell• Provide a site for chemical reactions not likely to occur in an

aqueous environment• Detect signals in the extracellular environment• Interact with other cells or the extracellular matrix

(in multicellular organisms)

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The plasma membrane separates the cell from the environment

• The fundamental structure of all cell membranes is the lipid bilayer• Various membrane proteins present in the different cell

membranes give each membrane a specific function

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The plasma membraneis a composite of threeinterconnected layers:

* extracellular matrix* lipid membrane* cytoskeleton

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Each closed compartment has two faces

The two faces of a membrane are asymmetric in terms of lipid and protein composition

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Organelles of the eukaryotic cell

• the Nucleus• the Endoplasmic Reticulum (ER)• the Golgi complex• Lysosomes• Peroxisomes• Mitochondria• Chloroplasts• the Cytosol

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The nucleus

• Separates– DNA from cytosol– transcription from translation

• Key Features– outer membrane– inner membrane– nuclear pores– nucleolus

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The endoplasmic reticulum (ER)

• Responsible for most lipid synthesis most membrane protein

synthesis Ca++ ion storage detoxification

• Key Features– network of interconnected closed

membrane tubules and vesicles– composed of smooth and rough

regions

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The Golgi complex

• Modifies and sorts most ER products

• Key Features– series of flattened compartments

& vesicles– composed of 3 regions:

cis (entry), medial, trans (exit)– each region contains different set

of modifying enzymes

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Lysosomes

• Responsible for degrading certain cell components material internalized from the

extracellular environment• Key Features

– single membrane– pH of lumen ≅ 5– acid hydrolases carry out

degradation reactions

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Peroxisomes

• Responsible for degrading fatty acids toxic compounds

• Key Features– single membrane– contain oxidases and catalase

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Mitochondria

• Site of ATP production viaaerobic metabolism

• Key Features– outer membrane– intermembrane space– inner membrane– matrix

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Chloroplasts

• Site of photosynthesis in plantsand green algae

• Key Features– outer membrane– intermembrane space– inner membrane– stroma– thylakoid membrane– thylakoid lumen

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Secretory proteins are synthesized in the ER and pass through the Golgi on theway to the extracellular environment

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The cytosol

• The portion of the cell enclosed by theplasma membrane but not part of anyorganelle

• Key Features– the cytoskeleton– polyribosomes– metabolic enzymes

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The life cycle of cells

• Cell division occurs when one cell, after a period ofgrowth, divides to become two daughter cells

• Most eukaryotic cells follow the cell cycle, aninternal clock that determines the phases of cellgrowth and division

• Progress through the cell cycle is controlled atcheckpoints

• Cells may “leave” the cell cycle and differentiate toperform specialized functions

• Cells may undergo programmed cell death as away of balancing cell growth or generatingstructures during development (apoptosis)

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Each chromosome is a single linearDNA molecule associated with proteins

The total DNA in the chromosomes ofan organism is its genome

Eukaryotic DNA is packaged into chromosomes

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Cells associate to form tissues

• Tissues are composed of cells and extracellular matrix• Tissues may form organs• Rudimentary tissues and an overall body plan form early in development due to

a defined pattern of gene expression and the ability of cells to interact with othercells

• Many animals share the same basic pattern of development, which reflectscommonalities in molecular and cellular mechanisms controlling development

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Multiple tissuescombineto createthis artery