Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE

Unterrichtseinheit Bio II:

Lernziele

• den Bau der Bakterienzelle kennen

• die Möglichkeiten zum Gentransfer bei Prokaryonten kennen

• den Bau der Eukaryontenzelle kennen

• den Ablauf der Mitose kennen

• die Unterschiede zwischen beiden Zellen darstellen können

Nach Durcharbeitung dieses Kapitels sollten Sie

Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE

Bakterienformen

http://textbookofbacteriology.net/structure.html

STRUCTURE AND FUNCTION OF PROCARYOTIC CELLS

Bakterium, Bau

Zellwand

Die bakterielle Zellwand besteht aus Murein, einem einzigen Molekül.

Gramfärbung

Bakteriengeißeln, Bakterienmembran

Bakterienmembran, Aufgaben

1. Osmotische und Permeabilitätsbarriere2. Transportsysteme für Nahrungsbestandteile und Ionen3. Energieproduktion4. Membranlipidsynthese5. Mureinsynthese (Peptidoglycan der Zellwand)6. Zusammenbau und Sekretion extracytoplasmatischer Proteine7. Koordination der DNA - Replikation, der Septumbildung und

Zellteilung8. Chemotaxis (Beweglichkeit und Signalaufnahme

Bakterielle Gene

Das Bakterienchromosom ist ringförmig.

Bakterielle Gene sind nach dem Operon-Prinzip gebaut.

Zellteilung

Sporenbildung

Bakterien bilden Dauerformen, in denen sie Trockenheit, Hitze und sogar Vakuum überstehen können.

Stoffwechsel

Je nach Ernährungsart unterteilt man die Bakterien in          Photoautotrophe (zur bakteriellen Photosynthese fähig)          Heterotrophe (auf eine organische C-Quelle angewiesen)          Saprophyten (leben auf oder von toter Materie)          Parasiten (leben schädigend von lebenden Organismen)          Symbionten (leben mit einem anderen Organismus unter gegenteiligem Vorteil zusammen)

Archaebakterien

Archaebakterien, Archaeobakterien, Archaea:Eigenständige Bakteriengruppe, bilden mit den den Bacteria und den Eucarya die drei Domänen der Lebewesen. Wichtige Unterscheidungsmerkmale zwischen A. und Bakterien sind: 1. Der Aufbau der ribosomalen RNA.2. Der Aufbau der DNA-abhängigen RNA-Polymerase und von Komponenten

der Translation.3. Die Zellwände der A. enthalten kein Murein und sind sehr unterschiedlich

zusammengesetzt (z.B. Pseudomurein, Glykoproteine, Proteine). 4. Aufbau der Membranlipide. 5. Archaea weisen besondere Stoffwechselwege auf und enthalten zum Teil

ungewöhnliche Coenzyme.  

Archaebakterien wachsen meist unter ungewöhnlichen, extremen Lebensbedingungen, z.B. in Black Smokers, in Schwefelquellen oder bei hohn Salzkonzentrationen.

Black Smoker und White Smoker gehören zu den hydrothermalen Quellen am Grund der Tiefsee. Die Mündung wird durch eine röhren- oder kegelförmige mineralische Struktur, dem Schornstein geformt, aus dem eine Sedimentwolke austritt.

Bakterien im Ökosystem

In Ökosystemen übernehmen Bakterien i.d.R. die Rolle der Destruenten.(Ausnahme: Photosynthetisierende B.)

Bakterien und der Mensch

Positiv:

Unterstützung der Verdauung

Einstellung eines sauren Milieus in der Vagina

Biotechnologischer Einsatz zur Medikamentenproduktion (z.B. Insulin)

Negativ:

Verursacher von Entzündungen

Bakterienerkrankungen

Mathematik einer Bakterienerkrankung

Epidemie

Eine Epidemie (griechisch επιδημία - Seuche) ist ein massenhaftes Auftreten einer Krankheit innerhalb einer Population, dort jedoch unspezifisch (nicht auf eine bestimmte Gruppe beschränkt).

Antibiotika – Medikamente gegen bakterielle Infektionen

Bakteriostatisch: Hemmung der Bakt.-vermehrung, bis Bekämpfung durch Immunsystem

Bakterizid: Töten der Bakterien (z.B. durch Verhinderung der Zellwand-synthese {Penicillin})

Beseitigung von Bakterien

Unter Sterilisation versteht man die Abtötung sämtlicher Mikroorganismen (d.h. auch der Sporen) in einem Material. Desinfektion hingegen bedeutet die gezielte antimikrobielle Behandlung mit dem Ziel, die Übertragung von Mikroorganismen zu verhindern.

Abtötung durch HitzeIonisierende Strahlung (Röntgenbestrahlung, Radioaktive Bestrahlung)FiltrationUV-LichtChemische AgenzienOxidationsmittelOberflächenaktive Substanzen

Verhinderung von Kontamination mit Luftkeimen

„Cleanbench“:Gefilterte Luft bläst über den Arbeitstisch

Benutzung eines Bunsenbrenners:Aufsteigende Luft nimmt Bakterien nach oben mit

Bakterienviren

Phage Lambda

Vermehrungszyklus von Phagen

Gentransfer bei Bakterien

Bei der Transformation werden DNA-Fragmente in die Zelle aufgenommen und mit dem bakteriellen Chromosom ausgetauscht.

Bei der Konjugation paaren sich unter dem Einfluss spezieller F-Plasmide (Fertilitätsfaktoren) zwei Bakterienzellen, stellen über Plasmabrücken einen direkten Zellkontakt her und transportieren über diese Verbindung Teile des genetischen Materials (Plasmide oder Teile des Chromosoms).

Bei der Transduktion erfolgt die Übertragung der DNA durch Bakterienviren (Phagen), die sich in der Bakterienzelle vermehren und dabei irrtümlich ein DNA-Element des Bakteriums statt der eigenen DNA oder RNA einbauen.

Transformation

          Aufnahme der DNA in die Bakterienzelle          Paarung der DNA-Stränge           Doppeltes Crossing-Over und Integration der Fremd-DNA in das Bakterienchromosom          Abbau des verbleibenden DNA-Fragments 

Ist das transformierte DNA-Stück zu kurz, kommt es nur zu einem Crossing-Over, es entsteht eine nicht lebensfähige Zelle mit einem geöffneten Chromosom.

Konjugation

Konjugation, Ablauf

F+ x F-

Transfer des F-Plasmids

Hfr x F-

Transfer des bakt. Chromosoms

Allgemeine Transduktion

Der Phage kann zwar eine Zelle infizieren, sich aber nicht vermehren. Wird chromosomale DNA übertragen, rekombiniert sie mit der DNA der infizierten Zelle. Ist die DNA die eines Plasmids, kann sie repliziert werden und bleibt erhalten.

Bei der allgemeinen Transduktion werden beliebige Wirtsgene übertragen.

Größenverhältnisse Pro-/Eukaryont

Zelle im Elektronenmikroskop

Plasmamembran

Kanalproteine

Zelloberfläche

Pflanzenzelle

Chromosomenbau

Jedes Chromosom enthält 1 DNA-Molekül

DNA bildet mit speziellen Proteinen (Histonen) eine Nucleosomenstruktur

Nukleosom

Zellzyklus

Zellzyklus, Dauer

Art Interphase (min) Mitose (min)

Frucht- oder Taufliege, Ei 3 6Haushuhn, Zellkultur 700 23Hausmaus, Zellkultur 1.300 40Hamster, Zellkultur 640 24Bohne (Vicia faba) Wurzelmeristem 1.000 120Ratte, Hornhautzellen 14.000 70

Mitose

Mitose, Dauer

Zwiebel (Wurzelspitze) 20 71 6.5 2.4 3.8Erbse (Wurzelspitze) 20 78 14.4 4.2 13.2Seeigel (Embryo) 12 19 17 12 18Heuschrecke (Neuroblasten) 38 102 13 9 57Frosch (Gewebekultur) 20-24 32 20-29 6-11 6-11Huhn (Gewebekultur) 39 30-60 2-10 3-7 2-10Mensch (Gewebekultur, Milz) 38 21 13 5 4

Art Temperatur (°C) Pro Meta Ana Telo

Organellinventar der Zelle

Zellkern

Trennung von Vererbung und Zellstoffwechsel

Kernmembran stellt definiertes Milieu sicher,Kernporen kontrollieren gerichtete Aufnahme und Abgabe von Substanzen

Microtubuli / Microfilamente

Bestandteile des Zytoskeletts

Spindelapparat bei den Zellteilungen

Amöboide Beweglichkeit

Centriole

Endoplasmatisches Retikulum

Cilien

9 + 2 Struktur

Bewegung von Zellen

Basalkorn (oder Körper)

Komplexe biochemische Reaktion legt Schlagrichtung fest

Golgi-Apparat

Mitochondrium

Zytoskelett

Bewegung von Organellenam Zytoskelett entlang

Zelluläre Beweglichkeit

Amöboide Bewegung

Actin-Myosin Kontraktion, übertragen auf das Zytoskelett

Geißelbewegung

Synchronisierter, gerichteter Schlag von Geißen oder Geißelfeldern

Tensegrity

Tensegrity (Kunstwort aus engl. "tension", "Spannung" und "integrity", Ganzheit, Zusammenhalt) bezeichnet ein von Richard Buckminster Fuller und Kenneth Snelson erfundenes Architektursystem, in dem sich Strukturen durch Druck und Spannung selbst stabilisieren. Die räumlichen Gebilde bestehen aus starren Elementen (meist Stäbe, aber auch massive, dreidimensionale Körper), die untereinander mit Stahlseilen verbunden sind.

Anwendung des Tensegrity-Prinzips

Chemie:Fullerene (Käfigmoleküle)

Biologie:EndoskelettZytoskelett

Muskelzelle

Nervenzelle