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 Artenbiochemischer Moleküle zusammen und verwenden auf zellularer Ebene ähnlicheOrganisationsprinzipien.

Die Zelle ist die kleinste autonome Einheit des Lebens. Nur einer Zelle oder einemZellverbund kann das Prädikat „Leben“ zugeordnet werden.

Wie Zellen auf der Grundlage der sie bildenden Moleküle funktionieren, erforschtdas 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 derErde lassen sich auf einengemeinsamen Vorfahren,einer „Urzelle“, zurückführen.

Die Evolution hat sich imGenom der Lebewesen niedergeschlagen. Deshalblassen sich durch Genanalysenverwandschaftliche Bezie-hungen zwischen verschie-denen Lebewesen aufdecken (insbes. ribosomale RNA)

PhylogenetischeStammbäume

Sind Viren Lebewesen?

Beispiel: Bakteriophage

Viren bestehen aus einer Eiweißhülle undeinem Informationsmolekül (DNA oder RNA),welches den Aufbau der Eiweißhülle (dessenProteom) codiert.

Viren sind nicht in der Lage, selbständig dieDNA/RNA zu transkripieren und die Eiweiß-biosynthese auszuführen. Sie benötigendazu die Dienste einer lebenden Zelle:

Viren existieren parasitär Viren fehlen wesentliche Merkmale des

Lebens

Viren sind keine Lebewesen!

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

- doppelte Zellmembran / 1x DNA, n x Nucleoide (Ringmoleküle)- transmembrane Proteine- Adhäsine zur Anlagerung an andere Zellen

BakterienArchaea

ModellorganismusEscherichia coli

Die eukaryontische Zelle

Gegenüber prokaryontischen Zellen bedeutend größere KomplexitätBesitzt mit Membranen umgebende Zellorganellen

DNA im Zellkernkonzentriert

Zellkompartimente oder Organellen einer eukaryotischen Zelle

1. Plasmamembran2. Zytoplasma3. Zellkern4. Endoplasmatisches Retikulum5. Golgi-Apparat6. Vesikel (sekretorisch)7. Peroxysom8. Lysosom9. Mitochondrien

Schutz und Abschluß vor der Außenwelt - Zellmembranen

• 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

Doppelmembran aus Phospholipiden

(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 durchZytoskelettstrukturen 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 Mikrotubulisind in grün, Aktinfilamentesind in rot markiert worden. Die Zellkerne sind blau markiert.

Cytoskelett - Aktin-Mikrofilamente

Netzwerk von Aktin-Filamenten im Zytoplasma

Amöbe

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 (-) abgebautwerden – „Tretmühlenmechanismus“ läßt das Mikrotubuli wie eine Raupenkette durchdie 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