I. Die Zelle

(1)

Ringvorlesung WS 07 / 08:

Zellbiologie 2

Wolfgang Dröge-Laser

(2)

I. Die Zelle

1

.

Wie untersucht man Zellen?

Methoden: - Mikroskopie

- Zellfraktionierung 2. Überblick über die Zelle

Wie unterscheiden sich Prokaryonten – Eukaryonten ? Wie unterscheiden sich pflanzliche und tierische Zellen ? 3. Kompartimentierung:

Membranen grenzen Zellen und Funktionsräume ab

II. Die „Zellbestandteile“:

1. der Zellkern 2. die Ribosomen

3. das Endomembran-System 4. die Mitochondrien

5. die Plastiden 6. die Peroxisomen 7. das Cytoskelett

III. Die „Hülle“ der Zellen

1. die pflanzliche Zellwand

2. die extrazelluläre Matrix der Tiere 3. die bakterielle Zellwand

4. Zell-Zell-Kommunikation

Programm: Zellbiologie

16.01.08

23.01.08

25.01.08

18.01.08

(3)

2. Wie sind Zellen aufgebaut?

Überblick über die Zelle

I. Die Zelle

(4)

Prokaryonten - Eukaryonten

Wichtigster Unterschied:

die Chromosomen der Eukaryonten liegen in einem Membran-umschlossenen Zellkern (Nucleus).

Prokaryonten besitzen keinen Kern, der durch Membranen abgetrennt ist.

Man spricht hier von Nucleoid.

Namensgebung: griech.: eu (echt) karyon (Kern)

pro (vor)

(5)

Prokaryonten - Eukaryonten

Prokaryonten Eukaryonten

gemeinsame Merkmale Umhüllung:

Zellinhalt:

Erbmaterial:

Unterschiede

DNA: Kein Zellkern (Nucleoid) Zellkern (Nukleus) Größe: normalerweise sehr klein

(1 – 10 µm) normalerweise größer (10 – 100 µm)

Aufbau der Ribosomen: 70S 80S

Organisation: 1-zellig normalerweise Zellverbände

Metabolismus: oft anaerob normalerweise aerob

Organellen: keine Membran-

umschlossenen Organellen Membran-umschlossene Organellen

Plasmamembran Cytosol

DNA (Chromosomen)

(6)

Überblick über die Pflanzenzelle

Golgi Apparat

Zellwand

Plasmamembran/

(Plasmalemma)

Mitochondrien Peroxisomen Apoplast

Mittelllamelle

glattes Endoplasmatisches Retikulum (ER) Chloroplast

raues Endoplasmatisches Retikulum (ER) (mit Ribosomen) Nukleolus

Nukleus mit Chromosomen Kernhülle

Mittelllamelle

Plasmodesmata Vakuole

Tonoplast

„Zellorganellen“

… in Pflanzenzellen,

aber nicht in Tierzellen:

Chloroplasten,

Zellsaftvakuole mit Tonoplast, Zellwand mit Plasmodesmen

(7)

Überblick über die tierische Zelle

… in Tierzellen, aber nicht in Pflanzenzellen:

Lysosomen (Aufgabe übernimmt in Pflanzen die Vakuole) Centriolen, Flagellen (Ausnahme mache pflanzl. Spermazellen)

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I. Die Zelle

1

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Wie untersucht man Zellen?

Methoden: - Mikroskopie

- Zellfraktionierung 2. Überblick über die Zelle

Wie unterscheiden sich Prokaryonten – Eukaryonten ? Wie unterscheiden sich pflanzliche und tierische Zellen ? 3. Kompartimentierung:

Membranen grenzen Zellen und Funktionsräume ab

II. Die „Zellbestandteile“:

1. der Zellkern 2. die Ribosomen

3. das Endomembran-System 4. die Mitochondrien

5. die Plastiden 6. die Peroxisomen 7. das Cytoskelett

III. Die „Hülle“ der Zellen

1. die pflanzliche Zellwand

2. die extrazelluläre Matrix der Tiere 3. die bakterielle Zellwand

4. Zell-Zell-Kommunikation

Programm: Zellbiologie

16.01.08

23.01.08

25.01.08

18.01.08

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3. Wie werden die Zellen abgegrenzt:

Kompartimentierung:

Membranen grenzen Zellen und Funktionsräume ab

I. Die Zelle

(10)

Membranen – Abgrenzung von Funktionsräumen

Die Plasmamembran („Plasmalemma“):

¾ Grenzschicht zur Umwelt bzw. zur Nachbarzelle

¾ Stoffaustausch zwischen den Zellen

¾ Stoffaustausch zwischen Zelle und Umwelt

¾ Signalaustausch zwischen Zelle und Umwelt

¾ Selektive Durchlässigkeit (Permeabilität)

Auswahl der Stoffe: Eigenschaft des Lebendigen!

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Kompartimentierung: Abgrenzung von Funktionsräumen

¾ ermöglicht den Ablauf verschiedener chemischer Reaktionen durch Trennung der Reaktionsräume

¾ strukturelle Organisation der Stoffwechselreaktionen (z. B. Atmungskette)

¾ wichtige Voraussetzung: geregelter Transport von Molekülen

Beispiel:

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Struktur der biologischen Membranen: Modellvorstellungen

¾ Overton (1895): Membranen bestehen aus Lipiden

Experiment: fettlösliche Substanzen („lipophil“) dringen leichter in Zellen ein als „lipophobe“

¾ Langmuir (1917): Künstliche Herstellung von Membranen

Experiment: Phospholipide in organischem Lösungsmittel gelöst zu Wasser geben => Ausbildung einer Membran an der Oberfläche

Phospholipide sind

„amphipathisch“

wasserliebend

„hydrophil“

„hydrophob“

(13)

Struktur der biologischen Membranen: Modellvorstellungen

¾ Gorter und Gredel (1925): Membranen sind Lipiddoppelschichten

=> Abtrennung von zwei wässrigen Räumen

¾ Davson und Danielli (1935): (Sandwichmodell)

¾ 50er Jahre des 20. Jh: erstes EM-Bild der Zellwand

hydrophober Bereich Phospholipid-

Doppelschicht („Bilayer“)

Proteine

Phospholipid- Doppelschicht

(14)

Darstellung der Membranproteine durch REM

1. gefrieren in flüssigem Stickstoff, 2. schneiden

Membran wird gebrochen

Bedampfen der Oberfläche für REM

Modell:

(15)

Das „Flüssig-Mosaik-Modell“ der biologischen Membran (Singer & Nicolson, 1972)

Biomembranen:

¾ Lipide sind flüssig, nicht starr fixiert („Fluidität“)

¾ werden von hydrophoben Wechselwirkungen zusammengehalten

¾ „Flip-Flop“-Bewegung der Lipidmoleküle

¾ Fluidität ist von der Lipidzusammensetzung abhängig:

bei niedrigen Temperaturen nimmt die Fluidität ab Membranproteine werden inaktiv

(16)

Wiederholung: Chemischer Aufbau:

Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren

Dehydratisierungs-

reaktion Ester-Bindung

Alkohol

org. Säure Ester

Glycerin

Fettsäure Fettsäure Fettsäure

Fette oder Triacylglycerine

(17)

Dehydratisierungs-

reaktion Ester-Bindung

Alkohol

org. Säure Ester

Glycerin:

3 Hydroxy-Gruppen (dreiwertiger Alkohol)

Fettsäure

aliphatische CH-Kette (unpolar)

Carboxyl- gruppe

Wiederholung: Chemischer Aufbau:

Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren

(18)

Glycerin:

3 Hydroxy-Gruppen (dreiwertiger Alkohol)

Fettsäure

aliphatische CH-Kette (unpolar)

Carboxyl- gruppe gesättigte Fettsäuren:

ungesättigte Fettsäuren (enthalten Doppelbindungen!):

Doppelbindungen

Wiederholung: Chemischer Aufbau:

Fette sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren

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Mehrfachbindungen beeinflussen die Eigenschaften der Fettsäuren

Doppelbindungen:

„Knick“ in der Kohlenwasserstoffkette

„gesättigte“ Fette:

meist tierischer Herkunft

„ungesättigte“ Fette:

aus Pflanzen oder Fischen

Härtung: synthetische Addition von Wasserstoff an ungesättigte Fettsäuren Öle, bei RT flüssig

(20)

Phospholipide bilden die Hauptbestandteile der Zellmembranen

hydrophober

Bereich

Membran

Wasser Wasser

Wiederholung: Phospholipide

(21)

Phospholipide bilden die Hauptbestandteile der Zellmembranen

Glycerin Cholin

(22)

Phospholipide bilden die Hauptbestandteile der Zellmembranen

hydrophober Bereich

Membran

Phospholipiddoppelschicht

(23)

Die Fluidität der Membranen hängt von den chemischen Bestandteilen ab

¾ Pflanzen: Kälte-resistente Pflanzen haben einen erhöhten Anteil an ungesättigten Fettsäuren

¾ Tiere: Membranen enthalten Cholesterin (Steroide!): reduziert die

Fluidität bei der relativ hohen Körpertemperatur von 37

^o

C

(24)

Das „Flüssig-Mosaik-Modell“ der biologischen Membran (Singer & Nicolson, 1972)

Biomembranen:

¾ bestehen aus Lipiden, Proteinen und Kohlenhydraten

¾ Proteine sind größer und weniger beweglich; sie bewegen sich aber auch und sind teilweise durch das Cytoskelett fixiert

¾ Innen- und Außenseite sind unterschiedlich (asymmetrisch): Lipidzusammensetzung, Proteinorientierung, Kohlenhydratmodifizierungen („Glykolipide“, „Glykoproteine“)

¾ Aufbau verschiedener Membranen ist unterschiedlich

(25)

Selektive Permeabilität von Membranen

O₂, CO₂, N₂

H₂O hydrophob

kleine, ungeladene, polare Moleküle

große, ungeladene polare Moleküle

Glucose, Saccharose

geladen H⁺, Na⁺, Ca⁺⁺, Cl^-, K⁺

(26)

permeable Membran:

durchlässig für Wasser ( ) und gelöste Teilchen ( )

H₂0

Selektive Permeabilität von Membranen

[ ]

₁

< [ ]

₂

1

2 [ ]

₁

= [ ]

₂

vorher… nachher…

¾ Ausgleich des

Konzentrationsgradienten (passiver Transport)

¾ spontan

(Entropie nimmt zu!) Konzentrations-

gradient

Diffusion:

[ ]

₁

= [ ]

₂

(27)

Selektive Permeabilität von Membranen

[ ]

₁

< [ ]

₂

1

2

vorher…

semipermeable Membran

:

durchlässig für Wasser ( ) nicht für die gelösten Teilchen ( )

nachher…

Konzentrations- gradient

Osmose:

[ ]

₁

< [ ]

₂

[ ]

₁

> [ ]

₂

[ ]

₁

= [ ]

₂

(28)

Selektive Permeabilität von Membranen

O₂, CO₂, N₂

H₂O hydrophob

kleine, ungeladene, polare Moleküle

große, ungeladene polare Moleküle

Glucose, Saccharose

geladen H⁺, Na⁺, Ca⁺⁺, Cl^-, K⁺

(29)

Aufgaben der Membranproteine

(30)

Transmembranproteine

7 hydrophobe α-helices

(31)

Diffusion

erleichterte Diffusion

Passiver Transport

Antiport Symport

Co-Transport Uniport

„

Transporter“,

„Carrier“

getrieben vom Konzentrationsgrdient

(32)

Beispiel für aktiven Transport:

Der Na

⁺

/K

⁺

Transporter bei Tieren

¾ 3 Na+ werden gegen 2 K+ ausgetauscht: Aufbau einer Membranspannung

…vergleichbar mit der Aktivität

eines Enzyms

(33)

Ionentransport kann ein elektrisches Potential erzeugen

…bei Tieren: …bei Pflanzen:

+ -

¾ Ionentransporter verändern nicht nur die chemische Verteilung von Ionen sondern auch das elektrische Potential an einer Membran

(Aufbau eines „elektrochemischen Gradienten“)

¾ „Energetisierung“ der Membran

¾ Wie in einer Batterie kann Energie in einem Membranpotential gespeichert werden, das zur Verrichtung von Arbeit von der Zelle nutzbar gemacht werden kann

Protonenpumpe

(34)

Aufgaben der Membranproteine

(35)

Der Zellstoffwechsel ist in abgegrenzten Räumen organisiert

¾ Multienzymkomplexe:

koordinierte Synthesen

¾ Enzyme in Membranen

(z. B. Elektronentransportketten)

¾ Enzyme in Membran-umschlossenen Räumen (z. B. Stroma d. Chloroplasten)

Chloroplasten

(36)

Aufgaben der Membranproteine

(37)

Membran-Rezeptoren dienen der Signalübertragung

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