• Aufbau der eukaryontischen Zelle

Vorlesung Mikrobiologie

• Was sind Mikroorganismen

• Aufbau der prokaryontischen Zelle

• Aufbau der eukaryontischen Zelle

Verwendete Bilder aus folgenden Büchern…….

eigene und von Kollegen

Cypionka: „Mikrobiologie“, ^Springer

Schlegel: „Allgemeine Mikrobiologie“, ^Thieme Brock: „Microbiology“, Prentice Hall

Gunning&Steer: „Biologie der Pflanzenzelle“, ^Fischer

Ude&Koch: „Die Zelle“, ^Fischer

Mikroorganismen

• alles, was „mikroskopisch“ klein ist

• kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges (d _Auge ca. 100 µm)

• kleine Dimensionen: 1 m = 10 ³ mm 1 mm = 10 ³ µm 1 µm = 10 ³ nm

•aber: fließende Übergänge…….

Acetabularia eine Zelle!!

Wichtige Hilfsmittel in der Mikrobiologie

• Lichtmikroskopie Hellfeld (HF)

Phasenkontrast (PhaKo) Dunkelfeld (DF)

Diff. Interferenzkontrast (DIK) (Auto-)Fluoreszenz (Fl)

Färbungen

• Rasterelektronenmikroskopie

•Transmissionselektronenmikroskopie

• Anreicherungs-/Reinkulturen

• Biochemische Techniken

• Molekularbiologische Techniken

Gilson & McFadden, Bioassays 19(2), 167-173 (1997) Fraunholz et al. Pl.Sys.Evol. [Suppl.] 11, 163-174 (1997)

18 S rDNA Nukleomorph

18 S rDNA Kern

Mikroorganismen

Prokaryo(n)ten: - Eubakterien - Archaea

Eukaryo(n)ten: - Pilze/Flechten - Algen/Pflanzen - Protozoa/Tiere

nein Zellkern (Nukleus)

ja

ja

ja

nein

Eubakterien

a-Proteobakterien, gram (-) (I) ß-Proteobakterien, gram (-) (I)

?-Proteobakterien, gram (-) (I) d-Proteobakterien, gram (-) (I) gram(+) low G+C (II) gram (+) high G+C (II)

Cyanobacterien, Prochlorophyten (III) Chlamydien (IV)

Planctomyces, Pirella (V) Bacteroides, Flavobakteria (VI) Grüne S-Bakterien (VII) Spirochaeten (VIII) Deinococcen (IX)

Grüne Nicht-S-Bakterien (X) Hyperthermophile (XI, XII, XIII)

heute:

• Diplomonaden

• Microsporidia

• Trichomonaden (Trichomonas vaginalis)

• Trypanosomen (Trypanosoma cruci)

• Euglenophyten (Euglena gracilis, Augentierchen)

• Schleimpilze

• Ciliaten (Paramecium, Pantoffeltierchen)

• Dinoflagellaten

• Chromophyten (Kieselalgen, Braunalgen,….)

• Rotalgen

• Grünalgen (Chlamydomonas, Volvox, Ulva,…)

• Pilze (Hefen, Steinpilz,….)

• Moose, Farne

• Höhere Pflanzen

• Tiere

Eukaryonten

früher:

• Algen

• Pilze

• Protozoen

• Pflanzen

• Tiere

Typische Bestandteile einer eubakteriellen Zelle

Zellwand (10-80 nm) (u.U. Schleimkapsel)

Cytoplasmamembran (8nm) u.U. Pili (Pilus)

Genom (Nukleoid, DNA)

Ribosomen Cytoplasma

u.U. Gasvesikel u.U. Fimbrien

u.U. Speicherstoffe

u.U. Endomembransysteme u.U. Geißeln

(Flagellum, Flagella)

u.U. Plasmide, Episomen, F-Faktoren (DNA)

i.d.R. wenige (1-2) µm lang, breit oder im Durchmesser !!

Typische Bestandteile einer eukaryontischen Zelle

Mitochondrium (Mitochondrien)

Zellwand Endoplasmatisches Retikulum (bei Pflanzen) Zellkern (Nukleus)

Cytoplasmamembran

Geißel Ribosomen (Fimbrien, Cirren) Golgi-Apparat

Reservestoffe

bei Pflanzen: Vakuole(n)

bei Pflanzen: Chloroplasten (Plastiden)

Größe: i.d.R. > 10 µm, aber: > 2 µm (Nanoflagellaten)

Wichtiges Unterscheidungskriterium:

Eukaryonten sind komplizierter aufgebaut als Prokaryonten!!!

u.U. komplex Stäbchen, Coccen,

Spirillen Form

Eukaryonten Prokaryonten

ja i.d.R. nicht

Kompartimentierung

viele keine

Zellorganellen

i.d.R. > 10 µm i.d.R. < 2 µm

Größe

• Kompartimente (Organellen) sind membranumschlossene Reaktionsräume mit unterschiedlichen Funktionen

• Kompartimente (Organellen) ermöglichen die zeitliche und räumliche Trennung von Stoffwechselprozessen

Unterscheidungsmerkmal Größe und seine Folgen

0,29 : 1 3 : 1

O/V

++

(h, d) +++++

(20 min) Wachstum

Verdopplungszeit

++

+++++

Stoffwechsel Stoffaustausch

ca. 4200 µm ³ ca. 4,2 µm ³

Volumen (V) 4/3 pr ³

ca. 1200 µm ² ca. 12,6 µm ²

Oberfläche (O) 4pr ²

20 µm 2 µm

Durchmesser (D)

Eukaryont

Prokaryont

typisch prokaryontische Zellfortsätze !!!!!

Fimbrien: Adhaesion, Anheftung 3-25 nm Durchmesser bis ca. 12 µm lang

Pili: Austausch von DNA (Sexpili, F-Pili) Adhaesion, Anheftung,

Bewegung,

3-25 nm Durchmesser bis ca. 12 µm lang

Hohlzylinder aus Proteinen (Pilin)

Prokaryontische Geißel (Flagellum)

Begeißelung: monotrich polytrich

polar

bipolar (amphitrich) lateral

peritrich lophotrich

clock wise (CW) gerichtetes Vorwärtsschwimmen

counter clock wise (CCW) Taumelbewegung

Reaktion auf: Nährstoffe, Gifte Licht,

Gase (O ₂ ), Magnetfeld

Gradienten

Eukaryontische Geißel (Flagellum, Fimbrien,Cilien, Cirren)

Wichtiges Unterscheidungskriterium: Geißeln

nein ja

Protein-Hohlzylinder

ca. 500 nm 18-20 nm

Durchmesser

Polymerisation in der Zelle, Centriol Polymerisation außerhalb

der Zelle Synthese

mehrere µm bis ca. 20 µm

Länge

ja (Dynein) nein, mittels Haken

aktive Eigenbewegung

Tubulin (9+2), Dynein, Membran-umschlossen Flagellin

besteht aus

ja Nein

von Cytoplasmamembran umgeben

Eukaryonten

Prokaryonten

weitere Arten der Bewegung:

Gasvesikel: - Auftrieb, Abtrieb in der Wassersäule durch Aufbau, bzw. Abbau d. GV - mit Gasgemisch gefüllte Proteinröhren

Gleitende B.: - kriechende B. auf festem Substrat - Ausscheiden von Schleim, oder - mittels Pili

Schwebende B.:- via Fetttröpfchen (Auftrieb) - via Zell-, Schwebefortsätze

Pro- Eu- karyonten

+ -

+ +

(-) +

Gasvesikel

Gleitende Bewegung

• Exoskelett (Fußballleder um aufgeblasenen Gummiballon)

• wichtig für Osmoresistenz

• verleiht Form (Prokaryonten)

• wichtig für die Bewegung (bei Prokaryonten)

• kann auch fehlen (Milieu-abhängig, Kontraktile Vakuolen in Eukaryonten)

Zellwand

Speicherstoffe

• Polyphosphate z.B. „Voluntingranula“

• Schwefel

• Proteine z.B. „Cyanophycin-Granula“

• Polysaccharide Glykogen Stärke Amylopektin

• Fette, Lipidtröpfchen

• Poly-ß-Hydroxybuttersäure

Pro- Eu- karyonten + +

+ - + +

+ +

+ + + -

Cytoplasmamembran

• Membranen von Eubakterien und Eukaryonten sind Lipid-Bilayer

• Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinester

• Membranen von Archaea sind Lipid-Monolayer oder ein Mix aus Mono- und Bilayer

• Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinether

Funktionen der Cytoplasmamembran

• Permeabilitätsbarriere

• Kontrollierter Stoffaustausch

• Verankerung (Geißel, Proteine)

• Aufbau von Gradienten

• „Bindeglied zur Umwelt“

Der Stofftransport erfolgt in der Regel über spezialisierte

(Membran-)Proteine: Transporter

• erleichterte Diffusion

• aktiver Transport

• Uniport

• Antiport

•Symport

•Gruppentranslokation

+ +

+/- Lipid-Bilayer

Eukaryonten Eubakterien

Archaea

C16, C18, Sterole C16, C18, C30-

Hopanoide -

Fettsäuren

- -

+ C20-, C40-

Verbindungen mit Isopren als Grundbaustein

+ +

- Glycerinesther

- -

+ Glycerin-Diether,

Glycerin-Tetraether

- -

+

Lipid-Monolayer

Nahrungsaufnahme

+ +

Transporter

+ +

Exoenzyme

+ -

Phagocytose

+ -

Pinocytose

Eukaryonten Prokaryonten

Prokaryonten-Genom (DNA): Nukleoid

Eukaryonten-Genom: Nukleus, Zellkern

zeitlich und räumlich getrennt!!!

gleichzeitig! keine räumliche Trennung!!

Transkription/Translation

Plastiden-DNA Mitochondriale DNA,

Mini-Circles Plasmide

(Episome, F-Faktoren) Extrachromosomale DNA

i.d.R. ja; Histone (Nukleosomen) i.d.R. nein

Assoziation mit Proteinen

haploid, diploid, polyploid i.d.R. wenige Kopien

Kopienzahl

i.d.R. viel größer (10

-10

bp), (Mensch: 2,9x10

bp) ca. 5x10

–10x10

bp

Größe

i.d.R. mehrere, lineare, doppelsträngige DNA Moleküle (Chromosomen),

Telomere an den Enden i.d.R. ringförmige,

geschlossene (circuläre), doppelsträngige DNA

(supercoiled) Aufbau

von Kernhülle umgeben, 2 Membranen!!, Kernporen!!

frei im Cytoplasma (Centroplasma) Lokalisation

Nukleus (Zellkern) Nukleoid

DNA

Eukaryonten Prokaryonten

• oft sehr komplex!!!

• Meiose

• Gameten, Gametophyten,

• Zygoten, Sporophyten

• i.d.R. primitiv!!!!

• F-Duktion (Bakteriophagen),

• Konjugation (Sex-Pili),

• Aufnahme freier DNA (Transformation) sexuelle

Vermehrung

• Regulatorische Funktionen (z.B.

Promotoren),

• mRNA,

• tRNA,

• rRNA

• sehr viel unwichtige, nicht funktionelle (junk) DNA

• Regulatorische Funktionen (z.B.

Promotoren),

• mRNA (kodiert für Proteine),

• tRNA (transfer RNA),

• rRNA (ribosomale RNA)

• nur wenig unwichtige, nicht funktionelle DNA

DNA

• Mitose

• i.d.R. Zweiteilung,

• Knospung,

• Sprossung,

• (multiple) „Endosporenbildung“

• i.d.R. Zweiteilung

• Knospung,

• Sprossung,

• (multiple) Endosporenbildung asexuelle

Vermehrung

Eukaryonten

Prokaryonten

Ribosomen:

Ribosomen:

•Ort der Translation (Proteinbiosynthese)

• ca. 10 ⁴ pro Zelle

• frei im Cytoplasma, oder…..in Eukaryontischen Zellen….

• assoziiert mit Endoplasmatischem Retikulum (ER) (rauhes ER, rER, granuläres ER, GER)

• Merke: Ribosomen in Mitochondrien und Chloroplasten

• Target für in situ Hybridisierung (FISH)

• wichtig für phylogenetische Untersuchungen (16S/18S rRNA)

40S-UE: 18S 60S-UE: 5S, 5.8S,

28S 30S-UE: 16S

50S-UE: 5S, 23S 30S-UE: 16S

50S-UE: 5S, 23S ribosomale RNA

(rRNA)

40S-UE: ca. 30 (S1, S2,….) 60S-UE: ca. 50 (L1,

L2,….) 30S-UE: ca. 21 (S1,

S2,….) 50S-UE: ca. 34

(L1, L2,….) 30S-UE: ca. 21 (S1,

S2,….) 50S-UE: ca. 34 (L1,

L2,….) ribosomale

Proteine

Cycloheximid Chloramphenicol

Streptomycin Hemmstoffe

40S + 60S Untereinheit 30S + 50S

Untereinheit 30S + 50S

Untereinheit (UE) zusammengesetzt

aus….

80 S 70 S

70 S Typ

Eukaryonten Eubakterien

Archaea Ribosomen

Typische eukaryontische Kompartimente

• Cytoskelett (Zellform)

• Spindelapparat (Mitose, Geißelbau)

• Organellen (Zellkern, Geißel, Endoplasmatisches Retikulum,

Golgi-Apparat, Mitochondrium, Chloroplast)

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

granuläres ER (GER), rauhes ER (RER)

• mit 80S Ribosomen besetzt

• in Verbindung mit der Kernhülle

• Proteinsynthese in den Innenraum des ER (Lumen)

• Proteinsekretion via GER ? Golgi ? nach draußen ! Chloroplasten (Ausnahme)

• Modifikation von Proteinen

agranuläres ER, glattes ER, smooth ER (SER)

• ohne Ribosomenbesatz

• mit Enzymen für den Lipidstoffwechsel

• Ca

Speicher (Muskeln)

Golgi-Apparat

Golgi-Apparat:

• eng mit dem ER assoziiert (transitional vesicles)

• asymmetrisch gebaut (cis-, trans-site)

• Modifikation von Proteinen (Glykosylierung, Aktivierung durch limitierte Proteolyse)

• „sorting“ von abbauenden Enzymen (Lysosomen), sekretorischen Enzymen (Exoenzyme)

• Ausschleusen von Substanzen (Sekretion)

• S Dictyosome = Golgi-Apparat

Mitochondrium (Mz: Mitochondrien)

• zwei Hüllmembranen (OME, IME)

• innere Membran (Cristae, Tubuli) spezialisiert für Energiekonversion (ATP-Synthese,

Atmungskette)

• inneres „Cytoplasma“ (Matrix): Citrat-Cyclus, Fettsäure-Metabolismus, ß-Oxidation von Fettsäuren, Synthese v. Steroiden

• mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei in der Matrix

• mit 70S Ribosomen

• mit eigenen Transkriptions- und Translationsapparat

• nur wenige mitochondriale Proteine werden auch mitochondrial kodiert

• daher: Import von im Zellkern kodierten Proteinen über beide Hüllmembranen

• semiautonomes Zellorganell !!!!

Chloroplasten

Stroma Granum

Grana(-thylakoide)

Stroma(-thylakoide)

(Thylakoid-)Lumen

• zwei Hüllmembranen (OCE, ICE)

• internes Membransystem (Thylakoide) spezialisiert für Photosynthese (Chlorophylle, Carotinoide, Photosysteme) und

Energiekonversion (ATP-Synthese)

• inneres „Cytoplasma“ (Stroma): CO

-Fixierung (Calvin Cyclus), Lipidsynthese, Stärkespeicherung

• mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei im Stroma

• mit eigenem Transkriptionsapparat

• mit 70S Ribosomen

• mit eigenem Translationsapparat

• nur wenige plastidäre Proteine werden auch plastidär kodiert

• daher: Import von im Zellkern kodierten Proteinen in die Plastiden

• semiautonomes Zellorganell !!!!

Endosymbionten-Theorie

da Chloroplasten und Mitochondrien….

• (70S) Ribosomen, eigenen Translationsapparat

• eigene RNA, eigenen Transkriptionsapparat

• eigene (circuläre, histonfreie) DNA, eigenen Replikationsapparat

enthalten…..könnten sie von Bakterien abstammen!!!!

16S rDNA phylogenetische Untersuchungen beweisen es !!!

aber:

Semiautonomie!!!!

Abhängigkeit vom Zellkern!!!!

Gentransfer: Organell ? Zellkern