Die Zelle

Zellbiologie

Disziplin der Biologie, beschäftigt sich mit 1. Der Struktur der Zelle

2. Der zellulären Vorgänge

3. Der Zellteilung

Eng gebunden an:

1. Molekularbiologie

2. Biochemie

1

Theodor Schwann Matthias J. Schleiden

Zelltheorie

1. Alle Organismen bestehen aus einer oder mehreren Zellen.

2. Die Zelle ist die grundlegende Einheit für die Struktur und Funktion

der Organismen!!!!!

1838, 1839

Die Zelltheorie ist eine der fundamentalen Erkenntnisse auf dem Gebiet der Biologie. Sie besagt,

dass alle Pflanzen und Tiere sowie ihre Organe, so vielgestaltig sie auch sein mögen,

stets aus Zellen zusammengesetzt sind

3. „Omnis cellula e cellula”

-Zellen entstehen stets aus anderen Zellen

durch Zellteilung

Rudolph Virchow

Zelltheorie 1855

Diese Theorie zeitigte weitreichende Schlüsse: Wachstum ist ein Prozess, bei dem immer

mehr Zellen gebildet werden, die stets wieder aus Zellen entstehen. Auch bei der

Fortpflanzung spielt die Zelle die wesentliche Rolle. Neue Individuen entstehen stets

aus lebenden Zellen durch Zellteilung, niemals kann eine Urzeugung, also die

Entstehung von Zellen aus totem Material, beobachtet werden.

Keimtheorie

Louis Pasteur

Die Keimtheorie besagt, dass Krankheiten durch Mikroorganismen verursacht

– Entdeckung von prokaryotische Zellen

Jahre 1860

Klassifikation von Organismen

Eubakteria

Egysejtűek

Növények Állatok

Gombák

Archaebakteria

Pro

ka

ryo

te

n

Eu

karyo

te

n

I. II.

III.

Pflanzen Tiere

Pilze

Protisten

Eubakterien Archaebakterien

Wie steht's mit den Viren??

Ursprung:

I. Vereinfachte Zellen

II. Abgeleitet aus der DNA der Wirtzelle

Viren sind Zellparasiten ohne eigenen Stoffwechsel und vermehren

und verbreiten sich in ihren Wirtszellen, d. h. sie nutzen

den Stoffwechsel ihres Wirts und veranlassen ihn,

seine Strukturen zu ihrer eigenen zu machen.

RNA-Zelle Prokaryont Eukaryont

RNA DNA

DNS

Zellkern

Cytoplasmatische

DNA

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Ursprung der Zelle

Ursprung der DNA

RNA-Welt

„DNA-Welt”

Virenhypothese:

- Viren haben die DNA entdeckt, die Zelle

hat sie übergenommen nach einer

unerfolgreicher Infektion

7

RNA-Welt „Protein-Welt”

8

Ursprung der Proteine

Ursprung der Membran

9

Mizelle Doppelschicht

Prokaryotische Zellen

Ribosomen

DNA (Nucleoid)

Mesosomen

Geissel

Kapsel

Zellwand

Plasmamembran

Pilus

Cytoplasma

Plasmide

kugelförmige Zellen

zB. Streptococcus

Stäbchenförmige Zellen

zB. Escerichia coli

Schraubenförmige Zellen

zB. Treponema pallidum

Prokaryotische Zellen

„Mehrzelligen” Prokaryoten

Anabaena cylindrica

Anabaena ist eine Gattung fädiger Cyanobakterien, oder „Blaualgen“

Photosynthese Luftstickstoff fixieren Spore

Ungünstige Perioden werden als Dauerstadien überdauert, als länglich ovale Akineten.

Im Faden befinden sich häufig farblose, dickwandige, etwas größere Zellen, die Heterozysten.

Diese Heterocysten sind in der Lage Luftstickstoff zu fixieren und zu Ammonium zu reduzieren.

Ursprung

der eukaryonten Zelle

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Ursprung des Zellkerns

Eukaryontische Urzelle

(mit Zellkern, ER und Golgi)

Prokaryontische Urzelle

DNA

Membran-gebundene

Ribosomen

Cytoplasma

endoplasmatisches

Reticulum

Zellkern

Zelkernporen Innere Kernmembran

Aussere Kernmembran

Cytoplasma

Arhaezoa-Hypothese Thomas

Cavalier-Smith

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Ursprung des ER und Golgi

Purpurbakterium

Eukaryontische Urzelle

Zellkern

Frühe eukar. Zelle

(mit Mitochondrien)

Mitochondrium

(Doppelmembran)

Ursprung der Mitochondrien

Lynn Margulis

Die Endosymbiontentheorie

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Innere Membran

Frühe eukar. Zelle

Cyanobakterium

Chloroplast

(Doppelmembran)

Frühe eukar. Zelle (Mit der Fähigkeit der Photosynthese)

Ursprung der Chloroplasten

Lynn Margulis

Elysia chlorotica

Pflanzliches Tier

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Die Endosymbiontentheorie

Tierzelle

Kompartimentierung

Tierzelle

Zellkern

Tierzelle

Mitochondrium

Tierzelle

Cytoskelett

Ribosomen

Tierzelle

raues endoplasmatisches Reticulum

Am rauen endoplasmatischen Reticulum findet ein Grossteil der Proteinsynthese statt.

Tierzelle

Golgi Apparat

Tierzelle

glattes endoplasmatisches Reticulum

Aussenmilieu

Zellinneres

Tierzelle

Plasmamembran

(an Oberfläche der rauchen endoplasmatischen Reticulum)

Tierzelle

Ribosomen

Tierzelle

Centriolen

Centriolen stehen mit der Kernteilung in Zusammenhang

Pflanzenzelle

Pflanzenzelle

freie Ribosomen

Pflanzenzelle

Zellkern

Nucleolus

Pflanzenzelle

Golgi Apparat

Pflanzenzelle

Plasmodesmen

Pflanzenzelle

Chloroplast

Pflanzenzelle

Mitochondrium

Pflanzenzelle

Zellwand

Pflanzenzelle

Peroxisom

Pflanzenzelle

Plasmamembran

Pflanzenzelle

glattes endoplasmatisches Reticulum

Pflanzenzelle

raues endoplasmatisches Reticulum

Pflanzenzelle

Zellsaftvakuole

Tierzelle– Pflanzenzelle

Chloroplast

Zellwand

Inklusionskörper

Vergleich von prokaryotische

und eukaryotische Zellen

Prokarióta sejt

Eukarióta (állati) sejt

Unterschiede

Nur in Eukaryoten:

1. Zellkern

2. Kompartimente, deren

Innenraum vom Cytosol durch

eine Membran getrennt ist

Nur in Prokaryoten:

1. Proteoglycan Zellwand

2. Kapsel

Eukariotysche Zelle (Tierzelle)

Prokariotysche Zelle

Zellmembran

1. separiert den Außenwelt – selektive Stoffaufnahme und -abgabe

2. Komponent zur Kommunikation zwischen Zellen

Biomembran

- Flüssig-Mosaik-Modell

Proteinmoleküle

Phospholipid-

moleküle

Phospholipid moleküle Protein

Ph

osp

ho

lip

id

-D

op

pe

lsch

ich

t

1.

1.

1.

2.

3.

Phospholipide

Kohlen-wasser-

stoffketten

Glycerol

(Glicerin)

Phosphat

Cholin

hydrophil

hydrophob

Phosphatidylcholin (Lecithin)

Cholesterol (alter Name Cholesterin)

nur bei Tieren,

Membran mikrodomänen

- lipid rafts

Membranproteine sind asymetrisch verteilt:

Plasmamembranen besitzen im typischen Fall ein Proteinmolekül pro 25 Phospholipidmoleküle,

doch dieses Verhältnis variiert je nach Membranfunktion.

Lipid Rafts sind Andock- und Interaktionsplattformen für

Proteine

Glycocalix („Zellmantel”)

Glycocalix Zytoplasma Zellkern Zellmembran

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Extrazellulärer Glycoprotein-Schicht

Membrantransport

- Konzentrations-gradient

Lipid Doppelschicht

PASSIVER TRANSPORT AKTIVER TRANSPORT

Transport

moleküle

Kanal proteine Transporter

Konzentrations-gradient

Diffusion Durch Kanalproteine Durch Transportproteinen

Aussenmilieu

Zellinnenraum

Nucleoplasma

Aussenmembran

Innenmembran

Nucleolus

Kernpore

Kernhülle

Kernlamina

Chromatin

Zellkern

Zellkernmembranen

Innen Aussen

Kernmembran

ER-membran

ER-lumen

Kernlamina

Kernpore

Perinuclear-Raum

protein

RNS

importin exportin

protein

protein

NLS: nuclear localization signal

NES: nuclear export signal Signal Peptide

Chromosomen

Mensch: Haploider Chromosomensatz

Chromatin

Chromosom

kondensierte Form

lockerer Form

DNA und Nucleosomen

DNS und Nucleosomen

DNA

DNS

Hiszton H1

8 hisztonból álló mag

8 hisztonból álló mag

NUKLEOSZÓMA

DNS H1

H3

H4

H2A

H2B

Ribosomen

Für die Translation der genetischen Information der mRNA in eine

Polypeptidkette sind Ribosomen erforderlich. Jedes Ribosom besteht aus

zwei Untereinheiten, einer grossen und einer kleinen.

30S

Untereinheit

Proteinen: blau

RNA: orange

grosse Untereinheit

(50S)

kleine Untereinheit

(30S)

Endoplasmatische Reticulum

raues ER glattes ER

Ribosomen

raues ER

glattes ER

Aufgaben

1. Lisosomalische enzyme

2. Sekretierte Proteine

3. Transmembran Proteine

4. Glykolisierung

1. Lipid- und Steroidsynthese

2. In Tierzellen, Glykogen synthese

3. Kalzium Lagerung

4. Usw.

Freie Ribosomuntereinheiten

ER

lumen

Cytosol

Signalsequenz Signalpeptidase

Abgeschnittene Signalpeptid Geschlossener Translokator

Reifes Protein

Proteinreifung

im rauen ER

30b

Golgi Apparat

Aufgaben:

1. Proteine und Lipide

(a) chemische Modifizierung (glükolisierung,

phosphorilierung)

(b) konzentriert, verpackt und

(c) sortiert (zellularen Bestimmungsort verschickt)

2. Polysaccharid-synthese

3. Pflanzlichen Zellwand-synthese

Transport Vesikeln

Ankommend (richtung ER)

Ausgehend

Zisternen

Zellinnenraum

Aussenmilieu

Plasmamembran

raues ER

Zisternen

cis Seite

Proteine für innerhalb der Zelle

Proteine für ausserhalb der Zelle

trans

Seite

Golgi Apparat

Zellkern

Golgi Apparat

Peroxisomen, Lysosomen

Lipid Doppelschicht

Peroxisomen

Lysosomen

Kristallkern

In den Peroxisomen befinden sich ca. 60

Monooxygenasen und Oxidasen genannte Enzyme,

die den oxidativen Abbau von Fettsäuren, Alkohol

und anderen schädlichen Verbindungen

katalysieren.

Sie enthalten Verdauungsenzyme und stellen den

Oprt dar, an dem Makromoleküle wie Proteine,

Polysaccaride, Nukleinsauren und Lipide, durch

Hydrolyse in ihre Monomere zerlegt werden.

Zellinnenraum

Aussenmilieu

Plasmamembran

Durch

Phagocytose

aufgenommene

Nahrungspartikel

Phagosom

primäres Lysosom

sekundäres lysosom

Lysosomen

Golgi Apparat

Proteasomen

Proteinkomplex von 1.700 kDa, der im Cytoplasma und im Zellkern

(bei Eukaryoten) Proteine zu Fragmenten abbaut und daher zu den

Peptidasen (auch Proteasen) zählt.

Proteine, die abgebaut werden sollen, werden in einem mehrstufigen enzymatischen

Prozess mit einer Polyubiquitin-Kette markiert, welche von den Proteosom erkannt wird.

Ubiquitin ist ein kleines Protein mit einer Molekülmasse von 8,5 kDa. Die Polyubiquitin-

Kette wird beim Abbau in ihre einzelnen Ubiquitin-Moleküle zerlegt, die dann

wiederverwendet werden können. Entscheidend für die Markierung (und damit für Abbau

und Halbwertszeit des Proteins) ist einzig die N-terminale Aminosäure. Der Proteinabbau

ist für die Zelle lebensnotwendig. So werden metabolische Enzyme,

Transkriptionsfaktoren oder auch den Zellzyklus regulierende Proteine wie Cycline, CDK-

Inhibitoren degradiert. Ebenso werden fehlerhafte Proteine abgebaut. Auch die Peptide,

die an den MHC I-Komplex gebunden auf der Oberfläche der Zelle dem Immunsystem

präsentiert werden, werden im Proteasom prozessiert.

Protein

ubiquitin

Protein mit Ubiquitin-Kette

Proteosom

Markirte Protein im Proteosom

Protein abbau

wiederverwendung von Ubiquiton

Mitochondrium

matrix

Innen-membran

Aussen-membran

Intermembran raum

Innen-membran

Aussen-membran

matrix

Cristae

Mitochondrium

Chloroplast

Innen-membran

Aussen-membran

Intermembran raum

Stroma (matrix Raum)

Thylakoid membran

Tilakoid lumen

Chloroplast

Innen- membran

Aussen- membran

Intermembran raum

Thylakoid membran

Stroma

Granum

Thylakoid stapel

Das Cytoskelett

Mikrotubuli Mikrofilamente Intermediärfilamente

1. Es verleiht der Zelle Form und Reissfestigkeit

2. Es ermöglicht verschiedene Arten zellulärer Bewegung.

3. Es liefert „Schienen” für Motorproteine, die an der

Bewegung von Zellbestandteilen beteiligt sind.

Das Cytoskelett

Mikrofilamente

Intermediärfilamente Mikrotubuli

Plasmamembran

raues ER

Mikrofilamente

Intermediärfilamente

Mikrotubuli (Makrofilamente)

Das Zytoskelett

Aktin Monomer

Mikrofilamente

(Actinfilamente)

• Actinfilamente bestehen aus Strängen des Proteins Actin und treten häufig mit Strängen anderer Proteine in

Wechselwirkung.

• Actinfilamente verändern die Zellgestalt und ermöglichen die Zellbewegung (Kontraktionen,

Cytoplasmaströmung).

• Actinfilamente und Myosinfilamente sind gemeinsam für die Muskeltätigkeit verantwortlich.

Fibrilläre Untereinheit

Intermediärfilamente

• Intermediärfilamente bestehen aus fibrilläre Proteinen, diese stabilisieren die Form der Zelle und verleihen ihr

Reissfestigkeit.

• Manche sind an Desmosomen verankert unterstützen so den Zusammenhalt von Nachbarzellen.

• Andere bilden die Kernlamina

• Mikrotubuli sind lange zylinderförmige Gebilde, die aus Tubulin gebildet werden. Tubulin besteht aus zwei Untereinheiten :

-tubulin und -tubulin

• Mikrotubuli verlängern oder verkürzen sich, indem Tubulin-Dimere zugefügt oder entfernt werden.

• Durch das Verkürzen von Mikrotubuli werden die Chromosomen

bei der Zellteilung bewegt.

• Wechselwirkungem zwischen Mikrotubuli ermöglichen Zellbewegungen.

• Mikrotubuli dienen als „Gleise” für die Beforderung von Vesikeln.

Tubulin Dimer

-Tubulin

Monomer

-Tubulin

Monomer

Mikrotubuli

(Makrofilamente)

Zytoskelett

- Zellteilung

astrale kinetochor interpolare

Mikrotubuli

Motorprotein

Kromosom

Kinetochor

Zentrosom

Die Schwierigkeiten

der Multizellularität

unizelluläre Pflanzen

O2 Aufsammlung

Erde entseht

Leben entsteht

Erste Fossilien Photosynthese entsteht

Erste wirbellose Tiere

Explosion in Kambrium (viele Arten)

erste Fische

Erste festländliche Pflanzen

und Tiere

Erste Amphibia

Erste Reptilia

Aussterbung in Perm

erste Säugetiere

erste Pflanzen mit Blumen

Erste hauptsäugetiere

Erste Hominiden

Aussterbung in Kreta

Zeit (Mrd. Jahre) Zeit (Mill. Jahre)

Nur unizelluläre Lebewesen wurden 2.5 Milliarden Jahrelang existiert. Seit 600 Millionen Jahren existieren

die multizelluläre Lebewesen. Warum waren Sie so verspätet?

Es musste eine gemeinsame Sprache erfinden, die den verschiedenen Zelltypen eine Mitwirkung gab.

1. Symbionten Theorie

2. Zellularisation Theorie

3. Kolonisation Theorie

Ursprung der Multizellularität