Zellen und Gewebe – Morphologie eukaryoter Zellen, Biomembranen
Man schätzt, dass der Urknall 15 Milliarden Jahre zurückliegt. Die Erde jedoch hat sich erst vor etwa 4,5 Milliarden Jahren zu einer kompakten Masse verdichtet. Das Übergehen in einen festenZustand, bei dem auch die erstenFelsbrocken entstanden sind, nennt man atomare Evolution.
Die chemische Evolution begann vor etwa 4 Milliarden Jahren und brachte die BildungersterLebensformen mit sich. Nachgewiesen ist dies zum Teil durch Fossilien, deren Alter bis zu 3,5 Milliarden Jahren bestimmt werden konnte. Zu Beginn der chemischen Evolution war die Atmosphäre höchstwahrscheinlich sauerstofffrei, sodass sich zuerst anaerobe Lebensformen entwickelten.
Die biologische Evolution setzte vor etwa 3 Milliarden Jahren ein, es entwickelten sich anaerobefotosynthetischeBakterien. Dadurch wurde die Atmosphäresauerstoffreicher. Vor 2,5 Milliarden Jahren dürften sich die fotosynthetischen Cyanobakterien entwickelt haben. Durch die Zunahme an fotosynthetischen Organismen kam es zum sogenannten Sauerstoff-Schock. Dieser dürfte zur Folge gehabt haben, dass anaerobe Organismen ausstarben und sich unter einer Sauerstoffatmosphäre Eukaryonten bildeten (vor ca. 1,5 Milliarden), die wiederum die Sauerstoffproduktion anheizten.
Die chemische Evolution
Abiotische Synthese und Akkumulation organischer Moleküle (Urey Miller)
Bildung von Makromolekülen
Entstehung selbst-replizierender Moleküle
Bildung von Protobionten
Abiotische Synthese und Akkumulation organischer Moleküle
Urey-Miller, 1953
Urey und Miller zur Zeit der chemischenEvolution sehr heiß war, durch VulkanismusStickstoff entstand, UV-Strahlung einen Einfluss hatte, Unwetter mit elektrischer Strahlung stattfand und Schwefelwasserstoff vorhanden war.
Ziel Uratmosphäre in einem geschlossenen System nachzubauen.
Durch Elektroden wurden künstlichBlitze erzeugt, ein Kühler hielt den Kreislauf im System aufrecht. Bei dem Versuch konnten relativ rasch organische Verbindungen nachgewiesen werden. Es war das erste Mal, dass man Anorganisches in Organisches umwandeln konnte.
Bildung von Makromolekülen
Unter Berücksichtigung weiterer Faktoren gelang es Nachfolgeforschern, diverse organische Substanzen in einem geschlossenen System zu finden Aminosäuren
Aminosäuren können von sich aus Peptidbindungen eingehen und kurzkettige Peptide bilden. 2
Es gab auch Meinungen, dass das Leben nicht auf der Erde entstanden wäre, sondern aus dem Weltall gekommen war. Dies ist auch eine Möglichkeit, da Ciano-Wolken bei minderen Temperaturen untereinander reagieren und Adenin bilden können.
Entstehung selbst replizierender Moleküle
RNA-Moleküle
haben eine Affinität zu speziellen Aminosäuren
bilden spontan kurze Ketten, wirken als Katalysatoren für die Proteinbiosynthese (Ribozyme)
bilden komplementäre Doppelstränge (Replikation) und Vielzahl3-dimensionaler Strukturen (keine Helix)
gebildete Peptide beeinflussen Stabilität, Autokatalyse etc.
Entstehung von Protobionten
Manche Makromoleküle sonderten sich durch eine Membran ab (eingeschlossen waren dann RNA, Peptide und möglicherweise ein Energieapparat aus Schwefelverbindungen = chemoautotropher Mechanismus). Dies war der erste Protobiont. Er hat quasi in sich ein eigenes Milieu erzeugt.
Die Plasmamembran
Flüssig-Mosaik-Modell: S. Singer & G. Nicolson, 1972
Das Davson-Danielli-Modell wurde verfeinert und die Proteine ließen sich unterscheiden in integrale oder Transmembranproteine (=Ionenkanäle) und akzessorische (angelagerte) Proteine. Die Membran verhält sich wie die Membran einer Seifenblase (fluide), sie ist nicht starr, schirmt aber einen Bereich von der Umgebungab. Schnelle Seitwärtsbewegung von Phospholipiden (ca. 2 μm/sek) - Fluidität von der Sättigung der Fettsäure-Seitenketten abhängig (gesättigt = viskös; ungesättigt = fluide).
Cholesterin lagert sich zwischen die Phospholipide ein und stört die Gleichmäßigkeit der Fettsäurenketten. Es vermindert die Fluidität bei mäßigenTemperaturen und erhöht die Fluidität bei tiefenTemperaturen.
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Sie besitzen unteranderem auch eine eigene ringförmige, doppelsträngige mtDNA und eine eigene Proteinbiosynthese (Ribosomen und tRNA).
Manche der eukaryontischen Zellen waren auch in der Lage, Cyanobakterien aufzunehmen. Diese sind quasi Urpflanzenzellen, die Photosynthese betrieben.
Die Eurkaryotenzelle ist eine Chimäre
Eukaryot: Genom von doppelter Kernhülle umgeben, hat ein Protobakterium aufgenommen
nimmt Cyanobakterium auf
sekundäre Endosymbiose eines eukaryoten Organismus
Sekundäre Endosymbiose: Ein eukaryotischer Organismus kann auch einen anderen eukaryotischen Organismus aufnehmen (z. B. Malaria-Erreger). Braunalgen und Apicomplexa haben z. B. stabil eine Rotalge aufgenommen, die Plastiden haben 4 Membranhüllen.
Die eukaryote Zelle
Zellkern mit Zellmembran (= zwei Phospholipid-Doppelschichten mit Raum dazwischen)
Chromosomen
Diploidie
unidirektionaleDNA-Replikation
Introns, Exons,
alternatives Splicing des pRNA-Transkripts: Die RNA wird im Zellkern sekundär bearbeitet, indem die Introns herausgeschnitten werden. Dieses Splicing erlaubt trotz unserer relativ kleinen Genzahl eine so große Zahl und Vielfalt unterschiedlicher Proteine zu produzieren; Kombinierbarkeit der Gene
Kompartimentierung des Zytoplasmas
spezialisierte Organellen
Zytoskelett (kann Zellverband stabilisieren, verleiht Beweglichkeit und erlaubt gerichteten Transport von Vesikeln)
Entwicklung aus kernhaltigen Ausgangszellen
Mitose/Meiose mit Spindelapparat
Die tierische Zelle
Nucleolus
Nucleus
Ribosom
Vesikel
raues, endoplasmatisches Reticulum
Golgi Apparat
Zytoskelett
glattes, endoplasmatisches Retikulum
Mitochondrien
Vakuole
Zytoplasma
Lysosom
Zentriol
Zellorganellen
Endomembransystem
Ist die Gesamtheit der membranumschlossenenRäume, die untereinander oder durch Vesikeltransportmiteinander verbunden sind:
Kernhülle
Raues und glattes endoplasmatisches Retikulum
Es bildet in der Mitose die neue Kernmembran und ist durch einen Hohlraum vom Zytosol getrennt; plattenförmiges Hohlraumsystem => Kompartimentierung
raues ER mit Ribosomen
Peptid-Produktion, Faltung (höhere Struktur der Proteine), Glykosilierung (Auflagerung von Kohlenhydratseitenketten auf Proteine), Verpackung (und auf Golgi-Apparat zugeführt), Membranproteine
glattes ER ohne Ribosomen
Kohlenhydratstoffwechsel, Glykogenspeicher, Lipid- und Steroidsynthese, Ca-Speicher (Muskulatur), Entgiftung (vermehrte gER-Produktion – Toleranz gegen Medikamente und Alkohol). ER der Leberzellen ist bei permanentem Medikamentenkonsum z. B. stärker entwickelt.
Es ist in Verbindung mit rauem ER
Golgi-Apparat
Er ist ein polarer Membranstapel: Auf einer Seite Vesikel-Aufnahme, auf der anderen ausschließlich die Abgabe. Die Vesikel verschmelzen mit der Membran des Golgi-Apparates, der Inhalt wird abgegeben und Proteine bleiben im Inneren an der Membran befestigt.
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Der Zellkern
Er enthält genetisches Material in Form der Chromosomen
DNA-Helix ist in Nucleosomeneinheiten verpackt
DNA + assoziierte Proteine = Chromatin (Nucleosomeneinheiten zu Chromatinfaser verdickt)
inaktiv und kondensiert nur in Metaphase
DNA-Stränge sind um Histone gewickelt
Nucleolus: Ribosomen-Produktion (rRNA und Proteine aus Zytoplasma bilden Ribosomen-Untereinheiten)
Der Zellkern ist von der Kernhülle (-membran) umgeben
Doppelte Hülle aus zwei Plasmamembranen und perinukleärem Zwischenraum, der in offener Verbindung mit rauem ER steht
mit endoplasmatischem Retikulum in Verbindung (Teil des Endomembranensystems)
äußere Hülle mit Ribosomen besetzt
Membranporen für gerichteten Transport
Ribosomen
Sie sind der Ort der Proteinbiosynthese (Translation)
Bestehen aus rRNA und Proteinen. Freie Ribosomen (cytosolische Proteine) im Zytoplasma
Vakuolen
Nahrungsvakuolen
kontraktile Vakuolen (eingedrungenes Wasser wird nach außen transportiert und Exkrete mitgenommen), Protista
Zellsaftvakuole der Pflanzenzelle
Peroxysomen (Mikrobodies)
Sie werden vom ER gebildet.
Oxidasen zur H2O2 – Produktion
Fettsäureabbau
induzierbar bei Phagozyten des Immunsystems (Abwehr von resistenten Keimen und Parasiten)
Katalase zur H2O2 – Spaltung
Mitochondrien
Sie sind semiautonome, endosymbiontische Proteobakterien
Sie waren ehemalig ein eigenständiger Organismus; dafür spricht:
2 unterschiedliche Hüllmembranen (eine davon von der Nahrungsvakuole), eigene ringförmige, doppelsträngige mtDNA (Ähnlichkeit mit Bakterien-DNA) und eigeneProteinbiosynthese (Ribosomen und tRNA)
Synthese von Eisen-Schwefel-Clustern für .....
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Centriolen (= Basis der Geißel) spielen eine wichtige Rolle im Leben einer Zelle, weil zwei Centriolen, die rechtwinkelig miteinander verbunden sind, gemeinsam mit der umgebenden Matrix ein Centrosom/Centromer bilden. Dieses hat zwei wesentliche Aufgaben zu erfüllen, und zwar die Organisation des Mikrotubuli-Netzwerkes und die Ausbildung des Spindelapparates bei der Zellteilung.
Actinfilamente
Größe & Eigenschaften: 7nm; bestehen aus polymerisiertem ATP-Actin / dreidimensionales, kortikales Netzwerk (unter der Plasmamembran; randständig und nicht netzwerkfähig)
Stabilität
Verankerung von Transmembranproteinen (fokale Adhäsion)
Adhäsion über transmembrane Verbindungsproteine (fokale Adhäsion)
Zellmotilität (Actinpolymerisierung in Bewegungsrichtung; Interaktion mit Myosin)
Kontraktion glatter Muskelzellen
Myosin-Motor
Motorprotein eukaryotischer Zellen; Muskelprotein
Funktion: Kurzstreckentransport über Myosine
Intermediärfilamente
Größe: 10 nm
Funktion: Sie verleihen mechanische Stabilität und bilden mit assoziierten Proteinen (Desmoplaktine) große Bündel (Tonofibrillen)
strahlen in Zell-Zellverbindungen (Desmosomen) ein
Keratin
Desmin
Vimentin
Neurofilamente
Laminine
ZELLTEILUNG – MITOSE UND MEIOSE
Grundlage für - Wachstum - Regeneration - Vermehrung
Vermehrung ist nicht immer mit Fortpflanzung gleichzusetzen. Vermehrung führt durch Mitose zu identischenTochterzellen (ungeschlechtliche Vermehrung).
Sexuelle/geschlechtliche Fortpflanzung schließt die Meiose (Reifeteilung) und einen partiellen Genaustausch ein und führt zu genetisch unterschiedlichenZellen.
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S-Phase
Wenn eine bestimmte Größe erreicht wird, beginnt sich das genetischeMaterial innerhalb der Chromosomen zu verdoppeln.
Gesamte DNA Ausstattung der Zelle
Der Zellkern enthält genetisches Material in Form der Chromosomen
DNA-Doppelhelix, um Histone herumgewickelt
Superhelix
Chromatin = DNA und assoziierte Proteine
Chromatinfasern
Innerhalb eines Chromosomes hängen nun zwei Chromatinfäden an einem Centromer (ist nicht dasselbe wie zwei Chromosomen).
G2-Phase
stoffwechselaktiv
Kontrollinstanz (ist die Verdoppelung fehlerfrei verlaufen?) => wenn ja: Eintritt in Mitose
Die G1-Phase, die S-Phase und die G2-Phase bilden zusammen die Interphase (I-Phase).
Ein Zellzyklus dauert durchschnittlich 16 Stunden. Davon befindet sich die Zelle 5 Stunden lang in der G1-Phase, 7 Stunden in der S-Phase, 3 Stunden in der G2-Phase und 1 Stunde in der Mitose. Diese eine Stunde wird wie folgend aufgeteilt:
36 Minuten Prophase,
3 Minuten Metaphase,
3 Minuten Anaphase,
18 Minuten Telophase.
Die Mitosephase
Die späte G2-Phase ist die beginnende Mitose
Chromosomen verdoppelt (lockere Chromatinstruktur), hängen zusammen (zwei Chromatinfäden).
frühe Prophase
Centromer: Kinetochor = Anhaftungsstelle; Die Chromatinfäden werden zusammen gehalten und ein Kontakt zu den Spindelfasern wird hergestellt
Das Chromatinkondensiert und ist durch dunkelblaue Färbung deutl.....
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Teilung des Zellkerns in zwei genetisch identische Zellkerne ist abgeschlossen.
Cytokinese
Die Zellteilung geht mit der Ausbildung einer Teilungsfurche einher, die die beiden Tochterzellen voneinander anschnürt.
Übergang in G1-Phase
Chromatingerüst wird aufgelöst
Transkription, Translation => stoffwechselaktiv
Mitose führt zu identischen Tochterzellen Eineiige Zwillinge: Nach der ersten mitotischen Zellteilung der Zygote trennen sich die entstandenen Tochterzellen vollständig und bilden zwei getrennte Blastozysten
Zellzyklus: Checkpoints / Kontrollsystem:
G1/S1
Hat die Zelle die richtige Größe?
Ist die DNA intakt?
Fehler: Apoptose (=Selbstmordprogramm):
Zellinhalte werden in Vesikel (apoptotische Vesikel) verpackt und in Blasen nach außen transportiert, sie können von jeder beliebigen Zelle aufgenommen worden, das Material
wird resorbiert.
Vgl. Nekrose (Gewebszerstörung): Proteine werden freigesetzt und polymerisieren zu Röhren: Wasser strömt ein und Zelle platzt.
G2/M
Hat die Zelle die richtige Größe?
Ist die Chromatidenverdoppelung fehlerfrei gelaufen?
Enzyme: Cyclin-abhängige Kinase
Cyclin wird gebildet in der M-Phase bei einer bestimmten Konzentration => Aktivität von .....
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