Zellbiologie 1+2 (Die Zelle und ihre Komponenten I+II)

Robert Hooke 1665: veröffentlicht "Micrographia"

-> baute ein eigenes Lichtmikroskop

-> Entdeckung von Zellen

Bakterien, Archea, Eukaryoten

• Alle Arten von Zellen speichern ihre Informationen in derselben Art von chemischen Codes: DNA

• Alle Arten von Zellen transkribieren ihre Informationen in dieselbe übergangsform: RNA

• Alle Arten von Zellen nutzen Proteine als Katalysatoren: Enzyme

• Alle Arten von Zellen translatieren die RNA zu Proteinen gleich 

Eine lebende Zelle kann mit weniger als 500 Genen auskommen. Das Bakterium Mycoplasma besitzt das kleinste bekannte Genom. Es besteht aus nur 530 Genen, wobei nur 400 essenziell sind. Das Genom von 580.070 Nukleotiden Paaren repräsentiert eine Informationsmenge von 145.018 Byte.

Jede Zelle muss DNA, RNA & Proteine herstellen. Daher besitzen sie einfache Zucker, Nukleotide und Aminosäuren, sowie andere Substanzen, um dies zu gewährleisten. Energie wird in Form von ATP gespeichert. Manche Organismen, wie Pflanzen, erzeugen ihr Nährstoffe unteranderem durch das Sonnenlicht. Andere Organismen, wie Tiere, müssen Nahrung zu sich nehmen & können diese nicht selbst produzieren.

Jede Zelle besitzt eine Plasmamembran. Diese fungiert als eine selektive Barriere, welche erlaubt Nährstoffe durch Phagp- oder Pinozytose aufzunehmen, und Abfall über Vesikel auszuscheiden. Ohne Plasmamembran könnte die Zelle ihr chemisches System nicht aufrechterhalten. Die Moleküle, welche eine Plasmamembran bilden sind amphiphil, was bedeutet sie besitzt eine hydrophobe und eine hydrophile Seite.

Diese Schicht ist nicht vollständig impermeabel. Sie besitzt bestimmte Proteine, die beim Transport durch die Membran helfen. Diese Proteine bestimmen welche Moleküle die Membran passieren können.

Fundamental gesehen ist eine Zelle eine selbstreplizierende Sammlung von Katalysatoren. Die „Nahrung“ wird zum Antrieb der Katalysatoren und zum Aufbau der Zelle verwendet.

Metabolismusrate: Masse/Volumen -> Volumen wird schneller größer als Oberfläche

-> Wenn die Stoffwechselrate die Austauschrate von lebenswichtigen Stoffen und Abfällen übersteigt, wird die Zelle irgendwann sterben

Daher neigen wachsende Zellen dazu, sich zu teilen und klein zu bleiben, um ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen aufrechtzuerhalten zum Überleben geeignet

• kein Zellkern

• DNA in einer nicht gebundenen Region namens Nukleoid

• Keine Membran gebundenen Organellen

• Cytoplasma wird von der Plasma Membran gebildet

• Membranumschlossene Organellen

• Sind komplexer als Prokaryotische Zellen

• Hierzu zählen

o Protisten

o Pilze

o Tiere

o Pflanzen

• Pflanzliche & tierische Zellen sind im Großteil sehr ähnlich & unterscheiden sich nur in ein paar dingen

Nucleus

• Der Nucleus beinhaltet den Großteil der Gene & ist normalerweise die Größte Zellorganelle

• Die Kernhülle umschließt den Zellkern und separiert ihn vom Cytoplasma

• Die Kernmembran ist eine Doppelmembran mit einer Lipiddoppelschicht

• Die Kernporen das ein und austreten von Molekülen

• Die Form des Zellkerns wird von der Kern-Lima bestimmt, welche aus Proteinen besteht

• Die DNA ist als Chromosomen organisiert

• Im Zellkern wird DNA und Proteine von genetischen Material Chromatin genannt

• Chromatin kondensiert zu Chromosomen

• Der Nukleolus ist im Zellkern platziert, hier wird die ribosomale (rRNA) synthetisiert

- bestehen aus DNA und RNA

- Ort der Proteinsynthese

- nicht membrangebunden

Das Endomembransystem reguliert das Protein verkehr & regelt die metabolischen Funktionen der Zelle

Organellen des Endomembransystem:

• Kernhülle

• Endoplasmatisches Retikulum

• Golgiapparat

• Lysosomen

• Vakuole

• Plasma Membran

Diese Organellen sind entweder durchgehen oder über Vesikel verbunden.

• Das ER zählt zu mehr als der Hälfte der Zellmembran

• Die ER-Membran hängt mit der, der Kernhülle zusammen

• Das ER gliedert sich in zwei Untereinheiten

o Glattes ER (ohne Ribosomen)

o Raues ER (mit Ribosomen)

• Synthetisiert Lipide

• Metabolisiert Kohlenhydrate

• Verstoffwechselt Drogen und Gifte

• Speichert Kalzium Ionen

• Hat gebundene Ribosomen, welche Glykoproteine absondern

• Verteilt Transportvisikel

• Ist eine Membran Produktion für die Zelle

Versand- und Empfangszentrum

Cis-Seite: Empfang; trans-Seite: Versand

Der Golgiapparat besteht aus flachen Membran Säcken, die man Zisternen nennt

Aufgaben:

• Modifiziert die Produkte des ER

• Produziert Makromoleküle

• Sortiert & verpackt Materialen in Vesikeln

Verdauungsorganellen

• Ein Lysosom ist ein Mambransack mit Hydrolytische Enzyme, die Makromoleküle verdauen können

• Lysosomale Enzyme können Proteine, Fett, Polysaccharide & Nukleinsäuren verdauen

• Lysosomale Enzyme arbeiten am besten in der sauren Umgebung des Lysosoms

• Manche Zelltypen nehmen über Phagozytose andere Zellen auf, durch Bildung einer Essensvakuole

→ Die Essensvakuole verschmilzt mit einem Lysosom, welches dann den Inhalt verdauen kann

• Lysosomen nutzen ihre Enzyme auch für das Recycling der Organellen & Makromoleküle → Autophagie

• Sind große Vesikel, erzeugt von ER & Golgiapparat

• Hat eine Vielzahl von Aufgaben

• Essensvakuolen entstehen durch Phagozytose

• Kontraktile Vakuolen, zu finden in Süßwasser Protisten, pumpen überschüssiges Wasser aus der Zelle

• Zentrale Vakuolen, in den meisten Pflanzenzellen zu finden, enthält organische Verbindungen und Wasser

• sind die Orte der Zellatmung, ein Stoffwechselprozess, der Sauerstoff verwendet, um ATP zu erzeugen

• zu finden in so gut wie allen eukaryotischen Zellen

• Sie besitzen ihre eigene DNA

• Hat eine glatte Außenfläche & eine innere gefaltete Membran → Cristae

• Die innere Membran teilt sich in zwei Kompartments:

o Intermembran Bereich

o Mitochondriale Matrix

• Einige Stoffwechselschritte der Zellatmung werden in der mitochondrialen Matrix

• Cristae besitzt eine große Oberfläche für Enzyme zur ATP-Synthese

• zu finden in Pflanzen & Algen

• hier findet Photosynthese statt

• enthalten das grün Pigmentierte Chlorophyll, Enzyme & andere Moleküle für die Photosynthese

• Chloroplasten findet man in Blättern & anderen grünen Pflanzenteilen von Pflanzen & Algen

• Struktur:

o Thylakoide: Membransäcke, zu einem Granum gestapelt

o Stroma: die innere Flüssigkeit

• Chloroplasten zählen zu den Plastiden

Peroxisomen (veraltet: microbodies) sind Vesikel , die in eukaryotischen Zellen vorkommen. 

Ihre wohl wichtigste Funktion ist die Entgiftung der Zelle, indem sie Wasserstoffperoxid () durch die Katalase zu Wasser () und Sauerstoff () auftrennen.Außerdem sind sie in der Lage, organische Verbindungen wie zum Beispiel Ethanol oder Fettsäuren abzubauen und Lipide für die Myelinscheide in Nervenzellen zu bilden.

-> Oxidation

Tierischen Zellen fehlen Zellwände, sind aber von einer ausgeklügelten extrazellulären Matrix bedeckt.

• Die extrazelluläre Matrix besteht aus Glykoproteinen wie Kollagen, Proteoglykane und Fibronektin

• Extrazelluläre Matrixproteine binden an Rezeptorproteine in der Plasmamembran, die Integrine genannt werden

Die extrazelluläre Matrix spielt eine einflussreiche Rolle im Leben der Zellen

• Es kann das Verhalten einer Zelle regulieren, indem es über Integrine mit einer Zelle kommuniziert

• Mechanische Signale können durch Veränderungen des Zytoskeletts erfolgen, die chemische Signale in der Zelle auslösen. So kann die extrazelluläre Matrix um eine Zelle die Aktivität des Gens im Zellkern beeinflussen

• Benachbarte Zellen in Geweben, Organen oder Organsystemen haften, interagieren und kommunizieren oft durch direkten physischen Kontakt.

Es gibt 3 Zellkommunikationstypen in tierischen Zellen

• Tight Junctions 

• Desmosomen 

• Gap Junctions 

An Tight Junctions werden Membranen benachbarter Zellen zusammengedrückt, die durch spezifische Proteine gebunden sind, wodurch das Austreten extrazellulärer Flüssigkeit verhindert wird. Zum Beispiel: Hautzellen wasserdicht!

Desmosomen fungieren als Nieten, um Zellen zu starken Schichten zu verbinden. Zum Beispiel: in Muskelzellen

Gap Junctions stellen zytoplasmatische Kanäle zwischen benachbarten Zellen bereit und ähneln auf diese Weise in ihrer Funktion dem Plasmodesmen in Pflanzen.

• Plasmodesmen sind Kanäle, die pflanzliche Zellwände perforieren

• Durch sie können Wasser und kleine gelöste Stoffe (und manchmal Proteine und RNA) von Zelle zu Zelle gelangen

v.a. bei Pflanzen

Die meisten Zellen synthetisieren und sezernieren Materialien, die sich außerhalb der Plasmamembran befinden Diese extrazellulären Strukturen sind an vielen lebenswichtigen Zellfunktionen beteiligt!

• Die Zellwand ist eine extrazelluläre Struktur, welche Pflanzenzellen von tierischen Zellen unterscheidet, aber nicht ausschließlich für Pflanzen gilt

• Prokaryoten, Pilze und einige einzellige Eukaryoten haben auch Zellwände

• Die Zellwand schützt die Pflanzenzelle, behält ihre Form bei und verhindert eine übermäßige Wasseraufnahme

• Pflanzliche Zellwände bestehen aus Zellulosefasern, die in andere Polysaccharide und Protein eingebettet sind

Sowohl Bakterien, tierische Zellen als auch eukaryotische Einzeller können ihre Zellform verändern, um andere Organismen oder Moleküle durch Phagozytose durch die Membran hindurch aufzunehmen.

Eine plausible Hypothese ist, dass sie alle die Art und Weise widerspiegeln, wie Urzellen als Raubtiere lebten. Lebten durch das „Fangen“ & „essen“ von anderen Zellen. -> Entstehung von Zellorganellen

Genomische Analysen zeigen, dass die erste eukaryotische Zelle aus einer Archea Zelle in der Verbindung mit einem Bakterium entstand.

- innere Membranen sind ähnlich zu Plasmamembran von Prokaryoten

- DNA organisation in Organellen und Prokaryoten ist ähnlich

- Organelle transkribieren und translatieren ihre eigene DNA

- Ribosomen der Organelle sind ähnlicher zu prokaryotischen Ribosomen als eukaryotischen Ribosomen

Das Mitochondrium ist das beste Beispiel für diese Theorie.

• Es ist von einer Doppelmembran umgeben

• Haben eine ähnliche Größe wie kleine Bakterien

• Sie besitzen ihre eigene DNA in zirkulärer Anordnung

• Sie besitzen Ribosomen, welche sich von allen anderen in der eukaryotisch lebenden Zelle differenzieren

• Sie haben ihre eigene tRNA

Es ist heute allgemein anerkannt, dass Mitochondrien von aeroben Bakterien stammen, die von einer Ahnenzelle verschlungen wurden, die sonst keinen Sauerstoff metabolisieren könnte.

Pilze, wie z.B. die Bäckerhefe repräsentieren eine andere Methode des eukaryotischen Lebens.

• Sie besitzen Mitochondrien, aber im Gegensatz zu tierischen Zellen und Protozoen haben sie eine harte Außenwand, die ihre Bewegungsfähigkeit einschränkt

• Sie haben sich von Jägern zu Aasfressern entwickelt

Das bedeutet, dass sich Pilzzellen vorwiegend von abgesonderten Nährstoffmolekülen anderer Zellen leben.

Einige der zellulären Kompartimente sind nicht durch eine Membran gebunden.

z.B. RNA-Proteingranula wie Nukleolen, Cajal-Körper und PML-Kernkörper im Zellkern sowie Stressgranula und Keimgranula im Zytoplasma.

Ein wichtiger Hinweis, kam von der Entdeckung, dass einige von ihnen Eigenschaften von Flüssigkeiten haben. Tatsächlich sind viele dieser Strukturen flüssigkeitsähnlich und bilden sich durch Flüssigkeitsmischungen mit der Umgebung & dem Zytoplasma. Auch bekannt als Phasentrennung.

Beispiel: Es wurde festgestellt, dass FUS, das mit der neurodegenerativen Erkrankung ALS assoziiert wird, bei Stress in menschlichen Zellen dynamische Kompartimente bildet. FUS bildet Kondensate im Zellkern, nachdem Zellen mit einem Laser bestrahlt wurden, was DNA-Schäden verursacht. FUS bildet auch Kondensate in das Zytoplasma nach Hitzestress.