Prokaryoten und Eukaryoten PDF

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Prokaryoten und Eukaryoten Komplexität • Einteilung der belebten Materie in „sechs Reiche“: - Eubacteria / Archaebacteria / Protista / Plantae / Fungi / Animalia • Einteilung der belebten Materie in „drei Domänen“: - Eubacteria und Archaebacteria = Prokaryoten / Eukaryoten Prokaryotische Zelle • kein Zellkern, sondern Kernäquivalent (Nucleoid) • nur sehr geringe Kompartimentierung • Plasmamembran übernimmt die Funktionen anderer Organellen, z.B. Thylakoide bei photoautotrophen Bakterien Mesosomen: Einstülpung der Cytoplasmamembran, • wahrscheinlich durch Präparation bedingte Artefakte • Volutin-Granula: Speicherung von Phosphor als Polyphosphat Polyhydroxybuttersäure: fettähnlicher Speicherstoff ! • E. Coli = einer der am besten verstandene Zelle Zellwand • Stabilität gegen osmotische und mechanische Belastung • relativ starre, aber elastische Gebilde • 20 – 30% des Trockengewichtes eines Bakteriums fällt auf die Zellwand • Antigenstrukturen • Phagenrezeptoren • Toxine – Endotoxine der Gramnegativen • Enzyme • wichtiger Angriffsort von Antibiotika Flagellum = Bakteriengeißel • 5-10 von diesen Zellen auf der Oberfläche zerstreut • besteht aus Fingerchen - Flagellien → 20.000 • R - Rotor → Untereinheiten sind zirkulär angeordnet → kann sich drehen → dreht sich um die 100-300 mal pro Sekunde -> davon 5-10 M - Motor → schließt Rotor ein • sind extrazelluläre Anhängsel, die in der Plasmamembran und Zellwand verankert und somit • nicht wie eukaryotische F. ( vgl. Abb. ) von der Plasmamembran umgeben sind. • Bakterienflagellen sind in drei morphologische und funktionelle Abschnitte gegliedert, die als Geißelfilament, Geißelhaken und basaler Verankerungskomplex bezeichnet werden Cytoplasma • Doppelschicht aus Lipoproteinen (wie eukaryotische Membranen) mit integrierten und peripherenProteinen • enthält Cardiolipine (Phospholipide mit vier Fettsäureresten) Funktionen Diffusionsbarriere regulierter Stoffaustausch mit Umgebung • 1 von 9

Proteinsynthese (z. T. mit Ribosomen besetzt) Energiestoffwechsel (Enzyme des Citratzyklus und der Atmungskette) Photosynthese (Thylakoide photoautotropher Bakterien) ! • Antibiotika mit Wirkung gegen die bakterielle Zytoplasmamembran Polymyxin, Colistin, Tyrothricin (Polypeptid-Antibiotika) • meist nur lokale Anwendung (Haut, Auge), da auch eukaryotische Biomembranen • angegriffen werden Funktion: • Schutz, Transport, Fortbewegung, Sensor, Entgiftung, E-Produktion Selektive Barriere: • Transporte ermöglichen große Unterschiede zwischen innerem und äußerem Milieu • Phago- und Pinocytose Periplasma •

Vitamin B12-Transporter Transport in und aus der Zelle aktiver Prozess Beta-Lackta-Masa → hydrolisiert bestimmtes Antibiotika → Antibiotikaresistent Lysozym → extrem alter Bestandteil der Immunabwehr der tierischen Organismen selektiv Bakterienzellen angreifen Enzyme zum Abbau hochmolekularer Nährstoffe, die die Cytoplasma- membran nicht passieren • können zur Inaktivierung von Antibiotika • Innere Wand Proteine für Energieproduktion, Abwehrfunktion • • • • • • •

Proteinsynthese • Eines der kennzeichnenden Merkmale von Prokaryoten ist, dass sie keinen Zellkern besitzen • Bei den bakteriellen Procyten schwimmt die DNA nämlich in Form eines Baketerienchromosoms frei im Cytoplasma. • Das bedeutet, dass die DNA räumlich nicht von den Ribosomen getrennt ist. • Dementsprechend existiert also keine räumliche Trennung der Prozessebenen Transkription (an der DNA) und Translation (an den Ribosomen). • Aufgrund dessen können Transkription und Translation außerdem gleichzeitig ablaufen. • Noch während die DNA transkribiert wird, können Ribosomen die sich bildende RNA translatieren. 1. Transkription Ist die Umschreibung der DNA in eine mRNA, die wiederum die Syntheseanweisung für die • Aminosäuresequenz eines zu bildenden Proteins verschlüsselt. • Findet also an der DNA statt. 2. Translation • Ist die eigentliche Synthese der Proteine, bei der die Basensequenz der mRNA in die Aminosäuresequenz des Proteins „übersetzt“ wird. • Die Aminosäuren werden im Anschluss durch Peptidbindungen zu unverzweigten Polypetidketten (Proteinen) verknüpft. • Findet an den Ribosomen statt. RNA/ DNA • liegt frei im Cytoplasma vor • Ecoli-Genom hat 4,6 Millionen Basenpaare • Länge von 1,5 mm • Komprimierte Strukur • DNA Polymerase → neue DNA wird ansyntetisiert • DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) 2 von 9

DNA: Träger der Erbinformation im Zellkern assoziiert mit Proteinen = Chromatin auch in Mitochondrien, Plastiden und als Kernäquivalent in Prokaryoten Viren: DNA oder RNA als Erbinformation autokatalytische Funktion: DNA dient als Matrize zu ihrer eigenen Replikation heterokatalytische Funktion: Basenfolge der DNA kann in Aminosäure-Sequenz ! übersetzt werden • mRNA = messenger RNA, „Boten-RNA“, Abschrift eines Gens für Proteinsynthese • rRNA = ribosomale RNA, Bestandteil der Ribosomen • tRNA = transfer RNA, Übertragung von Aminosäuren zum Proteinsynthese- Apparat der Zelle

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Eukaryotische Zelle • Zellkern! - monoenergid: nur ein Zellkern! - polyenergid: manche Zellen haben mehrere Zellkerne - kernlose Zellen: Kern verloren, begrenzte • Lebensdauer (z.B. Siebröhren, Erythrozyten) • Organellen (Endosymbiontentheorie) • hoch kompartimentiert • Kompartimente: Reaktionsräume • Zellorganellen besitzen jeweils spezifische Enzymausstattung Unterschied Pro- und Eukaryot

Nucleus Aufgabe: Hauptträger der Erbinformation, Replikation und Transkription DNA Aufbau: Kernhülle (Doppelmembran) und Kernplasma (Nucleolus, Chromatin) Euchromatin: entspiralisiert, aktives Genmaterial, locker verteilt • Heterochromatin: spiralisiert, inaktives Genmaterial, dicke Chromatinmassen • 3 von 9

• Nucleolus: Aufbau aus DNA-Schleifen, die rRNA-Gene tragen; Produktion der Bestandteile von Ribosomen Endoplasmatische Retikulum Aufgaben: • Kompartimentierung (Abgrenzung eigener Stoffwechselräume) o intrazellulärer Stofftransport • Membrandepot (Aufbau neuer Membranen) • Stoffwechsel Funktion: rER (raues ER, mit Ribosomen besetzt): Synthese und Modifikation von Exportproteinen, Membranproteinen, lysosomalen Proteinen sER (glattes ER): Synthese von Phospholipiden, Synthese von Cholesterin, Entgiftung körperfremder Stoffe, Synthese von Speicherfetten und Steroidhormonen, Ort der Gluconeogenese und Glykogenolyse; in der Muskulatur = sarkoplasmatisches Retikulum (𝐶𝑎2+-Speicher) Golgi-Apparat - Membranstapelsystem: ein in sich geschlossenes Paar glatter Membranen = Golgi-Zisterne, Stapel mehrerer flach aufeinander geschichteter Membranen bildet funktionelle Einheit: Diktyosom (mehrere Diktyosomen bilden Golgi-Komplex) - Polarer Aufbau: cis-Seite (konvexe Bildungsseite), trans-Seite (konkav) Abgabeseite, der Plasmamembran zugewandt Aufgaben: • Sortier- und Durchgangsstation für Proteine o Proteine werden posttranslational modifiziert • Bildung Membranvesikel zur Exocytose o Beteiligung Lysosomproduktion • Aufrechterhaltung Membranfluss Zellwand • Schutzfunktion • Gestaltaufrechterhaltung • Schutz vor zu großem Wassereinfluss Mitochondrium Aufbau: • äußere und innere Membran, dazwischen Intermembranraum, innere Membran umschließt Matrixraum • Enthält mtDNA -> vermehrt sich unabhängig vom Zellzyklus Funktionen: • Atmungskette und ATP-Synthese (oxidative Phosphorylierung) o Citratzyklus • Beta-Oxidation der Fettsäuren (Fettsäureabbau) • Teilschritte der Steroidhormonsynthese • Einleitung der Apoptose Aufbau und Funktion biologischer Membran - Abgrenzung der Zellen nach außen − Verhinderung eines freien und unkontrollierten Stoffaustausches mit Umgebung bildet somit eine selektive Barriere für Stoff-, Informations- und Energieaustausch zw. Zelle und Umwelt, zw. Zellen, innerhalb der Zelle − Dicke: 5-10nm Aufbau: • Phospholipiddoppelschicht • Phospholipide (= Phosphoglyceride): 2 Alkoholgruppen des Glycerins mit 2 FS verestert > hydrophober Teil, nach innen gerichtet (Schwanz); 1 Alkoholgruppe des Glycerins mit Phosphorsäure verestert -> Phosphorsäure kann noch zusätzlich mit Cholin, Serin oder Ethanolamin verestert sein (Bsp. Phospatidylcholin) -> hydrophiler Teil (Kopfteil) -> der extra- oder intrazellulären Seite zugewandt 4 von 9

• „Fluid-Mosaik“-Modell • Einlagerung von peripheren und integralen Membranproteinen Funktionen: • Permeationsschranke: Membran für polare Moleküle und Ionen impermeabel; freie Diffusion (passive Transportmechanismen) nur bei kleinen apolaren und lipidlöslichen Molekülen (Steroide), Wasser und Gasen (O2, CO2, N2) möglich • Erkennungsfunktion (Glykokalyx) • Rezeptorfunktion • Reizperzeption und Reizweiterleitung: Ionenungleichverteilung, Ruhe- und Aktionspotential • elektrische Isolation (Myelinscheiden, Nervensystem) • Zell-Zell-Kontaktbildung: • Zonula occludens (Tight junction): Verschlusskontakt • Macula adhaerens (Desmosomen): Haftkontakte • Gap junctions (Nexus): Kommunikationskontakt Apoptose = ist ein streng geregelter physiologischer Vorgang in der Art eines "Zellselbstmords", der für Entwicklung, Erhaltung und Altern vielzelliger Organismen eine wichtige Rolle spielt und bei dem einzelne Zellen planmäßig eliminiert werden • das p53-Protein löst den induzierten Zelltod aus, wenn ein DNA- Schaden nicht mehr repariert werden kann • p53 = Tumorsuppressor-Gen • es codiert einen spezifischen Transkriptions- faktor, der die Expression von Genen anregt, die für hemmende Proteine des Zellzyklus codieren. • Eine Mutation im p53-Gen, die zum Ausfall der Proteinfunk- tion führt (engl. loss-of-function), bewirkt deshalb, genau wie das hyperaktive Ras-Protein, eine häufigere Zellteilung als ersten Schritt auf dem Weg zur Krebsentstehung • p53-Protein verhindert also auf unterschiedliche Weisen, dass eine Zelle einen DNA-Schaden in Form einer Mutation an die nächste Generation weitergibt Was ist Cytochrom C?" = ist ein kleines Protein aus der Familie der Cytochrome, das in den Mitochondrien bei der oxidativen Phosphorylierung (Energiegewinnung) eine entscheidende Rolle als Elektronencarrier (Elektronentransporter) spielt" • Bei Beschädigung der Mitochondrien wird Cytochrom$c durch die äußere Membran hindurch ins Zytosol abgegeben, wo es über eine Signalkaskade den programmierten Zelltod (Apoptose) auslöst." Zell-Zell Verbindungen Tight-Junctions - „Dichte Verbindungen“

Desmosomen

Gap junctions - „Offene“ (Kommunizierende!) Verbindungen“

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Tight-Junctions

Desmosomen

Gap junctions

• undurchlässige Verbindungen zwischen Epithelzellen" • Epithelzellen: Abschlussgewebe bei Wirbeltieren, Barrierefunktion" • Plasmamembranen zweier Zellen durch fest miteinander verknüpfte Membranproteine verbunden" • Diffusion von Membranproteinen hier nicht möglich ermöglichen unterschiedliche Ausstattung der Plasmamembran (Polarität der Zellen) Verhinderung der freien • Diffusion von Substanzen" • Verhinderung der Rückkehr zuvor ausgeschleuster Stoffe" • kontrollierter Stofftransport durch die Epithelzellen hindurch" • Beispiele: Harnblase, Blut-HirnSchranke, Dünndarm • Analogon zum Casparystreifen in der Endodermis von Pflanzenzellen

• verleihen Zellverbänden Festigkeit, die hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, z.B. Epithelien" • druckknopfartige Verbindungen" • Bindung an Plaque der Nachbar- zelle ! durch Adhäsionsproteine • auf cytoplasmatischer Seite mit Intermediärfilamenten des Cytoskeletts verbunden

• Membran-Kanäle, Durchmesser: 1,5 nm" • Austausch von Ionen, Signalstoffen und kleinen Moleküle bis 1000 Da mittels ! freier Diffusion (Makromoleküle passieren nicht)" • Plasmamembranen zweier Zellen hier stark angenähert • 1 Connexon aus 6 identischen Polypeptiden (= Connexin)" • Durchlässigkeit wird durch Calciumionen reguliert • geringer Calcium-Spiegel: Poren offen (unten links)" Erhöhung der Calcium• Kozentration: Poren schließen sich (unten rechts)" • Gap junctions gibt es im gesamten Tierreich

Cytoskelett = bestimmt Formstabilität und Beweglichkeit − vor allem bei tierische Zellen − Mikrotubuli (MT): 23nm • globuläre Tubulinmoleküle -> bilden kettenartige Protofilamente - > lagern sich parallel aneinander und bilden Wand eines röhrenförmigen MT • Aufgaben: Festlegung der Lage von Zellorganellen, Steuerung intrazellulärer Transportprozesse, Aufbau Spindelapparat (Mitose), Bildung von Zilien (Kinozilien) und 6 von 9

Geißeln (Flagellen) zur Fortbewegung 9x2+2 -Struktur, Aufbau Basalkörper und Zentriolen − Actinfilamente: 6nm • bestehen aus 2 verdrillten Ketten (F-Actin) identisch globulärer Actinmoleküle (G-Actin) • Aufgaben: Aufbau von Mikrovilli (lichtmikroskopisch „Bürstensaum“) -> OF-Vergrößerung in resorbierenden Epithelien (Dünndarm, Niere), Aufbau von Stereozilien, Fortbewegung: Filopodien, Adhärenzverbindung (Desmosom) —> Stabilität über Actinfilamente − Intermediärfilamente: 10nm • Polymere aus Faserproteinen (stark zellspezifisch, z.B. Neurofilamente in Neuronen) • Funktion: Zellverbände werden mechanisch stabilisiert (Zugelastizität) Lysosomen Entstehen aus Dictyosomen des Golgi-Apparates − enthalten saure Hydrolasen (Proteinasen, Lipasen, Nucleasen etc.) − pH-Wert: 4-5 − intrazelluläre Verdauung − Einteilung: primär (noch nicht mit phagozytiertem Material zusammengeflossen) vs. sekundär (nach Verschmelzung verdauten Material) oder Autophagolysosom (verdauen von Zelle selbst gebildetes Material -> Mitochondrien, Ribosomen, Membranteile) Heterophagolysosom (verdauen zellfremdes Material

Spezifischer Stofftransport - Aufnahme von Nährstoffen in der Zelle " - Abgabe von Produkten ins Außenmilieu" - kontrolliert Stoffaustausch" " 1. Freie Diffusion

2. Erleichterte Diffusion (passiver Transport)

• nur lipophile und kleine • durch Kanalproteine und Carrier nur hydrophile Moleküle" mit Konzentrationsgradienten • erfolgt wie freie Diffusion passiv und ohne Energieverbrauch • in beide Richtungen (hinein und hinaus) • erfolgt wie die freie Diffusion nur mit dem Konzentrationsgradienten" • erfolgt über Kanalproteine und Carrier" • Kanalproteine: z.B: Ionenkanäle in Nerven- und Muskelzellen, Aquaporine • Carrierproteine: besitzen spezifische Bindungsstellen für Substrat-Moleküle, ändern Konformation bei Substratbindung

3. Aktiver Transport • Carrier-vermittelt" • Energieverbrauch • erfolgt mittels spezifischer CarrierProteine unter Energieverbrauch" • erfolgt gegen das Konzentrationsgefälle (Anreicherung von Stoffen) Drei Formen: " - Uniport" - Symport (Cotransport)" - Antiport (Cotransport)

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1. Freie Diffusion

2. Erleichterte Diffusion (passiver Transport)

3. Aktiver Transport Primär aktiver Transport: Protonen oder anorganische Ionen werden unter ATP-Verbrauch durch die Zytoplasmamembran gepumpt" • Protonenpumpen in Pflanzenzellen (Uniport) " • Na+/K+-ATPase in tierischen Zellen (3 Na+ aus Zelle heraus, 2 K+ hinein, Antiport) Sekundär aktiver Transport: Transport eines Na+-Ions oder eines Protons mit Transport eines organischen Moleküls gekoppelt (Cotransport) " • Na+/Glucose-Symport aus dem Darmlumen

Exozytose und Endzytose = Ausscheidung bzw. Aufnahme von Makromolekülen und größeren Partikeln, die nicht über Transportproteine erfolgen kann • Biomembran stülpt sich ein und umschließt aufzunehmende Partikel in Vesikeln • gerichteter Stofftransport: Vesikel verschmelzen nur mit bestimmten ! Membranen Endozytose: = Aufnahme zellfremden Materials (z. B. Nahrung, Bakterien, Viren) - Pinozytose: Aufnahme von Flüssigkeiten und darin gelösten Stoffen unspezifisch oder rezeptorvermitelt (z.B. Aufnahme von Cholesterin, Eisen oder Viren) - Phagozytose: Aufnahme fester Substanzen (Zelltrümmer, Bakterien, etc.) - Rezeptor vermittelte Endozytose (Immunsystem -> Aufnahme von Bakterien oder Viren durch Makrophagen und Neutrophile Granulozyten) Exocytose: = Ausschleusen von Stoffen aus der Zelle (z.B. Neurotransmitter, Verdauungsenzyme) ! Epithelzellen = bilden die Grundbausteine des Epithelgewebes. • Wie jede andere Zelle, sind auch sie durch eine Zellmembran (Zytoplasmamembran) von ihrer Umgebung getrennt. Die Zellmembran von Epithelzellen wird in drei Abschnitte unterteilt, die eine gewisse Polarität • vorgibt. Jede Seite hat eine bestimmte Struktur und Funktion. • Es gibt eine apikale, zwei laterale und eine basale Zellmembran in jeder Epithelzelle • apikal: Der apikale Zellpol von Epithelzellen zeigt entweder nach außen oder zum Lumen eines Hohlorgans hin. Häufig findet man an dieser Seite der Zellmembran bestimmte Membranspezialisierungen. Dadurch unterscheidet sich die Struktur der Zelloberfläche an dieser Stelle meist maßgeblich von den anderen Seiten der Zellmembran • lateral: Die laterale Zellmembran von Epithelzellen bildet Kontaktstellen mit benachbarten Zellen. Dadurch können erst eng aneinander liegende Zellverbände entstehen

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• basal: Die basale Zellmembran ist an der darunter liegenden Basalmembran verankert. Da sowohl die laterale als auch die basale Zellmembran mit umliegenden Strukturen in Kontakt steht, werden sie häufig als basolaterale Zellmembran zusammengefasst

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