Vorlesungsnotizen – Protisten & „Protozoa“ (copy)

Historischer Kontext & Evolutionsbäume

• Ernst Haeckel (1866)
  • Präsentierte einen der ersten umfassenden Stammbäume aller Organismen
  • Drei Hauptgruppen: Tiere, Pflanzen, „Protisten“ (einzellige/niedere Organismen inkl. Schwämme)
  • Grundidee: Evolutionäre Verwandtschaft visualisieren
• Moderner Stammbaum (z. B. Campbell Biology)
  • Vier Großreiche bei Eukaryoten: Tiere, Pflanzen, Pilze, Protisten
  • Protisten = stark heterogene „Restgruppe“; viele einzellige Formen
  • Abgrenzung zu Prokaryoten (Bakterien & Archaea)

Zellbiologie: Prokaryoten vs. Eukaryoten

• Größenordnung
  • Prokaryotische Zellen: 1\text{–}10\,\mu\text{m}
  • Eukaryotische Zellen: 10\text{–}100\,\mu\text{m}
  • Volumenverhältnis: \approx 1:1000 (Prokaryot : Eukaryot)
• Prokaryoten (Prozyten)
  • Kein Zellkern; ringförmige DNA frei im Cytoplasma
  • Keine membranumschlossenen Organellen (Mitochondrien, Chloroplasten)
  • Cytoplasma wenig strukturiert; Ribosomen vorhanden
  • Fortpflanzung durch Längs- oder Querteilung
• Eukaryoten (Eucyten)
  • Echter Zellkern mit Doppelmembran und Chromosomen (DNA + Histon-Proteine → Chromatin)
  • Kompartimentierung: ER (rau/glatt), Golgi, Lysosomen, Peroxisomen, Vacuolen
  • Cytoskelett (Mikrotubuli, Intermediär- & Mikrofilamente) → Stabilität & Transport
  • Organellen: Mitochondrien, Plastiden (z. B. Chloroplasten), Flagellen/Cilien

Endosymbionten-Hypothese & Kompartimentierung

• Ausgangspunkt: archaeale Zelle (ringförmige DNA, Plasmamembran)
• Schritte
  • Einstülpung der Plasmamembran → primäre Kompartimente (ER, Kernhülle)
  • Aufnahme heterotropher Bakterien → Ur-Mitochondrien (chemotroph)
  • Aufnahme autotropher Bakterien (Cyanobakterien) → Chloroplasten/Plastiden
• Bedeutung
  • Kompartimentierung vergrößert innere Membranfläche → steigert Stoffwechselrate ohne Volumenzunahme
  • Endosymbiose erklärt Doppelmembranen, eigene DNA & ribosomenähnliche Organellenstrukturen von Mitochondrien/Plastiden

Protisten – Allgemeine Merkmale & Vielfalt

• Einzellige Eukaryoten; können Kolonien bilden (z. B. Kelp-„Wälder“ bis >30\,\text{m} Höhe)
• Zwitterstellung: eukaryotische Zellorganisation, aber (meist) Einzeller
• Relativ artenarm im Vergleich zu Insekten, Pilzen etc.
  • Insekten: 10^{6} beschrieben, geschätzt 1\times10^{7}\text{–}2\times10^{7}
• Ernährungsweisen
  • Ingestiv/tierähnlich → „Protozoa“ (z. B. Amöben)
  • Absorptiv/pilzähnlich → „niedere Pilze“
  • Photosynthetisch/pflanzenähnlich → „Algen“

Historische Vierteilung der „Protozoa“

1. Flagellaten (Geiseltierchen)
2. Rhizopoden (Wurzelfüßer)
3. Sporozoen (Sporentierchen)
4. Ziliaten (Wimpertierchen)

Hinweis: Molekulare Phylogenien zeigen Poly-/Paraphylie → „Protozoa“ ist kein gültiges, monophyletisches Taxon (nur informelle Sammelgruppe).

FLAGELLATEN (Zooflagellaten → Kinetoplastida)

• Systematik
  • Klasse: Kinetoplastida (≈ 600 Arten)
  • Verwandt mit pflanzenähnlichen Euglenoidea ⇒ Stamm: Euglenozoa
  • Dinoflagellata (Panzeralgen) eigenständiger Stamm; wichtig für Plankton, Red Tide, Meeresleuchten (Noctiluca)
• Zellbau
  • Ein einziges großes Mitochondrium mit DNA-reichem Kinetoplasten (namensgebend)
  • Zwei Flagellen; eine kann reduziert sein, oft in Geiseltasche → undulierende Membran
  • Mikrotubuläres Cytoskelett bei größeren Formen
• Medizinisch relevante Gattungen (Trypanosomatidae)
  • Polymorphie je nach Entwicklungsstadium
  • Amastigot (ohne Flagellum)
  • Promastigot (Flagellum distal)
  • Epimastigot (Flagellum zentral)
  • Trypomastigot (Flagellum proximal)
  • Hauptpathogene & Krankheiten
  • Trypanosoma brucei gambiense / rhodesiense → Afrikanische Schlafkrankheit
    • Vektor: TseTse-Fliege (tagaktiv)
    • Drei Krankheitsstadien: Fieber/Ödeme → ZNS-Symptome → Dämmer- & Schlafzustand
    • >5\times10^{5} Infizierte, hohe Mortalität ohne Behandlung
    • Therapie: Arsenverbindungen (Stadium 2), experimentelle Wirkstoffe in Entwicklung
  • Trypanosoma cruzi → Chagas-Krankheit (Amerika)
  • Leishmania spp. → Leishmaniosen (viszeral, kutan, mukokutan)
    • Vektor: Sandmücken
    • Zoonose (Hundereservoir in Südeuropa); Impfstoff für Hunde seit 2011 (nur Risikoreduktion)

RHIZOPODA (Amöben & Verwandte)

• Stamm Rhizopoda (≈ 11\,000 Arten); teils eigenes Reich „Amoebozoa“ diskutiert
• Pseudopodien-Typen → Bewegung & Phagocytose
  • Lobopodien (breite Zellausstülpungen)
  • Filopodien/Reticulopodien bei Foraminiferen
• Fünf traditionelle Ordnungen
  1. Amoebina (echte Amöben) – z. B. Amoeba proteus
  2. Testacea (Thekamöben) – Zellhülle („Teka“); Euglypha
  3. Foraminifera (Kammerlinge)
     • Kalkschalen mit Poren; überwiegend marin, \sim30\,000 fossil, \sim4\,000 rezent
     • Reticulopodien zum Anhaften; wichtige Leitfossilien (Stratigraphie)
  4. Heliozoa (Sonnentierchen)
  5. Radiolaria (Strahlentierchen)
• Beispiel: Phagozytose bei Amoebina
  • Lobopodien umschließen Beute → Nahrungsvakuole → enzymatische Verdauung

APIKOMPLEXA (ehem. Sporozoa)

• Stamm Apicomplexa (≈ 5\,000 Arten)
• Gemeinsames Merkmal: Apikalkomplex (Konoid + Mikronemen/Rhoptrien) → mechanisch-chemisches Eindringen in Wirtszellen
• Lebensweise: obligat endoparasitisch; vielfach Wirtswechsel
• Hauptgruppen & Vertreter
  1. Gregarines (extrazellulär) – Monocystis (Regenwurm), Gregarina (Käfer)
  2. Coccidia (teilweise intrazellulär) – Eimeria (Geflügel/Kaninchen), Toxoplasma gondii (Katzen, Zwischenwirt Mensch)
     • Erstinfektion in Schwangerschaft → schwere fetale Schäden ⇒ Kontaktvermeidung empfohlen
  3. Aconoidasida – Plasmodium spp., Babesia spp.
     • Babesia → „Texas Fever“, zeckenübertragen, malariaähnlich bei Mensch & Haustier
     • Plasmodium → Malaria
• Malaria-Details
  • Hauptarten & Klinik
  • P. vivax → Malaria terziana, Inkubation 8\text{–}16 Tage, Fieber alle 48 h, geringe Letalität
  • P. ovale → Malaria terziana, ähnlich vivax
  • P. malariae → Malaria quartana, Inkubation 20\text{–}35 Tage, Fieber alle 72 h
  • P. falciparum → Malaria tropica, Inkubation 7\text{–}12 Tage, unregelmäßiges Fieber, hohe Mortalität (Krampfanfälle, Koma)
  • Epidemiologie
  • ~1.8\times10^{6} Todesfälle/Jahr (v. a. Kinder)
  • Früher auch in Nordeuropa („Sumpffieber“); heute Tropen/Subtropen, Ausbreitung nach Norden (Klimawandel)
  • Flughafenmalaria: eingeschleppte Anopheles in Gepäck (z. B. Frankfurt/Kelsterbach)
  • Prophylaxe & Therapie
  • Keine Impfstoffe verfügbar (Kandidaten in Entwicklung)
  • Chemoprophylaxe: Mefloquin (Lariam), Atovaquon/Proguanil (Malarone)
    • Echte Prophylaxe (vor → während → nach Reise) vs. Stand-by-Therapie
  • Vektorkontrolle: Repellentien, Moskitonetze, ggf. DDT-Reevaluierung

CILIOPHORA (Ziliaten)

• Stamm Ciliophora (≈ 8\,000 Arten)
• Charakteristika
  • Zahlreiche Cilien → Lokomotion & Nahrungstransport
  • Zwei Zellkerne
  • Mikronukleus (diploid, Keimbahn)
  • Makronukleus (polyploid, Stoffwechsel)
  • Reinoft auch größere Einzeller (bis 3\,\text{mm})
• Fortpflanzung
  • Asexuell: Teilung (Querteilung)
  • Sexuell: Konjugation
  • Aneinanderlegen zweier Individuen (verschiedene Paarungstypen) → Plasmabrücke
  • Meiotische Teilung des Mikronukleus → Austausch haploider Wanderkerne → Verschmelzung zu neuem diploidem Kern
  • Neubildung von Makro- & Mikronuklei → genetische Rekombination ohne Nachkommenbildung
• Paramecium caudatum (Pantoffeltierchen)
  • Mundfeld (Vestibulum) mit Cilienbesatz → Einstrudeln von Bakterien
  • Phagozytose → Nahrungsvakuolen; Ausscheidung via Cytopyge
  • Kontraktile Vakuole zur Osmoregulation im Süßwasser
  • Radiale Sammelkanäle pumpen überschüssiges Wasser in zentrales Vesikel
  • Periodisches Anschwellen → Fusion mit Zellmembran → Entleerung nach außen

Verbindung zu realen Systemen & Anwendungen

• Leitfossilien (Foraminiferen) → Erdöl- und Gesteinsdatierung
• Red Tide (Dinoflagellaten) → Fischereiwirtschaft, Toxinausbrüche (Muschelvergiftung)
• Endosymbiose von Zooxanthellen (Dinoflagellaten) in Korallen → Korallenbleiche bei Temperaturstress
• Medizin/Veterinärmedizin
  • Schlafkrankheit & Chagas (SDG-Relevanz ": Neglected Tropical Diseases")
  • Leishmaniose-Import durch Haustiere → Zoonose-Risiko Mitteleuropa
  • Malaria-Management: Impfstoffentwicklung, Insektizidpolitik, Travel Medicine
  • Kokzidiosen (Eimeria) → Geflügelwirtschaft

Zusammenfassung der Kernaussagen

• „Protozoa“ = heterogene, NICHT monophyletische Gruppe einzelner Eukaryoten; gehören zum Reich Protista
• Vier klassische Gruppen und ihre modernen Entsprechungen
  • Flagellaten → Kinetoplastida/Euglenozoa (Kinetoplast als Schlüsselmerkmal)
  • Rhizopoden → Amoebozoa/Rhizopoda (Lobopodien, Phagozytose)
  • Sporozoen → Apicomplexa (Apikalkomplex, obligate Endoparasiten)
  • Ziliaten → Ciliophora (Cilien, duale Kerne, Konjugation)
• Medizinisch relevant: Trypanosoma, Leishmania, Toxoplasma, Babesia, Plasmodium
• Zellbiologische Grundprinzipien: Kompartimentierung & Endosymbiose als Voraussetzung für Eukaryoten-Komplexität
• Ökologische & ökonomische Implikationen: Planktondynamik, Korallenriffe, Tropenkrankheiten, Landwirtschaftlicher Schaden durch Parasiten