Biologie

Cytologie

Einleitung

  • Zellen sind die grundlegenden Bausteine des Lebens, meist 1-100 μm groß.

  • Lichtmikroskop vergrößert bis ca. 1.000x, neuere Verfahren verbessern Kontrast und Färbung.

  • Elektronenmikroskop (EM) für subzelluläre Strukturen: Raster-EM (Oberflächen), Transmissions-EM (innere Struktur).

  • Größenvergleich: 1 μm=10−3 mm=10−6 m1 \text{ μm} = 10^{-3} \text{ mm} = 10^{-6} \text{ m}, eukaryotische Zellen (10-100 μm), prokaryotische Zellen (1-5 μm).

  • Alle Zellen haben: Zellmembran (Barriere), Cytoplasma (Inhalt), Cytosol (gelartige Flüssigkeit), Chromosomen (DNA-Träger), Ribosomen (Proteinbiosynthese).

Prokaryotische und Eukaryotische Zellen

  • Zellen werden aufgrund ihrer Struktur in Eukaryoten und Prokaryoten unterteilt.

  • Eukaryoten: DNA im Zellkern, von Membranen umschlossen. Prokaryoten: DNA in einem Nukleoid, nicht membranbegrenzt.

  • Drei Domänen des Lebens: Bakterien, Archaeen (beide Prokaryoten) und Eukaryoten (Protisten, Pilze, Pflanzen, Tiere).

  • Prokaryoten haben keinen Zellkern, ihr DNA-Bereich heißt Nukleoid. Genom besteht meist aus einem ringförmigen DNA-Stück = Bakterienchromosom.

  • Plasmide sind zusätzliche ringförmige DNA-Moleküle, die Antibiotika- oder Giftresistenzen tragen können und durch Konjugation übertragen werden.

  • Cytoplasmamembran umgibt die Zelle. Zellwand außerhalb der Membran schützt vor Konzentrationsausgleich und Platzen.

  • Zellwand besteht aus einer Peptidoglykanschicht und schützt die Zelle vor dem Eindringen von Viren (Bakteriophagen) und verhindert ein Platzen, bedingt durch den erhöhten osmotischen Druck, der Zelle.

  • Schleimschicht (Kapsel) schützt vor Austrocknung.

  • Fimbrien und Pili ermöglichen Anheftung und Gentransfer. Flagellum dient der Fortbewegung.

Kompartimente eukaryotischer Zellen

  • Eukaryoten haben interne Membranen, die Kompartimente (Organellen) bilden.

  • Membranbegrenzte Organellen:

    • Zellkern (Nukleolus, Nukleus)

    • Endomembransystem (äußere Kernmembran, ER, Golgi-Apparat, Lysosomen, Transportvesikel, Vakuole)

    • Mitochondrien

    • Chloroplasten (in Pflanzen)

    • Peroxisomen

  • Nicht-membranbegrenzte Komponenten: Ribosomen, Cytoskelett.

Zellkern

  • Umgeben von zwei Membranen mit Kernporen für die Kommunikation.

  • Kernporenkomplex reguliert den RNA- und Proteintransport.

  • Kernlamina (Intermediärfilamente) verleihen Form und Festigkeit.

  • Chromosomen bestehen aus DNA und Proteinen (Chromatin).

  • Genom auch in Mitochondrien und Chloroplasten.

  • Nukleolus: rRNA-Produktion und Zusammenbau von Ribosomen.

Endomembransystem

  • Organellen durch Membrankontakte oder Transportvesikel verbunden.

  • Umfasst äußere Kernmembran, ER, Golgi-Apparat, Lysosomen, Vakuolen, Transportvesikel.

  • Ort der Protein- und Membransynthese.

Endoplasmatisches Reticulum (ER)

  • Verzweigtes Membrannetzwerk, das mit der äußeren Kernmembran verbunden ist.

  • Glattes ER: Lipidsynthese, Steroidhormonsynthese, Entgiftung, Ca2+-Speicher.

  • Raues ER: Proteinsynthese durch Ribosomen, Transport durch Membranproteine.

Golgi-Apparat

  • Fabrik für Produktveränderung, Sortieranlage und Frachtzentrum.

  • Besteht aus Zisternen, die nicht wie das ER über Membranbrücken verbunden sind und Polarität auf-weisen.

  • Cis-Seite empfängt Vesikel aus dem ER, Trans-Seite schnürt Vesikel ab.

Lysosomen

  • Membranbegrenzte Organellen für intrazelluläre Verdauung von Makromolekülen.

  • Saures pH-Wert, hydrolytische Enzyme (Hydrolasen).

  • Abbau von Molekülen und Nahrungsbestandteilen in kleinste Einheiten (Müllbeseitigung innerhalb der Zelle).

  • Verschmelzen mit Endosomen, Vorstufen der Enzyme durch niedrigen pH-Wert aktiviert.

  • Phagozytose: Nahrungsvakuole verschmilzt mit Lysosom, Verdauung der Inhaltsstoffe.

Vakuolen

  • Funktionen abhängig vom Zelltyp.

  • Protisten: kontraktile Vakuole zum Ausscheiden von überschüssigem Wasser.

  • Pflanzenzellen: Zellsaftvakuolen für Speicherung von Proteinen, Ionen, Abfallprodukten, Farb-/Duftstoffen.

  • Größenwachstum durch Wasseraufnahme.

Ribosomen

  • Komplexe aus RNA (rRNA) und ribosomalen Proteinen.

  • Proteinsynthesemaschinerie.

  • Zwei Untereinheiten.

  • Freie Form im Cytosol, gebundene Form am ER.

  • mRNA bindet an Ribosomen.

  • Am ER gebundene Ribosomen synthetisieren Proteine, die direkt ins Lumen des ERs gelangen.

  • Freie Ribosomen synthetisieren Proteine, die im Cytosol verbleiben.

Mitochondrien und Chloroplasten

  • Energiegewinnung.

  • Mitochondrien: Zellatmung, ATP-Produktion (oxidativer Abbau von Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen).

  • Chloroplasten: Photosynthese (Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie).

  • Nicht zum Endomembransystem gehörig.

  • Zwei (Mitochondrien) bzw. drei (Chloroplasten) Membransysteme.

  • Proteine von freien Ribosomen des Cytosols.

  • Eigenes genetisches Material (ringförmige DNA) und Proteinsynthese an prokaryoten-artigen Ri-bosomen.

Peroxisomen

  • Kleine, von einer Membran umhüllte Vesikel ohne eigene DNA

  • Chemische Reaktionen, bei denen Wasserstoffperoxid (H2O2) erzeugt und abgebaut wird.

  • Abbau von langkettigen Fettsäuren

Cytoskelett

  • Netzwerk aus Proteinfasern im Cytoplasma.

  • Funktionen: mechanische Stabilität, Zellbewegung, intrazellulärer Transport.

  • Komponenten:

    • Mikrotubuli (⌀=25 nm):

    • Gebildet aus α- und β-Tubulin.

    • Stabilisierung oder dynamischer Zustand.

    • MTOC (Mikrotubuli-organisationszentrum wie Zentrosom).

    • Funktionen: Zellgestalt, Bewegung, Chromosomenaufteilung, intrazellulärer Transport.

    • Aktinfilamente (⌀=5-9 nm):

    • Polymere aus Aktin.

    • Unterhalb der Plasmamembran.

    • Ab- und Aufbau der Filamente möglich.

    • Funktionen: Zellgestalt, Zellbewegung (Pseudopodienbildung), Muskelkontraktion, Cytoplasmaströmung, Zellteilung.

    • Intermediärfilamente (⌀=10 nm):

    • Seilähnliche Fasern.
      -Stabiler als Aktinfilamente und Mikrotubuli

    • Bestehen aus Intermediärfilament-Proteinen (z.B. Keratin, Lamin)

    • Verleihen Zellen mechanische Festigkeit.

    • Funktionen: Zellgestalt, Verankerung von Zellkern und Organellen, Bildung der Zellkernlamina.

Zell-Zell-Kommunikation

  • Vielzellige Organismen: Zellen müssen verbunden sein und miteinander kommunizieren.

  • Pflanzenzellen: Plasmodesmen (Kanäle für Austausch von Wasser und kleinen Molekülen) > gemeinsames Cytoplasma.

  • Tierische Zellen: Extrazelluläre Matrix (Glykoproteine, Proteoglykane), Zell-Zell-Verbindungen (Tight junctions, Desmosomen, Gap junctions [Austausch von kleinen Molekülen]).