Welche Organelle sind Kompartimente in einer Eucyte?
Zellkern, Cytosol, Mitochondrien, Chloroplasten, Endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat, Vakuole, Lysosomen (nur in tierischen Zellen)
Auflösungsvermögen des
Auges,
Lichtmikroskops und
Elektronenmikroskops
Auge: 0,2mmLichtmikroskop: 500nmElektronenmikroskop: 0,5nm
Farbgruppen in der Mikroskopie
Hellfeldmikroskopie: Diachrome Floureszenzmikroskopie: Flourochrome
Grün fluoreszierendes Protein GFP
- fusioniert mit dem Gen eines anderen Proteins - zeigt DNA an - fluoresziert grün
Primär- und Sekundärfluoreszenz
Primär: von Natur aus fluoreszierend, Bsp: Chlorophyll fluoresziert rot Sekundär: induzierte Fluoreszenz, es ist eine Präparation, eine Markierung mit einem Fluoreszenzfarbstoff notwendig
Konfokale Mikroskopie
- es wird nicht das gesamte Objekt beleuchtet sondern immer nur ein kleiner Teil, dieses Verfahren wird über das ganze Objekt gerastert und im Nachhinein wird das Bild zusammengefügt Vorteil: höherer Kontrast
Strahlengang im Fluoreszenzmikroskop
Lichtquelle -> Anregungsfilter (lässt den für die Fluoreszenz notwendigen Wellenlängenbereich passieren) -> Anregungsfilter oder Excitationsfilter (reflektiert kurzwelliges Anregungslicht zum Präparat) -> Präparat (längerwelliges Licht wird zurück emittiert) -> dichromatischer Strahlteiler (Restanregungslicht wird zur Lichtquelle reflektiert, nur langwelliges Licht kommt geradeaus durch) -> Sperrfilter oder Emissionsfilter (Reste des Anregungslichts werden eliminiert) -> nur das langwellige Fluoreszenzlicht gelangt zur Bildentstehung
Fixierungsmethoden
chemisch: mit Formaldehyd physikalisch: unter hohem Druck und extrem niedriger Tempertur, Vorteil: Strukturen besser erhalten, besser zu erkennen
Zellkern
Zellkernhülle: Doppelmembran, perinukleären Raum, KernporenKernpore = Kanalproteinkomplex (NPC), oktagonale Symmetrie, Nucleoporinefreie Diffusion von Molekülen < 40kDamakromolekularen Transport – Import und ExportFkt: Speicher der genetischen Information + KontrollzentrumAktivität: Transkription, ReplikationDNA Moleküle = Chromatin (Interphase) und Chromosomen (Mitose/Meiose; Anzahl istspeziesspezifisch) => Heterochromatin, EuchromatinNukleolus – Synthese rRNA und Ribosomen‐Untereinheiten
Cytosol und Cytoplasma
hoch organisierte, dynamische Matrix mit Mikrofilamenten, Mikrotubuli undIntermediäre FilamentenFkt: Positionierung und aktive Bewegung der Organellen und Makromoleküle, Zellbewegung undZellteilung / Synthese von Proteinen
Mitochondrien
in allen Eukaryonten, von Doppelmembran, CristaeFkt: Elektronentransportkette + aeroben Atmung (ATP‐Synthese), Teile des HarnstoffzyklusMatrix = mitochondriales Plasma / Mitoplasma mit zirkuläre mitochondriale DNA (mtDNA ; Nucleoide)
Chloroplast
in Pflanzen und Algenzahlreiche Chloroplasten pro Zelle, Doppelmembraninnere Hüllmembran, Thylakoide: Stroma‐ und GranathylakoideLichtsammelpigmente (Lichtreaktion der Photosynthese);Stroma = Plastoplasma ‐Dunkelreaktion der Photosynthese (Ribulose‐1,5‐bisphosphat‐carboxylase/‐oxygenase :RuBisCO)zirkuläre plastidäre DNA (ptDNA; Nucleoide)
Endoplasmatisches Retikulum
Membrannetzwerk im Cytoplasma; verzweigte röhrenförmigeMembranen + flache Säckchen = Zisternen, Innenraum = ER‐LumenER steht mit der Kernhülle in Verbindung rauhes ER (rER ; granuläres ER) => besetzt mit Ribosomen /Polysomen;Fkt: Synthese von Membranproteinen, sekretorischen Proteinen, Ort der Translation (und chemische Modifikation von Proteinen)glattes ER (ER; agranuläres ER): Ort der Lipidsynthese, Inaktivierung von toxischen Substanzen
Golgi‐Komplex /Golgi‐Apparat
Gesamtheit der Dictyosomen = Stapel aus Zisternen und Vesikeln;Zellen können 1 bis mehrere hundert Dictyosomen enthalten.Cis /trans‐Golgi -> cis dem Kern zugewandt, trans der MembranFkt: Synthese von Polysacchariden (z.B. für Zellwandmatrix), Glykosylierung von Proteinen(Glykoproteine = Protein + Kohlenhydrat)
Vakuole der Pflanze
Fkt: Abbau und Recyling von Stoffwechselproduktensaures Kompartiment pH 5.5, enthält lytische Enzyme z.B. Proteinasen, saure HydrolasenTonoplastenmembran: sehr selektive BarrierefunktionSpeicherkompartiment mit großer Vielfalt an löslichen Substanzen:
Lysosomen
nur in tierischen Zellen, mit saures Lumen (pH 5,5), Abbau und Recyling
Microbodies(MB) = Peroxisomen
kugeliges Organell, fein granuläre Grundsubstanz (Matrix) umgeben von einfacher Membran,spezifische Stoffwechselleistung: oxidative Stoffumwandlung ‐ Abbau von H2O2 durch Katalase(Markerenzym)MB in fettspeichernden Geweben keimender Samen = Glyoxysomen- Abbau von FettenMB in photosynthetisch aktiven Zellen: Blatt‐Peroxisomen- Photorespiration ‐
Definition Zelle
Kleinste lebende Einheit aller Organismen.
Grundeigenschaften aller Zellen
- immer von Membran umgeben - Ort vielfältiger chemischer Reaktionen (Wachsen, Energie erzeugen, Abfallentsorgung) - enthalten Erbinformation in DNA
Definition Kompartiment
Gesamtheit aller durch Membranen begrenzter Reaktionsräume
Definition Organellen
Strukturell abgegrenzter Bereich mit besonderer Funktion semiautonome Organellen: Plastiden und Mitochondrien -> genetisch nicht völlig vom Zellkern abhängig
Fluoreszenzmikroskopie
nutzt die Eigenschaft bestimmter Stoffe, UV oder kurzewelliges sichtbares Licht zu absorbieren und einen Teil dieser Energie als langwellige Strahlung zu emittieren - semidurchlässiger Spiegel trennt Anregungs- und Emissionslicht
alle Kompartimente der Zelle
Cytoplasma, Plasmamembran, ER, Golgi, Peroxisomen, lytisches Kompartiment (besteht aus Vakuole oder Lysosomen), Zellkern, Mitochondrien, Plastiden
Vorteile Kompartimentierung
getrennte Reaktionsräume, in denen z.B. unterschiedliche pH-Werte sein können, wo die Enzyme optimal arbeiten können
Phasenkontrastmikroskopie
nutzt Dichteunterschied zwischen Präparat und Medium -> anderer Brechungswinkel, durch diese lampda- Viertelplatte bewirkt eine Phasenverschiedbung des Lichts -> destruktive Interferenz -> Objekt hebt sich dunkel ab
Kontrast
Hell-/ Dunkelunterscheidung Durch die Aperturblende wird der Kontrast erhöht, aber die Auflösung wird dadurch erniedrigt.
Färbeverfahren zum Nachweis von ROS-Bildung
NBT -> reagiert mit H2O2 blau KI -> reagiert mit H2O2 braun ("tissue printing")
Differentialinterferenzkontrastmikroskop DIK
Effekt ähnlich wie bei Phasenkontrast, aber es wird polarisiertes Licht benutzt statt der lamda-Viertelplatte
REM und TEM
Rasterelektronenmikroskop: Objekt ist mit Metall beschichtet und wird mit Elektronen beschossen. Aus den reflektierten Elektronen wird ein Bild erstellt. Transmissionselektronenmikroskop: Elektronen gehen durch und werden unter dem Objekt gemessen. Auf dem entstehenden Bild sind Bereiche größerer Dichte dunkler und die Bereiche geringerer Dichte heller. Deshalb wird das Negativ dargestellt, damit das gewohnte Bild zu sehen ist.
Proteintargeting
Zielsteuerung und Bezeichnung für Markierung und Sortierung von Proteinen, die einen zielgerichteten Transport synthetisierter Proteine in verschiedene Zellkompartimente ermöglicht. Entweder Anheften an Membran oder Eintritt in Kompartimente durch AS-Sequenzen Spaltbare Sortierungssequenzen: N‐terminale Targetsequenzen werden durch spezifische Proteasen abgespaltenNicht‐spaltbare Sortierungssequenzen – Transitseqzenz innerhalb der Polypeptidkette
Proteintargeting, Import und Chaperone
Posttranslationaler Import:Chloroplasten und Mitochondrien: N‐teminale Target‐/TransitsequenzChaperone = bewirken, dass Proteine in einem teilweise ungefalteten Zustand verbleiben oder wieder richtig gefaltet werdenPosttranslationaler Import in den Zellkern durch die Kernpore:freie Diffusion für Proteine <40kDGroße Moleküle = aktiver spezifischer Transportmechanismus mit notwendigen Targetsequenzen (Frachtproteine: NLS (Importin) und NES (Exportin))
Evolution der Zelle
Gemeinsame Grundbausteine aller Zellen
Urzelle hat sich vor ca. 3,5 Mrd. Jahren entwickelt Grundbausteine: DNA, Energiestoffwechsel mit ATP, Begrenzung durch Plasmamembram, Ribosomen für Proteinbiosynthese
Endosymbiontentheorie Eucyte
vor 2 Mrd. Jahren: Endosymbiose mit einem Proteobakterium -> Mitochondrien entstehen vor 1,2 Mrd. Jahren: Endosymbiose mit einem Cyanobakterium -> Chloroplasten entstehen
Membranen Funktionen
Funktionen von Membranen:• Permeabilitätsbarrieren- Abgrenzung (Plasmamembran)- Kompartimentierung (Abgrenzungen innerhalb Zelle)• Orte biochemischer Funktionen- Elektronentransport (Mitochondrien, Chloroplasten)- Proteinprozessierung (ER)• Transportvorgänge- Stoffwechselaustausch mit der Umgebung- Transport zwischen Organellen• Perzeption und Weiterleitung von Signalen• Kontakte zwischen Zellen und interzelluläre Kommunikation• Verankerung des Cytoskeletts• Bewegung
Aufbau von Membranen, Membranlipidklassen
Membranen sind dünne zweidimensionale Flüssigkeiten (Fluid mosaic Modell), Lipid‐DoppelschichtGrundlage der Struktur: Membranlipide sind amphipatischMembranlipidklassen:- Phospholipide- Galaktolipide- Ceramide bzw. Sphingolipide- Sterole wie Cholesterin
Beweglichkeit der Lipide
lateral, Rotation, Flip (von innen nach außen) ‐Flop (von außen nach innen) katalysiert durch Flippasen
Zwei Grundeigenschaften von Membranen:
1. AsymmetriePhosphatidylserin als Marker der plasmatischen SeiteZuckerreste nur auf der exoplasmatischen Seite (Glykokalix)2. und laterale Heterogenitätz.B. Lipid Rafts=Lipidflöße Aggregation bestimmter Lipide (Cholesterin und Shingolipide, diezusammen schwimmen), Assoziation mit Rezeptorproteinen
Markerlipide der Organellen
Chloroplasten: Galaktolipide (MGDG, DGDG), SulfolipidMitochondrien: Cardiolipin
Integrale MP
- single und multi pass Proteine (alpha‐Helices)- ß‐Fass‐Proteine bei Bakterien und Organellen, u.a. Porine mit 16 ß‐FaltblätternMonotopische integrale Membranproteine (sind in einer Hälfte der Lipidphase integriert)Integrale MP bestimmen die Durchlässigkeit von MembranenTransporter: Carrier (Symporter, Antiporter), Ionenkanäle und Pumpen
Periphere MP
Verankerung peripherer MP an Membran:1. nichtkovalente Wechselwirkungen mit integralen MP2. kovalente Bindung an Lipidanker,Passiver Transport entlang eines Konzentrationsgradienten- erleichterte Diffusion
Kompartimentierungsregel (nach Schnepf)
Eine Biomembran trennt eine plasmatische von einer nichtplasmatischen Phase.
Fluidität von Membranen
kann angepasst werden durch Temperatur, Umbau (Doppelbindungen, cis-trans, Cholesterinerinbau) generell: Pflanzen müssen sich stäker anpassen weil sie ortsgebunden sind
Zwei Strategien für den Transport und die Zielsteuerung von Proteinen:
Targeting: „Etikettierung“Vesicular traffic: membranvermittelnde Proteintransport
Post‐translationale Translocation – Co‐translationaler vektorieller Translocation
Post‐translationale Translocation: Proteine werden erst vollständig synthetisiert und danach erst transportiert Bsp: in Mitochondrien, Zellkern, Peroxisome und PlastidenCo‐translationale Translokation => Vektorielle Translation: Proteinsynthese (Translation) und derder Transport (Translocation) erfolgen gleichzeitig
Asymmetrie Membran
haben eine dem Cytoplasma zugewandte plasmatische Seite und eine extraplasmatische Seite.
Zellkern aufgebaut aus..
Zellkernhülle: Doppelmembran perinukleärer Raum: Zwischenraum zwischen äußeren und innerer Kernmembran Kernporen
Kernpore
Kernpore = Kanalproteinkomplex(NPC), oktagonale Symmetrie, Nucleoporine, freie Diffusion von Molekülen <40kDa makromolekularer Transport durch Import und Export
Zellkern Funktion
Speicherung genetischer Information +Kontrollzentrum Transkription, Replikation DNA Moleküle= Chromatin (Interphase) und Chromosomen (Mitose,Meisose; Anzahl ist speziesspezifisch) => Heterochromatin, Euchromatin Nukleolus - Synthese rRNA und Ribosomen- Untereinheiten
