Biologie (Fach) / Zellbiologie (Lektion)

Einführung Zellbiologie

Diese Lektion wurde von parrotlet erstellt.

Lektion lernen

Diese Lektion ist leider nicht zum lernen freigegeben.

zurück  |  weiter 1 / 2

• Was ist Leben biologisch? Stoffwechsel Bewegung Reizbarkeit Fortpflanzung Entwicklung
• Miller-Experiment - Experiment zur Simulation präbiotischer Synthesen(chemische Evolution) in künstlischer Uratmosphäre - Ammoniak, Wasserstoff, Methan und Wasser werden "Blitzschlägen" ausgesetzt - Die kondensierten Gase werden in einer Wasserfalle aufgefangen, erneut erhitzt und Blitzschlägen ausgesetzt -Wenn das System längere Zeit unter diesen Bedingungen in der Uratmosphäre gehalten wird, bildet sich eine wässrige Phase, in der ein komplexes Gemisch organischer Verbindungen vorliegt (einfache Fettsäuren, Zucker und Aminosäuren)
• Bausteine des Lebens Aminosäuren, Nukleinsäuren, Fette und Kohlenhydrate
• RNA-Enzyme (Komplexe Faltung und Membranhülle) 1. RNA wirkt als Matritze, an der Polypeptide gebildet werden 2. Polypeptide wirken als primitive Enzyme und replizieren RNA-Moleküle (auch miteinander konkurrierende) => Nur Moleküle innerhalb der Membranhülle interagieren
• Virentypen TMV T-Phage Adenovirus HIV => Aufgebaut nach "Lego-Prinzip"
• Virusstrukturen Kapsid (Ikosaeder) Nukleinsäure Kapsomer(aus einem oder mehreren Proteinen) Nukleokapsid Virion Hülle, Envelope Spikes (Glykoproteine)
• Ausbruchmöglichkeiten Viren Bursting und Knospung
• Die 3 Domänen/Organismen Bacteria Archaea Eukarya -> Alle gemeinsamen Vorfahren, Archaea und Eukarya näher verwandt als mit den Bacteria
• Kovalente und nicht-kovalente Bindungen (VL 2) Kovalente Bindungen: Teilen sich ein Elektronenpaar Stereoisomere (Kohlenstoff mit 4 unterschiedlichen Substituenten) Chiralität Wichtige biologische Verbindungen enthalten immer mind. ein chirales C-Atom => Aminosäuren (außer Glycin), Kohlenhydrate
• Wasserstoffbrückenbindungen Hydrationsenergie > Gitterenergie Hydrathülle
• Kohäsion und Adhäsion Kohäsionskräfte = Oberflächenspannung, Bindung/Beziehung zwischen gleichartigen Molekülen Adhäsionskräfte= Kapillarwirkung, Bindung/Beziehung zwischen unterschiedlichen Molekülen
• Stereoisomere "Gleiche Formel, andere Struktur" D- und L-Isomere (Richtung hängt von funktionieller Gruppe i.d. untersten Reihe ab) Enantiomere: Spiegelung Diastereomere: einzeln gespiegelt (Bsp. D-Mannose (HO erste Reihe links) und D-Glucose(HO erste Reihe rechts) Epimere: Diastereomere mit vielen Stereozentren Anomere: Unterschied im 1. C-Atom
• Lipide Steroide: Ketten aus Isopropen-Einheiten (Cholesterin) Phospholipide: Phosphat-Glycerol-Isopropen-Einheiten oder Cholin/Serin/Inositol-Phosphat-Glyerol-Fettsäure Fette: Glycerol-Fettsäuren
• Phosphatidyle(Aufbau) Serin-Phosphat-Glycerin-Fettsäuren
• Permeabilität mit "Geraden Fettsäuren(schwänzen)" -> geringe Permeabilität mit "gebogene Fettsäuren(Schwänzen)" -> hohe Permeabilität
• Cholesterin polarer/Hydrophiler "Kopf" - unpolarer/hydrophober Schwanz -> füllt Lücken zwischen ungesättigten Fettsäuren
• Aus was bestehen Zellen? Kleine Moleküle: Ionen Makromoleküle: Phospholipide, DNA und RNA(Nukleinsäuren), Proteine, Polysaccharide Proteine und DNA eng verknüpft
• J. F. Miescher isolierter als erster DNA (1869)
• Griffith und Avery Experiment an Pneumokokken -> DNA Träger der Erbinformation
• Versuche Griffith Versuch 1 :Bakterien vom R-TypDie Maus überlebtVersuch 2 :Bakterien vom S-TypDie Maus stirbtDer S-Typ ist für die Maus gefährlich, der R-Typ ist harmlosVersuch 3 : Die gefährlichen S-Typ Bakterien werden durch Abkochen getötet.abgekochte S-Typ BakterienDie Maus überlebtDurch Abkochen können S-Typ-Bakterien unschädlich gemacht werden.Offensichtlich werden für die Krankheit wichtige chemische Verbindungen zerstört.Versuch 4 :Mischung aus lebenden R-Zellen (harmlos) und abgetöteten S-Zellen (harmlos)MischungDie Maus stirbt. In ihrem Blut können lebende S-Bakterien nachgewiesen werden.
• Versuche Avery Avery nahm an, dass der tödliche Faktor der S-Zellen nichts anderes als eine Art Erbinformation ist.durch die Aufnahme von Erbinformation werden harmlose R-Zellen zu tödlichen S-Zellen. Abwandlung von Griffith´s vierten Versuch->Transformation durch Proteine oder durch Nukleinsäuren verursacht ? Versuche:S-Zellen : abgetötet, aufgebrochen und zentrifugiert-> Protein-Fraktion und DNA-Fraktion Nur das R-Zellen / Nukleinsäure-Gemisch war für die Maus tödlich, eine Injektion mit dem R-Zellen / Protein – Gemisch überlebt sie Ergebnis:Nukleinsäuren sind für die Übertragung der Erbinformation verantwortlich und nicht Proteine
• Hershey-Chase-Experiment HERSHEY-CHASE-Experiment 1Durchführung:T2-Phagen werden mit radioaktivem Schwefel 35S markiert. Diese derart markierten Phagen werden dann einer Bakterienkultur zugesetzt. Die Phagen infizieren die Bakterien. Nun werden die Bakterien in einen Mixer gegeben und ordentlich "durchgerüttelt", so dass die Phagen, die noch außen auf den Bakterien sitzen, abfallen. Anschließend wird die Mischung aus infizierten Bakterien und abgefallenen Phagen zentrifugiert. Die Bakterien setzen sich am Boden des Zentrifugenglases ab, die abgefallenen Phagen bleiben in der Flüssigkeit. Beobachtungen:Nach der Zentrifugation konnte im Bodensatz (Bakterien) keine Radioaktivität gemessen werden. Die Flüssigkeit jedoch war deutlich radioaktiv. HERSHEY-CHASE-Experiment 2Durchführung:T2-Phagen werden mit radioaktivem Phosphor 32P markiert. Dann Durchführung wie im Experiment 1. Beobachtungen:Nach der Zentrifugation konnte im Bodensatz (Bakterien) eine deutliche Radioaktivität gemessen werden. Die Flüssigkeit jedoch war nicht radioaktiv.
• Einheiten der Nukleinsäure Enthält 2 Pentosen (Ribose&2-deoxyribose) und die Nucleobasen(Adenin, Guanin, Cytosyn und Thymin)
• Funktionelle Gruppen in Adenin, Guanin, Cytosyn, Uracil und Thymin Adenin: NH2 Guanin: O und NH2 Cytosin: NH2 (Sechsring) Uracil: O (Sechsring) Thymin: CH3 (Sechsring)
• Chargaff-Regeln(1947) Basenzusammensetzung ist artspezifisch gleich in verschiedenen Geweben eines Individuum unabhängig von Faktoren wie Alter, Ernährung usw. => Mengenmäßig A = T, C=G und A+G = T + C
• Stoppcodons UAA UAG UGA
• Transkription (Initiation, Elongation und Termination) Initation: Während der Transkription wird eine Kopie eines bestimmten Genabschnitts, welcher auf der DNA liegt, in Form von mRNA synthetisiert.In der mRNA wird anstatt der Nukleotidbase Thymin Uracil verwendet und die Ribose ist am zweiten Kohlenstoff nicht oxidiert. Elongation: Analog zur DNA-Replikation werden nun Nucleosidtriphosphate (ATP, GTP, CTP, UTP) komplementär an den codogenen Strang von der RNA-Polymerase angelagert (Ablesen: 3‘-5‘-Richtung ; Synthese: 5‘-3‘-Richtung). Termination: Durch Terminatorsequenzen in der DNA stoppt die Transkription. Jetzt wird das Transkript (auch Prä-mRNA genannt) von der DNA abgelöst. Im Folgenden löst sich die RNA-Polymerase, woraufhin sich die DNA- Einzelstränge erneut zur Doppelhelix winden. Da eine identische Abschrift der DNA entstanden ist, wurden auch genleere Anschnitte (Introns) kopiert. Diese werden nun durch eine Prozessierung (Splicing) herausgeschnitten, wodurch die mRNA ausschließlich Exons (Genträger) enthält. Dies ist jedoch nur bei Eukaryoten nötig, da in der Prokaryoten-DNA keine Introns vorkommen.
• Translation (2. Schritt Proteinbiosynthese) - Die bei der Transkription produzierte Basensequenz der mRNA (messenger) wird in ein Protein übersetzt. -Immer drei Basen in bestimmter Anordnung (Basentriplett) codieren für eine Aminosäure Ablauf a) Anlagerung der Ribosomen an die mRNADie eigentliche Übersetzung einer mRNA in ein Protein findet in einem Ribosom statt. Dieses setzt mit seinen beiden Teilen an der mRNA an und beginnt diese vom 5´zum 3´Ende auszulesen, bis es das Startcodon(welches nicht zwingend am Anfang der mRNA liegt) AUG erreicht. Dort beginnt es mit der Translation. b) tRNA mit komplementärem Basentriplett bindet am RibosomEin Ribosom hat drei Stellen für Codons. Erreicht die erste Stelle des Ribosomen nun das Startcodon, beginnt es mit der Translation, indem es das eine tRNA (transfer) mit der passenden Aminosäure und den Gegenbasen zum Startcodon mit der mRNA verbindet. Nun bewegt sich das Ribosom ein Codon weiter, sodass das Startcodon sich nun auf der zweiten Stelle befindet. Das sich auf der ersten Stelle befindende Codon der mRNA wird wiederum mit einer tRNA und damit mit der zugehörigen Aminosäure verbunden. c) Aminosäuren werden verknüpft und genutzten tRNAs fallen abBei der nächsten Bewegung verbindet sich die Aminosäure, die sich auf der dritten Stelle befindet mit der, auf der zweiten Stelle. Die tRNA auf der dritten Stelle verlässt das Ribosom ohne Aminosäure. d) Ende der Translation und fertige AminosäureketteDer ganze Vorgang wiederholt sich, bis das Ribosom ein Stoppcodon (UAA, UAG und UGA) erreicht. Diese müssen sich nicht am Ende der mRNA befinden. Ist die Translation beendet, lösen sich Ribosom, Protein und tRNA von der mRNA, das Ribosom zerfällt in seine Einzelteile. Eine mRNA kann auch von mehreren Ribosomen gleichzeitig übersetzt werden. Der Vorgang der Translation wiederholt sich so lange, bis die mRNA in ihre Nukleotide zersetzt wird.
• Assimilation und Dissimilation Assimilation: Überführung körperfremder Ausgangsstoffe in körpereigene Substanzen im Rahmen der meist endergonischen Reaktionen des Stoff- und Energiestoffwechsels Dissimilation:  stufenweise, meist oxidative Abbau organischer Verbindungen (organisch) durch die Enzymsysteme (Enzyme) der lebenden Zellen. Durch Dissimilation wird Energie in Form energiereicher Phosphate (energiereiche Verbindungen), meist ATP (Adenosintriphosphat), für energieverbrauchende biologische Prozesse (anabolische Stoffwechselreaktionen, Muskelarbeit usw.) frei.
• aerobe Dissimilation 1.  Glykolyse: Sie ist im Cytosol der Zelle lokalisiert. Hierbei wird die Glucose, ein C6-Körper zu 2 Molekülen Pyruvat (C3-Körper) abgebaut. Dabei werden Elektronen übertragen. Als Elektronendonator dienen dabei organische oder anorganische Substrate, als Elektronenakzeptor anorganische Verbindungen (ADP, NAD+ und ähnliche). Es entstehen effektiv 2 ATP. Das NAD+, welches als Wasserstoffakzeptor dient, wird in der Glykolyse verbraucht. Der Verbindungsschritt zwischen der Glykolyse und dem weiteren Schritt der Atmung, dem Citratzyklus, ist eine oxidative Decarboxylierung des Pyruvats. Es entsteht dabei Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure). 2. Citratzyklus :Er findet in der Mitochondrienmatrix statt. Hier wird die Acetylgruppe (C2-Körper) der aktivierten Essigsäure auf Oxalacetat (C4-Körper)übertragen. Es entsteht der C6-Körper Citrat. Citrat wird wieder chemisch umgewandelt bis schließlich wieder Oxalacetat antsteht, welches erneut eine Acetylgruppe aufnehmen kann - der Kreislauf ist somit geschlossen.Im Laufe des Zyklus entstehen 2 x [2 CO2, NADH (und die ähnliche Substanz FADH2) und 1 ATP (sowie das ähnliche GTP)].Der gespeicherte Wasserstoff wird in den nächsten Schritt der aeroben Dissimilation eingeschleust.Der eigentliche Sinn des Citratzyklus ist es, dass aus dem Pyruvat (Endprodukt der Glykolyse) möglichst viel Wasserstoff freigesetzt wird, denn dieser kann im folgenden Schritt zur Energiegewinnung genutzt werden. CO2 entsteht dabei sozusagen als 'Abfallprodukt'. 3.Atmungskette( mit daran gekoppelter Endoxidation): Lokalisiert an der inneren Mitochondrienmatrix statt.Die Atmungskette besteht aus drei verschiedenen Enzymkomplexen, die in einer absteigenden Reihe angeordnet sind, absteigend bedeutet dabei, daß jedes Enzym eine größere Tendenz hat, Elektronen aufzunehmen als sein Vorgänger, der Energiegewinn erfolgt also 'freiwillig'durch eine Elektronentransportkettenphosphorylierung. Am Ende der Atmungskette wird der Wasserstoff in einer kontrollierten Knallgasreaktion auf molekularen Sauerstoff übertragen.Die entstandene Energie wird dazu genutzt, den Wasserstoff entgegen dem Konzentrationsgefälle aus der Zelle zu transportieren. Mit dem Konzentrationsgefälle tritt er dann wieder in die Zelle ein und setzt dabei eine ATP-Pumpe in Gang (ATP-Synthase), der Wasserstoff sorgt also für die Umsetzung der Energie in ATP.-> Pro NADH+H+ entstehen dabei 3 ATP, pro FADH2 entstehen 2 ATP, so daß man am Ende eine Bilanz von 34 ATP für diesem Schritt hat. Gesamtbilanz: C6H12O6 ---> 6 CO2 + 6 H2O
• anaeroben Dissimilation (Gärung) 1.  Glykolyse. Sie ist im Cytosol der Zelle lokalisiert. Hierbei wird die Glucose, ein C6-Körper zu 2 Molekülen Pyruvat (C3-Körper) abgebaut. Dabei werden Elektronen übertragen. Als Elektronendonator dienen dabei organische oder anorganische Substrate, als Elektronenakzeptor anorganische Verbindungen (ADP, NAD+ und ähnliche). Es entstehen effektiv 2 ATP. Das NAD+, welches als Wasserstoffakzeptor dient, wird in der Glykolyse verbraucht. 2. Regeneration NAD+ : Pyruvat wird in der alkoholischen Gärung zunächst enzymatisch zu Ethanal (Acetaldehyd) decarboxyliert. Dieses wird dann unter Regeneration des Reduktionsäquivalentes NAD+ zu Ethanol reduziert. Als Wasserstoffakzeptor dient in diesem Fall also eine organische Verbindung. 3. In der Gesamtbilanz entstehen: C6H12O6 + 2 ADP +2P -----> 2 C2H5OH + 2 ATP (sehr wenig Energie!)
• Fotosynthese Dunkelreaktion (CO2-Fixierung und Calvinzyklus) Nachdem aus der Lichtreaktion bereits Energie und Wasserstoff gewonnen wurden, muss jetzt noch der benötigte Kohlenstoff dazu kommen. CO2-Fixierung (Carboxylierung)  Das durch die Spaltöffnungen in die Blätter diffundierende CO2 wird im Stroma der Chloroplasten durch das Enzym Rubisco (Ribulose-1,5-Bisphosphat-Carboxylase) fixiert (carboxyliert) und auf einen C5-Körper (ein Molekül mit 5 C-Atomen, hier das Ribulose-Bisphosphat, auch Ribulose-Diphosphat) übertragen. Es entsteht kurzfristig ein C6-Körper, der aber schnell in zwei C3-Körper zerfällt (das 3-Phosphoglycerat). Es entstehen also durch die Fixierung von einem CO2-Molekül zwei Moleküle 3-Phosphoglycerat (unter ATP-Verbrauch, ATP wird zu ADP). Calvinzyklus Diese werden unter Verbrauch von NADPH (wird zu NADP oxidiert) zu Glycerinaldehyd-3-Phosphat (GAP) umgewandelt. Um die CO2-Fixierung weiter betreiben zu können, muss der C5-Körper, das Ribulose-Bisphosphat, regeneriert werden. Dazu werden 5 GAP-Moleküle unter ATP-Verbrauch umgebaut zu 3 C5-Körpern (Xylulose-5-Phosphat), die letztlich wieder zu Ribulose-Bisphosphat umgewandelt werden.  Gesamtgleichung des Calvin-Zyklus : 3 CO2 + 6 NADPH + 6 H + 9 ATP --> Triose (GAP) + 3 H2O + 6 NADP + 9 ADP + 9 P - Aus der entstandenen GAP wird Glukose aufgebaut. -Aus Glukose, einem ringförmigen Molekül, wird anschließend Stärke gebildet, dann in kleinen Stärkekörnern (Granula) im Chloroplasten gelagert.
• Thermodynamik Begriffe System= ein unbestimmter Teil des Universums (Reaktionsgefäß, lebender Organismus)offenes System= lebende Systeme die Nahrung aufnehmen, Abfall abgeben und Wärme und Arbeit produzierengeschlossene Systeme = tauschen mit ihrer Umgebung Energie aus, aber keine Materieabgeschlossene/isolierte Systeme: z.B. Universum, alle andere Systeme offen außer künstlich erzeugt
• 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik 1. Hauptsatz: Energie kann weder gewonnen noch vernichtet werden 2. Hauptsatz: Thermische Energie ist nicht in beliebigem Maße (also verlustfrei) in andere Energiearten umwandelbar. Es gilt: Heiß -> Kalt und Ordnung in Chaos umwandeln - Kriterium der Freiwilligkeit von Prozessen
• Entropie und 2. Hauptsatz Die EntropieS [J K-1] entspricht jener Energie, die an das System verloren gehtDieser Anteil ist temperaturabhängig
• RGT-Regel (Thermodynamik) Eine Temperaturerhöhung um 10°K verdoppelt die  Geschwindigkeit biochemischer Reaktionen.
• Enzym-Substrat-Komplex Schlüssel-Schloss-Prinzip
• Cytoskelett: Grundtypen von Filamenten Intermediärfilament Mikrotubuli Aktinfilamente
• Intermediärfilamente (Aufbau und Vorkommen) -seilartig verdrillte lange Stränge von-aneinandergesetzten filamentösen Proteinen-weisen hohe Zugfestigkeit auf-machen Zellen gegenüber mechanischen Belastungen (Druck, Dehnung) widerstandsfähig Beispiele: Hautzellen, EpithelzellenNeurofilamente GliazellenVimentinDesmin Kernlamine
• Aktinfilamente +dünne bewegliche Fäden +Durchmesser 7 nm +Kette identischer globulärer +Actinmoleküle +doppelsträngige Helix +polarer Bau+können quervernetzt werde Wichtige Aufgabe Zellbewegung: Zellwanderung (Migration), Ausbildung von Zellfortsätzen, Muskelkontraktion Vorkommen: Mikrovilli, Fibroblasten, Filopodien und kontraktiler Ring (Zellteilung)
• Muskelkontraktion Myosin ist ein Aktinabhängiges Motorprotein und kann durch Bindung an Aktinfilamente und anschließende ATP-abhängige Konformationsänderung das aneinander vorbei gleiten der Filamente bewirken (==> Kontraktion).
• Mikrotubuli (Aufbau,Aufgabe,Motorproteine) -aus Tubulin Molekülen aufgebaut-α- und β-Tubulin bilden Heterodimere- diese lagern sich zu röhrenförmigen Hohlzylindern zusammen-Ring aus 13 Protofilamenten-polarer Aufbau-Verlängerung am plus-Ende- dynamische Veränderung Die Mikrotubuli in Nervenzellen zeigen in eine Richtung (plus am Axonende) und dienen als „Schienen“ für den gerichteten Transport von Substanzen/Vesikeln, die im Zellkörper synthetisiert, aber im Axonende (Synapse) benötigt werden (z.B. Membranproteine). Diese Form des gerichteten Transports findet in allen Zellen statt. Verantwortlich für die Bewegung der Vesikel sind die MT-abhängigen Motorproteine Kinesin und Dynein. Kinesin: Plus-gerichteter TransportDynein: Minus-gerichteter Transport
• Membranen - bilden Barrieren                                                                                                                              - Phospholipide sind die wichtigsten Bausteine von Membranen                                   -Membranen haben eine dem Zytoplasma und dem extrazellulären Medium zugewandte Seite-der Innenraum von Vesikeln und einigen membranumgebenen Organellen ist topologisch äquivalent zum Extrazellulärraum-Nukleus, Mitochondrien und Chloroplasten sind von zwei Membranen umgeben, die durch einen Intermembranraum getrennt sind.
• Protoplast Der Protoplast ist die kleinste selbständig lebensfähige morphologische Einheit von Zelltypen, die eine Zellwand besitzen (Pflanzen-, Pilz-, und Bakterienzellen), d.h. der plasmatische Inhalt einer Zelle inklusive Organellen und begrenzender Plasmamembran.
• Zellkern -Kernhülle: Doppelmembran von innen durch die Kernlamina gestützt (Intermediärfilamente)-Kernporen: in die Membran eingebetteter Proteinkomplex, kontrolliert Transport-Nucleolus: hochverdichteter Bereich => Ribosomenbiosynthese-Heterochromatin: dunkle/dichte Bereiche des Chromatins, keine Transkription (inaktiv)-Euchromatin: helle/offene Bereiche des Chromatins, Transkription
• Kernporenkomplex - Der Kernporenkomplex besteht aus einem Multiproteinkomplex - Der Transport von Molekülen durch den Kernporenkomplex ist selektiv und aktiv. (=> Kernlokalisationssignal)
• Nukleos - Ort der Ribosomenbiosynthese - Die ribosomale RNA wird von den Genen der Nucleolus-Organisator-Region transkribiert und anschließend mit ribosomalenProteinen (importiert aus dem Zytoplasma) zu den Ribosomen-Untereinheiten zusammengesetzt. Die fertigen Untereinheiten werden dann aus dem Kern exportiert.
• Ribosomen - Ort der Proteinbiosynthese-bestehen aus 2 Untereinheiten-zusammengesetzt aus rRNA und Proteinen-werden im Nucleolus im Kern synthetisiert und ins Zytoplasma transportiert-„freie Ribosomen“im Cytoplasma(Polysomen)-„membranständige Ribosomen“am rauen Endoplasmatischen Retikulum (rER)
• Proteasom Abbau von fehlgefalteten Proteinen(Qualitätskontrolle) -> Fehlgefaltete Proteine werden mit Ubiquitin markiert, vom Proteasom erkannt und proteolytisch gespalten 
• Endoplasmatisches Retikulum (ER) - Netzwerk aus miteinander verbundenen Röhren und Taschen- wichtigste Produktionsstätte von neuen Membrankomponenten

zurück  |  weiter 1 / 2