Unterrichtseinheit Bio II: - HRZ Uni Marburg: Online-Media+CGI-Host

Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE

Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE
Lernziele
Nach Durcharbeitung dieses Kapitels sollten Sie
• den Bau der Bakterienzelle kennen
• die Möglichkeiten zum Gentransfer bei Prokaryonten kennen
• den Bau der Eukaryontenzelle kennen
• den Ablauf der Mitose kennen
• die Unterschiede zwischen beiden Zellen darstellen können

Bakterienformen
STRUCTURE AND FUNCTION OF PROCARYOTIC CELLS
http://textbookofbacteriology.net/structure.html

Bakterium, Bau

Zellwand
Die bakterielle Zellwand besteht aus
Murein, einem einzigen Molekül.

Gramfärbung

Bakteriengeißeln,
Bakterienmembran

Bakterienmembran, Aufgaben
1. Osmotische und Permeabilitätsbarriere
2. Transportsysteme für Nahrungsbestandteile und Ionen
3. Energieproduktion
4. Membranlipidsynthese
5. Mureinsynthese (Peptidoglycan der Zellwand)
6. Zusammenbau und Sekretion extracytoplasmatischer Proteine
7. Koordination der DNA - Replikation, der Septumbildung und
Zellteilung
8. Chemotaxis (Beweglichkeit und Signalaufnahme

Bakterielle Gene
Das Bakterienchromosom ist ringförmig.
Bakterielle Gene sind nach dem Operon-
Prinzip gebaut.

Zellteilung

Sporenbildung
Bakterien bilden Dauerformen, in denen sie Trockenheit, Hitze und
sogar Vakuum überstehen können.

Stoffwechsel
Je nach Ernährungsart unterteilt man die Bakterien in
• Photoautotrophe (zur bakteriellen Photosynthese fähig)
• Heterotrophe (auf eine organische C-Quelle angewiesen)
• Saprophyten (leben auf oder von toter Materie)
• Parasiten (leben schädigend von lebenden Organismen)
• Symbionten (leben mit einem anderen Organismus unter gegenteiligem
Vorteil zusammen)

Archaebakterien
Archaebakterien, Archaeobakterien, Archaea:
Eigenständige Bakteriengruppe,
bilden mit den den Bacteria und den Eucarya die drei Domänen der Lebewesen.
Wichtige Unterscheidungsmerkmale zwischen A. und Bakterien sind:
1. Der Aufbau der ribosomalen RNA.
2. Der Aufbau der DNA-abhängigen RNA-Polymerase und von Komponenten
der Translation.
3. Die Zellwände der A. enthalten kein Murein und sind sehr unterschiedlich
zusammengesetzt (z.B. Pseudomurein, Glykoproteine, Proteine).
4. Aufbau der Membranlipide.
5. Archaea weisen besondere Stoffwechselwege auf und enthalten zum Teil
Black Smoker und White Smoker gehören zu den
ungewöhnliche
hydrothermalen
Coenzyme.
Quellen am Grund der Tiefsee. Die
Mündung wird durch eine röhren- oder kegelförmige
mineralische Struktur, dem Schornstein geformt, aus
Archaebakterien dem eine wachsen Sedimentwolke meist austritt.
unter ungewöhnlichen, extremen
Lebensbedingungen, z.B. in Black Smokers, in Schwefelquellen oder bei
hohn Salzkonzentrationen.

Bakterien im Ökosystem
In Ökosystemen übernehmen
Bakterien i.d.R. die Rolle der
Destruenten.
(Ausnahme: Photosynthetisierende B.)

Positiv:
Unterstützung der Verdauung
Bakterien und der Mensch
Einstellung eines sauren Milieus in der Vagina
Biotechnologischer Einsatz zur Medikamentenproduktion (z.B. Insulin)
Negativ:
Verursacher von Entzündungen

Bakterienerkrankungen

Mathematik einer Bakterienerkrankung

Epidemie
Eine Epidemie (griechisch - Seuche) ist ein
massenhaftes Auftreten einer Krankheit innerhalb einer
Population, dort jedoch unspezifisch (nicht auf eine bestimmte
Gruppe beschränkt).

Antibiotika – Medikamente gegen bakterielle
Infektionen
Bakteriostatisch: Hemmung der Bakt.vermehrung,
bis Bekämpfung durch
Immunsystem
Bakterizid: Töten der Bakterien (z.B.
durch Verhinderung der Zellwandsynthese
{Penicillin})

Beseitigung von Bakterien
Unter Sterilisation versteht man die Abtötung sämtlicher
Mikroorganismen (d.h. auch der Sporen) in einem Material.
Desinfektion hingegen bedeutet die gezielte antimikrobielle
Behandlung mit dem Ziel, die Übertragung von Mikroorganismen
zu verhindern.
Abtötung durch Hitze
Ionisierende Strahlung (Röntgenbestrahlung, Radioaktive Bestrahlung)
Filtration
UV-Licht
Chemische Agenzien
Oxidationsmittel
Oberflächenaktive Substanzen

Verhinderung von Kontamination mit Luftkeimen
„Cleanbench“:
Gefilterte Luft bläst über den Arbeitstisch
Benutzung eines Bunsenbrenners:
Aufsteigende Luft nimmt Bakterien
nach oben mit

Phage Lambda
Bakterienviren

Vermehrungszyklus von Phagen

Gentransfer bei Bakterien
Bei der Transformation werden DNA-Fragmente in die Zelle
aufgenommen und mit dem bakteriellen Chromosom ausgetauscht.
Bei der Konjugation paaren sich unter dem Einfluss spezieller F-
Plasmide (Fertilitätsfaktoren) zwei Bakterienzellen, stellen über
Plasmabrücken einen direkten Zellkontakt her und transportieren
über diese Verbindung Teile des genetischen Materials (Plasmide
oder Teile des Chromosoms).
Bei der Transduktion erfolgt die Übertragung der DNA durch
Bakterienviren (Phagen), die sich in der Bakterienzelle vermehren
und dabei irrtümlich ein DNA-Element des Bakteriums statt der
eigenen DNA oder RNA einbauen.

Transformation
• Aufnahme der DNA in die Bakterienzelle
• Paarung der DNA-Stränge
• Doppeltes Crossing-Over und Integration der Fremd-DNA in das
Bakterienchromosom
• Abbau des verbleibenden DNA-Fragments
Ist das transformierte DNA-Stück zu kurz, kommt es nur zu einem
Crossing-Over, es entsteht eine nicht lebensfähige Zelle mit einem
geöffneten Chromosom.

Konjugation

Konjugation, Ablauf
F + x F -
Transfer des F-Plasmids
Hfr x F -
Transfer des bakt. Chromosoms

Allgemeine Transduktion
Bei der allgemeinen Transduktion
werden beliebige Wirtsgene
übertragen.
Der Phage kann zwar eine Zelle infizieren, sich aber nicht vermehren.
Wird chromosomale DNA übertragen, rekombiniert sie mit der DNA
der infizierten Zelle. Ist die DNA die eines Plasmids, kann sie repliziert
werden und bleibt erhalten.

Größenverhältnisse Pro-/Eukaryont

Zelle im Elektronenmikroskop

Plasmamembran

Kanalproteine

Zelloberfläche

Pflanzenzelle

Chromosomenbau
Jedes Chromosom enthält 1 DNA-Molekül
DNA bildet mit speziellen Proteinen
(Histonen) eine Nucleosomenstruktur

Nukleosom

Zellzyklus

Zellzyklus, Dauer
Art Interphase (min) Mitose (min)
Frucht- oder Taufliege, Ei 3 6
Haushuhn, Zellkultur 700 23
Hausmaus, Zellkultur 1.300 40
Hamster, Zellkultur 640 24
Bohne (Vicia faba) Wurzelmeristem 1.000 120
Ratte, Hornhautzellen 14.000 70

Mitose

Mitose, Dauer
Art Temperatur (°C) Pro Meta Ana Telo
Zwiebel (Wurzelspitze) 20 71 6.5 2.4 3.8
Erbse (Wurzelspitze) 20 78 14.4 4.2 13.2
Seeigel (Embryo) 12 19 17 12 18
Heuschrecke (Neuroblasten) 38 102 13 9 57
Frosch (Gewebekultur) 20-24 32 20-29 6-11 6-11
Huhn (Gewebekultur) 39 30-60 2-10 3-7 2-10
Mensch (Gewebekultur, Milz) 38 21 13 5 4

Organellinventar der Zelle

Zellkern
Trennung von Vererbung
und Zellstoffwechsel
Kernmembran stellt
definiertes Milieu sicher,
Kernporen kontrollieren
gerichtete Aufnahme und
Abgabe von Substanzen

Microtubuli / Microfilamente
Bestandteile des Zytoskeletts
Spindelapparat bei den Zellteilungen
Amöboide Beweglichkeit

Centriole

Endoplasmatisches Retikulum

Cilien
9 + 2 Struktur
Bewegung von Zellen
Basalkorn (oder Körper)
Komplexe biochemische Reaktion
legt Schlagrichtung fest

Golgi-Apparat

Mitochondrium

Zytoskelett
Bewegung von Organellen
am Zytoskelett entlang

Amöboide Bewegung
Actin-Myosin Kontraktion,
übertragen auf das Zytoskelett
Zelluläre Beweglichkeit
Geißelbewegung
Synchronisierter, gerichteter
Schlag von Geißen oder
Geißelfeldern

Tensegrity
Tensegrity (Kunstwort aus engl. "tension", "Spannung" und "integrity",
Ganzheit, Zusammenhalt) bezeichnet ein von Richard Buckminster
Fuller und Kenneth Snelson erfundenes Architektursystem, in dem sich
Strukturen durch Druck und Spannung selbst stabilisieren.
Die räumlichen Gebilde bestehen aus starren Elementen (meist Stäbe,
aber auch massive, dreidimensionale Körper), die untereinander mit
Stahlseilen verbunden sind.

Chemie:
Fullerene (Käfigmoleküle)
Biologie:
Endoskelett
Zytoskelett
Anwendung des Tensegrity-Prinzips

Muskelzelle

Nervenzelle