Zellen der Prokaryoten und Eukaryoten
Zellen der Prokaryoten und Eukaryoten
Zellen der Prokaryoten und Eukaryoten
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Vorlesung Mikrobiologie<br />
• Was sind Mikroorganismen<br />
• Aufbau <strong>der</strong> prokaryontischen Zelle<br />
• Aufbau <strong>der</strong> eukaryontischen Zelle<br />
Verwendete Bil<strong>der</strong> aus folgenden Büchern…….<br />
eigene <strong>und</strong> von Kollegen<br />
Cypionka: „Mikrobiologie“, Springer<br />
Schlegel: „Allgemeine Mikrobiologie“, Thieme<br />
Brock:<br />
„Microbiology“, Prentice Hall<br />
Gunning&Steer: „Biologie <strong>der</strong> Pflanzenzelle“, Fischer<br />
Ude&Koch: „Die Zelle“, Fischer<br />
1
Mikroorganismen<br />
• alles, was „mikroskopisch“ klein ist<br />
• kleiner als das Auflösungsvermögen des menschlichen<br />
Auges (d Auge ca. 100 µm)<br />
• kleine Dimensionen:<br />
•aber: fließende Übergänge…….<br />
1 m = 10 3 mm<br />
1 mm = 10 3 µm<br />
1 µm = 10 3 nm<br />
Acetabularia eine Zelle!!<br />
2
Wichtige Hilfsmittel in <strong>der</strong> Mikrobiologie<br />
• Lichtmikroskopie<br />
Hellfeld (HF)<br />
Phasenkontrast (PhaKo)<br />
Dunkelfeld (DF)<br />
Diff. Interferenzkontrast (DIK)<br />
(Auto-)Fluoreszenz (Fl)<br />
Färbungen<br />
• Rasterelektronenmikroskopie<br />
•Transmissionselektronenmikroskopie<br />
3
• Anreicherungs-/Reinkulturen<br />
• Biochemische Techniken<br />
4
• Molekularbiologische Techniken<br />
18 S rDNA Nukleomorph<br />
18 S rDNA Kern<br />
Gilson & McFadden, Bioassays 19(2), 167-173 (1997) Fraunholz et al. Pl.Sys.Evol. [Suppl.] 11, 163-174 (1997)<br />
Mikroorganismen<br />
Prokaryo(n)ten: - Eubakterien<br />
- Archaea<br />
Zellkern<br />
(Nukleus)<br />
nein<br />
nein<br />
Eukaryo(n)ten: - Pilze/Flechten<br />
- Algen/Pflanzen<br />
- Protozoa/Tiere<br />
ja<br />
ja<br />
ja<br />
5
Eubakterien<br />
a-Proteobakterien, gram (-) (I)<br />
ß-Proteobakterien, gram (-) (I)<br />
?-Proteobakterien, gram (-) (I)<br />
d-Proteobakterien, gram (-) (I)<br />
gram(+) low G+C (II)<br />
gram (+) high G+C (II)<br />
Cyanobacterien, Prochlorophyten (III)<br />
Chlamydien (IV)<br />
Planctomyces, Pirella (V)<br />
Bacteroides, Flavobakteria (VI)<br />
Grüne S-Bakterien (VII)<br />
Spirochaeten (VIII)<br />
Deinococcen (IX)<br />
Grüne Nicht-S-Bakterien (X)<br />
Hyperthermophile (XI, XII, XIII)<br />
Eukaryonten<br />
früher:<br />
• Algen<br />
• Pilze<br />
• Protozoen<br />
• Pflanzen<br />
• Tiere<br />
heute:<br />
• Diplomonaden<br />
• Microsporidia<br />
• Trichomonaden (Trichomonas vaginalis)<br />
• Trypanosomen (Trypanosoma cruci)<br />
• Euglenophyten (Euglena gracilis, Augentierchen)<br />
• Schleimpilze<br />
• Ciliaten (Paramecium, Pantoffeltierchen)<br />
• Dinoflagellaten<br />
• Chromophyten (Kieselalgen, Braunalgen,….)<br />
• Rotalgen<br />
• Grünalgen (Chlamydomonas, Volvox, Ulva,…)<br />
• Pilze (Hefen, Steinpilz,….)<br />
• Moose, Farne<br />
• Höhere Pflanzen<br />
• Tiere<br />
6
Typische Bestandteile einer eubakteriellen Zelle<br />
Zellwand (10-80 nm)<br />
(u.U. Schleimkapsel)<br />
Cytoplasmamembran (8nm)<br />
Genom (Nukleoid, DNA)<br />
Cytoplasma<br />
u.U. Pili (Pilus)<br />
Ribosomen<br />
u.U. Gasvesikel<br />
u.U. Fimbrien<br />
u.U. Speicherstoffe<br />
u.U. Endomembransysteme<br />
u.U. Geißeln<br />
(Flagellum, Flagella)<br />
u.U. Plasmide, Episomen, F-Faktoren (DNA)<br />
i.d.R. wenige (1-2) µm lang, breit o<strong>der</strong> im Durchmesser !!<br />
Typische Bestandteile einer eukaryontischen Zelle<br />
Mitochondrium (Mitochondrien)<br />
Endoplasmatisches Retikulum<br />
Zellwand<br />
(bei Pflanzen)<br />
Zellkern (Nukleus)<br />
Cytoplasmamembran<br />
Ribosomen<br />
Geißel<br />
(Fimbrien, Cirren)<br />
Golgi-Apparat<br />
Reservestoffe<br />
bei Pflanzen: Vakuole(n)<br />
bei Pflanzen: Chloroplasten (Plastiden)<br />
Größe: i.d.R. > 10 µm, aber: > 2 µm (Nanoflagellaten)<br />
7
Wichtiges Unterscheidungskriterium:<br />
Eukaryonten sind komplizierter aufgebaut als<br />
Prokaryonten!!!<br />
Form<br />
Größe<br />
Zellorganellen<br />
Kompartimentierung<br />
Prokaryonten<br />
Stäbchen, Coccen,<br />
Spirillen<br />
i.d.R. < 2 µm<br />
keine<br />
i.d.R. nicht<br />
Eukaryonten<br />
u.U. komplex<br />
i.d.R. > 10 µm<br />
viele<br />
ja<br />
• Kompartimente (Organellen) sind membranumschlossene<br />
Reaktionsräume mit unterschiedlichen Funktionen<br />
• Kompartimente (Organellen) ermöglichen die zeitliche <strong>und</strong> räumliche<br />
Trennung von Stoffwechselprozessen<br />
Unterscheidungsmerkmal Größe <strong>und</strong> seine Folgen<br />
Prokaryont<br />
Eukaryont<br />
20 µm<br />
ca. 1200 µm 2<br />
Durchmesser (D) 2 µm<br />
4pr 2<br />
Oberfläche (O) ca. 12,6 µm 2<br />
4/3 pr 3<br />
Volumen (V) ca. 4,2 µm 3 ca. 4200 µm 3<br />
O/V<br />
3 : 1<br />
0,29 : 1<br />
Stoffwechsel<br />
Stoffaustausch<br />
Wachstum<br />
Verdopplungszeit<br />
+++++<br />
+++++<br />
(20 min)<br />
++<br />
++<br />
(h, d)<br />
8
typisch prokaryontische Zellfortsätze !!!!!<br />
Fimbrien:<br />
Adhaesion, Anheftung<br />
3-25 nm Durchmesser<br />
bis ca. 12 µm lang<br />
Pili:<br />
Austausch von DNA (Sexpili, F-Pili)<br />
Adhaesion, Anheftung,<br />
Bewegung,<br />
3-25 nm Durchmesser<br />
bis ca. 12 µm lang<br />
Hohlzylin<strong>der</strong> aus Proteinen (Pilin)<br />
Prokaryontische Geißel (Flagellum)<br />
9
Begeißelung:<br />
monotrich<br />
polytrich<br />
polar<br />
bipolar (amphitrich)<br />
lateral<br />
peritrich<br />
lophotrich<br />
clock wise (CW)<br />
gerichtetes<br />
Vorwärtsschwimmen<br />
counter clock wise (CCW)<br />
Taumelbewegung<br />
Reaktion auf:<br />
Nährstoffe, Gifte<br />
Licht,<br />
Gase (O 2 ),<br />
Magnetfeld<br />
Gradienten<br />
10
Eukaryontische Geißel (Flagellum, Fimbrien,Cilien, Cirren)<br />
Wichtiges Unterscheidungskriterium: Geißeln<br />
von Cytoplasmamembran<br />
umgeben<br />
Protein-Hohlzylin<strong>der</strong><br />
besteht aus<br />
aktive Eigenbewegung<br />
Durchmesser<br />
Länge<br />
Synthese<br />
Prokaryonten<br />
Nein<br />
ja<br />
Flagellin<br />
nein, mittels Haken<br />
18-20 nm<br />
bis ca. 20 µm<br />
Polymerisation außerhalb<br />
<strong>der</strong> Zelle<br />
Eukaryonten<br />
ja<br />
nein<br />
Tubulin (9+2), Dynein,<br />
Membran-umschlossen<br />
ja (Dynein)<br />
ca. 500 nm<br />
mehrere µm<br />
Polymerisation in <strong>der</strong><br />
Zelle, Centriol<br />
11
weitere Arten <strong>der</strong> Bewegung:<br />
Pro- Eukaryonten<br />
Gasvesikel:<br />
- Auftrieb, Abtrieb in <strong>der</strong> Wassersäule<br />
durch Aufbau, bzw. Abbau d. GV<br />
- mit Gasgemisch gefüllte Proteinröhren<br />
+ -<br />
Gleitende B.:<br />
- kriechende B. auf festem Substrat<br />
- Ausscheiden von Schleim, o<strong>der</strong><br />
- mittels Pili<br />
+ +<br />
Schwebende B.:- via Fetttröpfchen (Auftrieb)<br />
- via Zell-, Schwebefortsätze<br />
(-) +<br />
Gasvesikel<br />
12
Gleitende Bewegung<br />
Zellwand<br />
• Exoskelett (Fußballle<strong>der</strong> um aufgeblasenen Gummiballon)<br />
• wichtig für Osmoresistenz<br />
• verleiht Form (Prokaryonten)<br />
• wichtig für die Bewegung (bei Prokaryonten)<br />
• kann auch fehlen (Milieu-abhängig, Kontraktile Vakuolen in<br />
Eukaryonten)<br />
13
Speicherstoffe<br />
• Polyphosphate<br />
• Schwefel<br />
• Proteine<br />
• Polysaccharide<br />
z.B. „Voluntingranula“<br />
z.B. „Cyanophycin-Granula“<br />
Glykogen<br />
Stärke<br />
Amylopektin<br />
Pro- Eukaryonten<br />
+ +<br />
+ -<br />
+ +<br />
+ +<br />
• Fette, Lipidtröpfchen<br />
• Poly-ß-Hydroxybuttersäure<br />
+ +<br />
+ -<br />
Cytoplasmamembran<br />
14
• Membranen von Eubakterien <strong>und</strong> Eukaryonten sind Lipid-Bilayer<br />
• Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinester<br />
• Membranen von Archaea sind Lipid-Monolayer o<strong>der</strong> ein Mix aus<br />
Mono- <strong>und</strong> Bilayer<br />
• Membranlipide i.d.R. mit P-Glycerinether<br />
15
Funktionen <strong>der</strong> Cytoplasmamembran<br />
• Permeabilitätsbarriere<br />
• Kontrollierter Stoffaustausch<br />
• Verankerung (Geißel, Proteine)<br />
• Aufbau von Gradienten<br />
• „Bindeglied zur Umwelt“<br />
Der Stofftransport erfolgt in <strong>der</strong><br />
Regel über spezialisierte<br />
(Membran-)Proteine: Transporter<br />
• erleichterte Diffusion<br />
• aktiver Transport<br />
• Uniport<br />
• Antiport<br />
•Symport<br />
•Gruppentranslokation<br />
16
Archaea<br />
Eubakterien<br />
Eukaryonten<br />
Lipid-Monolayer<br />
+<br />
-<br />
-<br />
Lipid-Bilayer<br />
+/-<br />
+<br />
+<br />
Glycerin-Diether,<br />
Glycerin-Tetraether<br />
+<br />
-<br />
-<br />
Glycerinesther<br />
-<br />
+<br />
+<br />
Fettsäuren<br />
-<br />
C16, C18, C30-<br />
Hopanoide<br />
C16, C18, Sterole<br />
C20-, C40-<br />
Verbindungen mit<br />
Isopren als<br />
Gr<strong>und</strong>baustein<br />
+<br />
-<br />
-<br />
17
Nahrungsaufnahme<br />
Transporter<br />
Exoenzyme<br />
Pinocytose<br />
Phagocytose<br />
Prokaryonten<br />
+<br />
+<br />
-<br />
-<br />
Eukaryonten<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
Prokaryonten-Genom (DNA): Nukleoid<br />
18
Eukaryonten-Genom: Nukleus, Zellkern<br />
19
DNA<br />
Lokalisation<br />
Aufbau<br />
Assoziation mit Proteinen<br />
Kopienzahl<br />
Größe<br />
Transkription/Translation<br />
Extrachromosomale DNA<br />
Prokaryonten<br />
Nukleoid<br />
frei im Cytoplasma<br />
(Centroplasma)<br />
i.d.R. ringförmige,<br />
geschlossene (circuläre),<br />
doppelsträngige DNA<br />
(supercoiled)<br />
i.d.R. nein<br />
i.d.R. wenige Kopien<br />
ca. 5x10 5 –10x10 6 bp<br />
gleichzeitig! keine räumliche<br />
Trennung!!<br />
Plasmide<br />
(Episome, F-Faktoren)<br />
Eukaryonten<br />
Nukleus (Zellkern)<br />
von Kernhülle umgeben,<br />
2 Membranen!!, Kernporen!!<br />
i.d.R. mehrere, lineare,<br />
doppelsträngige DNA<br />
Moleküle (Chromosomen),<br />
Telomere an den Enden<br />
i.d.R. ja; Histone<br />
(Nukleosomen)<br />
haploid, diploid, polyploid<br />
i.d.R. viel größer (10 7 -10 12<br />
bp), (Mensch: 2,9x10 9 bp)<br />
zeitlich <strong>und</strong> räumlich<br />
getrennt!!!<br />
Plastiden-DNA<br />
Mitochondriale DNA,<br />
Mini-Circles<br />
asexuelle<br />
Vermehrung<br />
sexuelle<br />
Vermehrung<br />
DNA<br />
Prokaryonten<br />
• i.d.R. Zweiteilung<br />
• Knospung,<br />
• Sprossung,<br />
• (multiple) Endosporenbildung<br />
• i.d.R. primitiv!!!!<br />
• F-Duktion (Bakteriophagen),<br />
• Konjugation (Sex-Pili),<br />
• Aufnahme freier DNA<br />
(Transformation)<br />
• Regulatorische Funktionen (z.B.<br />
Promotoren),<br />
• mRNA (kodiert für Proteine),<br />
• tRNA (transfer RNA),<br />
• rRNA (ribosomale RNA)<br />
• nur wenig unwichtige, nicht<br />
funktionelle DNA<br />
Eukaryonten<br />
• Mitose<br />
• i.d.R. Zweiteilung,<br />
• Knospung,<br />
• Sprossung,<br />
• (multiple) „Endosporenbildung“<br />
• oft sehr komplex!!!<br />
• Meiose<br />
• Gameten, Gametophyten,<br />
• Zygoten, Sporophyten<br />
• Regulatorische Funktionen (z.B.<br />
Promotoren),<br />
• mRNA,<br />
• tRNA,<br />
• rRNA<br />
• sehr viel unwichtige, nicht<br />
funktionelle (junk) DNA<br />
20
Ribosomen:<br />
Ribosomen:<br />
•Ort <strong>der</strong> Translation (Proteinbiosynthese)<br />
• ca. 10 4 pro Zelle<br />
• frei im Cytoplasma, o<strong>der</strong>…..in Eukaryontischen <strong>Zellen</strong>….<br />
• assoziiert mit Endoplasmatischem Retikulum (ER)<br />
(rauhes ER, rER, granuläres ER, GER)<br />
• Merke: Ribosomen in Mitochondrien <strong>und</strong> Chloroplasten<br />
• Target für in situ Hybridisierung (FISH)<br />
• wichtig für phylogenetische Untersuchungen (16S/18S rRNA)<br />
21
Ribosomen<br />
Archaea<br />
Eubakterien<br />
Eukaryonten<br />
Typ<br />
70 S<br />
70 S<br />
80 S<br />
zusammengesetzt<br />
aus….<br />
ribosomale RNA<br />
(rRNA)<br />
30S + 50S<br />
Untereinheit (UE)<br />
30S-UE: 16S<br />
50S-UE: 5S, 23S<br />
30S-UE: ca. 21 (S1,<br />
S2,….)<br />
30S + 50S<br />
Untereinheit<br />
30S-UE: 16S<br />
50S-UE: 5S, 23S<br />
30S-UE: ca. 21 (S1,<br />
S2,….)<br />
40S + 60S<br />
Untereinheit<br />
40S-UE: 18S<br />
60S-UE: 5S, 5.8S,<br />
28S<br />
40S-UE: ca. 30 (S1,<br />
S2,….)<br />
ribosomale<br />
Proteine<br />
50S-UE: ca. 34 (L1,<br />
L2,….)<br />
50S-UE: ca. 34<br />
(L1, L2,….)<br />
60S-UE: ca. 50 (L1,<br />
L2,….)<br />
Hemmstoffe<br />
Chloramphenicol<br />
Streptomycin<br />
Cycloheximid<br />
Typische eukaryontische Kompartimente<br />
• Cytoskelett (Zellform)<br />
• Spindelapparat (Mitose, Geißelbau)<br />
• Organellen (Zellkern, Geißel, Endoplasmatisches Retikulum,<br />
Golgi-Apparat, Mitochondrium, Chloroplast)<br />
22
Endoplasmatisches Retikulum (ER)<br />
23
granuläres ER (GER), rauhes ER (RER)<br />
• mit 80S Ribosomen besetzt<br />
• in Verbindung mit <strong>der</strong> Kernhülle<br />
• Proteinsynthese in den Innenraum des ER (Lumen)<br />
• Proteinsekretion via GER ? Golgi ? nach draußen<br />
! Chloroplasten (Ausnahme)<br />
• Modifikation von Proteinen<br />
agranuläres ER, glattes ER, smooth ER (SER)<br />
• ohne Ribosomenbesatz<br />
• mit Enzymen für den Lipidstoffwechsel<br />
• Ca 2+ Speicher (Muskeln)<br />
24
Golgi-Apparat<br />
25
Golgi-Apparat:<br />
• eng mit dem ER assoziiert (transitional vesicles)<br />
• asymmetrisch gebaut (cis-, trans-site)<br />
• Modifikation von Proteinen (Glykosylierung,<br />
Aktivierung durch limitierte Proteolyse)<br />
• „sorting“ von abbauenden Enzymen (Lysosomen),<br />
sekretorischen Enzymen (Exoenzyme)<br />
• Ausschleusen von Substanzen (Sekretion)<br />
• S Dictyosome = Golgi-Apparat<br />
26
Mitochondrium<br />
(Mz: Mitochondrien)<br />
• zwei Hüllmembranen (OME, IME)<br />
• innere Membran (Cristae, Tubuli) spezialisiert<br />
für Energiekonversion (ATP-Synthese,<br />
Atmungskette)<br />
• inneres „Cytoplasma“ (Matrix): Citrat-Cyclus,<br />
Fettsäure-Metabolismus, ß-Oxidation von<br />
Fettsäuren, Synthese v. Steroiden<br />
• mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei in <strong>der</strong><br />
Matrix<br />
• mit 70S Ribosomen<br />
• mit eigenen Transkriptions- <strong>und</strong><br />
Translationsapparat<br />
• nur wenige mitochondriale Proteine werden<br />
auch mitochondrial kodiert<br />
• daher: Import von im Zellkern kodierten<br />
Proteinen über beide Hüllmembranen<br />
• semiautonomes Zellorganell !!!!<br />
27
Chloroplasten<br />
Stroma<br />
Granum<br />
Grana(-thylakoide)<br />
Stroma(-thylakoide)<br />
(Thylakoid-)Lumen<br />
28
• zwei Hüllmembranen (OCE, ICE)<br />
• internes Membransystem (Thylakoide)<br />
spezialisiert für Photosynthese (Chlorophylle,<br />
Carotinoide, Photosysteme) <strong>und</strong><br />
Energiekonversion (ATP-Synthese)<br />
• inneres „Cytoplasma“ (Stroma): CO 2 -Fixierung<br />
(Calvin Cyclus), Lipidsynthese, Stärkespeicherung<br />
• mit circulärer, doppelsträngiger DNA, frei im<br />
Stroma<br />
• mit eigenem Transkriptionsapparat<br />
• mit 70S Ribosomen<br />
• mit eigenem Translationsapparat<br />
• nur wenige plastidäre Proteine werden auch<br />
plastidär kodiert<br />
• daher: Import von im Zellkern kodierten<br />
Proteinen in die Plastiden<br />
• semiautonomes Zellorganell !!!!<br />
29
Endosymbionten-Theorie<br />
da Chloroplasten <strong>und</strong> Mitochondrien….<br />
• (70S) Ribosomen, eigenen Translationsapparat<br />
• eigene RNA, eigenen Transkriptionsapparat<br />
• eigene (circuläre, histonfreie) DNA, eigenen<br />
Replikationsapparat<br />
enthalten…..könnten sie von Bakterien abstammen!!!!<br />
16S rDNA phylogenetische Untersuchungen beweisen es !!!<br />
aber:<br />
Semiautonomie!!!!<br />
Abhängigkeit vom Zellkern!!!!<br />
Gentransfer: Organell ? Zellkern<br />
30
Change language