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Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE
Unterrichtseinheit Bio II:
Lernziele
• 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
Nach Durcharbeitung dieses Kapitels sollten Sie
Naturwissenschaftlicher Vorkurs WS 2006/07 BIOLOGIE
Bakterienformen
http://textbookofbacteriology.net/structure.html
STRUCTURE AND FUNCTION OF PROCARYOTIC CELLS
Bakterium, Bau
Zellwand
Die bakterielle Zellwand besteht aus Murein, einem einzigen Molekül.
Gramfärbung
Bakteriengeißeln, Bakterienmembran
Bakterienmembran, Aufgaben
1. Osmotische und Permeabilitätsbarriere2. Transportsysteme für Nahrungsbestandteile und Ionen3. Energieproduktion4. Membranlipidsynthese5. Mureinsynthese (Peptidoglycan der Zellwand)6. Zusammenbau und Sekretion extracytoplasmatischer Proteine7. Koordination der DNA - Replikation, der Septumbildung und
Zellteilung8. 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
ungewöhnliche Coenzyme.
Archaebakterien wachsen meist unter ungewöhnlichen, extremen Lebensbedingungen, z.B. in Black Smokers, in Schwefelquellen oder bei hohn Salzkonzentrationen.
Black Smoker und White Smoker gehören zu den hydrothermalen Quellen am Grund der Tiefsee. Die Mündung wird durch eine röhren- oder kegelförmige mineralische Struktur, dem Schornstein geformt, aus dem eine Sedimentwolke austritt.
Bakterien im Ökosystem
In Ökosystemen übernehmen Bakterien i.d.R. die Rolle der Destruenten.(Ausnahme: Photosynthetisierende B.)
Bakterien und der Mensch
Positiv:
Unterstützung der Verdauung
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 επιδημία - 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 Zellwand-synthese {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 HitzeIonisierende Strahlung (Röntgenbestrahlung, Radioaktive Bestrahlung)FiltrationUV-LichtChemische AgenzienOxidationsmittelOberflächenaktive Substanzen
Verhinderung von Kontamination mit Luftkeimen
„Cleanbench“:Gefilterte Luft bläst über den Arbeitstisch
Benutzung eines Bunsenbrenners:Aufsteigende Luft nimmt Bakterien nach oben mit
Bakterienviren
Phage Lambda
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
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.
Bei der allgemeinen Transduktion werden beliebige Wirtsgene übertragen.
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 6Haushuhn, Zellkultur 700 23Hausmaus, Zellkultur 1.300 40Hamster, Zellkultur 640 24Bohne (Vicia faba) Wurzelmeristem 1.000 120Ratte, Hornhautzellen 14.000 70
Mitose
Mitose, Dauer
Zwiebel (Wurzelspitze) 20 71 6.5 2.4 3.8Erbse (Wurzelspitze) 20 78 14.4 4.2 13.2Seeigel (Embryo) 12 19 17 12 18Heuschrecke (Neuroblasten) 38 102 13 9 57Frosch (Gewebekultur) 20-24 32 20-29 6-11 6-11Huhn (Gewebekultur) 39 30-60 2-10 3-7 2-10Mensch (Gewebekultur, Milz) 38 21 13 5 4
Art Temperatur (°C) Pro Meta Ana Telo
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 Organellenam Zytoskelett entlang
Zelluläre Beweglichkeit
Amöboide Bewegung
Actin-Myosin Kontraktion, übertragen auf das Zytoskelett
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.
Anwendung des Tensegrity-Prinzips
Chemie:Fullerene (Käfigmoleküle)
Biologie:EndoskelettZytoskelett
Muskelzelle
Nervenzelle