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Vorlesung Zellbiologie im SoSe 2011 Tag Datum Dozent Thema

Do 21.4. Lieb Eigenschaften des Lebens; chemische Evolution

Do 28.4. Lieb Wasser, Kohlenhydrate, Lipide

Do 5.5. Lieb Nukleinsäuren + Proteine

Do 12.5. Lieb Dissimilation und Assimilation

Do 19.5. Stöcker Bioenergetik, Biokatalyse und Enzyme

Do 26.5. Albers Räumliche Ordnung in Zellen – Teil 1

Do 9.6. Albers Räumliche Ordnung in Zellen – Teil 2

Do 16.6. Albers Räumliche Ordnung in Zellen – Teil 3

Do 30.6. Albers Räumliche Ordnung in Zellen – Teil 4

Do 7.7. Albers Zellteilung und –differenzierung, Chromosomen

Do 14.7. Unden Prokaryoten

Mittwoch 10.08.2011 10 – 13 Uhr ZDV-Räume:

N33, Kursräume 1 – 4 und Kursraum A

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1. Anmeldung (Zulassung zur Klausur und Teilnahme, absolut verbindlich !!!!!)

2. Anmeldung (Teilnahme an e-Klausur)

http://www.bio.uni-mainz.de/zoo/

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Biologie: bíos ‚Leben‘ und lógos ‚Lehre‘)

Was ist Leben biologisch?

Reizbarkeit

Bewegung

Fortpflanzung

Stoffwechsel

Entwicklung

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Verbrennungsprodukte: hauptsächlich Wasser und Kohlendioxid

leuchtender Kohlenstoff

Rußpartikel beginnen zu glühen

verdampfter und zersetzter Brennstoff

dünne Totzone

Rußpartikel werden durch Reaktion mit Sauerstoff verbraucht

Rußpartikel werden gebildet

Hauptreaktionszone: chemische Reaktionen

Reaktionszone mit blauen Emissionen von C2 und CH

Sauerstoff diffundiert in die Reaktionszone

flüssiger Brennstoff steigt im Docht hoch

Kerzenflamme: Eine geordnete Struktur, die manche Eigenschaften des Lebens zeigt (Stoffwechsel, Bewegung, Wachstum, Fortpflanzung) ……

……… aber ohne die strenge Bindung zwischen den Eigenschaften der Eltern und denen der Nachkommen!

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…sind von einer Plasmamembran umhüllt, die von

Nähr- und Abfallstoffen

durchquert wird.

…..leben von freier Energie, die

sie ihrer Umgebung entziehen.

……arbeiten als biochemische

Fabriken mit den gleichen

Grundbausteinen und Grundreaktionen.

……verwenden Proteine als

Katalysatoren (Enzyme).

…...speichern ihre Erbinformation im „gleichen linearen“ chemischen Code

(DNA).

……replizieren ihre DNA durch

Matrizen-gesteuerte

Polymerisation.

……transkribieren Teile ihrer DNA in

die gleiche Zwischenform

(RNA).

……übersetzen RNA auf die

„gleiche“ Weise in Protein

(Ribosomen).

……haben rund 200 basale Gene *

gemeinsam und mindestens 500 Gene insgesamt.

Alle Zellen…

* Ein Gen ist ein Stück der Erbinformation, das einer RNA und meist auch einem Protein entspricht.

Die allgemeinen Merkmale aller lebenden Zellen und VL Gebiete (nach „Molekularbiologie der Zelle“, Alberts et al. (2004) Wiley-VCH, S. 8-14)

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Protein: Größe einer Kirsche (1 cm)

Mensch: Größe von Deutschland (1000 km)

Zelle: Größe des Hörsaals (10 m)

Einwohner: ~ 8 x 106

Körper zellen: ~ 1 x 1013

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15 nm (1/1000 einer Zelle)

Hämoglobin

Insulin

Immunglobulin Biomembran

DNA

Adenylat-Kinase

Glutamin-Synthetase

Größe makromolekularer Strukturen

Wie viele Proteine befinden sich in einer Zelle? (Beispiel Leberzelle)

• Durchmesser der Leberzelle = 15 m (1,5 x 10-3 cm) Volumen der Zelle = 3,4 x 10-9 cm3 (ml)

• Dichte der Zelle = 1,03 g/ml ; Dichte x Volumen Gewicht der Zelle = 3,5 x 10-9 g (micro, nano, pico)

• Gesamt-Proteingewicht der Zelle (ca. 1/5 des Zellgewichts) 7 x 10-10 g

• Ø Molgewicht der Zellproteine ~ 50.000 g/mol; 7x10-10 g : 50.000 g/mol 1,4 x 10-14 mol Protein pro Zelle

• 1 mol eines Stoffes enthält 6,022 x 1023 Teilchen (Avogadro-Zahl)

• 1,4 x 10-14 mol Protein pro Zelle x Avogadrozahl 8,4 x 109 Proteinmoleküle pro Zelle (~ 10 Milliarden!)

• ca. 10.000 verschiedene Proteine in der Leberzelle durchschnittlich 1 Million Kopien pro Typ

• Beispiele: Insulinrezeptor ~ 20.000; Actin ~ 500 Millionen

15 nm (1/1000 einer Zelle)

Hämoglobin

Insulin

Immunglobulin Biomembran

DNA

Adenylat-Kinase

Glutamin-Synthetase

Größe makromolekularer Strukturen

Wie viele Proteine befinden sich in einer Zelle? (Beispiel Leberzelle)

• Durchmesser der Leberzelle = 15 m (1,5 x 10-3 cm) Volumen der Zelle = 3,4 x 10-9 cm3 (ml)

• Dichte der Zelle = 1,03 g/ml ; Dichte x Volumen Gewicht der Zelle = 3,5 x 10-9 g (micro, nano, pico)

• Gesamt-Proteingewicht der Zelle (ca. 1/5 des Zellgewichts) 7 x 10-10 g

• Ø Molgewicht der Zellproteine ~ 50.000 g/mol; 7x10-10 g : 50.000 g/mol 1,4 x 10-14 mol Protein pro Zelle

• 1 mol eines Stoffes enthält 6,022 x 1023 Teilchen (Avogadro-Zahl)

• 1,4 x 10-14 mol Protein pro Zelle x Avogadrozahl 8,4 x 109 Proteinmoleküle pro Zelle (~ 10 Milliarden!)

• ca. 10.000 verschiedene Proteine in der Leberzelle durchschnittlich 1 Million Kopien pro Typ

• Beispiele: Insulinrezeptor ~ 20.000; Actin ~ 500 Millionen

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Bakterienzelle

Gedränge im Cytoplasma (Cellular crowding)

Ribosom

RNA

Protein

Prokaryotenzelle

Eukaryotenzelle

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Woraus bestehen Lebewesen und woher stammen sie? Zelltheorie • Alle Lebewesen bestehen aus Zellen (1839)

Theodor Schwann (1810-1882), Physiologe

Matthias Jacob Schleiden (1804 - 1881) Botaniker

Rudolf Ludwig Karl Virchow Alle Zellen stammen von zuvor existierenden Zellen ab (Virchov,1821-1902). 1858: Theorie der Zellularpathologie, Krankheiten basieren auf Störungen der Körperzellen.

1855: Sarawak-Paper „On the Law wich has regulated the introduction of New Species“ “…Every species has come into existence coincident both in space and time with a pre-existing closely allied species…” Stammbaum 1858: Ternate-Essay “The life of wild animals is a struggle for existence.” Prinzip der Selektion 1889; Darwinism („Wallace‘ Origin of Species“) an exposition of the theory of natural selection with some of its applications”

1842: Entwurf einer Theorie (unveröffentlicht) The affinities of all the beings of the same class have somtimes been represented by a

great tree….“ 1859: The Origin of Species

Charles Darwin

Alfred R. Wallace

Verändern sich Organismen mit der Zeit und wenn ja, warum? Evolutionstheorie (Darwin, Wallace 1858/59)

(1) Evolution als historischer Prozess hat tatsächlich stattgefunden (zahllose Belege) (2) Mechanismus: Mutation und Selektion (Evolutionstheorie)

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Wallace 1854 bis 1860: Malayisches Archipel 125.660 Exemplare Wallace-Linie: biogeografische Übergangszone

(Wallacea) zwischen asiatischer und australischer Flora und Fauna.

Warum gleicht der Nachwuchs seinen Eltern? Mendelsche Regeln (Mendel 1865)

Eine Art erbringt Nachkommen der selben Art.

Die Erbinformation bestimmt die Merkmale der Nachkommen.

Frage: Nach welchen Grundmustern vererben sich elterliche Merkmale?

Gregor Mendel Mendelsche Regeln der Vererbung 1865 Uniformität, Spaltung, Unabhängigkeit

Gartenerbse

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Worauf beruht das Mendelsche Verteilungsmuster und wo sind die Gene? Chromosomentheorie (Sutton & Boveri, 1903) Die Meiose ist die Ursache des Mendelschen Verteilungsmusters der Merkmale Die Erbfaktoren (Gene) sind auf den Chromosomen lokalisiert

Theodor Heinrich Boveri (1862 -1915) Biologe. Zusammen mit Eduard Strasburger: Konstanz der Chromosomenzahl bei unterschiedlichen Arten 1888 prägte er den Begriff Centrosom (heute auch Zentrosom). Im Jahr 1902 begründete er mit Walter Sutton die Chromosomentheorie der Vererbung.

Chromosome Theory of Heredity

Walter Sutton, a graduate student in E. B. Wilson’s lab at Columbia University, observed that in the process of cell division, called meiosis, that produces

sperm and egg cells, each sperm or egg receives only one chromosome of each type. (In other parts of the body, cells have two chromosomes of each type, one inherited from each parent.) The segregation pattern of chromosomes during meiosis matched the segregation patterns of Mendel’s genes. Sutton had been observing grasshopper cells, where chromosomes have quite distinct shapes. He published his findings in 1902 and a year later, made an even stronger argument to connect Mendel’s laws of heredity and the behavior of chromosomes in his paper The Chromosomes in Heredity. In many ways, Sutton reiterated the work of Theodor Boveri, a German scientist who in the late 1880s and early 1890s observed that chromosome numbers are cut in half as egg cells mature, and concluded that sperm and egg nuclei have half sets of chromosomes.

Methoden der Zellbiologie

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renal appendages

branchial glands

branchial hearts

midgut glands

Dünnschnitt eines

Gewebes

Objektträger

Laser

2. Laser katapultiert Ausschnitt heraus

mRNA

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Hybridom-Zellen

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DNA

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DNA-Sequenzierung

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DNA-Amplifikation PCR

Differentielle Expression

in Larval- und Juvenilstadien

Isoform 1 Isoform 2 Streit et al., (2005) Differentiation

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Cuff et al. 1998

-sandwich

Hämocyanin

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„The Beginning“

‚Dem Echo des Urknalls gelauscht‘: Physik-Nobelpreis 2006 John C. Mather und George F. Smoot kosmischen Hintergrundstrahlung

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• Es begann vor 13,7 Milliarden Jahren

• bis ca. 400.000 Jahre nach Big Bang war „nichts“

• Suppenartiges Plasma kochte

• Ähnlich dem Inneren unser Sonne bestand das junge Universum aus freien Elektronen, Wasserstoff- und Heliumkernen und Photonen - die ob der Temperatur aber nicht frei kamen.

• Temperatur sank auf rund 3000 °C Kerne und Elektronen vereinigten sich zu Atomen - Photonen wurden abgegeben: Ein gigantischer Lichtblitz durchzuckte das Universum, der heute noch als kosmische Hintergrundstrahlung messbar ist.

• Soweit die Theorie…

Die Geschichte des Lebens

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Urey-Miller-Versuch, 1953

Chemische Evolution

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Urey-Miller-Versuch: Ergebnisse

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Bausteine des Lebens Aminosäuren Nukleinsäuren

Zucker

Fette

Polypeptide Polynukleotide Die RNA-Welt

Zufall Beeinflussung Matrize

Komplexe Faltung

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RNA - Enzyme

Lediglich die Moleküle innerhalb der Membranhülle kooperieren. Komplexe Faltung

Membranbildung

Viren

Modell eines Grippevirus

Das Virus verändert sich

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Virentypen

Adenovirus

TMV

HIV

T-Phage

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Klein aber…

Augenherpes

Vogelgrippe

HIV

Ebola

Epstein-Barr

Virus

http://www.welt.de/videos/wissenschaft/article3393824/Ebola-Verdacht-in-Hamburg.html

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„Burst“ - Ausbruch

‚Bursting‘

Budding

Budding - Knospung

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SARS Das SARS-Genom:

RNA (29751 Nucleotide) mit nur sechs Genen: • Replicase RA • Replicase RB • Spike-Protein (S) • Envelope-Glykoprotein (E) • Membran-Glykoprotein (M) • Nucleokapsid-Protein (N)

SARS-Genom

2004 SARS-Coronavirus

8,098 people became ill with SARS, rather than the predicted millions; 774 people died.

Epidemie -> PANDEMIE ?!

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Die Schweinegrippe greift um sich, wie es zu erwarten war – in dieser Woche dürften in Deutschland mehr als 4000 Krankheitsfälle offiziell registriert worden sein. Das ist vorläufig noch eine Größen-ordnung, bei der weder von einer Grippewelle die Rede sein kann, wie sie jeden Herbst über Deutschland kommt, erst recht nicht von einer gefährlichen Seuche. Dennoch hat das Virus H1N1 bereits jetzt ganz Deutschland mit einem üblen Symptom geprägt – mit der öffentlichen Hysterie vor ihr. Die Schweinegrippe hat sich an der Wissenschaft, an allen medizinischen Erkenntnissen vorbei im öffentlichen Bewusstsein als Geißel der Menschheit festgesetzt – was sie nicht ist.

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Der Erreger vom Typ H1N1 gilt als besonders gefährlich, da er auch junge, gesunde Menschen attackiert.

Neuraminidase-Hemmer sind Medikamente, die jenes Oberflächenprotein hemmen, das die Antigenität verschiedener Bakterien und Viren mitbestimmt. Das Influenzavirus bindet über virales Hämagglutinin an die Oberfläche der Wirtszelle, dringt in die Zelle ein und vermehrt sich im Zellinneren. Die neugebildeten Viren knospen an der Zelloberfläche aus, bleiben aber über Rezeptoren an die Zelle gebunden. Mit Hilfe der viralen Neuraminidase wird die Bindung gespalten. Die Viren werden freigesetzt und können weitere Zellen infizieren.

…die Vermehrung der Viren im Körper wird zwar behindert, die Viren werden aber nicht abgetötet (eliminiert); es wirkt virostatisch, also nicht viruzid.

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Die 3 Domänen

Archaea – Bacteria - Eucarya 70 S Ribosomen

70 S Ribosomen

80 S Ribosomen

Methionyl-tRNA

Methionyl-tRNA

einige N2 Fixierer

einige N2 Fixierer

Bacteria

Eukarya

Archaea

Ursprung

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Archaea- Bacteria -Eukaryotes Characteristika Archaea Bacteria Eukaryotes

Multizellulär Nein Nein Ja DNA zirkulär* Ja Ja Nein Kern und Organellen Nein Nein Ja Hitzeresistenz möglich > 80° C Ja Ja Nein Ribosomengröße 70s 70s 80s Denitrifikation Ja Ja Nein Stickstoff Fixierung Ja Ja Nein Membran Lipidester** Nein Ja Ja Methanogenese Ja Nein Nein Transkriptionsfaktoren Nein Ja Ja Histone Ja Nein Ja Methionin als tRNA Initiator*** Ja Nein Ja Sensitiv auf Chloramphenicol, Kanamycin und Streptomycin Nein Ja Nein

Nitrifikation Nein Ja Nein * Eukaryote DNA is linear ** Archaea membrane lipids are ether-linked *** Bacteria use Formylmethionine

Bakterien

» im Darm befinden sich mehr Bakterien als Körperzellen insgesamt

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‚Formen und Aggregate‘

Spirillen

Vibrionen Stäbchen

Staphylokokken Sarcinen

Streptokokken

Mikro- und Diplokokken

Streptokokken

Staphylokokken Vibrionen

Stäbchen

3 große Gruppen

Krankheit, Parasitismus, Symbiose…

Wigglesworthia glossinida

Schlafkrankheit

Trypanosoma

Glossina sp.,

‚Obligate Symbiose‘

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DNA Zellwand

Plasmamembran Einfaltung der Plasmamembran ER Kernmembran

Nucleus

Ur- Eukaryot

Plasma-membran

Prokaryot aerober Prokaryot

Mitochondrium

Chloroplast

Photosynthese treibender Prokaryot

Eukaryot mit Mitochondrium und Chloroplast

Eukaryot mit Mitochondrium

Endosymbiose

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