1 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
Transcript
1
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
2
1. Anmeldung (Zulassung zur Klausur und Teilnahme, absolut verbindlich !!!!!)
2. Anmeldung (Teilnahme an e-Klausur)
http://www.bio.uni-mainz.de/zoo/
3
4
5
Biologie: bíos ‚Leben‘ und lógos ‚Lehre‘)
Was ist Leben biologisch?
Reizbarkeit
Bewegung
Fortpflanzung
Stoffwechsel
Entwicklung
6
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!
7
8
…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)
9
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
10
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
11
Bakterienzelle
Gedränge im Cytoplasma (Cellular crowding)
Ribosom
RNA
Protein
Prokaryotenzelle
Eukaryotenzelle
12
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)
(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
14
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
15
renal appendages
branchial glands
branchial hearts
midgut glands
Dünnschnitt eines
Gewebes
Objektträger
Laser
2. Laser katapultiert Ausschnitt heraus
mRNA
16
Hybridom-Zellen
17
18
DNA
19
DNA-Sequenzierung
20
DNA-Amplifikation PCR
Differentielle Expression
in Larval- und Juvenilstadien
Isoform 1 Isoform 2 Streit et al., (2005) Differentiation
21
22
Cuff et al. 1998
-sandwich
Hämocyanin
23
„The Beginning“
‚Dem Echo des Urknalls gelauscht‘: Physik-Nobelpreis 2006 John C. Mather und George F. Smoot kosmischen Hintergrundstrahlung
24
• 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
25
Urey-Miller-Versuch, 1953
Chemische Evolution
26
Urey-Miller-Versuch: Ergebnisse
27
Bausteine des Lebens Aminosäuren Nukleinsäuren
Zucker
Fette
Polypeptide Polynukleotide Die RNA-Welt
Zufall Beeinflussung Matrize
Komplexe Faltung
28
RNA - Enzyme
Lediglich die Moleküle innerhalb der Membranhülle kooperieren. Komplexe Faltung
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 ?!
34
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.
35
36
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.
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
39
‚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‘
40
DNA Zellwand
Plasmamembran Einfaltung der Plasmamembran ER Kernmembran
